激光切割机简易自动控制系统

第1章激光切割机

激光切割是激光加工行业中最重要的一项应用技术，也是激光加工中应用最早、使用最多的加工方法。它占整个激光加工业的70％以上。激光切割与其他切割方法相比，最大区别是它具有高速、高精度和高适应性的特点。同时还具有割缝细、热影响区小、切割面质量好、切割时无噪声、切缝边缘垂直度好、切边光滑、切割过程容易实现自动化控制等优点。可切割碳钢、不锈钢、合金钢、木材、塑料、橡胶、布、石英、陶瓷、玻璃、复合材料等。激光切割板材时，不需要模具，可以替代一些需要采用复杂大型模具的冲切加工方法，能大大缩短生产周期和降低成本。因此，目前激光切割已广泛地应用于汽车、机车车辆制造、航空、化工、轻工、电器与电子、石油和冶金等工业部门中。

近年来，激光切割技术发展很快，国际上每年都以15％—20％的速度增长。我国自1985年以来，更以每年25％以上的速度增长。当然，由于我国激光工业基础较差，激光加工技术的应用尚不普遍，激光加工整体水平与先进国家相比仍有较大差距。相信随着激光加工技术的不断进步，这些障碍和不足会逐步得到解决，激光切割技术必将成为20世纪不可缺少的主流的钣金加工手段。以日本为例，目前拥有CO2激光加工机的数量约占全球激光加工机总量的1／3，其中80％为激光切割设备。而我国至今却只有几百套激光切割机在使用中。因此，在我国，激光切割技术的推广和应用潜力很大。随着我国国民经济的飞速发展，许多传统产业需要改造，许多钣金加工领域有待开发，许多工业城市也需要建立激光加工中心。

CO2激光切割机技术正在我国工业生产中得到越来越多的应用,国外正研究开发更高切割速度和更厚钢板的切割技术与装置。为了满足工业生产对质量和生产效率越来越高的要求,必须重视解决各种关键技术及执行质量标准,以使这一新技术在我国获得更广泛的应用。激光切割技术激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的加工中，可大大减少加工时间，降低加工成本，提高工件质量。激光切割技术有两种：一种是脉冲激光适用于金属材料。第二种是连续激光适

用于非金属材料，后者是激光切割技术的重要应用领域。现代的激光成了人们所幻想追求的“削铁如泥”的“宝剑”。

1.1激光切割机国内发展概况

自从第一台红宝石激光器于1960年问世以来，激光技术已被广泛应用到各行各业，走进了干家万户，渗入我们的日常生活。诸如激光打印、CD唱盘与光盘、VCD与DVD视盘、光纤通信、激光测距、激光扫描条码。在工业上，激光被用于四大加工领域：切割、焊接、标记与热处理。和半导体工业一样，中国的工业激光起步并不比西方国家晚。但由于基础工业的薄弱和投资力度的不足，使商品化的激光切割机研究远远落后于发达国家。目前最大的制造厂家是上海雷鸥激光设备厂(上海嘉定)，每年可生产30台2—5kw的横流式CO2激光器，供焊接与表面热处理使用，也可少量生产1.0~1.5kw轴流式CO2激光器供切割用，南京东方激光公司引进德国技术，每年可生产10台1.5、2.0kW封闭式轴流式CO2激光器。此外，长春光机所和上海光机所也生产少量工业激光器。

我国北京机床研究所、核工业部济南铸造锻压机械研究所、北京机电研究院近年也相继推出了国产的数控激光切割机。沈阳机床股份有限公司引进意大利普瑞玛公司数控激光切割机制造技术合资生产，推出了自己的激光器。

目前我国拥有的整台套的激光切割加工系统不足千台，而且分布在全国近200家的激光加工部门中，其中90％为CO2激光器。

国产数控激光切割机的主要持点是，价格较低，约是进口价格的三分之一；激光器功率较低，一般为1.5kw以下。与国外机相比表现为切缝宽，表面质量、机械精度、整机的稳定性、柔性较差。但由于价格方面的优势，在国内市场上也逐渐打开了销路。近几年，我国的汽车、纺织机械、等制造业中一些实力较雄厚的企业引进了不少激光切割机，以满足小批量、多品种金屑薄板的加工需要，但由于进口机价格昂贵，大多数企业都只能望“机”兴叹。因此，继续深入开发和发展国产化的较高质量的数控激光切割机，以较低的价格推向市场，是一项很重要的工作。

1.2激光切割的工作原理

激光切割的工作原理如图1.1所示。它是利用从激光发生器发射出的激光束，经外光路系统，聚焦成具有高功率密度的激光束照射工件，激光能量被工件材料吸收。工件温度急剧上升。到达沸点后，材料开始汽化并形成孔洞。随着光束与工件相对位置的移动，最终使材料形成割缝。切割时的工艺参数(切割速度、激光器功率、气体压力等)及运动轨迹均由数控系统控制。割缝处的熔渣被一定压力的辅助气体吹除。

图1.1 激光切割原理

第2章自动控制系统

2.1 系统方框图

自动控制系统通常由控制器、执行机构和信息反馈装置三部分组成。反馈装置的任务是监视和测量执行机构和工作对象的状态变化和执行结果，把这些信息反馈给控制器。控制器则根据任务的定义和当前执行情况决定以后应该采取的措施，以机械的、光电的或其他的物理方式向执行机构发出指令，以便后者准确地加以执行。执行机构可能是某种工作母机，如机床、化学反应器、作战武器的发射器等。本文所需要介绍的是激光切割机调节离焦量的简易自动控制系统，总体系统方框图如图2.1所示：

图2.1 自动控制系统方框图

2.2 伺服系统

伺服电机是一种传统的电机。它是自动装置的执行元件。伺服电机的最大

特点是可控。在有控制信号时，伺服电机就转动，且转速大小正比于控制电压的大小。去掉控制电压后，伺服电机就立即停止转动。伺服电机的应用甚广，几乎所有的自动控制系统都需要用到。在家电产品中，例如录相机、激光唱机等都是不可缺少的重要组成部分。

简单伺服电机的工作原理如图2.2所示：

图2.2 伺服电机工作原理图

图2.2示出了伺服电机的最简单的应用。电位器RV1由伺服电机带动。电机可选用电流不超过700mA，电压为12～24V的任一种伺服电机。图中RV1和RV2是接成惠斯登(Wheatstone)电桥。集成电路LM378是双路4瓦功率放大器，也以桥接方式构成电机驱动差分放大器。当RV2的任意变化，都将破坏电桥的平衡，使RV1—RV2之间产生一差分电压，并且加以放大后送至电机。电机将转动，拖动电位器RV1到新的位置，使电桥重新达到新的平衡。所以说，RV1是跟踪了RV2的运动。