数控激光切割机结构设计

周 春

（深圳市思迈达智能设备有限公司,广东深圳 518000）

1 数控激光切割机概述

1.1 激光切割技术

激光光斑较小，能量密度较高，且激光束方向固定，照射到被加工元件上会产生大量的热量，被切割元件在一瞬间汽化或熔化，从而达到切割的目的。由于激光加工时与被加工元件的接触面积很小，被加工元件在切割时也不会产生形变，因此激光切割机的切割质量非常好，在高精度的加工生产中应用广泛。

1.2 数控激光切割机的特点

（1）从作用上看，数控激光切割机是一种以激光为动力，结合数控技术对各种元件进行切割、冲压等工序的设备。激光切割技术因其切割速度快，切割缝隙小等优点而被广泛应用于金属材料的切割，例如以工业母机为代表的机械设备，激光切割技术保证了金属切割的速度与稳定性；通过配置功率不同的光纤激光器，数控激光切割机可以对各类金属元件进行打孔、切割等操作。数控激光切割机的优点有：①效率高：从设计图到加工样品的转换周期较短。②切削精度高：能够实现高精密的反复切削，不会因为反复多次地切割而改变其切割精度。③切削速度快：特别是可以快速地切割坚硬的金属材料，数控激光切割机在金属材料上的切削能力是普通磨削机的5倍。④安全性高：与砂轮切割、锯切割等常规切割方式相比，具有更高的安全性。

（2）从结构形式来看，目前市面上的数控激光切割机主要有：悬臂式、龙门式和横梁倒挂式3种。

悬臂式结构简单，开放性好，能够从3个方向接近加工区域。采用单边驱动，不存在龙门结构双边驱动的同步问题。但是悬臂结构运动部件重量较大，单点支撑的悬臂结构静、动态刚度远远不如龙门结构，难以满足高动态特性、高精度要求，所以悬臂结构激光切割机在早期机型中采用较多，在现代机型中采用较少。图1为悬臂结构切割机示意图。

图1 悬臂结构切割机示意图

图2所示为龙门式激光切割机。龙门式结构可分为长龙门式和短龙门式。长龙门式工作区间大好，操作简便，但因运动部件的重量较大，横梁静态和动态刚度较差，因此在高动态响应、高精度的激光切割机上应用不多；而短龙门式运动部件重量较轻，横梁静态和动态刚度较优，再搭配上高性能的数控系统，如西门子公司生产的840D 和 Fanuc 18i，就可以轻松实现双边同步驱动。因此短龙门结构是现代数控激光切割机的主流结构，尤其适合高动态特性、高精度的要求。

图2 龙门式数控激光切割机示意图

图3为横梁倒挂式结构示意图，此结构工作区间也较大，横梁刚度介于上述两种结构之间，但由于机架结构尺寸较大，安装调试方面相比于上述两种结构较为复杂，因此在现阶段的数控激光切割机中应用较少。

图3 横梁倒挂式结构示意图

2 数控激光切割机新型结构设计

新型数控激光切割机结构如图4所示。

图4 新型数控激光切割机结构示意图

（1）底座。数控激光切割机最基本的零件是机床的底座，由于底座上安装了丝杠传动机构和电机，二者都具有一定的运动加速度，这部分运动加速度会对设备施加一定的冲击力，随着运行时间的增加，设备的底座势必会产生一定的位移，一旦数控激光切割机的底座出现了位移情况，会影响激光发射装置的稳定性。因此，新的数控激光切割机在设计时应卓众关注这一问题。可采取加重底座重量的方式来提高设备整体的惯性，从而达到设备稳定运行的目的。按照以往的设计经验来看，底座的重量一般为设备本身所受加速度冲击力的15倍。

（2）随动装置。数控激光切割机的随动装置的主要功能是在设备运行过程中，对切削件的加工表面光滑度进行检测和控制。为判断由激光器所发出的光束在聚焦后的焦点是否在工件上，采用伺服马达及丝杠驱动机构对切割头高度进行调节，激光光束聚焦后，聚焦的部位会对切口的缝隙大小和质量高低造成很大的影响，所以对随动装置的要求很高，一般情况下，检测的精度要达到0.010 mm。同时，随动机构的驱动转速为5m/min，不宜过高或过低，太高会引起切割头的振动，过低会使切割头切割速度过低，造成资源的浪费。

（3）运动机构。数控激光切割机的运动机构是影响设备加工性能好坏的重要因素。在进行机械机构的优化设计时，首先要考虑的问题是负载的惯性比值。目前，普通的常用电机比例约为1 ∶10，但是，要使数控激光切割机的传动性能达到最优，最好将其负载惯性比设定在1 ∶3左右。

（4）光路设计。激光切割机的外光路主要由圆偏振反射镜片、线偏振反射镜片及聚焦透镜等组成。激光器、导光系统与设备集成为一体，因此，光路系统十分稳定且便于调节，从而保证了优质的光束质量。导光系统包括反射镜和聚焦透镜，所有的镜片均密封于相同体积且有一定压力的环境空间中，这种方式可以避免灰尘附上镜片，降低镜片反射效率。反射镜在光束反射时会产生热量，可通过冷却水带走这部分热量，避免镜面的曲率发生变化，保证光路的恒定和精确的聚焦条件，且所有镜片的拆装和清洁非常简单。

（5）切割头。切割头的设计应做到简单快捷地更换不同焦距的透镜（5'和 7.5'焦距透镜），且在更换后，无须对任何光路系统进行调整。在切割头上安装有专业的用于防碰撞的保护系统，当切割头受到不同方向的外力撞击后，可以迅速恢复至原定工作位置，以此来保证了机床的加工精度。

3 结束语

数控激光切割机是一种高精度的工件机械。在机械结构的设计中，既要保证机械的稳定，又要兼顾激光光束的特性，又要兼顾人机的关系。为此，文章在对典型的数控激光切割机床进行结构优化的基础上，对其进行优化，最终达到满足实际加工要求的目的。