数控多轴联动激光加工设备

第 十 一 章 数 控 多 轴 联 动 激 光 加 工 设 备 w 数 控 激 光 切 割 设 备 w 数 控 五 轴 联 动 激 光 加 工 机 床 学习导论w数控激光加工设备是集光、机、电技术于一体的先进加工设备，适合于加工和处理多种材料并能对加工过程进行自动控制，具有广泛的用途。要求掌握数控激光切割设备和数控多轴联动激光加工设备的基本构成、激光器的工作原理和类型、存在的基本运动和典型设备的基本结构及工作原理。 数 控 激 光 切 割 设 备 一 、 激 光 切 割 的 原 理 、 分 类 及 特 点 （ 1） w 激 光 切 割 的 原 理n 如 图 所 示 ， 激 光 切 割 是 利 用 经 聚 焦 的 高 功 率密 度 激 光 束 照 射 工 件 ， 使 被 照 射 的 材 料 迅 速熔 化 、 汽 化 、 烧 蚀 或 达 到 燃 点 ， 同 时 借 助 与光 束 同 轴 的 高 速 气 流 吹 除 熔 融 物 质 ， 从 而 实现 将 工 件 割 开 。 激 光 切 割 原 理 示 意 图 例 一 、 激 光 切 割 的 原 理 、 分 类 及 特 点 （ 2） w 激 光 切 割 的 分 类 （ 1）n 激 光 汽 化 切 割 利 用 高 能 量 密 度 的 激 光 束 加 热工 件 ， 使 温 度 迅 速 上 升 ， 在 非 常 短 的 时 间 内达 到 材 料 的 沸 点 ， 材 料 开 始 汽 化 ， 形 成 蒸 汽 。这 些 蒸 汽 喷 出 速 度 很 大 ， 在 蒸 汽 喷 出 的 同 时 ，在 材 料 上 形 成 了 切 口 。 材 料 的 汽 化 热 一 般 很大 ， 所 以 激 光 汽 化 切 割 时 需 要 很 大 的 功 率 和功 率 密 度 。 一 、 激 光 切 割 的 原 理 、 分 类 及 特 点 （ 3） w 激 光 切 割 的 分 类 （ 2）n 激 光 熔 化 切 割 激 光 熔 化 切 割 时 ， 用 激 光 加 热 使 金 属材 料 熔 化 ， 然 后 通 过 与 光 束 同 轴 的 喷 嘴 喷 吹 非 氧 化 性气 体 （ Ar、 He、 N等 ） ， 依 靠 气 体 的 强 大 压 力 使 液 态金 属 排 出 ， 形 成 切 口 。 激 光 熔 化 切 不 需 要 使 金 属 完 全汽 化 ， 因 此 所 需 要 能 量 只 有 汽 化 切 割 的 1/10。 n 激 光 熔 化 切 割 主 要 用 于 一 些 不 易 氧 化 的 材 料 或 活 性 金属 材 料 的 切 割 ， 如 不 锈 钢 、 钛 、 铝 及 其 合 金 材 料 等 。 一 、 激 光 切 割 的 原 理 、 分 类 及 特 点 （ 4） w 激 光 切 割 的 分 类 （ 3）n 激 光 氧 气 切 割 激 光 氧 气 切 割 原 理 类 似 于 氧 乙 炔 切 割 。它 是 利 用 激 光 作 为 预 热 热 源 ， 用 氧 气 等 活 性 气 体 作 为切 割 气 体 。 喷 吹 出 的 气 体 一 方 面 与 切 割 金 属 作 用 ， 发生 氧 化 反 应 ， 放 出 大 量 的 氧 化 热 ； 另 一 方 面 把 熔 融 的氧 化 物 和 熔 化 物 从 反 应 区 吹 出 ， 在 金 属 中 形 成 切 口 。由 于 切 割 过 程 中 的 氧 化 反 应 产 生 了 大 量 的 热 ， 所 以 激光 氧 气 切 割 所 需 要 的 能 量 只 是 熔 化 切 割 的 1/2， 而 切割 速 度 远 远 大 于 激 光 汽 化 切 割 和 熔 化 切 割 。 n 激 光 氧 气 切 割 主 要 用 于 碳 钢 、 钛 钢 以 及 热 处 理 钢 等 易氧 化 的 金 属 材 料 。 一 、 激 光 切 割 的 原 理 、 分 类 及 特 点 （ 5） w 激 光 切 割 的 分 类 （ 4）n 激 光 划 片 与 控 制 断 裂 激 光 划 片 是 利 用 高 能 量 密 度 的激 光 在 脆 性 材 料 的 表 面 进 行 扫 描 ， 使 材 料 受 热 蒸 发 出一 条 小 槽 ， 然 后 施 加 一 定 的 压 力 ， 脆 性 材 料 就 会 沿 小槽 处 裂 开 。 激 光 划 片 用 的 激 光 器 一 般 为 Q开 关 激 光 器和 CO2激 光 器 。 n 控 制 断 裂 是 利 用 激 光 刻 槽 时 所 产 生 的 陡 峭 温 度 分 布 ，在 脆 性 材 料 中 产 生 局 部 热 应 力 ， 使 材 料 沿 小 槽 断 开 。 一 、 激 光 切 割 的 原 理 、 分 类 及 特 点 （ 6） w 激 光 切 割 特 点 （ 1）n 切 割 质 量 好 激 光 切 割 切 口 细 窄 ， 切 缝 两 边 平 行 并 且与 表 面 垂 直 ， 切 割 零 件 的 尺 寸 精 度 可 达 0.05 。 切口 表 面 光 洁 美 观 ， 表 面 粗 糙 度 只 有 几 十 微 米 ， 甚 至 激光 切 割 可 以 作 为 最 后 一 道 工 序 ， 无 需 机 械 加 工 ， 零 部件 可 直 接 使 用 。 材 料 经 过 激 光 切 割 后 ， 热 影 响 区 宽 度很 小 ， 切 缝 附 近 材 料 的 性 质 几 乎 不 受 影 响 ， 并 且 工 件变 形 小 ， 切 割 精 度 高 ， 切 缝 的 几 何 形 状 好 ， 切 缝 横 断面 呈 规 则 的 长 方 形 。 一 、 激 光 切 割 的 原 理 、 分 类 及 特 点 （ 7） w 激 光 切 割 特 点 （ 2）n 切 割 效 率 高 由 于 激 光 的 传 输 特 性 ， 激 光 切 割 机 床 上一 般 配 有 多 方 向 的 进 给 运 动 ， 整 个 切 割 过 程 可 以 全 部实 现 数 控 。 操 作 时 ， 只 需 改 变 数 控 加 工 程 序 ， 就 可 以适 用 不 同 工 件 、 不 同 形 状 零 件 的 切 割 。 n 切 割 速 度 快 用 功 率 1200W的 激 光 束 切 割 2 厚 的 低 碳钢 板 ， 切 割 速 度 可 达 600cm/min； 切 割 5 厚 的 娶 丙 烯树 脂 板 ， 切 割 速 度 可 达 1200cm/min。 材 料 在 激 光 设 备上 切 割 时 不 需 要 装 夹 固 定 ， 既 可 节 省 工 装 夹 具 ， 又 节省 了 上 、 下 料 的 辅 助 时 间 。 一 、 激 光 切 割 的 原 理 、 分 类 及 特 点 （ 8） w 激 光 切 割 特 点 （ 3）n 非 接 触 式 切 割 激 光 切 割 时 割 炬 与 工 件 无 接 触 ，不 存 在 工 具 的 磨 损 问 题 。 加 工 不 同 形 状 的 工件 ， 不 需 要 更 换 “ 刀 具 ” ， 只 需 要 改 变 加 工程 序 和 改 变 激 光 器 输 出 的 参 数 。 激 光 切 割 过程 噪 声 低 ， 振 动 小 ， 无 污 染 。 一 、 激 光 切 割 的 原 理 、 分 类 及 特 点 （ 9） w 激 光 切 割 特 点 （ 4）n 激 光 切 割 加 工 的 适 应 范 围 广 与 氧 乙 炔 切 割 和 等 离 子切 割 比 较 ， 激 光 切 割 材 料 种 类 多 ， 包 括 金 属 、 非 金 属 、金 属 基 和 非 金 属 基 复 合 材 料 、 皮 革 、 木 材 及 纤 维 等 。但 是 对 于 不 同 的 材 料 ， 由 于 自 身 的 热 物 理 性 能 及 对 激光 的 吸 收 率 不 同 ， 表 现 出 不 同 的 激 光 切 割 适 应 性 。 n 激 光 切 割 由 于 受 激 光 器 功 率 和 体 积 的 限 制 ， 激 光 切割 只 能 切 割 中 小 厚 度 的 板 材 和 管 材 ， 而 随 着 工 件 厚度 的 增 加 ， 切 割 速 度 显 著 降 低 。 二 、 激 光 切 割 的 应 用 范 围w 大 多 数 激 光 切 割 机 床 都 是 数 控 机 床 。 激 光 切 割作 为 一 种 精 密 加 工 方 法 ， 几 乎 可 以 切 割 所 有 材料 ， 包 括 薄 金 属 板 的 二 维 切 割 和 三 维 切 割 。w 激 光 切 割 成 形 技 术 在 非 金 属 材 料 领 域 也 有 着 较为 广 泛 的 应 用 。 不 仅 可 以 切 割 高 硬 度 、 脆 性 大的 材 料 ， 如 氮 化 硅 、 陶 瓷 、 石 英 等 ， 还 能 切 割加 工 柔 性 材 料 ， 如 布 料 、 纸 张 、 塑 料 板 、 橡 胶板 等 。 服 装 业 用 激 光 进 行 服 装 裁 剪 ， 可 节 省 衣料 10%12%， 并 可 将 工 效 提 高 3倍 以 上 。 三 、 数 控 激 光 切 割 机 床 （ 1） w 机 床 的 主 要 构 成 （ 1）w 激 光 切 割 机 床 大 都 采 用 CO2激 光 器 ， 从 大的 方 面 来 说 主 要 由 激 光 器 、 导 光 系 统 、 数控 系 统 、 伺 服 系 统 、 割 炬 、 操 作 台 、 气 源 、水 源 及 抽 烟 系 统 构 成 。 典 型 的 CO2激 光 切割 设 备 的 基 本 构 成 如 图 所 示 。 CO2激 光 切 割 机 床 基 本 构 成 图 例 三 、 数 控 激 光 切 割 机 床 （ 2） w 机 床 的 主 要 构 成 （ 2）n 激 光 电 源 供 给 激 光 振 荡 用 的 高 压 电 源 。n 激 光 振 荡 器 产 生 激 光 的 主 要 设 备 。n 折 射 反 射 镜 用 于 改 变 激 光 的 传 输 方 向 。 为 使 光 束 通 路 不 发 生 故障 ， 所 有 反 射 镜 都 要 用 保 护 罩 加 以 保 护 。 n 割 炬 主 要 包 括 枪 体 、 聚 焦 透 镜 、 辅 助 气 体 喷 嘴 等 。n 切 割 工 作 平 台 用 于 安 装 被 切 割 的 板 材 或 工 件 ， 能 够 按 照 数 控 指令 进 行 运 动 ， 工 作 台 各 个 方 向 的 运 动 通 常 由 伺 服 电 动 机 驱 动 。n 割 炬 驱 动 装 置 二 维 或 三 维 曲 线 或 曲 面 的 加 工 是 由 工 作 台 和 割 炬的 共 同 运 动 实 现 的 。 割 炬 驱 动 装 置 由 伺 服 电 动 机 和 丝 杠 等 传 动件 组 成 。 三 、 数 控 激 光 切 割 机 床 （ 3） w 机 床 的 主 要 构 成 （ 3）n CNC数 控 装 置 控 制 工 作 台 和 割 炬 的 运 动 轨 迹 ， 切 割 出 所 要 求的 形 状 ， 同 时 也 控 制 激 光 器 在 加 工 不 同 工 件 或 材 料 时 的 输 出 功率 。n 操 作 盘 是 一 个 人 机 界 面 接 口 。 既 可 以 显 示 加 工 过 程 的 状 态 ， 又可 以 通 过 操 作 盘 对 加 工 过 程 进 行 控 制 。 n 气 瓶 包 括 激 光 工 作 介 质 气 瓶 和 辅 助 气 瓶 ， 用 于 补 充 激 光 振 荡 的工 作 气 体 和 供 给 切 割 用 的 辅 助 气 体 。n 冷 却 水 循 环 装 置 用 于 冷 却 激 光 振 荡 器 。 激 光 器 是 利 用 电 能 转 换成 光 能 的 装 置 ， 如 CO2气 体 激 光 器 的 转 换 率 一 般 为 20%， 剩 余 的80%能 量 转 换 成 热 能 。 冷 却 水 的 作 用 就 是 把 多 余 的 热 量 带 走 以维 持 激 光 振 荡 器 的 正 常 工 作 。n 空 气 干 燥 器 用 于 向 激 光 振 荡 器 和 光 束 通 路 供 给 洁 净 的 干 燥 空 气 ，以 保 持 通 路 和 反 射 镜 的 正 常 工 作 。 三 、 数 控 激 光 切 割 机 床 （ 4） w 激 光 切 割 用 激 光 器 （ 1）n 切 割 用 激 光 器 主 要 有 CO2气 体 激 光 器 和 钇 铝 石 榴 石 固体 激 光 器 （ 即 YAG激 光 器 ） 。n CO2气 体 激 光 器 是 利 用 封 闭 在 容 器 内 的 CO2气 体 （ 实 际上 是 CO2、 N2和 He的 混 合 气 ） 作 为 工 作 物 质 经 受 激 振荡 后 产 生 的 光 放 大 。 CO2气 体 激 光 器 的 基 本 结 构 如 图所 示 。 气 体 通 过 施 加 高 压 电 形 成 辉 光 放 电 状 态 ， 借 助设 在 容 器 两 端 的 反 射 镜 使 其 在 反 射 镜 之 间 的 区 域 不 断受 激 励 并 产 生 激 光 。 CO2气 体 激 光 器 的 基 本 结 构 图 例 三 、 数 控 激 光 切 割 机 床 （ 5） w 激 光 切 割 用 激 光 器 （ 2）n YAG固 体 激 光 器 的 结 构 原 理 如 图 所 示 。 它 是 借助 光 学 泵 作 用 将 电 能 转 化 的 能 量 传 送 到 工 作介 质 中 ， 使 之 在 激 光 棒 与 电 弧 灯 周 围 形 成 一个 泵 室 。 同 时 通 过 激 光 棒 两 端 的 反 光 镜 ， 使光 对 准 工 作 介 质 ， 对 其 进 行 激 励 以 产 生 光 放大 ， 从 而 获 得 激 光 。 YAG固 体 激 光 器 结 构 示 意 图 例 三 、 数 控 激 光 切 割 机 床 （ 6） w 割 炬 （ 1）n 激 光 切 割 用 割 炬 的 结 构 如 图 所 示 。 主 要 由 割炬 体 、 聚 焦 透 镜 、 反 射 镜 和 辅 助 气 体 喷 嘴 等组 成 。 激 光 切 割 时 ， 割 炬 必 须 满 足 下 列 要 求 ：l 割 炬 能 够 喷 射 出 足 够 的 气 流 ；l 割 炬 内 气 体 的 喷 射 方 向 必 须 和 反 射 镜 的 光 轴 同 轴 ；l 割 炬 的 焦 距 能 够 方 便 调 节 ； l 切 割 时 ， 保 证 金 属 蒸 气 和 切 割 金 属 的 飞 溅 不 会 损伤 反 射 镜 。 激 光 切 割 割 炬 结 构 图 例 三 、 数 控 激 光 切 割 机 床 （ 7） w 割 炬 （ 2）n 聚 焦 透 镜 聚 焦 透 镜 用 于 把 射 入 割 炬 的 平 行 激 光 束 进行 聚 焦 ， 以 获 得 较 小 的 光 斑 和 较 高 的 功 率 密 度 。 透 镜经 常 采 用 能 透 过 激 光 波 长 的 材 料 制 造 。 固 体 激 光 常 用光 学 玻 璃 ， 而 CO2气 体 激 光 因 透 不 过 普 通 玻 璃 ， 则 采用 ZnSe、 GaAs和 Ge等 材 料 制 造 ， 其 中 最 常 用 的 是ZnSe。 n 透 镜 的 形 状 有 双 凸 形 、 平 凸 形 和 凹 凸 形 三 种 。 透 镜 的焦 距 对 聚 焦 后 光 斑 直 径 和 焦 点 深 度 有 很 大 影 响 。 聚 焦光 斑 直 径 do与 透 镜 焦 距 f和 入 射 激 光 束 直 径 D之 间 的 关系 如 图 所 示 。 由 图 可 见 ， 当 入 射 激 光 束 直 径 D值 一 定时 ， 存 在 一 个 最 佳 的 透 镜 焦 距 f值 使 聚 焦 光 斑 直 径 do最 小 。 聚 焦 光 斑 直 径 d0与 透 镜 焦 距 f和 入 射 激 光束 直 径 D之 间 的 关 系 三 、 数 控 激 光 切 割 机 床 （ 8） w 割 炬 （ 3）n 焦 点 深 度 fd与 透 镜 焦 距 f的 关 系 如 图 所 示 。 随着 透 镜 焦 距 的 减 小 ， 焦 点 深 度 也 变 小 。 焦 点 深 度 fd与 透 镜 焦 距 f的 关 系 图 例 三 、 数 控 激 光 切 割 机 床 （ 9） w 反 射 镜 n 反 射 镜 的 功 能 是 改 变 来 自 激 光 器 的 光 束 方 向 。对 固 体 激 光 器 发 出 的 光 束 可 使 用 由 光 学 玻 璃制 造 的 反 射 镜 ， 而 对 CO2气 体 激 光 切 割 装 置 中的 反 射 镜 常 用 铜 或 反 射 率 高 的 金 属 制 造 。 反射 镜 在 使 用 过 程 中 ， 为 避 免 反 射 镜 受 光 照 过热 而 损 坏 ， 通 常 需 用 水 进 行 冷 却 。 三 、 数 控 激 光 切 割 机 床 （ 10） w 喷 嘴 （ 1） n 喷 嘴 用 于 向 切 割 区 喷 射 辅 助 气 体 ， 其 结 构 形状 对 切 割 效 率 和 质 量 有 一 定 影 响 。 如 图 所 示为 激 光 切 割 常 用 的 喷 嘴 形 状 ， 而 喷 孔 的 形 状有 圆 柱 形 、 锥 形 和 缩 放 形 等 。 喷 嘴 的 选 用 一般 根 据 切 割 工 件 的 材 质 、 厚 度 、 辅 助 气 体 压力 等 再 经 试 验 后 确 定 。 激 光 切 割 常 用 喷 嘴 形 状 图 例a） b） c） d） 三 、 数 控 激 光 切 割 机 床 （ 11） w 喷 嘴 （ 2） n 当 用 惰 性 气 体 切 割 某 些 金 属 时 ， 为 保 护 切 口区 金 属 不 致 因 空 气 入 侵 （ 一 般 喷 嘴 在 切 割 方向 突 然 改 变 时 常 有 空 气 卷 入 切 割 区 而 发 生 氧化 或 氮 化 ， 则 宜 使 用 加 保 护 罩 的 喷 嘴 。 加 玻璃 绒 保 护 罩 的 喷 嘴 结 构 如 图 所 示 。 加 玻 璃 绒 保 护 罩 的 喷 嘴 结 构 图 例 三 、 数 控 激 光 切 割 机 床 （ 12） w 数 控 激 光 切 割 设 备 的 类 型 （ 1） n 割 炬 驱 动 式 切 割 设 备 割 炬 驱 动 式 切 割 设 备 中 ， 割 炬 安 装 在 可 移动 式 门 架 上 并 沿 门 架 大 梁 横 向 （ Y轴 方 向 ） 运 动 ， 门 架 带 动 割炬 沿 X轴 运 动 ， 工 件 固 定 在 切 割 台 上 。 由 于 激 光 器 与 割 炬 分 离设 置 ， 在 切 割 过 程 中 ， 激 光 的 传 输 特 性 、 沿 光 束 扫 描 方 向 的 平行 度 和 折 光 反 射 镜 的 稳 定 性 都 会 受 到 影 响 。 n 割 炬 驱 动 式 切 割 设 备 的 典 型 结 构 如 图 所 示 。 采 用 CO2气 体 连 续激 光 ， 光 束 从 激 光 器 传 送 到 割 炬 的 距 离 为 18m。 为 了 保 持 光 束直 径 在 这 一 传 送 距 离 内 其 形 状 的 变 化 不 妨 碍 切 割 加 工 的 进 行 ，振 荡 器 反 光 镜 的 组 合 应 仔 细 设 计 。 割 炬 驱 动 式 切 割 设 备 的 典 型 结 构 图 例 三 、 数 控 激 光 切 割 机 床 （ 13） w 数 控 激 光 切 割 设 备 的 类 型 （ 2） n XY坐 标 切 割 台 驱 动 式 切 割 设 备 XY坐 标 切 割 台 驱 动 式 切 割 设 备 ，割 炬 固 定 在 基 架 上 ， 工 件 置 于 切 割 台 上 。 切 割 台 按 数 控 指 令 沿X、 Y方 向 运 动 ， 驱 动 速 度 一 般 为 01m/min（ 可 调 ） 或05m/min（ 可 调 ） 。 由 于 割 炬 相 对 工 件 固 定 ， 在 切 割 过 程 中 对激 光 束 的 调 准 对 中 影 响 小 ， 因 此 能 进 行 均 一 且 稳 定 的 切 割 。 当切 割 工 作 台 尺 寸 较 小 、 机 械 精 度 较 高 时 ， 定 位 精 度 为 0.01 ，切 割 精 度 相 当 好 ， 特 别 适 合 于 小 零 件 的 精 密 切 割 。 另 外 也 有 采用 X轴 方 向 行 程 23002400 、 Y轴 方 向 行 程 12001300 的 切 割工 作 台 来 加 工 较 大 尺 寸 的 零 件 。 三 、 数 控 激 光 切 割 机 床 （ 14） w 数 控 激 光 切 割 设 备 的 类 型 （ 3） n 割 炬 切 割 台 双 驱 动 式 切 割 设 备 割 炬 切 割 台 双 驱 动 式 切 割 设备 介 于 割 炬 驱 动 式 与 XY坐 标 切 割 台 驱 动 式 之 间 。 割 炬 安 装 在 门架 上 并 沿 门 架 大 梁 作 横 向 （ Y向 ） 运 动 ， 切 割 台 沿 纵 向 驱 动 ，兼 有 切 割 精 度 高 和 节 省 生 产 场 地 的 优 点 。 定 位 精 度 为 0.01 ，切 割 速 度 调 节 范 围 为 020m/min， 是 应 用 较 多 的 一 种 切 割 设 备 。其 中 较 大 的 切 割 设 备 Y轴 方 向 行 程 为 2000 ， X轴 方 向 行 程 为6000 ， 可 切 割 大 尺 寸 零 件 。 n 激 光 振 荡 器 和 割 炬 一 起 安 装 在 门 架 上 ， 切 割 精 度 相 当 好 。 切 割圆 孔 精 度 和 切 割 速 度 的 关 系 如 图 所 示 。 切 割 圆 孔 精 度 和 切 割 速 度 的 关 系 图 例 三 、 数 控 激 光 切 割 机 床 （ 15） w 数 控 激 光 切 割 设 备 的 类 型 （ 4） n 一 体 式 切 割 设 备 一 体 式 切 割 设 备 中 ， 激 光 器 安 装 在机 架 上 并 随 机 架 纵 向 移 动 ， 而 割 炬 同 其 驱 动 机 构 组 成一 体 在 机 架 大 梁 上 横 向 移 动 ， 利 用 数 控 方 式 可 进 行 各种 成 形 零 件 的 切 割 。 为 弥 补 割 炬 横 向 移 动 使 光 路 长 度变 化 ， 通 常 备 有 光 路 长 度 调 整 组 件 ， 能 在 切 割 区 范 围内 获 得 均 质 的 光 束 ， 保 持 切 割 面 质 量 的 同 质 性 。 数 控 五 轴 联 动 激 光 加 工 机 床 一 、 机 床 的 构 成 、 运 动 及 主 要 技 术 参 数 （ 1） w 从 大 的 方 面 来 说 ， 数 控 五 轴 联 动 激 光 加 工机 床 由 机 床 本 体 部 分 、 激 光 器 及 外 光 路 部分 、 数 控 系 统 部 分 构 成 。 整 个 机 床 的 外 形图 如 图 所 示 。 数 控 五 轴 联 动 激 光 加 工 机 床 外 形 图 例 一 、 机 床 的 构 成 、 运 动 及 主 要 技 术 参 数 （ 2） w 机 床 本 体 部 分 由 龙 门 架 及 工 作 台 构 成 。 工 作 台上 安 装 待 加 工 工 件 ， 并 带 动 工 件 实 现 纵 向 进 给运 动 （ X向 ） 。 光 学 系 统 安 装 在 龙 门 架 上 ， 实 现光 束 相 对 于 工 件 的 横 向 进 给 运 动 （ Y向 ） 。 为 了获 得 满 足 加 工 要 求 的 光 斑 直 径 大 小 和 合 适 的 功率 密 度 ， 必 须 调 整 聚 焦 光 头 相 对 于 工 件 表 面 的距 离 ， 因 此 光 学 系 统 有 一 个 沿 Z轴 方 向 的 垂 直 进给 运 动 。 除 此 以 外 ， 该 机 床 还 存 在 两 个 方 向 的旋 转 运 动 ： 光 束 绕 Z轴 的 旋 转 运 动 及 光 束 绕 水 平轴 的 旋 转 运 动 。 二 、 机 床 所 能 实 现 的 功 能w 数 控 五 轴 联 动 激 光 加 工 机 床 可 以 实 现 下 面的 功 能 ：n 平 面 与 三 维 曲 面 的 激 光 热 处 理 和 表 面 熔 覆 ；n 激 光 切 割 与 焊 接 ；n 激 光 切 割 焦 点 位 置 的 自 动 测 量 与 控 制 ； n 三 维 曲 面 激 光 切 割 的 示 教 录 返 。 三 、 机 床 的 工 作 原 理 （ 1） w 激 光 热 处 理 与 表 面 熔 覆n 一 般 来 说 ， 用 这 种 设 备 进 行 热 处 理 和 表 面 修 复 的 零 件较 重 ， 通 常 直 接 将 工 件 装 在 工 作 台 上 。 激 光 器 输 出 功率 为 5KW、 直 径 37 的 高 阶 模 激 光 束 。 从 激 光 器 出来 的 激 光 束 外 光 路 图 如 图 所 示 。 激 光 束 通 过 反 射 镜 1、2进 入 Y轴 方 向 ， 经 过 反 射 镜 3反 射 后 沿 Z轴 方 向 传 到反 射 镜 4后 ， 经 聚 焦 头 上 的 曲 面 反 射 镜 5聚 焦 到 工 件 9表 面 ， 光 头 保 持 垂 直 ， 沿 Y轴 移 动 ， 工 作 台 沿 X轴 方向 可 进 行 平 面 加 工 。 如 果 加 上 Z、 C、 A轴 的 运 动 就 能进 行 三 维 曲 面 的 热 处 理 和 熔 覆 。 激 光 加 工 机 外 光 路 图 例 三 、 机 床 的 工 作 原 理 （ 2） w 激 光 切 割 与 焊 接n 在 上 图 所 示 的 外 光 路 图 上 ， 机 床 若 换 上 带 聚焦 透 镜 的 聚 焦 光 头 ， 激 光 器 输 出 可 达 3KW、直 径 为 25 的 低 阶 模 激 光 光 束 ， 通 过 反 射 镜6反 射 ， 透 镜 7聚 焦 到 工 件 表 面 ， 机 床 五 轴 联动 可 进 行 三 维 曲 面 的 切 割 与 焊 接 。 三 、 机 床 的 工 作 原 理 （ 3） w 激 光 切 割 焦 点 位 置 自 动 测 量 与 控 制n 为 了 保 证 激 光 切 割 的 质 量 ， 通 常 要 自 动 检 测 激 光 焦 点的 位 置 ， 且 自 动 控 制 光 头 移 动 使 焦 点 相 对 于 工 件 表 面保 持 在 合 适 的 位 置 上 。 检 测 装 置 与 数 控 系 统 构 成 反 馈回 路 ， 通 过 将 检 测 到 的 焦 点 位 置 与 程 序 要 求 的 焦 点 位置 进 行 比 较 ， 根 据 比 较 结 果 由 数 控 系 统 输 出 信 号 经 过放 大 后 驱 动 X、 Y、 Z三 个 坐 标 轴 移 动 ， 控 制 光 头 的 位置 ， 使 其 朝 着 位 置 误 差 减 小 的 方 向 移 动 。 三 、 机 床 的 工 作 原 理 （ 4） w 二 维 曲 面 的 加 工 及 三 维 曲 面 激 光 切 割 的 示 教 录 返n 对 于 简 单 图 形 或 二 维 曲 线 、 曲 面 ， 光 束 运 动 轨 迹 的 控 制 可 以 通过 数 控 编 程 来 实 现 。 同 时 机 床 还 配 备 了 CAD/CAM软 件 系 统 ， 具有 图 文 设 计 、 汉 字 矢 量 化 处 理 、 优 化 排 样 、 NC程 序 自 动 生 成 和加 工 过 程 仿 真 等 多 项 功 能 。 而 对 于 三 维 的 曲 面 激 光 切 割 ， 由 于被 加 工 对 象 的 形 状 复 杂 ， 难 以 建 立 精 确 的 数 学 模 型 ， 通 常 采 用示 教 录 返 装 置 进 行 编 程 。 四 、 机 床 的 机 械 结 构 w 该 机 床 能 够 实 现 五 轴 联 动 ， 对 于 每 一 个 运 动 ，都 由 独 立 的 伺 服 电 动 机 驱 动 。 X、 Y、 Z三 个 直线 运 动 的 行 程 均 小 于 4m， 用 滚 珠 丝 杠 螺 母 副 将电 动 机 的 旋 转 运 动 转 换 成 这 三 个 方 向 的 直 线 运动 。 采 用 这 种 传 动 装 置 不 仅 摩 擦 力 小 ， 刚 性 好 ，同 时 还 可 以 进 行 消 除 侧 向 间 隙 的 处 理 。 提 高 运动 精 度 。 X、 Y、 Z三 个 直 线 运 动 部 件 的 导 向 及承 载 部 件 采 用 直 线 滚 动 导 轨 副 ， 导 向 精 度 高 。 C、A两 个 方 向 转 动 是 电 动 机 通 过 蜗 杆 副 实 现 。 五 、 数 控 系 统w 五 轴 联 动 激 光 加 工 机 床 数 控 系 统 框 图 如 图所 示 。 从 图 中 可 以 看 出 ， 控 制 系 统 由 计 算机 部 分 、 外 围 设 备 部 分 、 机 床 控 制 部 分 构成 ， 采 用 工 控 机 和 PLC联 合 控 制 的 方 式 及采 用 了 模 块 化 设 计 ， 便 于 维 修 和 扩 展 。 五 轴 联 动 激 光 加 工 机 床 CNC系 统 框 图 例 学 习 小 结 （ 1） w 数 控 激 光 加 工 设 备 能 对 材 料 进 行 热 处 理 、 表 面 熔 覆 、 切割 和 焊 接 、 并 能 对 加 工 过 程 进 行 自 动 控 制 ， 因 而 在 工 业具 有 广 泛 用 途 。w 数 控 激 光 切 割 设 备 是 利 用 高 功 率 密 度 激 光 束 照 射 工 件 ，使 被 照 射 的 材 料 迅 速 熔 化 、 汽 化 、 烧 蚀 或 达 到 燃 点 ， 从而 实 现 将 工 件 割 开 。 分 为 激 光 汽 化 切 割 、 激 光 熔 化 切 割 、激 光 氧 气 切 割 等 类 型 。 激 光 切 割 机 床 主 要 由 激 光 器 、 导光 系 统 、 数 控 系 统 、 伺 服 系 统 、 割 炬 等 构 成 ， 通 过 割 炬 、工 作 台 的 相 互 运 动 ， 可 以 切 割 出 具 有 各 种 曲 线 或 曲 面 的工 件 ， 满 足 不 同 的 切 割 加 工 要 求 。 常 用 的 激 光 器 有 CO 2激 光 器 和 YAG激 光 器 ， 使 用 时 要 注 意 激 光 模 式 的 选 择 、光 斑 直 径 大 小 的 调 整 以 及 割 炬 透 镜 焦 距 的 调 整 等 。 学 习 小 结 （ 2） w 数 控 五 轴 联 动 激 光 加 工 机 床 是 一 种 多 功 能 加 工设 备 ， 可 以 实 现 热 处 理 、 表 面 熔 覆 、 切 割 、 焊接 、 焦 点 位 置 的 自 动 检 测 与 控 制 等 功 能 。 由 机床 本 体 、 激 光 器 、 外 光 路 系 统 及 数 控 系 统 构 成 。通 过 激 光 束 处 于 不 同 的 模 式 （ 高 阶 模 、 低 阶 模 ）以 及 更 换 不 同 的 “ 光 头 ” ， 获 得 不 同 的 加 工 效果 。 机 床 本 体 能 够 实 现 五 轴 联 动 ， 对 于 每 一 个运 动 ， 都 由 独 立 的 伺 服 电 动 机 驱 动 。 机 床 的CNC系 统 的 功 能 由 工 控 机 实 现 。 思 考 与 练 习 题 w 试 述 激 光 切 割 常 见 的 类 型 及 各 自 的 特 点 。w 为 了 切 割 不 同 形 状 的 工 件 ， 割 炬 与 工 件 之 间 可 以 有 几 种运 动 方 式 ？ 请 详 细 说 明 。w 分 析 割 炬 透 镜 焦 距 与 形 成 的 光 斑 直 径 及 焦 点 深 度 之 间 的关 系 。 是 不 是 透 镜 焦 距 越 小 越 好 ， 为 什 么 ？w 如 图 11-10所 示 ， 分 析 割 炬 驱 动 式 切 割 设 备 的 基 本 构 成 及基 本 运 动 。w 分 析 数 控 五 轴 联 动 激 光 加 工 机 床 的 基 本 构 成 、 基 本 运 动以 及 实 现 热 处 理 、 表 面 熔 覆 、 切 割 、 焊 接 、 自 动 检 测 等的 工 作 原 理 。