目前，生產(chǎn)三維五軸激光切割機主要廠(chǎng)家有德國、意大利、日本等國外制造企業(yè)，國內只有較少的公司。國外企業(yè)由于生產(chǎn)較早，產(chǎn)品成熟，性能穩定，市場(chǎng)客戶(hù)認可度極高。日本兩家公司只生產(chǎn)低速度、低加速度的三維五軸CO2激光切割機，其生產(chǎn)效率較低，能耗較高，無(wú)法滿(mǎn)足汽車(chē)熱成形生產(chǎn)線(xiàn)生產(chǎn)效率的要求。經(jīng)過(guò)我們研究攻破關(guān)鍵技術(shù)，掌握核心技術(shù)，既生產(chǎn)低速度、高精度的三維五軸光纖激光切割機，又生產(chǎn)高速度、高精度的三維五軸光纖激光切割機，技術(shù)緊跟國外一流標準，成為目前市場(chǎng)上三維五軸光纖激光切割性?xún)r(jià)比很高的產(chǎn)品，解決了三維五軸光纖激光切割機關(guān)鍵核心技術(shù)：

1．機床結構優(yōu)化設計及動(dòng)態(tài)設計

對整機結構進(jìn)行CAE有限元分析，結合動(dòng)、靜態(tài)剛度，靜態(tài)強度，熱特性進(jìn)行分析，得到整機最佳的剛度場(chǎng)與溫度場(chǎng)，經(jīng)過(guò)反復測試及驗證，進(jìn)行設計改進(jìn)，分析理論值與實(shí)際測試值數據的差異化的因素，當理論值與實(shí)際測試值數據基本吻合，最終獲得整機既經(jīng)濟又輕量的結構設計。機床結構優(yōu)化設計及動(dòng)態(tài)設計方框圖與機床結構圖如圖2所示。

 機床結構優(yōu)化設計及動(dòng)態(tài)設計方框圖與機床結構圖

2．提高動(dòng)態(tài)性能和穩定性

對高速度、大慣量、大尺寸的部件進(jìn)行CAE有限元模態(tài)分析，對結合面阻尼、局部剛度、質(zhì)量分布進(jìn)行分析，采取隔振、減振、抑振措施，對結構進(jìn)行設計改進(jìn)及優(yōu)化，經(jīng)過(guò)反復測試驗證，獲取動(dòng)態(tài)性能和穩定性良好的移動(dòng)部件，確保產(chǎn)品的動(dòng)態(tài)性能與穩定性。提高動(dòng)態(tài)性能和穩定性方框圖與模態(tài)分析圖分別如圖3 、圖4所示。

 提高動(dòng)態(tài)性和穩定性方框圖與模態(tài)分析圖

 模態(tài)分析數據圖

3．提高高速度、高精度定位

對電機及伺服進(jìn)給驅動(dòng)系統進(jìn)行測試及有限元分析，結合定位精度、響應速度、熱特性、電機剛性進(jìn)行分析及優(yōu)化，并跟蹤特性分析，對數控系統多軸聯(lián)動(dòng)進(jìn)行誤差補償，獲得高速度，高精度定位。伺服驅動(dòng)系統分析方框圖如圖5所示。

伺服驅動(dòng)系統分析方框圖

4．解決無(wú)限旋轉三維切割頭核心技術(shù)

精密的光學(xué)計算，制定系統幾何的空間算法，研制360°無(wú)線(xiàn)旋轉三維切割頭，自主創(chuàng )新，擁有核心技術(shù)，是繼國外三家企業(yè)后，第四家能夠生產(chǎn)360°無(wú)線(xiàn)旋轉三維切割頭的廠(chǎng)家，打破了國外技術(shù)壟斷。360°無(wú)線(xiàn)旋轉三維五軸切割頭如圖6所示。

  360°無(wú)線(xiàn)旋轉三維五軸切割頭

對三維五軸切割頭產(chǎn)品，解決如下關(guān)鍵及核心技術(shù)：

（1）三維五軸無(wú)限旋轉切割頭水、氣、光通路的密封

三維五軸切割頭加工時(shí)運動(dòng)軌跡較為復雜，通過(guò)C軸（無(wú)限旋轉）機械傳動(dòng)部分傳輸的管道有光路、水路、氣路、電信號通路。由于C軸為無(wú)限旋轉結構，上述通道無(wú)法采用管道式的結構，需設計特定的旋轉式通道結構傳輸。隨之而來(lái)的問(wèn)題就是要解決運動(dòng)通道水、氣、光的動(dòng)密封性。

為突破此重大障礙，在多種備選設計方案中選擇水、氣、光、電各通道獨立傳輸的旋轉機械結構；針對C軸各旋轉傳輸通路對密封元件技術(shù)要求，開(kāi)發(fā)以新型材料為基礎設計的旋轉通道密封元件，元件設計充分地考慮了耐磨性、密封性和元件與管道動(dòng)摩擦力等綜合因素的平衡；結合理論與經(jīng)驗的指導適當調整密封元件與被密封通路的公差配合，成功地實(shí)現集成多個(gè)密封傳輸通道的高速無(wú)限旋轉C軸部件。經(jīng)過(guò)大量實(shí)驗驗證自主研發(fā)的高速旋轉密封元件性能已達到國外同類(lèi)產(chǎn)品水平。

（2）三維切割頭高速旋轉下電信號抗干擾屏蔽技術(shù)

采用傳統的線(xiàn)纜在旋轉軸中傳輸電信號會(huì )因軸的旋轉將線(xiàn)纜纏繞甚至拉扯斷裂，多路電信號同時(shí)在間距較小的空間內傳輸也會(huì )有信號互相串擾的風(fēng)險。為了避免此類(lèi)問(wèn)題并保證多路電信號的抗電磁干擾傳輸，根據多路電信號通路的技術(shù)規格，首創(chuàng )的獨特電滑環(huán)結構設計，突破多路電信號在高速旋轉軸上的抗干擾傳輸。

5．在線(xiàn)修改軟件技術(shù)

自行開(kāi)發(fā)的在線(xiàn)修改程序軟件，修改程序尺寸更加方便、快捷，換件速度快，提高了生產(chǎn)效率，節約了生產(chǎn)成本。在線(xiàn)修改軟件如圖7所示。

  在線(xiàn)修改軟件

6．基于具備RTCP功能數控三維五軸光纖切割系統集成應用技術(shù)研究

（1）研究三維五軸光纖激光切割裝備硬件集成系統結構，分析具備RTCP功能數控系統的軟硬件接口，設計三維五軸光纖激光切割中各加工部件的系統集成控制方案。

（2）研究RTCP功能數據。三維五軸光纖激光切割系統由三大功能塊組成，分別是加工控制模塊、離線(xiàn)編程模塊以及激光切割工藝數據庫。結合加工裝備的硬件集成，面向三維五軸光纖激光切割工藝的軟件二次開(kāi)發(fā)，給予PC工控平臺設計數控系統控制類(lèi)函數，開(kāi)發(fā)三維五軸光纖激光切割控制應用程序接口，實(shí)現三維五軸光纖激光切割機床運動(dòng)控制以及工藝調節等功能。

（3）基于三維空間映射對三維五軸激光加工機床進(jìn)行運動(dòng)學(xué)分析，同時(shí)設計切割頭運動(dòng)仿真。

（4）開(kāi)發(fā)基于HMI的PC平臺的數據庫，并結合功能需求利用SQL進(jìn)行數據庫的具體功能設計，實(shí)現數據庫的修改、添加、查詢(xún)、瀏覽以及刪除等功能。

7．三維復雜曲面激光切割工藝的研究

（1）分析外光路模式，對光路進(jìn)行整形補償，確保最佳切割光束模式，開(kāi)發(fā)三維五軸激光切割專(zhuān)用工藝控制軟件。

（2）研發(fā)快速穿孔、切割狀態(tài)控制反饋技術(shù)，同時(shí)開(kāi)發(fā)碳鋼厚板尖角切割、厚板極限切割小孔、高功率光纖氮氣切割中薄板碳鋼工藝方法、復雜圖形及圖片處理與應用等工藝方法，攻克復雜圖形及小輪廓加工的工藝技術(shù)難題。

（3）研究激光切割控制方法、激光切割速度控制方法、轉角的激光切割方法。對三維覆蓋件誤差補償、三維覆蓋件拐角切割質(zhì)量控制和平板上尖角切割質(zhì)量的控制方法進(jìn)行研究。

（4）開(kāi)發(fā)基于CC編譯循環(huán)的Z軸仿形控制技術(shù)，圖形預覽及軌跡同步顯示技術(shù)，基于圖形預覽的靈活介入和靈活補切技術(shù)，基于快速響應激光脈沖方波PWM發(fā)生器的激光脈沖頻率與占空比、激光功率實(shí)時(shí)坡度調節技術(shù)。

解決三維件拐角過(guò)燒，厚板尖角過(guò)熔和極限小孔切割，薄板的快速穿孔等工藝難題，建立完善的激光切割工藝專(zhuān)家數據庫，實(shí)現大輪廓、小輪廓、拐角、標準圖形等激光切割工藝參數的自動(dòng)調用。