激光加工技術(shù)是先進(jìn)制造技術(shù)的重要組成部分，在加工技術(shù)的進(jìn)步、傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)的改造、國防現(xiàn)代化等方面發(fā)揮著重要作用。在國外，激光加工技術(shù)被譽(yù)為“萬能的加工工具”、“未來制造系統(tǒng)的共同加工手段”。在激光加工中經(jīng)常需要針對復(fù)雜曲面進(jìn)行切割、打孔、沖擊強(qiáng)化等加工，而要在復(fù)雜空間曲面上高精度地實(shí)現(xiàn)這些加工工藝則必需五軸聯(lián)動(dòng)系統(tǒng)的幫助才可完成。目前，高精度的五軸激光加工系統(tǒng)國外對我國實(shí)行了嚴(yán)格的出口限制，防止用于國防項(xiàng)目。這里的難點(diǎn)在于實(shí)現(xiàn)五軸的聯(lián)動(dòng)以及機(jī)械運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)與激光觸發(fā)的同步控制。
中科院寧波材料技術(shù)與工程研究所所屬二級所先進(jìn)制造所的激光與智能能量場制造工程團(tuán)隊(duì)自主研發(fā)了開放式五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)，并在此基礎(chǔ)上完成了五軸聯(lián)動(dòng)激光加工系統(tǒng)樣機(jī)的研發(fā)工作，該系統(tǒng)重復(fù)定位精度達(dá)到了0.002mm，整體精度為0.03mm，運(yùn)動(dòng)范圍為：X軸：0-300mm，Y軸：0-300mm，Z軸：0-250mm，A軸：-180°- +180°，B軸：-360°- +360°，整機(jī)功率最大1.2kW，平動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)速度最大為0.5m/s,轉(zhuǎn)動(dòng)軸速度最大為12rad/s。該項(xiàng)研發(fā)是以普通PC為基礎(chǔ)，利用Linux操作系統(tǒng)的開放性，結(jié)合RTAI實(shí)時(shí)擴(kuò)展，開發(fā)了高精度的五軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控系統(tǒng)；此外，系統(tǒng)采用了實(shí)時(shí)總線結(jié)構(gòu)，將EtherCAT實(shí)時(shí)網(wǎng)絡(luò)通訊協(xié)議引入，替代了國內(nèi)傳統(tǒng)開放式數(shù)控系統(tǒng)以運(yùn)動(dòng)控制卡做插補(bǔ)和運(yùn)動(dòng)規(guī)劃的控制方案，提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性和穩(wěn)定性。
此外，團(tuán)隊(duì)將高功率皮秒激光引入掃描振鏡，實(shí)現(xiàn)0-12米每秒的激光加工速度。大于5米每秒的掃描速度是高頻率激光加工所必須的，但掃描振境的工作范圍有限，與大范圍工作臺結(jié)合后，實(shí)現(xiàn)了大范圍的精密五軸聯(lián)動(dòng)與高速精密激光加工的結(jié)合。該技術(shù)平臺的建成，為團(tuán)隊(duì)承擔(dān)復(fù)雜難加工材料的加工任務(wù)奠定了基礎(chǔ)。
團(tuán)隊(duì)還利用自主研發(fā)的設(shè)備結(jié)合CAM軟件UG的加工路徑規(guī)劃功能，實(shí)現(xiàn)了復(fù)雜形狀尤其是不規(guī)則曲面的加工，未來將用于航空發(fā)動(dòng)機(jī)用特種材料的加工。相關(guān)工作在今年美國ASME/MSEC2013年會(huì)上報(bào)道；利用該平臺的特種加工進(jìn)展在今年的中國機(jī)械工程學(xué)會(huì)特種加工年會(huì)報(bào)道。
目前，團(tuán)隊(duì)將光學(xué)精密定位、自動(dòng)化五軸位移控制、兩軸高速激光掃描合為一體，成功應(yīng)用于金剛石、金屬、復(fù)合材料的加工。團(tuán)隊(duì)下一步將以此平臺為基礎(chǔ)，開發(fā)高精密、大行程智能化高速激光加系統(tǒng)，快速縮短國產(chǎn)系統(tǒng)與國際先進(jìn)水平的差距。
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