大朗不锈钢激光焊接机/空间曲线加工中三维激光切割技术应用分析
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- 供 应 地：广东省东莞市
- 发布公司：东莞市正信激光科技有限公司
- 产品型号：ZXL-600
- 品 牌：正信激光焊接不锈钢
- 发布日期：2015/12/18 13:51:15
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为了保证切割的精度和切口的质量，无论是在平面切割还是在三维切割中，激光束的方向要始终和被切割的对象保持垂直，即在加工过程中激光束要处在曲线的法向或与曲线所在的面保持垂直。在二维切割中，由于曲线是在同一个平面内的，激光束始终和曲线所在平面保持垂直，因此这一点很容易做到。但在三维切割中，曲线处在不同的面内，而且曲线的方向是不固定的，在加工过程中其方向始终都在变化，如图1(a)所示，AB为空间内任意一曲线，在加工中要保证激光柬始终与曲线保持垂直，因此如何使激光束始终和被切割的曲线保持垂直是解决三维空间曲线切割的一个重要问题。
图1 切割任意曲线时激光头的方向和路径示意图
(2)激光切割焦点的位置在切割过程中要保证
焦点和零件表面的相对位置保持不变，即喷嘴和零件表面的距离始终保持一致，见图1(b)。在二维切割中，所要加工曲线始终在一个平面内进行加工，这一点很好保证，而在三维加工中，由于构成空间曲线的特征处在不同的曲面中，如何使喷嘴中心和零件表面的距离保持不变是需要解决的另一个重要问题。
(3)将空间曲线的特征转化为激光切割数据同
二维曲线不同，三维空间曲线是由处在不同面内的多段特征组成的，各个特征之间也没有太大的联系，在加工过程中可能要先后在多个面内进行切割，如何简单快捷地反映三维曲线的特征并将其转换为激光切割数据是三维激光切割所要解决的最重要的问题。这也是三维激光切割技术在实际应用中最复杂的一步。
2 三维激光切割机床的特点
(1)三维激光切割机床的主要结构三维激光切割机采用的是飞行光路设计，即加工过程中工件不动，靠激光头运动来完成。其传感器结构采用的是非接触式的电容传感器，激光头和零件分别作为两极。激光头是三维五轴联动的，即X、Y、Z三个基本坐标轴和A、B两个旋转轴以及用于调整焦点的C轴（图2）。从图中可以看到同二维激光切割机有所不同，三维激光切割多出了两个旋转轴，其中A轴可以作360°旋转，B轴则可以在±135°范围内摆动。此外还提供了用于三维编程的手执盒。
图2 三维激光切割机激光头结构
(2)三维切割时机床的运动方式机床的主要运动方式有三种：ABS、ROB、TCP。其中ABS通常并不使用，ROB主要应用在二维平面切割上，TCP(Tip Center Point)则是应用在三维切割中。在进行TCP运动时，激光头的运动并不遵循普通的运动方式，而是激光头部分的坐标系统发生了变化，形成了一个新的机械参考坐标系（如图3），机床坐标系为Xm、Ym、Zm，Tcp为当前喷嘴中心所在点，此时参考坐标系的Z方向并不和机床Zm一致，而是将参考坐标系统进行了一定的变换，该参考系是以光路的反方向为Z方向，X、Y的方向也随之变化，即图中的Xtcp、Ytcp和Ztcp方向，此时移动X、Y、Z时机床将沿新的机械参考坐标系移动，而不是机床坐标系。还有一点比较特殊的是此时当旋转A轴或B轴时喷嘴中心点Tcp在机床坐标系坐标中的坐标保持不变，即喷嘴中心不动，激光头围绕喷嘴中心运动。只有移动Xtcp、Ytcp或Ztcp时喷嘴中心才可以移动。设置TCP运动方式主要是为了便于对空间曲线上目标点的操作，具体作用将在后面的指令介绍及实际加工中说明。
图3 TCP运动方式原理图
(3)三维切割的自动找正法线功能三维激光切割还具有自动找正曲线法线的功能，即AUTOSQUARE指令。当找到目标点后，执行AUTOSQUARE，传感器将自动在目标点周围找出若干个点来确定当前点周围的空间曲面形状，并计算出该点的方向坐标（A、B轴坐标），同时自动将激光头调到法线方向。由于采用的是TCP运动方式，且调整的只是方向坐标，因此在调整激光头方向时喷嘴中心的位置坐标并不改变。
根据所介绍的传感器结构、三维运动方式和自动找正法线功能，就可以很容易解决前两个技术难点。利用自动找正法线来保证激光束和曲线保持垂直，利用传感器使喷嘴中心和零件表面的距离始终保持一致。
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