第 十 一 章 數 控 多 軸 聯 動 激 光 加 工 設 備 w 數 控 激 光 切 割 設 備 w 數 控 五 軸 聯 動 激 光 加 工 機 床 學習導論w數控激光加工設備是集光、機、電技術于一體的先進加工設備，適合于加工和處理多種材料并能對加工過程進行自動控制，具有廣泛的用途。要求掌握數控激光切割設備和數控多軸聯動激光加工設備的基本構成、激光器的工作原理和類型、存在的基本運動和典型設備的基本結構及工作原理。 數 控 激 光 切 割 設 備 一 、 激 光 切 割 的 原 理 、 分 類 及 特 點 （ 1） w 激 光 切 割 的 原 理n 如 圖 所 示 ， 激 光 切 割 是 利 用 經 聚 焦 的 高 功 率密 度 激 光 束 照 射 工 件 ， 使 被 照 射 的 材 料 迅 速熔 化 、 汽 化 、 燒 蝕 或 達 到 燃 點 ， 同 時 借 助 與光 束 同 軸 的 高 速 氣 流 吹 除 熔 融 物 質 ， 從 而 實現 將 工 件 割 開 。 激 光 切 割 原 理 示 意 圖 例 一 、 激 光 切 割 的 原 理 、 分 類 及 特 點 （ 2） w 激 光 切 割 的 分 類 （ 1）n 激 光 汽 化 切 割 利 用 高 能 量 密 度 的 激 光 束 加 熱工 件 ， 使 溫 度 迅 速 上 升 ， 在 非 常 短 的 時 間 內達 到 材 料 的 沸 點 ， 材 料 開 始 汽 化 ， 形 成 蒸 汽 。這 些 蒸 汽 噴 出 速 度 很 大 ， 在 蒸 汽 噴 出 的 同 時 ，在 材 料 上 形 成 了 切 口 。 材 料 的 汽 化 熱 一 般 很大 ， 所 以 激 光 汽 化 切 割 時 需 要 很 大 的 功 率 和功 率 密 度 。 一 、 激 光 切 割 的 原 理 、 分 類 及 特 點 （ 3） w 激 光 切 割 的 分 類 （ 2）n 激 光 熔 化 切 割 激 光 熔 化 切 割 時 ， 用 激 光 加 熱 使 金 屬材 料 熔 化 ， 然 后 通 過 與 光 束 同 軸 的 噴 嘴 噴 吹 非 氧 化 性氣 體 （ Ar、 He、 N等 ） ， 依 靠 氣 體 的 強 大 壓 力 使 液 態(tài)金 屬 排 出 ， 形 成 切 口 。 激 光 熔 化 切 不 需 要 使 金 屬 完 全汽 化 ， 因 此 所 需 要 能 量 只 有 汽 化 切 割 的 1/10。 n 激 光 熔 化 切 割 主 要 用 于 一 些 不 易 氧 化 的 材 料 或 活 性 金屬 材 料 的 切 割 ， 如 不 銹 鋼 、 鈦 、 鋁 及 其 合 金 材 料 等 。 一 、 激 光 切 割 的 原 理 、 分 類 及 特 點 （ 4） w 激 光 切 割 的 分 類 （ 3）n 激 光 氧 氣 切 割 激 光 氧 氣 切 割 原 理 類 似 于 氧 乙 炔 切 割 。它 是 利 用 激 光 作 為 預 熱 熱 源 ， 用 氧 氣 等 活 性 氣 體 作 為切 割 氣 體 。 噴 吹 出 的 氣 體 一 方 面 與 切 割 金 屬 作 用 ， 發(fā)生 氧 化 反 應 ， 放 出 大 量 的 氧 化 熱 ； 另 一 方 面 把 熔 融 的氧 化 物 和 熔 化 物 從 反 應 區(qū) 吹 出 ， 在 金 屬 中 形 成 切 口 。由 于 切 割 過 程 中 的 氧 化 反 應 產 生 了 大 量 的 熱 ， 所 以 激光 氧 氣 切 割 所 需 要 的 能 量 只 是 熔 化 切 割 的 1/2， 而 切割 速 度 遠 遠 大 于 激 光 汽 化 切 割 和 熔 化 切 割 。 n 激 光 氧 氣 切 割 主 要 用 于 碳 鋼 、 鈦 鋼 以 及 熱 處 理 鋼 等 易氧 化 的 金 屬 材 料 。 一 、 激 光 切 割 的 原 理 、 分 類 及 特 點 （ 5） w 激 光 切 割 的 分 類 （ 4）n 激 光 劃 片 與 控 制 斷 裂 激 光 劃 片 是 利 用 高 能 量 密 度 的激 光 在 脆 性 材 料 的 表 面 進 行 掃 描 ， 使 材 料 受 熱 蒸 發(fā) 出一 條 小 槽 ， 然 后 施 加 一 定 的 壓 力 ， 脆 性 材 料 就 會 沿 小槽 處 裂 開 。 激 光 劃 片 用 的 激 光 器 一 般 為 Q開 關 激 光 器和 CO2激 光 器 。 n 控 制 斷 裂 是 利 用 激 光 刻 槽 時 所 產 生 的 陡 峭 溫 度 分 布 ，在 脆 性 材 料 中 產 生 局 部 熱 應 力 ， 使 材 料 沿 小 槽 斷 開 。 一 、 激 光 切 割 的 原 理 、 分 類 及 特 點 （ 6） w 激 光 切 割 特 點 （ 1）n 切 割 質 量 好 激 光 切 割 切 口 細 窄 ， 切 縫 兩 邊 平 行 并 且與 表 面 垂 直 ， 切 割 零 件 的 尺 寸 精 度 可 達 0.05 。 切口 表 面 光 潔 美 觀 ， 表 面 粗 糙 度 只 有 幾 十 微 米 ， 甚 至 激光 切 割 可 以 作 為 最 后 一 道 工 序 ， 無 需 機 械 加 工 ， 零 部件 可 直 接 使 用 。 材 料 經 過 激 光 切 割 后 ， 熱 影 響 區(qū) 寬 度很 小 ， 切 縫 附 近 材 料 的 性 質 幾 乎 不 受 影 響 ， 并 且 工 件變 形 小 ， 切 割 精 度 高 ， 切 縫 的 幾 何 形 狀 好 ， 切 縫 橫 斷面 呈 規(guī) 則 的 長 方 形 。 一 、 激 光 切 割 的 原 理 、 分 類 及 特 點 （ 7） w 激 光 切 割 特 點 （ 2）n 切 割 效 率 高 由 于 激 光 的 傳 輸 特 性 ， 激 光 切 割 機 床 上一 般 配 有 多 方 向 的 進 給 運 動 ， 整 個 切 割 過 程 可 以 全 部實 現 數 控 。 操 作 時 ， 只 需 改 變 數 控 加 工 程 序 ， 就 可 以適 用 不 同 工 件 、 不 同 形 狀 零 件 的 切 割 。 n 切 割 速 度 快 用 功 率 1200W的 激 光 束 切 割 2 厚 的 低 碳鋼 板 ， 切 割 速 度 可 達 600cm/min； 切 割 5 厚 的 娶 丙 烯樹 脂 板 ， 切 割 速 度 可 達 1200cm/min。 材 料 在 激 光 設 備上 切 割 時 不 需 要 裝 夾 固 定 ， 既 可 節(jié) 省 工 裝 夾 具 ， 又 節(jié)省 了 上 、 下 料 的 輔 助 時 間 。 一 、 激 光 切 割 的 原 理 、 分 類 及 特 點 （ 8） w 激 光 切 割 特 點 （ 3）n 非 接 觸 式 切 割 激 光 切 割 時 割 炬 與 工 件 無 接 觸 ，不 存 在 工 具 的 磨 損 問 題 。 加 工 不 同 形 狀 的 工件 ， 不 需 要 更 換 “ 刀 具 ” ， 只 需 要 改 變 加 工程 序 和 改 變 激 光 器 輸 出 的 參 數 。 激 光 切 割 過程 噪 聲 低 ， 振 動 小 ， 無 污 染 。 一 、 激 光 切 割 的 原 理 、 分 類 及 特 點 （ 9） w 激 光 切 割 特 點 （ 4）n 激 光 切 割 加 工 的 適 應 范 圍 廣 與 氧 乙 炔 切 割 和 等 離 子切 割 比 較 ， 激 光 切 割 材 料 種 類 多 ， 包 括 金 屬 、 非 金 屬 、金 屬 基 和 非 金 屬 基 復 合 材 料 、 皮 革 、 木 材 及 纖 維 等 。但 是 對 于 不 同 的 材 料 ， 由 于 自 身 的 熱 物 理 性 能 及 對 激光 的 吸 收 率 不 同 ， 表 現 出 不 同 的 激 光 切 割 適 應 性 。 n 激 光 切 割 由 于 受 激 光 器 功 率 和 體 積 的 限 制 ， 激 光 切割 只 能 切 割 中 小 厚 度 的 板 材 和 管 材 ， 而 隨 著 工 件 厚度 的 增 加 ， 切 割 速 度 顯 著 降 低 。 二 、 激 光 切 割 的 應 用 范 圍w 大 多 數 激 光 切 割 機 床 都 是 數 控 機 床 。 激 光 切 割作 為 一 種 精 密 加 工 方 法 ， 幾 乎 可 以 切 割 所 有 材料 ， 包 括 薄 金 屬 板 的 二 維 切 割 和 三 維 切 割 。w 激 光 切 割 成 形 技 術 在 非 金 屬 材 料 領 域 也 有 著 較為 廣 泛 的 應 用 。 不 僅 可 以 切 割 高 硬 度 、 脆 性 大的 材 料 ， 如 氮 化 硅 、 陶 瓷 、 石 英 等 ， 還 能 切 割加 工 柔 性 材 料 ， 如 布 料 、 紙 張 、 塑 料 板 、 橡 膠板 等 。 服 裝 業(yè) 用 激 光 進 行 服 裝 裁 剪 ， 可 節(jié) 省 衣料 10%12%， 并 可 將 工 效 提 高 3倍 以 上 。 三 、 數 控 激 光 切 割 機 床 （ 1） w 機 床 的 主 要 構 成 （ 1）w 激 光 切 割 機 床 大 都 采 用 CO2激 光 器 ， 從 大的 方 面 來 說 主 要 由 激 光 器 、 導 光 系 統(tǒng) 、 數控 系 統(tǒng) 、 伺 服 系 統(tǒng) 、 割 炬 、 操 作 臺 、 氣 源 、水 源 及 抽 煙 系 統(tǒng) 構 成 。 典 型 的 CO2激 光 切割 設 備 的 基 本 構 成 如 圖 所 示 。 CO2激 光 切 割 機 床 基 本 構 成 圖 例 三 、 數 控 激 光 切 割 機 床 （ 2） w 機 床 的 主 要 構 成 （ 2）n 激 光 電 源 供 給 激 光 振 蕩 用 的 高 壓 電 源 。n 激 光 振 蕩 器 產 生 激 光 的 主 要 設 備 。n 折 射 反 射 鏡 用 于 改 變 激 光 的 傳 輸 方 向 。 為 使 光 束 通 路 不 發(fā) 生 故障 ， 所 有 反 射 鏡 都 要 用 保 護 罩 加 以 保 護 。 n 割 炬 主 要 包 括 槍 體 、 聚 焦 透 鏡 、 輔 助 氣 體 噴 嘴 等 。n 切 割 工 作 平 臺 用 于 安 裝 被 切 割 的 板 材 或 工 件 ， 能 夠 按 照 數 控 指令 進 行 運 動 ， 工 作 臺 各 個 方 向 的 運 動 通 常 由 伺 服 電 動 機 驅 動 。n 割 炬 驅 動 裝 置 二 維 或 三 維 曲 線 或 曲 面 的 加 工 是 由 工 作 臺 和 割 炬的 共 同 運 動 實 現 的 。 割 炬 驅 動 裝 置 由 伺 服 電 動 機 和 絲 杠 等 傳 動件 組 成 。 三 、 數 控 激 光 切 割 機 床 （ 3） w 機 床 的 主 要 構 成 （ 3）n CNC數 控 裝 置 控 制 工 作 臺 和 割 炬 的 運 動 軌 跡 ， 切 割 出 所 要 求的 形 狀 ， 同 時 也 控 制 激 光 器 在 加 工 不 同 工 件 或 材 料 時 的 輸 出 功率 。n 操 作 盤 是 一 個 人 機 界 面 接 口 。 既 可 以 顯 示 加 工 過 程 的 狀 態(tài) ， 又可 以 通 過 操 作 盤 對 加 工 過 程 進 行 控 制 。 n 氣 瓶 包 括 激 光 工 作 介 質 氣 瓶 和 輔 助 氣 瓶 ， 用 于 補 充 激 光 振 蕩 的工 作 氣 體 和 供 給 切 割 用 的 輔 助 氣 體 。n 冷 卻 水 循 環(huán) 裝 置 用 于 冷 卻 激 光 振 蕩 器 。 激 光 器 是 利 用 電 能 轉 換成 光 能 的 裝 置 ， 如 CO2氣 體 激 光 器 的 轉 換 率 一 般 為 20%， 剩 余 的80%能 量 轉 換 成 熱 能 。 冷 卻 水 的 作 用 就 是 把 多 余 的 熱 量 帶 走 以維 持 激 光 振 蕩 器 的 正 常 工 作 。n 空 氣 干 燥 器 用 于 向 激 光 振 蕩 器 和 光 束 通 路 供 給 潔 凈 的 干 燥 空 氣 ，以 保 持 通 路 和 反 射 鏡 的 正 常 工 作 。 三 、 數 控 激 光 切 割 機 床 （ 4） w 激 光 切 割 用 激 光 器 （ 1）n 切 割 用 激 光 器 主 要 有 CO2氣 體 激 光 器 和 釔 鋁 石 榴 石 固體 激 光 器 （ 即 YAG激 光 器 ） 。n CO2氣 體 激 光 器 是 利 用 封 閉 在 容 器 內 的 CO2氣 體 （ 實 際上 是 CO2、 N2和 He的 混 合 氣 ） 作 為 工 作 物 質 經 受 激 振蕩 后 產 生 的 光 放 大 。 CO2氣 體 激 光 器 的 基 本 結 構 如 圖所 示 。 氣 體 通 過 施 加 高 壓 電 形 成 輝 光 放 電 狀 態(tài) ， 借 助設 在 容 器 兩 端 的 反 射 鏡 使 其 在 反 射 鏡 之 間 的 區(qū) 域 不 斷受 激 勵 并 產 生 激 光 。 CO2氣 體 激 光 器 的 基 本 結 構 圖 例 三 、 數 控 激 光 切 割 機 床 （ 5） w 激 光 切 割 用 激 光 器 （ 2）n YAG固 體 激 光 器 的 結 構 原 理 如 圖 所 示 。 它 是 借助 光 學 泵 作 用 將 電 能 轉 化 的 能 量 傳 送 到 工 作介 質 中 ， 使 之 在 激 光 棒 與 電 弧 燈 周 圍 形 成 一個 泵 室 。 同 時 通 過 激 光 棒 兩 端 的 反 光 鏡 ， 使光 對 準 工 作 介 質 ， 對 其 進 行 激 勵 以 產 生 光 放大 ， 從 而 獲 得 激 光 。 YAG固 體 激 光 器 結 構 示 意 圖 例 三 、 數 控 激 光 切 割 機 床 （ 6） w 割 炬 （ 1）n 激 光 切 割 用 割 炬 的 結 構 如 圖 所 示 。 主 要 由 割炬 體 、 聚 焦 透 鏡 、 反 射 鏡 和 輔 助 氣 體 噴 嘴 等組 成 。 激 光 切 割 時 ， 割 炬 必 須 滿 足 下 列 要 求 ：l 割 炬 能 夠 噴 射 出 足 夠 的 氣 流 ；l 割 炬 內 氣 體 的 噴 射 方 向 必 須 和 反 射 鏡 的 光 軸 同 軸 ；l 割 炬 的 焦 距 能 夠 方 便 調 節(jié) ； l 切 割 時 ， 保 證 金 屬 蒸 氣 和 切 割 金 屬 的 飛 濺 不 會 損傷 反 射 鏡 。 激 光 切 割 割 炬 結 構 圖 例 三 、 數 控 激 光 切 割 機 床 （ 7） w 割 炬 （ 2）n 聚 焦 透 鏡 聚 焦 透 鏡 用 于 把 射 入 割 炬 的 平 行 激 光 束 進行 聚 焦 ， 以 獲 得 較 小 的 光 斑 和 較 高 的 功 率 密 度 。 透 鏡經 常 采 用 能 透 過 激 光 波 長 的 材 料 制 造 。 固 體 激 光 常 用光 學 玻 璃 ， 而 CO2氣 體 激 光 因 透 不 過 普 通 玻 璃 ， 則 采用 ZnSe、 GaAs和 Ge等 材 料 制 造 ， 其 中 最 常 用 的 是ZnSe。 n 透 鏡 的 形 狀 有 雙 凸 形 、 平 凸 形 和 凹 凸 形 三 種 。 透 鏡 的焦 距 對 聚 焦 后 光 斑 直 徑 和 焦 點 深 度 有 很 大 影 響 。 聚 焦光 斑 直 徑 do與 透 鏡 焦 距 f和 入 射 激 光 束 直 徑 D之 間 的 關系 如 圖 所 示 。 由 圖 可 見 ， 當 入 射 激 光 束 直 徑 D值 一 定時 ， 存 在 一 個 最 佳 的 透 鏡 焦 距 f值 使 聚 焦 光 斑 直 徑 do最 小 。 聚 焦 光 斑 直 徑 d0與 透 鏡 焦 距 f和 入 射 激 光束 直 徑 D之 間 的 關 系 三 、 數 控 激 光 切 割 機 床 （ 8） w 割 炬 （ 3）n 焦 點 深 度 fd與 透 鏡 焦 距 f的 關 系 如 圖 所 示 。 隨著 透 鏡 焦 距 的 減 小 ， 焦 點 深 度 也 變 小 。 焦 點 深 度 fd與 透 鏡 焦 距 f的 關 系 圖 例 三 、 數 控 激 光 切 割 機 床 （ 9） w 反 射 鏡 n 反 射 鏡 的 功 能 是 改 變 來 自 激 光 器 的 光 束 方 向 。對 固 體 激 光 器 發(fā) 出 的 光 束 可 使 用 由 光 學 玻 璃制 造 的 反 射 鏡 ， 而 對 CO2氣 體 激 光 切 割 裝 置 中的 反 射 鏡 常 用 銅 或 反 射 率 高 的 金 屬 制 造 。 反射 鏡 在 使 用 過 程 中 ， 為 避 免 反 射 鏡 受 光 照 過熱 而 損 壞 ， 通 常 需 用 水 進 行 冷 卻 。 三 、 數 控 激 光 切 割 機 床 （ 10） w 噴 嘴 （ 1） n 噴 嘴 用 于 向 切 割 區(qū) 噴 射 輔 助 氣 體 ， 其 結 構 形狀 對 切 割 效 率 和 質 量 有 一 定 影 響 。 如 圖 所 示為 激 光 切 割 常 用 的 噴 嘴 形 狀 ， 而 噴 孔 的 形 狀有 圓 柱 形 、 錐 形 和 縮 放 形 等 。 噴 嘴 的 選 用 一般 根 據 切 割 工 件 的 材 質 、 厚 度 、 輔 助 氣 體 壓力 等 再 經 試 驗 后 確 定 。 激 光 切 割 常 用 噴 嘴 形 狀 圖 例a） b） c） d） 三 、 數 控 激 光 切 割 機 床 （ 11） w 噴 嘴 （ 2） n 當 用 惰 性 氣 體 切 割 某 些 金 屬 時 ， 為 保 護 切 口區(qū) 金 屬 不 致 因 空 氣 入 侵 （ 一 般 噴 嘴 在 切 割 方向 突 然 改 變 時 常 有 空 氣 卷 入 切 割 區(qū) 而 發(fā) 生 氧化 或 氮 化 ， 則 宜 使 用 加 保 護 罩 的 噴 嘴 。 加 玻璃 絨 保 護 罩 的 噴 嘴 結 構 如 圖 所 示 。 加 玻 璃 絨 保 護 罩 的 噴 嘴 結 構 圖 例 三 、 數 控 激 光 切 割 機 床 （ 12） w 數 控 激 光 切 割 設 備 的 類 型 （ 1） n 割 炬 驅 動 式 切 割 設 備 割 炬 驅 動 式 切 割 設 備 中 ， 割 炬 安 裝 在 可 移動 式 門 架 上 并 沿 門 架 大 梁 橫 向 （ Y軸 方 向 ） 運 動 ， 門 架 帶 動 割炬 沿 X軸 運 動 ， 工 件 固 定 在 切 割 臺 上 。 由 于 激 光 器 與 割 炬 分 離設 置 ， 在 切 割 過 程 中 ， 激 光 的 傳 輸 特 性 、 沿 光 束 掃 描 方 向 的 平行 度 和 折 光 反 射 鏡 的 穩(wěn) 定 性 都 會 受 到 影 響 。 n 割 炬 驅 動 式 切 割 設 備 的 典 型 結 構 如 圖 所 示 。 采 用 CO2氣 體 連 續(xù)激 光 ， 光 束 從 激 光 器 傳 送 到 割 炬 的 距 離 為 18m。 為 了 保 持 光 束直 徑 在 這 一 傳 送 距 離 內 其 形 狀 的 變 化 不 妨 礙 切 割 加 工 的 進 行 ，振 蕩 器 反 光 鏡 的 組 合 應 仔 細 設 計 。 割 炬 驅 動 式 切 割 設 備 的 典 型 結 構 圖 例 三 、 數 控 激 光 切 割 機 床 （ 13） w 數 控 激 光 切 割 設 備 的 類 型 （ 2） n XY坐 標 切 割 臺 驅 動 式 切 割 設 備 XY坐 標 切 割 臺 驅 動 式 切 割 設 備 ，割 炬 固 定 在 基 架 上 ， 工 件 置 于 切 割 臺 上 。 切 割 臺 按 數 控 指 令 沿X、 Y方 向 運 動 ， 驅 動 速 度 一 般 為 01m/min（ 可 調 ） 或05m/min（ 可 調 ） 。 由 于 割 炬 相 對 工 件 固 定 ， 在 切 割 過 程 中 對激 光 束 的 調 準 對 中 影 響 小 ， 因 此 能 進 行 均 一 且 穩(wěn) 定 的 切 割 。 當切 割 工 作 臺 尺 寸 較 小 、 機 械 精 度 較 高 時 ， 定 位 精 度 為 0.01 ，切 割 精 度 相 當 好 ， 特 別 適 合 于 小 零 件 的 精 密 切 割 。 另 外 也 有 采用 X軸 方 向 行 程 23002400 、 Y軸 方 向 行 程 12001300 的 切 割工 作 臺 來 加 工 較 大 尺 寸 的 零 件 。 三 、 數 控 激 光 切 割 機 床 （ 14） w 數 控 激 光 切 割 設 備 的 類 型 （ 3） n 割 炬 切 割 臺 雙 驅 動 式 切 割 設 備 割 炬 切 割 臺 雙 驅 動 式 切 割 設備 介 于 割 炬 驅 動 式 與 XY坐 標 切 割 臺 驅 動 式 之 間 。 割 炬 安 裝 在 門架 上 并 沿 門 架 大 梁 作 橫 向 （ Y向 ） 運 動 ， 切 割 臺 沿 縱 向 驅 動 ，兼 有 切 割 精 度 高 和 節(jié) 省 生 產 場 地 的 優(yōu) 點 。 定 位 精 度 為 0.01 ，切 割 速 度 調 節(jié) 范 圍 為 020m/min， 是 應 用 較 多 的 一 種 切 割 設 備 。其 中 較 大 的 切 割 設 備 Y軸 方 向 行 程 為 2000 ， X軸 方 向 行 程 為6000 ， 可 切 割 大 尺 寸 零 件 。 n 激 光 振 蕩 器 和 割 炬 一 起 安 裝 在 門 架 上 ， 切 割 精 度 相 當 好 。 切 割圓 孔 精 度 和 切 割 速 度 的 關 系 如 圖 所 示 。 切 割 圓 孔 精 度 和 切 割 速 度 的 關 系 圖 例 三 、 數 控 激 光 切 割 機 床 （ 15） w 數 控 激 光 切 割 設 備 的 類 型 （ 4） n 一 體 式 切 割 設 備 一 體 式 切 割 設 備 中 ， 激 光 器 安 裝 在機 架 上 并 隨 機 架 縱 向 移 動 ， 而 割 炬 同 其 驅 動 機 構 組 成一 體 在 機 架 大 梁 上 橫 向 移 動 ， 利 用 數 控 方 式 可 進 行 各種 成 形 零 件 的 切 割 。 為 彌 補 割 炬 橫 向 移 動 使 光 路 長 度變 化 ， 通 常 備 有 光 路 長 度 調 整 組 件 ， 能 在 切 割 區(qū) 范 圍內 獲 得 均 質 的 光 束 ， 保 持 切 割 面 質 量 的 同 質 性 。 數 控 五 軸 聯 動 激 光 加 工 機 床 一 、 機 床 的 構 成 、 運 動 及 主 要 技 術 參 數 （ 1） w 從 大 的 方 面 來 說 ， 數 控 五 軸 聯 動 激 光 加 工機 床 由 機 床 本 體 部 分 、 激 光 器 及 外 光 路 部分 、 數 控 系 統(tǒng) 部 分 構 成 。 整 個 機 床 的 外 形圖 如 圖 所 示 。 數 控 五 軸 聯 動 激 光 加 工 機 床 外 形 圖 例 一 、 機 床 的 構 成 、 運 動 及 主 要 技 術 參 數 （ 2） w 機 床 本 體 部 分 由 龍 門 架 及 工 作 臺 構 成 。 工 作 臺上 安 裝 待 加 工 工 件 ， 并 帶 動 工 件 實 現 縱 向 進 給運 動 （ X向 ） 。 光 學 系 統(tǒng) 安 裝 在 龍 門 架 上 ， 實 現光 束 相 對 于 工 件 的 橫 向 進 給 運 動 （ Y向 ） 。 為 了獲 得 滿 足 加 工 要 求 的 光 斑 直 徑 大 小 和 合 適 的 功率 密 度 ， 必 須 調 整 聚 焦 光 頭 相 對 于 工 件 表 面 的距 離 ， 因 此 光 學 系 統(tǒng) 有 一 個 沿 Z軸 方 向 的 垂 直 進給 運 動 。 除 此 以 外 ， 該 機 床 還 存 在 兩 個 方 向 的旋 轉 運 動 ： 光 束 繞 Z軸 的 旋 轉 運 動 及 光 束 繞 水 平軸 的 旋 轉 運 動 。 二 、 機 床 所 能 實 現 的 功 能w 數 控 五 軸 聯 動 激 光 加 工 機 床 可 以 實 現 下 面的 功 能 ：n 平 面 與 三 維 曲 面 的 激 光 熱 處 理 和 表 面 熔 覆 ；n 激 光 切 割 與 焊 接 ；n 激 光 切 割 焦 點 位 置 的 自 動 測 量 與 控 制 ； n 三 維 曲 面 激 光 切 割 的 示 教 錄 返 。 三 、 機 床 的 工 作 原 理 （ 1） w 激 光 熱 處 理 與 表 面 熔 覆n 一 般 來 說 ， 用 這 種 設 備 進 行 熱 處 理 和 表 面 修 復 的 零 件較 重 ， 通 常 直 接 將 工 件 裝 在 工 作 臺 上 。 激 光 器 輸 出 功率 為 5KW、 直 徑 37 的 高 階 模 激 光 束 。 從 激 光 器 出來 的 激 光 束 外 光 路 圖 如 圖 所 示 。 激 光 束 通 過 反 射 鏡 1、2進 入 Y軸 方 向 ， 經 過 反 射 鏡 3反 射 后 沿 Z軸 方 向 傳 到反 射 鏡 4后 ， 經 聚 焦 頭 上 的 曲 面 反 射 鏡 5聚 焦 到 工 件 9表 面 ， 光 頭 保 持 垂 直 ， 沿 Y軸 移 動 ， 工 作 臺 沿 X軸 方向 可 進 行 平 面 加 工 。 如 果 加 上 Z、 C、 A軸 的 運 動 就 能進 行 三 維 曲 面 的 熱 處 理 和 熔 覆 。 激 光 加 工 機 外 光 路 圖 例 三 、 機 床 的 工 作 原 理 （ 2） w 激 光 切 割 與 焊 接n 在 上 圖 所 示 的 外 光 路 圖 上 ， 機 床 若 換 上 帶 聚焦 透 鏡 的 聚 焦 光 頭 ， 激 光 器 輸 出 可 達 3KW、直 徑 為 25 的 低 階 模 激 光 光 束 ， 通 過 反 射 鏡6反 射 ， 透 鏡 7聚 焦 到 工 件 表 面 ， 機 床 五 軸 聯動 可 進 行 三 維 曲 面 的 切 割 與 焊 接 。 三 、 機 床 的 工 作 原 理 （ 3） w 激 光 切 割 焦 點 位 置 自 動 測 量 與 控 制n 為 了 保 證 激 光 切 割 的 質 量 ， 通 常 要 自 動 檢 測 激 光 焦 點的 位 置 ， 且 自 動 控 制 光 頭 移 動 使 焦 點 相 對 于 工 件 表 面保 持 在 合 適 的 位 置 上 。 檢 測 裝 置 與 數 控 系 統(tǒng) 構 成 反 饋回 路 ， 通 過 將 檢 測 到 的 焦 點 位 置 與 程 序 要 求 的 焦 點 位置 進 行 比 較 ， 根 據 比 較 結 果 由 數 控 系 統(tǒng) 輸 出 信 號 經 過放 大 后 驅 動 X、 Y、 Z三 個 坐 標 軸 移 動 ， 控 制 光 頭 的 位置 ， 使 其 朝 著 位 置 誤 差 減 小 的 方 向 移 動 。 三 、 機 床 的 工 作 原 理 （ 4） w 二 維 曲 面 的 加 工 及 三 維 曲 面 激 光 切 割 的 示 教 錄 返n 對 于 簡 單 圖 形 或 二 維 曲 線 、 曲 面 ， 光 束 運 動 軌 跡 的 控 制 可 以 通過 數 控 編 程 來 實 現 。 同 時 機 床 還 配 備 了 CAD/CAM軟 件 系 統(tǒng) ， 具有 圖 文 設 計 、 漢 字 矢 量 化 處 理 、 優(yōu) 化 排 樣 、 NC程 序 自 動 生 成 和加 工 過 程 仿 真 等 多 項 功 能 。 而 對 于 三 維 的 曲 面 激 光 切 割 ， 由 于被 加 工 對 象 的 形 狀 復 雜 ， 難 以 建 立 精 確 的 數 學 模 型 ， 通 常 采 用示 教 錄 返 裝 置 進 行 編 程 。 四 、 機 床 的 機 械 結 構 w 該 機 床 能 夠 實 現 五 軸 聯 動 ， 對 于 每 一 個 運 動 ，都 由 獨 立 的 伺 服 電 動 機 驅 動 。 X、 Y、 Z三 個 直線 運 動 的 行 程 均 小 于 4m， 用 滾 珠 絲 杠 螺 母 副 將電 動 機 的 旋 轉 運 動 轉 換 成 這 三 個 方 向 的 直 線 運動 。 采 用 這 種 傳 動 裝 置 不 僅 摩 擦 力 小 ， 剛 性 好 ，同 時 還 可 以 進 行 消 除 側 向 間 隙 的 處 理 。 提 高 運動 精 度 。 X、 Y、 Z三 個 直 線 運 動 部 件 的 導 向 及承 載 部 件 采 用 直 線 滾 動 導 軌 副 ， 導 向 精 度 高 。 C、A兩 個 方 向 轉 動 是 電 動 機 通 過 蝸 桿 副 實 現 。 五 、 數 控 系 統(tǒng)w 五 軸 聯 動 激 光 加 工 機 床 數 控 系 統(tǒng) 框 圖 如 圖所 示 。 從 圖 中 可 以 看 出 ， 控 制 系 統(tǒng) 由 計 算機 部 分 、 外 圍 設 備 部 分 、 機 床 控 制 部 分 構成 ， 采 用 工 控 機 和 PLC聯 合 控 制 的 方 式 及采 用 了 模 塊 化 設 計 ， 便 于 維 修 和 擴 展 。 五 軸 聯 動 激 光 加 工 機 床 CNC系 統(tǒng) 框 圖 例 學 習 小 結 （ 1） w 數 控 激 光 加 工 設 備 能 對 材 料 進 行 熱 處 理 、 表 面 熔 覆 、 切割 和 焊 接 、 并 能 對 加 工 過 程 進 行 自 動 控 制 ， 因 而 在 工 業(yè)具 有 廣 泛 用 途 。w 數 控 激 光 切 割 設 備 是 利 用 高 功 率 密 度 激 光 束 照 射 工 件 ，使 被 照 射 的 材 料 迅 速 熔 化 、 汽 化 、 燒 蝕 或 達 到 燃 點 ， 從而 實 現 將 工 件 割 開 。 分 為 激 光 汽 化 切 割 、 激 光 熔 化 切 割 、激 光 氧 氣 切 割 等 類 型 。 激 光 切 割 機 床 主 要 由 激 光 器 、 導光 系 統(tǒng) 、 數 控 系 統(tǒng) 、 伺 服 系 統(tǒng) 、 割 炬 等 構 成 ， 通 過 割 炬 、工 作 臺 的 相 互 運 動 ， 可 以 切 割 出 具 有 各 種 曲 線 或 曲 面 的工 件 ， 滿 足 不 同 的 切 割 加 工 要 求 。 常 用 的 激 光 器 有 CO 2激 光 器 和 YAG激 光 器 ， 使 用 時 要 注 意 激 光 模 式 的 選 擇 、光 斑 直 徑 大 小 的 調 整 以 及 割 炬 透 鏡 焦 距 的 調 整 等 。 學 習 小 結 （ 2） w 數 控 五 軸 聯 動 激 光 加 工 機 床 是 一 種 多 功 能 加 工設 備 ， 可 以 實 現 熱 處 理 、 表 面 熔 覆 、 切 割 、 焊接 、 焦 點 位 置 的 自 動 檢 測 與 控 制 等 功 能 。 由 機床 本 體 、 激 光 器 、 外 光 路 系 統(tǒng) 及 數 控 系 統(tǒng) 構 成 。通 過 激 光 束 處 于 不 同 的 模 式 （ 高 階 模 、 低 階 模 ）以 及 更 換 不 同 的 “ 光 頭 ” ， 獲 得 不 同 的 加 工 效果 。 機 床 本 體 能 夠 實 現 五 軸 聯 動 ， 對 于 每 一 個運 動 ， 都 由 獨 立 的 伺 服 電 動 機 驅 動 。 機 床 的CNC系 統(tǒng) 的 功 能 由 工 控 機 實 現 。 思 考 與 練 習 題 w 試 述 激 光 切 割 常 見 的 類 型 及 各 自 的 特 點 。w 為 了 切 割 不 同 形 狀 的 工 件 ， 割 炬 與 工 件 之 間 可 以 有 幾 種運 動 方 式 ？ 請 詳 細 說 明 。w 分 析 割 炬 透 鏡 焦 距 與 形 成 的 光 斑 直 徑 及 焦 點 深 度 之 間 的關 系 。 是 不 是 透 鏡 焦 距 越 小 越 好 ， 為 什 么 ？w 如 圖 11-10所 示 ， 分 析 割 炬 驅 動 式 切 割 設 備 的 基 本 構 成 及基 本 運 動 。w 分 析 數 控 五 軸 聯 動 激 光 加 工 機 床 的 基 本 構 成 、 基 本 運 動以 及 實 現 熱 處 理 、 表 面 熔 覆 、 切 割 、 焊 接 、 自 動 檢 測 等的 工 作 原 理 。