目前，生產(chǎn)三維五軸激光切割機(jī)主要廠家有德國、意大利、日本等國外制造企業(yè)，國內(nèi)只有較少的公司。國外企業(yè)由于生產(chǎn)較早，產(chǎn)品成熟，性能穩(wěn)定，市場客戶認(rèn)可度極高。日本兩家公司只生產(chǎn)低速度、低加速度的三維五軸CO2激光切割機(jī)，其生產(chǎn)效率較低，能耗較高，無法滿足汽車熱成形生產(chǎn)線生產(chǎn)效率的要求。經(jīng)過我們研究攻破關(guān)鍵技術(shù)，掌握核心技術(shù)，既生產(chǎn)低速度、高精度的三維五軸光纖激光切割機(jī)，又生產(chǎn)高速度、高精度的三維五軸光纖激光切割機(jī)，技術(shù)緊跟國外一流標(biāo)準(zhǔn)，成為目前市場上三維五軸光纖激光切割性價(jià)比很高的產(chǎn)品，解決了三維五軸光纖激光切割機(jī)關(guān)鍵核心技術(shù)：

1．機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)

對整機(jī)結(jié)構(gòu)進(jìn)行CAE有限元分析，結(jié)合動(dòng)、靜態(tài)剛度，靜態(tài)強(qiáng)度，熱特性進(jìn)行分析，得到整機(jī)最佳的剛度場與溫度場，經(jīng)過反復(fù)測試及驗(yàn)證，進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)，分析理論值與實(shí)際測試值數(shù)據(jù)的差異化的因素，當(dāng)理論值與實(shí)際測試值數(shù)據(jù)基本吻合，最終獲得整機(jī)既經(jīng)濟(jì)又輕量的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方框圖與機(jī)床結(jié)構(gòu)圖如圖2所示。

 機(jī)床結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)及動(dòng)態(tài)設(shè)計(jì)方框圖與機(jī)床結(jié)構(gòu)圖

2．提高動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性

對高速度、大慣量、大尺寸的部件進(jìn)行CAE有限元模態(tài)分析，對結(jié)合面阻尼、局部剛度、質(zhì)量分布進(jìn)行分析，采取隔振、減振、抑振措施，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)改進(jìn)及優(yōu)化，經(jīng)過反復(fù)測試驗(yàn)證，獲取動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性良好的移動(dòng)部件，確保產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)性能與穩(wěn)定性。提高動(dòng)態(tài)性能和穩(wěn)定性方框圖與模態(tài)分析圖分別如圖3 、圖4所示。

 提高動(dòng)態(tài)性和穩(wěn)定性方框圖與模態(tài)分析圖

 模態(tài)分析數(shù)據(jù)圖

3．提高高速度、高精度定位

對電機(jī)及伺服進(jìn)給驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)進(jìn)行測試及有限元分析，結(jié)合定位精度、響應(yīng)速度、熱特性、電機(jī)剛性進(jìn)行分析及優(yōu)化，并跟蹤特性分析，對數(shù)控系統(tǒng)多軸聯(lián)動(dòng)進(jìn)行誤差補(bǔ)償，獲得高速度，高精度定位。伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析方框圖如圖5所示。

伺服驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)分析方框圖

4．解決無限旋轉(zhuǎn)三維切割頭核心技術(shù)

精密的光學(xué)計(jì)算，制定系統(tǒng)幾何的空間算法，研制360°無線旋轉(zhuǎn)三維切割頭，自主創(chuàng)新，擁有核心技術(shù)，是繼國外三家企業(yè)后，第四家能夠生產(chǎn)360°無線旋轉(zhuǎn)三維切割頭的廠家，打破了國外技術(shù)壟斷。360°無線旋轉(zhuǎn)三維五軸切割頭如圖6所示。

  360°無線旋轉(zhuǎn)三維五軸切割頭

對三維五軸切割頭產(chǎn)品，解決如下關(guān)鍵及核心技術(shù)：

（1）三維五軸無限旋轉(zhuǎn)切割頭水、氣、光通路的密封

三維五軸切割頭加工時(shí)運(yùn)動(dòng)軌跡較為復(fù)雜，通過C軸（無限旋轉(zhuǎn)）機(jī)械傳動(dòng)部分傳輸?shù)墓艿烙泄饴?、水路、氣路、電信號通路。由于C軸為無限旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，上述通道無法采用管道式的結(jié)構(gòu)，需設(shè)計(jì)特定的旋轉(zhuǎn)式通道結(jié)構(gòu)傳輸。隨之而來的問題就是要解決運(yùn)動(dòng)通道水、氣、光的動(dòng)密封性。

為突破此重大障礙，在多種備選設(shè)計(jì)方案中選擇水、氣、光、電各通道獨(dú)立傳輸?shù)男D(zhuǎn)機(jī)械結(jié)構(gòu)；針對C軸各旋轉(zhuǎn)傳輸通路對密封元件技術(shù)要求，開發(fā)以新型材料為基礎(chǔ)設(shè)計(jì)的旋轉(zhuǎn)通道密封元件，元件設(shè)計(jì)充分地考慮了耐磨性、密封性和元件與管道動(dòng)摩擦力等綜合因素的平衡；結(jié)合理論與經(jīng)驗(yàn)的指導(dǎo)適當(dāng)調(diào)整密封元件與被密封通路的公差配合，成功地實(shí)現(xiàn)集成多個(gè)密封傳輸通道的高速無限旋轉(zhuǎn)C軸部件。經(jīng)過大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證自主研發(fā)的高速旋轉(zhuǎn)密封元件性能已達(dá)到國外同類產(chǎn)品水平。

（2）三維切割頭高速旋轉(zhuǎn)下電信號抗干擾屏蔽技術(shù)

采用傳統(tǒng)的線纜在旋轉(zhuǎn)軸中傳輸電信號會(huì)因軸的旋轉(zhuǎn)將線纜纏繞甚至拉扯斷裂，多路電信號同時(shí)在間距較小的空間內(nèi)傳輸也會(huì)有信號互相串?dāng)_的風(fēng)險(xiǎn)。為了避免此類問題并保證多路電信號的抗電磁干擾傳輸，根據(jù)多路電信號通路的技術(shù)規(guī)格，首創(chuàng)的獨(dú)特電滑環(huán)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，突破多路電信號在高速旋轉(zhuǎn)軸上的抗干擾傳輸。

5．在線修改軟件技術(shù)

自行開發(fā)的在線修改程序軟件，修改程序尺寸更加方便、快捷，換件速度快，提高了生產(chǎn)效率，節(jié)約了生產(chǎn)成本。在線修改軟件如圖7所示。

  在線修改軟件

6．基于具備RTCP功能數(shù)控三維五軸光纖切割系統(tǒng)集成應(yīng)用技術(shù)研究

（1）研究三維五軸光纖激光切割裝備硬件集成系統(tǒng)結(jié)構(gòu)，分析具備RTCP功能數(shù)控系統(tǒng)的軟硬件接口，設(shè)計(jì)三維五軸光纖激光切割中各加工部件的系統(tǒng)集成控制方案。

（2）研究RTCP功能數(shù)據(jù)。三維五軸光纖激光切割系統(tǒng)由三大功能塊組成，分別是加工控制模塊、離線編程模塊以及激光切割工藝數(shù)據(jù)庫。結(jié)合加工裝備的硬件集成，面向三維五軸光纖激光切割工藝的軟件二次開發(fā)，給予PC工控平臺設(shè)計(jì)數(shù)控系統(tǒng)控制類函數(shù)，開發(fā)三維五軸光纖激光切割控制應(yīng)用程序接口，實(shí)現(xiàn)三維五軸光纖激光切割機(jī)床運(yùn)動(dòng)控制以及工藝調(diào)節(jié)等功能。

（3）基于三維空間映射對三維五軸激光加工機(jī)床進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，同時(shí)設(shè)計(jì)切割頭運(yùn)動(dòng)仿真。

（4）開發(fā)基于HMI的PC平臺的數(shù)據(jù)庫，并結(jié)合功能需求利用SQL進(jìn)行數(shù)據(jù)庫的具體功能設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)庫的修改、添加、查詢、瀏覽以及刪除等功能。

7．三維復(fù)雜曲面激光切割工藝的研究

（1）分析外光路模式，對光路進(jìn)行整形補(bǔ)償，確保最佳切割光束模式，開發(fā)三維五軸激光切割專用工藝控制軟件。

（2）研發(fā)快速穿孔、切割狀態(tài)控制反饋技術(shù)，同時(shí)開發(fā)碳鋼厚板尖角切割、厚板極限切割小孔、高功率光纖氮?dú)馇懈钪斜“逄间摴に嚪椒?、?fù)雜圖形及圖片處理與應(yīng)用等工藝方法，攻克復(fù)雜圖形及小輪廓加工的工藝技術(shù)難題。

（3）研究激光切割控制方法、激光切割速度控制方法、轉(zhuǎn)角的激光切割方法。對三維覆蓋件誤差補(bǔ)償、三維覆蓋件拐角切割質(zhì)量控制和平板上尖角切割質(zhì)量的控制方法進(jìn)行研究。

（4）開發(fā)基于CC編譯循環(huán)的Z軸仿形控制技術(shù)，圖形預(yù)覽及軌跡同步顯示技術(shù)，基于圖形預(yù)覽的靈活介入和靈活補(bǔ)切技術(shù)，基于快速響應(yīng)激光脈沖方波PWM發(fā)生器的激光脈沖頻率與占空比、激光功率實(shí)時(shí)坡度調(diào)節(jié)技術(shù)。

解決三維件拐角過燒，厚板尖角過熔和極限小孔切割，薄板的快速穿孔等工藝難題，建立完善的激光切割工藝專家數(shù)據(jù)庫，實(shí)現(xiàn)大輪廓、小輪廓、拐角、標(biāo)準(zhǔn)圖形等激光切割工藝參數(shù)的自動(dòng)調(diào)用。