CN104308371A - 一种高强度纤维剪切装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供的一种高强度纤维剪切装置包括控制部分、激光发生器、气瓶、冷却水循环部分、空气干燥器、折射反射镜、割炬、割炬驱动装置和切割工作平台；本发明的优势在于通过计算机控制器来控制切割装置的动作，精确控制纤维丝的切割长度，并且能够远程异地访问和控制激光切割过程；本发明的激光切割具有高的切割质量、高的切割速度、高的柔性，可随意切割任意形状和广泛的材料适应性等优点。

Description

一种高强度纤维剪切装置

技术领域

本发明涉及碳纤维的成套制造设备领域，特别是一种高强度纤维剪切装置。

背景技术

超高强度聚乙烯纤维在水中的自由断裂长度为无限长，在粗细相同的情况下，它所能承受的最大质量是钢丝绳的8倍，是继碳纤维、芳纶纤维之后的第三代超高强度纤维，在军事工业和航天航空领域均有不可替代的作用。它重要的功能是防弹、防刺，用其做成的防弹衣质量比传统的防弹衣要轻得多，而且强度高。这种聚乙烯纤的强度比钢高15倍，若按质量计其强度比芳纶高40％,可称之为当今世界上强度最高的聚乙烯纤维。

在剪切聚乙烯纤维时，则传统剪切方式不在适合。刀具强度必须大于聚乙烯纤维的强度，然而聚乙烯纤维的强度比钢高15倍。若使用普通的刀具剪切，这对刀具的磨损极大，一把刀具仅仅可以剪切几次，刀具使用寿命极低，不利于大批量生产；而使用新型的刀具材料(如立方氮化硼、人造金刚石等)其强度高可以剪切，但韧性差也不在适合加工这种纤维。

激光切割技术广泛应用于金属和非金属材料的切割中，可大大减少加工时间，低加工成本，提高工件质量。现代的激光成了人们所幻想追求的“削铁如泥”的“宝剑”；以金运激光C02激光切割机为例，整个***由控制***、运动***、光学***、水冷***、排烟和吹气保护***等组成，釆用先进的数控模式实现多轴联动及激光不受速度影响的等能量切割，同时支持DXP、PLT、CNC等图形格式并强化界面图形绘制处理能力；釆用性能优越的进口伺服电机和传动导向结构实现在高速状态下良好的运动精度。

激光切割与传统的加工方法相比，激光切割其具有高的切割质量，切口宽度窄、热影响区小、切口光洁；、高的切割速度、高的柔性，可随意切割任意形状；广泛的材料适应性等优点。激光切割是激光加工行业中敁重要的一项应用技术由于具有诸多特点已广泛地应用于汽车、机车车辆制造、航空、化工、轻工、电器与电子、石油和冶金等丁业部门。

因此，本发明设计一种高强度纤维剪切机，它是以激光加工为主要加工设备，解决上述技术问题在本领域内具有重大的意义。

发明内容

针对现有技术存在的缺陷和不足，本发明提供一种高强度纤维剪切装置，以激光为主要加工设备，以剪切时加工区域温度和非加工区域温度为主要控制量，用传感器的实时检测，通过转换器的转换处理，以PLC作为控制核心，以达到控制剪切时要求。上位机放置在安全区域，利用监控软件实现了对剪切的实时控制及预定参数的远程调试，为实现上述目的，本发明提出的一种高强度纤维剪切装置，采用如下技术方案，该装置包括：

控制部分，完成对本装置的自动控制；

激光发生器；为产生激光的设备；

气瓶，用于补充激光发生器所用的工作气体和供给切割用辅助气体；

冷却水循环部分，用于冷却激光发生器；

空气干燥器，用于向激光发生器提供洁净的干燥空气；

折射反射镜；用于将激光导向所需的地方；

割炬，完成对纤维的切割工作；

割炬驱动装置，用于按照程序驱动割炬的移动；

切割工作平台，用于固定被切割的纤维丝。

对于本技术方案的进一步的改进，所述控制部分包括计算机主机、检测装置和远程监视装置；

对于本技术方案的进一步的改进，所述激光发生器包括激光电源和激光振荡器；

对于本技术方案的进一步的改进，所述割炬包括枪体、聚焦透镜和辅助气体喷嘴；

对于本技术方案的进一步的改进，所述割炬驱动装置包括伺服电机和丝杆传动件；

对于本技术方案的进一步的改进，所述气瓶包括激光工作介质气瓶和辅助气瓶。

本发明的设备的工作原理主要在于：激光切割是应用激光聚焦后产生的高功率密度能量来实现的。在计算机的控制下，通过脉冲使激光器放电，从而输出受控的重复高频率的脉冲激光，形成一定频率，一定脉宽的光束，该脉冲激光束经过光路传导及反射并通过聚焦透镜组聚焦在加工物体的表面上，形成一个个细微的、高能量密度光斑，焦斑位于待加工面附近，以瞬间高温熔化或气化被加工材料。每一个高能量的激光脉冲瞬间就把物体表面射出一个细小的孔，在计算机控制下，激光加工头与被加工材料按预先绘好的图形进行连续相对运动打点，这样就会把物体剪切成想要的形状。切割时，一股与光束同轴气流由切割头喷出，将熔化或气化的材料由切口的底部吹出。

激光切割装置组成有以下几个部分：激光电源，供给激光振荡用的髙压电源；激光振荡器，产生激光的主要设备；折射反射镜，用于将激光导句所需要的方向，为使光束通路不发生故障，所有反射镜都要用保护罩加以保护；割炬，主要包括枪体、聚焦透镜和辅助气体喷嘴等零件；切割工作平台，用于安放被切割工件，并能按控制程序正确而精确地进行移动，通常由伺机电机驱动；割炬驱动装置，用于按照程序驱动割炬沿X轴和Z轴方向运动，由伺服电动机和丝杆等传动件组成；气瓶包括激光工作介质气瓶和辅助气瓶，用于补充激光振荡的工作气体和供给切割用辅助气体；冷却水循环装賈用于冷却激光振荡器，激光器是利用电能转换成光能的装置，如C02气体激光器的转换效率一般为20％，剩余的80％能量就变换为热量。冷却水把多余的热量带走以保持振荡器的正常工作；空气干燥器用于向激光振荡器和光束通路供给洁净的干燥空气，以保持通路和反射镜的正常工作。

本装置的控制部分主要由计算机、检测装置、远程监视装置组成；计算机控制***又分为数控装置和操作盘：数控装置对切割平台和割炬的运动进行控制，同时也控制激光器的输出功率；操作盘用于控制整个切割装置的工作过程。检测装置主要有于检测加工区域的温度是否高于纤维的沸点以及纤维长度量的检测；远程监视装置釆用组态软件，在其应用程序的集成开发环境下，开发者可完成界而的设计、数据库定义、动画连接等，对于监视观察部分，由于激光加工时对人体有辐射作用，所以当准备工作完成后，现场人员均退回到安全间内进行操作。

此设计的技术关键是激光切割聚乙烯纤维时，激光束所产生的瞬间高温要比聚乙烯纤维的沸点高，而且高温不可以传递给纤维材料，这就要求有良好的冷却***；在切割过程中纤维材料的长度检测一定好精确，激光切割时切割速度是一个重要的影响因素，工件所允许的最大切割速度是通过能量平衡和热传导公式估算得来，它与光束有效功率密度、光朿模式、光斑尺寸、材料密度和开始汽化所需能量、材料厚度等因素有关，经过不断地实践对比得到最佳的切割速度。

由以上本发明的实施方案可知，本发明所提出的高强度纤维剪切装置，与现有的技术相比，具有以下优势：

通过计算机控制器来控制切割装置的动作，精确控制纤维丝的切割长度，并且能够远程异地访问和控制激光切割过程；本发明的激光切割具有高的切割质量、高的切割速度、高的柔性，可随意切割任意形状、广泛的材料适应性等优点。

附图说明

图1为本发明的高强度纤维剪切装置的内部结构示意图，其中：

1-冷却水循环部分，2-控制部分，3-激光发生器，4-割炬驱动装置，5-割炬，6-切割工作平台，7-折射反射镜，8-气瓶，9-空气干燥部分。

具体实施方式

为了更好地了解本发明的技术内容，特举具体实施例并配合所附图式说明如下：

如图1所示，本发明提出的一种高强度纤维剪切装置，采用如下技术方案，该***包括：

控制部分2，完成对本装置的自动控制；

激光发生器3；为产生激光的设备；

气瓶8，用于补充激光发生器3所用的工作气体和供给切割用辅助气体；

冷却水循环部分1，用于冷却激光发生器3；

空气干燥器9，用于向激光发生器3提供洁净的干燥空气；

折射反射镜7；用于将激光导向所需的地方；

割炬5，完成对纤维的切割工作；

割炬驱动装置4，用于按照程序驱动割炬5的移动；

切割工作平台6，用于固定被切割的纤维丝。

对于本技术方案的进一步的改进，所述控制部分2包括计算机主机、检测装置和远程监视装置；

对于本技术方案的进一步的改进，所述激光发生器3包括激光电源和激光振荡器；

对于本技术方案的进一步的改进，所述割炬5包括枪体、聚焦透镜和辅助气体喷嘴；

对于本技术方案的进一步的改进，所述割炬驱动装置4包括伺服电机和丝杆传动件；

对于本技术方案的进一步的改进，所述气瓶8包括激光工作介质气瓶和辅助气瓶。

本发明的设备的工作原理主要在于：激光切割是应用激光聚焦后产生的高功率密度能量来实现的。在计算机的控制下，通过脉冲使激光器放电，从而输出受控的重复高频率的脉冲激光，形成一定频率，一定脉宽的光束，该脉冲激光束经过光路传导及反射并通过聚焦透镜组聚焦在加工物体的表面上，形成一个个细微的、高能量密度光斑，焦斑位于待加工面附近，以瞬间高温熔化或气化被加工材料。每一个高能量的激光脉冲瞬间就把物体表面射出一个细小的孔，在计算机控制下，激光加工头与被加工材料按预先绘好的图形进行连续相对运动打点，这样就会把物体剪切成想要的形状。切割时，一股与光束同轴气流由切割头喷出，将熔化或气化的材料由切口的底部吹出。

激光切割装置组成有以下几个部分：激光电源，供给激光振荡用的髙压电源；激光振荡器，产生激光的主要设备；折射反射镜，用于将激光导句所需要的方向，为使光束通路不发生故障，所有反射镜都要用保护罩加以保护；割炬，主要包括枪体、聚焦透镜和辅助气体喷嘴等零件；切割工作平台，用于安放被切割工件，并能按控制程序正确而精确地进行移动，通常由伺机电机驱动；割炬驱动装置，用于按照程序驱动割炬沿各方向运动，由伺服电动机和丝杆等传动件组成；气瓶包括激光工作介质气瓶和辅助气瓶，用于补充激光振荡的工作气体和供给切割用辅助气体；冷却水循环装賈用于冷却激光振荡器，激光器是利用电能转换成光能的装置，如C02气体激光器的转换效率一般为20％，剩余的80％能量就变换为热量。冷却水把多余的热量带走以保持振荡器的正常工作；空气干燥器用于向激光振荡器和光束通路供给洁净的干燥空气，以保持通路和反射镜的正常工作。

本装置的控制部分主要由计算机、检测装置、远程监视装置组成；计算机控制***又分为数控装置和操作盘：数控装置对切割平台和割炬的运动进行控制，同时也控制激光器的输出功率；操作盘用于控制整个切割装置的工作过程。检测装置主要有于检测加工区域的温度是否高于纤维的沸点以及纤维长度量的检测；远程监视装置釆用组态软件，在其应用程序的集成开发环境下，开发者可完成界而的设计、数据库定义、动画连接等，对于监视观察部分，由于激光加工时对人体有辐射作用，所以当准备工作完成后，现场人员均退回到安全间内进行操作。

此设计的技术关键是激光切割聚乙烯纤维丝时，激光束所产生的瞬间高温要比聚乙烯纤维的沸点高，而且高温不可以传递给纤维材料，这就要求有良好的冷却***；在切割过程中纤维材料的长度检测一定要精确，激光切割时切割速度是一个重要的影响因素，工件所允许的最大切割速度是通过能量平衡和热传导公式估算得来，它与光束有效功率密度、光束模式、光斑尺寸、材料密度和开始汽化所需能量、材料厚度等因素有关，经过不断地实践对比得到最佳的切割速度。

综上所述，本发明的设计一种高强度纤维剪切机方案，是以激光为主要设备，以剪切时加工区域温度和非加工区域温度为主要控制量，用传感器的实时检测，通过转换器的转换处理，以PLC作为控制核心，以达到控制剪切时要求。上位机放置在安全区域，利用监控软件实现了对剪切加工的实时控制及预定参数的远程调试。

本发明以实施例的方式揭露如上，不以任何形式对本发明构成限制和限定，本发明的范围以权利要求书为准，一切不超出本发明宗旨的显而易见的修改、变换和替代方案均在本发明范围内。

Claims (6)

1.一种高强度纤维剪切装置，其特征在于该装置包括：

控制部分(2)，完成对本装置的自动控制；

激光发生器(3)，为产生激光的设备；

气瓶(8)，用于补充激光发生器(3)所用的工作气体和供给切割用辅助气体；

冷却水循环部分(1)，用于冷却激光发生器(3)；

空气干燥器(9)，用于向激光发生器(3)提供洁净的干燥空气；

折射反射镜(7)，用于将激光导向所需的地方；

割炬(5)，完成对纤维的切割工作；

割炬驱动装置(4)，用于按照程序驱动割炬(5)的移动；

切割工作平台(6)，用于固定被切割的纤维丝。

2.根据权利要求1所述的高强度纤维剪切装置，其特征在于：所述控制部分(2)包括计算机主机、检测装置和远程监视装置。

3.根据权利要求1所述的高强度纤维剪切装置，其特征在于：所述激光发生器(3)包括激光电源和激光振荡器。

4.根据权利要求1所述的高强度纤维剪切装置，其特征在于：所述割炬(5)包括枪体、聚焦透镜和辅助气体喷嘴。

5.根据权利要求1所述的高强度纤维剪切装置，其特征在于：所述割炬驱动装置(4)包括伺服电机和丝杆传动件。

6.根据权利要求1所述的高强度纤维剪切装置，其特征在于：所述气瓶(8)包括激光工作介质气瓶和辅助气瓶。