桌面式激光切割机切割质量分析

鲁 霞

（广州城市职业学院 机电工程学院，广州 510405）

激光是20世纪的重大发明之一，具有巨大的技术潜力。激光加工是激光应用最有发展前途的领域，其发展速度快，应用广，是除微电子技术之外其他技术无法比拟的。激光也被誉为“万能加工工具”“未来柔性制造系统（Flexible Manufacturing System，FMS）的共同加工手段”，是当代具有代表性的先进制造技术之一[1-2]。

激光切割加工是用不可见的光束代替传统的机械刀，具有精度高、切割快速、不局限于切割图案限制、自动排版节省材料、切口平滑以及加工成本低等特点，将逐渐改进或取代传统的金属切割工艺。

随着市场经济的飞速发展和科学技术的日新月异，激光切割技术已广泛应用于汽车、机械、电力、五金以及电器等领域。近年来，激光切割技术正以前所未有的速度发展，每年都有15%～20%的速度增长。自1985年以来，我国更是以每年近25%的速度增长。当前，我国激光切割技术的整体水平与先进国家相比还存在不小的差距。可见，国内市场激光切割技术具有广阔的发展前景和巨大的应用空间。

激光切割机将从激光器发射出的激光，经光路系统聚焦成高功率密度的激光束。激光束照射到工件表面，使工件达到熔点或沸点，同时与光束同轴的高压气体将熔化或气化金属吹走。随着光束与工件相对位置的移动，最终可使材料形成切缝，从而达到切割的目的。

随着激光切割技术的发展，基于创客、高等院校、K12教育以及小规模工业生产的桌面级激光切割机应运而生。它具有高精度、高效益、高质量的非接触式切割优势，为国内创客教育及新产品开发提供了有力的保障及技术支持。

1 桌面式激光切割机在创客教育及新产品开发中的应用优势

随着计算机辅助设计（Computer Aided Design，CAD）技术的成熟和激光切割机的小型化，激光切割机成为创客教育及新产品开发中不可或缺的一个重要工具，优势日益凸显。

（1）激光切割机使创客在材料选择上具有更大的灵活度。激光切割机能够加工木板、亚克力板、塑料以及金属等材料，赋予了创客更多选择的可能。设计者可以根据设计需要合理选择最快捷、有效的材料进行加工，给创新增添了更多活力及自由度。

（2）激光切割机为创客及新产品开发带来了时间和设计上的便捷。激光切割机不仅切割效率较手工提升数十倍，而且大幅提升了切割质量。此外，激光切割机的数字化设计设置也为设计者快速有效地制作及修改样件，提供了高效的设计手段。

（3）激光切割技术可与机器人、3D打印等创新技术相结合，提高创新创造工作效率。

激光切割机还能帮助设计者更好地树立工程思维，并通过激光切割技术验证、提升设计者的工程思维。

2 桌面式激光切割机

激光切割技术有两种：一是脉冲激光适用于金属材料；二是连续激光适用于非金属材料。后者是激光切割技术的重要应用领域。桌面式切割机能对木材、皮革、织物以及部分金属等材料雕刻和切割，满足了设计者多材料加工的需求。

桌面式激光切割机作为创客运动桌面制造工厂之一，其激光器普遍采用CO2激光器，能对木材、皮革、织物以及部分金属等材料进行雕刻和切割。

CO2激光器具有诸多优点。首先，它有较大的功率和较高的能量转换效率。其次，它利用CO2分子振动-转动能级间的跃迁，有比较丰富的谱线，在10 μm附近有几十条谱线的激光输出。近年来发现，高气压二氧化碳激光器甚至可做到9～10 μm连续可调谐的输出。最后，它的输出波段正好是大气窗口（即大气对这个波长的透过率较高）。此外，它还具有输出光束的光学质量高、相干性好、线宽窄以及工作稳定等优点[3]。

3 桌面式激光切割机加工质量分析

桌面式激光切割机主要部分组成简图，如图1所示。

图1 桌面式激光切割机主要组成部分简图

桌面式激光切割机主要由高清摄像头辅助加工系统、自动对焦系统、智能图像提取系统、冷却系统以及空气过滤系统等部分组成[4]。其中，高清摄像头辅助加工系统的运动精度及自动对焦系统的对焦精度，直接影响桌面式激光切割机的切割精度。

现有桌面式切割机的技术缺点总结汇总如下[5-6]：

（1）桌面式激光切割机进给机构稳定性不高，磨损快，使用寿命不长；

（2）桌面式激光切割机工作平台多为固定模式，结构单一；

（3）桌面式激光切割机激光对焦系统操作复杂，对操作者操作水平要求较高；

（4）桌面式激光切割机操作需要具有专业的设备操作水平。

针对以上问题，提出如下具体的解决措施。

首先，工作平台可选用运动范围广、进给机构定位精度高以及稳定性好的直线导轨机构，保证激光切割的精度。直线导轨机构还具有稳定的平面度、操作简便以及结构简单等优点，能够满足使用者对切割精度和操作简便的需求。激光切割头导向机构可以选用直线轴承机构，具有精度高、导向性好的优点，可保证进给机构的进给精度和稳定性，进而保证切割精度。

其次，充分利用高清摄像技术，通过高清广角摄像头，定点拍摄，辅助设计，大大降低制作、设计门槛，提高设计效率，使设计者能够全心投入创作。此外，通过高清广角摄像头能实现智能图像提取，省时省力。

最后，开发一键加工系统，降低激光雕刻的门槛，实现极简制造。用户在完成激光创意的设计后，通过传输文件到激光设备，点击一键加工便可以快速实现设计。

4 结语

当下，全方位提升国内切割装备的精度质量是行业的大势所趋。因此，针对目前激光切割技术的发展，详细分析目前桌面式激光切割机在创客及新产品开发中的作用，论述目前桌面式激光切割机的技术缺点，并提出针对性的解决措施，为桌面式激光切割机的技术发展提供参考。