工业设计论文激光切割应用于客车方管加工的分析

　　激光切割技术国内在板材上的加工应用已经较成熟，只有部分核心原件是采用进口的[1]，机械传动部分和辅助设备已经全部国产化了，而且设备稳定性也能满足大多数用户的需要。对于激光切割技术应用于圆管加工的设备制造商，目前国内有3家，对于方管加工的应用，国内目前只有1家，并且是定向开发的，还处于首台样机实验阶段，有很多设计改进的空间。本文主要是对国内激光切割设备应用于客车方管加工的一些功能分析同时提出一些改进设计方案以促进激光切割设备成熟的应用于客车行业，以提升客车行业自动化、柔性化、信息化、集成化管理水平。

　　1.激光切割技术应用于客车车身方管加工的必要性

　　中国的客车生产规模和销量在世界位于首位，但加工水平相对于国外发达国家差距较大，主要体现在原材料的加工水平上。客车上应用的原材料主要为板材和管材两类原材料。板材类的原材料加工水平国内外已经同步了，但管材类原材料的加工设备相对落后。管材类加工设备：国外以激光切割设备为主，辅以自动圆盘锯和自动直料下料机及管件成型等设备;国内普遍以圆盘锯和带锯床及管件成型的手工操作设备为主，只有行业龙头企业以自动圆盘锯和自动直料下料机及管件成型等半自动设备为主;激光切割设备在国内还没有正式投入使用。这样的行业状况，对于客车小批量、多品种的订单式生产模式来讲制作过程已经没有太多的工艺提升空间，生产效率和产品质量受到了很大的限制，尤其是电泳工艺在客车行业的普遍应用，对管件加工设备自动化水平的提升特别迫切。另外，对于客车上的管件加工，从工艺上比较，传统的加工设备和激光切割设备工艺[2]分别为：

　　普通的加工设备对管件原材料生产工艺为：下料――去毛刺――吹铁屑――冲电泳孔――转下道工序;

　　激光切割设备对管件原材料生产工艺为：下料――转下道工序;

　　相比之下，激光切割设备节省了去毛刺、吹铁屑、冲电泳孔三道工序，缩短了生产周期，并且可以和PLM数据系统联网，做到从销售订单到生产工位的信息化、集成化、柔性化管理，以达到零库存的经营管理目标，特别适应小批量、多品种的订单式企业经营模式。

　　综上所述，激光切割设备在客车行业的应用是迫切的、变革性的行业发展需要。

　　2.激光切割设备应用于客车车身方管加工的功能模块分析

　　国外，用于方管加工的激光切割设备已经较成熟，但价格较高，一般单价在600万元人民币以上，并且不能适应国内客车行业小批量、多品种的生产经营模式，它比较适合电梯、健身器材等行业品种单一、批量大的行业，否则，发挥不了激光切割高精度、高速度的价值。所以，从价格、维修和客车行业用途上对比，国外的激光切割设备不具有在国内有大规模应用的前景。同时，国内对方管加工激光气割设备的研究就迫在眉睫。我们公司与激光切割技术公司合作，研发了国内首台用于客车方管加工的激光切割设备，样机实验已经有6个月的时间，切割的精度和机器的稳定性基本能达到项目策划的要求，但生产效率还有较大改进的空间。下面主要介绍如何提升激光切割设备的生产效率做设计改进方案分析。

　　2.1简介方管加工的激光切割设备的构成

　　方管加工的激光切割设备构成主要由后台料单处理模块、上料模块、送料模块、切割模块、下料模块、面板控制模块、辅助功能模块组成。后台料单处理模块主要是被加工件数控加工编程软件，将加工件图纸转化成切割文件。上料模块分为全自动上料和半自动上料两种模式。送料模块分为两个卡盘夹紧和三个卡盘夹紧的模式，两种模式的区别在于被加工件的长度决定用哪种，长料加工要优选三个卡盘夹紧的模式。切割模块主要由切割头和激光器组成。气体激光器有光纤和二氧化碳两种，与二氧化碳激光切割机相比，光纤的切割范围相对狭窄。因为波长的原因，其只能切金属材料，对非金属不容易被其吸收。其他方面，光纤切割机[3]具有较明显的优势：

　　(1)卓越的光束质量：聚焦光斑更小，切割线条更精细，工作效率更高，加工质量更好;

　　(2)极高的切割速度：是同等功率CO2激光切割机的2倍;

　　(3)极高的稳定性：采用世界顶级的进口光纤激光器，性能稳定，关键部件使用寿命可达10万小时;

　　(4)极高的电光转换效率：光纤激光切割机光电转换效率达30%左右，是CO2激光切割机高3倍，节能环保;

　　(5)极低的使用成本：整机耗电量仅为同类CO2激光切割机的20-30%;

　　(6)极低的维护成本：无激光器工作气体;光纤传输，无需反射镜片;可节约大量维护成本;

　　(7)产品操作维护方便：光纤传输，无需调整光路;

　　(8)超强的柔性导光效果：体积小巧，结构紧凑，易于柔性加工要求。

　　下料模块主要是实现废料和工件的分拣功能，是一个托举装置。

　　面板控制模块包括数控系统、可编程控制器、控制柜等。这个模块是激光切割机其他模块的控制中心，相当于人类大脑的作用。

　　辅助功能模块主要由除尘、冷却、空气压缩机及后处理装置构成。

　　2.2方管加工的激光切割设备的生产效率提升方案

　　国内制作激光切割设备主要是机械运动部分的设计和制作，数控系统、切割文件转换软件系统、激光器、切割头都是进口的，这些核心件技术是比较成熟的，导致激光切割设备加工方管生产效率低的原因主要是这些模块没有适应客车生产模式的环境问题。客车生产以小批量多品种的行业特点著称，激光切割设备选型和切割文件转换软件必须有一套合适的接口处理才能适应于客车行业的方管加工。根据目前样机实验的情况和我们公司生产情况对激光切割设备的选型为：半自动上料、两个卡盘夹紧的模式、2000W的光纤切割激光器、3轴联动激光切割头、PA8000数控系统软件、LANTEK自动编程软件、下料自动分拣装置。客车行业生产特点决定了方管加工图纸占80%比例的为一次性用图，这部分图纸重复使用的频率非常低，所以客车行业对这部分图纸是不下发到工位的，而是采取以企业标准标注的形式来表示这部分工件的图纸信息，工人拿到手的执行文件都是以Excel表格的形式表示的料单，国外所有激光切割文件的编程软件目前都不能识别Excel表格的数据，那些软件只能识别CAD、Solidwork、 Pro-E、UG等二维或三维软件。如果要使用激光切割设备加工客车上的方管就必须将Excel表格转化成二维或三维的零件图纸，并且这些图纸几乎不会再次使用，这样就造成了激光切割速度很快但用于激光切割的文件准备时间相当长，而且这些时间没有产生可观的价值，第二天这些准备的激光切割的文件就被丢弃了，几乎没有再次利用的可能。所以，要想提高客车上的方管激光切割的生产效率最根本的是解决Excel表格的数据如何自动的转化成激光切割的文件。由于激光切割的文件的编程软件都是国外进口的，定制费用特别昂贵，所以选择国内的软件公司开发一个转换软件，用于Excel表格的数据自动转化成CAD、Solidwork、 Pro-E、UG等二维或三维软件以识别用于激光切割文件生成的编程软件。这个转换软件就是后台料单处理模块的一部分，开发时还要考虑套裁和数据转换速度的问题。方管套裁目的是为了节约原材料，同时也减少了加工时间。如：A2.4040.30.0130 A=90°B=45° 22件在40面两头各加工1个R12X20的半腰孔，A2.4040.30.0850 1件在40面两头各加工一个R12X20的半腰孔，A2.5040.20.0910 A40=20°B40=35° 5件在40面两头各加工1个R12X20的半腰孔;物料单里有不同管型和角度的工件尺寸，软件需要先转化成图纸，然后把同种规格的物料排在一列，最后对这一列的物料按照两个角度之和是180°的排在一起的原则进行排序，这个过程就是具有套裁功能的转换软件要实现的目的。数据转换速度主要取决于转换软件是将Excel表格的信息转换成二维图纸还是三维图纸。根据客车行业的特点，选择转换成二维图纸更好一些，是因为三维图纸数据生成比二维图纸数据生成慢且数据占的内存也大，影响大批量转化的速度。所以，根据客车方管加工特点恰当的选择激光切割设备配置和切割文件转换软件就能够使国产的激光切割设备适应国内的客车行业需要，并能大规模的推广应用，代替进口的激光切割设备。

　　3.结束语

　　国内，使用激光切割设备加工客车骨架方管的工艺还没有普及，现在还处于研发试验阶段，未来几年将迎来客车行业大规模使用这种设备的高潮，这对于激光切割设备制作厂家和客车制作业都是一个巨大的市场机遇。

　　参考文献：

　　[1]邓树森.中国激光加工产业现状[N].上海激光通讯.2002/7;制造技术与激光加工[J].激光集锦，2003.13(4)：16-20

　　[2]董峰，陆雅娟.激光切割工艺及设备[J].CAD/CAM与制造业信息化，2003，(04)：17-23

　　[3]高允贵.金属的激光切割[J].光电子技术与信息，1996(03)

　　作者简介：

　　杨毅(1964.5―)，男，汉族，安徽人，本科学历，中级职称，1990年7月至今在安徽安凯金达机械制造有限公司技术中心工作，担任领导职务，主要负责客车焊接构件生产工艺制作和平衡悬架、翻转悬架设计开发指导工作。