【正文】 度增長(zhǎng)。我國(guó)自 1985 年以來 ,更以每年 25%以上的速度增長(zhǎng)。當(dāng)然 ,由于我國(guó)激光工業(yè)基礎(chǔ)較差 ,激光加工技術(shù)的應(yīng)用尚不普遍 ,激光加工整體水平與先進(jìn)國(guó)家相比仍有較大差距。因此 ,在我國(guó) ,激光切割技術(shù)的推廣和應(yīng)用潛力很大。 激光切割系統(tǒng)主要由機(jī)床主機(jī)、激光器、控制系統(tǒng)三大主要部分組成?？刂葡到y(tǒng)是整個(gè)系統(tǒng)的控制中樞 ,負(fù)責(zé)協(xié)調(diào)整個(gè)系統(tǒng)的正常工作 ,主要完成加工軌跡控制、焦點(diǎn)位置控制和機(jī)、光、電一體的協(xié)調(diào)控制。數(shù)控激光切割機(jī)的研制屬于機(jī)電一體化范疇它的研制使生產(chǎn)系統(tǒng)具有友好的人機(jī)界面 ,方便而易學(xué)的編程方式 ,以及精確的切割軌跡控制功能 ,適合于工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)的使用 ,極大地提高了生產(chǎn)率。 2 1. 2 激光切割 技術(shù) 的應(yīng)用和 優(yōu)越性 激光切割 技術(shù) 的應(yīng)用主要在下面幾個(gè)方面 ： （ 1）工業(yè)中常用激光去雕刻交通工具識(shí)別碼、元件編號(hào)、裝飾開關(guān)和儀表面板。 （ 2）制造電子產(chǎn)品的公司通常使用激光切割來鑒別成品。實(shí)際上最先普及使用激光切割產(chǎn)品是在整條組合的電路生產(chǎn)線上對(duì)硅晶片進(jìn)行連號(hào)表示。激光切割的速度快、永久性、易讀性、無污染性及自然性，達(dá)到了電子工業(yè)的質(zhì)量要求。 （ 3）印刷業(yè)的柔性印刷中網(wǎng)紋輥的激光切割和柔印版的激光切割是目前激光切割中應(yīng)用最早、也是最成功的。 （ 4）激光切割還經(jīng)常用于家庭微型電器的金屬和塑料包裝上的雕刻。在安全設(shè)備上雕刻校準(zhǔn)誤差標(biāo)記、雕刻數(shù)字和連號(hào)數(shù)字，直接在電路元件上標(biāo)識(shí)線路和符號(hào)，在含有氧化鋁和其它氧化層的物件上雕刻條形碼和連號(hào)數(shù)字。 （ 5）在醫(yī)學(xué)上做標(biāo)識(shí)，如在試驗(yàn)用的動(dòng)物身上做標(biāo)記。 （ 6）在廣告業(yè)、印章業(yè)、工藝禮品業(yè)、藝術(shù)模型業(yè)等行業(yè)應(yīng)用越來越廣泛。 激光切割 技術(shù) 有許多非常突出的 優(yōu)越性 ，主要有以下幾個(gè)方面 ： （ 1）激光的強(qiáng)度極高 聚焦后的激光束不僅能對(duì)各種非金屬材料進(jìn)行雕刻，而且也能對(duì)金屬材料進(jìn)行雕刻，甚至能雕刻耐火度很高以及硬而脆的材料。所以 激光對(duì)雕刻材料的硬度、表面質(zhì)量等 沒有太高要求。與機(jī)械、化學(xué)等雕刻手段相比，激光切割的范圍更廣泛。 （ 2）雕刻速度快 激光切割工序簡(jiǎn)單快捷且操作方便。一般的雕刻圖案，只要經(jīng)過電腦的處理，在輸出到雕刻 機(jī)制作即可，省掉了傳統(tǒng)雕刻工藝中的繁瑣過程，激光切割一般要比其它雕刻方法快 100 倍以上，而且現(xiàn)在的激光切割控制系統(tǒng)可以保證長(zhǎng)期安全工作和精確控制。 3 （ 3）雕刻質(zhì)量高 激光切割的一個(gè)顯著特點(diǎn)是雕刻質(zhì)量高。由于激光強(qiáng)度高、方向性好，極細(xì)的激光束可以做到精細(xì)雕刻，雕刻品分辨率很高，可實(shí)現(xiàn)精細(xì)圖案雕刻。因?yàn)榧す馇懈钸^程中，不必像機(jī)械雕刻那樣刀頭要與被雕刻材料接觸，刀頭和雕刻件都清潔無污染，并且沒有刀頭和被加工件摩擦產(chǎn)生的不良影響，完全沒有壓力和磨損，適于精細(xì)雕刻。雕刻時(shí)間短，被雕刻材料氧化、變形和熱膨脹影響的區(qū)域都 比較小，一般不需要特殊保護(hù)就可以完成高精度的雕刻。 （ 4）雕刻耗能少 激光切割與其它雕刻方法相比，采用了一種能量使用很直接的方式，能量轉(zhuǎn)換環(huán)節(jié)少，而且雕刻過程操作簡(jiǎn)單，保護(hù)環(huán)節(jié)少，所以消耗的能量少，并且能夠提高工作效率。 1. 3 激光切割技術(shù)的特點(diǎn) 激光技術(shù)是二十世紀(jì)最重要的發(fā)明之一，是二十世紀(jì)科學(xué)技術(shù)發(fā)展的重要標(biāo)志和現(xiàn)代信息社會(huì)光電子技術(shù)重要支柱之一 [1]。 (1)激光有四大特性：高亮度、高方向性、高單色性和高相干性 [2]。 (2)許多金屬材料，不管它具有什么樣的硬度，都可用激光進(jìn)行無變形切割，大多數(shù)有 機(jī)與無機(jī)材料都可以用激光切割。激光切割無毛刺、無皺折、精度高，各種性能都優(yōu)于等離子切割。對(duì)許多機(jī)電制造行業(yè)來說，由于微機(jī)程序控制的現(xiàn)代化激光切割系統(tǒng)能方便切割不同形狀與尺寸的工件 (工件圖紙也可修改 )，它往往比沖切、模壓工藝更被優(yōu)先選用[3]；盡管它加工速度還慢于模沖，但它沒有模具消耗，無需修理模具，節(jié)約更換模具時(shí)間，從而節(jié)省加工費(fèi)用，降低產(chǎn)品成本，所以從總體上講在經(jīng)濟(jì)上更為合算 [4]。激光切割雕刻是一種高能量密度可控性好的無接觸加工，激光束聚焦后形成具有極強(qiáng)能量的很小作用點(diǎn)，把它應(yīng)用于切割有許多特點(diǎn)： a)狹的直邊割縫，最小的鄰近切邊熱影響區(qū)； b)極小的局部變形，工件無機(jī)械變形； 4 c)無刀具磨損，也談不上刀具的替換問題； d)切割材料無需考慮它的硬度，也即激光切割能力不受被切材料硬度影響，任何硬度的材料都可切割 [5]； e)與自動(dòng)化裝備結(jié)合方便，容易實(shí)現(xiàn)切割過程自動(dòng)化； f)由于不存在 切割工件的限制，激光束具有無限的仿形切割能力 [6]； (3)與其它熱切割方法相比 同時(shí)作為熱切割過程。別的方法不能像激光束那樣集中能量于一個(gè)極小區(qū)域，結(jié)果導(dǎo)致切口寬、熱影響區(qū)大和較明顯的工件熱變形。激光能切割非金屬，而其它熱切 割方法則不能 [7]。 (4)對(duì)非金屬材料 波長(zhǎng)為 μm 的 CO2激光束很容易被非金屬材料所吸收，低的導(dǎo)熱性和低的蒸發(fā)溫度又使吸收的光束能幾乎全部傳入材料的內(nèi)部，并在光斑照射處瞬間汽化，形成起始孔洞，進(jìn)入切割過程的良性循環(huán)。激光能切割塑料 (聚合物 )、橡膠、木材、紙制品、皮革以及天然和合成織物等有機(jī)材料，同時(shí)也能切割石英、陶瓷等無機(jī)材料，還能切割新型輕質(zhì)加強(qiáng)纖維聚合體等復(fù)合材料 [8]。 1. 4 激光切割技術(shù)的現(xiàn)狀和發(fā)展趨勢(shì) 激光切割技術(shù)的現(xiàn)狀 （ 1） 國(guó)外現(xiàn)狀 智能、精密、微細(xì)、多學(xué)科交叉、系統(tǒng) 化、自動(dòng)化是先進(jìn)制造技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，這種趨勢(shì)是為了滿足制造產(chǎn)品的多變性、高品質(zhì)、低成本、交貨期短等市場(chǎng)要求。作為先進(jìn)制造技術(shù)之一的激光切割技術(shù)，由于其特有的、優(yōu)異的加工性能而被廣泛應(yīng)用，西方工業(yè)化國(guó)家和先進(jìn)的發(fā)展中國(guó)家均致力于這項(xiàng)技術(shù)的研究和應(yīng)用，其正以每年 15%～ 20%的速度增長(zhǎng) [911]。以日本為例，目前己擁有 CO2激光加工機(jī) 2 萬多臺(tái)，約占全球激光加工機(jī)總量的 1/3，其中 80%為激光切割設(shè)備?，F(xiàn)在激光切割技術(shù)己從特殊用途的加工技術(shù)變?yōu)橥ㄓ玫?、具有多種加工能力的加工技5 術(shù)。幾年前，美國(guó)科學(xué)家就預(yù)言“激光將 成為未來制造業(yè)的通用手段”，德國(guó)亦有“無所不能的激光技術(shù)”的長(zhǎng)篇報(bào)道。目前，國(guó)外探索的激光切割應(yīng)用范圍正在不斷地?cái)U(kuò)大，已達(dá) 20 多個(gè)領(lǐng)域。激光被譽(yù)為“萬能加工工具”、“未來制造系統(tǒng)的共同加工手段”，不僅在國(guó)防工業(yè)領(lǐng)域而且在民用工業(yè)領(lǐng)域也獲得了廣泛應(yīng)用。工業(yè)用激光器的制造及其引入生產(chǎn)的速度已成為衡量一個(gè)國(guó)家工業(yè)生產(chǎn)效率及其在發(fā)達(dá)國(guó)家中地位的標(biāo)準(zhǔn)之一。 從工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域來看，金屬和非金屬的激光切割是激光切割最主要的應(yīng)用領(lǐng)域，其中最具有代表性和應(yīng)用最為廣闊的是汽車制造業(yè)，該工業(yè)是激光切割的最早應(yīng)用領(lǐng)域之一，也是最大的 潛在市場(chǎng)，尤為重要的是汽車工業(yè)愈來愈成為高功率激光系統(tǒng) (CO2和 YAG)發(fā)展的關(guān)鍵因素。據(jù)專家估計(jì)，約有 60%的汽車零部件可以通過激光切割來提高質(zhì)量。在美國(guó)汽車工業(yè)中，通用汽車公司已經(jīng)建立了 22 條激光加工生產(chǎn)線，其中切割生產(chǎn)線占總體的 65%以上。在歐洲汽車工業(yè)中，三維激光切割首先用于原型樣機(jī)的制造和試生產(chǎn)，也用于中小批量生產(chǎn) 。同樣在日本汽車工業(yè)中，較多的三維激光切割用于小批量產(chǎn)品的切割、樣車的生產(chǎn)。近年來，美、日、德、英等國(guó)正致力于研制各種工業(yè)用激光器，研究各種激光加工方法及工藝，激光切割工藝己初具規(guī)模，正 在形成一門新的產(chǎn)業(yè)。日本的 ShunihcSato 等試驗(yàn)了用 KrF 準(zhǔn)分子激光器與 CO 激光器聯(lián)合作用的雙波激光切割，重復(fù)頻率為 220Hz。 KrF 激光波長(zhǎng) ，與 5μm 的 CO 激光協(xié)同工件，總功率只有 300W，就可實(shí)現(xiàn)常規(guī)激光切割時(shí)功率 500~1000W 的效果。雙波切割還應(yīng)用于 CO2準(zhǔn)分子、 YAG 準(zhǔn)分子等組合，具有廣闊的應(yīng)用前景。 從激光切割工藝研究現(xiàn)狀來看，日本在激光切割工藝方面的研究走在世界的前列，美國(guó)、德國(guó)以及一些歐洲國(guó)家也在七、八十年代開始在大量的激光切割工藝試驗(yàn)的基礎(chǔ)上，總結(jié)激光切割工藝，建立工 藝數(shù)據(jù)庫(kù)，并著手研究高性能的激光切割系統(tǒng)。 （ 2） 國(guó)內(nèi)現(xiàn)狀 同國(guó)外的發(fā)展情況相比，我國(guó)激光加工技術(shù)研究起步較晚，工業(yè)基6 礎(chǔ)較差，激光加工的整體水平比較落后，工業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化程度不是很高，但是國(guó)家在激光加工技術(shù)方面的研究給予了相當(dāng)?shù)闹匾?，除了將激光加工技術(shù)列入國(guó)家重點(diǎn)科技攻關(guān)外，它在國(guó)家自然科學(xué)基金、國(guó)家“ 863計(jì)劃、國(guó)家“火炬”計(jì)劃等也有相當(dāng)?shù)捻?xiàng)目被列入。在“七五”期間，我國(guó)成功研制了低階模橫流 CO2 激光器和基模軸流 CO2 激光器，為激光切割的應(yīng)用創(chuàng)造了條件，并對(duì)鋼板、合金鋼、硬質(zhì)合金及硅鋼片的切割工藝進(jìn)行了研 究。隨著我國(guó)制造業(yè)的發(fā)展，許多產(chǎn)業(yè)部門也急需采用激光加工技術(shù)和設(shè)備以提高產(chǎn)品質(zhì)量、生產(chǎn)效率和加工柔性化，從而增強(qiáng)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力，自 1985 年以來我國(guó)激光切割技術(shù)以每年 25%以上的速度增長(zhǎng) [9， 10]，以濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所為例， 20 世紀(jì) 80 年代后期激光切割機(jī)年產(chǎn)量?jī)H為 2 臺(tái)，到 90 年代后期年產(chǎn)量達(dá)到了 10 臺(tái)，在“十五”期間年產(chǎn)量達(dá)到 25 臺(tái)。 在我國(guó)，激光切割技術(shù)的推廣和應(yīng)用潛力很大，隨著我國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā) 展，許多傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)需要改造，許多鈑 金加工領(lǐng)域有待開發(fā)。 同時(shí)隨著可用于切割的激光器功率的增大，激光切割正從輕 工業(yè)薄板的鈑金加工向著重工業(yè)厚板切割方向發(fā)展，如湖南大學(xué)李力鈞先生帶領(lǐng)一大批學(xué)者對(duì)激光加工技術(shù)進(jìn)行了大量的研究，華中科技大學(xué)對(duì)激光加工設(shè)備的完善使其具有良好的性能進(jìn)行了研究。在新世紀(jì)之初，我國(guó)還應(yīng)加速研制厚板激光切割的新產(chǎn)品、新工藝，以改造我國(guó)橋梁制造、建筑機(jī)械和造船等重工業(yè)的熱切割工藝，提高經(jīng)濟(jì)效益，以填補(bǔ)我國(guó)在厚板激光切割方面的空白。另外，我國(guó)在激光三維切割方面的應(yīng)用研究才剛剛起步 [12]。國(guó)家自然科學(xué)基金委在 1997 年把“大功率 CO2及 YAG 激光三維焊接和切割理論與技術(shù)”作為重點(diǎn)項(xiàng)目進(jìn)行資助，國(guó)家產(chǎn)學(xué) 研激光技術(shù)中心的有關(guān)學(xué)者對(duì)此進(jìn)行了系統(tǒng)的研究，為在我國(guó)汽車車身制造業(yè)中應(yīng)用三維激光立體加工技術(shù)做出了很大貢獻(xiàn)。北京工業(yè)大學(xué)國(guó)家產(chǎn)學(xué)研激光技術(shù)中心 (NCTL)針對(duì)激光的柔性加工，研究分析了激光加工的運(yùn)動(dòng)過程，采用面向?qū)ο蠹夹g(shù)，利用 AuotCAD 的二次開發(fā)工具 ARX，開發(fā)出計(jì)算機(jī)輔助激光加工軟件系統(tǒng)，并對(duì)激光三維加工軌跡進(jìn)行了計(jì)算機(jī)仿真。目前國(guó)內(nèi)企業(yè)對(duì)三維激光切割機(jī)已經(jīng)有需求，如柳州微型汽7 車廠已經(jīng)有了 CO2五軸激光加工機(jī) 。上海大眾汽車公司新的桑塔納生產(chǎn)線也在引進(jìn)高功率 YAG 三維加工系統(tǒng) 。濟(jì)南鑄鍛研究所為一汽開發(fā) 的六軸 CO2激光加工機(jī)也進(jìn)入運(yùn)行階段，用于轎車車身的切割成形。隨著市場(chǎng)和經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，在汽車、航空、機(jī)車及工程機(jī)械等行業(yè)對(duì)三維激光切割機(jī)的需求將會(huì)不斷增大，對(duì)其參數(shù)、性能和可靠性等各方面的要求也將不斷提高。 目前我國(guó)的激光切割技術(shù)研究仍需解決的問題是 :一方面要解決激光器的質(zhì)量 (模式、可靠性、配套性 )。另一方面要系統(tǒng)地解決工藝參數(shù)、規(guī)范問題。開發(fā)出性能優(yōu)良、工作可靠、使用方便的激光加工機(jī)將使我國(guó)的激光切割水平大大地提高?？傮w來說，我國(guó)的激光切割技術(shù)的綜合水平還是比較低。作為切割工藝的改革性技術(shù)，它的發(fā)展對(duì)我 們來說是一項(xiàng)挑戰(zhàn)，更是一次機(jī)遇，希望該技術(shù)可以得到政府部門，尤其是企業(yè)領(lǐng)導(dǎo)的高度重視，盡早實(shí)現(xiàn)科研 ─ — 產(chǎn)業(yè) ─ — 一體化的進(jìn)程，使得這項(xiàng)高 科技 為我國(guó)的現(xiàn)代化建設(shè)做出應(yīng)有的 貢獻(xiàn)。 激光切割技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) 近年來，激光切割技術(shù)正以飛快的速度發(fā)展，而且隨著數(shù)控技術(shù)與激光技術(shù)的結(jié)合，其應(yīng)用也越來越廣泛，從軍用轉(zhuǎn)向民用，正逐步深入社會(huì)生產(chǎn)的各個(gè)領(lǐng)域，下面從四個(gè)方面概括激光切割技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì) : （ l）伴隨著激光器向大功率發(fā)展以及采用高性能的 CNC 及伺服系統(tǒng)，使用高功率的激光切割系統(tǒng)可以獲得高的加工速度和高的加工 質(zhì)量，同時(shí)減小熱影響區(qū)和熱畸變，能切割的材料板厚也將進(jìn)一步提高。低功率激光器所產(chǎn)生的激光可以通過使用 Q 開關(guān)或加載脈沖波轉(zhuǎn)化為高功率激光。 （ 2）根據(jù)激光切割工藝參數(shù)對(duì)切割質(zhì)量的影響情況，改進(jìn)加工工藝，如 :增加輔助氣體對(duì)切割熔渣的吹力 。加入造渣劑提高熔化物的流動(dòng)性 。增加輔助能源，并改善能量之間的 耦 合 。增加功率密度等。隨著激光切割工藝參數(shù)數(shù)據(jù)庫(kù)及工藝參數(shù)智能選擇系統(tǒng)的建立激光切割將向高度自動(dòng)化、柔性化、智能化方向發(fā)展，逐步完善 CAD/CAPP/CAM 以及8 人工智能在激光切割系統(tǒng)中的應(yīng)用。 (3)根據(jù)加工速度自適應(yīng) 控制激光功率和激光模式或建立工藝數(shù)據(jù)庫(kù)和專家自適應(yīng)控制系統(tǒng)使得激光切割的整機(jī)性能普遍提高。以數(shù)據(jù)庫(kù)為核心，面向通用化的 CAPP 開發(fā)工具，對(duì)激光切割工藝設(shè)計(jì)所涉及到的各類數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，建立相適應(yīng)的數(shù)據(jù)庫(kù)結(jié)構(gòu)。 (4)向多功能的激光加工中心發(fā)展，將激光切割、焊接以及熱處理等各道工序后的質(zhì)量反饋集成在一起，充分發(fā)揮激光加工的整體優(yōu)勢(shì)。 課題背景和意義 作為高科技的激光技術(shù)，自問世以來，就一直針對(duì)不同的社會(huì)需求研發(fā)出適合各行業(yè)的激光設(shè)備。如激光打標(biāo)機(jī)、激光焊接機(jī)、激光快速成型機(jī)、激光切割機(jī)等。近年來小功率 CO2激光切割機(jī)由于其具有集切割、裁剪、雕刻功能于一體，切割速度快、雕刻精美、定位精確高等技術(shù)優(yōu)勢(shì) 。以及切割面光潔無痕、無需拋光、維護(hù)簡(jiǎn)單、成本低廉等優(yōu)點(diǎn)，在電子、廣告業(yè)、印章業(yè)、工藝禮品業(yè)、藝術(shù)模型業(yè)、木器加工業(yè)等行業(yè)的應(yīng)用越來越廣泛。但是目前這類機(jī)床都沒有專用的對(duì)焦手段或采用