專利名稱：大功率固體激光平面切割機的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種激光平面切割系統，屬于激光技術與機械加工領域。
背景技術：
近幾年來，激光產業發展很快，歐洲、美國和日本等先進國家都以每年15％～20％的速度增長，我國自1985年以來也以每年25％以上的速度在增長。激光在材料加工領域的應用越來越廣泛。而激光切割是應用最多的激光加工方法，可占整個激光加工業的70％以上。今后，隨著激光加工技術的不斷發展，激光切割將成為21世紀不可缺少的重要加工技術手段。
激光切割技術的應用領域相當廣泛，在航空航天、船舶、軍工、汽車制造、家電、電器開關、農用機械、紡織機械、工程機械、輕工機械、糧食機械、醫療器械、冶金設備、石油、裝飾裝修、以及其它各個機械制造行業都可使用激光切割技術。激光可以切割碳鋼、合金鋼、不銹鋼、鋁、鈦、有機玻璃、陶瓷、橡膠、塑料、石英玻璃等金屬及非金屬材料。
數控激光切割機相對于一般的切割機而言有很多優勢一、激光束的聚焦斑點小，使被切割材料的切縫窄，同時切割機與計算機控制系統結合，激光切割的精度更高。二、熱影響區小，因而熱變形小，切割速度快，切割效率高，激光切割機兩天的工作量相當于一般切割機一周的工作量。三、切縫邊緣垂直度好，切邊光滑，切邊處無機械應力，無剪邊切毛刺。四、無刀具磨損，也不須更換刀具，只須調整工藝參數。成本低，不需要后期的模具投資。五、在切割過程中沒有噪音污染。六、可切割其他熱切割方法所不能切割的非金屬材料、合成材料、纖維織物。所以現在有很多中小型企業都選擇激光切割機。
常用的激光切割機有四種，運動型小功率CO2激光切割機，光纖傳輸的固體激光切割機，光路飛行式大功率CO2激光切割機，光路飛行式固體激光切割機。其中光路飛行式固體激光切割機，在切割過程中工件保持不動，通過移動激光器來實現激光切割，這種結構的特點是運動部件的慣量小，能得到較高的移動速度，且跟蹤精度好，速度快，在加工大尺寸、大厚度(重量)的零件時，具有精度高、生產率高的明顯優勢。同時與同等加工范圍的其它機床相比，該機床占地面積最小。另外激光器的高功率決定了切割的最大厚度較大，但由于光束飛行導致激光切割頭和被切割薄板之間的距離會隨著發生些許變化，同時薄板不平也會導致它們之間的距離發生變化，因此加工精度會下降。
實用新型內容本實用新型的目的是為了克服現有光路飛行式固體激光切割機存在的缺陷，實現不平金屬板材的二維切割。從而提出了一種實用新型大功率固體激光平面切割機，設計了隨動系統，以保證不平板材的切割質量。
本實用新型數控精密激光切割機是由激光切割機外光路系統7、水冷柜3、控制柜2(內有繼電器、磁浮器等)、數控系統1、工作臺4(機床、傳動鏈5、6)、激光切割頭8、隨動系統等組成。
其中激光切割機外光路系統7包括NdYAG雙燈泵浦固體激光器10及激光光閘及指示光源反射鏡15、指示激光9，反射鏡12，聚焦透鏡13，擴束系統11，微調螺絲14組成。如圖一所示。反射鏡12可以通過附加的螺絲14進行微小的位置調整，聚焦透鏡13被裝置在切割頭內。
另外，隨動系統包括數控系統1，激光切割頭8，傳感器16，電壓比較卡17，前置放大器18，伺服控制卡19，伺服電機20，被切割薄板21，其中傳感器16的功能是傳輸電信號，反應其與被切割薄板21之間的電壓大小，電壓比較卡17用來比較數控系統1提供的參考電流與傳感器16傳輸的電流的大小，產生一個電壓差，前置放大器18放大電壓比較卡17產生的電壓，再把這個電壓傳輸給伺服控制卡19，伺服控制卡19根據接受到的電壓大小來控制伺服電機20的運動，伺服電機20帶動激光切割頭8運動。
本實用新型的工作原理為整機采用飛行光路設計，即激光切割機外光路系統7架設在由傳動鏈5，6帶動的架子上，在工作時，工作臺固定，被切割薄板平放在工作臺上，即被切割薄板保持固定不變，切割頭8由微機控制的兩個交流伺服步進電機驅動在X、Y軸上運動，根據控制程序做出各種圖形，對工件進行切割。整個系統的進程如下(如圖4所示)數控系統通過A/D卡和D/A卡來控制激光電源的開關，即控制激光的開和關。然后通過I/O卡來控制光閘驅動元件、指示光源(可見光源)和氣體驅動元件，從而來控制光閘的開合，指示光源和輔助氣體的啟動，最后通過運動控制卡來X、Y、Z方向的伺服驅動單元，從而控制驅動電機，使激光切割頭能夠進行二維切割。同時配備的高度調節隨動系統可以保證在切割過程中激光切割頭和被切割薄板之間的距離保持不變，從而保證激光切割的質量。如圖3所示，隨動系統的工作原理如下在數控系統1中指定一個控制電流，來控制工作臺上的電機，電機帶動激光切割頭8運動，使激光切割頭8和被切割薄板21之間有一定的距離，連接在激光切割頭8上的傳感器16與薄板21因為都是金屬，因此它們之間有電容場，從而產生電壓，因而連接在激光切割頭8上的傳感器16產生一個微電流，傳輸到電壓比較卡17上，與數控系統1提供的一個參考電流進行比較。當激光切割頭8與被切割薄板21之間距離為系統設定的距離時，傳感器16傳輸的電流與參考電流相等，則電壓差值為零，電機不產生動作。當激光切割頭8與被切割薄板21之間距離發生變化(例如薄板不平)，則兩者之間的電容場發生變化，從而帶動兩者之間的電壓發生變化，同樣傳感器16傳輸的微電流也隨之變化，則它與參考電流將有一個差值，反應到電壓比較卡上就是產成一個電壓差。這個差值通過前置放大器18放大后傳輸到伺服控制卡19，繼而伺服控制卡19來帶動電機20動作，從而調整激光切割頭8與被切割薄板21的距離，在電機20動作的同時，傳感器16又傳輸一個微電流給電電壓比較卡17，周而復始，直到激光切割頭8與被切割薄板21之間的距離符合切割要求，即傳感器16所傳輸的電流與數控系統1指定的參考電流相等時，電機才不再動作。隨動系統的隨時自動調整，能保證不平板材的切割質量。
本實用新型大功率固體激光平面切割機性能穩定，切割質量好，工藝先進，自動化程度高，操作簡單方便，結構緊湊，體積小，成本低。在相同功率的條件下，切口質量好，這是由于系統帶有隨動系統能隨時自動檢測及調整激光切割頭與切割板之間距離，使之切口均勻。因此該切割機的切割質量較好。
圖1表示激光器及外光路系統；其中，9為指示激光，10為500W Nd:YAG激光器，11為擴束系統，12為反射鏡，13為聚焦透鏡，14為微調螺絲，15為激光光閘及指示光源反射鏡；圖2表示激光平面切割系統的全圖；其中，1為數控系統，2為控制柜，3為水冷柜，4為工作臺，5為縱向傳動鏈，6為橫向傳動鏈，7為激光切割機外光路系統，8為激光切割頭；圖3表示激光平面切割機中隨動系統的各部件和它們的連接關系；其中，16為傳感器，17為電壓比較卡，18為前置放大器，19為伺服控制卡，20為伺服電機，21為被切割薄板；圖4表示整個激光平面切割的控制流程圖。
具體實施方式
申請人已研制出了一臺L-500-2D型數控精密激光平面切割機，該切割機采用的激光器是500WNd:YAG激光器，激光波長1064nm，最大功率(連續)為500W，激光光束質量為20mm·mrad左右，焦深較長。該切割機的加工范圍是1200×2500mm2，XY軸最大定位速度10m/min，最大切割速度6m/min，XY軸重復定位精度為±0.05mm。輔有切割輔助氣體等。工作臺采用頂針式工作臺，交流伺服電機驅動，機床具有動態穩定性，在高速運動的情況下也無明顯震動。激光切割頭裝有隨動系統，隨動系統中的傳感器采用電壓傳感器，保持激光切割頭與工件表面的距離基本恒定，從而保證不平板材切割質量。切割機配有工業控制計算機及全中文界面自動編譯軟件、切割軟件、輔助繪圖軟件，可以根據客戶的需求切割出任意圖形的工件。該切割機能打孔并切割3.0mm(包含)以下的不銹鋼及6.0mm(包含)以下的碳鋼板等。在切割過程中，工件保持靜止，無需夾具。
為保證切割加工各種形狀板材時的加工質量，還可以采用了具有多軸直線插補、圓弧插補、輪廓控制、電子齒輪等功能的運動控制卡。該控制卡采用32bit最新DSP技術、融合了最新的控制理論，可實現消除沖擊的運動平滑處理，直線/圓弧插補含有橢圓縮放、拐角減速過渡、無限線段進給、進給率控制，兩軸聯動軸可同時執行(多任務)，各軸原點返回，正、負向限位功能，各軸高速位置捕獲和位置比較。
權利要求1.大功率固體激光平面切割機，包括依次連接的數控系統(1)、內含繼電器和磁浮器的控制柜(2)、水冷柜(3)、工作臺(4)，設置在工作臺(4)上的激光切割機外光路系統(7)、與外光路系統(7)相連的激光切割頭(8)，其中工作臺(4)由機床和縱向傳動鏈(5)、橫向傳動鏈(6)組成，其特征在于在切割機上設置隨動系統，所述的隨動系統由激光切割頭(8)、設置在激光切割頭(8)上的傳感器(16)、以及電壓比較卡(17)，前置放大器(18)，伺服控制卡(19)，伺服電機(20)組成；其中，傳感器(16)將電信號傳輸到電壓比較卡(17)，反應其與激光切割頭(8)下方的被切割薄板(21)之間的電壓大小，電壓比較卡(17)用來比較數控系統(1)提供的參考電流與傳感器(16)傳輸的電流的大小，產生一個電壓差并輸入到前置放大器(18)，前置放大器(18)放大電壓比較卡(17)產生的電壓，把這個電壓傳輸給伺服控制卡(19)，伺服控制卡(19)根據接受到的電壓大小來控制伺服電機(20)的運動，伺服電機(20)帶動激光切割頭(8)運動。
2.根據權利要求1所述的大功率固體激光平面切割機，其特征在于所述的激光切割機外光路系統(7)包括Nd:YAG雙燈泵浦固體激光器(10)、及激光光閘指示光源反射鏡(15)、指示激光(9)、擴束系統(11)、反射鏡(12)、裝置在激光切割頭(8)內的聚焦透鏡(13)；其中，指示光源反射鏡(15)上設置有與其連在一起的用來阻斷工作激光的激光光閘，反射鏡(15)讓用來定位切割的具體位置的指示激光(9)進入擴束系統(11)，擴束系統(11)對激光進行擴束，改變激光的焦深和束腰半徑，用來改變激光的方向使之由平行照射變為垂直照射的反射鏡(12)設置在擴束系統(11)之后，然后由聚焦透鏡(13)對激光進行聚焦，以取得合適的聚焦點和束腰半徑，用來微小調整反射鏡(12)的微調螺絲(14)附加在聚焦透鏡(13)上。
3.根據權利要求1所述的大功率固體激光平面切割機，其特征在于所述的數控系統(1)的輸出端分別連接D/A卡、I/O卡、伺服控制卡、電壓比較卡(17)，輸入端與A/D卡相連，數控系統(1)通過D/A卡、A/D卡與激光電源控制器相連用來控制激光電源的開關；數控系統(1)通過I/O卡來控制光閘驅動元件、指示光源和氣體驅動元件，從而來控制光閘的開合、指示光源和輔助氣體的啟動，最后通過隨動系統中的伺服控制卡來控制伺服驅動單元，從而控制驅動電機，使激光切割頭能夠進行二維切割。
專利摘要本實用新型涉及一種激光平面切割系統，屬于激光技術與機械加工領域。包括數控系統(1)、控制柜(2)、水冷柜(3)、工作臺(4)，特征在于在切割機上設置隨動系統，隨動系統由激光切割頭、傳感器(16)、以及電壓比較卡(17)，前置放大器(18)，伺服控制卡(19)，伺服電機(20)組成；其中，傳感器將電信號傳輸到電壓比較卡，反應其與激光切割頭下方的被切割薄板之間的電壓大小，電壓比較卡用來比較數控系統提供的參考電流與傳感器(16)傳輸的電流的大小，產生一個電壓差并輸入到前置放大器(18)，前置放大器再把這個電壓傳輸給伺服控制卡，伺服電機帶動激光切割頭運動。本實用新型在相同功率的條件下，切口質量好。
文檔編號B23K26/04GK2860712SQ20052011485
公開日2007年1月24日 申請日期2005年7月27日 優先權日2005年7月27日
發明者李強, 于海舒, 樂贏盛 申請人:北京工業大學