开发背景

三维激光切割机国际上最早出现于上世纪70年代初期，我国的机器人三维切割以其先进、灵活、快速的柔性化加工特点仅应用于精度和效率要求不高的加工领域，无法满足对具有复杂曲面三维工件进行高质量、高精度、高效率精密切割加工要求。核心部件三维五轴切割头，出于保密和技术封锁等原因，国外公司几乎不对外出售，因此造就了目前行业市场上设备主要用依靠进口的格局，如通快、普瑞玛，设备不仅价格高昂，而且交货期长。

中国是制造大国，向制造强国转变是大势所趋。特别是在汽车和航空、航天业，为了提高产品质量和加工效率，降低设备投入和维护成本，迫切需要开发出适合对具有复杂曲面的三维工件进行高质量、高精度、高效率精密加工的激光切割设备。

产品扼要说明

Pentacon 4020三维五轴光纤激光切割机（见附图）是一种对具有复杂曲面的三维工件进行精密加工的尖端设备，主要由X轴高架桥式床身、Y轴横梁、Z轴、带A/C/F轴及防碰撞结构的专用切割头和移动式工作台等主要部件组成，并配置IPG 2KW光纤激光器、西门子840D三维五轴数控系统、三维五轴切割软件等。

设备加工范围(长*宽*高) 4000mm*2000mm*800mm，主机均采用西门子交流伺服电机、高精度齿轮齿条和直线导轨传动，保证了X/Y/Z轴定位精度≤0.05mm、X/Y轴重复定位精度≤0.03mm、A/C轴定位精度≤0.03°、A/C轴重复定位精度≤0.01°；采用专用导轨基座、龙门双驱结构，高刚性高动态响应的横梁配以直线导轨双边齿轮齿条驱动，具有足够的刚性，耐磨，抗震，在满负荷运转下能保持高精度、高效率、低噪音的良好性能，达到X/Y轴最大定位速度80m/min，Z轴最大定位速度50m/min，最大加速度可达1.5G。

三维切割头创新采用传动轴DD马达直接驱动方式，可沿垂直方向无限制连续回转的旋转轴C轴和可沿一个垂直方向做±135°摆动的摆动轴A轴，均安装在Z轴溜板上，能随Z轴上下移动，使得切割头在执行各种复杂的轨迹运动中不受任何限制。切割头内部采用中空结构，用来传递光束，并确保光束在加工过程中始终沿指定方向聚焦在工件上，并配备了用于自动补偿由于弹性变形所造成的零件表面尺寸同理论尺寸之间误差高动态随动轴F轴（行程±7.5mm）和防碰装置。

激光器选用IPG 2KW光纤激光器，针对主要用于汽车、航空等领域的三维异形件金属板材，实现切割厚度碳钢≤12mm、不锈钢≤6mm、铝合金≤5mm、钛合金≤3mm的高质量、高精度、高效率三维切割，切口粗糙度Ra3.2～25.4um，无需二次加工。

其改进或创新的关键点

Pentacon 4020三维五轴光纤激光切割机创新设计的关键点在于核心部件三维五轴切割头。传动轴采用DD马达直接驱动，旋转轴C轴可沿垂直方向无限制连续回转, 摆动轴A轴可以沿一个垂直方向做±135°的摆动，旋转C轴和摆动A轴均安装在Z轴溜板上，能随Z轴上下移动。切割头上还配有高动态随动轴F轴（行程±7.5mm），用于自动补偿由于弹性变形所造成的零件表面尺寸同理论尺寸之间的误差。切割头内部采用中空结构，用来传递光束，并确保光束在加工过程中始终沿指定方向聚焦在工件上。光路是由光纤通过准直装置将光束变成平行光，再通过两组折射镜反射到切割头上的聚焦镜。为了避免切割头喷嘴与工件或夹具发生碰撞，在随动轴和切割头之间设计安装了防碰装置，以保护切割头免受破坏。