三维复杂曲面钣金激光切割智能制造关键技术研究

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1、三维复杂曲面钣金激光切割智能制造关键技术研究项目总结报告一、项目概况二、项目实施情况三、项目技术情况四、合同任务指标完成情况五、项目绩效分析六、存在问题、有关建议及下一步研究设想1一、项目概况（包括项目名称、立项时间、项目编号、项目负责人、合作企业、经费情况、主要研究内容等）项目名称：三维复杂曲面钣金激光切割智能制造关键技术研究立项时间：2015年07月01日项目编号：BY2015070-06项目负责人：幸研合作企业：江苏亚威机床股份有限公司经费使用情况：经费投入经费支出来源投入数科目支出数其中：省拨款支出数投

2、入合计20支出合计18.98115714.0811571、省拨款15（一）直接费用16.73115711.8311572、部门、地方配套1、设备费1.550.853、承担单位自筹5（1）设备购置费1.550.854、其他来源（2）设备试制费00（3）设备改造与租赁费002、材料费3.2291451.6291453、测试化验加工费1.310.514、燃料动力费005、差旅费4.655254.155256、会议费0.080.087、国际合作与交流费1.0054291.0054298、出版/文献/信息传播/知识产权事

3、务费1.907851.007859、劳务费1.281.2810、专家咨询费0011、其他支出1.7134831.313483（二）间接费用2.252.25其中：绩效支出0.450.45经费结余1.018843，省拨经费结余0.91884321主要研究内容：项目研究开发了激光加工质量预测系统、三维激光加工轨迹智能规划系统、激光加工虚拟制造及监控系统，建立了三维激光切割虚拟动态配置系统，系统总体结构如图1。图1系统总体结构（1）基于三维连续元胞自动机方法的激光切割机理及界面演化研究为准确模拟激光切割的切缝轮廓，提出

4、了基于三维连续元胞自动机的激光切割固/液/气三相三维数值模型，模型系统如图2（a）。该模型综合考虑了切割过程中激光焦点位置、激光束发散、辅助气体压力、氧气与材料反应自燃和熔融液体的流动吹除等复杂影响因素。模型对切缝模拟图如图2。在不同工艺参数条件(激光功率和切割速度)下进行低碳钢板激光切割实验，切缝平均宽度相对误差不超过6.4%，激光功率对切缝宽度影响正相关，如图2（b）21，切割速度则为负相关。而对于不同厚度钢板进行激光切割模拟，切缝轮廓呈不同锥度，实验结果与模拟误差不超过8%。根据理论模型，搭建激光切割质量

5、预测系统，实现参数输入与轮廓几何尺寸数据输出。结合激光切割智能轨迹优化系统和激光切割虚拟制造仿真系统，实现不同参数和尺寸条件下，可靠的激光切割虚拟制造仿真。图2切缝模拟图（2）基于钣金件全三维信息相关的激光切割路径轨迹智能规划研究三维激光切割是目前激光切割的研究热点和前沿，多采用多轴联动的运动方式，即采用五轴联动激光加工机或激光加工机器人通过调整激光束姿态切割空间曲面或曲线，完成二维切割所无法完成加工的工作，因此，有必要对激光束运动姿态的变化对于激光切割质量的影响进行研究；由于三维激光切割的路径选择和切割过程中

6、存在的干涉情况，会直接影响切割后工件的质量和生产效率，合理的切割路径规划、解决干涉和碰撞问题、引线设置和切割路径的顺序对于提高三维激光切割的尺寸精度，减少工件废料等具有重要作用；同时，由于存在激光光斑半径，使得图形尺寸与工艺标准尺寸间多一个光斑半径误差，需要对此进行误差补偿，提高三维激光切割工件的精度。（3）多平台激光切割虚拟制造及监控系统的研究21三维复杂曲面钣金件的激光切割过程是极其快速和复杂的，不仅要考虑加工路径的优化，还要考虑加工过程中的各种工艺问题（过烧、挂渣、碰撞等）。本系统研究了基于多平台（龙门式

7、五轴机床平台，立式六轴机器人平台，倒置式六轴机器人龙门平台）激光切割虚拟制造系统开发，主要是将三维曲面激光切割智能优化系统中得到的刀位点数据进行仿真验证。对不同切割平台进行运动学正逆解后，在检验刀位点数据可靠性的同时结合激光加工质量预测系统提供的对应工艺参数下的切割截面参数模拟仿真出激光切割的过程。根据仿真过程中出现的问题可以作出相应的修改以提高激光切割质量及工作效率，最终根据加工平台输出对应的可靠实用的加工代码。三维激光切割过程是一个非常复杂的动态作用过程，涉及到多种综合影响因素，由于在切割过程中存在一定的不

8、稳定性，需要及时动态调整相关参数，以避免切割质量的缺陷，为了获得更好的切割工件质量，既要确保切割参数的稳定性，又要对激光切割状态进行实时监控和查看。因此，在三维激光切割过程中，通过传感器、摄像机等对激光切割的工艺参数和过程信号进行感知，再通过网络层进行数据和图像采集和传递，进而通过应用层的多平台激光切割虚拟制造系统进行监控和查看。（4）实验验证实验条件：实验所采用的加工设备包括以下几个