数控激光切割机结构设计

耿仁贤

（苏州工业园区工业技术学校，苏州 215123）

1 数控激光切割机概述

数控激光切割机主要是通过配置不同大小功率的光纤激光器对各种机械元件以及金属材料进行切割、打孔等精密加工操作。目前，在整个机械切割加工行业里，激光切割高精度加工方法占到70%以上，和其他的机械切割加工方法相比，数控激光切割具有不可比拟的优点，如适用性广（适用于合金钢、陶瓷、有机玻璃等机械材料）、精度高、切割速度快、切割后切割缝隙小、热影响区域小等。但是，除了外界因素影响以外，传统的数控激光切割机由于自身的设计缺陷也会出现切割过程噪声大、切割区域面质量差等故障。因此，改善优化数控激光切割机的设计，使其更加适合行业生产的使用特点变得极其重要。

1.1 数控激光切割机的分类

数控激光切割机主要是由切割机机床、光纤激光器、数控系统、切割头、工作台、随动系统等部分组成[1]。由于其适用行业较为广泛，因此各个行业对数控激光切割机的使用要求各不相同，例如，汽车行业要求数控激光切割机不仅要能够具有高速、可靠、精密等优点，还要具备高速取料、去毛刺等功能；发电设备行业则需要其具有规格大、强度高的特点。但是，大部分行业对数控激光切割机都有以下几个方面的要求：切割精密高、切割速度快、切割裂缝小、切割面质量高。因此，后续设计主要围绕这几点展开。

目前，根据产生激光的原理不同，各个行业通用的数控激光切割机大致可以分为3种类型：光纤激光切割机、CO2激光切割机、数控YAG固体激光切割机[2]。

数控YAG固体激光切割机的工作原理是通过把高密度、高功率的激光光束聚焦在一起，照射机械元件表面上，元件被照射后迅速熔化甚至气化，然后借助激光光束在同一水平轴形成高速气压流，对熔化的工件进行吹出操作，进而把机械元件切割。YAG固体激光切割机的使用成本和后续的维护费用都比同类的激光切割机要低很多，性价比高，它是数控激光切割机领域内最为成熟和稳定的产品之一[3]。

光纤激光切割机是数控激光切割机领域内的一种新型产品，它与YAG固体激光切割机的工作原理类似，也是利用激光光束使机械元件熔化从而完成切割，不同的是，光纤激光切割机发射的激光光束来源于一种新型光纤激光器。它的光束质量好，体积小巧，相比其他两种更加适合柔性加工要求的工件。由于激光光束波长的原因，光纤激光切割机只能切割金属工件，对于非金属材料的工件并不适用。

CO2激光切割机和以上两种激光切割机的激光器有所不同，它是使用气体分子激光器。一般使用气体分子是CO2气体分子，N2、He等气体分子辅助，利用气体分子的振动和转动能级间的跃迁来产生激光光束。CO2激光切割机的稳定性能极好，激光器的能量转化效率高，所以被广泛应用于高功率输出的工件切割行业。

1.2 数控激光切割机的发展

国内数控激光切割机的技术一部分来源于国外，因为国外对于激光切割技术研究较早，美国的光学公司大约在1961年就开始研究光纤激光切割领域。而我国的第一台数控激光切割器是在1994年湖南大学激光研究所研发出来的。随后中科院物理研究所在2003年3月研制出了使用数控激光技术的管材加工设备，使我国的数控激光切割技术有了一个质的飞跃。现阶段，国内外对数控激光切割技术的关注核心点都在于降低阈值、调节波长等性能方面。

2 典型数控激光切割机的设计分析

近几年来，国内的数控激光切割机飞速发展。从设计分析的角度来看，其设计理念和设计表现侧重点都有着很大的变化。下面挑一款典型的1530型数控激光切割机，分析其设计的优点及缺点。

图1 1530型数控激光切割机实物图

1530型数控激光切割机的机身总重达到9t，最大加工范围为1500mm×3000mm，工作台的最大载重为1250kg。其底座部分为了确保加工切割精度进行了加重设计。驱动结构部分选用了龙门式双边设计，这种设计使其具有最佳的对称受力条件，避免了切割机在操作时由于被切割工件的重心外悬摆动而产生振动，同时也避免切割机的传动及导向部件不会出现瞬间过载的故障。独立的伺服轴设计也是该机器的设计亮点之一，利用该设计可以保证激光光束从数控激光切割机的激光器出光口射出直到切割头的长度是不变的，能够维持原值。这样的设计保证了激光光束焦点位置的恒定及稳定性，但是由于1530型数控激光切割机被研发出来的时间较早，在那个阶段，市场对于数控激光切割机的要求主要是满足生产需要，功能完善即可。所以，它在很多方面不符合人机工程系的原理，忽略了人作为主体，在设计上存在很多不足。

例如，该机器的落料口和入料口在开启和关闭时需要两个人同时操作，非常不方便；监视窗的角度和高度都过大过高，造成使用者在操作时难以观察机器内部加工过程，造成人为的误操作率上升等。

3 新型数控激光切割机结构设计

数控激光切割机的安装位置以及操作环境都和使用者存在着密切的交互关系，因此人们在对新型数控激光切割机进行设计时，除了要考虑到机器本身应具有的符合生产实际的功能外，还要考虑到人机交互关系是否合理、安全。新型数控激光切割机模型示意图如图2所示。

图2 新型数控激光切割机模型示意图

3.1 切割机机床底座

数控激光切割机机床最基础的部件就是机床底座，由于机床上包括丝杠传动机构和电机，两者都具有一定的运动加速度，会对机床产生一定的冲击力，这股冲击力能够使切割机机床底座产生动态的位移。一旦切割机机床底座出现位移会对激光器发射的激光光束造成干扰，使其不稳定，导致数控激光切割机的切割质量下降。所以，在设计新型数控激光切割机时重点要改善这一点，为了保证电机和丝杠传动机构在高速运动时，机器也能保证稳定，尽量加重底座的质量，提高其惯性。总结之前的设计经验，机床底座的重量一般是机床所受冲击力的15倍。

3.2 随动机构

数控激光切割机的随动机构主要作用为检测和控制切割机运转时切割工件表面是否光滑。为了确定激光器所发射的激光光束聚焦后焦点是否在工件的位置，需要利用伺服电机和丝杠传动装置来调整切割头高度。而激光光束聚焦后焦点的位置在一定程度上对切割后的缝隙大小以及质量高低有着很大影响，因此对随动机构的要求就非常高，检测精度要在0.010mm左右。同时，随动机构的随动速度应该在5m/min左右，不能太高也不能太低，太高会导致切割头上下震动，太低会导致切割头跟不上。

3.3 运动机构

数控激光切割机的运动机构决定了切割机的性能好坏。在进行运动机构的设计时，首要考虑的因素为负载的惯量比值。目前，通用的电机的比值一般在1∶10左右，但是为了数控激光切割机的机床驱动参数达到最佳状态，在设计时最好把数控激光切割机的负载的惯量比值控制在1∶3左右。

4 结语

数控激光切割机属于精密工件加工装置。在设计时，除了考虑机床运转的稳定、激光光束的性能这些机构性功能方面的要求外，也要把人机关系考虑在内。因此，本文通过分析典型数控激光切割机的设计特点，对其进行了优化设计，使其更好地实现生产所需要的功能。