激光加(jia)(jia)工(gong)具有加(jia)(jia)工(gong)精度(du)高(gao)、表面質量好、加(jia)(jia)工(gong)噪聲低、設備振動小等優勢。但激光切割也存在加(jia)(jia)工(gong)速(su)度(du)慢、材料利用率低、綜合加(jia)(jia)工(gong)費用高(gao)等劣勢。

       激光(guang)(guang)(guang)切(qie)割(ge)機采用(yong)(yong)非(fei)接觸式(shi)加(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)原理，與普(pu)通(tong)的多工(gong)(gong)(gong)位沖床加(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)相比，不需要專用(yong)(yong)模具，所(suo)以(yi)其加(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)范圍和條(tiao)件受限(xian)制少(shao)，按產(chan)品設計(ji)要求(qiu)可(ke)以(yi)隨意切(qie)割(ge)復雜的形狀，適合單件試制和小(xiao)批量生產(chan)，能快速滿(man)足客戶(hu)對產(chan)品個性化的追求(qiu)。在厚板(ban)加(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)上，激光(guang)(guang)(guang)切(qie)割(ge)加(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)優勢更(geng)加(jia)(jia)(jia)(jia)明顯，可(ke)切(qie)割(ge)厚度超過20mm以(yi)上的鋼板(ban)，一般多工(gong)(gong)(gong)位沖床只能加(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)3～8mm板(ban)厚的產(chan)品。由于(yu)激光(guang)(guang)(guang)切(qie)割(ge)機采用(yong)(yong)移動激光(guang)(guang)(guang)切(qie)割(ge)頭加(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)板(ban)材，切(qie)割(ge)來回行走行程(cheng)長(chang)；與多工(gong)(gong)(gong)位沖床相比，加(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)速度上要慢(man)、總加(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)時間長(chang)、效(xiao)率較低、輔助氣體用(yong)(yong)量大，所(suo)以(yi)激光(guang)(guang)(guang)切(qie)割(ge)加(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)綜(zong)合成本相比沖床加(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)高很多。如何縮短(duan)激光(guang)(guang)(guang)切(qie)割(ge)時間，提升激光(guang)(guang)(guang)切(qie)割(ge)加(jia)(jia)(jia)(jia)工(gong)(gong)(gong)效(xiao)率，這是(shi)眾多生產(chan)企(qi)業都比較關心的課題。

       提高激光切(qie)割機的效率和經濟效益(yi)，主(zhu)要是縮短(duan)激光切(qie)割時(shi)間，提高板(ban)材的利用率，不僅需(xu)要研究激光切(qie)割最短(duan)空行程，還要研究打孔耗時(shi)、切(qie)割停(ting)頓和套料共(gong)邊等問(wen)題。

分析

切割時間

       激光切割(ge)(ge)(ge)路徑(jing)可以(yi)劃分成兩部分，包(bao)含了用于去除或分離材料的切割(ge)(ge)(ge)路徑(jing)和工(gong)(gong)序空程路徑(jing)，其中切割(ge)(ge)(ge)路徑(jing)是(shi)有(you)效(xiao)(xiao)工(gong)(gong)作(zuo)路徑(jing)，所消耗的時(shi)間(jian)(jian)(jian)是(shi)有(you)效(xiao)(xiao)切割(ge)(ge)(ge)時(shi)間(jian)(jian)(jian)，而空行(xing)程是(shi)無效(xiao)(xiao)路徑(jing)，消耗的時(shi)間(jian)(jian)(jian)是(shi)無效(xiao)(xiao)工(gong)(gong)作(zuo)時(shi)間(jian)(jian)(jian)。

       對于(yu)1臺數控激光切(qie)割(ge)機，當使用最大功率加工(gong)部(bu)件時(shi)，在保(bao)證質量(liang)的前提下，其有效(xiao)切(qie)割(ge)速度(du)是(shi)一(yi)定的，要想(xiang)提高切(qie)割(ge)效(xiao)率，縮(suo)短無效(xiao)切(qie)割(ge)時(shi)間，減少切(qie)割(ge)路徑(jing)長度(du)是(shi)主要的途徑(jing)。另外(wai)(wai)，適當調整切(qie)割(ge)過程工(gong)藝參數，選用不同(tong)的穿孔方(fang)法，也(ye)可相(xiang)應(ying)節(jie)約(yue)切(qie)割(ge)加工(gong)消耗的時(shi)間停(ting)頓。以(yi)打孔為(wei)例，如外(wai)(wai)光路調整、聚集(ji)光束、垂直(zhi)度(du)調整等屬于(yu)工(gong)藝調節(jie)停(ting)頓。

材料利用率

       板(ban)材(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)激(ji)光(guang)切(qie)割加工后分(fen)成(cheng)兩部分(fen)，包含了零件(jian)(jian)和(he)余料(liao)，其(qi)中按(an)(an)設(she)計(ji)圖(tu)紙切(qie)割下來(lai)的(de)(de)工件(jian)(jian)是(shi)真正有(you)用(yong)的(de)(de)零件(jian)(jian)，余料(liao)都(dou)是(shi)不(bu)規則的(de)(de)狀(zhuang)態，通常(chang)是(shi)作為廢料(liao)處理(li)。所以激(ji)光(guang)切(qie)割材(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)有(you)效利用(yong)率(lv)(lv)=有(you)用(yong)零件(jian)(jian)面積/板(ban)材(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)總(zong)面積×100%，要(yao)提高板(ban)材(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)利用(yong)率(lv)(lv)，就(jiu)必須減(jian)(jian)少激(ji)光(guang)切(qie)割后的(de)(de)余料(liao)。現在激(ji)光(guang)切(qie)割設(she)備一(yi)般可利用(yong)計(ji)算機優(you)化套排(pai)功能(neng)，將多個不(bu)同形狀(zhuang)的(de)(de)零件(jian)(jian)套排(pai)在一(yi)張板(ban)上，減(jian)(jian)少各個零件(jian)(jian)的(de)(de)切(qie)割間距和(he)搭邊距離(li)是(shi)材(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)料(liao)節約(yue)的(de)(de)主(zhu)要(yao)途(tu)徑。當然，也可根據(ju)工件(jian)(jian)大小(xiao)選用(yong)較小(xiao)尺(chi)(chi)寸(cun)規格(ge)的(de)(de)原料(liao)板(ban)材(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)，或(huo)者按(an)(an)零件(jian)(jian)實際(ji)尺(chi)(chi)寸(cun)直(zhi)接做成(cheng)非標(biao)定尺(chi)(chi)寸(cun)板(ban)材(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)，來(lai)提高板(ban)材(cai)(cai)(cai)(cai)(cai)的(de)(de)實際(ji)利用(yong)率(lv)(lv)。

圖1 共邊切割案列

解決方案

       利用(yong)激光切割(ge)機的離線編程軟件(jian)，對在板(ban)材(cai)上(shang)套料和(he)工藝設定(ding)做優化(hua)，以提高板(ban)材(cai)利用(yong)率和(he)切割(ge)效率，主要采取以下(xia)幾點措施(shi)。

套料(liao)時采用借邊、共邊

       規則外(wai)形零(ling)(ling)件(jian)在套料時采(cai)用借(jie)邊(bian)、共(gong)(gong)邊(bian)套料。在共(gong)(gong)邊(bian)切(qie)(qie)割(ge)（圖(tu)1）時，兩個(ge)零(ling)(ling)件(jian)其(qi)中有一(yi)條(tiao)邊(bian)是公共(gong)(gong)邊(bian)，所以切(qie)(qie)割(ge)路徑(jing)(jing)會大(da)幅(fu)度(du)縮(suo)短，從而(er)減少了切(qie)(qie)割(ge)時間。一(yi)張板上不(bu)能將(jiang)所有零(ling)(ling)件(jian)都(dou)做共(gong)(gong)邊(bian)，一(yi)般建議2～4個(ge)零(ling)(ling)件(jian)之(zhi)(zhi)間作(zuo)為(wei)一(yi)組做共(gong)(gong)邊(bian)。不(bu)然(ran)所有零(ling)(ling)件(jian)都(dou)共(gong)(gong)邊(bian)在一(yi)起，會造成(cheng)零(ling)(ling)件(jian)在工(gong)作(zuo)臺上不(bu)穩定，由于(yu)切(qie)(qie)割(ge)完后的零(ling)(ling)件(jian)會翹起，在加工(gong)完的產品(pin)零(ling)(ling)件(jian)邊(bian)上加工(gong)別的部件(jian)，會干涉、損壞切(qie)(qie)割(ge)頭。為(wei)提高最終(zhong)零(ling)(ling)件(jian)的外(wai)形尺寸精度(du)。其(qi)實(shi)共(gong)(gong)邊(bian)切(qie)(qie)割(ge)時，可采(cai)用橋接方法即在套料時零(ling)(ling)件(jian)和零(ling)(ling)件(jian)之(zhi)(zhi)間要有間距(ju)做精密(mi)微(wei)連(lian)接（圖(tu)2），距(ju)離為(wei)激光(guang)光(guang)斑的直(zhi)徑(jing)(jing)。

圖2 微連接

       據統計，采用共邊切(qie)割(ge)案(an)例，實(shi)際切(qie)割(ge)路徑(jing)能縮短30%，材料(liao)利用率(lv)提高8%左右(you)。

減少切割頭抬起動作

       通常機床在(zai)切(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)(ge)(ge)完一(yi)個(ge)輪(lun)廓后(hou)會抬(tai)起(qi)(qi)到(dao)一(yi)定高度，然后(hou)移(yi)動(dong)到(dao)下(xia)一(yi)個(ge)輪(lun)廓的(de)切(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)(ge)(ge)位置做刺穿(chuan)和切(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)(ge)(ge)。其目(mu)的(de)在(zai)于防(fang)止切(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)(ge)(ge)頭(tou)在(zai)從當前輪(lun)廓移(yi)動(dong)到(dao)下(xia)一(yi)個(ge)切(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)(ge)(ge)輪(lun)廓時，與被切(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)(ge)(ge)件相撞。但是一(yi)旦對切(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)(ge)(ge)頭(tou)的(de)切(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)(ge)(ge)路徑做優化，或采用微(wei)連接處理輪(lun)廓，則可去除切(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)(ge)(ge)頭(tou)的(de)抬(tai)起(qi)(qi)動(dong)作，提高機床的(de)切(qie)(qie)割(ge)(ge)(ge)(ge)(ge)效率。

圖(tu)3 切割頭抬起動(dong)作優化前后對比圖(tu)（虛線為切割頭運動(dong)路徑(jing)）

       如圖3a所示為切(qie)割頭的(de)抬(tai)起(qi)動作，如圖3b所示為在編程軟件中做優化(hua)和(he)設定后切(qie)割頭不抬(tai)起(qi)，直接(jie)移到下一個(ge)輪廓的(de)切(qie)割位置進(jin)行切(qie)割。

       注意，使用上(shang)(shang)述優化手段(duan)后，必(bi)須注意切割(ge)頭(tou)(tou)的運動軌跡，也就是說切割(ge)頭(tou)(tou)不能(neng)從已經切割(ge)完畢的輪廓上(shang)(shang)方走過，如圖(tu)3所示(shi)。

       如圖4所示，零件(jian)1割完后，切(qie)(qie)割頭直接沿著(zhu)紅線移到零件(jian)2位(wei)置做切(qie)(qie)割，應該避免下(xia)面(mian)這種情況，如果零件(jian)1未采用(yong)微連接的話(hua)，零件(jian)容易翹起來，當切(qie)(qie)割頭從上方走過時，零件(jian)會和切(qie)(qie)割頭發生碰撞。

       解決方案：⑴零件1使(shi)用微(wei)連(lian)接，使(shi)零件1在割(ge)完(wan)后不會翹起來；⑵修改(gai)導(dao)入線位(wei)置；⑶如圖(tu)5所示(shi)，零件1割(ge)完(wan)后，切割(ge)頭不會從零件1上方直接越(yue)過。

圖(tu)5 優化之后的激光頭(tou)切割(ge)路徑

優化切割路徑(jing)起點(dian)打(da)孔的(de)工藝處理(li)

       激(ji)(ji)(ji)(ji)光切(qie)割(ge)(ge)(ge)孔(kong)(kong)前，先要在板材上打(da)孔(kong)(kong)，材料經連續激(ji)(ji)(ji)(ji)光的(de)(de)照射后在中心形成(cheng)一(yi)個(ge)(ge)凹坑(keng)，然后由與激(ji)(ji)(ji)(ji)光束同(tong)(tong)軸的(de)(de)工(gong)(gong)作氣(qi)流(liu)將(jiang)熔融材料去除形成(cheng)一(yi)個(ge)(ge)孔(kong)(kong)。此孔(kong)(kong)類似(si)于線(xian)切(qie)割(ge)(ge)(ge)的(de)(de)穿(chuan)線(xian)孔(kong)(kong)，激(ji)(ji)(ji)(ji)光束以此孔(kong)(kong)為(wei)加(jia)工(gong)(gong)啟始點進行輪(lun)(lun)廓(kuo)切(qie)割(ge)(ge)(ge)。通常(chang)情況下(xia)，飛行光路(lu)激(ji)(ji)(ji)(ji)光束的(de)(de)走線(xian)方(fang)向和(he)被加(jia)工(gong)(gong)零件切(qie)割(ge)(ge)(ge)輪(lun)(lun)廓(kuo)的(de)(de)切(qie)線(xian)方(fang)向垂直。影響激(ji)(ji)(ji)(ji)光打(da)孔(kong)(kong)質量(liang)的(de)(de)因素有很(hen)多，應(ying)該要根據打(da)孔(kong)(kong)的(de)(de)原理和(he)特點，而(er)且必須對打(da)孔(kong)(kong)的(de)(de)參數進行分析和(he)了(le)解，以優化加(jia)工(gong)(gong)工(gong)(gong)藝(yi)，對不同(tong)(tong)零件輪(lun)(lun)廓(kuo)使用不同(tong)(tong)的(de)(de)刺穿(chuan)工(gong)(gong)藝(yi)和(he)加(jia)工(gong)(gong)工(gong)(gong)藝(yi)。激(ji)(ji)(ji)(ji)光切(qie)割(ge)(ge)(ge)機的(de)(de)刺穿(chuan)方(fang)式主要為(wei)以下(xia)三種：

       ⑴不刺(ci)穿（適用于1mm以下(xia)的薄板）。

       ⑵普通刺穿(chuan)即脈沖(chong)方式刺穿(chuan)，采用高峰值功率的脈沖(chong)激光使(shi)少(shao)量(liang)材(cai)(cai)料熔化或汽化。每(mei)個脈沖(chong)光只(zhi)產生小的微粒噴射，逐步深入(ru)，因此厚(hou)板(ban)穿(chuan)孔(kong)時間需(xu)要(yao)幾秒(miao)鐘。優點是刺穿(chuan)孔(kong)質量(liang)高，保證切割質量(liang)。缺點是耗時長(chang)，需(xu)要(yao)一定的調試經驗，刺穿(chuan)時間隨(sui)板(ban)材(cai)(cai)厚(hou)度增(zeng)加而增(zeng)加。

       ⑶快速刺(ci)穿(chuan)(chuan)即(ji)爆破穿(chuan)(chuan)孔，材料(liao)經過連續(xu)激光的照射后在(zai)(zai)中央形成一個(ge)凹坑。優(you)點是刺(ci)穿(chuan)(chuan)時間短。缺點是刺(ci)穿(chuan)(chuan)孔大，如果位置設置不好會影響輪廓(kuo)，從而影響切割質量(liang)；刺(ci)穿(chuan)(chuan)時間在(zai)(zai)1s之內。

       對(dui)于厚(hou)板切割(ge)(ge)，尤其是(shi)大(da)(da)輪(lun)廓(kuo)切割(ge)(ge)。例如4mm以上(shang)碳(tan)鋼板，直(zhi)徑(jing)為10mm以上(shang)的(de)(de)孔，可以建議使(shi)用快速(su)刺穿(chuan)(chuan)取(qu)代普通刺穿(chuan)(chuan)；但是(shi)設置快速(su)刺穿(chuan)(chuan)前(qian)，要合理地調整輪(lun)廓(kuo)切割(ge)(ge)的(de)(de)導入線長度(du)（快速(su)刺穿(chuan)(chuan)的(de)(de)孔孔徑(jing)較(jiao)大(da)(da)，表面(mian)粗糙，需要更長的(de)(de)導入線以修(xiu)正切割(ge)(ge)質量）。

       如圖(tu)6所示，為普(pu)通刺(ci)穿和快速(su)(su)刺(ci)穿的(de)比較，很(hen)明(ming)顯(xian)快速(su)(su)刺(ci)穿的(de)孔要大(da)于(yu)普(pu)通刺(ci)穿，其對輪廓邊緣的(de)影響也大(da)于(yu)普(pu)通刺(ci)穿。

圖6 穿孔方式

優(you)化板材套料，節約板材浪費

       由(you)于工藝需要，零(ling)件在套料時(shi)往往會預留安全空(kong)間(jian)，比(bi)如零(ling)件套料之(zhi)間(jian)的間(jian)距(ju)或距(ju)離板材外圍(wei)輪廓的距(ju)離。適當減少間(jian)距(ju)，或采用共邊能(neng)起(qi)到節約板材的目的。

結束語

       為了說明如何(he)縮(suo)短(duan)激光切(qie)割(ge)時(shi)間，提(ti)高板材利用(yong)率，本文(wen)提(ti)出了采用(yong)共(gong)邊切(qie)割(ge)，優化板材套料(liao)，減少(shao)切(qie)割(ge)頭抬起動作(zuo)，合理(li)選用(yong)打(da)孔方式。經過(guo)實(shi)際驗證，綜合運用(yong)上述方法，能有效提(ti)高工作(zuo)效率，減少(shao)廢料(liao)，提(ti)高綜合經濟效益。

       機械手視覺定位、圖像處(chu)理(li)庫等為(wei)核心的(de)(de)20多(duo)款自主知識產(chan)權產(chan)品。涉及(ji)自動貼合機、絲(si)印機、曝光機、疊片機、貼片機、智(zhi)能(neng)檢(jian)測、智(zhi)能(neng)鐳(lei)射(she)等眾(zhong)多(duo)行業(ye)領域(yu)。雙(shuang)翌視(shi)覺(jue)系統(tong)最高生(sheng)(sheng)產(chan)精(jing)度(du)(du)可達um級別，圖像處(chu)理(li)精(jing)準、速度(du)(du)快，將智(zhi)能(neng)自動化制造行業(ye)的(de)(de)生(sheng)(sheng)產(chan)水平提升到一個更高的(de)(de)層次，改進(jin)了以往落后(hou)的(de)(de)生(sheng)(sheng)產(chan)流程，得(de)到廣大用(yong)戶的(de)(de)認可與(yu)肯定。隨著智(zhi)能(neng)自動化生(sheng)(sheng)產(chan)的(de)(de)普及(ji)與(yu)發(fa)展，雙(shuang)翌將為(wei)廣大生(sheng)(sheng)產(chan)行業(ye)帶(dai)來(lai)更全面、更精(jing)細、更智(zhi)能(neng)化的(de)(de)技術及(ji)服務。