影響激光加工的因素

2019-03-13 武漢邁信電氣技術有限公司

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

 

激光加工的優勢
  • 使用激光加工,生產效率高,質量可靠,經濟效益。

  • 可以通過透明介質對密閉容器內的工件進行各種加工;在惡劣環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。

  • 激光束易于導向、聚焦實現作各方向變換,極易與數控系統配合、對復雜工件進行加工,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,因此可以實現多種加工的目的。

  • 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,其熱影響區小,工件熱變形小,后續加工量小。

  • 激光束的發散角可<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、精密測量技術和電子計算機相結合,實現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。

 

 

關鍵:軸動態響應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雜的立體切割設備,要想設備按照既定的圖形進行加工,關鍵就在于參與加工的各個軸動態響應性的高低及相互之間的配合問題。如果在加工過程中,各軸的整體響應太慢,或者某些位置出現一個軸偏差小,另一個軸偏差大的情況,則就會出現加工輪廓變形的問題。而導致這種偏差不一致情況出現的原因眾多,有機械的、外力的、伺服響應性、控制系統等因素,或是多因素疊加影響。因此,解決此類問題的關鍵在于各軸有較好的動態響應性及相互之間的配合的協調性,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,主要體現在設計、傳動方式、安裝、材質、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提高伺服電機的響應性,從而使設備整體運行在比較低的響應狀態。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的優劣也會對機械的共振產生影響。如果出現此類問題,除在機械上優化外,可通過伺服的調整來彌補。主要思路就是通過伺服抑制共振的功能來完成。

 

3、機械抖動

機械抖動實質也是機械的固有頻率問題,通常比較多地出現在單端固定的懸梁結構中,特別是在加減速階段表現尤其明顯。低頻的抖動在加工件中會呈現出大波浪狀的形態,較高頻的抖動會有鋸齒狀的形態。對于此種情況的基本思路是加入多種濾波器,錯開轉矩指令頻率。

 

4、機械內應力、外力等因素

由于機械材質和安裝的差異,設備上各傳動軸的機械內應力、靜摩擦力等可能會不一致。如果設備中參與軌跡插補控制的兩軸中的某一軸的內應力或者靜摩擦力等更大,則會一定程度上消耗掉伺服的轉矩,造成此軸的加速變慢,從而導致加工輪廓變形。通常我們可以通過伺服驅動器反饋生成的波形曲線來觀察傳動軸的內應力問題。

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。

 

5、伺服因素

在機械正常的情況下,如果伺服參數偏差較大,也會引起切割的輪廓不理想的情況。因此伺服調試的時候應該遵循的原則是:

  • 伺服響應性在允許的范圍內應保持較高的水平。

  • 參與插補控制的各軸應當具有比較接近的動態響應性,可通過波形曲線察看實際的脈沖偏差水平。

  • 慣量比應該按照比較真實的數值進行設定,如果驅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值。

  • 響應性調整時應盡量使用自動增益,就算需要手動調試也要在自動調試的基礎上調整,這樣會簡化調試的難度。

     

     

 

6、數控系統因素

有的情況下,伺服的調試效果不明顯,此時可能就要介入對控制系統的調節了。激光切割機加工時通常線速度是比較恒定的,在直線與曲線上都是同一速度。這一點在直線運動上是沒有多大問題的,但是在曲線,特別是小尺寸圓弧的加工上可能會因為加速度過大導致輪廓變形的情況。因此,在切割小圓等圖形時必須對速度及加速度加以限制。并且在遇到抖動等問題的時候調整加速度,改變插補采樣周期等參數對抑制抖動的效果比單純調整伺服效果更好。

 

特別說明:此文章素材來源于網絡,版權歸原作者所有。

 

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