目前，生产三维五轴激光切割机主要厂家有德国、意大利、日本等国外制造企业，国内只有较少的公司。国外企业由于生产较早，产品成熟，性能稳定，市场客户认可度极高。日本两家公司只生产低速度、低加速度的三维五轴CO2激光切割机，其生产效率较低，能耗较高，无法满足汽车热成形生产线生产效率的要求。经过我们研究攻破关键技术，掌握核心技术，既生产低速度、高精度的三维五轴光纤激光切割机，又生产高速度、高精度的三维五轴光纤激光切割机，技术紧跟国外一流标准，成为目前市场上三维五轴光纤激光切割性价比很高的产品，解决了三维五轴光纤激光切割机关键核心技术：

1．机床结构优化设计及动态设计

对整机结构进行CAE有限元分析，结合动、静态刚度，静态强度，热特性进行分析，得到整机最佳的刚度场与温度场，经过反复测试及验证，进行设计改进，分析理论值与实际测试值数据的差异化的因素，当理论值与实际测试值数据基本吻合，最终获得整机既经济又轻量的结构设计。机床结构优化设计及动态设计方框图与机床结构图如图2所示。

 机床结构优化设计及动态设计方框图与机床结构图

2．提高动态性能和稳定性

对高速度、大惯量、大尺寸的部件进行CAE有限元模态分析，对结合面阻尼、局部刚度、质量分布进行分析，采取隔振、减振、抑振措施，对结构进行设计改进及优化，经过反复测试验证，获取动态性能和稳定性良好的移动部件，确保产品的动态性能与稳定性。提高动态性能和稳定性方框图与模态分析图分别如图3 、图4所示。

 提高动态性和稳定性方框图与模态分析图

 模态分析数据图

3．提高高速度、高精度定位

对电机及伺服进给驱动系统进行测试及有限元分析，结合定位精度、响应速度、热特性、电机刚性进行分析及优化，并跟踪特性分析，对数控系统多轴联动进行误差补偿，获得高速度，高精度定位。伺服驱动系统分析方框图如图5所示。

伺服驱动系统分析方框图

4．解决无限旋转三维切割头核心技术

精密的光学计算，制定系统几何的空间算法，研制360°无线旋转三维切割头，自主创新，拥有核心技术，是继国外三家企业后，第四家能够生产360°无线旋转三维切割头的厂家，打破了国外技术垄断。360°无线旋转三维五轴切割头如图6所示。

  360°无线旋转三维五轴切割头

对三维五轴切割头产品，解决如下关键及核心技术：

（1）三维五轴无限旋转切割头水、气、光通路的密封

三维五轴切割头加工时运动轨迹较为复杂，通过C轴（无限旋转）机械传动部分传输的管道有光路、水路、气路、电信号通路。由于C轴为无限旋转结构，上述通道无法采用管道式的结构，需设计特定的旋转式通道结构传输。随之而来的问题就是要解决运动通道水、气、光的动密封性。

为突破此重大障碍，在多种备选设计方案中选择水、气、光、电各通道独立传输的旋转机械结构；针对C轴各旋转传输通路对密封元件技术要求，开发以新型材料为基础设计的旋转通道密封元件，元件设计充分地考虑了耐磨性、密封性和元件与管道动摩擦力等综合因素的平衡；结合理论与经验的指导适当调整密封元件与被密封通路的公差配合，成功地实现集成多个密封传输通道的高速无限旋转C轴部件。经过大量实验验证自主研发的高速旋转密封元件性能已达到国外同类产品水平。

（2）三维切割头高速旋转下电信号抗干扰屏蔽技术

采用传统的线缆在旋转轴中传输电信号会因轴的旋转将线缆缠绕甚至拉扯断裂，多路电信号同时在间距较小的空间内传输也会有信号互相串扰的风险。为了避免此类问题并保证多路电信号的抗电磁干扰传输，根据多路电信号通路的技术规格，首创的独特电滑环结构设计，突破多路电信号在高速旋转轴上的抗干扰传输。

5．在线修改软件技术

自行开发的在线修改程序软件，修改程序尺寸更加方便、快捷，换件速度快，提高了生产效率，节约了生产成本。在线修改软件如图7所示。

  在线修改软件

6．基于具备RTCP功能数控三维五轴光纤切割系统集成应用技术研究

（1）研究三维五轴光纤激光切割装备硬件集成系统结构，分析具备RTCP功能数控系统的软硬件接口，设计三维五轴光纤激光切割中各加工部件的系统集成控制方案。

（2）研究RTCP功能数据。三维五轴光纤激光切割系统由三大功能块组成，分别是加工控制模块、离线编程模块以及激光切割工艺数据库。结合加工装备的硬件集成，面向三维五轴光纤激光切割工艺的软件二次开发，给予PC工控平台设计数控系统控制类函数，开发三维五轴光纤激光切割控制应用程序接口，实现三维五轴光纤激光切割机床运动控制以及工艺调节等功能。

（3）基于三维空间映射对三维五轴激光加工机床进行运动学分析，同时设计切割头运动仿真。

（4）开发基于HMI的PC平台的数据库，并结合功能需求利用SQL进行数据库的具体功能设计，实现数据库的修改、添加、查询、浏览以及删除等功能。

7．三维复杂曲面激光切割工艺的研究

（1）分析外光路模式，对光路进行整形补偿，确保最佳切割光束模式，开发三维五轴激光切割专用工艺控制软件。

（2）研发快速穿孔、切割状态控制反馈技术，同时开发碳钢厚板尖角切割、厚板极限切割小孔、高功率光纤氮气切割中薄板碳钢工艺方法、复杂图形及图片处理与应用等工艺方法，攻克复杂图形及小轮廓加工的工艺技术难题。

（3）研究激光切割控制方法、激光切割速度控制方法、转角的激光切割方法。对三维覆盖件误差补偿、三维覆盖件拐角切割质量控制和平板上尖角切割质量的控制方法进行研究。

（4）开发基于CC编译循环的Z轴仿形控制技术，图形预览及轨迹同步显示技术，基于图形预览的灵活介入和灵活补切技术，基于快速响应激光脉冲方波PWM发生器的激光脉冲频率与占空比、激光功率实时坡度调节技术。

解决三维件拐角过烧，厚板尖角过熔和极限小孔切割，薄板的快速穿孔等工艺难题，建立完善的激光切割工艺专家数据库，实现大轮廓、小轮廓、拐角、标准图形等激光切割工艺参数的自动调用。