多轴激光切割在胸杯胶壳制作的技术革新

杨伟明+曹著明

摘 要：激光加工是一种非接触式的、高效、灵活、可控、稳定可靠的加工技术。目前已应用在国内外许多产业领域的生产线上。传统胸杯胶壳样板研发制造周期冗长，整个开发过程均须通过人手作业完成，从而衍生胸杯胶壳精准度、对称度、重复度等质量问题。本文通过运用CAD/CAM技术，开发数控激光切割系统用于胸杯胶壳切割以解决上述问题。

关键词：多轴激光；五轴加工；关键技术；工艺；设备；软件

0 引言

近年来，多轴激光切割技术以加工应用范围广、加工精度高、质量好、工艺灵活多样、易实现自动化、生产清洁、柔性化和智能化等优点正逐步取代传统的加工方法。制衣业是一个需要大量加工和测试的生产型产业，也是激光技术应用最广泛的行业之一。

过去内衣业运用传统人手操作工具制造胸杯胶壳以作胸杯成品质量检定之用。此胶壳不但常有误差、制作耗时并需要大量有经验的工人，而且浪费不少因人为错误而弃置的物料。与此同时，国外买家往往质疑传统手作胶壳的精准度及重复性，提高了胸杯半成品被退货的风险。传统手工作业的所存在的问题包括：胸杯胶壳开发与制造周期十分长，开发成本昂贵；胸杯放码完全依赖员工的经验完成，立体胶壳通过人手构画放码线，难以保证放码线准确性与尺寸精准度，现时的放码线长度尺寸与型位尺寸精度仅仅可控制在±1mm范围；如下图1所示。人手剪切胸杯胶壳容易出错，无论工人经验如何丰富，要求工人随手剪出顺畅完美的立体弧位，始终有一定难度，错误几乎不可避免；依赖人手开发制造胸杯胶壳无法保证左右两边胸杯的对称度；客户时常会质疑胶壳的准确度与对称度，并以此作为退货或重检的理由；利用人手裁剪的胸杯胶壳作为胸杯成品质量监控的标准，客户一般认为人手裁剪技术低而不准确，因此大量拒收成品，导致较高的废品率；对于胸杯胶壳的数据没有有效的管理，当客户需要加单或翻单的时候。同一款的胶壳需要重新开发，且不能保证第一次交单的胶壳与最新加单的胶壳质量保持一致性；开发的周期再次体现过于冗长；现时通过人手作业，同一款的胸杯胶壳成品率平均只有30%，70%的胶壳通过本公司的QC及客户的收货检验后需要丢弃.

1 多轴激光切割在胸杯胶壳制造方案

1.1 基准底座设计

通过客户现场师傅人手裁剪的要求及工具（剪刀）的特殊性，一般机械式运动加上工具（剪刀）无法进行复制人手裁剪的轨迹动作。故技术方案选择为机械运动加上非接触式切割介质以实现胶壳切割。采用CAD/CAM系统进行数据处理，可以有效地保存每次加工的数据，避免了因为不同的师傅经验裁剪胶壳的差异性。在日后大货翻单的时候，只需要在机器上直接调用程序数据即可切割出合格的胶壳。采用三维数据图形设计作画胶壳吸塑模型，并使用CNC自动加工技术制作吸塑模型，免除以往纯手工制作石膏模的冗长周期；在石膏模型中，增加设计基准底座，如图2所示。

1.2 激光切割方案

首先采集的胸杯胶壳技术参数，例如：外形尺寸大小范围，胶壳关键尺寸精度，胶壳验收标准等。激光切割设备采用两个线性轴和一个固定倾斜角度的旋转轴组合方式，倾斜的旋转轴可让激光在胶壳面上进行近乎曲面法向切割；工件可在三轴同步控制进行上下，前后及旋转动作，如图3所示。配合激光，以及大功率的电机等控制设备，系统配备对应的电器及激光安全标准的安全开关，安全门和安全电路；同时在激光下方设计气体过滤装置用于过滤切割过程中产生的气体和烟尘.

在机床结构方面，由于传统的多轴机器X/Y/Z/A/B/C运动结构体积庞大，不适用现场局限性的空间摆放，且每个轴需要做密封处理涉及成本较高。采用Y/Z轴直线运动及B轴旋转的3轴运动模式代替传统X/Y/Z/A/B/C的标准机械结构运动。B轴与YZ平面呈45°夹角，可以尽可能模仿人手使用剪刀裁剪胶壳时所呈现接近曲面法向的姿态。激光采用CO2发生器30瓦特功率，有效切割焦距为100mm。

1.3 NC程序设计

配合上述设计的机械系统，运用Cimatron软件编写适合该运动机构的联动切割程序。图形的定位根据机床样式，以底座中心为原点，倾斜45°，如图4（a）所示。由于机床的运动涉及“线性轴运动”及“旋转轴”运动，在CAM系统中需要以五轴的运动模式呈现刀路轨迹切割模拟运动，故在Cimatron软件中需要采用“5X production”编程模式完成刀轨设计。如图4（b）所示；在『Surface paths』中的『Pattenrn』选择『Project curvers』.投影曲线选择对应的放码曲线，投影曲面选择胸杯曲面。如下图4-2所示.在『Tool axis control』里面选择『Output format』为『5 Axis』，刀轴的形式『Tilted with fixed angle to axis』，『Fix title angle』为与Z轴保持45°倾斜角度。『Run tool』为『At Center』。由于实际机器切割时，是采用激光切割，对于刀具而言可以随意设定为任何一把球刀，本文所设定的刀具为D2R1的任意长度球刀。然后计算所得的刀路样式如图4（c）所示。

2 试制技术特点

根据以上制造方案，采用如图5所示的机床，成功切割出如图5所示的合格产品。该技术方案的主要技术特点包括：利用CAD/CAM技术设计与制造胶壳吸塑模型，免除大量人手作业工作量，提升胶壳吸塑模型（石膏模）精度，从而提升胶壳产品的精度；重新建立石膏模型设计模式，在原有石膏模模型基础上增加基准底座设计，保证石膏模型复位位的精度；实现以下三点改善；增加设计基准底座以保证设计与加工制造基准统一，保证该模型所生产的胶壳产品精度统一；用于后期自动激光切割系统装夹与胶壳校正对位，以保证激光重复切割胶壳的精准度；保存设计基准，用于日后客户对设计的变更随时修改石膏模型，而不需要浪费时间重新设计制造。

采用三维CAD技术作画胸杯胶壳放码线能获得以下改善：计算机三维CAD设计软件辅助完成放码线作画，只需要在5～10分钟内即可完成胸杯两边对称放码线作画；放码线长度尺寸及型位尺寸实现精确控制，达到客户所提供的尺码表要求数值，公差控制在±0.005范围内；计算机三维CAD参数化设计，放码线修改极致方便快捷；对客户提出的产品数据变更可作出快速反应；通过计算机数据可直接地，实时地与欧美地区客户实现实时通讯核对胶壳数据与放码线样式；免除以往通过地区速递送货或专人带板至客户现场确认样板的漫长周期，极大限度地缩短胶壳样板交付期。

建立自动化胸杯胶壳激光切割测试原型，替代以往人手裁剪胶壳工序，只需要短短的40秒时间即可完成一次胶壳裁剪的过程，且切割后膠壳轮廓顺滑，无需人手打磨修整；使得裁剪工序的效率提升达90%。以往胸杯胶壳开发工作需要配备5名同事且未能完全应付所需产能，通过引进自动化胸杯胶壳激光切割系统，只需要配备2名同事即可轻松完成现有的胸杯胶壳开发工作量；由此可算，自动化胸杯胶壳激光切割系统可节省60%的人力资源成本。胸杯胶壳切割精准度达±0.2mm范围以内，且轮廓周边无批锋，节省人手修整打磨工序，大大提升胶壳样板尺寸精度与外观质量。

3 结束语

通过新技术的开发及应用，改变手工开发胸杯胶壳的工序，引进自动化激光切割技术，实现高效精准自动切割胶壳，缩短胶壳样板货期，提升产品质量。该系统现时在港企业界已获得广泛的应用。