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216 第15届全国特种加工学术会议论文集(下) 多功能激光精密加工机床设计 张日升，李尚政，余纬 (中国工程物理研究院机械制造工艺研究所，四川绵阳621900) 摘要：介绍了基于灯泵浦固体激光器的多功能固体激光精密加工机床设计的技术路线，简要阐述了机床结构 设计、控制系统原理与软件开发、多功能集成气路设计、在位测量系统研制及工艺试验等内容。机床实际运行和 加工试验表明，其性能稳定、运行可靠、操作方便，且技术指标和加工指标达到了设计要求。 关键词：五轴：机床；激光；精密加工 激光加工一直是国家重点支持和推动应用的一项高新技术，已经成为材料加工有效加工手段之一。本 项目根据用户需求开发了一台带在位测量功能的五轴固体激光精密加工机床，用于如图1所示零件的精密 切割加工。工件材质为1060，切割后要求满足：切割表面粗糙度不高于Ra6．3 mill， lun，切缝控制在1．4±0．05 rain。 切割前后面型轮廓变形量不超过0．03mill；同时，切割不锈钢和铝板的最大厚度不低于4 A-A旋转 技术要求：样品法向厚度差小于O．01ram。 图1切割零件图 1机床总体方案设计 1．1机床功能设计 机床可实现五轴四联动，能完成由金属、非金属材料制成的各种零件的切割和打孔加工。利用本机床 可切割4mm铝板和不锈钢板。 1．2机床主要构成 统、雷尼绍TP200检测传感器、气体增压系统、切割气路系统、防护罩、制冷机组、CCD观察装置、400 W灯泵浦固体激光器系统等。 1．3机床总体结构与布局设计 机床总体设计时，主要考虑了整体吊装方便、精度保持性好、刚性足、可靠性、维修性、保障性好等 要求，所有零部件尽量采用机电一体化集成设计。机床采用固定悬臂梁的结构形式，z轴垂直固定在立柱 上，剧轴组合台整体安装在Z轴溜板上，由z轴带动整体作上下运动。 激光加工 217 两轴变位转台通过过渡安装座安装在XY轴组合台上，通过配重以平衡Z轴整体负载。激光器安装在 横梁上，激光切割头安装在激光器上，且切割头上安装有精密测量传感器用于找正工件中心；CCD观察装 置与激光束偏轴安装，通过棱镜折射提取图像。气体增压系统和切割气路元件安装在左侧柜内，激光切割 头喷嘴中心与转台中心对正，且在瓜y、z直线轴方向分别具有足够的行程量。机床外形见图2。 2 控制与伺服驱动系统设计 2．1机床控制功能 机床控制系统可实现任意五轴四联动，除具备通用数控加工机床的功能外，还能实现对气路系统、激 光器、冷却系统、导轨润滑、精密测量系统等的集成控制，同时必须具备3个直线运动轴的全闭环控制、 刀具半径补偿、切割回退功能、气体压力自动调节、完善的故障报警与信息提示、良好的抗干扰能力等功 能。 2．2控制原理设计 伺服运动轴瓜y、z、彳、C轴采用FAGOR的数字化交流伺服系统，正弦波PWM控制方式，具有扭矩、 速度、位置三者数字化矢量控制功能。3个直线轴采用AXD驱动模块+FXM系列永磁同步无刷交流伺服 电机+滚珠丝杠+直线滚动导轨+直线光栅尺的全闭环控制形式；旋转轴采用AXD驱动模块+FXM伺服电机 +转台的形式，速度和位置测量由电机内置编码器完成，半闭环控制。控制原理和控制接口设计见图4。 光 纤 图4控制原理图与控制接口设计图 CNC与每个伺服驱动模块通过采用SERCOS通讯标准的光纤进行通讯，光纤连接确保通讯过程无噪 音，电源模块和驱动模块均设置过压、过流、过速、过温、电机温度、电网故障、硬件错误等保护，由P