一种光纤激光切割设备及其切割方法与流程

本发明属于激光切割设备领域，更具体地说，涉及一种光纤激光切割设备及其切割方法。

背景技术：

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。

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，维护费用在20元/小时左右，系统耗电在30KW左右，即累计每小时的使用费用高达60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。

因此，目前需要本领域技术人员迫切解决的一个技术问题就是：如何能够创新地提出一种有效的光纤激光切割设备及切割方法，以满足实际应用中的更多需求。

技术实现要素：

本发明解决的技术问题是，针对现有技术中激光器占地面积大、耗能高、对铜铝等金属材料切割效果不好、成本高的问题，提出一种新的设备和切割方法。

为了解决上述问题，本发明所采用的技术方案是：一种光纤激光切割设备及其切割方法，包括：1000W光纤激光主机、光纤线、激光切割头、三维机器人和工作台，所述工作台包括变位机系统、机器人轨道、系统集成柜和离线编程软件，所述1000W激光主机有触摸屏控制盒，触摸屏控制盒通过专用数据线与1000W光纤激光主机，激光切割头通过光纤线连接1000W光纤激光主机并固定在三维机器人悬臂上。

优选地，所述1000W光纤激光主机为英国通快SPI公司生产的UW-S1000SU型激光主机，其工作波长为1070±5nm，脉冲宽度为连续出光，光纤直径为50Um，主机功率4.8KW，输出光功率稳定性±1%。

优选地，所述激光切割头具有防碰撞功能，采用电磁式方式，防止切割头碰坏，工件割坏，保证切割头的工具值变化和切割轨迹的精度性，最大切割速度为4.8米/分钟，最大切割深度在不锈钢材质时为6毫米，铝合金材质时为2.5毫米，与光纤激光主机连接的光纤长度为10米。

优选地，所述三维机器人为RX160L型史陶比尔机器人，史陶比尔机器人通过底座连接机器人轨道，通过电源线和控制线连接系统集成柜，通过离线编程软件控制机器人工作。

优选地，所述离线编程软件为Robotmaster软件，它在Mastercam软件中无缝集成了机器人编程、仿真和代码生成功能，提高了机器人编程速度。

优选地，使用所述光纤激光切割设备的切割方法，包括以下步骤：

S1：将史陶比尔机器人固定在底座上，并放置在机器人轨道上，机器人连接系统集成机柜和电源；

S2：将1000W光纤激光主机连接系统集成柜，机器的冷却系统加水，通过光纤线连接激光切割头并将激光切割头固定在史陶比尔机器人的悬臂上，连接触摸屏控制盒；

S3：将需要切割器具摆放在变位机系统摆台上，调整史陶比尔机器人悬臂的高度，使激光切割头在切割器具合适位置的上方；

S4：使用离线编程软件Robotmaster创建零件，创建机器人轨迹，用户选择几何图形用数控机床所用的过程和工具图形化完成机器人轨迹编程，用户选择几何图形以后，参数框指导用户选择正确的过程信息，软件根据上述信息自动生成机器人轨迹。

S5：启动开始操作按钮，使激光切割头按照程序规定进行切割，机器人悬臂调整、机器人轨道移动和变位机系统移动共同配合完成激光切割程序的执行。

本发明设计一种光纤激光切割设备，光纤激光器的输出波长为1.07微米，是CO2波长的1/10，输出的光束质量好，功率密度高，非常有利于金属材料的吸收，具有卓越的穿透、切割能力，从而使加工的费用最低，相比于现有技术，本发明的有益效果为：

（1）在切割平台的任何区域，无需使用电脑数控光束瞄准仪就能达到同样的切割质量；

（2）提供10m、20m、50m甚至更长的光纤光缆，在有效的成本内可搭建多种尺寸的切割平台；

（3）相同功率下，光纤激光器可切割铝、铜、黄铜和有高反射的合金材料，可CO2激光器很难实现；

（4）由于低发热水平，通常使用光纤激光器进行复杂形状图形的切割；

（5）光纤激光切割技术对材料的选择多样，可实现出众的边缘切割质量及复杂精确的切割。

附图说明

图1为本发明的光纤激光切割设备结构示意图；

图2为本发明的光纤激光切割设备的切割方法流程示意图；

图3为本发明的光纤激光切割设备的切割工作图。

图中：1、1000W光纤激光主机；2、光纤线；3、激光切割头；4、三维机器人；5、变位机系统；6、机器人轨道；7、系统集成柜；8、离线编程软件；9、触摸屏控制盒。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参见图1，本方案所述的一种光纤激光切割设备及切割方法，具体包括：1000W光纤激光主机1、光纤线2、激光切割头3、三维机器人4和工作台，所述工作台包括变位机系统5、机器人轨道6、系统集成柜7、离线编程软件8和触摸屏控制盒9，1000W光纤激光主机1为英国通快SPI公司生产的UW-S1000SU型激光主机，其工作波长为1070±5nm，光束质量为8mm-mrad，主机功率4.8KW，输出光功率稳定性±1%，激光切割头3通过光纤线2连接光纤激光主机1并固定在三维机器人4的悬臂上。所述激光切割头3具有防碰撞功能，采用电磁式方式，防止切割头碰坏，工件割坏，保证切割头的工具值变化和切割轨迹的精度性，最大切割速度为4.8米/分钟，最大切割深度在不锈钢材质时为6毫米，铝合金材质时为2.5毫米，与光纤激光主机连接的光纤长度为10米。1000W激光主机1有通过专用数据线连接触摸屏控制盒9，操作者可以远端操作1000W激光机主机1，实现对激光切割头3的控制，触摸屏控制盒9包括开关按钮、紧急关闭按钮和显示屏，当开关打开时，1000W光纤激光主机1产生激光并控制激光切割头3工作，当关闭时，1000W光纤激光主机1停止产生机关，激光切割头3停止工作，在遇到紧急情况时，紧急关闭按钮可实现强制性迅速制动，确保整个系统立即处于停止状态，显示屏显示实时工作参数。激光切割头3使用lasermech激光切割头，同时配有电容高度跟踪系统，它由标准10〞镜头，气体入口及切割喷嘴组成，可以保证更好的切割效果。三维机器人4为RX160L型史陶比尔机器人，史陶比尔机器人4通过底座连接机器人轨道6，机器人轨道6控制史陶比尔机器人4的运动，通过电源线和控制线连接系统集成柜7，为史陶比尔机器人提供电源和控制指令，通过离线编程软件8设计需要切割器件的结构，然后通过控制机器人悬臂的动作，带动激光切割头3切割出相应结构的产品。离线编程软件8为Robotmaster软件，它在Mastercam软件中无缝集成了机器人编程、仿真和代码生成功能，提高了机器人编程速度。气路控制系统，采用精密气阀和PLC控制，可以准确控制气体的选择和气体的流量 、气压进行控制，进一步提升了设备的整体智能化，并保证控制设备进行产品生产的良品率，更大的提高了工作效率。

离线编程软件8 Robotmaster具有强大的零件建模能力，精简的CAD引擎最大程度地简化了设计工作。用户创建的每一个几何块都是“活的”，以便用户迅速做出修改，直到几何图形完全达到要求，只要轻点鼠标就能运用传统功能，创建最复杂的零件。用户也可以用其他CAD软件创建零件，直接把模型导入本机文件格式或中性文件格式。数据转换器能转换IGES、Parasolid、SAT（ACIS实体）、AutoCAD （DXF、DWG和Inventor TM文件）、SolidWorks、 Solid Edge、STEP、EPS、CADL、STL、VDA和ASCII、CATIA、Pro/E等文件。Robotmaster新增了两种强大的工具：“文件跟踪”和“变更识别”，能方便用户识别CAD模型的修改，简化更新文件的编程。“文件跟踪”和“变更识别”最大的作用体现在包含多项操作的大型文件设计变更方面。用Mastercam Mill或Router准确创建无示教点的、或简单或复杂的机器人轨迹。选择几何图形（线、弧线、零件边缘及/或3D零件）用数控机床所用的过程和工具图形化完成机器人轨迹编程。用户选择几何图形以后，参数框指导用户选择正确的过程信息。软件根据上述信息自动生成机器人轨迹。

1000W光纤激光主机1系统的冷却方式是水冷，冷水机功率为2.5KW，水容量为140升，光纤线2的长度为10米，光纤芯径为100um，光纤允许弯曲半径在受到应力时，最小为200mm，在不受应力时，最小为100mm；光纤允许盘绕半径为300mm；激光输出头标准为：IP-50-150210PE/IP-30-100120PE。

系统增加了高清视觉辅助功能，可实现机器坐标精确测量，减少人为测量误差，也可实现在线生产坐标监控，防止工人生产操作失误，造成不必要的损失，并可与机器人同步，发生坐标偏差时可及时纠正机器人行走轨迹。

一种使用光纤激光切割设备的切割方法，包括以下步骤：

S1：将史陶比尔机器人4固定在底座上，并放置在机器人轨道6上，机器人连接系统集成机柜7和电源；

史陶比尔机器人4可以通过悬臂控制其动作，机器人轨道6用于机器人的大范围远距离运动，系统集成机柜7和电源为史陶比尔机器人4提供电能和轨道运行指令。

S2：将1000W光纤激光主机1连接系统集成柜7，机器的冷却系统加水，通过光纤线2连接激光切割头3并将激光切割头3固定在史陶比尔机器人4的悬臂上，连接触摸屏控制盒9；

1000W光纤激光主机1是产生激光的主设备，光纤线2将1000W光纤激光主机产生的激光及损耗的传送到激光切割头3，由于激光切割头3固定在史陶比尔机器人4的悬臂上，所以，史陶比尔机器人4悬臂的运动带动激光切割头3运动，激光切割头3发射的激光按照史陶比尔机器人4悬臂运动的轨迹进行激光切割，触摸屏控制盒9控制1000W光纤激光主机1的工作，并能紧急停止整个系统工作。

S3：将需要切割器具摆放在变位机系统5摆台上，调整史陶比尔机器人4悬臂的高度，使激光切割头3在切割器具合适位置的上方；

S4：使用离线编程软件8 Robotmaster创建零件，创建机器人轨迹，用户选择几何图形用数控机床所用的过程和工具图形化完成机器人轨迹编程，用户选择几何图形以后，参数框指导用户选择正确的过程信息，软件根据上述信息自动生成机器人轨迹。

S5：启动开始操作按钮，使激光切割头3按照程序规定进行切割，机器人悬臂调整、机器人轨道6移动和变位机系统5移动共同配合完成激光切割程序的执行。

基于上述，本发明结合汽车钣金覆盖件和底盘件的行业特点，提供出一种工业机器人和光纤激光器的组合进行三维切割。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，减少了系统的占地面积和耗电。

本发明还采用光纤激光器代替CO2激光器。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。

以上示意性的对本发明及其实施方式进行了描述，该描述没有限制性，附图中所示的也只是本发明的实施方式之一，实际的结构并不局限于此。所以，如果本领域的普通技术人员受其启示，在不脱离本发明创造宗旨的情况下，不经创造性的设计出与该技术方案相似的结构方式及实施例，均应属于本发明的保护范围。