专利名称：大功率固体激光平面切割机的制作方法
技术领域：
本实用新型涉及一种激光平面切割系统，属于激光技术与机械加工领域。
背景技术：
近几年来，激光产业发展很快，欧洲、美国和日本等先进国家都以每年15％～20％的速度增长，我国自1985年以来也以每年25％以上的速度在增长。激光在材料加工领域的应用越来越广泛。而激光切割是应用最多的激光加工方法，可占整个激光加工业的70％以上。今后，随着激光加工技术的不断发展，激光切割将成为21世纪不可缺少的重要加工技术手段。
激光切割技术的应用领域相当广泛，在航空航天、船舶、军工、汽车制造、家电、电器开关、农用机械、纺织机械、工程机械、轻工机械、粮食机械、医疗器械、冶金设备、石油、装饰装修、以及其它各个机械制造行业都可使用激光切割技术。激光可以切割碳钢、合金钢、不锈钢、铝、钛、有机玻璃、陶瓷、橡胶、塑料、石英玻璃等金属及非金属材料。
数控激光切割机相对于一般的切割机而言有很多优势一、激光束的聚焦斑点小，使被切割材料的切缝窄，同时切割机与计算机控制系统结合，激光切割的精度更高。二、热影响区小，因而热变形小，切割速度快，切割效率高，激光切割机两天的工作量相当于一般切割机一周的工作量。三、切缝边缘垂直度好，切边光滑，切边处无机械应力，无剪边切毛刺。四、无刀具磨损，也不须更换刀具，只须调整工艺参数。成本低，不需要后期的模具投资。五、在切割过程中没有噪音污染。六、可切割其他热切割方法所不能切割的非金属材料、合成材料、纤维织物。所以现在有很多中小型企业都选择激光切割机。
常用的激光切割机有四种，运动型小功率CO2激光切割机，光纤传输的固体激光切割机，光路飞行式大功率CO2激光切割机，光路飞行式固体激光切割机。其中光路飞行式固体激光切割机，在切割过程中工件保持不动，通过移动激光器来实现激光切割，这种结构的特点是运动部件的惯量小，能得到较高的移动速度，且跟踪精度好，速度快，在加工大尺寸、大厚度(重量)的零件时，具有精度高、生产率高的明显优势。同时与同等加工范围的其它机床相比，该机床占地面积最小。另外激光器的高功率决定了切割的最大厚度较大，但由于光束飞行导致激光切割头和被切割薄板之间的距离会随着发生些许变化，同时薄板不平也会导致它们之间的距离发生变化，因此加工精度会下降。
实用新型内容本实用新型的目的是为了克服现有光路飞行式固体激光切割机存在的缺陷，实现不平金属板材的二维切割。从而提出了一种实用新型大功率固体激光平面切割机，设计了随动系统，以保证不平板材的切割质量。
本实用新型数控精密激光切割机是由激光切割机外光路系统7、水冷柜3、控制柜2(内有继电器、磁浮器等)、数控系统1、工作台4(机床、传动链5、6)、激光切割头8、随动系统等组成。
其中激光切割机外光路系统7包括NdYAG双灯泵浦固体激光器10及激光光闸及指示光源反射镜15、指示激光9，反射镜12，聚焦透镜13，扩束系统11，微调螺丝14组成。如图一所示。反射镜12可以通过附加的螺丝14进行微小的位置调整，聚焦透镜13被装置在切割头内。
另外，随动系统包括数控系统1，激光切割头8，传感器16，电压比较卡17，前置放大器18，伺服控制卡19，伺服电机20，被切割薄板21，其中传感器16的功能是传输电信号，反应其与被切割薄板21之间的电压大小，电压比较卡17用来比较数控系统1提供的参考电流与传感器16传输的电流的大小，产生一个电压差，前置放大器18放大电压比较卡17产生的电压，再把这个电压传输给伺服控制卡19，伺服控制卡19根据接受到的电压大小来控制伺服电机20的运动，伺服电机20带动激光切割头8运动。
本实用新型的工作原理为整机采用飞行光路设计，即激光切割机外光路系统7架设在由传动链5，6带动的架子上，在工作时，工作台固定，被切割薄板平放在工作台上，即被切割薄板保持固定不变，切割头8由微机控制的两个交流伺服步进电机驱动在X、Y轴上运动，根据控制程序做出各种图形，对工件进行切割。整个系统的进程如下(如图4所示)数控系统通过A/D卡和D/A卡来控制激光电源的开关，即控制激光的开和关。然后通过I/O卡来控制光闸驱动元件、指示光源(可见光源)和气体驱动元件，从而来控制光闸的开合，指示光源和辅助气体的启动，最后通过运动控制卡来X、Y、Z方向的伺服驱动单元，从而控制驱动电机，使激光切割头能够进行二维切割。同时配备的高度调节随动系统可以保证在切割过程中激光切割头和被切割薄板之间的距离保持不变，从而保证激光切割的质量。如图3所示，随动系统的工作原理如下在数控系统1中指定一个控制电流，来控制工作台上的电机，电机带动激光切割头8运动，使激光切割头8和被切割薄板21之间有一定的距离，连接在激光切割头8上的传感器16与薄板21因为都是金属，因此它们之间有电容场，从而产生电压，因而连接在激光切割头8上的传感器16产生一个微电流，传输到电压比较卡17上，与数控系统1提供的一个参考电流进行比较。当激光切割头8与被切割薄板21之间距离为系统设定的距离时，传感器16传输的电流与参考电流相等，则电压差值为零，电机不产生动作。当激光切割头8与被切割薄板21之间距离发生变化(例如薄板不平)，则两者之间的电容场发生变化，从而带动两者之间的电压发生变化，同样传感器16传输的微电流也随之变化，则它与参考电流将有一个差值，反应到电压比较卡上就是产成一个电压差。这个差值通过前置放大器18放大后传输到伺服控制卡19，继而伺服控制卡19来带动电机20动作，从而调整激光切割头8与被切割薄板21的距离，在电机20动作的同时，传感器16又传输一个微电流给电电压比较卡17，周而复始，直到激光切割头8与被切割薄板21之间的距离符合切割要求，即传感器16所传输的电流与数控系统1指定的参考电流相等时，电机才不再动作。随动系统的随时自动调整，能保证不平板材的切割质量。
本实用新型大功率固体激光平面切割机性能稳定，切割质量好，工艺先进，自动化程度高，操作简单方便，结构紧凑，体积小，成本低。在相同功率的条件下，切口质量好，这是由于系统带有随动系统能随时自动检测及调整激光切割头与切割板之间距离，使之切口均匀。因此该切割机的切割质量较好。
图1表示激光器及外光路系统；其中，9为指示激光，10为500W Nd:YAG激光器，11为扩束系统，12为反射镜，13为聚焦透镜，14为微调螺丝，15为激光光闸及指示光源反射镜；图2表示激光平面切割系统的全图；其中，1为数控系统，2为控制柜，3为水冷柜，4为工作台，5为纵向传动链，6为横向传动链，7为激光切割机外光路系统，8为激光切割头；图3表示激光平面切割机中随动系统的各部件和它们的连接关系；其中，16为传感器，17为电压比较卡，18为前置放大器，19为伺服控制卡，20为伺服电机，21为被切割薄板；图4表示整个激光平面切割的控制流程图。
具体实施方式
申请人已研制出了一台L-500-2D型数控精密激光平面切割机，该切割机采用的激光器是500WNd:YAG激光器，激光波长1064nm，最大功率(连续)为500W，激光光束质量为20mm·mrad左右，焦深较长。该切割机的加工范围是1200×2500mm2，XY轴最大定位速度10m/min，最大切割速度6m/min，XY轴重复定位精度为±0.05mm。辅有切割辅助气体等。工作台采用顶针式工作台，交流伺服电机驱动，机床具有动态稳定性，在高速运动的情况下也无明显震动。激光切割头装有随动系统，随动系统中的传感器采用电压传感器，保持激光切割头与工件表面的距离基本恒定，从而保证不平板材切割质量。切割机配有工业控制计算机及全中文界面自动编译软件、切割软件、辅助绘图软件，可以根据客户的需求切割出任意图形的工件。该切割机能打孔并切割3.0mm(包含)以下的不锈钢及6.0mm(包含)以下的碳钢板等。在切割过程中，工件保持静止，无需夹具。
为保证切割加工各种形状板材时的加工质量，还可以采用了具有多轴直线插补、圆弧插补、轮廓控制、电子齿轮等功能的运动控制卡。该控制卡采用32bit最新DSP技术、融合了最新的控制理论，可实现消除冲击的运动平滑处理，直线/圆弧插补含有椭圆缩放、拐角减速过渡、无限线段进给、进给率控制，两轴联动轴可同时执行(多任务)，各轴原点返回，正、负向限位功能，各轴高速位置捕获和位置比较。
权利要求1.大功率固体激光平面切割机，包括依次连接的数控系统(1)、内含继电器和磁浮器的控制柜(2)、水冷柜(3)、工作台(4)，设置在工作台(4)上的激光切割机外光路系统(7)、与外光路系统(7)相连的激光切割头(8)，其中工作台(4)由机床和纵向传动链(5)、横向传动链(6)组成，其特征在于在切割机上设置随动系统，所述的随动系统由激光切割头(8)、设置在激光切割头(8)上的传感器(16)、以及电压比较卡(17)，前置放大器(18)，伺服控制卡(19)，伺服电机(20)组成；其中，传感器(16)将电信号传输到电压比较卡(17)，反应其与激光切割头(8)下方的被切割薄板(21)之间的电压大小，电压比较卡(17)用来比较数控系统(1)提供的参考电流与传感器(16)传输的电流的大小，产生一个电压差并输入到前置放大器(18)，前置放大器(18)放大电压比较卡(17)产生的电压，把这个电压传输给伺服控制卡(19)，伺服控制卡(19)根据接受到的电压大小来控制伺服电机(20)的运动，伺服电机(20)带动激光切割头(8)运动。
2.根据权利要求1所述的大功率固体激光平面切割机，其特征在于所述的激光切割机外光路系统(7)包括Nd:YAG双灯泵浦固体激光器(10)、及激光光闸指示光源反射镜(15)、指示激光(9)、扩束系统(11)、反射镜(12)、装置在激光切割头(8)内的聚焦透镜(13)；其中，指示光源反射镜(15)上设置有与其连在一起的用来阻断工作激光的激光光闸，反射镜(15)让用来定位切割的具体位置的指示激光(9)进入扩束系统(11)，扩束系统(11)对激光进行扩束，改变激光的焦深和束腰半径，用来改变激光的方向使之由平行照射变为垂直照射的反射镜(12)设置在扩束系统(11)之后，然后由聚焦透镜(13)对激光进行聚焦，以取得合适的聚焦点和束腰半径，用来微小调整反射镜(12)的微调螺丝(14)附加在聚焦透镜(13)上。
3.根据权利要求1所述的大功率固体激光平面切割机，其特征在于所述的数控系统(1)的输出端分别连接D/A卡、I/O卡、伺服控制卡、电压比较卡(17)，输入端与A/D卡相连，数控系统(1)通过D/A卡、A/D卡与激光电源控制器相连用来控制激光电源的开关；数控系统(1)通过I/O卡来控制光闸驱动元件、指示光源和气体驱动元件，从而来控制光闸的开合、指示光源和辅助气体的启动，最后通过随动系统中的伺服控制卡来控制伺服驱动单元，从而控制驱动电机，使激光切割头能够进行二维切割。
专利摘要本实用新型涉及一种激光平面切割系统，属于激光技术与机械加工领域。包括数控系统(1)、控制柜(2)、水冷柜(3)、工作台(4)，特征在于在切割机上设置随动系统，随动系统由激光切割头、传感器(16)、以及电压比较卡(17)，前置放大器(18)，伺服控制卡(19)，伺服电机(20)组成；其中，传感器将电信号传输到电压比较卡，反应其与激光切割头下方的被切割薄板之间的电压大小，电压比较卡用来比较数控系统提供的参考电流与传感器(16)传输的电流的大小，产生一个电压差并输入到前置放大器(18)，前置放大器再把这个电压传输给伺服控制卡，伺服电机带动激光切割头运动。本实用新型在相同功率的条件下，切口质量好。
文档编号B23K26/04GK2860712SQ20052011485
公开日2007年1月24日 申请日期2005年7月27日 优先权日2005年7月27日
发明者李强, 于海舒, 乐赢盛 申请人:北京工业大学