提高切割效率的智能化激光切割头 - 文章

提高切割效率的智能化激光切割头

作者：Don Sprentall

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作为机床制造商或零件制造厂，必须对生产装置的智能化操作程度做出选择。谈到生产，无论是想制造工业用切割机、焊接机还是胶合机，人机交互都是当今不可缺少的技术。今天的新颖构思以及公司与用户、学会、大学、技能培训中心的密切协作，将会创造明天的“尖端技术”。

对大范围的材料种类、规格和形态来说，激光切割已经成为一种常规手段，其应用范围正在稳定增大，而且这一切应用都需要激光机以及工件与机器之间的接口具有高度的柔性。

为了满足最终用户的特殊需要并考虑到激光机的灵活性，近年来开发了许多款式的切割头和喷嘴体。多个传感器能保证即使在处理镀膜工件表面时也能产生稳定一致的切割质量，而且传感器与切割头（见图1）一体化，增加了过程安全性并使加工时间保持最小化。

图1：各种智能激光切割头外形

在三维应用中利用连续回转式直线驱动轴并需要细长的喷嘴体，这些用途越来越精密复杂，因此万一喷嘴电极或者其它表面发生碰撞，传感器控制电路必须能够对等离子体、速度和故障信号产生的干扰进行补偿。为了控制过程参数以保证稳定一致的产品质量，如今利用微控制器进行过程监测和调节。
激光切割传感器技术的一个新发展是速度传感器。PS 130过程传感器最初是针对激光穿孔而开发的，并且计划与 Precitec生产的Lasermatic或Lasermatic Z 聚焦头一道控制 CO2 激光穿孔和切割过程。这个传感器系统由测算装置、前置放大器和传感器组成，用来估算激光机在切割过程发出的可见光谱和红外线谱。这种估算在处理不锈钢或厚板料的情况下是特别准确的，因为一旦发生错误可以立即得到纠正。采用PS 130有利于减少不合格或不完全的切割。

去年，W.A. 惠特尼公司将PS 130装入PlateLASER系统（见图2）。这些系统完全可以在生产环境下处理薄板和厚板，该处理过程的一个关键要素是每个系统的独立透镜轴能够迅速实时地调整聚焦位置。惠特尼智能激光控制器自动完成上述的透镜位置调整和实际上任何过程参数的调整。所有参数可以利用材料参数库（Material Parameter Libraries）进行设置，使自动穿孔、自动导入、自动转向以及速度传感式切割过程能够进行实时调整。

图2：W.A. 惠特尼公司的PlateLASER系统

在系统的初始开发阶段，没有采用任何穿透探测方法，因为利用PlateLASER系统切割1-1/4"材料时，穿透过程如此迅速和稳定，所以人们认为这种探测是没有必要的。在穿孔过程中，只要透镜的聚焦位置跟随燃点向下移动，就能在材料上形成精密的小孔。这使穿透时间最小化，并使周围材料保持冷却状态，为精密切割酌留余地。PlateLASER系统穿孔速度高，无须附加单独的喷嘴、切割头或耗时的预穿孔操作（见图3）。

图3：样品的切割质量

不过，为了尽力使切割过程达到极限厚度和/或进给速率并依然保持稳定的生产水平，该系统需要配备监控装置。惠特尼开发了自调式实时过程控制选件，并把PS 130穿孔传感器作为反馈机构，其反馈信号基于材料参数库的参数设置。

在穿孔过程中，一旦指示材料刺穿的信号电平下降，就引起穿孔例行程序终止。

在切割过程中设置了多个信号电平触发器。一旦切割过程（因材料变形、难以执行的程控几何特征等）发生问题，触发信号电平将高于正常电平。此时，切割过程自动减慢或暂停，直到信号返回正常电平。当信号下降到“恢复切割触发电平”时，进给速率迅速返回正常速度。只要PS 130信号再次上升，该过程再次重复。如果发生灾难性事件（对切割过程造成不可恢复的破坏），触发信号便达到“事故信号电平”，引起切割过程中止并发出警示信号。

自调式过程监视器对最终用户大有裨益：可以更快地加工材料而不必持续监督；可以充满信心地提高进给速率，使之突破保守水平并使切割过程以稳健的生产水平继续进行。而且，Whitney系统的快速穿孔时间可以缩短0.1~ 2.0 s，随着多次穿孔循环，这可以积累成为巨大的生产时间效益。

问题得以防范，使切割过程能够自动恢复或人工干预，以免报废材料和浪费生产时间，而且可以避免对喷嘴、透镜或其它系统部件造成损坏。正如自调式过程监控器选件所实现的，传感器除了产生快速穿孔时间以外，还为厚板和薄板切割过程提供额外的性能和可靠性保证手段。

高度精确的非接触式传感器系统是当今技术的关键要素，这些传感器利用光电测量技术，使一些现代化加工方法能够得到可靠的应用。公司将通过光学、电子和机械部件的创新抓紧开发杰出的适合于激光材料加工和过程监控需要的光电子学和图象处理解决方案，以提供更能创造价值的生产环境。

Don Sprentall 是American Laser Enterprises公司(www.a-l-e.net)的总裁

参考文献：Ira E. Cole III, W.A. Whitney Co., "PlateLASER Adaptive Process Monitor," July 2004. (end)

文章内容仅供参考 (投稿) (6/15/2005)


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