近幾年激光技術(shù)得到了快速發(fā)展，已成為主流的切割技術(shù)，其中五軸激光加工技術(shù)因其具有較好的切割質(zhì)量與精度，以及無與倫比的加工速度，板材行業(yè)普遍認(rèn)為激光切割在將來極有可能取代沖壓成為主流的鈑金加工技術(shù)。然而我國五軸激光加工技術(shù)發(fā)展十分被動，距離發(fā)達國家水平差距甚大，此外，國外的出口限制也極大的阻礙了我國五軸激光加工技術(shù)的進步，然而近日，隨著寧波材料所國產(chǎn)五軸聯(lián)動激光加工系統(tǒng)樣機的問世，標(biāo)志著我國五軸激光加工技術(shù)獲得重大突破。
激光加工技術(shù)是先進制造技術(shù)的重要組成部分，在加工技術(shù)的進步、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造、國防現(xiàn)代化等方面發(fā)揮著重要作用。在國外，激光加工技術(shù)被譽為“萬能的加工工具”、“未來制造系統(tǒng)的共同加工手段”。在激光加工中經(jīng)常需要針對復(fù)雜曲面進行切割、打孔、沖擊強化等加工，而要在復(fù)雜空間曲面上高精度地實現(xiàn)這些加工工藝則必需五軸聯(lián)動系統(tǒng)的幫助才可完成。目前，高精度的五軸激光加工系統(tǒng)國外對我國實行了嚴(yán)格的出口限制，防止用于國防項目。這里的難點在于實現(xiàn)五軸的聯(lián)動以及機械運動系統(tǒng)與激光觸發(fā)的同步控制。
中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所所屬二級所先進制造所的激光與智能能量場制造工程團隊自主研發(fā)了開放式五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上完成了五軸聯(lián)動激光加工系統(tǒng)樣機的研發(fā)工作，該系統(tǒng)重復(fù)定位精度達到了0.002mm，整體精度為0.03mm，運動范圍為：X軸：0-300mm，Y軸：0-300mm，Z軸：0-250mm，A軸：-180°- +180°，B軸：-360°- +360°，整機功率最大1.2kW，平動軸的運動速度最大為0.5m/s,轉(zhuǎn)動軸速度最大為12rad/s。該項研發(fā)是以普通PC為基礎(chǔ)，利用Linux操作系統(tǒng)的開放性，結(jié)合RTAI實時擴展，開發(fā)了高精度的五軸聯(lián)動數(shù)控系統(tǒng)；此外，系統(tǒng)采用了實時總線結(jié)構(gòu)，將EtherCAT實時網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議引入，替代了國內(nèi)傳統(tǒng)開放式數(shù)控系統(tǒng)以運動控制卡做插補和運動規(guī)劃的控制方案，提高了系統(tǒng)的可擴展性和穩(wěn)定性。
此外，團隊將高功率皮秒激光引入掃描振鏡，實現(xiàn)0-12米每秒的激光加工速度。大于5米每秒的掃描速度是高頻率激光加工所必須的，但掃描振境的工作范圍有限，與大范圍工作臺結(jié)合后，實現(xiàn)了大范圍的精密五軸聯(lián)動與高速精密激光加工的結(jié)合。該技術(shù)平臺的建成，為團隊承擔(dān)復(fù)雜難加工材料的加工任務(wù)奠定了基礎(chǔ)。
五軸聯(lián)動激光加工系統(tǒng)樣機
五軸聯(lián)動激光加工系統(tǒng)應(yīng)用于切割金剛石（CCD影像）
團隊還利用自主研發(fā)的設(shè)備結(jié)合CAM軟件UG的加工路徑規(guī)劃功能，實現(xiàn)了復(fù)雜形狀尤其是不規(guī)則曲面的加工，未來將用于航空發(fā)動機用特種材料的加工。相關(guān)工作在今年美國ASME/MSEC2013年會上報道；利用該平臺的特種加工進展在今年的中國機械工程學(xué)會特種加工年會報道。
目前，團隊將光學(xué)精密定位、自動化五軸位移控制、兩軸高速激光掃描合為一體，成功應(yīng)用于金剛石、金屬、復(fù)合材料的加工。團隊下一步將以此平臺為基礎(chǔ)，開發(fā)高精密、大行程智能化高速激光加系統(tǒng)，快速縮短國產(chǎn)系統(tǒng)與國際先進水平的差距。
國產(chǎn)五軸聯(lián)動激光加工系統(tǒng)樣機問世體現(xiàn)了我國激光加工技術(shù)的大進步，將加速國內(nèi)激光加工技術(shù)的應(yīng)用步伐和生產(chǎn)效率的提高，是一項十分可喜的研究突破。
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