机械手激光三维切割技术方案

技 术 方 案（机械手光纤激光三维切割项目） 创科源激光无锡公司2012.05.24技术方案文档创科源激光品质服务解决方案1-1说明 本方案是为配合贵公司光纤激光机械手三维切割所作，未经创科源激光公司的书面授权，任何人不得向其它方泄漏或自行引用。本方案依照我公司在以往激光切割项目实施过程中汇总所制，还有某些细节部分,可能需要双方技术人员共同协商确定。基于商业因素的考虑，更详尽的技术方案和相关的工艺参数，需在商务合同签订后才能提供，敬请理解和支持。1-2用户关心问题答疑1） 要考虑切割时烟尘的治理方案工作台与排渣装置一体化的系统设计2） 切割过程中人员的防护方案一：光栅防护 方案二：密闭房方案 3） 废料的处理（周边废料与孔形废料）A.周边废料通过工装的延伸架来支托B.孔形废料自然散落在工作台面，每个班次清扫一次即可C.铁渣通过排风系统收集抽取（若有必要）4） 上下料的相关问题（人员配置，人员工作效率的情况，自动上下料的装置设计等）除了编程工程师外，现场的上下料工人要求不高。轻料一个人即可上下料，重料需要2个人上下料。以激光不停一直在切为高效率原则，可以通过双工位来实现5） 场地和物流（三维激光的布置图）堆垛工位1 堆垛工位26） 三维激光切割设备的配置（机器人，激光器，除尘设备等）子系统名称备注1光纤激光器德国IPG2机械手法国史陶比尔3切割头（含随动功能和执行机构）创科源4硬件控制系统创科源5离线编程软件MASTERCAM三维离线软件可读取UG,SOLIDWORK等三维作图软件导出的vda,igs,x_t,sldprt,prt,stp,ipt,par等格式的数模，修改后直接生成切割轨迹，代替人工示教，简单易用。6吊装卡具工装排烟等配套系统创科源7） 覆盖件的热变形和制件割制过程的回弹问题（切割曲线闭合）激光的热效应很小，对覆盖件的热变形可以忽略不计制件割制过程回弹问题的解决方案:A,模具工艺的问题B,切割工艺的问题C电磁铁的吸附工装D.帽式工装8） 胎具的热变形问题可以忽略不计9） 制件在胎具上的定位（每批制件的一致性，批与批制件的一致性）主要影响因素还是模具工艺引起的工件一致性问题，同一制件的定位精度可以保证在0.2MM内，完全满足钣金覆盖件行业要求10） 胎具在机床上的定位（从胎具的安装，二次切割胎具的定位方面考虑）A.胎具的定位孔具有统一编号，保证在机床上的可重复位置。B.通过机械手的坐标平移来实现微调C.通过在划线的标准工件上出红光走轨迹来验证。1-3汽车钣金行业的传统工艺汽车零部件的钣金覆盖件包含机盖、后盖箱、水箱架、保险杠、叶子板、车门，还有底盘件的元宝梁、控制臂、后桥等等，往往需要三维的切割，包括修边和冲孔等，传统工艺有开模冲压，等离子切割或五轴机床激光切割等。在模具的制作过程中，修边、冲孔工序一直是难点，特别是一些结构复杂的斜切、斜冲、斜翻等大型汽车模具。修边线的确定需反反复复摸索几次甚至十多次，给钳工、加工设备带来了极大的工作量，不但对钳工的技能水平提出了较高的要求，而且会严重地影响后工序模具的调试。且现实中有很多修边、冲孔模的切刃材质从成本上考虑采用了合金钢，如Cr12、Cr12MoV等，如果采用传统的修边模制作方法，就难免会对刃口进行多次堆焊，由于诸如上面的材料在进行多次堆焊的过程中，容易开裂而致使镶件报废，不得不重新补料再加工，这样，不但周期会被滞后，而且模具的制作成本也会大幅增加。而且在批量不大或是预制阶段，开发模具费用高，周期长，更改不灵活。等离子切割的方式，导致切口边缘不整齐，需要下一道工序来打磨，费时费工。小孔只能用手钻或冲床来加工，工作效率低下。而且手持离子设备对人体有一定的辐射，粉尘严重污染人体健康。具体工艺流程如下： 手持等离子设备切边工艺 人工冲孔工艺 打孔前的标记定位 手钻打孔 等离子切割后的修剪 等离子切割后的打磨 一些规模较大的生产厂家，率先引进了国外先进的五轴镭射切割机，大大改善了工艺效果，提高了生产效率。因为五轴机床目前基本上都是整机国外进口，价格极其昂贵，动辄三五百万以上的设备价位，对广大中小型生产厂家是一个难以普及的门槛。而且目前三四百万的中低端的五轴镭射切割机，选配的激光器基本上都是2KW的快轴流CO2激光器，需要充He,Ne,CO2等气体，充气费用在20元/小时左右，系统耗电在30KW左右，加上辅助切割的氧气费用和零星耗材，累计每小时的使用费用高达80元左右。包含冷却包含充气在内的系统占地面积高达数十平米。1-4采用机械手和光纤激光器能实现的新工艺：我公司根据前期大量的市场调研，结合汽车钣金覆盖件和底盘件的行业特点，现推出工业机器人光纤激光器的组合进行三维切割，彻底有效的解决了上述问题。工程案例 首先，用工业机器人代替五轴机床。两者都能进行空间轨迹的描述实现三维立体切割，工业机器人的重复定位精度比五轴机床稍低，约为100um，但这完全可以满足汽车钣金覆盖件和底盘件行业的精度要求了。而采用工业机器人大大降低了系统的成本造价，减少了耗电系统费用和系统运行维护费用，减少了系统的占地面积。其次，用光纤激光器代替CO2激光器。激光切割作为近年新兴的工艺手段，是把能量密度很高的激光束照射到待加工工件上，使局部受热熔化，然后利用高压气体吹去熔渣形成切缝，激光切割具有如下优势。1. 割缝窄，精度高，割缝粗糙度好，切割后无需后道工序的再处理。2. 激光加工系统本身是一套计算机系统，可以方便的编排、修改，适合个性化加工，特别是对一些轮廓形状复杂的钣金件，批次较多批量不大，产品生命周期不长，从技术，经济成本和时间角度来衡量，制造模具不划算，激光切割尤具优势。3. 激光加工的能量密度很大，作用时间短，热影响区小，热变形小，热应力小，加上激光为非机械接触加工，对工件没有机械应力作用，适合于精密加工。4. 激光的高能量密度足以熔化任何金属，特别适合于加工一些高硬度、高脆性、高熔点的其他工艺手段难以加工的材料。5. 加工成本低廉。设备的一次性投资较贵，但连续的、大量的加工最终使每个零件的加工成本降低下来。6. 激光为非接触加工，惯性小，加工速度快，配合数控系统的CAD/CAM的软件编程，省时方便，整体效率很高。7. 激光的自动化程度高，可以全封闭加工，无污染，噪声小，极大的改善了操作人员的工作环境。光纤激光技术是近几年高速发展的激光技术，相比传统激光，具有更好的切割质量，更低的系统造价，更长的使用寿命和更低的维护费用，更低的耗电。关键是光纤激光器的激光可以通过光纤传输，方便与工业机器人连接，实现柔性加工。早期的激光切割有采用CO2激光器，也有采用氙灯泵浦的YAG激光器，我公司的激光切割系统采用的是目前最为先进的第三代激光器光纤激光器，具有如下优势：1. 激光通过光纤传输到聚焦头，柔性连接的方式易于和生产线配套实现自动化工作。2. 光纤理想的光束质量，大大提高了切割质量和工作效率。3. 光纤激光器的极高的稳定性和超长的泵浦二极管寿命，决定了无须象传统的灯泵浦激光器那样需调整电流来适应氙灯老化问题，大大提高了生产的稳定性和产品的一致性。4. 光纤激光器光电转换效率高于25，系统耗电小，体积小，占地少。5. 结构紧凑，系统集成度高，故障少，简单易用，无须光学调整，低维护甚至零维护，真正做到了“落地出光”，加上抗冲击振动，抗灰尘，真正适合于工业加工领域的应用。 中功率的续掺镱光纤激光器 高功率的续掺镱光纤激光器 小巧的水冷系统其三，本系统唯一的缺陷，是只能加工金属工件，不能加工非金属工件。这是因为本系统采用的是光纤激光，其波长为1064NM，相对于波长为10640NM的CO2激光，不易为非金属工件所吸收的缘故。五轴机床CO2激光器工业机器人光纤激光器加工速度据工件材质、工件料厚和选配激光器功率大小而异据工件材质、工件料厚和选配激光器功率大小而异，如0.8mm厚碳钢用200W激光器，直线切割速度可达10米 /分钟系统价位4001000万100200万激光器维护费用充He、Ne、CO2等，合计30元/小时无需充气，寿命长达10万小时。系统耗电30KW左右6KW以内冷却方式水冷，体积庞大400W以下风冷，400W以上为水冷，体积小巧系统占地面积50100平米10平米以内辅助氧气费用据工件材质、工件料厚不同而异据工件材质、工件料厚不同而异，如2mm内碳钢，氧气用量约10元/小时离线编程软件可以可以重复定位精度50um100um加工范围金属和非金属金属总之，采用工业机器人光纤激光器的组合进行加工，修边冲孔等工艺一次完成，切口整齐无需后道工艺再处理，大大缩短了工艺流程，降低了人工成本和模具费用的投入，也提高了产品档次和产品附加值。选配我公司的离线编程软件，通过数模直接生成切割轨迹，抛弃了繁杂的人工示教，更加适合小批量多批次的维修市场、新品试制和非标定制等一些个性化的切割需求。而且，投资高柔性高效率的激光切割设备，来代替昂贵的冲压设备和剪裁设备，可以更加灵活的更换产品，把握市场。 切割小圆的效果图 小巧高效的光纤激光器 1-5新工艺能解决的问题引进新设备三维立体机器人激光切割机应用生产，至少能解决几个问题，一、 完全替代现有手持等离子切割和进口的国外五轴机床。二、 降低开模具费用，在产品没量产前代替部分模具（切边模、冲孔模）模具开发成本历来都是各个厂家头疼的问题，企业都会遇到一个共同的问题，当产品量产前，模具开发成本较高往往要数年时间才会收回模具开发成本，而三维立体机器人激光切割机能进行空间轨迹的描述实现三维立体切割，企业只需开了拉延模或成型模后，直接用三维立体机器人激光切割机切边冲孔，前期省去了开切边模和冲孔模的模具投入成本，而三维立体机器人激光切割机加工效果完全能等同于模具冲压效果，这可帮企业规避产品没量产前提前开模具所带来的模具投入成本压力和风险。三、 开模具时做试制件1-6激光三维切割的成本核实激光切割设备的消耗项目名称耗电量（KW/H）总功率(KVA)因子总耗电量消耗(元)电力消耗激光器5121270%=8.48.4度/小时8.41元/度 =8.4元/小时机械手3冷水机组4空压机0除尘设备0激光器气体消耗高纯氮气99.999%无激光器专用气体无2)、切割辅助气体消耗1. 切割碳钢板（以连续加工2mm碳钢板为例）：每小时耗气约1瓶氧气，每瓶氧气(压力14.5Mpa,纯度99.5%)约合15元，则每小时辅助气体消耗为： 15元/小时。2. 切割不锈钢板或铝合金板（以连续加工2mm不锈钢或铝合金板为例）：每小时耗气约4瓶氮气，每瓶纯氮（纯度99.99%；压力14.5Mpa）约合20元，则每小时辅助气体消耗大约为：80元/小时。说明：如果客户经常切割不锈钢强烈建议客户采用液氮，液氮（纯氮99.999%）讲重量买（中罐45号）125公斤，大概2.2元/公斤即275元，以1200Kpa的压力切割可以切6小时，275/6=45.83。液氮（纯氮99.999%）的使用价格大概是瓶装纯氮（99.999%）的0.6倍，而且省去了操作工经常换气的时间和瓶装余气过多产生的浪费。3)、其他易耗品3. 聚焦镜片：一年约1片，每片1500元，计7200小时工作时间，每小时消耗为：(1x1500)7200=0.21元/小时4. 保护镜片：一月约2片，每片60元，计600小时工作时间，每小时消耗为：(2x60)600=0.2元/小时5. 陶瓷环：无6. 切割嘴：每个60元，计300小时工作时间每小时消耗为：60300=0.20元/小时4）、设备运行成本合计:序号项 目切割碳钢板(2mm)切割不锈钢或铝合金板(2mm)瓶装氮气液氮1电力消耗8.4元/小时2激光器气体消耗03切割辅助气体消耗15元/小时80元/小时45.8元/小时4聚焦镜片消耗0.21元/小时5保护镜片消耗0.2元/小时6陶瓷环消耗0元/小时7切割嘴消耗0.2元/小时合 计24.01元/小时89.01元/小时54.81元/小时注：以上列表中的电价和气价以江苏地区价格为参考，各地区价格会有不同；1-7国内机器人加工行业传统做法和我公司三维切割系统优势功能的加入（MasterCam离线软件提高编程效率）国内机器人加工行业的传统工作方式为：人工示教轨迹点。编程时需人工通过机器人的示教盒控制机器人逐个位置轨迹点移动，到位后进行记录保存。此过程对于幅面较大的复杂加工工件编程时效率极低，通常需要该种工件的编程耗时为一天。严重影响到产品换产时的客户收益。编程时可使用MasterCam软件配合RobotMaster导入数模图，格式包括 igs、prt、step、Solidworks等常用CAD软件格式。通过RobotMaster软件可自动生成工件法线方向的切割轨迹，也可方便的使用鼠标调整机器人切割姿态。在正式加工前可在软件中进行产品生产的仿真切割，这样可在加工前期检测机器人在加工中是否会与工件发生碰撞、工件是否超出机器人加工范围等，减少无效的机器人操作过程，提高了产品加工效率。 可在编程时人为在软件中更改任何点的切割姿态 产品编程结束后，可现在软件中进行模拟切割生产1-8机器人切割系统第七轴的加入可以实现工件的大幅面加工或实现双工位上下料加入平面X轴平台，进一步增加整机系统的有效加工范围，X轴平台的驱动电机选用SEW智能伺服驱动系统，SEW电机的智能控制方式使整机系统操作起来更简单。当加工的工件超出机器人的行程时，通过我们设备的配套的离线软件可控制的SEW马达按照指定的方向旋转，可控制X轴平台沿轴向移动，增加可加工的幅面。 可在软件中设置X轴的移动行程1-9前期工程案例经过我公司前期工艺试验，对切割1MM镀锌板的工艺参数记录如下：激光器型号：YLR-500激光功率：500W,切割速度：10米/分钟,焦距：120mm，离焦量：-0.5mm,辅助气体：氧气0.5MP1-10主体需求说明根据贵公司要求，我公司提供激光器、切割头、机械手及控制柜，并负责的整个系统集成、安装、调试和工艺参数，以满足贵公司切割工件的需要1-11提供交钥匙工程为了保证系统的稳定可靠，同时也为了避免工作分工造成的责任推脱，我公司在生产线上采用交钥匙工程的方式，不仅由我公司提供产品，还包括夹具工装的设计制作，现场施工，特别是切割工艺的培训等等。一些必要的辅助工作需由厂商提供支持。1.满足贵方产品升级换代的需求，我方免费提供1年工艺技术支持。2.提供类似零部件等典型工件激光切割软件。3.提供满足技术要求的成熟的切割工艺规程（包括输出功率、扫描速度、光斑大小、等离子体去除方法、离焦量保护气种类、配比等参数以及调整方法等）4.典型实物试样检验第22页 共21页技术方案文档创科源激光品质服务解决方案2-1产品特点和参数指标系统耗电：8KW（根据选配激光器功率大小而异）零星耗材：0.5元/小时（包括高功率激光器水冷系统的滤芯、切割头气嘴和切割头保护镜片）吹气费用：15元/小时（以用纯氧辅助切割2MM内碳钢为例）性能指标:激光功率:200W/300W/400W/500W/1000（根据工件材质和料厚可选）激光波长:1064nm工作区域:半径2米的半球形工作区间（可以根据用户需求定做）切割速度:0-12米/分钟（根据功率大小和工件材质与厚度可调）供电电源:三相交流380V用电功率: 8KW（根据选配激光器功率大小而定）冷却方式:风冷/水冷（根据选配激光器功率大小而定）切割头焦距：5英寸（根据工件厚度可选）机械手重复定位精度：0.1mm机械手保护等级：IP65系统使用寿命：十万小时系统保修:2年系统选型：7. 根据工件大小选配不同臂长的机械手。在置顶安装的情况下，机械手为半球面的工作区域，考虑到用户的实际加工情况和后期产品升级空间，建议采用臂长2.05米的机械手，可达直径3米的半球形加工区域。8. 根据工件材质和厚薄选配不同功率级别的光纤激光器。金属的切割以碳钢、铝和不锈钢三种为代表，铝等为高反射材料，同样料厚情况下需选配更大功率的激光器，碳钢比较容易切割，典型参数为2MM内厚碳钢选用200W激光器。具体选型可接洽我公司工艺工程师。9. 根据工件厚薄选配不同焦距的切割头。6mm以下薄板切割可选用5英寸焦距切割头。4. 根据实际需要选配离线编程软件。2-2创科源三维切割系统的六大技术优势1.切割速度快，为同类产品的两倍。典型参数为0.8MM厚碳钢用200W激光器，直线切割速度可达10米 /分钟。2.切割精度高。系统重复定位精度高达100um，完全可满足汽车钣金覆盖件行业的需求。3.可切割直径小于10mm的小圆，切割效果圆滑美观，目测无形变和毛刺。单个小圆切割时间可控制在2秒内。4.选配臂长2.05米的机械手，除了实现直径达3米的半球形三维加工区域外，还可实现3米1.5米的二维平面切割。实现二三维切割的合二为一，在标准坯材上开料，结合我公司自行开发免费配送的二维软件，具有排料和路径优化等功能，真正适合钣金行业的初始投资。5. 根据实际需要选配离线编程软件，可读取UG,SOLIDWORK等三维作图软件导出的vda, igs, x_t, sldprt, prt, stp, ipt, par等格式的数模，修改后直接生成切割轨迹，代替人工示教，简单易用。6. 工业控制理念，模块化设计，全系统的防护等级为IP55,机械手防护等级更是高达IP65，系统集成度高，故障少，抗冲击振动，抗灰尘，无须光学调整或维护，真正适合于工业加工领域的应用。 系统配置: 子系统名称备注1光纤激光器德国IPG2机械手法国史陶比尔3切割头（含随动功能和执行机构）创科源4硬件控制系统创科源5离线编程软件MASTERCAM三维离线软件可读取UG,SOLIDWORK等三维作图软件导出的vda,igs,x_t,sldprt,prt,stp,ipt,par等格式的数模，修改后直接生成切割轨迹，代替人工示教，简单易用。6吊装卡具工装排烟等配套系统创科源机器人选型类型RX160L最大负载28 kg额定负载14kg工作行程2010mm自 由 度6可重复精度0.05mm工作范围轴1 180轴2+147.5/-130轴3145轴4270轴5+140/-115轴6270安装方式置地/置顶/壁挂重 量252kg功 率4KVA RX160L控制器及参数： CS8C n 尺寸：331x445x455 n 防护等级：IP20(可选IP54)n 通讯：以太网、RS232/422 n 输入输出：可选1或2块16/16数字输入输出，现场总线（Profibus,DeviceNet,CANopen/Modbus）n 重量：50kgn 电源：3x400V 2-3现场条件和要求： 场地：地基厚度大于20厘米水泥硬面, 占地面积4米3米（切割平台）；电力需求：要求有380V 的稳定的市网供电，电压波动范围在10%以内，可电负荷为10KW。具有可靠的保护接地线。气瓶及保护气体：2个气瓶，分别装满氧气（工业级）2-4安全及环境保护要求整机安全防护符合国家相关标准。安全及警示标识用中文语言标注。2-7设备验收标准：提供设备检验合格证并附带检测标准。预验收：在设备发货前，卖方安排买方在设备制造现场根据合同规定进行预验收及技术培训，预验收内容按照各项检验标准进行检测，合格后双方代表签字发货。终验收：设备最终验收在买方工厂进行，在整套设备重新联调完毕后再次对整套设备进行全方位验收，双方代表签字后视为正式交货。一致性检验：以连续切割无故障无次品为标准。3-1公司介绍二零零二年一月，创科源激光在北京注册成立，是一家由信息产业部控股的高科技企业，专业从事激光打标机、激光焊接机、激光切割机、激光打孔机等工业激光设备和医用激光设备的研发、生产和销售。公司大专以上学历的员工达到90%，和华北光电技术研究所、北方工业大学等多家科研院所建立了长期稳定的互动合作关系，为用户提供完善的激光加工解决方案和相应的配套设施，广泛应用在汽车配件、仪表仪器、量具刃具、电子通讯、航空航天、石油化工、军工产品、医药食品包装等各种行业之中。二零零七年十二月，创科源在无锡设立生产基地，迈出了向长三角市场扩张的第一步。同时在青岛、西安、贵阳、厦门、广州等城市设有办事处，为用户提供快捷专业的技术支持。 顺应信息产业发展潮流，秉承“品质服务解决方案”的企业理念，创科源目前已成长为一家颇具规模的激光设备系统集成商。在产品同质化竞争日益加剧的激光行业，凭借深厚的技术根基和敏锐的市场反应，做专做细，为行业用户提供激光加工系统解决方案，取得不俗业绩，如汽车行业柔性标签的蚀刻切割系统，大幅降低打印成本的智能卡激光蚀刻发卡系统等等。我们正在打造一支狼一般的团队，我们知道自己做不了老虎做不了狮子，但当我们专注在草原这一块细分市场上时，我们将是当之无愧的领袖。本着“感恩和敬畏”的客服理念，我们竭诚开展技术咨询和售后服务工作，所售产品十二个月内免费保修，终身提供维护服务，包括工艺试验、软件升级、人员培训、产品检修等。任何时候，您拨通我们的4007702600国内统一客服专线，我们的技术人员将为您提供专业的服务。 3-2资质证明 3-3备件备品编号货 物 名 称数 量备 注1随机工具1套随切割平台配送2激光专用防护眼镜4付随切割平台配送3切割嘴10个随切割平台配送4激光切割头保护镜5片随切割平台配送5聚焦镜片2片随切割平台配送6光学元件清洁纸和光学元件清洁用丙酮一套随切割平台配送3-4交货时间：交货日期自合同生效后90天设备到位开始安装调试。3-5配置分项报价： 配置: 子系统名称备注系统报价1500W光纤激光器德国IPG 145万22.05米臂长机械手法国史陶比尔RX160L3-6联系我们创科源激光北京公司：100043 北京石景山区八大处高科技园区实兴东街11号北楼502 TEL：01088792661/62/63/64 FAX：01088790040创科源激光无锡公司：214028 无锡新区新华路5号创新创意产业园B栋205TEL：051081001270/71/72 FAX：051081001279 朱正强 创科源激光无锡工厂 产品经理MOBILE: 13311392448214028 无锡新区长江南路1721号TEL：051081001271/72 FAX：051081001279EMAIL: ZQ.ZHUCKYLASER.COM HTTP: / 联系人：宋大勇 区域经理MOBILE:13455256555