喬永強(qiáng)，李任戈，李志禹，溫慶年

（中建科工集團(tuán)有限公司，廣東 深圳 518040）

隨著國(guó)家大力發(fā)展鋼結(jié)構(gòu)建筑的趨勢(shì)和政策指引，鋼結(jié)構(gòu)的加工體量持續(xù)加大，而鋼構(gòu)件的切割是鋼結(jié)構(gòu)加工極為重要的一項(xiàng)技術(shù)。以數(shù)控機(jī)床和激光技術(shù)為基礎(chǔ)的數(shù)控激光切割機(jī)補(bǔ)足了傳統(tǒng)切割技術(shù)的短板，實(shí)現(xiàn)了切割精度、準(zhǔn)確度及穩(wěn)定性的同幅度提升。為進(jìn)一步優(yōu)化建筑鋼結(jié)構(gòu)切割成效，推動(dòng)數(shù)控技術(shù)和激光切割的有機(jī)融合，有必要對(duì)其加工原理和結(jié)構(gòu)組成作進(jìn)一步的分析。

1 數(shù)控激光切割機(jī)基本概述

1.1 技術(shù)特點(diǎn)

數(shù)控激光切割機(jī)有效整合了數(shù)字控制和激光技術(shù)，兼具高精度、高速度及高安全性的技術(shù)特點(diǎn)。數(shù)控激光切割支持高精度的反復(fù)切削，且其精密度并不會(huì)在反復(fù)切削中而出現(xiàn)變動(dòng)。同時(shí)，在切割剛性較強(qiáng)的金屬材料時(shí)，數(shù)控激光切割機(jī)的切削速度及能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)超出了常規(guī)磨削機(jī)。此外，同砂輪及鋸齒切割等技術(shù)比較，數(shù)控激光切割技術(shù)的風(fēng)險(xiǎn)系數(shù)相對(duì)更低，安全性較為理想。

1.2 用途及優(yōu)勢(shì)

數(shù)控激光切割機(jī)除了具備切割各類金屬材料、特殊材料以及機(jī)械部件的應(yīng)用功能外，還可用于打孔等精密加工工藝。當(dāng)前階段，數(shù)控激光切割已在食品機(jī)械、電梯制造、工具加工、農(nóng)林機(jī)械、激光對(duì)外加工服務(wù)等各種機(jī)械制造加工行業(yè)普及應(yīng)用，發(fā)揮著不可替代的作用。數(shù)控激光切割在操作流程、切割效率以及應(yīng)用范圍等方面有著傳統(tǒng)機(jī)械切割無法比擬的優(yōu)勢(shì)，且其切割后所產(chǎn)生的間隙以及熱影響區(qū)面積相對(duì)更小，總體切割性能較為優(yōu)越。

1.3 常見分類

雖然各行業(yè)對(duì)數(shù)控激光切割機(jī)的功能需求不盡相同，但高效率、精密度以及安全性是機(jī)械制造業(yè)在切割環(huán)節(jié)的永恒追求。當(dāng)前階段，各領(lǐng)域通用的數(shù)控激光切割機(jī)常見分類主要有3 種：（1）YAG 固體激光切割機(jī)，其通過大功率光束照射來加速熔/氣化進(jìn)程，并借助高速氣壓流來實(shí)現(xiàn)吹出操作，進(jìn)而完成元件切割工作。此類型切割機(jī)成本性能相對(duì)較高，且穩(wěn)定性較為理想，因此在機(jī)械切割領(lǐng)域廣受歡迎。（2）光纖激光切割機(jī)，其切割原理同YAG 比較相似，即借助激光光束完成切割操作，但其光束來源于光纖激光器，光束質(zhì)量較高且體積精巧，適用于柔性加工和金屬元件切割，在非金屬元件切削方面稍顯不足。（3）CO2激光切割機(jī)，其激光光束來源于CO2、N2以及He 等主要?dú)怏w分子間的能量轉(zhuǎn)移及振動(dòng)運(yùn)動(dòng)，激光動(dòng)能轉(zhuǎn)化效率及效果相對(duì)理想，在大功率切割作業(yè)中尤為適用。

2 數(shù)控激光切割機(jī)加工原理

數(shù)控激光切割機(jī)以高功率密度的激光為加工能源，在聚焦鏡作用下，光斑直徑會(huì)明顯縮小，而激光束功率密度會(huì)大幅增加，這一過程涉及公式為d=2.44λ/D·f（d 為聚焦處理后的光斑直徑；λ 表示固定波長(zhǎng)，為10.6μm；D 表示激光器光束直徑；f 則表示透鏡焦距），此公式多用于單模輸出。但激光切割機(jī)的應(yīng)用離不開大功率激光器，即為多模輸出，功率密度采用Po=4W/πf2θ2這一公式（W 表示輸出功率，f 表示焦距，θ表示發(fā)散角）。經(jīng)大功率密度照射，材料溫度很難及時(shí)擴(kuò)散，此時(shí)聚焦點(diǎn)的溫度將直線上升，待獲得足夠能量后便會(huì)觸發(fā)熔化及汽化，激光切割設(shè)備的反應(yīng)將明顯加快，進(jìn)而完成切割操作。數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用可將工件外形轉(zhuǎn)化為數(shù)控裝置能理解的信息，數(shù)控裝置可依據(jù)輸入信息給出相應(yīng)脈沖指令，通過驅(qū)動(dòng)馬達(dá)來操控工作臺(tái)的運(yùn)作，通過連續(xù)進(jìn)給促使激光束實(shí)施連續(xù)切割，在無模具的條件下隨意加工平面圖形和空間曲面零部件。

3 數(shù)控激光切割機(jī)結(jié)構(gòu)組成分析

3.1 20000W 光纖激光切板機(jī)

此類切割機(jī)適用于機(jī)械制造領(lǐng)域的兩維平面切割，切割對(duì)象涉及碳鋼、不銹鋼、鋁合金、黃銅、紫銅、硅鋼板、鈦合金等多種材料。整機(jī)重量約27t，加工幅面為14000mm×3000mm，有效切割長(zhǎng)度最大為長(zhǎng)14000mm，寬3000mm，20mm 厚板材直切速度可達(dá)1000～1200mm/min，20mm 厚板材帶有45°坡口切割速度可達(dá)600 ～800mm/min。詳細(xì)結(jié)構(gòu)組成如下。

3.1.1 機(jī)床底座

機(jī)床底座是切割機(jī)的基礎(chǔ)零部件，也是保障切割機(jī)穩(wěn)定、高效運(yùn)作最關(guān)鍵的結(jié)構(gòu)組成部分。切割機(jī)在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，往往伴隨較高動(dòng)能加速度，在此同時(shí)，動(dòng)力零件將產(chǎn)生一定沖擊力，這會(huì)影響機(jī)床底座的穩(wěn)定運(yùn)轉(zhuǎn)和激光束質(zhì)量，使得切割效果大幅下降。因此，在機(jī)床底座設(shè)計(jì)階段，要注重動(dòng)態(tài)穩(wěn)定性的優(yōu)化與提升。在焊接床身及橫梁時(shí)，應(yīng)積極實(shí)施退火處理、二次振動(dòng)時(shí)效處理等工藝來消除焊接、加工等環(huán)節(jié)所產(chǎn)生的應(yīng)力，以實(shí)現(xiàn)機(jī)床穩(wěn)定性的全面增強(qiáng)和精密度的有效提升。為從剛性、便利性及精度等方面提升機(jī)床性能，可增加專用基準(zhǔn)座，并配置性能極為優(yōu)越的精密減速機(jī)、齒輪齒條及直線導(dǎo)軌等傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，以此為傳動(dòng)精度提供保障。在設(shè)計(jì)機(jī)床底座及切割平臺(tái)時(shí)，還應(yīng)充分考慮應(yīng)用的便捷性，綜合采用拼接組裝、模塊組裝、隨動(dòng)抽塵結(jié)構(gòu)等方法來改善用戶的使用體驗(yàn)。

3.1.2 Z 軸隨動(dòng)機(jī)構(gòu)和氣路設(shè)計(jì)

在切割機(jī)運(yùn)作期間，Z 軸隨動(dòng)裝置在電容傳感器支持下，能夠?qū)η邢髟庸け砻娴钠秸冗M(jìn)行精準(zhǔn)檢測(cè)，并利用國(guó)際知名品牌伺服驅(qū)動(dòng)來操控切割頭，確保激光能量可聚焦于切削元件的表面。聚焦點(diǎn)精準(zhǔn)與否直接影響切口間隙的小大和切割質(zhì)量的高低，故要嚴(yán)格把控隨動(dòng)裝置的檢測(cè)精度，原則上不應(yīng)低于0.010mm。此外，驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)速也會(huì)對(duì)切割效果造成影響，一般以5m/min為佳。過高轉(zhuǎn)速會(huì)致使切割頭出現(xiàn)振動(dòng)情況，影響切割精度，而過低轉(zhuǎn)速則會(huì)使得切割速度降低，加劇資源浪費(fèi)。切割機(jī)的氣路可分成O2、N2及空氣，各氣體可自由切換。為提升氣壓控制精度和穩(wěn)定性，應(yīng)謹(jǐn)慎選擇氣體元件，如壓力≤1.2MP 的比例閥和壓力≤3MP 的電磁閥等。

3.1.3 數(shù)控裝置

數(shù)控系統(tǒng)主要功能在于按照規(guī)定指令代碼和相關(guān)程序格式將工藝參數(shù)與路線、光板直徑與運(yùn)動(dòng)軌跡、切割參數(shù)及輔助功能轉(zhuǎn)化為加工程序單，并將其中內(nèi)容完整傳輸至計(jì)算機(jī)，進(jìn)而操控機(jī)床執(zhí)行零件加工操作。FACUT 為全功能數(shù)控激光切割控制系統(tǒng)，也是機(jī)械制造領(lǐng)域較為常用的坡口數(shù)控系統(tǒng)，自動(dòng)化模型標(biāo)定、法向量跟隨、平面垂直度補(bǔ)償、二維圖導(dǎo)入、插補(bǔ)跟隨控制、三維誤差判斷以及拐角處理等均為該系統(tǒng)的核心功能。FACUT 的裝配及合理應(yīng)用，能夠?qū)δＰ椭械乃狡?、傾斜誤差以及大角度垂直跟隨時(shí)出現(xiàn)的定位偏差開展自動(dòng)化校準(zhǔn)補(bǔ)償，并在割縫補(bǔ)償?shù)幕A(chǔ)上增用板面垂直度補(bǔ)償，利用所采集的數(shù)據(jù)點(diǎn)信息對(duì)加工區(qū)整體傾斜信息進(jìn)行推算，從而實(shí)現(xiàn)高精度加工。與此同時(shí)，F(xiàn)ACUT 的插補(bǔ)跟隨控制功能還可提高擺動(dòng)機(jī)構(gòu)的整體穩(wěn)定性，既能消除切割頭末端抖動(dòng)問題，也能夠規(guī)避純插補(bǔ)控制下的撞頭風(fēng)險(xiǎn)，加強(qiáng)安全保護(hù)。除此以外，F(xiàn)ACUT 也能夠?qū)Ω鬏S配合狀態(tài)及滯后情況作出科學(xué)判斷，為調(diào)試工作提供輔助作用。而拐角處理功能通過提前在斷面所處平面內(nèi)調(diào)整好法向量以及切線速度和方向，便可實(shí)現(xiàn)持續(xù)性切割的效果。

3.2 12000W 光纖激光切管機(jī)

此類切割機(jī)適用于機(jī)械制造加工領(lǐng)域的空間切割，如方管、圓管、槽鋼異型管材等，切割對(duì)象涉及碳鋼、鍍鋅管、不銹鋼、硅鋼管等。整機(jī)重量約38t，圓管加工范圍為直徑60 ～500mm，長(zhǎng)12200mm，方管尺寸為60×60 ～350×350mm，長(zhǎng)12200mm，16mm 壁厚帶35°坡口切割速度可達(dá)600 ～800mm/min。詳細(xì)結(jié)構(gòu)組成如下。

3.2.1 機(jī)床底座

整機(jī)床身可分為3 段，為方管焊接結(jié)構(gòu)，橫梁部分為墻板焊接結(jié)構(gòu)，均經(jīng)退火消除內(nèi)應(yīng)力、二次時(shí)效等工藝加工而成，穩(wěn)定性比較可觀。

3.2.2 隨動(dòng)機(jī)構(gòu)

12000W 光纖激光切管機(jī)綜合運(yùn)用了Z 軸、Y 軸及W軸隨動(dòng)機(jī)構(gòu)，在實(shí)現(xiàn)切割頭上下運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，進(jìn)一步優(yōu)化了切割質(zhì)量及加工精度。

3.2.3 傳動(dòng)機(jī)構(gòu)

12000W 光纖激光切管機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)主要應(yīng)用在3 個(gè)環(huán)節(jié)：（1）夾料，此處應(yīng)用氣動(dòng)卡盤，夾料后可自動(dòng)校準(zhǔn)軸心，卡爪的設(shè)計(jì)可依據(jù)管材形狀而調(diào)整，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同管材的高效裝夾。（2）上料，以V 型支架為料架，支持一次放置多根管料，采用鏈條傳動(dòng)形式進(jìn)行送料，在伺服電機(jī)操控下，結(jié)合管材大小實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化高度調(diào)整，確保各類管材均可準(zhǔn)確輸送至卡盤中心，為卡盤的自動(dòng)裝夾提供有利條件，以提升管材加工精度。配置進(jìn)口伺服電機(jī)配合絲桿，以實(shí)現(xiàn)上料效率及精準(zhǔn)度的全面提升。（3）下料，此處實(shí)行分區(qū)接料，設(shè)立廢料倉(cāng)并裝置滾輪。在切割長(zhǎng)料時(shí)，4 個(gè)卡盤會(huì)同時(shí)運(yùn)作，以此確保切割穩(wěn)定，材料進(jìn)入接料架后會(huì)由鏈條自動(dòng)傳輸出料。

3.2.4 氣路、水路系統(tǒng)

氣路可分為兩部分：（1）為切割氣體，主要涉及壓縮空氣、高純氮以及高純氧；（2）為運(yùn)動(dòng)輔助氣體，以壓縮空氣為主，其能夠直接驅(qū)動(dòng)氣缸，借助除塵風(fēng)機(jī)強(qiáng)大的除塵功能來消除煙塵。水路也可分為兩部分，冷卻水自冷水機(jī)組排出后一部分會(huì)經(jīng)激光器制冷循環(huán)后再次進(jìn)入冷水機(jī)，另一部分則經(jīng)激光切割頭部分循環(huán)后再次進(jìn)入冷水機(jī)。

3.2.5 切割頭部分

原則上講，切割頭應(yīng)支持高效率的焦距透鏡更換（如5'、7.5'焦距透鏡），并且能確保透鏡更換完畢后無須對(duì)光路系統(tǒng)做出任何調(diào)整。此外，還應(yīng)將防碰撞安保系統(tǒng)合理裝置于切割頭部位，確保切割頭在遭受外力沖擊后能在短時(shí)間內(nèi)回歸至原定位置，從而保證加工精度不受影響。為了對(duì)切割角度進(jìn)行精準(zhǔn)控制，切割頭擺動(dòng)部分仍選用進(jìn)口伺服電機(jī)，切割頭則選用現(xiàn)階段最先進(jìn)、內(nèi)部結(jié)構(gòu)絕對(duì)密封的激光頭，從而降低光學(xué)鏡片受污染的可能性。在伺服電機(jī)的自動(dòng)調(diào)焦下，對(duì)激光頭部分實(shí)施兩點(diǎn)對(duì)中調(diào)節(jié)，以優(yōu)化穿孔效率及質(zhì)量。

3.2.6 數(shù)控裝置

采用最專業(yè)的TubePro 激光加工數(shù)控系統(tǒng)，其緊湊的結(jié)構(gòu)、模塊式組裝和高性價(jià)比較好地滿足了廣大用戶對(duì)數(shù)控系統(tǒng)的性能需求。其優(yōu)勢(shì)體現(xiàn)在5 方面：（1）架構(gòu)。有別于以往的雙CPU 設(shè)計(jì)，TubePro 將所有系統(tǒng)軟件運(yùn)行于主PC 處理器中，系統(tǒng)設(shè)計(jì)構(gòu)架合理且先進(jìn)。（2）技術(shù)。在CNC 技術(shù)支持下，系統(tǒng)功能可通過模塊化形式實(shí)現(xiàn)對(duì)外開放，且無須對(duì)硬件作出改動(dòng)。（3）性能。5 軸聯(lián)動(dòng)及坐標(biāo)變換等功能的日益完善能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)多軸多通道的良好操控，為數(shù)控設(shè)備的良好運(yùn)作提供保障，且可針對(duì)輕度扭曲變形的瑕疵管材進(jìn)行自動(dòng)校正加工。（4）功能。該系統(tǒng)可滿足用戶的多樣化功能需求，并在應(yīng)用領(lǐng)域落實(shí)功能優(yōu)化，以實(shí)現(xiàn)性價(jià)比的最大化。（5）界面。此系統(tǒng)的實(shí)時(shí)內(nèi)核破解了Windows系統(tǒng)的實(shí)時(shí)控制難題，且在保障實(shí)時(shí)性的同時(shí)還突顯了操作便捷、界面友好等特性。

4 結(jié)語

綜上可知，數(shù)控激光切割機(jī)在建筑鋼結(jié)構(gòu)切割加工中開始發(fā)揮重要作用，今后必將成為建筑鋼結(jié)構(gòu)生產(chǎn)制造領(lǐng)域不可或缺的機(jī)械設(shè)備。為了推動(dòng)數(shù)控激光切割技術(shù)的進(jìn)一步完善，仍需加大對(duì)其加工原理和結(jié)構(gòu)組成的研究與探索力度，深入挖掘其潛在價(jià)值，以提升我國(guó)數(shù)控激光切割技術(shù)在建筑鋼結(jié)構(gòu)下料領(lǐng)域的水準(zhǔn)。