| 成果名称: | 大尺寸钣金件高功率激光切割、焊接基础部件 |
| 完成单位: | 大族激光科技产业集团股份有限公司、湖南大学 |
| 主要人员: | 陈根余、陈燚、欧阳征定、肖俊君、余锦望、郝大伟、肖祥初、张屹、周聪、唐景龙、赵剑、向水平、毛大英、甘杰家、刘旭飞、范国成、万虹、邓时累 等29人 |
| 介绍: | 1、 项目大尺寸钣金件高功率激光切割、焊接双摆头基础部件研究与实施，是"高档数控机床与基础制造装备"科技重大专项课题任务。在激光焊接、切割领域，如果被加工材料具有复杂的廓形、曲面以及较难加工的材料特性，比如航空、能源、汽车、等领域的零部件，其加工机床如激光切割机和激光焊接机需要使用高功率三维五轴激光加工系统这一基础部件才能实现。本项目中产生的高功率三维五轴激光头产品线，在通水、气、光、电的情况下能够实现C轴无限旋转，A轴摆动±135°，W轴上下运动，额定功率6000W以上，配备特种视觉监测系统，可以解决复杂曲面的钣金切割、焊接等方面应用，配套激光加工机床后其主要的优点是可以实现三维五轴切割和焊接功能。在过程中成功攻关了： 2、 联动：驱动系统的扭矩与自重平衡、多轴驱动系统联动时扭矩的复杂波动、高功率驱动电机的冷却优化。 2.1 动系统的扭矩与自重平衡：实现轴运动的高速，驱动系统应具有较大的驱动扭矩，扭矩较大的驱动电机自重通常也会相应增加，自重的增加对系统的速度、加速度是负面影响。所以在研发中需要重点解决如何平衡驱动电机系统的扭矩与驱动系统、从动系统自重。 2.2 轴驱动系统联动时扭矩的复杂波动：过对不同工况下单轴运动、多轴联动所需电机输出扭矩与时间的关系计算，确定了多轴激光头各轴驱动电机的输出扭矩选型标准，理清了各轴联动时对电机输出扭矩起主导影响作用的相互作用力及他们互相之间的关系。以虚拟模型为指导，结合大量实验验证迭代修改虚拟模型减少模拟误差，最终确定C、A轴电机，W轴电机，在虚拟模型给出的输出扭矩选型标准基础上充分平衡了性能冗余量、安全系数、系统自重与动力性能的前提下确定电机输出扭矩，以及从动机械部件的设计优化方向，并给出系统控制策略的改进意见，成功地解决了影响系统实现高速高精度联动的两大难题。 2.3 功率驱动电机的冷却优化：功率驱动电机在驱动部件高速运转的同时不可避免地也会产生大量的废热。如果驱动电机的散热效果不好，不仅会影响驱动电机的工作状态、寿命，还可能因废热的传导使电机周边的诸如光学、机械、电子等器件温度升高进而影响系统的整体性能与稳定性。基于CAE技术分析并优化各轴电机的冷却水散热结构。虚拟样机的模拟表面优化后的结构使电机运行时整体温度大大降低，温度分布梯度也有显著改善。前期大量实验也验证的优化的明显效果，使系统在高负荷运行时更加稳定，寿命更有保障 3、 高速无限旋转轴水气光通路的密封与电信号抗干扰： 3.1 高速无限旋转轴水气光通路的密封在多种备选设计方案中选择了水气光电各通道独立传输的旋转机械结构；针对C轴各旋转传输通路对密封元件技术要求，元件设计充分地考虑了耐磨性、密封性和元件与管道动摩擦力等综合因素的平衡；结合理论与经验的指导适当调整密封元件与被密封通路的公差配合，成功地实现了集成多个密封传输通道的高速无限旋转C轴部件。 3.2 高速无限旋转轴集成多路抗电磁干扰电信号通路：用传统的线缆在旋转轴中传输电信号会因轴的旋转将线缆缠绕甚至拉扯断裂，多路电信号同时在间距较小的空间内传输也会有信号互相串扰的风险。为了避免此类问题并保证多路电信号的抗电磁干扰传输，根据自主研发的三轴联动激光头多路电信号通路的技术规格合理安排信号通路的布线通道数量、间距、搭配方式、滑环分布与抗干扰结构设计，研制了国内首创的独特电滑环结构设计，成功地实现了多路电信号在高速旋转轴上的抗干扰传输。 项目通过建立工程化实验测试平台，反馈基于实际加工需求的优化数据，完成本产品的工程化开发。经客户实际工况环境的使用与需求反馈，优化后形成高功率三维五轴激光头产品线，现已经具备了批量生产与配套销售的能力。相比国内外同类产品，该部件多项功能属于国内独创，多项性能达到国际一流水平，部分性能指标属国际领先水准，稳定可靠，可以实现高速度、高精度、高度智能化自动化的高质量三维曲面加工任务。 4、历年获奖情况： 1） 2015.12.1 厚板、难焊材料激光焊接与复杂曲面曲线激光切割关键技术及系列装备 科技 中国机械工业科技将进步一等奖 机械工业联合会机械工程学会 2） 2013.12.1 2013年度中国产学研合作创新（个人）奖 个人 中国产学研合作创新奖 中国产学研合作促进会 3） 2013.10.1 高功率激光三维切割焊接与轴快流激光器的关键技术及应用 科技 科学技术进步二等奖 教育部 4） 2012.12.1 高功率轴快流激光器与激光加工装备研发及产业化 研究 中国产学研合作创新成果奖 中国产学研合作促进会 |
| 批准登记号: | 粤科成登（2）字【2018】0119 |
| 登记日期: | 2018-03-19 |
| 研究起止时间: | 2009.09 至2015.03 |
| 所属行业: | 制造业 |
| 所属高新技术类别: | 先进制造 |
| 评价单位名称: | 中国机械工业联合会、中国机械工程学会 |
| 评价日期: | 2015.03.24 |
