基于二维激光切割机的型材多面切割装置方案设计

2014-09-25倪国林杨绪广蔡旭青徐朝臣

锻压装备与制造技术 2014年4期

倪国林，杨绪广，蔡旭青，徐朝臣

（1.凯斯博电梯有限公司，江苏盐城 224005；2.济南铸造锻压机械研究所有限公司，山东济南 250022）

0 前言

目前，超过40%的工业激光器用于金属激光切割。金属激光切割主要分为二维切割和三维切割。二维激光切割机的激光切割头在横梁上沿X轴方向左右移动、同时可与横梁一起整体在床身导轨上沿Y轴方向前后移动，从而形成二维运动轨迹。在Z轴上切割头只可以小范围上下移动来调整光束焦点位置。三维激光切割机的激光切割头在横梁上除了可沿X、Y轴方向移动，还可在空间内的五个面上任意方向调整，从而形成三维运动轨迹。三维激光切割机的设备投资十分巨大，是二维激光切割机的3～4倍。因而，在二维激光切割机上实现三维加工要求具有重要的现实意义。本文对在二维激光切割机上加装型材夹紧、旋转、多面切割装置提出了三种设计方案并进行分析研究。该项研究对激光设备、夹具以及激光加工等具有一定参考价值。

1 二维、三维激光切割机结构介绍

激光切割机主要由激光发生器、光路、床身、机械运动部件、数控系统、气源、冷却系统及除尘系统组成，激光发生器主要有CO2激光发生器和光纤发生器。二维激光切割机的基本构成如图1所示，三维激光切割机切割头部分照片如图2所示。

2 型材多面切割装置参数确定

图1 典型CO2二维激光切割机的基本构成示意图

图2 三维激光切割机切割头部分的照片

2.1 型材多面切割装置的布局

本文所设计的型材多面切割装置安装于二维激光切割机上，可实现型材在二维激光切割机上的装夹、旋转等动作，从而使所需加工面均可在激光切割头的垂直工作面上并在切割范围内，最终达到型材三维切割目的。三种方案布局分别介绍如下。

（1）方案一：主要由卡盘座、卡盘、定位装置、尾架横梁、尾架卡盘等构成，如图3所示。

图3 型材多面切割装置布局方案一

（2）方案二：主要由卡盘座、卡盘、旋转手轮、尾架旋转支撑、尾架升降装置等构成，如图4所示。

图4 型材多面切割装置布局方案二

（3）方案三：主要由工作台（激光切割机原有的）、底板、定位靠山、夹紧螺栓等构成，如图5所示。

图5 型材多面切割装置布局方案三

2.2 型材多面切割装置参数的确定

合理选择激光切割机用型材多面切割装置工作参数，可节省设备投资，提高型材加工质量、加工精度，并可提高加工效率。目前二维激光切割机激光切割头的Z轴行程基本在100mm～120mm，交换工作台移出后的空间高度在300mm～320mm。本文所设计二维激光切割机用型材多面切割装置可加工型材最大为20#型材，最大长度与激光切割机的长度切割范围一致，可加工多种图形，如圆孔、方孔、腰孔、矩形孔、异性孔等，也可以打标。

3 型材多面切割装置结构设计

3.1 方案一结构设计

方案一装置充分利用床身上的两侧六方导轨作为尾架支撑的运行导轨，尾架横梁安装在床身两侧六方导轨上，可根据型材需要长度移动尾架横梁前后位置实现卡盘两端的固定，避免槽钢旋转时出现甩尾现象，样机如图6所示。前后卡盘在安装时通过芯棒保证同心，同轴度≤0.02/m，卡盘选用特殊四爪结构形式，夹爪上设有调节螺钉，能够根据不同型材的大小调节螺钉长度，保证夹爪夹紧工件，端部特制卡盘安装在分度盘上，可以用活动销轴进行定位，也可以加装伺服电机和编码器并与数控系统相联接，以实现自动化。其结构图如图7所示。

图6 方案一装置样机

图7 方案一装置设计图

3.2 方案二结构设计

方案二装置主机前端安装一个固定旋转支架（图8），内置轴承，因此具有支撑刚度并实现旋转作用。旋转支架面向加工区域的一侧安装有自定心四爪卡盘，用于卡紧型材。旋转支架另一侧安装有分度手轮，用于旋转转轴，使卡盘带动型材旋转，实现加工型材不同型面的效果。主机尾端安装有型材辅助支撑，该装置在将型材尾端支撑并固定的同时，还安装有轴承支撑的跟随转轴，保证型材在旋转时与前端保持一致。避免了在切割槽钢等非对称截面型材时，因型材90°旋转带来的中心高度的变化，从而需要人工手动调整支撑高度的弊端。与此同时，尾端支撑可由气缸驱动整体上下移动，以防止在切割平板时与工作台发生碰撞干涉。