激光切割技術發(fā)展的目標。
2 發(fā)展數控激光切割機產業(yè)的重要意義及其市場分析
2.1 發(fā)展數控激光切割機產業(yè)的重要意義
在高功率數控激光切割成套設備開發(fā)及制造方面，經過十幾年的發(fā)展，我國激光切割技術及裝備從無到有，已逐步形成一定產業(yè)規(guī)模。2007年國內大型激光切割設備的銷售額達到15億元，在中低端產品方面基本占領國內市場，并有部分產品出口。但與美國、歐盟、日本等發(fā)達國家相比，我國的激光切割設備仍然停留在低端產品階段，而且高功率激光器、激光專用控制系統(tǒng)、激光光束傳輸控制、激光切割專有技術等絕大部分核心技術還依賴進口。目前，國際上德國通快TRUMPF公司、瑞士百超BYSTRONIC和意大利PRIMA等國際知名公司已經開發(fā)出大功率、大幅面、高速、飛行光路、多維立體、數控自動的激光切割機。在高端激光切割系統(tǒng)領域，我國與國際先進水平存在較大差距，產品基本依賴進口，每年不得不花費數十億元從國外引進相關技術與設備。如船舶制造業(yè)中厚鋼板的激光切割設備、三維立體激光切割設備、有色金屬激光切割設備等，引進價格昂貴、訂貨周期長、售后服務無法及時保證，嚴重制約了我圍困民經濟的發(fā)展。并且由于國外在該領域出口對我國有明確的限制，采用許可證制度，嚴格規(guī)定該項技術不能用于軍工、航空航天等領域，因此我國急需突破該項技術。
隨著我國船舶、汽車、航空航天、鋼鐵、發(fā)電設備等行業(yè)的快速發(fā)展，全球制造業(yè)的中心向我國轉移，我國數控激光切割成套設備市場需求年增長速度達到50%以上，數控激光切割技術更以其柔韌性和靈活性在薄板加工領域逐步取代了傳統(tǒng)加工手段。針對汽車、船舶、航空、航天、鋼鐵、能源設備等行業(yè)急需的激光切割設備，攻克大幅面高精度數控激光切割的床身機械設計、基于高速切割的直線電機驅動及相關運動系統(tǒng)、基于5軸聯(lián)動三維激光切割技術、高功率光束傳輸技術、數控切割軟件、厚板激光切割技術等技術難題，解決高功率激光器、激光傳輸控制、精密機床、數控系統(tǒng)等核心技術，開發(fā)高速高精度激光切割機、大幅面厚板激光切割機、三維立體數控激光切割機、航天航空用有色金屬激光器切割機等高性能激光切割系統(tǒng)，對打破國外廠家在該領域的壟斷，實現(xiàn)進口替代，節(jié)約外匯儲備，滿足國內市場的需求，積極帶動我國關鍵行業(yè)裝備制造業(yè)的快速健康發(fā)展具有重要意義。另外，還可帶動相關產業(yè)鏈的延伸與發(fā)展，大力推動大功率激光器、光學零部件、導光系統(tǒng)、數控系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)、精密機械加工、精密儀器儀表、電子元器件、計算機軟件等上游產業(yè)鏈的技術進步和產業(yè)升級。
2.2 數控激光切割機的市場應用現(xiàn)狀和前景分析
高功率數控激光切割成套設備全球累計擁有量已達35000臺(套)左右，而我國目前高功率數控激光切割成套設備的擁有量為1500臺左右。隨著裝備制造業(yè)的快速發(fā)展，我國數控激光切割成套設備已進入快速增長期，年增長率達50%以上。應用行業(yè)包括：汽車、船舶、航空、核工業(yè)、機械制造、鋼鐵、紡織、石油、激光加工中心等。
在2006年全國激光加工學術年會上，專家們認為：到“十一五”末期，我國每年至少需要1500多臺套高功率數控激光切割機，到“十二五”末期，我國高功率數控激光切割機市場需求量將達到10000臺套，其中除了通用激光切割機之外，對高速高精度激光切割機、大幅面厚板激光切割機、三維立體數控激光切割機、航天航空用有色金屬激光器切割機等高性能激光切割系統(tǒng)的需求也與日俱增。
國外汽車生產過程中，普遍采用三維激光切割機對覆蓋件、門板等進行精確切邊。再采用激光焊接機械手進行高質量自動焊接，不僅確保產品質量，而且生產效率極高。在樣車開發(fā)和小批量生產中，高度柔性的激光三維切割取代大量的沖孔和修邊模具，不僅節(jié)省大量模具，同時使新車型的開發(fā)周期大為縮短。在歐洲，幾乎所有汽車制造廠在汽車研制開發(fā)和生產中均的采用激光加工。激光制造技術在汽車制造中應用的廣度和深度已經成為汽車工業(yè)先進性的重要標志。國內已有汽車生產企業(yè)引進激光切割和激光焊接生產線，其他企業(yè)在未來的發(fā)展規(guī)劃中也都有引進計劃。三維激光切割機對提高新車型開發(fā)速度具有重要的促進作用。
開發(fā)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(zhàn)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(fā)展。切割焊接是造船行業(yè)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(yè)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(yè)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(yè)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(yè)也有迫切的需求，如航空航天發(fā)動機轉子轂的切割、鋼鐵冶金行業(yè)熱軋鋼坯的激光切割、坦克、裝甲車厚裝甲精密切割、發(fā)電設備中發(fā)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(yè)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(yè)得到普遍應用。2007年，國內某著名重工機械企業(yè)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(yè)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(yè)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(fā)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(tǒng)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(xiàn)狀、發(fā)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(xiàn)狀與發(fā)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下表。這些國際知名公司已陸續(xù)開發(fā)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(fā)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(tǒng))、擴大應用面(向三維立體切割、厚板、高反射材料發(fā)展)、降低運行成本(降低電耗)等。國外激光切割技術發(fā)展趨勢有：
3.1.1 高速度
在設備的運行速度上，目前多家企業(yè)競相開發(fā)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(yè)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(lián)機床的概念，并將兩臺機床合二為一：一臺具有極高動態(tài)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(tǒng)機床，兩者之間通過數控實現(xiàn)完美的同步運動和最佳的加工效率優(yōu)化。由于切割頭部分的重量極輕，故能實現(xiàn)非常高的動態(tài)性能，同時機床還采取了特殊的動態(tài)平衡設計和專門優(yōu)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(chuàng)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機只能進行汽車內飾件的切割，無法加工金屬沖壓件。普瑞瑪工業(yè)公司創(chuàng)造性地將電容式傳感器集成到三維激光切割設備中，使機床可以自動適應沖壓件彈性變形造成的誤差，從而使三維激光切割技術真正成為汽車車身加工的一種精密、靈活的加工手段，廣泛應用于汽車、航天航空工業(yè)、工程機械、模具、健身器材、鈑金加工等制造領域。
3.1.3 大幅面大厚板
目前，國際上出現(xiàn)了“精密造船”的概念，美國、歐盟、日本、韓國等圍家和地區(qū)的船舶制造普遍采用高功率激光切割技術。目前國外主流大幅面激光切割機一般采取機載激光器結構，加工幅面為3m×25m，切割板厚可達到40mm，在船舶、艦艇等行業(yè)得到越來越多的應用。
3.1.4 智能化
進一步把激光器與計算機數控技術、先進的光學系統(tǒng)以及高精度和自動化的T件定位相結合，將自動排料、切割工藝數據庫、遠程診斷、遠程控制集成一體，把激光切割的功能部件與其他加工方法組合，制成如激光沖床等多功能加工機，更符合工廠復雜加工高效的需要，它兼有激光切割的多功能性和其他加工形式的高速高效的特點，可同時完成切割、打孔、打標、劃線、成形等。
3.2 國內數控激光切割技術發(fā)展方向
近幾年來，我國在數控激光切割技術裝備領域發(fā)展迅速，二氧化碳激光器功率達到4kW，加工幅面從3015到6030都能實現(xiàn)，各種光路設計都已成熟應用，在驅動方面普遍采用直線電機伺服系統(tǒng)，國產數控激光切割設備已經具備較強的市場競爭能力。
隨著激光切割技術應用的迅速普及，市場空間不斷拓寬。我國數控激光切割技術裝備的發(fā)展重點應關注以下領域：
3.2.1 開發(fā)高速高精數控激光切割設備
掌握3g以上加速度運動系統(tǒng)的設計與制造技術和高精高速下機床運動系統(tǒng)的設計與制造技術。定位速度120～180 m/min，切割速度50～80m/min，切割表面粗糙度小于6.3μm，切割頭定位精度±0.02 mm/m，重復定位精度0.01mm/m，用于激光高速切孔時，切割速度達到1000孔/min。
3.2.2 開發(fā)高精度三維激光切割設備
掌握三維立體激光切割機機床的設計與制造、立體激光切割頭的設計與制造技術、三維立體激光切割工藝，開發(fā)配套三維CAD/CAM軟件系統(tǒng)，實現(xiàn)復雜曲面的激光切割。定位精度≤±0.05mm，重復精度≤±0.015mm。快進速度≥25m/min;A/B軸轉角范圍3600/±135°，轉角精度≤0.015°，重復精度≤0.005°。
3.2.3 開發(fā)大幅面厚板激光切割設備
掌握遠光程激光傳輸技術、厚板切割T藝、高功率激光光路設計與制造技術，實現(xiàn)大幅面厚板材的激光切割。激光切割機床X/Y/Z行程>130000mm/6000mm/150mm，定位精度≤±0.05mm.重復精度≤±0.015mm，快進速度≥25m/min，切割板厚40mm。
3.2.4 開發(fā)特種行業(yè)專用激光切割設備
掌握特種材料特種加工需求下對激光切割機的設計與制造技術，完成鋁合金、鈦合金、鎂合金、銅合金1-10mm的切割工藝。
3.3 數控激光切割需突破的關鍵共性技術
3.3.1 激光切割機機械結構設計與驅動技術
激光切割機的橫梁，有單懸臂式、龍門式、龍門倒掛式等，機床結構要求具有高剛性和高穩(wěn)定性。橫梁設計時必須輕巧靈活，符合高速度激光切割時的運動平穩(wěn)性與橫梁運動的高精度。這些是實現(xiàn)激光精密切割的基礎。
3.3.2激光切割機數控技術
結合激光切割的專有特點，采用穩(wěn)定可靠的通用數控系統(tǒng)作基礎，經過二次開發(fā)，開發(fā)出具有自主版權的激光切割控制系統(tǒng)。具備激光專有控制功能，如激光功率坡調、Z浮功能控制、自動調焦功能;在高速運行下良好的機床運動控制性能;具備遠程診斷與控制功能，機床控制一體化(激光器控制、氣路控制、光路控制)，符合大幅面激光切割的運算判斷等，人機界面友好、語音提示、方便操作和維護。
3.3.3 高功率激光光束傳輸聚焦技術
光束質量是激光切割質量的關鍵，關鍵技術包括：專有光束質量控制、光束半徑調整、束腰補償、視頻光束校準系統(tǒng)等。專有光束質量調整系統(tǒng)包括自適應光學系統(tǒng)，以優(yōu)化光束形狀。光束半徑調整要實現(xiàn)自適應光學系統(tǒng)可以自動維持程序里的光束聚焦點。如在切割低碳鋼時，自動輸出非常細的光束聚焦點，切割不銹鋼時，自動輸出寬一些的聚焦點。激光光束不是平行的，當切割頭在切割范同移動時，光斑直徑改變。要維持好的切割質量，就需利用腰束補償維持光斑直徑不變，控制系統(tǒng)通過自動調整束腰的位置來保持激光束在焦點處最優(yōu)的光斑。視頻光路校準系統(tǒng)是利用視頻技術和微調裝置，使操作者可以在不用打開任何蓋子的情況下檢查光路，保證所有的光學鏡片位置準確。該功能主要優(yōu)勢，一是安全：不需要打開光路，避免了在光路檢查過程中接觸激光的危險;二是可靠：檢查的過程迅速可靠，讓光路系統(tǒng)保持最優(yōu)的切割狀態(tài);三是維修簡單：可以實時察看目標位置，省去了很多操作，可以更快地維修和調整。
3.3.4激光切割專有技術
激光切割專有技術有：邊緣監(jiān)測、電容高度跟蹤、切割監(jiān)測、穿透檢測等。邊緣監(jiān)測技術可以使切割頭定位在板材合適的邊緣位置，自動監(jiān)測其位置和方向。穿透檢測技術是指使用相同的傳感器來確定光束是否已經穿透了板材，這樣可以得到最高質量的穿透效果，同時又節(jié)省時間。切割監(jiān)測技術是指機器在無人看管的情況下也可以正常進行切割加工，若因故使切割不能正常運行，切割監(jiān)測系統(tǒng)可以識別，系統(tǒng)軟件會確定其原因并做出反應，包括停止、折回及簡單調整功率，以獲得更好的效果。電容高度跟蹤技術是通過電容系統(tǒng)來完成，高頻率通過噴嘴處金屬部件的電容系統(tǒng)傳送到切割頭上，當切割工件與切割頭金屬部件的距離改變時，頻率也會按比例發(fā)生改變，CNC控制器通過這一信息來調整Z浮到其最合適的位置。
3.3.5 激光切割專用CAD/CAM軟件系統(tǒng)
為配合激光切割的圖形轉換，需要開發(fā)設計專門的CAD/CAM軟件系統(tǒng)，該軟件系統(tǒng)能將從CAD系統(tǒng)獲得的幾何信息轉換成NC代碼，通過USB口或通信系統(tǒng)將NC代碼傳入CNC系統(tǒng)，供設備正常切割使用。CAD/CAM軟件系統(tǒng)所產生的NC代碼具有激光切割的全部特有功能，使編寫復雜零件程序的工作變得簡單流暢，編輯和修改也非常方便。
3.3.6 厚板高功率激光切割頭設計制造
研制開發(fā)長焦深高功率激光多維立體切割頭時，切割頭應該配備雙聚焦鏡組件、帶靈敏可靠的Z浮部件、良好的水冷裝置和空氣冷卻裝置，能承受約2533kPa的輔助氣體壓力，達到切割厚度30～40mm的需要。
3.3.7 激光切割工藝研究
通過進行大量的切割工藝試驗，形成材料、環(huán)境、工藝參數如激光器功率、輔氣氣壓大小以及種類、切割速度、焦點位置以及切割的起始位置等切割工藝數據庫，尤其是針對曲面切割、鈦合金切割、厚板材切割等工藝，操作者只需在對話框中按照提示輸入基本參數和信息，系統(tǒng)就會自動調用數據庫資料，完成切割參數設置。
4 結束語
數控激光切割是理想的切割加工手段，代表現(xiàn)代金屬加工技術的發(fā)展方向。數控激光切割設備在國內外市場有著極其廣泛的市場需求。我國在數控激光切割技術和裝備方面與國外有一定差距，但近幾年來發(fā)展迅速。今后發(fā)展方向應該立足高起點，在高速高精激光切割、大幅面激光切割、三維激光切割、特種材料激光切割等領域進行關鍵共性技術研究開發(fā)，形成產業(yè)化，從而滿足日益增長的市場需求。
