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智能制造背景下的激光切割頭 自動控制成新趨勢

2018-07-09   來源：   評論：0
摘要：激光切割技術(shù)具有加工可控、高效率、高質(zhì)量的特點(diǎn)，在工業(yè)加工上有著非常廣闊的應(yīng)用，如汽車工業(yè)、紡織機(jī)械、鈑金加工等。
　　激光切割技術(shù)具有加工可控、高效率、高質(zhì)量的特點(diǎn)，在工業(yè)加工上有著非常廣闊的應(yīng)用，如汽車工業(yè)、紡織機(jī)械、鈑金加工等。激光切割可分為激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧氣切割和激光劃片與控制斷裂四類。由于我國的激光技術(shù)起步較晚，切割核心技術(shù)依賴于進(jìn)口，這導(dǎo)致了國內(nèi)在高端激光切割上的緩慢發(fā)展。
　　但是，近年來，隨著“中國制造2025”的推動，激光切割技術(shù)也面臨著變革和機(jī)遇。變革意味著激光企業(yè)不僅要加大切割技術(shù)的投入，還要順應(yīng)工業(yè)自動化的潮流，讓激光切割更加的個(gè)性化；同時(shí)，激光企業(yè)也將迎來更大的機(jī)遇，激光切割技術(shù)在提高工業(yè)加工效率上有著不可替代的優(yōu)勢，工控技術(shù)的發(fā)展給激光行業(yè)帶來更多的可能，切割技術(shù)未來將會拓展到更多的領(lǐng)域，對促進(jìn)行業(yè)的發(fā)展功不可沒。
　　據(jù)業(yè)內(nèi)人士表示，未來激光切割將向著這些方向發(fā)展，高速、高精度的切割技術(shù)、厚板切割和大尺寸工件切割、三維立體多軸數(shù)控激光切割技術(shù)、無人化與自動化的激光切割技術(shù)成主要的研究方向。
　　激光切割頭在激光切割中扮演著至關(guān)重要的角色
　　激光切割機(jī)是體現(xiàn)激光切割技術(shù)最直接的設(shè)備，它是將從激光器發(fā)射出的激光，經(jīng)光路系統(tǒng)，聚焦成高功率密度的激光束。激光束照射到工件表面，使工件達(dá)到熔點(diǎn)或沸點(diǎn)，同時(shí)與光束同軸的高壓氣體將熔化或氣化金屬吹走。隨著光束與工件相對位置的移動，最終使材料形成切縫，從而達(dá)到切割的目的。
　　激光切割機(jī)作為一種新興的板材加工設(shè)備，經(jīng)過不斷的技術(shù)更新和工藝發(fā)展，激光切割工藝及激光切割機(jī)設(shè)備，正被廣大板材加工企業(yè)所熟悉和接受，并以其加工效率高、加工精度高、切割斷面質(zhì)量好、可進(jìn)行三維切割加工等諸多優(yōu)勢逐步取代等離子切割、水切割、火焰切割、數(shù)控沖床等傳統(tǒng)板材加工手段。根據(jù)激光發(fā)生器的不同，目前市面上激光切割機(jī)大致可分為三種：CO2激光切割機(jī)、固體（YAG）激光切割機(jī)、光纖激光切割機(jī)。
　　噴嘴、聚焦透鏡和聚焦跟蹤系統(tǒng)的好壞關(guān)系著切割質(zhì)量
　　在激光切割機(jī)的幾項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)中，激光切割頭的好壞直接影響到切割的質(zhì)量，常見的激光切割機(jī)切割頭由噴嘴、聚焦透鏡和聚焦跟蹤系統(tǒng)組成。
　　
　　（奧森迪科A200M-QBH切割頭）
　　1、激光頭噴嘴在激光切割中的作用
　　激光頭噴嘴是光纖激光切割機(jī)床上最常用的易耗件，隨著光纖激光切割技術(shù)的發(fā)展和廣泛運(yùn)用，這幾年激光頭噴嘴的需求大增。噴嘴的形式主要有平行式、收斂式和錐形式三種，切割質(zhì)量與噴嘴的形式和噴頭尺寸有著密不可分的關(guān)系。
　　第一個(gè)作用是收集電容信號，通過陶瓷環(huán)將其傳送到信號處理器，信號處理器發(fā)出信號到機(jī)床控制中心，機(jī)床控制中心依據(jù)該信號做出反饋，調(diào)整激光頭垂直方向的位置，從而保持切割過程中激光頭對工件的距離跟蹤；
　　第二個(gè)作用是用其內(nèi)部形狀，引導(dǎo)氣體順利通過被切割工件，并在噴嘴出口附件形成高壓。噴嘴出口孔徑越小，形成的氣壓越高。如果是氧化切割，高壓氧氣在通過噴嘴后，在工作面上一部分通過同被切割件發(fā)生氧化反應(yīng)提供熱量，加速切割；另一部分就高速通過切割面，帶走熔渣并在切割面保持適當(dāng)?shù)膲毫Γ_保切割順利進(jìn)行。
　　第三個(gè)作用是保護(hù)激光頭內(nèi)部鏡片。激光切割過程中，尤其是打孔時(shí)，常常有溶渣濺射，激光頭噴嘴吹出的高壓氣體能將絕大部分的濺射物擋在外面，保護(hù)鏡片免受傷害。
　　2、聚焦透鏡與激光切割關(guān)系
　　聚焦透鏡具有普通光學(xué)透鏡的一般特性但又有其獨(dú)特之處。利用它可以制成超短焦距的透鏡，也可以在端面上形成實(shí)象，容易獲得與物體同樣大小的正立實(shí)象。
　　利用激光束的能量進(jìn)行切割, 必須把激光器射出的原始光束經(jīng)過透鏡聚焦, 才能形成高能量密度的光斑。透射式透鏡使用非常簡單，激光束穿過該透鏡時(shí)，透鏡把激光束沿軸向聚焦到工件上。在常見的工業(yè)激光系統(tǒng)中，噴嘴都含有氣體洗滌的功能，也就是在噴嘴處引入氣體噴流,以幫助提高激光束和材料相互作用的性能，同時(shí)高速氣流還起著與光學(xué)系統(tǒng)隔離的作用。氣體噴流防止材料加工污染物進(jìn)入噴嘴而污染透鏡表面。反射式聚焦系統(tǒng)用了另加的光束折向器和后聚焦反射鏡。在此條件中，有兩個(gè)額外光學(xué)系統(tǒng)，即硒化鋅窗和光束折向器，窗口的作用是使在噴嘴上面封離聚焦系統(tǒng)。
　　透射式聚焦頭有兩個(gè)主要優(yōu)點(diǎn)，即光束易于調(diào)整和允許光束有偏心之類的小偏差，即允許光束偏心或角度偏離地射入透鏡。反射式透鏡頭適用于高功率水平的場合，對大功率激光系統(tǒng)的應(yīng)用很理想，產(chǎn)生的熱透鏡效應(yīng)少，在苛刻的焊接環(huán)境下很耐用。理論上，拋物反射鏡應(yīng)把激光束聚焦到光束的衍射極限。衍射極限是對特定激光束直徑和模式質(zhì)量所能達(dá)到的最小焦斑。拋物面反射鏡是最難調(diào)整的反射鏡系統(tǒng)之一，因此，在高功率激光系統(tǒng)中，通常很難達(dá)到衍射極限的聚焦。對焊接來說，并非總是要求使用小光斑，因此，在此種應(yīng)用中反射鏡很合適。
　　近幾年，市場對大功率激光器的需求上升，傳統(tǒng)透鏡焦深和焦斑存在制約關(guān)系，增加焦深必然引起焦斑尺寸的擴(kuò)大，在很多情況下無法滿足激光加工的要求，長焦深、高分辨的聚焦透鏡成為了新的市場需求。
　　聚焦透鏡的焦距和焦點(diǎn)位置都對激光切割質(zhì)量有影響，高速切割薄型材料適合選用短焦長透鏡，切割厚工件適合選用長焦長透鏡。
　　3、聚焦跟蹤系統(tǒng)在激光切割中的角色
　　激光切割機(jī)聚焦跟蹤系統(tǒng)一般是由聚焦切割頭和跟蹤傳感器系統(tǒng)組成。切割頭包括導(dǎo)光聚焦、水冷、吹氣以及機(jī)械調(diào)整部分組成; 傳感器是由傳感元件和放大控制部分組成。傳感元件的不同，跟蹤系統(tǒng)也不同。
　　目前，主要有兩種形式的跟蹤系統(tǒng)，第一種是電容式傳感器跟蹤系統(tǒng), 又被稱為非接觸式跟蹤系統(tǒng)；第二種是電感式傳感器跟蹤系統(tǒng), 又被稱為接觸式跟蹤系統(tǒng)。
　　激光頭的工作流程是這樣的，激光器產(chǎn)生激光，通過外光路傳輸，在切割頭內(nèi)經(jīng)聚焦鏡聚焦后，作用于被加工材料表面，將材料氣化或者在切割氣體（主要是氧化）輔助下形成熔池。切割輔助氣體經(jīng)過切割頭（含噴嘴）導(dǎo)流后產(chǎn)生一個(gè)強(qiáng)有力的氣流吹掉產(chǎn)生的熔渣，同時(shí)防止材料氣化附著在聚焦鏡的表面使其損壞，防止產(chǎn)生等離子體或者等離子體和氣體的混合體。
　　智能制造時(shí)代新要求：自動調(diào)焦切割頭受追捧
　　智能制造技術(shù)是工業(yè)自動化必須去研究的課題，就目前而言，市場上真正做到的并不多。以自動調(diào)焦切割頭為例，國內(nèi)以奧森迪科為主的激光切割頭廠商已經(jīng)有能力做到。
　　
　?。▕W森迪科A310M切割頭）
　　焦點(diǎn)控制指的是激光切割機(jī)在切割不同材料以及不同厚度的板材時(shí)，為了達(dá)到更好的切割效果，激光束的焦點(diǎn)都會設(shè)置在不同的地方，即稱為我們所說的調(diào)焦。隨著工控技術(shù)的突破，能進(jìn)行自動調(diào)焦切割頭在激光切割自動化中不可或缺。
　　在激光切割應(yīng)用早起，調(diào)焦的主要方式是依靠手動來進(jìn)行完成，如今隨著激光技術(shù)的發(fā)展，這種手動調(diào)焦的方式已經(jīng)逐漸淘汰，自動調(diào)焦功能已經(jīng)開始慢慢得以實(shí)現(xiàn)。
　　激光切割頭底部為噴嘴，在切割過程中，噴嘴高度不變，所以不能通過升降切割頭來調(diào)焦。聚焦鏡的焦距是不可改變的，所以也不能指望通過改變焦距來調(diào)焦。如果改變聚焦鏡的位置，則可改變焦點(diǎn)位置：聚焦鏡下降，則焦點(diǎn)下降，聚焦鏡上升，則焦點(diǎn)上升，這是調(diào)焦的一種方式。采用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動聚焦鏡作上下運(yùn)動，可以實(shí)現(xiàn)自動調(diào)焦。
　　另一種自動調(diào)焦的方法是在光束進(jìn)入聚焦鏡之前，置一變曲率反射鏡，通過改變反射鏡的曲率，改變反射光束的發(fā)散角度，從而改變焦點(diǎn)位置。
　　有了自動調(diào)焦功能，在加工不同材質(zhì)、不同厚度的工件時(shí)，機(jī)器可自動將焦點(diǎn)快速調(diào)整到最合適的位置，這樣可以顯著提高激光切割機(jī)的加工效率，厚板穿孔時(shí)間也會大幅縮減。所以，對于激光切割機(jī)而言，自動調(diào)焦功能是一項(xiàng)重要并不可缺少的功能。
　　
　　（奧森迪科A200E-QBH切割頭）
　　
　?。▕W森迪科A320E切割頭）
　　自動化切割頭這幾年在國內(nèi)的使用率越來越高，但之前由于價(jià)格較高，很多國內(nèi)廠商在采購時(shí)對此猶豫不決。隨著國內(nèi)廠商在自動化切割技術(shù)上的投入，以奧森迪科等為主的國內(nèi)廠商在自動化切割頭技術(shù)上取得了很多突破。
　　自動化切割頭與數(shù)控系統(tǒng)的結(jié)合，讓激光切割更加“智能”
　　自動調(diào)焦切割頭的出現(xiàn)讓激光切割技術(shù)更進(jìn)一步，在推動激光切割自動化上，它扮演者不可或缺的角色，而擁有與之配套的數(shù)控系統(tǒng)則讓激光切割更加“智能”。
　　自動調(diào)焦切割頭的主要優(yōu)勢在于通過數(shù)控系統(tǒng)，動態(tài)調(diào)節(jié)焦點(diǎn)位置、氣壓大小和跟隨高度，從而實(shí)現(xiàn)切割工藝的自動化調(diào)節(jié)；這樣既實(shí)現(xiàn)了普通手動切割頭無法完成的工藝要求，又可將復(fù)雜工藝過程固化到數(shù)控系統(tǒng)中。
　　激光切割數(shù)控系統(tǒng)與自動調(diào)焦切割頭以及激光器等其他智能設(shè)備的緊密配合，才能使激光切割加工變得“智能”。
　　作為國內(nèi)專業(yè)從事激光切割聚焦系統(tǒng)、機(jī)床運(yùn)動控制系統(tǒng)和設(shè)備物聯(lián)網(wǎng)研發(fā)與制造的科技型企業(yè)，奧森迪科憑借在機(jī)械設(shè)計(jì)、自動化控制和工程光學(xué)方面多年的研究與技術(shù)積累，推出“激光切割+多軸運(yùn)動控制系統(tǒng)+設(shè)備管理云平臺”三位一體的激光切割應(yīng)用解決方案，使生產(chǎn)制造真正實(shí)現(xiàn)智能化，效率更高、成本更低、功能更全，是客戶追求核心競爭力和利益最大化的最佳選擇。
　　
　　據(jù)悉，奧森迪科的激光切割應(yīng)用解決方案分為A-cutter系列光纖切割頭、激光切割數(shù)控系統(tǒng)、Au3tech數(shù)控云平臺三部分組成。
　　奧森迪科助力激光切割自動化
　　2018年對于激光產(chǎn)業(yè)而言，可謂是快速增長的一年。據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，隨著我國激光應(yīng)用領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展以及應(yīng)用深度的加大，未來行業(yè)需求前景看好，預(yù)計(jì)行業(yè)規(guī)模復(fù)合增速在10%以上。新的應(yīng)用場景對激光切割技術(shù)的要求更高，這要求激光切割機(jī)廠商提升自身技術(shù)，順應(yīng)新的市場潮流，搶占新的商機(jī)，運(yùn)用激光切割自動化的技術(shù)已經(jīng)刻不容緩。
　　據(jù)悉，武漢奧森迪科智能科技股份有限公司是一家專業(yè)從事工業(yè)激光聚焦系統(tǒng)及自動化控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)、開發(fā)、銷售的高新技術(shù)企業(yè)，成立于2011年。公司以工業(yè)激光聚焦系統(tǒng)為業(yè)務(wù)重點(diǎn)，融合機(jī)械設(shè)計(jì)、自動化控制和工程光學(xué)三大技術(shù)領(lǐng)域。
　　激光切割面臨的機(jī)遇與挑戰(zhàn)
　　總結(jié)：任何一項(xiàng)技術(shù)的普及都需要一個(gè)過程，隨著中國對激光加工的需求增長，激光切割技術(shù)的自動化更加顯得重要。激光切割頭在激光切割技術(shù)中扮演著至關(guān)重要的角色，而高質(zhì)量的自動調(diào)焦切割頭技術(shù)無疑是推動這個(gè)行業(yè)的加速劑，未來它將在促使激光切割技術(shù)自動化上扮演著中流砥柱的作用。
　　近幾年，隨著國家的重視以及企業(yè)對核心技術(shù)的投入等，國內(nèi)在尖端激光切割技術(shù)上也取得了一些成績，如激光切割頭技術(shù)，這些進(jìn)步離不開企業(yè)自身的努力。當(dāng)然，我們也得清晰地認(rèn)識到，在激光切割核心技術(shù)上，我們離國際頂尖水平仍有差距，技術(shù)研發(fā)上還有很長的路要走，但相信在不久的將來，我們在技術(shù)上將更加有底氣。
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