魯 霞

（廣州城市職業(yè)學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，廣州 510405）

激光是20世紀(jì)的重大發(fā)明之一，具有巨大的技術(shù)潛力。激光加工是激光應(yīng)用最有發(fā)展前途的領(lǐng)域，其發(fā)展速度快，應(yīng)用廣，是除微電子技術(shù)之外其他技術(shù)無法比擬的。激光也被譽(yù)為“萬能加工工具”“未來柔性制造系統(tǒng)（Flexible Manufacturing System，F(xiàn)MS）的共同加工手段”，是當(dāng)代具有代表性的先進(jìn)制造技術(shù)之一[1-2]。

激光切割加工是用不可見的光束代替?zhèn)鹘y(tǒng)的機(jī)械刀，具有精度高、切割快速、不局限于切割圖案限制、自動(dòng)排版節(jié)省材料、切口平滑以及加工成本低等特點(diǎn)，將逐漸改進(jìn)或取代傳統(tǒng)的金屬切割工藝。

隨著市場(chǎng)經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展和科學(xué)技術(shù)的日新月異，激光切割技術(shù)已廣泛應(yīng)用于汽車、機(jī)械、電力、五金以及電器等領(lǐng)域。近年來，激光切割技術(shù)正以前所未有的速度發(fā)展，每年都有15%～20%的速度增長(zhǎng)。自1985年以來，我國(guó)更是以每年近25%的速度增長(zhǎng)。當(dāng)前，我國(guó)激光切割技術(shù)的整體水平與先進(jìn)國(guó)家相比還存在不小的差距。可見，國(guó)內(nèi)市場(chǎng)激光切割技術(shù)具有廣闊的發(fā)展前景和巨大的應(yīng)用空間。

激光切割機(jī)將從激光器發(fā)射出的激光，經(jīng)光路系統(tǒng)聚焦成高功率密度的激光束。激光束照射到工件表面，使工件達(dá)到熔點(diǎn)或沸點(diǎn)，同時(shí)與光束同軸的高壓氣體將熔化或氣化金屬吹走。隨著光束與工件相對(duì)位置的移動(dòng)，最終可使材料形成切縫，從而達(dá)到切割的目的。

隨著激光切割技術(shù)的發(fā)展，基于創(chuàng)客、高等院校、K12教育以及小規(guī)模工業(yè)生產(chǎn)的桌面級(jí)激光切割機(jī)應(yīng)運(yùn)而生。它具有高精度、高效益、高質(zhì)量的非接觸式切割優(yōu)勢(shì)，為國(guó)內(nèi)創(chuàng)客教育及新產(chǎn)品開發(fā)提供了有力的保障及技術(shù)支持。

1 桌面式激光切割機(jī)在創(chuàng)客教育及新產(chǎn)品開發(fā)中的應(yīng)用優(yōu)勢(shì)

隨著計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)（Computer Aided Design，CAD）技術(shù)的成熟和激光切割機(jī)的小型化，激光切割機(jī)成為創(chuàng)客教育及新產(chǎn)品開發(fā)中不可或缺的一個(gè)重要工具，優(yōu)勢(shì)日益凸顯。

（1）激光切割機(jī)使創(chuàng)客在材料選擇上具有更大的靈活度。激光切割機(jī)能夠加工木板、亞克力板、塑料以及金屬等材料，賦予了創(chuàng)客更多選擇的可能。設(shè)計(jì)者可以根據(jù)設(shè)計(jì)需要合理選擇最快捷、有效的材料進(jìn)行加工，給創(chuàng)新增添了更多活力及自由度。

（2）激光切割機(jī)為創(chuàng)客及新產(chǎn)品開發(fā)帶來了時(shí)間和設(shè)計(jì)上的便捷。激光切割機(jī)不僅切割效率較手工提升數(shù)十倍，而且大幅提升了切割質(zhì)量。此外，激光切割機(jī)的數(shù)字化設(shè)計(jì)設(shè)置也為設(shè)計(jì)者快速有效地制作及修改樣件，提供了高效的設(shè)計(jì)手段。

（3）激光切割技術(shù)可與機(jī)器人、3D打印等創(chuàng)新技術(shù)相結(jié)合，提高創(chuàng)新創(chuàng)造工作效率。

激光切割機(jī)還能幫助設(shè)計(jì)者更好地樹立工程思維，并通過激光切割技術(shù)驗(yàn)證、提升設(shè)計(jì)者的工程思維。

2 桌面式激光切割機(jī)

激光切割技術(shù)有兩種：一是脈沖激光適用于金屬材料；二是連續(xù)激光適用于非金屬材料。后者是激光切割技術(shù)的重要應(yīng)用領(lǐng)域。桌面式切割機(jī)能對(duì)木材、皮革、織物以及部分金屬等材料雕刻和切割，滿足了設(shè)計(jì)者多材料加工的需求。

桌面式激光切割機(jī)作為創(chuàng)客運(yùn)動(dòng)桌面制造工廠之一，其激光器普遍采用CO2激光器，能對(duì)木材、皮革、織物以及部分金屬等材料進(jìn)行雕刻和切割。

CO2激光器具有諸多優(yōu)點(diǎn)。首先，它有較大的功率和較高的能量轉(zhuǎn)換效率。其次，它利用CO2分子振動(dòng)-轉(zhuǎn)動(dòng)能級(jí)間的躍遷，有比較豐富的譜線，在10 μm附近有幾十條譜線的激光輸出。近年來發(fā)現(xiàn)，高氣壓二氧化碳激光器甚至可做到9～10 μm連續(xù)可調(diào)諧的輸出。最后，它的輸出波段正好是大氣窗口（即大氣對(duì)這個(gè)波長(zhǎng)的透過率較高）。此外，它還具有輸出光束的光學(xué)質(zhì)量高、相干性好、線寬窄以及工作穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)[3]。

3 桌面式激光切割機(jī)加工質(zhì)量分析

桌面式激光切割機(jī)主要部分組成簡(jiǎn)圖，如圖1所示。

圖1 桌面式激光切割機(jī)主要組成部分簡(jiǎn)圖

桌面式激光切割機(jī)主要由高清攝像頭輔助加工系統(tǒng)、自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)、智能圖像提取系統(tǒng)、冷卻系統(tǒng)以及空氣過濾系統(tǒng)等部分組成[4]。其中，高清攝像頭輔助加工系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)精度及自動(dòng)對(duì)焦系統(tǒng)的對(duì)焦精度，直接影響桌面式激光切割機(jī)的切割精度。

現(xiàn)有桌面式切割機(jī)的技術(shù)缺點(diǎn)總結(jié)匯總?cè)缦耓5-6]：

（1）桌面式激光切割機(jī)進(jìn)給機(jī)構(gòu)穩(wěn)定性不高，磨損快，使用壽命不長(zhǎng)；

（2）桌面式激光切割機(jī)工作平臺(tái)多為固定模式，結(jié)構(gòu)單一；

（3）桌面式激光切割機(jī)激光對(duì)焦系統(tǒng)操作復(fù)雜，對(duì)操作者操作水平要求較高；

（4）桌面式激光切割機(jī)操作需要具有專業(yè)的設(shè)備操作水平。

針對(duì)以上問題，提出如下具體的解決措施。

首先，工作平臺(tái)可選用運(yùn)動(dòng)范圍廣、進(jìn)給機(jī)構(gòu)定位精度高以及穩(wěn)定性好的直線導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)，保證激光切割的精度。直線導(dǎo)軌機(jī)構(gòu)還具有穩(wěn)定的平面度、操作簡(jiǎn)便以及結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，能夠滿足使用者對(duì)切割精度和操作簡(jiǎn)便的需求。激光切割頭導(dǎo)向機(jī)構(gòu)可以選用直線軸承機(jī)構(gòu)，具有精度高、導(dǎo)向性好的優(yōu)點(diǎn)，可保證進(jìn)給機(jī)構(gòu)的進(jìn)給精度和穩(wěn)定性，進(jìn)而保證切割精度。

其次，充分利用高清攝像技術(shù)，通過高清廣角攝像頭，定點(diǎn)拍攝，輔助設(shè)計(jì)，大大降低制作、設(shè)計(jì)門檻，提高設(shè)計(jì)效率，使設(shè)計(jì)者能夠全心投入創(chuàng)作。此外，通過高清廣角攝像頭能實(shí)現(xiàn)智能圖像提取，省時(shí)省力。

最后，開發(fā)一鍵加工系統(tǒng)，降低激光雕刻的門檻，實(shí)現(xiàn)極簡(jiǎn)制造。用戶在完成激光創(chuàng)意的設(shè)計(jì)后，通過傳輸文件到激光設(shè)備，點(diǎn)擊一鍵加工便可以快速實(shí)現(xiàn)設(shè)計(jì)。

4 結(jié)語

當(dāng)下，全方位提升國(guó)內(nèi)切割裝備的精度質(zhì)量是行業(yè)的大勢(shì)所趨。因此，針對(duì)目前激光切割技術(shù)的發(fā)展，詳細(xì)分析目前桌面式激光切割機(jī)在創(chuàng)客及新產(chǎn)品開發(fā)中的作用，論述目前桌面式激光切割機(jī)的技術(shù)缺點(diǎn)，并提出針對(duì)性的解決措施，為桌面式激光切割機(jī)的技術(shù)發(fā)展提供參考。