開發高精度三維激光切割機,對提高我國航天航空技術裝備水平具有重要的戰略意義。國防軍事裝備對高性能激光切割機的需求更為迫切,如三維立體激光切割機在直升飛機螺旋槳曲面加工中的應用,可以大大縮短產品試制時間,提高部件性能。
    在世界市場上,激光切割機正在向高功率、大幅面、厚板材方向發展。切割焊接是造船行業最基礎的加工工藝,目前我國船用鋼板切割一般采用火焰切割、等離子切割,由于精度有限,特別是對特殊材料的甲板和船體材料,許多國外大型造船廠普遍采用大幅面厚板材激光切割機,國內造船企業已經開始進行設備選購,特別是特種用途的船艇,采用激光切割已經成為一種必須的加工手段。預計在未來5-10年,這一應用行業的生產需求極大。隨著“精密造船”時代的來臨,高功率CO2激光切割技術及裝備在先進國家造船業得到了越來越廣泛的普及應用。
    大幅面厚板材激光切割機在其他重要行業也有迫切的需求,如航空航天發動機轉子轂的切割、鋼鐵冶金行業熱軋鋼坯的激光切割、坦克、裝甲車厚裝甲精密切割、發電設備中發電機組轉子的精密切割等。
    隨著我國鐵路建設、公路建設、水利建設、水電建設、能源、礦山建設、建筑業等重大工程的推進,到2015年,我國工程機械市場需求量將達到2000億元以上,大幅面厚鋼板激光切割機將在我國工程機械行業得到普遍應用。2007年,國內某著名重工機械企業對27臺3m×30m大幅面20mm厚鋼板激光切割機進行招標,由于國內激光企業無廠家符合技術要求,所有訂單都被國外廠家獲得。另一重工企業需求6臺3m×30m大幅面20mm厚鋼板激光切割機。也全部由國外廠家中標,僅此兩家合同金額就高達2億元。
    全球激光制造技術發展飛速,我國與國際激光技術水平的差距有所增大,高端的激光加工成套裝備幾乎全部依賴進口,致使國外激光制造裝備在我國市場的占有率高達70%。預計未來10年內,我國對這些高性能激光切割系統的市場需求量將達到100億元。如此迫切和巨大的市場需求反應出激光加工的手段已經覆蓋到國民經濟各個重要領域,同時也影響著國防、航空航天等關鍵技術的突破,我們不僅僅是解決目前國內該產品的空白,同時也旨在解決激光加工領域多層面技術核心問題,如激光數控、激光機床新型結構、高質量激光加工的技術瓶頸等。
3 技術現狀、發展趨勢以及需突破的共性關鍵技術
3.1 國外數控激光切割技術現狀與發展趨勢
    目前,國際上有代表性的激光切割設備制造商有:德國通快TRUMPF公司,瑞士百超BYSTRONIC,意大利PRIMA,美國WHITNEY公司和日本TANAKA公司等,他們的代表性技術如表1。這些國際知名公司已陸續開發出了大功率、大幅面、高速、飛行光路,三維立體、數控自動的激光切割機,并且每年都在推出新的機型。如百超2002年推出加速度2g,2007年推出3g的高速機床,技術發展之迅速可見一斑。
    隨著激光切割的逐步普及,市場要求進一步提高切割效率(高速切割)、降低待機時間(自動上下料系統)、擴大應用面(向三維立體切割、厚板、高反射材料發展)、降低運行成本(降低電耗)等。國外激光切割技術發展趨勢有:


表l 國際代表性激光切割設備制造商主要技術


3.1.1 高速度
    在設備的運行速度上,目前多家企業競相開發高速高精度切割機,用以取代機械沖床,例如瑞士百超激光有限公司推出的BYSPEED機型,切割速度可達40m/min,加速度為3g,可切割20 mm的不銹鋼,12mm的鋁合金和6mm的紫銅等,其電耗僅60kW,機器有效利用率可達95%,在薄板加工效率上與沖床相當。
    普瑞瑪工業公司最新推出的SYNCRONO機床則采用了一種與眾不同的全新設計理念,首次在激光切割設計中引入了并聯機床的概念,并將兩臺機床合二為一:一臺具有極高動態性能和極輕重量的小型切割機床(切割頭)和一臺負責在大加工范圍內移動的大型傳統機床,兩者之間通過數控實現完美的同步運動和最佳的加工效率優化。由于切割頭部分的重量極輕,故能實現非常高的動態性能,同時機床還采取了特殊的動態平衡設計和專門優化的驅動控制算法,使其在高速運動的同時軌跡光滑且完全避免了振動。這種設計的結果使SYNCRONO機床達到了一種超乎想象的加T效率,其切割時的加速度可達6g,一分鐘內可以切割1000個孔,幾乎比目前市場上最快的切割機還要快一倍。同時其運行成本遠遠低于對手,實際上,SYNCRONO正在開創一個激光切割新時代。
3.1.2 多自由度
    激光切割機廣泛地應用到復雜曲面,工件的加工,如激光切割機器人、專門用于管材切割的2.5D激光切割機、3D光纖傳輸激光切割機等。
    以前的三維激光切割<

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