激光切割技術(shù)發(fā)展的目標。
2 發(fā)展數(shù)控激光切割機產(chǎn)業(yè)的重要意義及其市場分析
2.1 發(fā)展數(shù)控激光切割機產(chǎn)業(yè)的重要意義
在高功率數(shù)控激光切割成套設(shè)備開發(fā)及制造方面，經(jīng)過十幾年的發(fā)展，我國激光切割技術(shù)及裝備從無到有，已逐步形成一定產(chǎn)業(yè)規(guī)模。2007年國內(nèi)大型激光切割設(shè)備的銷售額達到15億元，在中低端產(chǎn)品方面基本占領(lǐng)國內(nèi)市場，并有部分產(chǎn)品出口。但與美國、歐盟、日本等發(fā)達國家相比，我國的激光切割設(shè)備仍然停留在低端產(chǎn)品階段，而且高功率激光器、激光專用控制系統(tǒng)、激光光束傳輸控制、激光切割專有技術(shù)等絕大部分核心技術(shù)還依賴進口。目前，國際上德國通快TRUMPF公司、瑞士百超BYSTRONIC和意大利PRIMA等國際知名公司已經(jīng)開發(fā)出大功率、大幅面、高速、飛行光路、多維立體、數(shù)控自動的激光切割機。在高端激光切割系統(tǒng)領(lǐng)域，我國與國際先進水平存在較大差距，產(chǎn)品基本依賴進口，每年不得不花費數(shù)十億元從國外引進相關(guān)技術(shù)與設(shè)備。如船舶制造業(yè)中厚鋼板的激光切割設(shè)備、三維立體激光切割設(shè)備、有色金屬激光切割設(shè)備等，引進價格昂貴、訂貨周期長、售后服務(wù)無法及時保證，嚴重制約了我圍困民經(jīng)濟的發(fā)展。并且由于國外在該領(lǐng)域出口對我國有明確的限制，采用許可證制度，嚴格規(guī)定該項技術(shù)不能用于軍工、航空航天等領(lǐng)域，因此我國急需突破該項技術(shù)。
隨著我國船舶、汽車、航空航天、鋼鐵、發(fā)電設(shè)備等行業(yè)的快速發(fā)展，全球制造業(yè)的中心向我國轉(zhuǎn)移，我國數(shù)控激光切割成套設(shè)備市場需求年增長速度達到50%以上，數(shù)控激光切割技術(shù)更以其柔韌性和靈活性在薄板加工領(lǐng)域逐步取代了傳統(tǒng)加工手段。針對汽車、船舶、航空、航天、鋼鐵、能源設(shè)備等行業(yè)急需的激光切割設(shè)備，攻克大幅面高精度數(shù)控激光切割的床身機械設(shè)計、基于高速切割的直線電機驅(qū)動及相關(guān)運動系統(tǒng)、基于5軸聯(lián)動三維激光切割技術(shù)、高功率光束傳輸技術(shù)、數(shù)控切割軟件、厚板激光切割技術(shù)等技術(shù)難題，解決高功率激光器、激光傳輸控制、精密機床、數(shù)控系統(tǒng)等核心技術(shù)，開發(fā)高速高精度激光切割機、大幅面厚板激光切割機、三維立體數(shù)控激光切割機、航天航空用有色金屬激光器切割機等高性能激光切割系統(tǒng)，對打破國外廠家在該領(lǐng)域的壟斷，實現(xiàn)進口替代，節(jié)約外匯儲備，滿足國內(nèi)市場的需求，積極帶動我國關(guān)鍵行業(yè)裝備制造業(yè)的快速健康發(fā)展具有重要意義。另外，還可帶動相關(guān)產(chǎn)業(yè)鏈的延伸與發(fā)展，大力推動大功率激光器、光學零部件、導光系統(tǒng)、數(shù)控系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、精密機械加工、精密儀器儀表、電子元器件、計算機軟件等上游產(chǎn)業(yè)鏈的技術(shù)進步和產(chǎn)業(yè)升級。
2.2 數(shù)控激光切割機的市場應(yīng)用現(xiàn)狀和前景分析
高功率數(shù)控激光切割成套設(shè)備全球累計擁有量已達35000臺(套)左右，而我國目前高功率數(shù)控激光切割成套設(shè)備的擁有量為1500臺左右。隨著裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，我國數(shù)控激光切割成套設(shè)備已進入快速增長期，年增長率達50%以上。應(yīng)用行業(yè)包括：汽車、船舶、航空、核工業(yè)、機械制造、鋼鐵、紡織、石油、激光加工中心等。
在2006年全國激光加工學術(shù)年會上，專家們認為：到“十一五”末期，我國每年至少需要1500多臺套高功率數(shù)控激光切割機，到“十二五”末期，我國高功率數(shù)控激光切割機市場需求量將達到10000臺套，其中除了通用激光切割機之外，對高速高精度激光切割機、大幅面厚板激光切割機、三維立體數(shù)控激光切割機、航天航空用有色金屬激光器切割機等高性能激光切割系統(tǒng)的需求也與日俱增。
國外汽車生產(chǎn)過程中，普遍采用三維激光切割機對覆蓋件、門板等進行精確切邊。再采用激光焊接機械手進行高質(zhì)量自動焊接，不僅確保產(chǎn)品質(zhì)量，而且生產(chǎn)效率極高。在樣車開發(fā)和小批量生產(chǎn)中，高度柔性的激光三維切割取代大量的沖孔和修邊模具，不僅節(jié)省大量模具，同時使新車型的開發(fā)周期大為縮短。在歐洲，幾乎所有汽車制造廠在汽車研制開發(fā)和生產(chǎn)中均的采用激光加工。激光制造技術(shù)在汽車制造中應(yīng)用的廣度和深度已經(jīng)成為汽車工業(yè)先進性的重要標志。國內(nèi)已有汽車生產(chǎn)企業(yè)引進激光切割和激光焊接生產(chǎn)線，其他企業(yè)在未來的發(fā)展規(guī)劃中也都有引進計劃。三維激光切割機對提高新車型開發(fā)速度具有重要的促進作用。
開發(fā)高精度三維激光切割機，對提高我國航天航空技術(shù)裝備水平具有重要的戰(zhàn)略意義。國防軍事裝備對高性能激光切割機的需求更為迫切，如三維立體激光切割機在直升飛機螺旋槳曲面加工中的應(yīng)用，可以大大縮短產(chǎn)品試制時間，提高部件性能。
在世界市場上，激光切割機正在向高功率、大幅面、厚板材方向發(fā)展。切割焊接是造船行業(yè)最基礎(chǔ)的加工工藝，目前我國船用鋼板切割一般采用火焰切割、等離子切割，由于精度有限，特別是對特殊材料的甲板和船體材料，許多國外大型造船廠普遍采用大幅面厚板材激光切割機，國內(nèi)造船企業(yè)已經(jīng)開始進行設(shè)備選購，特別是特種用途的船艇，采用激光切割已經(jīng)成為一種必須的加工手段。預計在未來5-10年，這一應(yīng)用行業(yè)的生產(chǎn)需求極大。隨著“精密造船”時代的來臨，高功率CO2激光切割技術(shù)及裝備在先進國家造船業(yè)得到了越來越廣泛的普及應(yīng)用。
大幅面厚板材激光切割機在其他重要行業(yè)也有迫切的需求，如航空航天發(fā)動機轉(zhuǎn)子轂的切割、鋼鐵冶金行業(yè)熱軋鋼坯的激光切割、坦克、裝甲車厚裝甲精密切割、發(fā)電設(shè)備中發(fā)電機組轉(zhuǎn)子的精密切割等。
隨著我國鐵路建設(shè)、公路建設(shè)、水利建設(shè)、水電建設(shè)、能源、礦山建設(shè)、建筑業(yè)等重大工程的推進，到2015年，我國工程機械市場需求量將達到2000億元以上，大幅面厚鋼板激光切割機將在我國工程機械行業(yè)得到普遍應(yīng)用。2007年，國內(nèi)某著名重工機械企業(yè)對27臺3m×30m大幅面20mm厚鋼板激光切割機進行招標，由于國內(nèi)激光企業(yè)無廠家符合技術(shù)要求，所有訂單都被國外廠家獲得。另一重工企業(yè)需求6臺3m×30m大幅面20mm厚鋼板激光切割機。也全部由國外廠家中標，僅此兩家合同金額就高達2億元。
全球激光制造技術(shù)發(fā)展飛速，我國與國際激光技術(shù)水平的差距有所增大，高端的激光加工成套裝備幾乎全部依賴進口，致使國外激光制造裝備在我國市場的占有率高達70%。預計未來10年內(nèi)，我國對這些高性能激光切割系統(tǒng)的市場需求量將達到100億元。如此迫切和巨大的市場需求反應(yīng)出激光加工的手段已經(jīng)覆蓋到國民經(jīng)濟各個重要領(lǐng)域，同時也影響著國防、航空航天等關(guān)鍵技術(shù)的突破，我們不僅僅是解決目前國內(nèi)該產(chǎn)品的空白，同時也旨在解決激光加工領(lǐng)域多層面技術(shù)核心問題，如激光數(shù)控、激光機床新型結(jié)構(gòu)、高質(zhì)量激光加工的技術(shù)瓶頸等。
3 技術(shù)現(xiàn)狀、發(fā)展趨勢以及需突破的共性關(guān)鍵技術(shù)
3.1 國外數(shù)控激光切割技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢
目前，國際上有代表性的激光切割設(shè)備制造商有：德國通快TRUMPF公司，瑞士百超BYSTRONIC，意大利PRIMA，美國WHITNEY公司和日本TANAKA公司等，他們的代表性技術(shù)如下表。這些國際知名公司已陸續(xù)開發(fā)出了大功率、大幅面、高速、飛行光路，三維立體、數(shù)控自動的激光切割機，并且每年都在推出新的機型。如百超2002年推出加速度2g，2007年推出3g的高速機床，技術(shù)發(fā)展之迅速可見一斑。
隨著激光切割的逐步普及，市場要求進一步提高切割效率(高速切割)、降低待機時間(自動上下料系統(tǒng))、擴大應(yīng)用面(向三維立體切割、厚板、高反射材料發(fā)展)、降低運行成本(降低電耗)等。國外激光切割技術(shù)發(fā)展趨勢有：
3.1.1 高速度
在設(shè)備的運行速度上，目前多家企業(yè)競相開發(fā)高速高精度切割機，用以取代機械沖床，例如瑞士百超激光有限公司推出的BYSPEED機型，切割速度可達40m/min，加速度為3g，可切割20 mm的不銹鋼，12mm的鋁合金和6mm的紫銅等，其電耗僅60kW，機器有效利用率可達95%，在薄板加工效率上與沖床相當。
普瑞瑪工業(yè)公司最新推出的SYNCRONO機床則采用了一種與眾不同的全新設(shè)計理念，首次在激光切割設(shè)計中引入了并聯(lián)機床的概念，并將兩臺機床合二為一：一臺具有極高動態(tài)性能和極輕重量的小型切割機床(切割頭)和一臺負責在大加工范圍內(nèi)移動的大型傳統(tǒng)機床，兩者之間通過數(shù)控實現(xiàn)完美的同步運動和最佳的加工效率優(yōu)化。由于切割頭部分的重量極輕，故能實現(xiàn)非常高的動態(tài)性能，同時機床還采取了特殊的動態(tài)平衡設(shè)計和專門優(yōu)化的驅(qū)動控制算法，使其在高速運動的同時軌跡光滑且完全避免了振動。這種設(shè)計的結(jié)果使SYNCRONO機床達到了一種超乎想象的加T效率，其切割時的加速度可達6g，一分鐘內(nèi)可以切割1000個孔，幾乎比目前市場上最快的切割機還要快一倍。同時其運行成本遠遠低于對手，實際上，SYNCRONO正在開創(chuàng)一個激光切割新時代。
3.1.2 多自由度
激光切割機廣泛地應(yīng)用到復雜曲面，工件的加工，如激光切割機器人、專門用于管材切割的2.5D激光切割機、3D光纖傳輸激光切割機等。
以前的三維激光切割機只能進行汽車內(nèi)飾件的切割，無法加工金屬沖壓件。普瑞瑪工業(yè)公司創(chuàng)造性地將電容式傳感器集成到三維激光切割設(shè)備中，使機床可以自動適應(yīng)沖壓件彈性變形造成的誤差，從而使三維激光切割技術(shù)真正成為汽車車身加工的一種精密、靈活的加工手段，廣泛應(yīng)用于汽車、航天航空工業(yè)、工程機械、模具、健身器材、鈑金加工等制造領(lǐng)域。
3.1.3 大幅面大厚板
目前，國際上出現(xiàn)了“精密造船”的概念，美國、歐盟、日本、韓國等圍家和地區(qū)的船舶制造普遍采用高功率激光切割技術(shù)。目前國外主流大幅面激光切割機一般采取機載激光器結(jié)構(gòu)，加工幅面為3m×25m，切割板厚可達到40mm，在船舶、艦艇等行業(yè)得到越來越多的應(yīng)用。
3.1.4 智能化
進一步把激光器與計算機數(shù)控技術(shù)、先進的光學系統(tǒng)以及高精度和自動化的T件定位相結(jié)合，將自動排料、切割工藝數(shù)據(jù)庫、遠程診斷、遠程控制集成一體，把激光切割的功能部件與其他加工方法組合，制成如激光沖床等多功能加工機，更符合工廠復雜加工高效的需要，它兼有激光切割的多功能性和其他加工形式的高速高效的特點，可同時完成切割、打孔、打標、劃線、成形等。
3.2 國內(nèi)數(shù)控激光切割技術(shù)發(fā)展方向
近幾年來，我國在數(shù)控激光切割技術(shù)裝備領(lǐng)域發(fā)展迅速，二氧化碳激光器功率達到4kW，加工幅面從3015到6030都能實現(xiàn)，各種光路設(shè)計都已成熟應(yīng)用，在驅(qū)動方面普遍采用直線電機伺服系統(tǒng)，國產(chǎn)數(shù)控激光切割設(shè)備已經(jīng)具備較強的市場競爭能力。
隨著激光切割技術(shù)應(yīng)用的迅速普及，市場空間不斷拓寬。我國數(shù)控激光切割技術(shù)裝備的發(fā)展重點應(yīng)關(guān)注以下領(lǐng)域：
3.2.1 開發(fā)高速高精數(shù)控激光切割設(shè)備
掌握3g以上加速度運動系統(tǒng)的設(shè)計與制造技術(shù)和高精高速下機床運動系統(tǒng)的設(shè)計與制造技術(shù)。定位速度120～180 m/min，切割速度50～80m/min，切割表面粗糙度小于6.3μm，切割頭定位精度±0.02 mm/m，重復定位精度0.01mm/m，用于激光高速切孔時，切割速度達到1000孔/min。
3.2.2 開發(fā)高精度三維激光切割設(shè)備
掌握三維立體激光切割機機床的設(shè)計與制造、立體激光切割頭的設(shè)計與制造技術(shù)、三維立體激光切割工藝，開發(fā)配套三維CAD/CAM軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)復雜曲面的激光切割。定位精度≤±0.05mm，重復精度≤±0.015mm。快進速度≥25m/min;A/B軸轉(zhuǎn)角范圍3600/±135°，轉(zhuǎn)角精度≤0.015°，重復精度≤0.005°。
3.2.3 開發(fā)大幅面厚板激光切割設(shè)備
掌握遠光程激光傳輸技術(shù)、厚板切割T藝、高功率激光光路設(shè)計與制造技術(shù)，實現(xiàn)大幅面厚板材的激光切割。激光切割機床X/Y/Z行程>130000mm/6000mm/150mm，定位精度≤±0.05mm.重復精度≤±0.015mm，快進速度≥25m/min，切割板厚40mm。
3.2.4 開發(fā)特種行業(yè)專用激光切割設(shè)備
掌握特種材料特種加工需求下對激光切割機的設(shè)計與制造技術(shù)，完成鋁合金、鈦合金、鎂合金、銅合金1-10mm的切割工藝。
3.3 數(shù)控激光切割需突破的關(guān)鍵共性技術(shù)
3.3.1 激光切割機機械結(jié)構(gòu)設(shè)計與驅(qū)動技術(shù)
激光切割機的橫梁，有單懸臂式、龍門式、龍門倒掛式等，機床結(jié)構(gòu)要求具有高剛性和高穩(wěn)定性。橫梁設(shè)計時必須輕巧靈活，符合高速度激光切割時的運動平穩(wěn)性與橫梁運動的高精度。這些是實現(xiàn)激光精密切割的基礎(chǔ)。
3.3.2激光切割機數(shù)控技術(shù)
結(jié)合激光切割的專有特點，采用穩(wěn)定可靠的通用數(shù)控系統(tǒng)作基礎(chǔ)，經(jīng)過二次開發(fā)，開發(fā)出具有自主版權(quán)的激光切割控制系統(tǒng)。具備激光專有控制功能，如激光功率坡調(diào)、Z浮功能控制、自動調(diào)焦功能;在高速運行下良好的機床運動控制性能;具備遠程診斷與控制功能，機床控制一體化(激光器控制、氣路控制、光路控制)，符合大幅面激光切割的運算判斷等，人機界面友好、語音提示、方便操作和維護。
3.3.3 高功率激光光束傳輸聚焦技術(shù)
光束質(zhì)量是激光切割質(zhì)量的關(guān)鍵，關(guān)鍵技術(shù)包括：專有光束質(zhì)量控制、光束半徑調(diào)整、束腰補償、視頻光束校準系統(tǒng)等。專有光束質(zhì)量調(diào)整系統(tǒng)包括自適應(yīng)光學系統(tǒng)，以優(yōu)化光束形狀。光束半徑調(diào)整要實現(xiàn)自適應(yīng)光學系統(tǒng)可以自動維持程序里的光束聚焦點。如在切割低碳鋼時，自動輸出非常細的光束聚焦點，切割不銹鋼時，自動輸出寬一些的聚焦點。激光光束不是平行的，當切割頭在切割范同移動時，光斑直徑改變。要維持好的切割質(zhì)量，就需利用腰束補償維持光斑直徑不變，控制系統(tǒng)通過自動調(diào)整束腰的位置來保持激光束在焦點處最優(yōu)的光斑。視頻光路校準系統(tǒng)是利用視頻技術(shù)和微調(diào)裝置，使操作者可以在不用打開任何蓋子的情況下檢查光路，保證所有的光學鏡片位置準確。該功能主要優(yōu)勢，一是安全：不需要打開光路，避免了在光路檢查過程中接觸激光的危險;二是可靠：檢查的過程迅速可靠，讓光路系統(tǒng)保持最優(yōu)的切割狀態(tài);三是維修簡單：可以實時察看目標位置，省去了很多操作，可以更快地維修和調(diào)整。
3.3.4激光切割專有技術(shù)
激光切割專有技術(shù)有：邊緣監(jiān)測、電容高度跟蹤、切割監(jiān)測、穿透檢測等。邊緣監(jiān)測技術(shù)可以使切割頭定位在板材合適的邊緣位置，自動監(jiān)測其位置和方向。穿透檢測技術(shù)是指使用相同的傳感器來確定光束是否已經(jīng)穿透了板材，這樣可以得到最高質(zhì)量的穿透效果，同時又節(jié)省時間。切割監(jiān)測技術(shù)是指機器在無人看管的情況下也可以正常進行切割加工，若因故使切割不能正常運行，切割監(jiān)測系統(tǒng)可以識別，系統(tǒng)軟件會確定其原因并做出反應(yīng)，包括停止、折回及簡單調(diào)整功率，以獲得更好的效果。電容高度跟蹤技術(shù)是通過電容系統(tǒng)來完成，高頻率通過噴嘴處金屬部件的電容系統(tǒng)傳送到切割頭上，當切割工件與切割頭金屬部件的距離改變時，頻率也會按比例發(fā)生改變，CNC控制器通過這一信息來調(diào)整Z浮到其最合適的位置。
3.3.5 激光切割專用CAD/CAM軟件系統(tǒng)
為配合激光切割的圖形轉(zhuǎn)換，需要開發(fā)設(shè)計專門的CAD/CAM軟件系統(tǒng)，該軟件系統(tǒng)能將從CAD系統(tǒng)獲得的幾何信息轉(zhuǎn)換成NC代碼，通過USB口或通信系統(tǒng)將NC代碼傳入CNC系統(tǒng)，供設(shè)備正常切割使用。CAD/CAM軟件系統(tǒng)所產(chǎn)生的NC代碼具有激光切割的全部特有功能，使編寫復雜零件程序的工作變得簡單流暢，編輯和修改也非常方便。
3.3.6 厚板高功率激光切割頭設(shè)計制造
研制開發(fā)長焦深高功率激光多維立體切割頭時，切割頭應(yīng)該配備雙聚焦鏡組件、帶靈敏可靠的Z浮部件、良好的水冷裝置和空氣冷卻裝置，能承受約2533kPa的輔助氣體壓力，達到切割厚度30～40mm的需要。
3.3.7 激光切割工藝研究
通過進行大量的切割工藝試驗，形成材料、環(huán)境、工藝參數(shù)如激光器功率、輔氣氣壓大小以及種類、切割速度、焦點位置以及切割的起始位置等切割工藝數(shù)據(jù)庫，尤其是針對曲面切割、鈦合金切割、厚板材切割等工藝，操作者只需在對話框中按照提示輸入基本參數(shù)和信息，系統(tǒng)就會自動調(diào)用數(shù)據(jù)庫資料，完成切割參數(shù)設(shè)置。
4 結(jié)束語
數(shù)控激光切割是理想的切割加工手段，代表現(xiàn)代金屬加工技術(shù)的發(fā)展方向。數(shù)控激光切割設(shè)備在國內(nèi)外市場有著極其廣泛的市場需求。我國在數(shù)控激光切割技術(shù)和裝備方面與國外有一定差距，但近幾年來發(fā)展迅速。今后發(fā)展方向應(yīng)該立足高起點，在高速高精激光切割、大幅面激光切割、三維激光切割、特種材料激光切割等領(lǐng)域進行關(guān)鍵共性技術(shù)研究開發(fā)，形成產(chǎn)業(yè)化，從而滿足日益增長的市場需求。
