三維五軸激光切割機(jī)床：選擇龍門式還是懸臂式？

隨著激光切割機(jī)競(jìng)爭(zhēng)的白熱化，主流廠家把競(jìng)爭(zhēng)焦點(diǎn)從功率競(jìng)爭(zhēng)，轉(zhuǎn)向自動(dòng)化、床身結(jié)構(gòu)、加工幅面等方面的競(jìng)爭(zhēng)上，而技術(shù)門檻最高的三維五軸激光，也成為行業(yè)發(fā)力的重點(diǎn)。

筆者進(jìn)行了深入地行業(yè)考察，見(jiàn)證了三維五軸激光切割機(jī)床在行業(yè)中的快速興起。本文針對(duì)不同的廠家和用戶提出的購(gòu)買三維五軸激光切割機(jī)床時(shí)“選擇龍門式，還是懸臂式”疑問(wèn)，對(duì)兩種結(jié)構(gòu)的機(jī)床的特點(diǎn)和應(yīng)用場(chǎng)景進(jìn)行了解讀，供業(yè)內(nèi)參考。

三維五軸激光切割機(jī)床的發(fā)展

三維五軸激光切割機(jī)床能夠在三維空間內(nèi)自由移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)，可輕松應(yīng)對(duì)曲面、斜面及異形結(jié)構(gòu)的切割需求，能夠?qū)崿F(xiàn)微米級(jí)的精度，已成為汽車等高端制造領(lǐng)域的核心設(shè)備，廣泛替代了傳統(tǒng)沖孔模、修邊模、手持等離子切割、機(jī)械雕銑、多臺(tái)協(xié)同作業(yè)的機(jī)加工設(shè)備等。

1990年代，通快和意大利普瑪寶開(kāi)始研發(fā)三維五軸激光切割機(jī)床，2008 年之后日本三菱激光和田中 NTC（日系以二氧化碳激光為主） 等少數(shù)企業(yè)進(jìn)入該市場(chǎng)。十年前，中國(guó)每年進(jìn)口三維五軸激光切割機(jī)床僅30多臺(tái)，每臺(tái)售價(jià)數(shù)百萬(wàn)乃至上千萬(wàn)元，主要用于汽車的模具試制以及小規(guī)模零件的切邊、切孔。

近幾年，中國(guó)汽車業(yè)強(qiáng)勢(shì)崛起，汽車輕量化催生的高強(qiáng)鋼和鋁合金熱成形工藝，提升了對(duì)三維五軸激光切割機(jī)床巨大剛需。截至2023年10月，全國(guó)有289條熱成形產(chǎn)線，三維五軸激光切割機(jī)床保有量已超過(guò) 1000 臺(tái)。

從 2014 年起，以大族激光和華工激光為代表的本土企業(yè)開(kāi)始研發(fā)三維五軸激光切割機(jī)床，逐漸實(shí)現(xiàn)了核心技術(shù)的全面突破，絕大部分采用龍門式結(jié)構(gòu)，價(jià)格對(duì)進(jìn)口機(jī)床形成了碾壓之勢(shì)。其他的廠家如宏山、金威刻等也紛紛進(jìn)入。

迫于壓力，通快也在中國(guó)本地組裝生產(chǎn)以降低售價(jià)。2025年3月，通快在太倉(cāng)下線了第 100 臺(tái) TruLaser Cell 系列三維五軸激光切割機(jī)床，全部為懸臂結(jié)構(gòu)。

海天光機(jī)打破了國(guó)產(chǎn)三維五軸激光切割機(jī)床龍門結(jié)構(gòu)一統(tǒng)天下的局面，在2024年成功研發(fā)國(guó)產(chǎn)首臺(tái)懸臂式三維五軸激光切割機(jī)床，并投入商用。隨后，海天光機(jī)又推出全球首臺(tái)雙懸臂雙切割頭三維五軸激光切割機(jī)床，并亮相當(dāng)年工業(yè)博覽會(huì)。

龍門式和懸臂式三維五軸激光切割機(jī)床的區(qū)別

龍門式結(jié)構(gòu)整個(gè)系統(tǒng)類似一座 “門”，激光加工頭沿著門之間的橫梁移動(dòng)，兩臺(tái)電機(jī)分別驅(qū)動(dòng)龍門的兩個(gè)立柱在X軸的導(dǎo)軌上移動(dòng)。

它的優(yōu)點(diǎn)是：

結(jié)構(gòu)剛性好，穩(wěn)定性高：雙支撐設(shè)計(jì)能夠確保橫梁均勻受力，不易變形，保證了長(zhǎng)距離下激光輸出的穩(wěn)定性和精度，能夠?qū)崿F(xiàn)快速定位和動(dòng)態(tài)響應(yīng)，適合高速加工需求。

加工范圍大：承重的橫梁可以做得很寬，在處理 2 米寬以上的大尺寸工件時(shí)更穩(wěn)定。

它的缺點(diǎn)是：

同步性問(wèn)題：采用兩臺(tái)線性電機(jī)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)橫梁的支撐腳。在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)容易出現(xiàn)同步性問(wèn)題，一旦橫梁錯(cuò)位斜拉，不但加工精度下降，還會(huì)損壞齒輪齒條，加速磨損，更換維護(hù)成本高且麻煩。

目前國(guó)內(nèi)頭部廠家龍門式機(jī)床大規(guī)模投入使用的年限不長(zhǎng)，用戶端反饋問(wèn)題還不是很明顯，但是研制能力較弱的小廠機(jī)床的同步性導(dǎo)致機(jī)床磨損問(wèn)題已經(jīng)開(kāi)始暴露。

占地面積大：龍門式設(shè)備體積較大，占用空間較多，不適合空間有限的工作場(chǎng)所，上下料只能沿著 X 軸導(dǎo)軌方向進(jìn)出，自動(dòng)化上下料受到一定限制。

磁性吸附問(wèn)題：如果采用線性電機(jī)驅(qū)動(dòng)X軸支撐和Y軸橫梁，因電機(jī)磁性較強(qiáng)，容易將金屬粉末吸附到軌道上，長(zhǎng)期積累會(huì)影響設(shè)備的運(yùn)行精度和使用壽命。所以中高端三維五軸激光切割或焊接機(jī)床都要加防塵罩密封加工，并且為工作臺(tái)增配除塵器。

懸臂式結(jié)構(gòu)采用單側(cè)支撐的懸臂梁，激光加工頭懸掛于橫梁上，另一側(cè)懸空，整體構(gòu)造類似 “懸挑手臂”，承重的單梁由一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)在導(dǎo)軌上運(yùn)動(dòng)。

懸臂式三維五軸激光切割機(jī)床的優(yōu)點(diǎn)：

1． 結(jié)構(gòu)緊湊，占地面積?。簯冶凼皆O(shè)備結(jié)構(gòu)比龍門式簡(jiǎn)單，占用空間較小，適合空間有限的工廠和車間。

2． 耐用性強(qiáng)：只用一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)X軸，就規(guī)避了龍門式同步性難題的先天不足。如果用電機(jī)遠(yuǎn)程驅(qū)動(dòng)齒輪齒條傳動(dòng)系統(tǒng)，也能最大程度消除磁性吸塵的難題。

3． 進(jìn)料方便，便于操作和維護(hù)：懸臂式比龍門式少了一個(gè)支撐臂，可以從三個(gè)方向進(jìn)料，也更便于自動(dòng)化改造，與機(jī)器人或傳輸系統(tǒng)對(duì)接，適應(yīng)大批量生產(chǎn)的需求。單側(cè)支撐結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化了機(jī)械設(shè)計(jì)，降低了維護(hù)成本和停機(jī)時(shí)間，提升設(shè)備的全生命周期價(jià)值。

4． 靈活性高：因?yàn)樯倭艘粋€(gè)支撐臂的阻擋，在同樣機(jī)床尺寸時(shí)，懸臂式的切割頭在 Y 軸方向有更大的操作空間，可以更加深入和接近零件進(jìn)行切割和焊接。在模具試制、原型車開(kāi)發(fā)和中小批量多品種訂單時(shí)，以及切割中小工件時(shí)，更有優(yōu)勢(shì)。

懸臂式三維五軸激光切割機(jī)床的缺點(diǎn)：

1． 加工范圍受限：由于懸臂式設(shè)備的結(jié)構(gòu)限制，承受切割頭（通常 30 － 60 公斤）重量的懸空Y軸橫梁不可能做得太長(zhǎng)，不適合切割超過(guò) 2 米寬的大尺寸工件。

2． 高速穩(wěn)定性不足：由于單側(cè)支撐的結(jié)構(gòu)特性，重心偏向支撐側(cè)。切割頭在 Y 軸橫向移動(dòng)時(shí)，橫梁的重心隨時(shí)變化，尤其是在遠(yuǎn)離承重端、靠近懸空端高速作業(yè)時(shí)，切割頭形成的力矩最大，震動(dòng)導(dǎo)致的波動(dòng)最大，對(duì)支撐臂形成較大的壓力。床身需要具備更高的剛性和抗振性，以抵消懸臂梁在高速運(yùn)動(dòng)中的力矩和振動(dòng)。

如何選擇三維五軸激光切割的機(jī)床結(jié)構(gòu)？

其實(shí)撇開(kāi)支撐結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)的三維五軸激光切割機(jī)床的切割方式幾乎是一樣的，都是通過(guò) X、Y、Z 軸及旋轉(zhuǎn)軸（A、B）實(shí)現(xiàn)五軸運(yùn)動(dòng)。

汽車行業(yè)90％的熱成形件，例如前后門防撞梁、前后保險(xiǎn)杠、A 柱、B 柱、地板中通道、車窗及門板加強(qiáng)筋、車頂加強(qiáng)梁等寬度大多在 2 米以下，懸臂式基本能全覆蓋。汽車行業(yè)的三維五軸激光切割機(jī)床的激光器功率多在6Kw以下，以薄板為主，所以兩種結(jié)構(gòu)的應(yīng)用場(chǎng)景高度重合。

很多文章提到龍門式適合切割更厚的零件，理論上切割更厚的零件需要更大功率激光器，更大的切割頭，龍門式懸梁承重的極限肯定比懸臂大。但是，目前三維五軸激光的主要功率范圍是 3000 － 6000W。切割頭和垂直的 Z 軸，已經(jīng)能通過(guò)航空鑄鋁等高強(qiáng)合金以及優(yōu)化的冷卻方式減重，普遍降到45公斤以下，且還在不斷減重，而進(jìn)口的懸臂結(jié)構(gòu)激光機(jī)床的同等功率的切割頭往往做得更輕巧，已經(jīng)可以勝任絕大部分需求。

即使因功率增加到 1 萬(wàn)瓦以上，切割頭增重也在懸臂式的承重范圍之內(nèi)，并不會(huì)影響加工厚板。目前業(yè)內(nèi)有少量切割 20mm 厚的復(fù)雜零件的需求，兩種結(jié)構(gòu)都能勝任。工作臺(tái)的承重與龍門或者懸臂無(wú)關(guān)。

通過(guò)前面的分析可知，懸臂式結(jié)構(gòu)規(guī)避了雙驅(qū)動(dòng)的疊加誤差，獲得了柔性和三個(gè)方向的優(yōu)勢(shì)，代價(jià)是對(duì)床身和懸臂的性能要求極高，對(duì)其材料、結(jié)構(gòu)和熱處理等因素提出了更高要求。

三維五軸激光切割機(jī)床目前主要是國(guó)產(chǎn)機(jī)床和德國(guó)通快和意大利普瑪寶之間的競(jìng)爭(zhēng)，國(guó)內(nèi)企業(yè)力挺龍門結(jié)構(gòu)。事實(shí)上，作為全球市占率最高的兩家企業(yè)德國(guó)通快、意大利普瑪寶基本采用懸臂式結(jié)構(gòu)。

就效率而言，目前整體還是懸臂式結(jié)構(gòu)的進(jìn)口機(jī)更高，國(guó)內(nèi)廠家宣傳往往以接近進(jìn)口機(jī)為賣點(diǎn)。

理論上，龍門式應(yīng)該更快、更精準(zhǔn)，但是雙驅(qū)動(dòng)的同步性和粉塵干擾問(wèn)題，又決定了維持這種高速運(yùn)行可能難以長(zhǎng)期持續(xù)。這條技術(shù)路線可以用不同的驅(qū)動(dòng)方式和控制方式來(lái)解決這個(gè)難題，在競(jìng)爭(zhēng)中保持優(yōu)勢(shì)。

進(jìn)口品牌的三維五軸激光切割機(jī)床以懸臂式為主，基本采用高強(qiáng)度鑄鐵、優(yōu)化的壓鑄床身、或者大理石床身來(lái)確保穩(wěn)定性，床身在20噸左右，進(jìn)口近二十年還能保持精度加工的機(jī)床并不少見(jiàn)，可見(jiàn)優(yōu)秀的床身可以長(zhǎng)期保持懸臂結(jié)構(gòu)機(jī)床的精度。

而外企在本土組裝的機(jī)型則為了應(yīng)對(duì)競(jìng)爭(zhēng)，采用了便宜和輕得多的焊接式床身，這可能在某種程度上削弱了其懸臂式機(jī)床的優(yōu)勢(shì)。

海天光機(jī)：國(guó)內(nèi)三維五軸激光切割領(lǐng)域的黑馬

在幾乎所有的國(guó)產(chǎn)激光切割機(jī)廠家押寶龍門式結(jié)構(gòu)的時(shí)候，出現(xiàn)了一個(gè)異類，那就是海天光機(jī)。2023年，海天光機(jī)高調(diào)進(jìn)入懸臂結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，打破國(guó)外對(duì)懸臂式的壟斷，還借鑒激光落料線的成功經(jīng)驗(yàn)，推出了雙懸臂雙頭結(jié)構(gòu)的三維五軸激光切割機(jī)床，并已在多家用戶投入使用。

筆者認(rèn)為，海天光機(jī)的行業(yè)邏輯是正確的，有可能成為國(guó)內(nèi)三維五軸激光切割機(jī)床的一匹黑馬。龍門式結(jié)構(gòu)方面，華工激光和大族激光已經(jīng)占據(jù)大半江山，而通快和普瑪寶堅(jiān)持的懸臂結(jié)構(gòu)路線，在國(guó)際上接受度高，在2024年以前，在國(guó)內(nèi)沒(méi)有競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手。

海天光機(jī)宣傳自己是國(guó)內(nèi)首家打破懸臂式結(jié)構(gòu)壁壘的企業(yè)。華工、大族等廠家都有報(bào)道稱有懸臂結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，然而他們大多沒(méi)有形成實(shí)際的應(yīng)用。早期，他們無(wú)一例外都是從模仿懸臂式結(jié)構(gòu)入手，但最終放棄了該路線。為什么呢？

正如筆者前面提到的，懸臂式結(jié)構(gòu)對(duì)床身和懸臂有超高的要求，上述先行者并不是嚴(yán)格意義上傳統(tǒng)的機(jī)床廠家，對(duì)于床身和懸臂的設(shè)計(jì)（需滿足剛度大、變形小、抗振性強(qiáng)等要求）、材料（灰鑄鐵、球墨鑄鐵、鋼板和合金鋼等床身材料）特性、熱處理與制造工藝（鑄造、鍛造、焊接和熱處理）、動(dòng)力學(xué)與振動(dòng)控制、結(jié)構(gòu)力學(xué)與穩(wěn)定性分析、精密加工與誤差補(bǔ)償?shù)戎R(shí)還知之甚少，他們的優(yōu)勢(shì)主要在光學(xué)和控制方面。即使現(xiàn)在他們已經(jīng)吃透了這些，但是在龍門式結(jié)構(gòu)已經(jīng)積累了大量的研發(fā)成本，他們只能在這條路上去精益求精。

十幾年前，中國(guó)企業(yè)不能從國(guó)際同行那里獲得成熟輕巧的切割頭，專業(yè)的激光頭廠家不會(huì)涉足這么小的市場(chǎng)，早期自行研發(fā)的切割頭在重達(dá)接近百公斤，考慮到前面提到的懸臂式的短板，他們又怎么可能在懸臂式結(jié)構(gòu)獲得成功？

之所以說(shuō)海天光機(jī)能做成懸臂式三維五軸激光切割機(jī)床，是因?yàn)樘鞎r(shí)、地利、人和都已具備了。海天光機(jī)是橫跨多行業(yè)的巨無(wú)霸－海天集團(tuán)的子公司，該集團(tuán)機(jī)床板塊年?duì)I收超過(guò) 300 億，人才、設(shè)備和研發(fā)實(shí)力在國(guó)內(nèi)首屈一指。

該集團(tuán)已有 59 年的底蘊(yùn)，業(yè)務(wù)涉及注塑機(jī)、壓鑄機(jī)、激光加工機(jī)、數(shù)控機(jī)床，如龍門加工中心、臥式加工中心、立式加工中心、數(shù)控車床等，在機(jī)床的基礎(chǔ)材料、機(jī)械、電氣、控制等方面都處于國(guó)內(nèi)一流水平。

海天光機(jī)擁有集團(tuán)內(nèi)一流的鑄造和熱處理工藝，制造的一體化重力鑄造床身，床身重達(dá)15－16噸，可謂是不計(jì)成本，并采取輕浮動(dòng)懸臂結(jié)構(gòu)，確保了機(jī)床的長(zhǎng)期穩(wěn)定運(yùn)行和高設(shè)備開(kāi)動(dòng)率。三維五軸激光切割機(jī)床和焊接機(jī)的切割頭、焊接頭和數(shù)控系統(tǒng)在業(yè)內(nèi)和集團(tuán)內(nèi)已經(jīng)非常成熟，和龍門式可以共用產(chǎn)業(yè)鏈成熟的成果。

海天光機(jī)出手便是顛覆性的雙懸臂雙頭結(jié)構(gòu)，這也是源于其厚積薄發(fā)的自信，未來(lái)可期。它可以先和國(guó)產(chǎn)的龍門式以及外資國(guó)產(chǎn)的懸臂式三維五軸激光切割機(jī)床競(jìng)爭(zhēng)，未來(lái)再與進(jìn)口機(jī)全面競(jìng)爭(zhēng)。

三維五軸激光切割機(jī)床，將成為中國(guó)機(jī)床制造的新名片

中國(guó)激光切割機(jī)行業(yè)是中國(guó)機(jī)床行業(yè)里競(jìng)爭(zhēng)最激烈的行業(yè)之一。也正是這種激烈競(jìng)爭(zhēng)，才使得原本價(jià)值幾百萬(wàn)的設(shè)備，如今以幾萬(wàn)、幾十萬(wàn)的價(jià)格進(jìn)入尋常企業(yè)，讓機(jī)箱機(jī)柜、金屬家具、鐵藝這樣微利的行業(yè)也能用激光加工機(jī)進(jìn)行高效精密加工，提升了中國(guó)制造業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)力。

現(xiàn)在，不管是龍門式的 “穩(wěn)重”，還是懸臂式的 “靈動(dòng)”，以華工激光、大族激光和海天光機(jī)為代表的中國(guó)本土激光切割機(jī)已經(jīng)占據(jù)了很好的市場(chǎng)位置，甚至外資本土化的機(jī)床也越來(lái)越多地使用了中國(guó)制造的核心部件。不管誰(shuí)在競(jìng)爭(zhēng)中勝利，最后都是中國(guó)制造的勝利。

隨著市場(chǎng)保有量的增加，本土三維五軸激光切割機(jī)床企業(yè)到的反饋越多，進(jìn)步也就越快。不僅僅要從存量市場(chǎng)爭(zhēng)奪份額，更是要從別的行業(yè)中獲得增量，讓原本不敢想象使用此類設(shè)備的企業(yè)也能用這種高精尖的加工手段創(chuàng)造更多的奇跡！

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