1.概述

三维光纤激光切割机是由专用光纤激光切割头、高精度电容式跟踪系统、光纤激光器以及工业机器人系统组成，对不同厚度的金属板材进行多角度、多方位柔性切割的先进设备。三维机器人激光切割机设备广泛应用于金属加工、机械制造及汽车零部件制造等对3D工件有加工需求的生产中。

2.三维光纤激光切割机器人

（1）三维激光切割原理激光通过激光器产生后，由反射镜传递并通过聚集镜照射到加工物品上，使加工物品（表面）受到强大的热能而温度急剧增加，使该点因高温而迅速的熔化或者汽化，配合激光头的运行轨迹从而达到加工目的。

（2）光纤的选择根据金属板材的厚度不同，选用不同的光纤激光器功率，三维切割光纤激光器的功率一般分200W、300W、400W、500W与1000W等多种规格；对不同功率的激光器配备不同的冷却系统，以保障激光器的正常工作。同时要根据机械臂的工作半径和加工工件的大小选定合适长度的操作光纤传输激光，以满足客户切割要求。

（3）辅助气体的要求三维光纤激光切割机采用的辅助气体是99.99%的氧气，这样对切割的精度、速度和切割的断面效果有很大的帮助。

三维光纤激光切割机

3.三维光纤激光切割机器人的特点

（1）柔性高尤其适合小批量的三维钣金切割。

其高柔性主要表现在两个方面：

第一，对材料的适应性强，激光切割机通过数控程序基本可以切割任意板材。

第二，加工路径由程序控制，如果加工对象发生变化，只须修改程序即可，这一点在零件修边、切孔时体现得尤为明显。由于修边模、冲孔模对其他不同零件的加工无能为力，而且模具的成本高，所以目前三维激光切割有取代修边模、冲孔模的趋势。一般来说，三维机械加工的夹具设计及其使用比较复杂，但激光加工时对被加工板材不施加机械加工力，这使得夹具制作变得很简单。此外，一台激光设备如果配套不同的硬件和软件，就可以实现多种功能。

总之，在实际生产中，三维激光切割在提高产品质量、生产效率，缩短产品开发周期、降低劳动强度、节省原材料等方面优势明显。因此，尽管设备成本高、一次性投资大，国内还是有很多汽车、飞机生产厂家购进了三维激光加工机，部分高校也购进了相应设备进行科研，三维激光技术势必在我国制造业中发挥着越来越大的作用。

（2）光纤激光切割机器人优缺点第一，用工业机器人代替五轴机床，两者都能进行空间轨迹描述实现三维立体切割。工业机器人的重复定位精度比五轴机床稍低，约为±100μm，但这完全可以满足汽车钣金覆盖件和底盘行业的精度要求；而采用工业机器人大大降低了系统的成本造价，减少了耗电系统费用和系统运行维护费用，减少了系统的占地面积。

第二，光纤激光相比传统激光，具有更好的切割质量，更低的系统造价，更长的使用寿命和更低的维护费用，更低的耗电。关键是光纤激光器的激光可以通过光纤传输，方便与工业机器人连接，实现柔性加工。

第三，本系统唯一的缺陷是只能加工金属工件，不能加工非金属工件。这是因为本系统采用的是光纤激光，其波长为1064nm，相对于波长为10640nm的CO2激光，不易为非金属材料所吸收。

第四，采用工业机器人＋光纤激光器的组合进行加工，修边冲孔等工艺一次完成，切口整齐无需后道工艺再处理，这样既大大缩短了工艺流程，降低了人工成本和模具费用的投入，也提高了产品档次和附加值。选配离线编程软件，通过数值模拟直接生成切割轨迹，抛弃了繁杂的人工示教，更加适合小批量多批次的维修市场、新品试制和非标定制等个性化的切割需求。三种加工方式对比如附表所示。

第五，先进光纤激光技术与数字控制技术完美融合，代表着最先进的激光切割水平；专业的激光切割机控制系统，电脑操作，能够保证切割质量，使切割工作更方便，操作更简单；配置智能机械手，可实现三维立体切割，操控方便，智能化程度高，保证设备的高速度、高精度、高可靠性；激光切割头配置进口激光切割头，反应灵敏、准确，与机械手有效配合，可避免切割头与加工板材碰撞，并能保证切割焦点位置，保证切割质量稳定；激光切割头可承受1.0MPa气体压力，高压气路设备，提高了对不锈钢等难切割材料的切割能力。

4.三维光纤激光切割机器人的技术优势

（1）三维切割系统的优势

第一，切割速度快，为同类产品的两倍。

第二，切割精度高。系统重复定位精度高达±100um。

第三，可切割<φ2mm的小圆，切割效果圆滑美观，目测无形变和毛刺。单个小圆切割时间可控制在2s内。

第四，选配臂长2.01m的机械手，除了实现直径达3m的半球形三维加工区域外，还可实现3m×1.5m的二维平面切割。

第五，根据实际需要选配离线编程软件，可读取UG、SolidWork等三维软件导出格式的数模，修改后直接生成切割轨迹，代替人工示教，简单易用。

（2）采用IPG光纤激光器和激光电源激光器性能稳定，可使产品整体质量得到安全保障。光纤激光器具有散热面积大、光束质量好、体积小巧等优点，同体积庞大的气体激光器和固体激光器相比具有明显的优势。

（3）采用美国进口激光切割头配置美国进口的激光切割头，通过机械手编程控制，保持最佳的焦距，确保最佳的切割效果，避免了材料不平整时，焦距变化问题引起的材料报废。

（4）机械手控制系统采用机械人操控系统，可提供适合每一种零部件的全方位机器人生产解决方案。具有可靠性强、速度快、精度高、功率大、坚固耐用、通用性等特点。

其操作速度更快，废品率更低，在扩大产能、提升效率方面，将起到举足轻重的作用。其高精度由专利的TrueMoveTM运动控制软件实现。IRB2600采用优化设计，机身紧凑轻巧，节拍时间与行业标准相比可缩减多达25%。专利的QuickMoveTM运动控制软件使其加速度达到同类最高，并实现速度最大化，从而提高产能与效率。IRB2600工作范围大，安装方式灵活，可轻松直达目标设备，不会干扰辅助设备。优化机器人安装是提升生产效率的有效手段。模拟最佳工艺布局时，灵活的安装方式更能带来极大的便利。IRB2600的底座可与目标设备靠得更近，从而缩小整个工作站的占地面积。小底座还为下臂进行正下方操作创造了有利条件。

5.三维光纤激光切割机器人的应用

（1）两台RX160轿车B柱热成形件双机器人切割①外框、孔位等的高精度光纤激光切割。②高速度提高效率，减少热变形。③机器人柔性编程适应不同产品需求。④低成本系统解决方案适合用户大批量应用。

（2）RX160L工程机械钣金件切割①工程机械钣金件3D激光切割。②大幅面活动范围适合大工件或多工位切割。③切割效率高，相当于传动五轴激光切割机床切割速度的两倍。④机器人结构紧凑且刚性好，有利于降低龙门架成本。

6.结语

未来三维激光加工技术将向高精度、高速度、高柔性、低成本、智能化及高集成化方向发展。我国激光三维切割技术跟国外先进技术还有很大差距，首先表现在设备的研制上，缺少高光束质量的高功率激光器。目前我国各地拥有的三维激光切割设备大部分从国外高价进口；其次在理论研究上也存在一定差距，主要集中在三维零件空间轨迹的实现和三维零件的切割工艺两个方面，对三维零件激光切割过程中的激光-材料-气体之间的交互作用，即三维激光切割机理未作深入研究，而国外早在20世纪70年代就有人开始提出其模型。因此，该技术还有很多地方值得继续深入研究和发展。