三維五軸光纖激光切割機床被認為是高功率激光加工設備皇冠上的珍珠，主要用于三維異形曲面的切割和邊緣修復，以取代沖孔模具和邊緣修復模具。早期，我國采用手工等離子體切割三維工件，切割效果不理想。近年來，我國開發了機器人三維激光切割機，切割效果有所提高，但由于機器人精度低，切割精度低，但在一些要求低的行業得到了一定的應用。在汽車沖壓模具行業，切割精度要求較高，三維五軸光纖激光切割機床因其生產效率高、性能穩定而受歡迎，但主要市場被德國等國外設備壟斷Trumpf(快)，意大利Pri ** (普瑞瑪)，日本NTC、Mitsubishi(三菱)等公司。三維五軸光纖激光切割機產品圖如圖1所示。

圖1 三維五軸光纖激光切割機產品

一、技術發展背景

三維五軸光纖激光切割機是集光、機、電、氣于一體的高端機床設備。主要用于汽車工業、模具工業、軍工航空航天工業、家電工業和異型管道切割。

自20世紀90年代以來，三維五軸激光切割技術已經開開發和制造商中Trumpf、意大利Pri ** 市場基本上被這兩個壟斷了。2008年以后，日本NTC、Mitsubishi開發了低加速度、低速度、高精度工作臺移動三維五軸CO2激光切割機。但長期以來，三維五軸激光切割機主要用于研發和小批量試生產，修復和切割沖壓成型的三維零件，取代傳統的修復模具和沖壓模具，縮短新產品的研發周期，降低 ** 造成成本，因此年市場銷量較少。在中國市場，市場需求一般在30-40臺左右。

然而，由于汽車熱成型技術的出現和應用，市場需求較少。汽車熱成型生產線一般配備4-5臺三維五軸激光切割機，市場需求呈爆炸式發展。到目前為止，世界上有近450條汽車熱成型生產線，大約有2000臺三維五軸激光切割機。中國有近170條熱成型生產線，大約有700臺三維五軸激光切割機。

鋼板熱成型技術是指鋼板通過950℃高溫加熱后形成，冷卻迅速，全面提高鋼板強度，屈服強度達到1萬Mpa以上，在車身上使用后，車輛重量沒有增加，但承載力增加了30%，安全性能顯著提高。由于鋼板強度過高，由于鋼板強度高，傳統的修邊模具和沖孔模具無法修邊沖孔，只能用激光生產，使三維五軸激光切割產品進入汽車批量生產線，成為不可替代的生產工藝和工藝。

普通鋼板屈服強度為140Mpa，適用于旅游觀光車、纜車；高強度鋼板屈服強度為180-240Mpa，適用于卡車、叉車、公交車、挖掘機、農業機械等。高強度鋼板的屈服強度為260-320Mpa，適用于經濟型車，經濟型車SUV車輛；超強鋼板屈服強度為340-700Mpa，適用于高端車、高端車SUV汽車；熱成型鋼板的屈服強度超過1萬Mpa以上一般熱成型鋼板屈服強度為1500Mpa左右。目前，材料廠家正在研制熱成形鋼板的屈服強度在2000Mpa左右，越來越多的超高強度鋼板被汽車工業廣泛使用，使得三維五軸激光切割機產品得到越來越多的應用。

二、技術發展現狀

目前，德國主要生產三維五軸激光切割機Trumpf，意大利Pri ** ，日本NTC、Mitsubishi，中國大族激光，華工。Trumpf、Pri ** 由于生產早，產品成熟，性能穩定，市場客戶認可度高。NTC、Mitsubishi 兩家公司只生產低速、低加速的三維五軸CO2激光切割機生產效率低，能耗高(CO與光纖激光器相比，2激光器能耗非常高），不能滿足汽車熱成型生產線生產效率的要求。大激光突破關鍵技術，掌握核心技術，生產低速、高精度的三維五軸光纖激光切割機，生產高速、高精度的三維五軸光纖激光切割機，技術緊跟其后Trumpf、Pri ** 解決了三維五軸光纖激光切割機的關鍵核心技術：

1.機床結構優化設計及動態設計

整機結構CAE有限元分析，結合動態、靜態剛度、靜態強度、熱特性分析，獲得******剛度場和溫度場，經過反復測試驗證，設計改進，分析理論值與實際測試值數據的差異化因素，當理論值與實際測試值數據基本一致時，最終獲得經濟輕的結構設計。機床結構優化設計和動態設計框架圖和機床結構圖如圖2所示。

圖2 機床結構優化設計及動態設計框圖

2.提高動態性能和穩定性

高速、大慣量、大尺寸的零件CAE有限元模態分析，對結合面阻尼、局部剛度、質量分布進行分析，采取隔振、減振、抑振措施，對結構進行設計改進及優化，經過反復測試驗證，獲取動態性能和穩定性良好的移動部件，確保產品的動態性能與穩定性。提高動態性能和穩定性方框圖與模態分析圖分別如圖3 、圖4所示。

圖3 提高動態穩定性方框圖和模態分析圖

圖4 模態分析數據圖

3.提高高速、高精度定位

測試和有限元分析電機和伺服進給驅動系統，分析和優化定位精度、響應速度、熱特性和電機剛度，跟蹤特性分析，補償數控系統多軸聯動的誤差，獲得高速、高精度定位。伺服驅動系統的分析框圖如圖5所示。

圖5

4.解決無限旋轉三維切割頭的核心技術

開發360系統幾何空間算法的精密光學計算°繼德國之后，無線旋轉三維切割頭，自主創新，核心技術Trumpf、意大利Pri ** 、德國LT之后，第四家公司可以生產360°360°無線旋轉三維五軸切割頭如圖6所示。

圖6 360°無線旋轉三維五軸切割頭

解決以下關鍵和核心技術：

(1)密封三維五軸無限旋轉切割頭水、氣、光通

通過三維五軸切割頭，運動軌跡更加復雜C軸(無限旋轉)機械傳動部分傳輸的管道包括光路、水路、氣路和電信號通道。C軸為無限旋轉結構，上述通道不能采用管道結構，需要設計具體的旋轉通道結構傳輸。以下問題是解決運動通道水、氣、光的動態密封問題。為突破這一主要障礙，選擇水、氣、光、電通道獨立傳輸的旋轉機械結構；針對C對于密封元件的技術要求，開發了基于新材料的旋轉通道密封元件。元件設計充分考慮了耐磨性、密封性、元件與管道動摩擦之間的平衡在理論和經驗的指導下，調整密封元件與密封通道的公差，成功實現多個密封通道的高速無限旋轉C軸部件。經過大量實驗，自主研發的高速旋轉密封元件的性能已達到國外同類產品的水平。

(2)電信號抗干擾屏蔽技術高速旋轉三維切割頭

在旋轉軸中使用傳統電纜傳輸電信號會因軸的旋轉而纏繞甚至斷裂，多路電信號也會有信號相互干擾的風險。為了避免這些問題，確保多路電信號的抗電磁干擾傳輸，根據多路電信號通路的技術規范和獨特的滑環結構設計，突破了高速旋轉軸上多路電信號的抗干擾傳輸。

5.軟件技術在線修改

大族自行開發HANS 3DEDIT在線修改程序軟件更方便快捷，更換速度快，提高了生產效率，節約了生產成本。在線修改軟件如圖7所示。

圖7 在線修改軟件

6．基于具備RTCP功能數控三維五軸光纖切割系統集成應用技術研究

(1)研究三維五軸光纖激光切割設備的硬件集成系統結構RTCP設計了三維五軸光纖激光切割中各加工件的系統集成控制方案。

(2)研究RTCP功能數據。三維五軸光纖激光切割系統由加工控制模塊、離線編程模塊和激光切割工藝數據庫三個功能塊組成。結合加工設備的硬件集成，對三維五軸光纖激光切割工藝的軟件進行二次開發PC工業控制平臺設計數控系統控制函數，開發三維五軸光纖激光切割控制應用接口，實現三維五軸光纖激光切割機床的運動控制和工藝調整。

(3)基于三維空間映射對三維五軸激光加工機床進行運動學分析，設計切割頭運動模擬。

(4)基于開發HMI的PC平臺數據庫，結合功能需求使用SQL設計數據庫的具體功能，實現數據庫的修改、添加、查詢、瀏覽和刪除。

7.研究三維復雜曲面激光切割工藝

(1)分析外光路模式，對光路進行整形補償，確保******切割光束模式，開發三維五軸激光切割專用工藝控制軟件。

（2）開發快速穿孔、切割狀態控制反饋技術，開發碳鋼厚板尖角切割、厚板極限切割孔、高功率光纖氮切割板碳鋼工藝方法、復雜圖形和圖像處理應用，克服復雜圖形和小輪廓加工的工藝技術問題。

（3）研究激光切割控制方法、激光切割速度控制方法和轉角激光切割方法。研究了三維蓋誤差補償、三維蓋角切割質量控制和平板尖角切割質量控制方法。

(4)基于開發CC編譯循環的Z軸模擬控制技術、圖形預覽和軌跡同步顯示技術，基于圖形預覽的靈活干預和靈活補充技術，基于激光脈沖方波的快速響應PWM激光脈沖頻率與占空比、激光功率實時坡度調節技術。

建立完善的激光切割工藝專家數據庫，解決三維件拐角過熱、厚板尖角過熔、極限小孔切割、薄板快速穿孔等工藝問題，實現大輪廓、小輪廓、拐角、標準圖形等激光切割工藝參數的自動調用。

三、技術及應用發展趨勢

1.技術發展趨勢

隨著三維五軸激光切割技術的發展，性能和功能越來越強大，技術發展趨勢如下：

(1)高加速度、高速度:產品加速度越來越高，產品效率越來越高；

（2）切割速度高、精度高：切割速度快，生產效率高，降低生產成本；定位速度高，重復定位精度高，切割精度高，滿足日益提高的產品質量需求；

（3）自動化和智能：勞動力成本增加，產品需要向高自動化、高智能方向發展；一方面，高自動化可以降低勞動力，節約成本；另一方面，高智能導致機械設備技術操作簡單，對人員技術依賴小，簡單易學，也可以降低成本。

2.應用發展趨勢

一方面，產品性能不斷優化和改進，產品價格不斷下降，使越來越多的用戶能夠負擔得起，基本上可以采用三維五軸激光切割工藝，優先，取代傳統的加工方法。

另一方面，三維五軸激光切割技術促進了產品的個性化設計，工程設計師可以發揮個性化設計，設計更精致的產品，不再受傳統加工方法的限制。

此外，熱成形技術已進入汽車工業，推動三維五軸激光切割機成為汽車生產過程中不可替代的過程。隨著越來越多的車型采用熱成形技術，越來越多的三維五軸激光切割機進入汽車生產線。目前，只有高端汽車在使用，但隨著技術的發展，經濟型汽車和新能源汽車也將采用熱成形技術。根據汽車行業的研究和分析，未來的汽車更新將會更快在過去，生產數百萬輛車型的時代已經成為歷史。單車型數量逐漸下降，模具成本非常高。三維五軸激光切割機將反映較低的使用成本，以滿足《紐約時報》的發展需要。

綜上所述，在汽車行業，特別是在汽車熱成型行業，隨著三維五軸激光切割的不斷應用和發展，汽車制造技術水平越來越先進，生產效率越來越高，不僅可以解決汽車熱成型高強度鋼的問題，而且可以促進汽車個性化設計的發展。