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影響激光加工的因素

2019-03-13 武漢邁信電氣技術(shù)有限公司

激光加工是利用光的能量經(jīng)過透鏡聚焦后在焦點上達到很高的能量密度，靠光熱效應(yīng)來加工的

。激光加工不需要工具、加工速度快

、表面變形小

，可加工各種材料。用激光束對材料進行各種加工

，如打孔、切割

、劃片

、焊接、熱處理等

。

激光加工的優(yōu)勢

使用激光加工
，生產(chǎn)效率高
，質(zhì)量可靠，經(jīng)濟效益。
可以通過透明介質(zhì)對密閉容器內(nèi)的工件進行各種加工；在惡劣環(huán)境或其他人難以接近的地方
，可用機器人進行激光加工
。
激光加工過程中無"刀具"磨損，無"切削力"作用于工件
。
可以對多種金屬、非金屬加工
，特別是可以加工高硬度
、高脆性及高熔點的材料
。
激光束易于導(dǎo)向
、聚焦實現(xiàn)作各方向變換，極易與數(shù)控系統(tǒng)配合
、對復(fù)雜工件進行加工，因此它是一種極為靈活的加工方法
。
無接觸加工
，對工件無直接沖擊，因此無機械變形
，并且高能量激光束的能量及其移動速度均可調(diào)，因此可以實現(xiàn)多種加工的目的
。
激光加工過程中
，激光束能量密度高
，加工速度快
，并且是局部加工，對非激光照射部位沒有或影響極小
，因此，其熱影響區(qū)小
，工件熱變形小
，后續(xù)加工量小。
激光束的發(fā)散角可<1毫弧
，光斑直徑可小到微米量級,作用時間可以短到納秒和皮秒，同時，大功率激光器的連續(xù)輸出功率又可達千瓦至10kW量級
，因而激光既適于精密微細加工
，又適于大型材料加工。激光束容易控制
，易于與精密機械
、精密測量技術(shù)和電子計算機相結(jié)合，實現(xiàn)加工的高度自動化和達到很高的加工精度
。

隨客戶對激光設(shè)備加工要求的提升

，對伺服的使用要求也越來越高。在實際使用中也暴露了一些問題

，尤其是加工輪廓的變形問題

，是比較困擾大家的一個主要方面。

關(guān)鍵：軸動態(tài)響應(yīng)性的高低及相互之間的配合

其實無論是板材切割機

、管材切割機或者是復(fù)雜的立體切割設(shè)備，要想設(shè)備按照既定的圖形進行加工

，關(guān)鍵就在于參與加工的各個軸動態(tài)響應(yīng)性的高低及相互之間的配合問題。如果在加工過程中
，各軸的整體響應(yīng)太慢
，或者某些位置出現(xiàn)一個軸偏差小，另一個軸偏差大的情況

，則就會出現(xiàn)加工輪廓變形的問題。而導(dǎo)致這種偏差不一致情況出現(xiàn)的原因眾多

，有機械的

、外力的、伺服響應(yīng)性

、控制系統(tǒng)等因素，或是多因素疊加影響

。因此

，解決此類問題的關(guān)鍵在于各軸有較好的動態(tài)響應(yīng)性及相互之間的配合的協(xié)調(diào)性，使其能比較嚴格地按照既定目標進行加工動作

。

1、機械因素

機械問題相對而言比較常見

，主要體現(xiàn)在設(shè)計

、傳動方式

、安裝、材質(zhì)

、機械磨損等方面

。

2、機械共振

機械共振問題對伺服最大的影響在于無法繼續(xù)提高伺服電機的響應(yīng)性

，從而使設(shè)備整體運行在比較低的響應(yīng)狀態(tài)。此類問題在同步帶傳動的機械中比較常見

，另外長距離的滾珠絲桿有時也有此類情況。主要原因是同步帶的剛性偏低

，共振頻率低

，長距離的絲桿自身慣量較大

，且多有變形情況

，特別是在電機容量選擇偏小的情況下比較容易起振。同時安裝時的裝配工藝高低和材質(zhì)的優(yōu)劣也會對機械的共振產(chǎn)生影響

。如果出現(xiàn)此類問題

，除在機械上優(yōu)化外

，可通過伺服的調(diào)整來彌補

。主要思路就是通過伺服抑制共振的功能來完成。

、機械抖動

機械抖動實質(zhì)也是機械的固有頻率問題，通常比較多地出現(xiàn)在單端固定的懸梁結(jié)構(gòu)中

，特別是在加減速階段表現(xiàn)尤其明顯

。低頻的抖動在加工件中會呈現(xiàn)出大波浪狀的形態(tài)，較高頻的抖動會有鋸齒狀的形態(tài)

。對于此種情況的基本思路是加入多種濾波器

，錯開轉(zhuǎn)矩指令頻率

。

、機械內(nèi)應(yīng)力、外力等因素

由于機械材質(zhì)和安裝的差異

，設(shè)備上各傳動軸的機械內(nèi)應(yīng)力、靜摩擦力等可能會不一致

。如果設(shè)備中參與軌跡插補控制的兩軸中的某一軸的內(nèi)應(yīng)力或者靜摩擦力等更大

，則會一定程度上消耗掉伺服的轉(zhuǎn)矩

，造成此軸的加速變慢，從而導(dǎo)致加工輪廓變形

。通常我們可以通過伺服驅(qū)動器反饋生成的波形曲線來觀察傳動軸的內(nèi)應(yīng)力問題。

外力作用于軸上的情況也比較類似

。一般的板材切割機

，各軸與工件之間是非接觸的，可能受到的外力有限

。但某些管材切割機，送管軸會參與切割時候的插補

，而另一軸一般是非接觸的

。此時管材由于受到夾具的影響，會對送管軸產(chǎn)生一個反向作用力

，這樣參與插補控制的兩軸受力情況不一致
，切割的效果肯定會受到影響

。

、伺服因素

在機械正常的情況下，如果伺服參數(shù)偏差較大

，也會引起切割的輪廓不理想的情況。因此伺服調(diào)試的時候應(yīng)該遵循的原則是：

伺服響應(yīng)性在允許的范圍內(nèi)應(yīng)保持較高的水平
。
參與插補控制的各軸應(yīng)當(dāng)具有比較接近的動態(tài)響應(yīng)性
，可通過波形曲線察看實際的脈沖偏差水平。
慣量比應(yīng)該按照比較真實的數(shù)值進行設(shè)定
，如果驅(qū)動器自動推算的慣量比較真實地反映了實際的負載情況，就不要隨意改變此數(shù)值
。
響應(yīng)性調(diào)整時應(yīng)盡量使用自動增益
，就算需要手動調(diào)試也要在自動調(diào)試的基礎(chǔ)上調(diào)整，這樣會簡化調(diào)試的難度
。