激光系统

激光发生器由机器人或控制单元控制，被放置在激光安全防护罩外，为了节省占地面积，有时将其放在高处。连续Nd：YAG固体激光器1.06mm的波长和光纤传导适用于快速切割，一般用10～30m长的光纤将激光能量传送到工件表面。用金属加固的光纤导管非常坚韧耐用，可像普通的管线一样使用，唯一的限制是最小弯曲半径约为200mm。

在机器人手臂和光纤末端连接的是激光切割头，它将光束聚焦到工件表面，同时保持与工件表面恒定的距离，并传递切割辅助气体。在切割平板的激光系统中，为了使切割头坚固且操作灵活，可将其做的较大。机器人系统进行的是三维切割，必须将切割头设计的轻而小，尤其在靠近切割喷嘴的部分，以便使它更靠近切割部位而不受干扰。另外，它还必须具备良好的密封，以防止灰尘和金属蒸气进入，同时尽量避免碰撞，以防止被损坏。

为了保持激光始终聚焦在工件表面上，在切割头喷嘴上使用了电容高度传感器，将指令传送给伺服系统。移动聚焦透镜和喷嘴与工件表面保持1mm的距离（如图1），浮动范围为25mm。

图1 切割头必须沿工件表面跟踪，使激光始终在工件表面聚焦以补偿工件的制造误差

工艺流程

液压成型管在每一侧都有许多部位需要切割，并在端口有一处切割，称为“端口切割”。 我们以此作为工艺流程的实例：第一步是将管液压成型为所需形状，将管送入激光机器人工作站里并将其立起，使里面积蓄的液体流出，否则液体会影响激光切割头上传感器的工作。当然干燥的管子是最好的，但如果在切割位置附近没有过多积蓄的液体，湿的表面也可以接受。随后，管子被装入卡具准备切割，通常为一种变位装置。这种转动系统可以在一个管子转入激光防护罩内进行加工的同时，使另一个管子在加工区外装卡。将工件的每一面转动到切割头位置进行切割，既可以减少机器人的动作量及空程时间，也可以简化管线的运动路径（如图2）。

图2 管子不动，切割头由机器人带动进行多面切割

在激光切割时，排尘装置从管子末端吸走切割中产生的金属蒸气和颗粒。在切割完成后，管子再次被垂直立起，倒掉里面的熔渣，最后集中到废料收集器里。

激光器

激光切割的缝宽约为0.2～0.6mm，切割部位的尺寸受机器人臂长等因素的限制，而切速由激光功率和缝宽来决定，激光切割的速度曲线如图3。然而，激光切割速度并不是加工周期的唯一因素，机器人系统还必须花大量时间在不同的加工位置间移动，即“空程时间”。在整个加工周期中，机器人以最快速度运动的空程时间要占50%，甚至更多，因此，在计算成本时还要考虑到这一问题。

图3 决定激光机器人单元加工周期的因素。以切割10个圆孔和3个型孔为例，上下料和装卡需20s

液压成型管激光切割系统配置的优化主要取决于速度、成本和质量，其中GSI激光器一个突出的功能是可以产生几百赫兹的脉冲输出，峰值功率高于连续波平均功率的2倍。这不仅可以产生更快的穿刺，在进行垂直于表面的切割时，还可以产生更快、更稳定的切割；对于半径小的圆进行切割，可以保证边缘切割的质量更好；对于反射性材料进行切割，可使速度更快，如铝和镀锌板。

对机器人的选择

机器人运动的精度、光滑度和重复性决定了切割精度。激光切割几毫米厚材料的精度为±35mm，包括机器人路径，精度为±250mm。机器人点对点的重复定位精度决定了实际加工点的位置，大约为±70mm。

一个合适的机器人应至少有六轴运动，并可再加一个或更多轴来旋转或移动长的工件。负载为激光切割头，通常小于10kg。

切割头

如前文所述，切割头应该小、窄、轻且快，并能耐受较脏的切割环境。大的金属氧化物颗粒和烟尘会损坏光学镜片和移动机构，而不锈钢结构和滑块密封结构会减少磨损，快换式、预准直的切割喷嘴和聚焦镜片还可快速更换。此外，新型切割头还可以防止碰撞。当在切割中产生飞溅和等离子云，或在进行斜角切割时，保持切割头与工件的固定距离至关重要，GSI的切割头可以做到这点，并可在加工中不断地进行自我校准。

将光纤、电缆和气管固定在一起，需远离切割区，以免工件在加工中受阻或使其在运动中扭曲，所有的管路都应安置在切割头的一侧。切割头为直角是最好的，这样光纤可以沿机器人手臂固定，不仅可减少光纤在切割头上的扭曲，也可使更多的光纤用于工作区。

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