激光切割Z轴弹性定距随动系统的设计与实现

陈和平，石 敏，王晓晖

（武汉市工程科学技术研究院 光电技术研究室，武汉 430019）

1 Z轴随动系统技术现状及分析

在数控非接触加工行业，尤其是激光切割、激光打孔等领域，工作距测量及定位（“自动对焦”）一直是困扰业界的技术瓶颈。围绕着该问题的解决方案，产生了一个专业的技术分支——Z轴随动系统。

一般说来，在激光加工过程中，激光束的聚焦点应位于被加工件表面，焦点对加工面的偏移（离焦），将极大的损失加工功率密度，其衰减曲线为几何级数。所谓“Z轴随动系统”是指在加工过程中，“激光头”（Z轴）随着加工面表面的起伏而作同步的移动，以保证其工作距（焦距）的基本恒定。

目前国际上主流的Z轴随动装置，是由电容测距、信号处理及Z轴伺服组成的系统。这类系统原理简单但技术复杂。电容测距过程中，对应于位移的微小波动，其电容变化量往往为皮法（10～12 F）量级。而温度波动、光焰溅射，表面异物等噪声扰动使得信号的采集异常困难。同时，由于加工面上孔及凸台等不确定因素的存在，会产生大量的伪信号，对其的甄别处理，技术上也很复杂。所以，目前国内各研究机构及相关企业，包括上海激光所、华工科技等，虽对其多有研究，但尚未有成熟的产品或者可行的解决方案。

因此有必要开发设计一套实时高度跟随系统，使激光头出光口与工件间隙保持不变、无跟踪响应滞后效应。随动系统适用于金属和非金属材料且能保护激光头，减少切割加工中对焦工作的劳动强度，提高加工效率。

2 弹性定距Z轴随动系统的设计目标

项目的目标是设计一套适用于激光切割的Z轴随动系统，包括弹性定距随动部分和伺服控制快速升降部分：弹性随动部分又由万向滚动球头和装有弹簧的导套、激光头组成；伺服控制快速升降部分则由行程开关、上下限位杆、控制用电机构成的执行机构及控制部分组成。最终实现一套可自动对焦、无响应滞后、工作距恒定的弹性定距Z轴随动系统。

3 弹性定距Z轴随动系统设计内容

激光切割Z轴随动系统涉及到光、机、电和数控方面的知识，交叉性和综合性非常强。在提出系统的整体设计方案前，首先对各组成环节的功能需求进行定性分析，为后面的具体设计理清思路，确定设计步骤。

3.1 各组成部分的功能需求分析

1）弹性定距随动部分功能需求分析

弹性定距随动部分（包括弹性组元和测距头）是整个随动系统的重要环节，不但要实现弹性浮动，还要实现测距头和激光头出光口的距离为一定值，这样才能保证激光切割加工工作距的恒定。其主要组成部分需要满足以下条件：

弹性组元部分应能灵活自如地在垂直方向弹性浮动，且不能产生晃动。系统工作时弹性预压力使得测距头和被加工件表面接触。

测距头和被加工件表面接触，要求能够随着工件表面的高低起伏而移动。

2）伺服控制快速升降部分功能需求分析

伺服控制快速升降部分是弹性定距Z轴随动系统的关键环节，当弹性浮动超出规定的范围时，行程开关启动控制电机实现Z轴的快速升降。其主要机构需要满足以下条件：

控制电机及执行机构需响应灵敏，升降快速，因此电机需启动快，扭矩大；传动执行机构尽量减少整体的转动惯量以提高启动速度，并保证其平稳运行。

3.2 弹性组元设计及试验

弹性组元在本系统中实现在规定的范围内随被加工件表面高低起伏而垂直上下弹性浮动，首先要有满足加工条件的弹力，其次是不能晃动，最后是上下移动要灵活。

1）弹性浮动装置设计

弹性浮动装置的主要作用是灵活自如地在垂直方向弹性浮动，根据功能要求，设计中摩擦和晃动是始终考虑的因素，由于激光束必须经过弹性组元部分，所以我们采取了中空活动导套的结构方式，如图1所示，并根据实际运行情况，对活动导套的导柱部分提出了表面淬火的热处理要求以提高表面硬度，改善活动导套和固定导套的摩擦工况，延长零件的使用寿命。为达到垂直上下运动不发生晃动的要求，我们通过加长活动导套导柱部分和固定导套的接触面积以增强垂直上下运动时的稳定性，另外，在活动导套上安装一垂直方向导向杆，与固定导套上的导向孔配合，保证激光头在垂直方向上下弹性浮动且不晃动。

图1 浮动装置设计图

2）弹簧设计计算及试验

弹簧是弹性组元部分能否实现弹性浮动的关键，弹簧的弹力和工作行程是设计中考虑的两大核心参数，根据工作条件，弹簧在一般载荷条件下工作，可以按第Ⅱ类弹簧来考虑，我们选用碳素弹簧钢丝B级。设计安装载荷(要求) F1'=1(N)，安装高度H1=59.00(mm)，工作载荷(要求)F2'=15(N)，工作行程 h=10(mm)，要求刚度 k'=1.40(N/mm)，载荷作用次数N=1000(次)，利用弹簧设计软件（机械设计手册软件版3.0）进行校核分析计算，软件如图2所示，确定弹簧基本参数：钢丝直径d=1.60mm，弹簧中径D=34.8mm，旋绕比C=21.75，曲度系数K=1.01，有效圈数n=10，压并圈数n2=1，实际刚度k=0.15N/mm。

图2 弹簧设计软件

由于实际运行工况复杂，我们设计了d=1.4,d=2，d=3三种线径的压缩弹簧，经过实际试验，我们目前采用线径d=1.4的压缩弹簧，完全满足弹力需求。

3.3 测距头即万向滚动球头的选型及设计

测距头是实现工作距恒定的重要环节，而且和被加工件表面紧密接触，因此质量优良、运动灵活是设计考虑的关键因素，根据功能需求，我们选用了带有螺杆的型号为C-5H万向滚珠作为万向滚动球头的功能部件，该型号万向滚珠是机加件，质量过硬，滚动灵活，基本能实现设计的功能。万向滚珠安装在支撑杆上，支撑杆和激光头通过螺纹实现刚性联接，根据激光头透镜的焦距决定的工作距，设计相应的支撑杆尺寸参数，使得激光头出光口和万向滚珠末端（球体顶点）距离为一设定值，这样就实现了整个系统运行时的工作距恒定，其结构如图3所示。

图3 测距头结构图

3.4 Z轴执行机构设计

Z轴执行机构在本系统中实现快速升降的功能，通过执行机构的上下移动带动整套系统的快速升降，我们采用伺服电机和导轨滚珠丝杠的传动方式，该传动方式平稳快速，技术成熟。

伺服控制快速升降部分由行程开关、上下限位杆、控制用电机构成的执行机构及控制部分组成，其控制原理如图4所示。

图4 Z轴控制原理图

行程开关SW1和SW2分别检测激光头的上升和下降是否超出了弹性浮动范围，一旦激光头上下浮动超过了规定的弹性范围，行程开关便向伺服电机5发出驱动信号，控制Z轴激光头上下移动。整套系统结构如图5所示。

4 试验及分析

通过以上各部分设计，接受检验的时刻到来了，那就是把各部分连接起来，组成一个随动系统，然后进行整体的调试，看是否能达到设计的目标。调试的顺序和方法是：首先用指示光调整光路，其次是调整Z轴行程开关的开启位置，最后是加载弹性预压力使得万向滚动球头和被加工件紧密接触。

图5 系统结构图

4.1 模拟现实工况试验

在整套设备未通电的状态下，模拟现实工况，手工移动被加工件，检验万向滚动球头是否转动灵活，在不同方向上匀速移动被加工件，遇到工件高低不平时，系统均能实现弹性浮动，上下移动基本稳定。

上述试验说明，弹性组元和测距头的机械功能是符合设计要求和目标的，然后我们打开指示光，使设备处于实际加工状态，但不打开激光，实际运行效果达到设计目标。

4.2 实际加工试验

上面的模拟现实工况试验虽然运行效果良好，但是还没有“真刀实枪”地对系统进行检验，只有经过实际加工，才能对完整地反应随动系统的各项技术指标。在实际加工试验中，我们模拟现实恶劣工况制作了被加工件，在被加工碳钢板上焊接厚度分别为1mm，2mm，3mm，4mm的横条，如图6所示。

图6 模拟被加工件

经过实际切割加工，由于万向滚动球头的结构限制，当厚度超过4mm时，万向滚动球头会被工件卡住，但考虑到现实工况中几乎没有如此恶劣的工况，故没有进一步研究。其他不同程度的弯曲，高低起伏，该随动系统均能按设计要求平稳运行，基本达到设计目标，可投入实际应用。

5 结论

本项目进行了如下四项工作：

1）结合自身设备实际情况，分析对比了接触式和非接触式测距头随动方案，选择接触式弹性定距测距头。

2）在弹性定距的功能实现上，选择了万向滚珠作为功能元件；设计了系统结构部件，并通过设计计算及现场调试，得到了弹性组元的重要元件弹簧的经验设计数据。

3）设计弹性浮动装置；该装置设计安装有垂直导向杆，实现了较为稳定的垂直上下移动。

4）设计并实现了随动系统的伺服快速升降部分的控制部件和控制电路。

5）通过上述工作，最终实现了整个Z轴弹性定距随动系统，通过现场调试和实际加工应用表明，该套Z轴弹性定距随动系统达成了项目预期的自动对焦、工作距恒定的高度跟随目标，可投入生产使用。

本套Z轴弹性定距随动系统采用的是三个万向滚动球头的三点接触方式，在加工中受被加工件表面不平整和加工路径不规则的影响，有时不能三点同时接触被加工件表面，甚至只有一个万向滚动球头作用于被加工件，因此若万向滚动球头和激光头出光口距离过大，容易造成逆焦，虽然实际加工中此类现象较少，但依然值得我们进一步研究探索。

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