發(fā)展史及激光技術

1、單純的設備性能的提高，為提高生產效率所帶來的貢獻是非常有限的。只有制造模式和管理模式的變革，才能讓生產效率得到飛躍式的提高。1YOUR PARTNER FOR INNOVATION2美濃加茂工廠精工工廠大口工廠美國工廠小巨人工廠新加坡工廠英國工廠31919年山崎定吉先生創(chuàng)建山崎鐵工所1928年開始機床產品生產1963年生產了第一臺商標MAZAK的機床產品1968年第一臺數控車床問世1970年第一臺數控加工中心問世1981年世界第一臺使用會話式編程方式的CNC MAZAKTOL T-1問世1983年在世界上首次提出了車銑復合加工的概念，并制造出原型機。開發(fā)了MAZAKROL FMS和第一臺激光加

2、工機 Laser Path 40/401991年MAZAK生產的高效FMS開始在MAZAK自己的美濃加茂工廠大規(guī)模應用1998年MAZATROL FUSION 640 問世。美濃加茂工廠成為世界第一座智能網絡化機床工廠。2000年寧夏小巨人機床有限公司開業(yè)2004年世界最先進的激光加工機控制系統(tǒng)PREVIEW問世。45車銑復合中心CNC車削中心立式加工中心臥式加工中心柔性制造系統(tǒng)（FMS）激光加工機數字化制造系統(tǒng)6HyperGear 系列SUPER TURBO X Mark II 系列3D FABRI GEAR 系列SUPER GEAR U44 & SUPER TURBO X44SUPER G

3、EAR Mark II 系列SUPER TURBO X 510 3D7定長光路技術目前市面上最常見的激光機光路系統(tǒng)為飛行光路系統(tǒng)。正如以下動畫畫面所顯示，在不同的加工位置，其光路的總長度是不同的。8定長光路技術作為質量最好的加工光源，理論上來講，激光是嚴格的平行光。根據光學原理，平行光聚焦后形成的光點位于聚焦透鏡的焦點上，其光斑直徑趨近于無窮小。如下圖所示：9定長光路技術但實際上，我們得到的從激光器中發(fā)出的激光，并不是絕對的平行光，而是具有很小發(fā)散角的、接近平行光的光束。通過下圖可以看出，這時聚焦光斑的位置是不在焦點上的，而是有所偏移。這個偏移量到底有多大？是否會對加工產生嚴重的影響呢？10定

4、長光路技術我們沿著光線的包絡線反向延長，會發(fā)現它們會相交在一點，這樣我們可以將其看作一個近似的點光源，用來計算聚焦點的位置。從虛擬光點的位置到透鏡的距離為物距Lo，焦點到透鏡的距離為像距Li。下面，我們將其轉換為點光源計算的光路圖。11定長光路技術平行于透鏡光軸的光線聚焦后通過焦點，通過透鏡中心的光線方向不變，得到以下成像分析圖。其中為了便于計算，增加了參數物高Ho、像高Hi，以及焦距f。通過兩個相似三角形，我們得到如下關系：Ho/Lo=Hi/Li=f/(Li-f)，最終我們可以得到公式：像距Li=f*Lo/(Lo-f)。12定長光路技術按照出瞳直徑22.5mm，發(fā)散角2mrad來計算，使用7

5、.5”透鏡。虛擬光點到激光器出口的距離：22.5/(2*0.001)=11250mm，假設光路的固定長度部分為1500mm，按1500 x3000的工作臺計算：最小物距為Lo1 =11250+1500=12750mm，最大物距Lo2=12750+3000+1500=17250mm根據公式：像距Li=f*Lo/(Lo-f) ，Li1=193.39mm，Li2=192.63mm。焦點距離差為0.76mm。通過簡單的三角關系可以計算得出光斑尺寸變化為0.09mm。而通常7.5”透鏡形成的聚焦光斑大小不超過0.2mm，大了0.09mm的光斑使得光斑直徑變?yōu)樵瓉淼?.45倍，面積變?yōu)樵瓉淼?.1倍。也就

6、是說，能量密度下降到原來的不到1/2。這將對材料的氣化、熱影響區(qū)的范圍產生非常大的影響。因而將直接影響到切割的質量及切割的能力，甚至有些材料將會出現不能切斷的情況。13定長光路技術大行程的、不使用定長光路系統(tǒng)的激光加工設備或多或少存在著不能保證全臺面加工質量的問題。如下圖，加工區(qū)域分成品區(qū)和次品區(qū)，甚至存在廢品區(qū)。一般沒有其它焦點位置補償手段的設備只能保證1m 2m的成品區(qū)，我們可以在很多飛行光路的激光加工機手冊中看到這一點。 廢品區(qū)成品區(qū)次品區(qū)14定長光路技術Super Turbo X系列和Space Gear系列中，所有的加工范圍在1.25m2.5m以上的機型均使用以下光路結構：通過工作臺

7、移動和旋轉臂式的光路系統(tǒng)，有效保證了光路長度的固定，從而有效保證了在工作臺上各個位置都能夠有非常好的切割質量。15定長光路技術Hyper Gear 510采用了飛行光路式的機械結構，為了保證光路長度的恒定，采取了增加補償鏡片組的方式。補償鏡片組安裝在U軸上，通過U軸移動保證光路長度的恒定：3D Fabri Gear及Super Turbo X44、Space Gear U44，由于光路長度變化相對較小，光路長度變化對加工的影響相對不明顯，因此不采用定長光路的設計。16其它焦點位置補償方式比較水壓式可調曲率反射鏡該技術使用水壓來控制一個可調曲率的反射鏡，通過調整該反射鏡的曲率半徑來補償激光束的發(fā)

8、散角從而實現焦點位置的控制。由于光束發(fā)散角極小，所以要求控制的精度極高。僅由于溫度的變化即可導致反射鏡的尺寸變化（熱脹冷縮）和彈性系數變化，這些變化就會導致對控制精度的很大影響。而對焦點控制的結果無法有效檢測而形成反饋，因此很難達到較好的補償效果。該反射鏡和配套的壓力調節(jié)系統(tǒng)成本相對較高，而且較易損壞。每套備件價格在1萬美元左右。激光光束擴束技術該技術通過一個平行光管對激光光束進行擴束處理，擴束后相對于將虛擬光點后移從而增大了物距，從而實現減小焦點變化量的目的。但擴束后將直接導致聚焦光斑變大，實際上是以降低切割能力為代價的，而且并不能避免焦點變化，只是減輕焦點變化帶來的影響而已。17定長光路技

9、術的優(yōu)勢和其它焦點位置補償技術相比，定長光路系統(tǒng)中所有的光學參數是不變的。因此即使每臺激光器的光束發(fā)散角不一致，或每組鏡片的光學參數不是非常的準確，但只要我們找到了聚焦點，我們就可以保證它的穩(wěn)定，因此我們總是可以在最優(yōu)化的參數下進行切割。因此定長光路技術是目前最可靠、最有效的焦點位置補償技術。18激光發(fā)生器類型DC vs. RF直流激發(fā)直接將電源電能作用于激光氣體，因此有如下特點：能量轉換效率高。有很高的高能量脈沖輸出能力。結構簡單，維護費用低。對氣體純度要求低。氣體消耗量大。光束質量略差于RF激發(fā)方式。Power SupplyRF Generator電源RF 激發(fā)DC（直流）激發(fā)RF（射頻）

10、激發(fā)射頻激發(fā)通過射頻電磁波來激發(fā)激光氣體。有如下特點：光束質量優(yōu)于直流激發(fā)。由于是間接激發(fā)能量轉換效率低。高能量脈沖輸出能力弱。結構復雜，維護費用高。對氣體要求純度很高。19激光發(fā)生器類型DC vs. RF可以看出，射頻激發(fā)雖然在光束質量上優(yōu)于直流激發(fā)，但由于其不具備高能量脈沖輸出能力，因此在厚板和有色金屬加工、不銹鋼加工能力方面有很大的欠缺。另外由于能量轉換效率低下，同樣輸出功率的激光發(fā)生器耗電更多，同時對冷卻系統(tǒng)的要求也更高了。因此，射頻激發(fā)的CO2激光器僅適用于對精度要求很高的場合，同時也需要與定長光路、高精度傳動系統(tǒng)、高精度機械結構相配套，才能夠真正發(fā)揮出其優(yōu)勢。反之，如果射頻激發(fā)的C

11、O2激光器沒有相應高精度措施的配合，則在加工質量上就會大打折扣，相對于直流激發(fā)的形式將沒有任何優(yōu)勢。反而會因其更高的能耗而處于劣勢。20激光功率 vs. 切割能力由于采取了定長光路系統(tǒng)、使用DC激發(fā)的激光器，并且在激光器技術中融入了多項MAZAK的專利技術，使得MAZAK的激光加工機可以使用更小的激光功率實現同樣的切割能力。21激光功率 vs. 切割能力以下是另外兩個知名公司的產品切割能力?？梢钥闯觯懈钅芰Σ⒉粌H取決于激光功率。對于顧客來說，真正關心的實際上是切割能力。同樣切割能力的情況下，更小的激光功率意味著更低的能耗和更低的使用費用。22無準備時間連續(xù)切割技術一般來說，不同的板厚、不同的

12、材質需要使用不同的割炬來進行切割。即使不更換割炬，也需要對割炬進行調整。而割炬的更換和調整需要占用大量的時間，而且必須在機床上完成。因此在多品種生產的情況下，會大幅度降低設備的開動率。MAZAK獨特的技術使得我們在不更換割炬的情況下，可以自動調整、適應多種不同材料的加工。這就是MAZAK獨有的無準備時間連續(xù)切割技術。23無準備時間連續(xù)切割技術針對不同的材料和不同的厚度，我們往往需要不同的焦點位置。因此焦點位置的自動調整成為一項關鍵的技術。如果不能實現焦點的自動調整，無準備時間連續(xù)切割便無從談起。 焦點調整中碳鋼 2 切割不銹鋼 N2 切割 24無準備時間連續(xù)切割技術常規(guī)割炬。調整焦點位置非常麻

13、煩，往往需要三、四十分鐘的時間，無任何柔性可言。手動調焦割炬，焦距的調整需要手動進行，加上焦距的確認，一次調焦需要十幾分鐘。（STX系列產品標配）自動調整割炬，調整動作由伺服電機控制，調整準確，時間短。每次調整大約只需要十幾秒鐘即可完成（STX系列產品選項）25無準備時間連續(xù)切割技術不停機! 連續(xù)加工，無需人工調整 1mm 軟鋼 氧氣 F65002mm 鋁合金 氮氣 F220016mm 軟鋼 氧氣 F7006mm 不銹鋼 氮氣 F9905mm 鋁合金高壓空氣 F6007種不同零件的連續(xù)加工，總時間僅為7分零4秒。1mm 不銹鋼乙烯貼膜 氮氣 F40006mm 軟鋼 氧氣 F240026無準備時

14、間連續(xù)切割技術9種不同零件的連續(xù)加工，總時間僅為9分50秒。中碳鋼 1mm(O2）3D 零件100100方管 4.5mm(O2）中碳鋼 6mm(O2） 帶角度切割工字鋼 (O2）中碳鋼 19mm(O2）鋁合金 6mm(空氣）不銹鋼3mm(N2） 變角度切割SPACE GRAR 48(2.5KW)NonStop!27無準備時間連續(xù)切割技術傳統(tǒng)的板金加工中生產，真正為我們創(chuàng)造價值的時間只占總生產時間的7%左右，而93%的時間是等待時間。這些等待時間包括停機調整時間、零件分揀時間、工序間等待時間、輔助操作時間等等。在多品種小批量生產過程中，MAZAK獨有的無準備時間連續(xù)切割技術將大幅度縮短停機調整時

15、間，從而提高創(chuàng)造價值的時間的百分比。在成套零件生產過程中，連續(xù)切割技術為不同材質、不同厚度零件的高效率連續(xù)生產提供了可能，從而可以有效起到縮短零件分揀時間、縮短工序間等待時間、減小零件庫存等的作用。從而提高顧客企業(yè)的運行效率。28目前世界最先進的激光加工機控制系統(tǒng)MAZATROL PREVIEW。摒棄了傳統(tǒng)的依靠反饋來進行位置控制的方式，采用預測+驗證的控制方式，消除了傳統(tǒng)控制方式中的跟隨誤差，為超高速的高精度激光加工提供了可能。Program designationFeedbackCutting resultProgram designationPreViewCutting resultMA

16、ZATROL PREView29MAZATROL PREVIEW 數控系統(tǒng)使用Linux操作系統(tǒng)，帶有局域網接口和3個USB接口。可以方便地通過局域網絡實現遠程管理，同時可以方便地使用U盤等USB設備進行各種數據的I/O。MAZATROL PREVIEW 數控系統(tǒng)用于MAZAK所有的平面激光切割機產品。MAZATROL PREView30激光器與床身一體化結構目前絕大多數采用飛行光路結構的激光切割機均采用激光器與床身分體的結構。該類結構的光路極易受到振動影響，振動來自相鄰的設備以及機床本身加減速帶來的振動。 振動將導致激光發(fā)生器和機床間相對位置的偏移。 這種情況導致的后果就是需要經常對光路進行

17、調整，大幅增加了機床的停機調整時間和使用費用。激光發(fā)生器31激光器與床身一體化結構MAZAK激光加工機所有機型均采用具有優(yōu)良抗振性能的材料和結構，因而可以將激光發(fā)生器與機床整合為一體。對于激光發(fā)生器機床一體式的結構，再大的振動也不會導致激光發(fā)生器和機床本體之間位置關系的變化，因此光路非常穩(wěn)定。 光路調整周期大大延長，有效減少了停機調整時間，降低了維護費用。激光發(fā)生器32最簡化光路結構上圖為STX/SG系列產品的1.5/1.8kW機型的光路圖，加上圓偏振鏡，總共只用了4組反射鏡。對于2.5/4kW的機型，在此基礎上再增加一組反射光吸收鏡用于保護激光發(fā)生器。最簡化的光路結構提供了同功率產品最大的切

18、割能力和最好的光束質量，同時也提供了最低的維護費用。競爭對手的產品一般要使用911組反射鏡，增加了光束的衰減，降低了切割能力，同時增加了維護費用。MAZAK激光產品使用的反射鏡均為市場上的標準品，維護成本低。33工件抬升裝置對于重工件來說，向工作臺上安裝以及在工作臺上的移動是一件比較困難的事情。MAZAK獨有的工件抬升裝置可以輕松實現工件的手動安裝，并可以非常方便地移動工件，配合手動/自動工件夾緊定位裝置，實現了工件的準確定位，并有效避免了工件表面被劃傷的現象。該裝置在STX和SG系列產品上提供，并非常受顧客歡迎。 工件抬升裝置34機械性能優(yōu)異的Takumi結構Takumi結構是一種依靠榫接形

19、成結構、靠鉚接進行固定，以及少量點焊來防止結構松脫的最新機床結構件制造方式。 Takumi結構中榫接結構構成的筋板非常高效而有效地保證了結構件的強度，而結構中的微小間隙由于榫接結構的特殊性，不但不會對結構件的強度和精度保持性產生任何影響，反而大幅度提高了結構的振動衰減能力。通過鉚接和少量點焊，保證了整個結構的耐久性。 35機械性能優(yōu)異的Takumi結構上圖所示照片為振動衰減的實際測量值，其中橙色為鑄鐵，淡青色為Takumi結構?？梢娖湮裥阅苤畠?yōu)異另外經試驗，和鑄鐵相比，Takumi結構強度提高了50%，而重量則降低為一半。所有組件均由激光加工機加工，組裝和加工非常簡單，大幅度降低了對設備的要

20、求，整件的制造周期縮短為原來的1/10。該結構應用于Hyper Gear 510，以及MAZAK新開發(fā)及改型的所有機型。 Takumi結構的出現，將使機床結構發(fā)生革命性的變革。36全自動焦點補償技術Z軸移動的同時，通過監(jiān)控激光束在測試板上形成的火焰的色溫來確定焦點位置。在色溫最高處通過自動補償方式記錄焦點位置補償值。該方式準確而可靠，完全避免了人工干預。原來需要十幾分鐘來完成的焦點確認，只需幾十秒的時間即可完成，而且焦點位置更加準確。該技術用于Hyper Gear 510及以后開發(fā)的所有機型。37革命性的割炬/噴嘴交換系統(tǒng)任何一臺激光切割機不管它是誰生產的在隨機文件中都會有這樣一張表，用于說明

21、不同材質、不同厚度的材料所需的設置噴嘴、透鏡焦距、輔助氣體等。所以被切割材料變化時我們需要對相應組件進行更換和調整。當然，這需要大量的時間。使用MAZAK獨特的連續(xù)加工技術可以滿足要求，但卻不能達到最大的切割能力和最優(yōu)的切割質量。38革命性的割炬/噴嘴交換系統(tǒng)MAZAK革命性地將加工中心刀具交換系統(tǒng)的理念用于激光加工設備，從而使得激光加工工藝得到了革命性的變革。可以被自動交換的激光頭是包含了噴嘴、聚焦透鏡組、輔助氣體管路等的組件。這套組件可以在機外完成幾乎所有的設置和調整工作，因此被切割材料的變更不再意味著大量的停機調整時間。尤其是對于多品種小批量甚至單件生產的用戶，該裝置所帶來的效率提高，是單純的設備性能提高所遠不能比擬的。39革命性的割炬/噴嘴交換系統(tǒng)噴嘴是距離被切割工件最近的元件，因此時常會發(fā)生燒蝕、附著飛濺物等問題。如果不能及時發(fā)現并解決問題，將會為后續(xù)的切割造成廢品。在此之前，噴嘴的檢查、更換和調整工作只能在機床上人工完成。HG系列使用CCD攝像頭和視覺技術實現了噴嘴的自動檢查，配合噴嘴自動修磨系統(tǒng)和噴嘴自動交換系統(tǒng)可以實現高效率、高可靠性的無人生產。OK需更換40革命性的割炬/噴嘴交換系