激光加工技术论文初稿.doc

1、摘 要随着激光加工技术的不断发展,激光切割在越来越多的领域中发挥起重要作用。本文介绍了国内外数控激光切割技术的发展现状、发展趋势、市场应用现状及前景分析，提出了我国数控激光切割产业的技术发展方向。关键词：激光加工技 切割切割题 发展方向目 录1 引言 12目前数控激光切割技术产业的发展环境13 数控激光切割技术的工作原理 14数控激光切割技术的现状分析4.1数控激光切割技术的主要劣势4.2数控激光切割技术的主要优势5对目前数控激光切割技术问题的解决办法全文结论 9致谢 9参考文献 103.1发展数控激光切割技术的重要意义13.2数控激光切割技术的市场现状和前景分析21 引言激光加工技术是融合了

2、光、机、电、材料加工及检测等学科的复合型先进制造技术。它与现代数控技术相结合构成的高效自动化加工设备，可以突破许多传统制造方法无法实现的技术瓶颈，在能源、交通运输、钢铁冶金、船舶与汽车制造、电子电气工业、航空航天等国民经济支柱产业发挥了不可替代的作用。目前，汽车、船舶、航空、航天、钢铁、能源设备等行业急需激光切割设备，特别是高端设备，所以提高我国激光切割设备制造水平十分重要。它既可以满足国内市场需求，打破国外在该领域的技术垄断，又可以促进我国激光切割技术的进步。实现更高速度、高精度、智能化激光切割将是数控激光切割技术发展的目标。激光切割是激光加工行业中最重要的一项应用技术 ,也是激光加工中应用

3、最早、使用最多的加工方法。它占整个激光加工业的 70%以上。激光切割与其他切割方法相比 ,最大区别是它具有高速、高精度和高适应性的特点。同时还具有割缝细、热影响区小、切割面质量好切割时无噪声、切缝边缘垂直度好、切边光滑、切割过程容易实现自动化控制等优点。可切割碳钢、不锈钢、合金钢、木材、塑料、橡胶布、石英、陶瓷、玻璃、复合材料等。激光切割板材时 ,不需要模具 ,可以替代一些需要采用复杂大型模具的冲切加工方法 ,能大大缩短生产周期和降低成本。因此 ,目前激光切割已广泛地应用于汽车、机车车辆制造、航空、化工、轻工、电器与电子、石油和冶金等工业部门中。近年来 ,激光切割技术发展很快 ,国际上每年都以

4、15 %20 %的速度增长。我国自 1985 年以来 ,更以每年25 %以上的速度增长。当然 ,由于我国激光工业基础较差 ,激光加工技术的应用尚不普遍 ,激光加工整体水平与先进国家相比仍有较大差距。因此 ,在我国 ,激光切割技术的推广和应用潜力很大。激光切割系统主要由机床主机、激光器、控制系统三大主要部分组成。控制系统是整个系统的控制中枢 ,负责协调整个系统的正常工作 ,主要完成加工轨迹控制、焦点位置控制和机、光、电一体的协调控制。数控激光切割机的研制属于机电一体化范畴 ,它的研制使生产系统具有友好的人机界面 ,方便而易学的编程方式 ,以及精确的切割轨迹控制功能 ,适合于工业现场的使用 ,极大

5、地提高了生产率。2数控激光切割技术的工作原理先编制程序，将程序输入数控切割机的控制系统，控制系统发送前进、后退、左、右的指令到机床的驱动系统，并由驱动系统控制电机的正反转以及转速，来带动机床的行动，由此而实现对割枪的控制。数控切割机一般配置火焰割炬、等离子割炬、激光头、水刀等切割介质，所以就有了数控等离子切割机、数控火焰切割机、数控激光切割机（简称激光切割机)、数控水射流切割机（简称水刀）等等。3 目前数控激光切割机产业的发展环境3.1 发展数控激光切割技术产业的重要意义在高功率数控激光切割成套设备开发及制造方面，经过十几年的发展，我国激光切割技术及装备从无到有，已逐步形成一定产业规模。200

6、7年国内大型激光切割设备的销售额达到15亿元，在中低端产品方面基本占领国内市场，并有部分产品出口。但与美国、欧盟、日本等发达国家相比，我国的激光切割设备仍然停留在低端产品阶段，而且高功率激光器、激光专用控制系统、激光光束传输控制、激光切割专有技术等绝大部分核心技术还依赖进口。目前，国际上德国通快TRUMPF公司、瑞士百超BYSTRONIC和意大利PRIMA等国际知名公司已经开发出大功率、大幅面、高速、飞行光路、多维立体、数控自动的激光切割机。在高端激光切割系统领域，我国与国际先进水平存在较大差距，产品基本依赖进口，每年不得不花费数十亿元从国外引进相关技术与设备。如船舶制造业中厚钢板的激光切割设

7、备、三维立体激光切割设备、有色金属激光切割设备等，引进价格昂贵、订货周期长、售后服务无法及时保证，严重制约了我围困民经济的发展。并且由于国外在该领域出口对我国有明确的限制，采用许可证制度，严格规定该项技术不能用于军工、航空航天等领域，因此我国急需突破该项技术。随着我国船舶、汽车、航空航天、钢铁、发电设备等行业的快速发展，全球制造业的中心向我国转移，我国数控激光切割成套设备市场需求年增长速度达到50以上，数控激光切割技术更以其柔韧性和灵活性在薄板加工领域逐步取代了传统加工手段。针对汽车、船舶、航空、航天、钢铁、能源设备等行业急需的激光切割设备，攻克大幅面高精度数控激光切割的床身机械设计、基于高速

8、切割的直线电机驱动及相关运动系统、基于5轴联动三维激光切割技术、高功率光束传输技术、数控切割软件、厚板激光切割技术等技术难题，解决高功率激光器、激光传输控制、精密机床、数控系统等核心技术，开发高速高精度激光切割机、大幅面厚板激光切割机、三维立体数控激光切割机、航天航空用有色金属激光器切割机等高性能激光切割系统，对打破国外厂家在该领域的垄断，实现进口替代，节约外汇储备，满足国内市场的需求，积极带动我国关键行业装备制造业的快速健康发展具有重要意义。另外，还可带动相关产业链的延伸与发展，大力推动大功率激光器、光学零部件、导光系统、数控系统、电气控制系统、精密机械加工、精密仪器仪表、电子元器件、计算机

9、软件等上游产业链的技术进步和产业升级。利用先进的现代切割技术，不但可以保证产品的焊接质量，提高劳动生产率，同时也使得企业产品的制造成本大幅度下降，缩短了产品生产周期。随着新产品、新工艺、新技术的广泛运用。智能化激光切割将成为切割行业今后发展的趋势。3.2 数控激光切割技术的市场应用现状和前景分析据目前我国相关行业的发展形势来看，激光切割加工是当今激光行业发展的前途性领域，目前在市场上面出现的激光切割技术就有20多种，但是有不少技术很多的小厂家都没有掌握。激光切割加工和钣金加工有着很大的区别，激光的空间控制和时间控制都比较灵活和精确，并且激光作为新型能源可以达到目前机械切割所没有的效果，它可以对

10、材料的材质、形状、尺寸做到精确的切割，并且在加工环境上没有特殊的要求，自由性很大，但是激光切割不太适合有易燃易爆品的切割。激光切割加工系统和计算数控技术相结合然后配备高效的自动化生产加工设备，这样的组合成为了大型生产商的首选，不仅技术和设备强大，而且投资和回报是成正比的，为不少企业打开的市场的大门，也为一些优质、高效和低成本的加工生产开辟了广阔的前景。激光切割加工技术广泛的应用于金属和非金属的材料的加工，可以大大的减少切割的时间，并且减少切割的成本，提高生产产品的质量，脉冲激光适用于金属材料，连续激光适用于非金属材料，我们可以根据自己的需求来进行选择。在欧洲，几乎所有汽车制造厂在汽车研制开发和

11、生产中均的采用激光加工。激光制造技术在汽车制造中应用的广度和深度已经成为汽车工业先进性的重要标志。国内已有汽车生产企业引进激光切割和激光焊接生产线，其他企业在未来的发展规划中也都有引进计划。三维激光切割机对提高新车型开发速度具有重要的促进作用。国防军事装备对高性能激光切割机的需求更为迫切，如三维立体激光切割机在直升飞机螺旋桨曲面加工中的应用，可以大大缩短产品试制时间，提高部件性能。对提高我国航天航空技术装备水平具有重要的战略意义随着“精密造船”时代的来临，高功率CO2激光切割技术及装备在先进国家造船业得到了越来越广泛的普及应用。大幅面厚板材激光切割机在其他重要行业也有迫切的需求，如航空航天发动

12、机转子毂的切割、钢铁冶金行业热轧钢坯的激光切割、坦克、装甲车厚装甲精密切割、发电设备中发电机组转子的精密切割等。随着我国铁路建设、公路建设、水利建设、水电建设、能源、矿山建设、建筑业等重大工程的推进，到2015年，我国工程机械市场需求量将达到2000亿元以上，大幅面厚钢板激光切割机将在我国工程机械行业得到普遍应用。全球激光制造技术发展飞速，我国与国际激光技术水平的差距有所增大，高端的激光加工成套装备几乎全部依赖进口，致使国外激光制造装备在我国市场的占有率高达70。预计未来10年内，我国对这些高性能激光切割系统的市场需求量将达到100亿元。如此迫切和巨大的市场需求反应出激光加工的手段已经覆盖到国

13、民经济各个重要领域，同时也影响着国防、航空航天等关键技术的突破，我们不仅仅是解决目前国内该产品的空白，同时也旨在解决激光加工领域多层面技术核心问题，如激光数控、激光机床新型结构、高质量激光加工的技术瓶颈等。3 技术现状、发展趋势以及需突破的共性关键技术3.1 国外数控激光切割技术现状与发展趋势国外激光切割技术发展趋势有： 3.1.1 高速度在设备的运行速度上，目前多家企业竞相开发高速高精度切割机，用以取代机械冲床，例如瑞士百超激光有限公司推出的BYSPEED机型，切割速度可达40mmin，加速度为3g，可切割20 mm的不锈钢，12mm的铝合金和6mm的紫铜等，其电耗仅60kW，机器有效利用率

14、可达95，在薄板加工效率上与冲床相当。3.1.2 多自由度激光切割机广泛地应用到复杂曲面，工件的加工，如激光切割机器人、专门用于管材切割的2.5D激光切割机、3D光纤传输激光切割机等。以前的三维激光切割机只能进行汽车内饰件的切割，无法加工金属冲压件。普瑞玛工业公司创造性地将电容式传感器集成到三维激光切割设备中，使机床可以自动适应冲压件弹性变形造成的误差，从而使三维激光切割技术真正成为汽车车身加工的一种精密、灵活的加工手段，广泛应用于汽车、航天航空工业、工程机械、模具、健身器材、钣金加工等制造领域。3.1.3 大幅面大厚板目前，国际上出现了“精密造船”的概念，美国、欧盟、日本、韩国等围家和地区的

15、船舶制造普遍采用高功率激光切割技术。目前国外主流大幅面激光切割机一般采取机载激光器结构，加工幅面为3m25m，切割板厚可达到40mm，在船舶、舰艇等行业得到越来越多的应用。3.1.4 智能化进一步把激光器与计算机数控技术、先进的光学系统以及高精度和自动化的T件定位相结合，将自动排料、切割工艺数据库、远程诊断、远程控制集成一体，把激光切割的功能部件与其他加工方法组合，制成如激光冲床等多功能加工机，更符合工厂复杂加工高效的需要，它兼有激光切割的多功能性和其他加工形式的高速高效的特点，可同时完成切割、打孔、打标、划线、成形等。3.2 国内数控激光切割技术发展方向近几年来，我国在数控激光切割技术装备领

16、域发展迅速，二氧化碳激光器功率达到4kW，加工幅面从3015到6030都能实现，各种光路设计都已成熟应用，在驱动方面普遍采用直线电机伺服系统，国产数控激光切割设备已经具备较强的市场竞争能力。随着激光切割技术应用的迅速普及，市场空间不断拓宽。我国数控激光切割技术装备的发展重点应关注以下领域： 3.2.1 开发高速高精数控激光切割设备掌握3g以上加速度运动系统的设计与制造技术和高精高速下机床运动系统的设计与制造技术。定位速度120180 mmin，切割速度5080mmin，切割表面粗糙度小于6.3m，切割头定位精度0.02 mmm，重复定位精度0.01mmm，用于激光高速切孔时，切割速度达到100

17、0孔min。3.2.2 开发高精度三维激光切割设备掌握三维立体激光切割机机床的设计与制造、立体激光切割头的设计与制造技术、三维立体激光切割工艺，开发配套三维CADCAM软件系统，实现复杂曲面的激光切割。定位精度0.05mm，重复精度0.015mm。快进速度25mmin；AB轴转角范围3600135，转角精度0.015，重复精度0.005。3.2.3 开发大幅面厚板激光切割设备掌握远光程激光传输技术、厚板切割T艺、高功率激光光路设计与制造技术，实现大幅面厚板材的激光切割。激光切割机床XYZ行程#gt;130000mm6000mm150mm，定位精度0.05mm重复精度0.015mm，快进速度25

18、mmin，切割板厚40mm。3.2.4 开发特种行业专用激光切割设备掌握特种材料特种加工需求下对激光切割机的设计与制造技术，完成铝合金、钛合金、镁合金、铜合金1-10mm的切割工艺。3.3 数控激光切割需突破的关键共性技术（缺点）3.3.1 激光切割机机械结构设计与驱动技术激光切割机的横梁，有单悬臂式、龙门式、龙门倒挂式等，机床结构要求具有高刚性和高稳定性。横梁设计时必须轻巧灵活，符合高速度激光切割时的运动平稳性与横梁运动的高精度。这些是实现激光精密切割的基础。3.3.2 激光切割机数控技术结合激光切割的专有特点，采用稳定可靠的通用数控系统作基础，经过二次开发，开发出具有自主版权的激光切割控制

19、系统。具备激光专有控制功能，如激光功率坡调、Z浮功能控制、自动调焦功能；在高速运行下良好的机床运动控制性能；具备远程诊断与控制功能，机床控制一体化(激光器控制、气路控制、光路控制)，符合大幅面激光切割的运算判断等，人机界面友好、语音提示、方便操作和维护。3.3.3 高功率激光光束传输聚焦技术光束质量是激光切割质量的关键，关键技术包括：专有光束质量控制、光束半径调整、束腰补偿、视频光束校准系统等。专有光束质量调整系统包括自适应光学系统，以优化光束形状。光束半径调整要实现自适应光学系统可以自动维持程序里的光束聚焦点。如在切割低碳钢时，自动输出非常细的光束聚焦点，切割不锈钢时，自动输出宽一些的聚焦点

20、。激光光束不是平行的，当切割头在切割范同移动时，光斑直径改变。要维持好的切割质量，就需利用腰束补偿维持光斑直径不变，控制系统通过自动调整束腰的位置来保持激光束在焦点处最优的光斑。视频光路校准系统是利用视频技术和微调装置，使操作者可以在不用打开任何盖子的情况下检查光路，保证所有的光学镜片位置准确。该功能主要优势，一是安全：不需要打开光路，避免了在光路检查过程中接触激光的危险；二是可靠：检查的过程迅速可靠，让光路系统保持最优的切割状态；三是维修简单：可以实时察看目标位置，省去了很多操作，可以更快地维修和调整。3.3.4 激光切割专有技术激光切割专有技术有：边缘监测、电容高度跟踪、切割监测、穿透检测

21、等。边缘监测技术可以使切割头定位在板材合适的边缘位置，自动监测其位置和方向。穿透检测技术是指使用相同的传感器来确定光束是否已经穿透了板材，这样可以得到最高质量的穿透效果，同时又节省时间。切割监测技术是指机器在无人看管的情况下也可以正常进行切割加工，若因故使切割不能正常运行，切割监测系统可以识别，系统软件会确定其原因并做出反应，包括停止、折回及简单调整功率，以获得更好的效果。电容高度跟踪技术是通过电容系统来完成，高频率通过喷嘴处金属部件的电容系统传送到切割头上，当切割工件与切割头金属部件的距离改变时，频率也会按比例发生改变，CNC控制器通过这一信息来调整Z浮到其最合适的位置。3.3.5 激光切割

22、专用CADCAM软件系统为配合激光切割的图形转换，需要开发设计专门的CADCAM软件系统，该软件系统能将从CAD系统获得的几何信息转换成NC代码，通过USB口或通信系统将NC代码传入CNC系统，供设备正常切割使用。CADCAM软件系统所产生的NC代码具有激光切割的全部特有功能，使编写复杂零件程序的工作变得简单流畅，编辑和修改也非常方便。3.3.6 厚板高功率激光切割头设计制造研制开发长焦深高功率激光多维立体切割头时，切割头应该配备双聚焦镜组件、带灵敏可靠的Z浮部件、良好的水冷装置和空气冷却装置，能承受约2533kPa的辅助气体压力，达到切割厚度3040mm的需要。3.3.7 激光切割工艺研究通

23、过进行大量的切割工艺试验，形成材料、环境、工艺参数如激光器功率、辅气气压大小以及种类、切割速度、焦点位置以及切割的起始位置等切割工艺数据库，尤其是针对曲面切割、钛合金切割、厚板材切割等工艺，操作者只需在对话框中按照提示输入基本参数和信息，系统就会自动调用数据库资料，完成切割参数设置。全文结论数控激光切割是理想的切割加工手段，代表现代金属加工技术的发展方向。数控激光切割设备在国内外市场有着极其广泛的市场需求。我国在数控激光切割技术和装备方面与国外有一定差距，但近几年来发展迅速。今后发展方向应该立足高起点，在高速高精激光切割、大幅面激光切割、三维激光切割、特种材料激光切割等领域进行关键共性技术研究

24、开发，形成产业化，从而满足日益增长的市场需求。致谢这篇论文是在邱老师的悉心指导下完成的。老师严谨的治学态度，让我受益匪浅。在整个毕业论文撰写中，邱老师给予了我很大的关心，并提出了许多宝贵的意见和改进的方法，不厌其烦的帮我修改不足的地方，让我在写论文的同时学会了分析和解决问题的方法，巩固了以往所学的知识，在此向邱老师致以诚挚的谢意和崇高的敬意。在论文的写作过程中，也得到了许多同学的宝贵建议，同时还得到许多已经毕业的学长学姐的支持和帮助，在此一并致以诚挚的谢意。由于时间和精力的不足以及调查条件限制，本文还存在着一些欠缺，所述观点不够全面，还需要以后进一步的研究和探讨。对于错误和不足之处，恳请老师批

25、评指正。参考文献1 董锋,陆雅娟. 激光切割工艺及设备J. CAD/CAM与制造业信息化 , 2003,(04) .2 江海河. 激光加工技术应用的发展及展望J光电子技术与信息 , 2001,(04) .3 胡兴军,刘向阳. 激光切割的基本原理及新进展J. 苏南科技开发 , 2004,(11) .4 朱秀芹. 激光切割技术在生产中的推广应用J衡器 , 2003,(01) .5 郝喜海，吴若梅，张继红. 激光切割技术在机械制造中的应用及发展J机械制造 , 1999,(08) .6 胡兴军,刘向阳. 激光切割的基本原理及新进展J. 苏南科技开发 , 2004,(11) .7 陈树明. 激光切割技术

26、现状及发展J. 锻压机械 , 2002,(02) .8 高允贵. 金属的激光切割J. 光电子技术与信息 , 1996,(03) .9 大舟. 激光切割成功的应用J. 光机电信息 , 1995,(05) . 10唐元冀. 激光切割在工业上应用的现状J. 激光与光电子学进展 , 2002,(01) . 11邓树森中国激光加工产业现状N上海激光通讯20027；制造技术与激光加工J激光集锦2003：13(4)：1620激光切割机技术因为其独特的优势，在现代制造领域占有越来越重要的地位，国内外对激光切割设备的需求不断增加，极大地促进了数控激光切割机的飞速发展。数控激光切割机普遍采用全飞行光路技术，动态加

27、速性能优良；高性能数控系统和内置激光切割专用工艺软件，机床自动处于最佳运行状态；封闭式防护舱防止辐射泄漏，机床安全性强；造型宜人化、用户界面人性化，体现了以人为本；机床采用网络连接控制技术。 数控激光切割机具有速度高、响应时间短等优点：无间隙直接驱动和对干扰力的快速响应避免了传统滚珠丝杠传动的不足。使用花岗岩工作台面，降低了外部环境对加工精度的影响；配备了可分、可合的两个加工工位，提高了加工效率并增加了机床的灵活性。 激光切割技术的发展，这也对数控激光切割机的性能要求越来越高，数控切割机在切割过程中具有割速快、割缝小等特点，可能会导致实际切割速度有限、割缝过大、割面不整等现象，排除等离子数控切

28、割机自身机械故障等方面因素，必须在操作中未正确设置等离子数控切割机相关参数也将影响实际切割效果 。以下是几项要突破的技术。 1.激光切割机机械结构设计。这主要体现在横梁和机床结构设计上。横梁设计时必须轻巧灵活，机床结构要求具有高刚性和高稳定性。这些是实现激光高精密切割的基础要素。 2.激光切割机数控技术。这需要高质量的控制系统。要具备激光专有控制功能、高速运行下良好的机床运动控制性能和远程诊断与控制功能。 3.高功率激光光束传输聚焦技术。光束质量是激光切割质量的关键，关键技术包括：专有光束质量控制、光束半径调整、束腰补偿、视频光束校准系统等。 4.激光切割机专有技术。其中包括边缘监测、电容高度跟踪、切割监测、穿透检测等。 5.激光切割机专用CAD/CAM软件系统。为配合激光切割的图形转换，使编写复杂零件程序的工作变得简单流畅，编辑和修改也非常方便，需要开发设计专门的CAD/CAM软件系统。 6.高功率激光切割头设计。 7.激光切割工艺研究，尤其是针对曲面切割、钛合金切割、厚板材切割等工艺的研究。 数控激光切割是理想的切割加工手段，要提高激光切割机的性能和产业化，从而满足日益增长的市场需求。