將激光機器人系統應用于液壓成型密閉管的切割，可有效解決對其進行單側切割出現的問題，并可使用戶在成型工件上進行切割。不僅如此，選擇到合適的系統，還可使運行成本減少15～20%。

液壓成型管已廣泛地應用于新型卡車和SUV的大梁、發動機支架、吊桿和頂柱，其硬度高、形狀復雜和重量輕的特點使得該結構的應用越來越廣泛。對于制造商來說，最大的挑戰是從單側切割這些密封管，過去，這些件是用先折彎， 然后點焊起來的裝配方式，因為成型前是平板，因此用傳統的沖床很容易完成，但對于成型件，沖床則不易加工。采用激光機器人切割系統和光纖傳導系統可以解決這個問題，同時，用戶還可以在成型工件上進行切割。

激光系統

激光發生器由機器人或控制單元控制，被放置在激光安全防護罩外，為了節省占地面積，有時將其放在高處。連續Nd：YAG固體激光器1.06mm的波長和光纖傳導適用于快速切割，一般用10～30m長的光纖將激光能量傳送到工件表面。用金屬加固的光纖導管非常堅韌耐用，可像普通的管線一樣使用，唯一的限制是最小彎曲半徑約為200mm。

在機器人手臂和光纖末端連接的是激光切割頭，它將光束聚焦到工件表面，同時保持與工件表面恒定的距離，并傳遞切割輔助氣體。在切割平板的激光系統中，為了使切割頭堅固且操作靈活，可將其做的較大。機器人系統進行的是三維切割，必須將切割頭設計的輕而小，尤其在靠近切割噴嘴的部分，以便使它更靠近切割部位而不受干擾。另外，它還必須具備良好的密封，以防止灰塵和金屬蒸氣進入，同時盡量避免碰撞，以防止被損壞。

為了保持激光始終聚焦在工件表面上，在切割頭噴嘴上使用了電容高度傳感器，將指令傳送給伺服系統。移動聚焦透鏡和噴嘴與工件表面保持1mm的距離（如圖1），浮動范圍為25mm。

圖1 切割頭必須沿工件表面跟蹤，使激光始終在工件表面聚焦以補償工件的制造誤差

工藝流程

液壓成型管在每一側都有許多部位需要切割，并在端口有一處切割，稱為“端口切割”。 我們以此作為工藝流程的實例：第一步是將管液壓成型為所需形狀，將管送入激光機器人工作站里并將其立起，使里面積蓄的液體流出，否則液體會影響激光切割頭上傳感器的工作。當然干燥的管子是最好的，但如果在切割位置附近沒有過多積蓄的液體，濕的表面也可以接受。隨后，管子被裝入卡具準備切割，通常為一種變位裝置。這種轉動系統可以在一個管子轉入激光防護罩內進行加工的同時，使另一個管子在加工區外裝卡。將工件的每一面轉動到切割頭位置進行切割，既可以減少機器人的動作量及空程時間，也可以簡化管線的運動路徑（如圖2）。

圖2 管子不動，切割頭由機器人帶動進行多面切割

在激光切割時，排塵裝置從管子末端吸走切割中產生的金屬蒸氣和顆粒。在切割完成后，管子再次被垂直立起，倒掉里面的熔渣，最后集中到廢料收集器里。

激光器

激光切割的縫寬約為0.2～0.6mm，切割部位的尺寸受機器人臂長等因素的限制，而切速由激光功率和縫寬來決定，激光切割的速度曲線如圖3。然而，激光切割速度并不是加工周期的唯一因素，機器人系統還必須花大量時間在不同的加工位置間移動，即“空程時間”。在整個加工周期中，機器人以最快速度運動的空程時間要占50%，甚至更多，因此，在計算成本時還要考慮到這一問題。

圖3 決定激光機器人單元加工周期的因素。以切割10個圓孔和3個型孔為例，上下料和裝卡需20s

液壓成型管激光切割系統配置的優化主要取決于速度、成本和質量，其中GSI激光器一個突出的功能是可以產生幾百赫茲的脈沖輸出，峰值功率高于連續波平均功率的2倍。這不僅可以產生更快的穿刺，在進行垂直于表面的切割時，還可以產生更快、更穩定的切割；對于半徑小的圓進行切割，可以保證邊緣切割的質量更好；對于反射性材料進行切割，可使速度更快，如鋁和鍍鋅板。

對機器人的選擇

機器人運動的精度、光滑度和重復性決定了切割精度。激光切割幾毫米厚材料的精度為±35mm，包括機器人路徑，精度為±250mm。機器人點對點的重復定位精度決定了實際加工點的位置，大約為±70mm。

一個合適的機器人應至少有六軸運動，并可再加一個或更多軸來旋轉或移動長的工件。負載為激光切割頭，通常小于10kg。

切割頭

如前文所述，切割頭應該小、窄、輕且快，并能耐受較臟的切割環境。大的金屬氧化物顆粒和煙塵會損壞光學鏡片和移動機構，而不銹鋼結構和滑塊密封結構會減少磨損，快換式、預準直的切割噴嘴和聚焦鏡片還可快速更換。此外，新型切割頭還可以防止碰撞。當在切割中產生飛濺和等離子云，或在進行斜角切割時，保持切割頭與工件的固定距離至關重要，GSI的切割頭可以做到這點，并可在加工中不斷地進行自我校準。

將光纖、電纜和氣管固定在一起，需遠離切割區，以免工件在加工中受阻或使其在運動中扭曲，所有的管路都應安置在切割頭的一側。切割頭為直角是最好的，這樣光纖可以沿機器人手臂固定，不僅可減少光纖在切割頭上的扭曲，也可使更多的光纖用于工作區。

直角切割頭也可以使用閉環的攝像監視系統通過鏡片在焦點位置取像，然后在監視器上放大，以方便示教編程。這個功能配合電容傳感器的信號，可讓機器人自動找到工件表面的法線方向。操作者將切割頭設置到行程中點或示教點，根據監視器上放大的圖像沿著主線或特征中心點進行編程。在每一點，可以通過找到該點附近幾點的高度自動確定法線方向，從而使機器人帶動切割頭移到法線方向，并將其作為正確點進行輸入。

光纖傳導的激光器機器人切割系統早在20世紀90年代初就已用于生產，最好的液壓成型件切割系統的選擇標準包括切割速度、運行成本、邊緣質量和掛渣的去除、正常運行時間以及頭期投資成本。在激光器滿足速度快、切割質量高和掛渣去除容易的情況下，還應注意選擇氧氣和電消耗最少的激光器。選擇到合適的系統，可使運行成本減少15～20%。

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