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空间曲线加工中三维激光切割技术应用分析

导读: 激光切割技术近年来发展比较迅速,由于其具有切割尺寸精度高、切口无毛刺、切缝不变形、切割速度快且不受加工形状限制等特点,目前已越来越多地应用于机械加工领域。

  激光切割技术近年来发展比较迅速,由于其具有切割尺寸精度高、切口无毛刺、切缝不变形、切割速度快且不受加工形状限制等特点,目前已越来越多地应用于机械加工领域。三维激光切割更是以其先进、灵活、快速的特点,在国外的航空航天和汽车工业中得到了广泛的应用。使用三维激光切割,不仅可以节省样板及工装设备,还大大缩短了生产准备周期。但国内目前大多数的激光切割机只用于二维平面切割,三维激光切割设备在国内还比较少。本文以国内使用相对比较多的PRIMA三维激光切割机为例,对三维激光切割的原理、特点,以及在航天制造业中的发展和应用进行简要的介绍。

  1 激光切割三维空间曲线的技术难点

  (1)激光束的方向

  为了保证切割的精度和切口的质量,无论是在平面切割还是在三维切割中,激光束的方向要始终和被切割的对象保持垂直,即在加工过程中激光束要处在曲线的法向或与曲线所在的面保持垂直。在二维切割中,由于曲线是在同一个平面内的,激光束始终和曲线所在平面保持垂直,因此这一点很容易做到。但在三维切割中,曲线处在不同的面内,而且曲线的方向是不固定的,在加工过程中其方向始终都在变化,如图1(a)所示,AB为空间内任意一曲线,在加工中要保证激光柬始终与曲线保持垂直,因此如何使激光束始终和被切割的曲线保持垂直是解决三维空间曲线切割的一个重要问题。

图1 切割任意曲线时激光头的方向和路径示意图

  (2)激光切割焦点的位置在切割过程中要保证

  焦点和零件表面的相对位置保持不变,即喷嘴和零件表面的距离始终保持一致,见图1(b)。在二维切割中,所要加工曲线始终在一个平面内进行加工,这一点很好保证,而在三维加工中,由于构成空间曲线的特征处在不同的曲面中,如何使喷嘴中心和零件表面的距离保持不变是需要解决的另一个重要问题。

  (3)将空间曲线的特征转化为激光切割数据同

  二维曲线不同,三维空间曲线是由处在不同面内的多段特征组成的,各个特征之间也没有太大的联系,在加工过程中可能要先后在多个面内进行切割,如何简单快捷地反映三维曲线的特征并将其转换为激光切割数据是三维激光切割所要解决的最重要的问题。这也是三维激光切割技术在实际应用中最复杂的一步。

  2 三维激光切割机床的特点

  (1)三维激光切割机床的主要结构三维激光切割机采用的是飞行光路设计,即加工过程中工件不动,靠激光头运动来完成。其传感器结构采用的是非接触式的电容传感器,激光头和零件分别作为两极。激光头是三维五轴联动的,即X、Y、Z三个基本坐标轴和A、B两个旋转轴以及用于调整焦点的C轴(图2)。从图中可以看到同二维激光切割机有所不同,三维激光切割多出了两个旋转轴,其中A轴可以作360°旋转,B轴则可以在±135°范围内摆动。此外还提供了用于三维编程的手执盒。

图2 三维激光切割机激光头结构

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