1.概述

三維光纖激光切割機是由專用光纖激光切割頭、高精度電容式跟蹤系統、光纖激光器以及工業機器人系統組成，對不同厚度的金屬板材進行多角度、多方位柔性切割的先進設備。三維機器人激光切割機設備廣泛應用于金屬加工、機械制造及汽車零部件制造等對3D工件有加工需求的生產中。

2.三維光纖激光切割機器人

（1）三維激光切割原理激光通過激光器產生后，由反射鏡傳遞并通過聚集鏡照射到加工物品上，使加工物品（表面）受到強大的熱能而溫度急劇增加，使該點因高溫而迅速的熔化或者汽化，配合激光頭的運行軌跡從而達到加工目的。

（2）光纖的選擇根據金屬板材的厚度不同，選用不同的光纖激光器功率，三維切割光纖激光器的功率一般分200W、300W、400W、500W與1000W等多種規格；對不同功率的激光器配備不同的冷卻系統，以保障激光器的正常工作。同時要根據機械臂的工作半徑和加工工件的大小選定合適長度的操作光纖傳輸激光，以滿足客戶切割要求。

（3）輔助氣體的要求三維光纖激光切割機采用的輔助氣體是99.99%的氧氣，這樣對切割的精度、速度和切割的斷面效果有很大的幫助。

三維光纖激光切割機

3.三維光纖激光切割機器人的特點

（1）柔性高尤其適合小批量的三維鈑金切割。

其高柔性主要表現在兩個方面：

第一，對材料的適應性強，激光切割機通過數控程序基本可以切割任意板材。

第二，加工路徑由程序控制，如果加工對象發生變化，只須修改程序即可，這一點在零件修邊、切孔時體現得尤為明顯。由于修邊模、沖孔模對其他不同零件的加工無能為力，而且模具的成本高，所以目前三維激光切割有取代修邊模、沖孔模的趨勢。一般來說，三維機械加工的夾具設計及其使用比較復雜，但激光加工時對被加工板材不施加機械加工力，這使得夾具制作變得很簡單。此外，一臺激光設備如果配套不同的硬件和軟件，就可以實現多種功能。

總之，在實際生產中，三維激光切割在提高產品質量、生產效率，縮短產品開發周期、降低勞動強度、節省原材料等方面優勢明顯。因此，盡管設備成本高、一次性投資大，國內還是有很多汽車、飛機生產廠家購進了三維激光加工機，部分高校也購進了相應設備進行科研，三維激光技術勢必在我國制造業中發揮著越來越大的作用。

（2）光纖激光切割機器人優缺點第一，用工業機器人代替五軸機床，兩者都能進行空間軌跡描述實現三維立體切割。工業機器人的重復定位精度比五軸機床稍低，約為±100μm，但這完全可以滿足汽車鈑金覆蓋件和底盤行業的精度要求；而采用工業機器人大大降低了系統的成本造價，減少了耗電系統費用和系統運行維護費用，減少了系統的占地面積。

第二，光纖激光相比傳統激光，具有更好的切割質量，更低的系統造價，更長的使用壽命和更低的維護費用，更低的耗電。關鍵是光纖激光器的激光可以通過光纖傳輸，方便與工業機器人連接，實現柔性加工。

第三，本系統唯一的缺陷是只能加工金屬工件，不能加工非金屬工件。這是因為本系統采用的是光纖激光，其波長為1064nm，相對于波長為10640nm的CO2激光，不易為非金屬材料所吸收。

第四，采用工業機器人＋光纖激光器的組合進行加工，修邊沖孔等工藝一次完成，切口整齊無需后道工藝再處理，這樣既大大縮短了工藝流程，降低了人工成本和模具費用的投入，也提高了產品檔次和附加值。選配離線編程軟件，通過數值模擬直接生成切割軌跡，拋棄了繁雜的人工示教，更加適合小批量多批次的維修市場、新品試制和非標定制等個性化的切割需求。三種加工方式對比如附表所示。

第五，先進光纖激光技術與數字控制技術完美融合，代表著最先進的激光切割水平；專業的激光切割機控制系統，電腦操作，能夠保證切割質量，使切割工作更方便，操作更簡單；配置智能機械手，可實現三維立體切割，操控方便，智能化程度高，保證設備的高速度、高精度、高可靠性；激光切割頭配置進口激光切割頭，反應靈敏、準確，與機械手有效配合，可避免切割頭與加工板材碰撞，并能保證切割焦點位置，保證切割質量穩定；激光切割頭可承受1.0MPa氣體壓力，高壓氣路設備，提高了對不銹鋼等難切割材料的切割能力。

4.三維光纖激光切割機器人的技術優勢

（1）三維切割系統的優勢

第一，切割速度快，為同類產品的兩倍。

第二，切割精度高。系統重復定位精度高達±100um。

第三，可切割<φ2mm的小圓，切割效果圓滑美觀，目測無形變和毛刺。單個小圓切割時間可控制在2s內。

第四，選配臂長2.01m的機械手，除了實現直徑達3m的半球形三維加工區域外，還可實現3m×1.5m的二維平面切割。

第五，根據實際需要選配離線編程軟件，可讀取UG、SolidWork等三維軟件導出格式的數模，修改后直接生成切割軌跡，代替人工示教，簡單易用。

（2）采用IPG光纖激光器和激光電源激光器性能穩定，可使產品整體質量得到安全保障。光纖激光器具有散熱面積大、光束質量好、體積小巧等優點，同體積龐大的氣體激光器和固體激光器相比具有明顯的優勢。

（3）采用美國進口激光切割頭配置美國進口的激光切割頭，通過機械手編程控制，保持最佳的焦距，確保最佳的切割效果，避免了材料不平整時，焦距變化問題引起的材料報廢。

（4）機械手控制系統采用機械人操控系統，可提供適合每一種零部件的全方位機器人生產解決方案。具有可靠性強、速度快、精度高、功率大、堅固耐用、通用性等特點。

其操作速度更快，廢品率更低，在擴大產能、提升效率方面，將起到舉足輕重的作用。其高精度由專利的TrueMoveTM運動控制軟件實現。IRB2600采用優化設計，機身緊湊輕巧，節拍時間與行業標準相比可縮減多達25%。專利的QuickMoveTM運動控制軟件使其加速度達到同類最高，并實現速度最大化，從而提高產能與效率。IRB2600工作范圍大，安裝方式靈活，可輕松直達目標設備，不會干擾輔助設備。優化機器人安裝是提升生產效率的有效手段。模擬最佳工藝布局時，靈活的安裝方式更能帶來極大的便利。IRB2600的底座可與目標設備靠得更近，從而縮小整個工作站的占地面積。小底座還為下臂進行正下方操作創造了有利條件。

5.三維光纖激光切割機器人的應用

（1）兩臺RX160轎車B柱熱成形件雙機器人切割①外框、孔位等的高精度光纖激光切割。②高速度提高效率，減少熱變形。③機器人柔性編程適應不同產品需求。④低成本系統解決方案適合用戶大批量應用。

（2）RX160L工程機械鈑金件切割①工程機械鈑金件3D激光切割。②大幅面活動范圍適合大工件或多工位切割。③切割效率高，相當于傳動五軸激光切割機床切割速度的兩倍。④機器人結構緊湊且剛性好，有利于降低龍門架成本。

6.結語

未來三維激光加工技術將向高精度、高速度、高柔性、低成本、智能化及高集成化方向發展。我國激光三維切割技術跟國外先進技術還有很大差距，首先表現在設備的研制上，缺少高光束質量的高功率激光器。目前我國各地擁有的三維激光切割設備大部分從國外高價進口；其次在理論研究上也存在一定差距，主要集中在三維零件空間軌跡的實現和三維零件的切割工藝兩個方面，對三維零件激光切割過程中的激光-材料-氣體之間的交互作用，即三維激光切割機理未作深入研究，而國外早在20世紀70年代就有人開始提出其模型。因此，該技術還有很多地方值得繼續深入研究和發展。