一種高強度纖維剪切裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供的一種高強度纖維剪切裝置包括控制部分、激光發(fā)生器、氣瓶、冷卻水循環(huán)部分、空氣干燥器、折射反射鏡、割炬、割炬驅(qū)動裝置和切割工作平臺；本發(fā)明的優(yōu)勢在于通過計算機(jī)控制器來控制切割裝置的動作，精確控制纖維絲的切割長度，并且能夠遠(yuǎn)程異地訪問和控制激光切割過程；本發(fā)明的激光切割具有高的切割質(zhì)量、高的切割速度、高的柔性，可隨意切割任意形狀和廣泛的材料適應(yīng)性等優(yōu)點。
【專利說明】一種高強度纖維剪切裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及碳纖維的成套制造設(shè)備領(lǐng)域，特別是一種高強度纖維剪切裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]超高強度聚乙烯纖維在水中的自由斷裂長度為無限長，在粗細(xì)相同的情況下，它所能承受的最大質(zhì)量是鋼絲繩的8倍，是繼碳纖維、芳綸纖維之后的第三代超高強度纖維，在軍事工業(yè)和航天航空領(lǐng)域均有不可替代的作用。它重要的功能是防彈、防刺，用其做成的防彈衣質(zhì)量比傳統(tǒng)的防彈衣要輕得多，而且強度高。這種聚乙烯纖的強度比鋼高15倍，若按質(zhì)量計其強度比芳綸高40%，可稱之為當(dāng)今世界上強度最高的聚乙烯纖維。
[0003]在剪切聚乙烯纖維時，則傳統(tǒng)剪切方式不在適合。刀具強度必須大于聚乙烯纖維的強度，然而聚乙烯纖維的強度比鋼高15倍。若使用普通的刀具剪切，這對刀具的磨損極大，一把刀具僅僅可以剪切幾次，刀具使用壽命極低，不利于大批量生產(chǎn)；而使用新型的刀具材料(如立方氮化硼、人造金剛石等)其強度高可以剪切，但韌性差也不在適合加工這種纖維。
[0004]激光切割技術(shù)廣泛應(yīng)用于金屬和非金屬材料的切割中，可大大減少加工時間，低加工成本，提高工件質(zhì)量?，F(xiàn)代的激光成了人們所幻想追求的“削鐵如泥”的“寶劍”；以金運激光C02激光切割機(jī)為例，整個系統(tǒng)由控制系統(tǒng)、運動系統(tǒng)、光學(xué)系統(tǒng)、水冷系統(tǒng)、排煙和吹氣保護(hù)系統(tǒng)等組成，釆用先進(jìn)的數(shù)控模式實現(xiàn)多軸聯(lián)動及激光不受速度影響的等能量切害I]，同時支持DXP、PLT、CNC等圖形格式并強化界面圖形繪制處理能力；釆用性能優(yōu)越的進(jìn)口伺服電機(jī)和傳動導(dǎo)向結(jié)構(gòu)實現(xiàn)在高速狀態(tài)下良好的運動精度。
[0005]激光切割與傳統(tǒng)的加工方法相比，激光切割其具有高的切割質(zhì)量，切口寬度窄、熱影響區(qū)小、切口光潔；、高的切割速度、高的柔性，可隨意切割任意形狀；廣泛的材料適應(yīng)性等優(yōu)點。激光切割是激光加工行業(yè)中敁重要的一項應(yīng)用技術(shù)由于具有諸多特點已廣泛地應(yīng)用于汽車、機(jī)車車輛制造、航空、化工、輕工、電器與電子、石油和冶金等丁業(yè)部門。
[0006]因此，本發(fā)明設(shè)計一種高強度纖維剪切機(jī)，它是以激光加工為主要加工設(shè)備，解決上述技術(shù)問題在本領(lǐng)域內(nèi)具有重大的意義。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]針對現(xiàn)有技術(shù)存在的缺陷和不足，本發(fā)明提供一種高強度纖維剪切裝置，以激光為主要加工設(shè)備，以剪切時加工區(qū)域溫度和非加工區(qū)域溫度為主要控制量，用傳感器的實時檢測，通過轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換處理，以PLC作為控制核心，以達(dá)到控制剪切時要求。上位機(jī)放置在安全區(qū)域，利用監(jiān)控軟件實現(xiàn)了對剪切的實時控制及預(yù)定參數(shù)的遠(yuǎn)程調(diào)試，為實現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提出的一種高強度纖維剪切裝置，采用如下技術(shù)方案，該裝置包括:
[0008]控制部分，完成對本裝置的自動控制；
[0009]激光發(fā)生器；為產(chǎn)生激光的設(shè)備；
[0010]氣瓶，用于補充激光發(fā)生器所用的工作氣體和供給切割用輔助氣體；
[0011]冷卻水循環(huán)部分，用于冷卻激光發(fā)生器；
[0012]空氣干燥器，用于向激光發(fā)生器提供潔凈的干燥空氣；
[0013]折射反射鏡；用于將激光導(dǎo)向所需的地方；
[0014]割炬，完成對纖維的切割工作；
[0015]割炬驅(qū)動裝置，用于按照程序驅(qū)動割炬的移動；
[0016]切割工作平臺，用于固定被切割的纖維絲。
[0017]對于本技術(shù)方案的進(jìn)一步的改進(jìn)，所述控制部分包括計算機(jī)主機(jī)、檢測裝置和遠(yuǎn)程監(jiān)視裝置；
[0018]對于本技術(shù)方案的進(jìn)一步的改進(jìn)，所述激光發(fā)生器包括激光電源和激光振蕩器；
[0019]對于本技術(shù)方案的進(jìn)一步的改進(jìn)，所述割炬包括槍體、聚焦透鏡和輔助氣體噴嘴；
[0020]對于本技術(shù)方案的進(jìn)一步的改進(jìn)，所述割炬驅(qū)動裝置包括伺服電機(jī)和絲桿傳動件;
[0021]對于本技術(shù)方案的進(jìn)一步的改進(jìn)，所述氣瓶包括激光工作介質(zhì)氣瓶和輔助氣瓶。
[0022]本發(fā)明的設(shè)備的工作原理主要在于:激光切割是應(yīng)用激光聚焦后產(chǎn)生的高功率密度能量來實現(xiàn)的。在計算機(jī)的控制下，通過脈沖使激光器放電，從而輸出受控的重復(fù)高頻率的脈沖激光，形成一定頻率，一定脈寬的光束，該脈沖激光束經(jīng)過光路傳導(dǎo)及反射并通過聚焦透鏡組聚焦在加工物體的表面上，形成一個個細(xì)微的、高能量密度光斑，焦斑位于待加工面附近，以瞬間高溫熔化或氣化被加工材料。每一個高能量的激光脈沖瞬間就把物體表面射出一個細(xì)小的孔，在計算機(jī)控制下，激光加工頭與被加工材料按預(yù)先繪好的圖形進(jìn)行連續(xù)相對運動打點，這樣就會把物體剪切成想要的形狀。切割時，一股與光束同軸氣流由切割頭噴出，將熔化或氣化的材料由切口的底部吹出。
[0023]激光切割裝置組成有以下幾個部分:激光電源，供給激光振蕩用的髙壓電源；激光振蕩器，產(chǎn)生激光的主要設(shè)備；折射反射鏡，用于將激光導(dǎo)句所需要的方向，為使光束通路不發(fā)生故障，所有反射鏡都要用保護(hù)罩加以保護(hù)；割炬，主要包括槍體、聚焦透鏡和輔助氣體噴嘴等零件；切割工作平臺，用于安放被切割工件，并能按控制程序正確而精確地進(jìn)行移動，通常由伺機(jī)電機(jī)驅(qū)動；割炬驅(qū)動裝置，用于按照程序驅(qū)動割炬沿X軸和Z軸方向運動，由伺服電動機(jī)和絲桿等傳動件組成；氣瓶包括激光工作介質(zhì)氣瓶和輔助氣瓶，用于補充激光振蕩的工作氣體和供給切割用輔助氣體；冷卻水循環(huán)裝賈用于冷卻激光振蕩器，激光器是利用電能轉(zhuǎn)換成光能的裝置，如C02氣體激光器的轉(zhuǎn)換效率一般為20%，剩余的80%能量就變換為熱量。冷卻水把多余的熱量帶走以保持振蕩器的正常工作；空氣干燥器用于向激光振蕩器和光束通路供給潔凈的干燥空氣，以保持通路和反射鏡的正常工作。
[0024]本裝置的控制部分主要由計算機(jī)、檢測裝置、遠(yuǎn)程監(jiān)視裝置組成；計算機(jī)控制系統(tǒng)又分為數(shù)控裝置和操作盤:數(shù)控裝置對切割平臺和割炬的運動進(jìn)行控制，同時也控制激光器的輸出功率；操作盤用于控制整個切割裝置的工作過程。檢測裝置主要有于檢測加工區(qū)域的溫度是否高于纖維的沸點以及纖維長度量的檢測；遠(yuǎn)程監(jiān)視裝置釆用組態(tài)軟件，在其應(yīng)用程序的集成開發(fā)環(huán)境下，開發(fā)者可完成界而的設(shè)計、數(shù)據(jù)庫定義、動畫連接等，對于監(jiān)視觀察部分，由于激光加工時對人體有輻射作用，所以當(dāng)準(zhǔn)備工作完成后，現(xiàn)場人員均退回到安全間內(nèi)進(jìn)行操作。
[0025]此設(shè)計的技術(shù)關(guān)鍵是激光切割聚乙烯纖維時，激光束所產(chǎn)生的瞬間高溫要比聚乙烯纖維的沸點高，而且高溫不可以傳遞給纖維材料，這就要求有良好的冷卻系統(tǒng)；在切割過程中纖維材料的長度檢測一定好精確，激光切割時切割速度是一個重要的影響因素，工件所允許的最大切割速度是通過能量平衡和熱傳導(dǎo)公式估算得來，它與光束有效功率密度、光朿模式、光斑尺寸、材料密度和開始汽化所需能量、材料厚度等因素有關(guān)，經(jīng)過不斷地實踐對比得到最佳的切割速度。
[0026]由以上本發(fā)明的實施方案可知，本發(fā)明所提出的高強度纖維剪切裝置，與現(xiàn)有的技術(shù)相比，具有以下優(yōu)勢:
[0027]通過計算機(jī)控制器來控制切割裝置的動作，精確控制纖維絲的切割長度，并且能夠遠(yuǎn)程異地訪問和控制激光切割過程；本發(fā)明的激光切割具有高的切割質(zhì)量、高的切割速度、高的柔性，可隨意切割任意形狀、廣泛的材料適應(yīng)性等優(yōu)點。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0028]圖1為本發(fā)明的高強度纖維剪切裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)示意圖，其中:
[0029]1-冷卻水循環(huán)部分，2-控制部分，3-激光發(fā)生器，4-割炬驅(qū)動裝置，5-割炬，6_切割工作平臺，7-折射反射鏡，8-氣瓶，9-空氣干燥部分。

【具體實施方式】
[0030]為了更好地了解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，特舉具體實施例并配合所附圖式說明如下:
[0031]如圖1所示，本發(fā)明提出的一種高強度纖維剪切裝置，采用如下技術(shù)方案，該系統(tǒng)包括:
[0032]控制部分2，完成對本裝置的自動控制；
[0033]激光發(fā)生器3 ;為產(chǎn)生激光的設(shè)備；
[0034]氣瓶8，用于補充激光發(fā)生器3所用的工作氣體和供給切割用輔助氣體；
[0035]冷卻水循環(huán)部分I，用于冷卻激光發(fā)生器3 ；
[0036]空氣干燥器9，用于向激光發(fā)生器3提供潔凈的干燥空氣；
[0037]折射反射鏡7 ;用于將激光導(dǎo)向所需的地方；
[0038]割炬5，完成對纖維的切割工作；
[0039]割炬驅(qū)動裝置4，用于按照程序驅(qū)動割炬5的移動；
[0040]切割工作平臺6，用于固定被切割的纖維絲。
[0041]對于本技術(shù)方案的進(jìn)一步的改進(jìn)，所述控制部分2包括計算機(jī)主機(jī)、檢測裝置和遠(yuǎn)程監(jiān)視裝置；
[0042]對于本技術(shù)方案的進(jìn)一步的改進(jìn)，所述激光發(fā)生器3包括激光電源和激光振蕩器；
[0043]對于本技術(shù)方案的進(jìn)一步的改進(jìn)，所述割炬5包括槍體、聚焦透鏡和輔助氣體噴嘴；
[0044]對于本技術(shù)方案的進(jìn)一步的改進(jìn)，所述割炬驅(qū)動裝置4包括伺服電機(jī)和絲桿傳動件;
[0045]對于本技術(shù)方案的進(jìn)一步的改進(jìn)，所述氣瓶8包括激光工作介質(zhì)氣瓶和輔助氣瓶。
[0046]本發(fā)明的設(shè)備的工作原理主要在于:激光切割是應(yīng)用激光聚焦后產(chǎn)生的高功率密度能量來實現(xiàn)的。在計算機(jī)的控制下，通過脈沖使激光器放電，從而輸出受控的重復(fù)高頻率的脈沖激光，形成一定頻率，一定脈寬的光束，該脈沖激光束經(jīng)過光路傳導(dǎo)及反射并通過聚焦透鏡組聚焦在加工物體的表面上，形成一個個細(xì)微的、高能量密度光斑，焦斑位于待加工面附近，以瞬間高溫熔化或氣化被加工材料。每一個高能量的激光脈沖瞬間就把物體表面射出一個細(xì)小的孔，在計算機(jī)控制下，激光加工頭與被加工材料按預(yù)先繪好的圖形進(jìn)行連續(xù)相對運動打點，這樣就會把物體剪切成想要的形狀。切割時，一股與光束同軸氣流由切割頭噴出，將熔化或氣化的材料由切口的底部吹出。
[0047]激光切割裝置組成有以下幾個部分:激光電源，供給激光振蕩用的髙壓電源；激光振蕩器，產(chǎn)生激光的主要設(shè)備；折射反射鏡，用于將激光導(dǎo)句所需要的方向，為使光束通路不發(fā)生故障，所有反射鏡都要用保護(hù)罩加以保護(hù)；割炬，主要包括槍體、聚焦透鏡和輔助氣體噴嘴等零件；切割工作平臺，用于安放被切割工件，并能按控制程序正確而精確地進(jìn)行移動，通常由伺機(jī)電機(jī)驅(qū)動；割炬驅(qū)動裝置，用于按照程序驅(qū)動割炬沿各方向運動，由伺服電動機(jī)和絲桿等傳動件組成；氣瓶包括激光工作介質(zhì)氣瓶和輔助氣瓶，用于補充激光振蕩的工作氣體和供給切割用輔助氣體；冷卻水循環(huán)裝賈用于冷卻激光振蕩器，激光器是利用電能轉(zhuǎn)換成光能的裝置，如C02氣體激光器的轉(zhuǎn)換效率一般為20%，剩余的80%能量就變換為熱量。冷卻水把多余的熱量帶走以保持振蕩器的正常工作；空氣干燥器用于向激光振蕩器和光束通路供給潔凈的干燥空氣，以保持通路和反射鏡的正常工作。
[0048]本裝置的控制部分主要由計算機(jī)、檢測裝置、遠(yuǎn)程監(jiān)視裝置組成；計算機(jī)控制系統(tǒng)又分為數(shù)控裝置和操作盤:數(shù)控裝置對切割平臺和割炬的運動進(jìn)行控制，同時也控制激光器的輸出功率；操作盤用于控制整個切割裝置的工作過程。檢測裝置主要有于檢測加工區(qū)域的溫度是否高于纖維的沸點以及纖維長度量的檢測；遠(yuǎn)程監(jiān)視裝置釆用組態(tài)軟件，在其應(yīng)用程序的集成開發(fā)環(huán)境下，開發(fā)者可完成界而的設(shè)計、數(shù)據(jù)庫定義、動畫連接等，對于監(jiān)視觀察部分，由于激光加工時對人體有輻射作用，所以當(dāng)準(zhǔn)備工作完成后，現(xiàn)場人員均退回到安全間內(nèi)進(jìn)行操作。
[0049]此設(shè)計的技術(shù)關(guān)鍵是激光切割聚乙烯纖維絲時，激光束所產(chǎn)生的瞬間高溫要比聚乙烯纖維的沸點高，而且高溫不可以傳遞給纖維材料，這就要求有良好的冷卻系統(tǒng)；在切割過程中纖維材料的長度檢測一定要精確，激光切割時切割速度是一個重要的影響因素，工件所允許的最大切割速度是通過能量平衡和熱傳導(dǎo)公式估算得來，它與光束有效功率密度、光束模式、光斑尺寸、材料密度和開始汽化所需能量、材料厚度等因素有關(guān)，經(jīng)過不斷地實踐對比得到最佳的切割速度。
[0050]綜上所述，本發(fā)明的設(shè)計一種高強度纖維剪切機(jī)方案，是以激光為主要設(shè)備，以剪切時加工區(qū)域溫度和非加工區(qū)域溫度為主要控制量，用傳感器的實時檢測，通過轉(zhuǎn)換器的轉(zhuǎn)換處理，以PLC作為控制核心，以達(dá)到控制剪切時要求。上位機(jī)放置在安全區(qū)域，利用監(jiān)控軟件實現(xiàn)了對剪切加工的實時控制及預(yù)定參數(shù)的遠(yuǎn)程調(diào)試。
[0051]本發(fā)明以實施例的方式揭露如上，不以任何形式對本發(fā)明構(gòu)成限制和限定，本發(fā)明的范圍以權(quán)利要求書為準(zhǔn)，一切不超出本發(fā)明宗旨的顯而易見的修改、變換和替代方案均在本發(fā)明范圍內(nèi)。
【權(quán)利要求】
1.一種高強度纖維剪切裝置，其特征在于該裝置包括: 控制部分(2)，完成對本裝置的自動控制； 激光發(fā)生器(3)，為產(chǎn)生激光的設(shè)備； 氣瓶(8)，用于補充激光發(fā)生器(3)所用的工作氣體和供給切割用輔助氣體； 冷卻水循環(huán)部分(1)，用于冷卻激光發(fā)生器(3)； 空氣干燥器(9)，用于向激光發(fā)生器(3)提供潔凈的干燥空氣； 折射反射鏡(7)，用于將激光導(dǎo)向所需的地方； 割炬(5)，完成對纖維的切割工作； 割炬驅(qū)動裝置(4)，用于按照程序驅(qū)動割炬(5)的移動； 切割工作平臺(6)，用于固定被切割的纖維絲。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強度纖維剪切裝置，其特征在于:所述控制部分(2)包括計算機(jī)主機(jī)、檢測裝置和遠(yuǎn)程監(jiān)視裝置。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強度纖維剪切裝置，其特征在于:所述激光發(fā)生器(3)包括激光電源和激光振蕩器。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強度纖維剪切裝置，其特征在于:所述割炬(5)包括槍體、聚焦透鏡和輔助氣體噴嘴。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強度纖維剪切裝置，其特征在于:所述割炬驅(qū)動裝置(4)包括伺服電機(jī)和絲桿傳動件。
6.根據(jù)權(quán)利要求1所述的高強度纖維剪切裝置，其特征在于:所述氣瓶(8)包括激光工作介質(zhì)氣瓶和輔助氣瓶。
【文檔編號】B23K26/14GK104308371SQ201410609634
【公開日】2015年1月28日 申請日期:2014年11月3日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月3日
【發(fā)明者】祝龍云 申請人:鎮(zhèn)江奧立特機(jī)械制造有限公司