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智能制造背景下的激光切割头 自动控制成新趋势

来源:东北新闻网

  发布:Nick

关键词:激光切割头 自动控制 智能制造

2018-07-06

 

激光切割技术具有加工可控、高效率、高质量的特点,在工业加工上有着非常广阔的应用,如汽车工业、纺织机械、钣金加工等。激光切割可分为激光汽化切割、激光熔化切割、激光氧气切割和激光划片与控制断裂四类。由于我国的激光技术起步较晚,切割核心技术依赖于进口,这导致了国内在高端激光切割上的缓慢发展。

但是,近年来,随着“中国制造2025”的推动,激光切割技术也面临着变革和机遇。变革意味着激光企业不仅要加大切割技术的投入,还要顺应工业自动化的潮流,让激光切割更加的个性化;同时,激光企业也将迎来更大的机遇,激光切割技术在提高工业加工效率上有着不可替代的优势,工控技术的发展给激光行业带来更多的可能,切割技术未来将会拓展到更多的领域,对促进行业的发展功不可没。

据业内人士表示,未来激光切割将向着这些方向发展,高速、高精度的切割技术、厚板切割和大尺寸工件切割、三维立体多轴数控激光切割技术、无人化与自动化的激光切割技术成主要的研究方向。

激光切割头在激光切割中扮演着至关重要的角色

激光切割机是体现激光切割技术最直接的设备,它是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,最终使材料形成切缝,从而达到切割的目的。

智能制造背景下的激光切割头 自动控制成新趋势

激光切割机作为一种新兴的板材加工设备,经过不断的技术更新和工艺发展,激光切割工艺及激光切割机设备,正被广大板材加工企业所熟悉和接受,并以其加工效率高、加工精度高、切割断面质量好、可进行三维切割加工等诸多优势逐步取代等离子切割、水切割、火焰切割、数控冲床等传统板材加工手段。根据激光发生器的不同,目前市面上激光切割机大致可分为三种:CO2激光切割机、固体(YAG)激光切割机、光纤激光切割机。

喷嘴、聚焦透镜和聚焦跟踪系统的好坏关系着切割质量

在激光切割机的几项关键技术中,激光切割头的好坏直接影响到切割的质量,常见的激光切割机切割头由喷嘴、聚焦透镜和聚焦跟踪系统组成。

1、激光头喷嘴在激光切割中的作用

激光头喷嘴是光纤激光切割机床上最常用的易耗件,随着光纤激光切割技术的发展和广泛运用,这几年激光头喷嘴的需求大增。喷嘴的形式主要有平行式、收敛式和锥形式三种,切割质量与喷嘴的形式和喷头尺寸有着密不可分的关系。

第一个作用是收集电容信号,通过陶瓷环将其传送到信号处理器,信号处理器发出信号到机床控制中心,机床控制中心依据该信号做出反馈,调整激光头垂直方向的位置,从而保持切割过程中激光头对工件的距离跟踪;

第二个作用是用其内部形状,引导气体顺利通过被切割工件,并在喷嘴出口附件形成高压。喷嘴出口孔径越小,形成的气压越高。如果是氧化切割,高压氧气在通过喷嘴后,在工作面上一部分通过同被切割件发生氧化反应提供热量,加速切割;另一部分就高速通过切割面,带走熔渣并在切割面保持适当的压力,确保切割顺利进行。

第三个作用是保护激光头内部镜片。激光切割过程中,尤其是打孔时,常常有溶渣溅射,激光头喷嘴吹出的高压气体能将绝大部分的溅射物挡在外面,保护镜片免受伤害。

2、聚焦透镜与激光切割关系

聚焦透镜具有普通光学透镜的一般特性但又有其独特之处。利用它可以制成超短焦距的透镜,也可以在端面上形成实象,容易获得与物体同样大小的正立实象。

利用激光束的能量进行切割, 必须把激光器射出的原始光束经过透镜聚焦, 才能形成高能量密度的光斑。透射式透镜使用非常简单,激光束穿过该透镜时,透镜把激光束沿轴向聚焦到工件上。在常见的工业激光系统中,喷嘴都含有气体洗涤的功能,也就是在喷嘴处引入气体喷流,以帮助提高激光束和材料相互作用的性能,同时高速气流还起着与光学系统隔离的作用。气体喷流防止材料加工污染物进入喷嘴而污染透镜表面。反射式聚焦系统用了另加的光束折向器和后聚焦反射镜。在此条件中,有两个额外光学系统,即硒化锌窗和光束折向器,窗口的作用是使在喷嘴上面封离聚焦系统。

透射式聚焦头有两个主要优点,即光束易于调整和允许光束有偏心之类的小偏差,即允许光束偏心或角度偏离地射入透镜。反射式透镜头适用于高功率水平的场合,对大功率激光系统的应用很理想,产生的热透镜效应少,在苛刻的焊接环境下很耐用。理论上,抛物反射镜应把激光束聚焦到光束的衍射极限。衍射极限是对特定激光束直径和模式质量所能达到的最小焦斑。抛物面反射镜是最难调整的反射镜系统之一,因此,在高功率激光系统中,通常很难达到衍射极限的聚焦。对焊接来说,并非总是要求使用小光斑,因此,在此种应用中反射镜很合适。

近几年,市场对大功率激光器的需求上升,传统透镜焦深和焦斑存在制约关系,增加焦深必然引起焦斑尺寸的扩大,在很多情况下无法满足激光加工的要求,长焦深、高分辨的聚焦透镜成为了新的市场需求。

聚焦透镜的焦距和焦点位置都对激光切割质量有影响,高速切割薄型材料适合选用短焦长透镜,切割厚工件适合选用长焦长透镜。

3、聚焦跟踪系统在激光切割中的角色

激光切割机聚焦跟踪系统一般是由聚焦切割头和跟踪传感器系统组成。切割头包括导光聚焦、水冷、吹气以及机械调整部分组成; 传感器是由传感元件和放大控制部分组成。传感元件的不同,跟踪系统也不同。

目前,主要有两种形式的跟踪系统,第一种是电容式传感器跟踪系统, 又被称为非接触式跟踪系统;第二种是电感式传感器跟踪系统, 又被称为接触式跟踪系统。

激光头的工作流程是这样的,激光器产生激光,通过外光路传输,在切割头内经聚焦镜聚焦后,作用于被加工材料表面,将材料气化或者在切割气体(主要是氧化)辅助下形成熔池。切割辅助气体经过切割头(含喷嘴)导流后产生一个强有力的气流吹掉产生的熔渣,同时防止材料气化附着在聚焦镜的表面使其损坏,防止产生等离子体或者等离子体和气体的混合体。

智能制造时代新要求:自动调焦切割头受追捧

智能制造技术是工业自动化必须去研究的课题,就目前而言,市场上真正做到的并不多。以自动调焦切割头为例,国内以奥森迪科为主的激光切割头厂商已经有能力做到。

智能制造背景下的激光切割头 自动控制成新趋势

  (奥森迪科A310M切割头)

焦点控制指的是激光切割机在切割不同材料以及不同厚度的板材时,为了达到更好的切割效果,激光束的焦点都会设置在不同的地方,即称为我们所说的调焦。随着工控技术的突破,能进行自动调焦切割头在激光切割自动化中不可或缺。

在激光切割应用早起,调焦的主要方式是依靠手动来进行完成,如今随着激光技术的发展,这种手动调焦的方式已经逐渐淘汰,自动调焦功能已经开始慢慢得以实现。

激光切割头底部为喷嘴,在切割过程中,喷嘴高度不变,所以不能通过升降切割头来调焦。聚焦镜的焦距是不可改变的,所以也不能指望通过改变焦距来调焦。如果改变聚焦镜的位置,则可改变焦点位置:聚焦镜下降,则焦点下降,聚焦镜上升,则焦点上升,这是调焦的一种方式。采用一个电机驱动聚焦镜作上下运动,可以实现自动调焦。

另一种自动调焦的方法是在光束进入聚焦镜之前,置一变曲率反射镜,通过改变反射镜的曲率,改变反射光束的发散角度,从而改变焦点位置。

有了自动调焦功能,在加工不同材质、不同厚度的工件时,机器可自动将焦点快速调整到最合适的位置,这样可以显著提高激光切割机的加工效率,厚板穿孔时间也会大幅缩减。所以,对于激光切割机而言,自动调焦功能是一项重要并不可缺少的功能。

智能制造背景下的激光切割头 自动控制成新趋势

  (奥森迪科A200E-QBH切割头)

自动化切割头这几年在国内的使用率越来越高,但之前由于价格较高,很多国内厂商在采购时对此犹豫不决。随着国内厂商在自动化切割技术上的投入,以奥森迪科等为主的国内厂商在自动化切割头技术上取得了很多突破。

自动化切割头与数控系统的结合,让激光切割更加“智能”

自动调焦切割头的出现让激光切割技术更进一步,在推动激光切割自动化上,它扮演者不可或缺的角色,而拥有与之配套的数控系统则让激光切割更加“智能”。

自动调焦切割头的主要优势在于通过数控系统,动态调节焦点位置、气压大小和跟随高度,从而实现切割工艺的自动化调节;这样既实现了普通手动切割头无法完成的工艺要求,又可将复杂工艺过程固化到数控系统中。

激光切割数控系统与自动调焦切割头以及激光器等其他智能设备的紧密配合,才能使激光切割加工变得“智能”。

作为国内专业从事激光切割聚焦系统、机床运动控制系统和设备物联网研发与制造的科技型企业,奥森迪科凭借在机械设计、自动化控制和工程光学方面多年的研究与技术积累,推出“激光切割+多轴运动控制系统+设备管理云平台”三位一体的激光切割应用解决方案,使生产制造真正实现智能化,效率更高、成本更低、功能更全,是客户追求核心竞争力和利益最大化的最佳选择。

智能制造背景下的激光切割头 自动控制成新趋势

据悉,奥森迪科的激光切割应用解决方案分为A-cutter系列光纤切割头、激光切割数控系统、Au3tech数控云平台三部分组成。

奥森迪科助力激光切割自动化

2018年对于激光产业而言,可谓是快速增长的一年。据相关数据统计,随着我国激光应用领域的不断扩展以及应用深度的加大,未来行业需求前景看好,预计行业规模复合增速在10%以上。新的应用场景对激光切割技术的要求更高,这要求激光切割机厂商提升自身技术,顺应新的市场潮流,抢占新的商机,运用激光切割自动化的技术已经刻不容缓。

据悉,武汉奥森迪科智能科技股份有限公司是一家专业从事工业激光聚焦系统及自动化控制系统设计、开发、销售的高新技术企业,成立于2011年。公司以工业激光聚焦系统为业务重点,融合机械设计、自动化控制和工程光学三大技术领域。

激光切割面临的机遇与挑战

总结:任何一项技术的普及都需要一个过程,随着中国对激光加工的需求增长,激光切割技术的自动化更加显得重要。激光切割头在激光切割技术中扮演着至关重要的角色,而高质量的自动调焦切割头技术无疑是推动这个行业的加速剂,未来它将在促使激光切割技术自动化上扮演着中流砥柱的作用。

近几年,随着国家的重视以及企业对核心技术的投入等,国内在尖端激光切割技术上也取得了一些成绩,如激光切割头技术,这些进步离不开企业自身的努力。当然,我们也得清晰地认识到,在激光切割核心技术上,我们离国际顶尖水平仍有差距,技术研发上还有很长的路要走,但相信在不久的将来,我们在技术上将更加有底气。