三维激光切割光斑半径补偿技术的研究

三维激光切割光斑半径补偿技术的研究

迟关心1，沈

宏2，周亚丽2，刘运娇1

（1.哈尔滨工业大学机电工程学院，黑龙江哈尔滨150001；

2.济南铸造锻压机械研究所有限公司，山东济南250022）

摘要：分析了三维激光切割光斑半径补偿的原理，提出了一种基于激光光轴矢量的激光光斑半径补偿算法。对空间平面曲线依据平面光斑半径补偿原理进行补偿计算，对空间直线提出了基于激光光轴矢量的4种过渡方式及补偿原则，建立了准确的激光光斑补偿模型。

关键词：激光切割；光斑半径补偿；光轴矢量中图分类号：TG664

文献标识码：A

文章编号：1009－279X （2014）05－0028-04

Study on Laser Spot Radius Compensation Technology for 3D Laser Cutting

Chi Guanxin 1，Shen Hong 2，Zhou Yali 2，Liu Yunjiao 1

（1.Harbin Institute of Technology ，Harbin 150001，China ；

2.Jinan Foundry &Metalforming Machinery Research Institute Co.,Ltd ，Jinan 250022，China ）

Abstract ：Laser spot radius offset principle for the 3D laser cutting is analysed ，and a kind of algorithm based on laser optical axis rector is proposed.The space planar curve is calculated by planer laser spot offset principle ，and for space location relationship between the line and line ，four transition way and compensation principle are propoesd ，thus accurate laser spot compensation model is established.

Key words ：laser cutting ；spot radius compensation ；laser optical axis vector

收稿日期：2014-04-03

基金项目：国家科技重大专项（2009ZX04003-032）第一作者简介：迟关心，男，1968年生，教授。

激光加工以其高精密、高效率、非接触性、无污染和高度自动化等特性，已逐渐成为先进制造技术新的生长点和突破点，广泛应用于汽车、造船、航空航天等领域，并享誉“万能加工工具”、“未来制造系统的共同加工手段”等称号。三维激光加工技术对被加工图形尺寸的精度要求很高。由于激光光斑半径的存在，会使图形尺寸与工艺标准尺寸产生一个光斑半径的误差，导致工艺水平和系统精度的下降。因此，要提高激光加工质量与生产效率，须对激光加工的数控系统进行光斑半径的补偿。

目前，国外公司已相继开发出用于三维激光切割的离线自动编程软件，如PEPS Pentacut ，而我国研究三维激光加工的文献甚少。肖雄等[1]提出一种“滚动球”来实现激光半径补偿，但路径的选择不准确。本文研究的激光光斑半径补偿算法是基于具有三维补偿功能的五轴联动数控系统Siemens 840D 、

双转轴结构A 、C 轴的单点指向式激光切割头的数控装备而实现的。实际上，三维激光切割可看作矢量集合（X ，Y ，Z ，A ，C ）对应工件上加工点的空间矢量集合（x ，y ，z ，i ，j ，k ）[2]。

1

激光光斑半径补偿原理

1.1

三维激光切割指定平面上的曲线

由于指定平面的法矢量已经限定，切割时，切

割头的空间位姿保持不变。因此，本文依据二维刀具半径补偿理论，采用三维空间直接计算的方式完成指定平面的曲线补偿计算。

二维激光加工光斑半径补偿技术已经很成熟，其处理的基本轮廓为圆弧与直线。根据直线与直线、直线与圆弧、圆弧与直线、圆弧与圆弧4种连接形式及缩短型、插入型、延长型3种基本补偿类型规划出实际激光中心轨迹，从而完成数学模型的建立。具体计算本文不再赘述。

1.2三维激光切割空间曲线

激光切割空间曲线前，需对空间曲线进行离散

设计·研究

《电加工与模具》2014年第5期

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