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激光三維切割機器人技術特點優勢及發展趨勢

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激光三維切割機器人技術特點優勢及發展趨勢

發布日期:2018-06-21 作者: 點擊:

       激光是一種光,與自然界其它發光體一樣,是由原子(分子或離子等)躍遷産生的,而且是自發輻射引起的。激光雖然是光,但它與普通光明顯不同的是,激光僅在初極短的時間内依賴于自發輻射,此後的過程完全由激光輻射決定,因此激光具有非常純正的顔色,幾乎無發散的方向性,極高的發光強度。激光同時又具有高相幹性、高強度性、高方向性,激光通過激光器産生後由反射鏡傳遞并通過聚集鏡照射到加工物品上,使加工物品(表面)受到強大的熱能而溫度急劇增加,使該點因高溫而迅速地融化或者汽化,配合激光頭的運行軌迹從而達到加工的目的。  

      激光三維切割機器人的特點

  1、光纖激光器的主要特點

  (1)光纖激光器電一光轉化效率高,轉換效率達25%以上,小功率光纖激光器無需配冷水機,采用風冷,可大幅度節約工作時的耗電,節省運行成本,達到高的生産效率。

  (2)激光器運行時僅僅需要電能,不需要産生激光的額外氣體,具有低的運行和維護費用。

  (3)光纖激光器采用半導體模塊化和冗餘設計,諧振腔内無光學鏡片,不需要啟動時間,具有免調節、免維護、高穩定性的優點,降低了配件成本和維護的時間,這是傳統激光器無法比拟的。

  (4)光纖激光器的輸出波長為1.06鬥m,是CO:波長的1/10,精度高,輸出的光束質量好,功率密度高,非常有利于金屬材料的吸收,具有卓越的切割、焊接能力,從而使加工的費用低。

  (5)整機光路由光纖傳輸,不需要複雜的反射鏡等導光系統,光路簡單,結構穩定,外光路免維護。

  (6)切割頭中含有保護鏡片,使反射鏡、聚焦鏡等貴重的易耗品消耗量極少。(7)光通過光纖導出,使機械系統的設計變得非常簡單,非常容易與機器人或多維工作台集成。

  (8)激光器加上光閘後可以一器多機,通過光纖分光,分成多路多台同時工作,易于擴展功能,升級方便、簡單。

  (9)光纖激光器體積小,重量輕,工作位置可移動,占地面積小。

  2、三維激光切割大的特點是高柔性

  激光三維切割機器人尤其适合小批量的三維钣金材料的切割。其高柔性主要表現在兩個方面:

  (1)對材料的适應性強,激光切割機通過數控程序基本上可以切割任意闆材。

  (2)加工路徑由程序控制,如果加工對象發生變化,隻須修改程序即可,這一點在零件修邊、切孔時體現得尤為明顯,因為修邊模、沖孔模對于其他不同零件的加工無力,而且模具的成本高,所以目前三維激光切割有取代修邊模、沖孔模的趨勢。一般來說,三維機械加工的夾具設計及其使用比較複雜,但激光加工時對被加工闆材不加機械加工力,這使得夾具制作變得很簡單。此外,一台激光設備如果配套不同的硬件和軟件,就可以實現多種功能。

  3、機器人+光纖激光器組合的優、缺點

  (1)用工業機器人代替五軸機床兩者都能進行空間軌迹的描述實現三維立體切割,工業機器人的重複定位精度比五軸機床稍低,約為±100鬥m,但這完全可以滿足汽車钣金覆蓋件和底盤件行業的精度要求。而采用工業機器人大大降低了系統的成本造價,減少了耗電系統費用和系統運行維護費用,減少了系統的占地面積。

  (2)用光纖激光器代替CO:激光器光纖激光技術是近幾年高速發展的激光技術,相比傳統激光,具有更好的切割質量,更低的系統造價,更長的使用壽命和更低的維護用,更低的耗電。關鍵是光纖激光器的激光可以通過光纖傳輸,方便與工業機器人連接,實現柔性加工。

  (3)采用工業機器人+光纖激光器的組合進行加工,修邊沖孑L等工藝一次完成,切口整齊無需後道工藝再處理,大大縮短了工藝流程,降低了人工成本和模具費用的投入,也提高了産品檔次和産品附加值。選配公司的離線編程軟件,通過數模直接生成切割軌迹,抛棄了繁雜的人工示教,更加适合小批量多批次的維修市場、新品試制非标定制等一些個性化的切割需求。而且,投資高柔性、高效率的激光切割設備,來代替昂貴的沖壓設備和剪裁設備,可以更加靈活的更換産品,把握市場。

  (4)尖端光纖激光技術與數字控制技術完美融合,代表着先進的激光切割水平;專業的激光切割機控制系統,電腦操作,能夠保證切割質量,使切割工作更方便,操作更為簡單;配置智能機械手,可實現三維立體切割,操控方便,智能化程度高,保證設備的高速度、高精度、高可靠性;激光切割頭配置進口激光切割頭,反應靈敏準确,與機械手有效配合,避免切割頭與加工闆材碰撞,并能保證切割焦點位置,保證切割質量穩定;激光切割頭可承受1.0MPa氣體壓力,高壓氣路設備,提高了對不鏽鋼等難割材料的切割能力。

  (5)系統唯一的缺陷隻能加工金屬工件,不能加工非金屬工件。這是因為該系統采用的是光纖激光,其波長為l064岬,相對于波長為10640鬥m的CO:激光,不易為非金屬工件所吸收的緣故。

  五軸機床+CO:激光器和工業機器人+光纖激光器的對比分析,見表1。

激光三維切割機器人

       三維切割系統的六大技術優勢

  (1)切割速度快,為同類産品的兩倍典型參數0.8mm厚碳鋼用200W激光器,直線切割速度可達10m/raino

  (2)切割精度高系統重複定位精度高達±100仙m,完全可滿足汽車钣金覆蓋件行業的需求。

  (3)可切割直徑小至2mm的小圓,切割效果圓滑美觀,目測無形變和毛刺。單個小圓切割時間可控制在2s内。

  (4)選配臂長2.01m的機械手,除了實現直徑達3m的半球形三維加工區域外,還可實現3m×1.5m的二維平面切割。實現二、三維切割的合二為一,在标準坯材上開料,結合公司自行開發免費配送的二維軟件,具有排料和路徑優化等功能,真正适合钣金行業的初始投資。

  (5)根據實際需要選配離線編程軟件,可讀取UG,SOLIDWORK等三維作圖軟件導出格式的數模,修改後直接生成切割軌迹,代替人工示教,簡單易用。

  (6)工業控制理念,模塊化設計,全系統的防護等級高,機械手防護等級高,系統集成度高,故障少,抗沖擊振動,抗灰塵,無須光學調整或維護,真正适合于工業加工領域。

  三維光纖激光切割機器人的應用

  1、三維激光切割行業應用

  三維激光切割廣泛應用于钣金加工、金屬加工、廣告制作、廚具、汽車、燈具、鋸片、升降電梯、金屬工藝品、紡織機械、糧食機械、眼鏡制作、航空航天、醫療器械、儀器儀表等行業。特别是在钣金加工行業中已取代傳統加工方式,深受行業用戶的青睐。

  2、可加工的材料

  不鏽鋼、碳鋼、合金鋼、矽鋼、彈簧鋼、鋁、鋁合金、鍍鋅闆、鍍鋁鋅版、酸洗闆、銅、銀、金、钛等金屬闆材及管材切割。

  3、三維激光切割機加工高強度鋼

  切邊是對高強度鋼的另一項挑戰。三維激光切割機适用于成型钣金件的切邊,特别是對于強度高達1500MPa的鋼闆,因為沒有其他的加工方法可以替代。因為在加工這些高硬度的材料時,傳統設備的沖模或者刀具的使用壽命會大大縮短,而激光切割就不必考慮這些問題,還具有安裝時間短、可靈活更換産品或樣品生産等優點。

       4、三維激光切割機應用于汽車側圍的切割

  (1)側圍由高強度鋼熱成型而成,其硬度很高而且要承受很大的應力。高強度鋼所制的B側圍增加了耐沖撞力,提高了汽車的安全性。這也是盡管高強度鋼的成本較高,可是汽車制造商還是願意使用的原因。

  (2)用于汽車保險杠激光開孔設備,汽車保險杠是異型件,采用傳統的沖壓方式非常複雜,并且零件容易産生變形和應力,采用激光切割方式,不需要複雜的夾具系統,無加工應力,切El無變形、無毛刺、無塌邊,更适合後期加工和安裝。

  可以看出,在汽車制造領域,運用激光技術,使得汽車制造加工精度高、質量好、易實現自動化、柔性化和智能化;更為重要的是能提高汽車的安全品質,生産清潔并減少損耗和污染,降低成本并終優惠到普通消費者身上,科技成就生活之美,激光成就汽車之美。

  三維激光加工技術的發展趨勢

  1、高精度、高速度、高柔性

  盡管受到“熱(光)加工”方式的限制,激光切割的精度跟數控銑等其他數控加工方式相比還有一些差距,但這并不影響其應用,其精度可以通過提高設備性能和選擇适當的工藝參數等方式獲得提高。在速度方面,雖然激光切割速度每分鐘可達幾米甚至十幾米,但在大批量生産中,則不及金屬沖壓模具。為了提高生産效率,必須提高機床加工速度,不過在實際的正常速度運動下,如果速度過高,在實現加、減速和變換運動方式時,加速度勢必很大,則可能産生很大的慣性力,

  所以既要獲得高速,又要減小慣性力,就要盡量減少運動部分的質量。

  2、低成本

  激光設備昂貴的原因首先是激光器的價格不菲,目前國内自研的激光器其光學模式很難達到基模,不能勝任三維切割;其次是尚未掌握制造三維激光設備的核心技術(如切割頭);再次是對于anT_軟件的研究及開發不多。隻有設法降低設備成本,掌握其核心技術,該技術才能大規模應用于汽車、航天航空制造等領域。

  3、智能化

  三維激光切割中,不僅僅要考慮激光光軸的位姿、離焦量等因素,有時候還會出現工件或夾具跟激光頭産生幹擾或碰撞問題,目前某些軟件能使機床實現半自動或全自動的幹涉避讓(比如Tebis的五軸激光切割模塊)。對于切割軌迹的輸人,技術比較成熟的做法是示教,其缺點是費時、費力且精度不高。三維零件在加工之前往往有特定形狀且不規則,實際上由于重力等因素影響,其形狀可能跟原先設計有一定出入,所以三維零件的激光加工要實現CAD直接到CAM這一步尚需時日。

   4、高集成化

   由于單台激光設備一般都價格昂貴,所以功能多樣化一直是激光設備發展的一個方向。現在一般三維激光設備上都沒有較為成熟的集成切凱、焊接、表面處理等多種激光加工手段。雖然有些設備既能切割也能焊接或打孔等,但是會側重其中一種加工方式,弱化其它功能。由于各種加工方式對設備的要求不一樣,其配套設施就有很大不同,對于工廠來講,基本上都是專機專用。“高集成化”是一個相對概念,一台設備上不可能集成太多的加工方式,各加工方式所配備的裝置集成到一起容易互相幹擾,而且這些裝置因其專用性很強,集成後價格更為昂貴。

  5、理論研究

  由于激光切割的複雜性,目前還沒有比較完整的三維切割模型。對于激光加工來講,建立激光切割工藝參數數據庫及專家系統是必不可少的。

  總結

  目前國内各地擁有的三維激光切割設備大部分從國外高價進口,在理論研究上也存在一定差距,主要集中在三維零件空間軌迹的實現和三維零件的切割工藝兩個方面,對三維零件激光切割過程中的激光一材料一氣體之間的交互作用,即三維激光切割機理未作深入研究。

  由于國内激光三維切割技術跟國外先進技術還有很大差距,主要表現在設備的研制上,缺少高光束質量的高功率激光器,因此該技術尚有很多地方值得繼續深入研究和加大發展力度。

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