《大型三维五轴光纤激光切割系统技术规范》

ICS25.080.99,31.260

J59

团体标准

T/GMIQMA004-XXXX

大型三维五轴光纤激光切割系统技术规范

Technicalspecificationsforlarge-scalefiberlasercuttingsystemin

three-dimensionalbyfive-axis

（征求意见稿）

202X—XX—XX发布202X—XX—XX实施

广东省机械工业质量管理协会发布

T/GMIQMA004-XXXX

大型三维五轴光纤激光切割系统技术规范

1范围

本文件规定了大型三维五轴光纤激光切割系统的术语和定义、系统型式、技术要求、安全要求以及

包装、运输和贮存，描述了对应的检验方法和检验规则。

本文件适用于输出激光功率1kW~10kW，连续波的三维五轴光纤激光切割系统，不适用于脉冲激

光切割系统、非光纤激光切割系统、五轴以下光纤激光切割系统以及特殊环境下的光纤激光切割系统。

本文件适用于金属曲面板状工件的激光切割，不适用于非金属工件、非板状工件、非曲面板状工件

的切割。

2规范性引用文件

下列文件中的内容通过文中的规范性引用而构成本文件必不可少的条款。其中，注日期的引用文件，

仅该日期对应的版本适用于本文件；不注日期的引用文件，其最新版本（包括所有的修改单）适用于本

文件。

GB/T191-2018包装储运图示标志

GB/T1958-2017产品几何技术规范(GPS)几何公差检验与验证

GB/T3177-1997光滑工件尺寸的检验

GB5226.1-2019机械电气安全机械电气设备第1部分：通用技术条件

GB/T6576-2002机床润滑系统

GB7247.1-2012激光产品的安全第1部分：设备分类、要求

GB/T7704-2008无损检测X射线应力测定方法

GB/T7932-2017气动对系统及其元件的一般规则和安全要求

GB/T10320-2011激光设备和设施的电气安全

GB/T15972.1-1998光纤总规范

GB17120-2012锻压机械安全技术条件

GB18490-2001激光加工机械安全要求

GB/T25373-2010金属切割机床装配通用技术条件

GB/T34380-2017数控激光切割机

GB/T39635-2020金属材料—仪器化压入法测定压痕拉伸性能和残余应力

JB/T8356-2016机床包装技术条件

JB/T8832-2001机床数控系统通用技术条件

JB/T12632-2016光纤激光器

3术语和定义

3.1

曲面板状工件curvedplatework-piece

4

T/GMIQMA004-XXXX

曲面的厚度一致并远小于长度和宽度，且曲面曲率连续变化的一类工件。

3.2

三维五轴加工five-axesthree-dimensionalmachining

采用五轴联动方式对三维工件进行加工的一种方法。

3.3

光纤激光器fiberlaser

以掺有激活粒子的光纤作为激光介质的激光器。

[来源：GB/T15313-2008，定义2.4.35]

3.4

激光切割lasercutting

利用经聚焦的高功率、高密度的激光束照射工件，使工件被照射处的材料迅速熔化、气化，同时借

助与光束同轴的高速气流去除熔融物质，从而实现割开工件的一种热切割工艺。

3.5

光纤激光切割fiberlasercutting

通过光纤激光器产生的激光束进行激光切割的一种热切割工艺。

3.6

激光切割头lasercuttinghead

一种将激光束聚焦并传输到工件表面进行切割的高精度激光切割工具。

3.7

焦点深度depthoffocus

激光束焦点附近高能量密度区域的深度。

3.8

光束参数乘积beam-parameterproduct

一种激光束质量评价指标，定义为激光束的束腰半径与其远场发散半角的乘积。

3.9

激光辐射laserradiation

由激光产品的受控受激发射而产生的波长180nm～1mm的所有电磁辐射。

3.10

平均无故障时间meantimebetweenfailure

5

T/GMIQMA004-XXXX

可修复产品相邻两次故障间工作时间的平均值。

[来源：DB44/T1612-2005，定义3.22]

3.11

防护装置guarddevice

通过物理阻碍或隔绝的方式专门用于人身保护的装置，如防护罩、挡板和围栏等。

4缩略语

下列缩略语适用于本文件。

BPP：光束参数乘积（Beam-ParameterProduct）；

CNC：计算机数字控制（ComputerNumericalControl）；

EtherCAT：以太网控制自动化技术（EtherControlAutomationTechnology）；

HMI：人机界面（HumanMachineInterface）；

Modbus：Modbus总线协议（ModiconBusProtocol）；

MTBF：平均无故障时间（MeanTimeBetweenFailures）；

RTCP：旋转工具中心点（RotatedToolCenterPoint）。

5系统型式

5.1组成及功能

如图1所示，三维五轴光纤激光切割系统包括：

a)执行子系统：直接完成曲面板状工件激光切割的系统，包括：光纤激光器、光纤、激光切割头、

切割工作台等；

b)辅助子系统：为执行子系统提供供气、冷却、润滑、安全等辅助功能的系统，包括：供气系统、

冷却系统、润滑系统、安全系统等；

c)数控子系统：控制执行子系统和辅助子系统智能、高效、协调运行的系统，包括：控制系统、

操作系统、应用软件等。

三维五轴曲面光纤激光切割系统的结构型式包括：

a)龙门式：龙门式结构的切割区域完全封闭，具有刚度好、精度高等特点，适用于较大幅面板材

的切割；

b)悬臂式：悬臂式结构为开放式，具有便于上下料、移动速度快等特点，适用于标准幅面板材的

切割；

c)其他型式：如中间倒挂横梁式等。

图1三维五轴光纤激光切割系统的组成

6

T/GMIQMA004-XXXX

三维五轴光纤激光切割系统的总体功能包括：

——工件固定：配备通用的定位部件和夹具，可正确、牢靠地将工件固定在切割工作台上；

——模式设定：提供自动和手动两种操作模式；

——单轴运动：在手动模式下，允许用户操作任意一轴单独运动；

——五轴联动：在自动模式下，通过控制切割工作台和激光切割头的驱动电机实现五轴联动；

——参数设置：可对各组成部件、子系统、整机的各类参数进行设定；

——图文识别：对工件上的各种有色图案和文字进行自动识别；

——轮廓识别：对工件的轮廓进行识别，根据实际需要自动提取轮廓数据；

——智能套料：根据切割图形的数量、形状、尺寸的不同，采用智能算法进行最优套料；

——程序编辑：支持通过G代码与M代码、高级语言等进行切割加工程序的编写、执行和存储；

——工件切割：根据设定的切割工艺参数自动完成工件的激光切割；

——故障和异常告警：对各种常见故障和异常状况进行自动告警，给出告警代码；

——其他辅助功能：如供气、冷却、润滑、安全防护等。

5.2型号命名

系统型号由公司代号、类型代号、产品型式代号、产品系列代号和产品派生代号五个部分组成，各

部分中间以“-”隔开。其中，公司代号、类型代号和产品型式代号由2位大写英文字母构成，产品系

列代号和产品派生代号由4位阿拉伯数字构成。系统型号命名规则见图2。

图2系统的型号命名规则

5.3使用条件

a)供电电源采用三相五线制，频率50Hz；

b)电源三相不平衡度<2.5%，线电压波动<10%；

c)环境通风条件好、无粉尘、无腐蚀、无污染；

d)环境温度5℃～45℃；

e)空气相对湿度5%～75%；

f)粉尘度<2mg/m3；

g)安装地基的振幅小于50μm，振动加速度小于0.05g。

6技术要求

6.1系统要求

6.1.1系统各零部件的加工应符合相应标准、图样和工艺文件的规定。

7

T/GMIQMA004-XXXX

6.1.2系统自由度总数应为5个，即激光切割头自由度与切割工作台自由度总和等于5，其中，5个自

由度包含3个平移自由度和2个旋转自由度。

6.1.3系统的机械装配质量应符合GB/T25373-2010的规定，装配后系统的运动部件应运动灵活、平稳、

无阻滞现象。

6.1.4系统的电气装配质量应符合GB/T5526.1-2019的规定。

6.1.5系统的外观应平整、均匀、美观，不应有凸起、凹陷、翘曲、磕碰、划伤、错位、锈蚀、褪色、

粗糙不平、缝隙过大等缺陷。

6.1.6铭牌和警示标志应固定在系统的明显位置，并保持清晰、耐久。

6.1.7系统的主要功能、主要性能和主要技术参数均应符合设计要求，系统的主要技术参数见附录A。

6.2子系统要求

6.2.1执行系统

执行系统直接完成对工件的激光切割。执行系统中的光纤激光器、光纤、激光切割头和切割工作台

的主要技术参数见附录A。

——光纤激光器以掺有激活粒子的光纤作为激光介质，可选用类型包括：晶体光纤激光器、非线

性光学型光纤激光器、稀土类掺杂光纤激光器；

——光纤用于向激光切割头传输光纤激光器产生的激光束，光纤的功率范围应与系统功率范围相

匹配；

——激光切割头结构上主要由喷嘴、聚焦透镜、准直镜、保护镜片、聚焦透镜座等零部件组成，

应具有焦点位置调节、光束整形、光束模式设定等功能；

——切割工作台用于支撑和定位被切割工件，可按照控制程序精准地进行位置移动或姿态变换；

——为了牢靠地固定曲面板状工件，应设计专门的定位部件和夹具用于工件的定位和夹紧。

如图3所示，为了保证工件坡口的切割质量，激光束应始终与工件的被切割曲面垂直，且喷嘴和零

件表面的距离应始终保持一致。

图3激光切割头垂直于工件曲面示意图

6.2.2辅助系统

辅助系统是为执行子系统提供供气、冷却、润滑、安全等辅助功能的系统，辅助系统的主要技术参

数见附录A。

8

T/GMIQMA004-XXXX

——供气系统提供的辅助气体包括两个部分：一部分为提供给激光切割头的切割辅助气体，一般

是氧气、氮气；另一部分主要是用于激光切割头的镜片保护吹气和各部分气缸，全部都是清洁

干燥的压缩空气。供气系统应能持续、稳定地提供具有一定压力和流量的辅助气体。

——冷却系统应能保证光纤激光器、切割头、镜片等光学元件正常工作的温度，防止因高温而造

成损坏或误差。冷却系统一般采用水冷方式进行冷却。

——润滑系统应能采用自动或手动润滑方式减小机械运动部件的摩擦阻力和动力损失。

——安全系统应能保护操作者和设备的安全，一般应在工作区外围安装固定防护罩，防护罩开门

处设有门安全联锁功能，防护罩前面安装激光安全观察窗。

6.2.3数控系统

数控系统对执行系统和辅助系统进行机、电、光、水、气综合控制。数控系统应符合人机工程学原

理，便于参数设置、系统操作和状态监控，尽可能简化操作流程和使用步骤。数控系统的主要技术参数

见附录A。

激光切割数控系统的硬件组成主要包括：

a)工业PC；

b)总线；

c)稳压电源；

d)伺服驱动器；

e)操作台：至少应包括电源开关、上电按钮、急停按钮、指示灯、模式切换旋钮、速率调节旋钮、

蜂鸣器、键盘、鼠标、显示屏、手持盒等；

f)通讯接口；

g)I/O接口；

h)控制柜。

激光切割数控系统的软件组成包括：

a)操作系统：操作系统负责管理计算机资源的分配和调度，用以支持激光切割应用软件的运行，

可为Windows，Linux等常见操作系统；

b)激光切割应用软件：负责系统的参数设置、程序编辑、运动控制、状态监控等应用功能。

数控系统应具有以下功能：

——配备人机操作界面（HMI）；

——支持CNC程序及其G代码、M代码的编辑、执行、保存、上传、下载等功能；

——支持高级语言程序的编辑、执行、保存、上传、下载等功能；

——支持自动和手动两种操作模式；

——具有单轴运动和五轴联动功能；

——具有各类参数的设置、保存、读取、监测功能；

——具有工件轮廓和图文识别功能；

——具有自动套料功能；

——支持总线通讯，如EtherCAT、Modbus等；

——其他功能。

数控系统的激光切割应用软件至少应包括以下功能：光纤激光器参数设置、激光切割头参数设置、

切割工作台参数设置、辅助系统参数设置、工件参数设置、切割工艺参数设置、CNC程序编辑、运动控

制、系统状态显示等，其中：

——光纤激光器参数设置包括：激光器类型、输出功率等；

——激光切割头参数设置包括：行程设置，转动速度设置，平移速度设置，位置坐标设置、姿态

9

T/GMIQMA004-XXXX

角设置、激光束半径补偿设置等；

——切割工作台参数设置包括：行程设置，转动速度设置，平移速度设置等；

——辅助系统参数设置包括：气体压力设置、冷却温度设置、润滑周期设置、防护装置设置等；

——工件参数设置：工件位置设置，工件尺寸设置，工件材料设置等；

——切割工艺参数设置包括：运行模式设置，切割功率设置，最大切割速度设置，最小切割速度

设置，切割轨迹设置等；

——CNC程序编辑包括：CNC程序编辑，CNC程序保存，CNC程序上传，CNC程序下载等；

——运动控制包括：CNC程序执行，激光切割头点动控制，切割工作台点动控制，单轴点动控制，

激光束点射控制等；

——系统状态显示包括：电源状态显示，启动状态显示，光纤激光器状态显示，激光切割头状态

显示，切割工作台状态显示，数控系统状态显示，辅助系统状态显示，运行状态显示，加工进

度显示，RTCP坐标显示，切割轨迹显示，总功率显示，总运行时间显示，告警信息显示等。

6.3工件要求

6.3.1材料及规格

系统可加工的工件为金属材质（如碳钢、合金钢、有色金属等）的曲面板状工件，工件公称幅面尺

寸应大于1.5m×1.5m，工件最大厚度应小于系统的最大切割厚度。

6.3.2加工质量要求

评估工件激光切割加工质量的主要技术参数见表1。

表1加工质量技术要求

序号技术参数参考值

1外观无变形、磕碰、划伤

2表面粗糙度（Ra）<12.5μm

3尺寸公差<0.1mm

4形位公差<0.1mm

5平均残余应力<10MPa

7安全要求

7.1总体原则

三维五轴曲面激光切割系统应由经过专门培训的操作人员进行操作，使用过程中不得发生任何安全

事故，总体安全性趋近100%。

7.2机械安全性

应符合下列要求：

——激光切割头应配备防撞装置，保护切割头和工件不受损坏。

10

T/GMIQMA004-XXXX

——操纵面板应设置在操作者附近，便于进行开机、关机、急停等操作。

——当操作、编程、信息输入错误时，不应产生误动作和机件损坏。

——有关安全性的相关参数应设置更改权限，普通用户不可修改。

——易对操纵者产生碰控、挤压的部位，应在显眼处粘贴安全警示标志。

——横梁、活动工作台等运动部分应设置防护或阻挡装置。

——对运动时可能引起的机械部件相撞击等危险，应采取互锁或自锁保护。

7.3供气安全性

应符合下列要求：

——气路压力不得超过设计最大压力。

——不能因为气体泄漏或元件失效而导致部件的危险运动。

7.4电气安全性

应符合下列要求：

——应采取措施防止静电放电引起的燃烧或爆炸。

——系统应可靠接地，接地电阻<4Ω。

——不要在设备通电状态下触摸设备的电气元件。

——不要用湿手接触任何开关，以免触电。

7.5环境安全性

应符合下列要求：

——对由激光辐射产生的危险有相应的防护装置，如对激光光路系统进行隔离防护等。

——系统操作人员必须佩戴激光防护眼镜并穿着防护衣，避免将身体任何部位置于激光通路中。

——对切割中产生的热的传导和辐射有相应的安全措施。

——为防止切割火花飞溅引起的火灾和爆炸，系统工作区及其附近严禁堆放易燃、易爆物品。

——对有毒气体、烟尘及粉尘的排放和处理有相应的安全措施。

8检验方法

在GB/T34380-2017中5.1规定的条件下进行部件、子系统、总体性能、工件规格、切割质量的检

验。

8.1部件、子系统检验方法

部件、子系统的检验方法见表2。

表2部件、子系统检验方法

序号检验对象检验方法

执按照JB/T12632-2016中7的规定检验

1光纤激光器

行

系

按照GB/T15972.1-1998中8的规定检验

光纤

2统

11

T/GMIQMA004-XXXX

表2部件、子系统检验方法（续）

序号检验对象检验方法

激光切割按照JB/T8832-2001中5的规定检验

3执

行头

系切割工作按照JB/T8832-2001中5的规定检验

4

统台

5供气系统按照GB/T7932-2003中14的规定检验

6冷却系统通过红外线测温传感器进行温度测量

7润滑系统按照GB/T6576-2002中11的规定检验

辅机械安全性按照GB17120-2012中5.1~5.5和

助GB18490-2001中5的规定检验，供气安全性按

系照GB/T7932-2017中6的规定检验，电气安全

统性按照GB/T10320-2011中4和GB5226.1-2019

8安全系统中4～15章的规定检验，激光辐射按照GB

7247.1-2012中9.1的规定检验，热的传导和辐

射按照GB17120-2012中5.14.2.2的规定检验，

有毒气体、烟尘及粉尘按照GB17120-2012中

5.15.1的规定检验

9数控系统按照JB/T8832-2001中5的规定检验

8.2总体性能检验方法

系统总体性能的检验和试验方法按照GB/T34380-2017的规定执行，也可根据客户实际需要另行增

加检测和试验项目。

8.3毛坯工件检验方法

毛坯工件的检验方法见表3。

表3毛坯工件检验方法

序号检验项目检验方法

1材质对照材料牌号标识确认

2长度和宽度卷尺测量

3厚度游标卡尺测量

8.4切割质量检验方法

激光切割质量的检验方法见表4。

12

T/GMIQMA004-XXXX

表4激光切割质量检验方法

序号检验项目检验方法

1外观工件目测检验

2表面粗糙度用表面粗糙度仪测量或用表面粗糙度样块比较

3尺寸公差按照GB/T3177-1997中4的规定检验

4形位公差按照GB/T1958-2017中7的规定检验

按照GB/T7704-2008中6～7或GB/T39635-2020中8～9

5平均残余应力

的规定检验

9检验规则

三维五轴曲面光纤激光切割系统的检验分为出厂检验、型式检验，检验项目见附录B。

9.1出厂检验

系统性能应按照本文件8.1、8.2、8.4的规定进行出厂检验。

9.2型式检验

9.2.1符合下列条件之一者，应进行型式检验：

a)新系统的试制、定型；

b)正式投产后，材料、结构、工艺发生较大改变；

c)长时间停产的产品恢复生产时；

d)出厂检验结果与型式检验结果存在较大差异时；

e)国家质量监督机构提出进行型式检验要求时。

9.2.2型式检验的内容为本文件规定的全部项目。

9.2.3型式检验的样品应在出厂检验合格的产品中随机抽取一台。

9.3合格判定

9.3.1判定规则

当出厂检验和型式检验的项目全部符合要求时，才能判定为合格。检验合格应出具合格证。

9.3.2不合格处理

对于不合格项，应制定相应整修措施，如替换零部件、退回返修、重新装配、调整参数等，直至检

测项目全部合格为止。对于整修多次后仍无法达到合格要求的零部件，应作报废处理。

13

T/GMIQMA004-XXXX

图4检验及合格判定流程图

10包装、运输、贮存

10.1包装

10.1.1包装要求

系统的包装应符合JB/T8356-2016的规定。

10.1.2文件及附件

系统出厂应附带下列文件及附件：

a)铭牌：列出生产单位、型号、输入电压、输入电流、总功率、出厂编号、出厂日期等；

b)合格证：列出型号、名称、规格、生产单位、执行标准、检验员、检验日期、合格标志等；

c)使用说明书：包括主要参数、基本功能、外观图、原理图、使用方法、维护保养、安全须知、

常见故障排除、售后服务等；

d)装箱单：列出括品名、型号、规格、件数等；

e)备件及易损件：如切割头、镜片、气体管路、光纤等；

f)安装用具：如螺栓、螺母、垫片、扳手、水平尺等。

10.1.3包装标志

包装标志应符合GB/T191-2018的规定，并包含以下标志内容：

a)系统名称、型号、执行标准；

b)重量、外形尺寸、总功率等重要技术参数；

c)生产批号、装箱日期；

d)制造厂名称、地址、网址、注册商标、联系电话；

e)警示标识，如：“怕湿”、“怕压”、“向上”、“轻放”等。

10.2运输

10.2.1搬运和起吊

——系统应设有便于搬运和起吊的结构，非承力结构不允许作为搬运和起吊的受力点。

14

T/GMIQMA004-XXXX

——选择性能良好的起重设备和吊具，叉车、钢丝绳等应能承受设备重量。

——起吊和运输时，应保证系统以正确的方向放置，不允许将系统侧置或倒放。

10.2.2运输包装

系统长途运输应采用木箱包装，不可在包装箱上攀爬、站立或放置重物。

10.2.3运输工具

系统应牢靠地固定在公路、铁路、水路、民航等运输工具上，防止运输过程中出现移位和晃动。

10.2.4运输注意事项

运输过程中，应有完善的防潮、防压、防震、防刮碰措施，不允许与危险物品一起转运。

10.3贮存

10.3.1贮存条件

环境温度-5℃~40℃，相对湿度5%~75%，通风良好，无有害气体，无鼠害，无强烈机械振动，

无强烈电磁干扰。

10.3.2贮存场所

系统应贮存在库房的水平地面上，禁止长时间露天存放。

10.3.3贮存前准备

贮存前应先将系统复位和回零，然后排空机内冷却水和烟气，最后关掉子系统电源和总电源，并使

用保护膜、聚乙烯泡沫、篷布、包装箱等进行脆弱部件保护和系统整体遮蔽。

10.3.4贮存注意事项

系统应由专人进行日常保养和维护，系统机械部分应定期润滑并防止绣蚀，电气部分应防止受潮和

挤压，光学部分应防止沾染灰尘、污垢或水汽。

10.3.5贮存期限

系统贮存期不应超过六个月，超过六个月后需重新检验，检验合格后方可出厂。

15

T/GMIQMA004-XXXX

附录A

（规范性）

文件中的技术指标

表A规定了大型三维五轴光纤激光切割系统中的技术指标及值。

表A系统主要技术指标及值

序号类别技术参数值

1加工幅面尺寸>1.5m×1.5m

2切割速度>10m/min

3最大切割厚度35mm

4重复定位精度<±0.05mm

5系统整体性能加速度0.3g～1.2g

6工作噪音<75dB

7绝缘电阻>1MΩ

8MTBF>10000h

9防护等级>IP54

10平均功率范围1kW～10kW

11光纤激光器激光束波长范围1.07μm～1.09μm

12激光束BPP≤3.2mm•mrad

13传输功率1kW～10kW

执行

14光纤纤芯直径50μm～100μm

系统

15工作温度-40℃～85℃

性能

16平移精度<0.05mm

17转动精度<0.015°

激光切割头

18最大平移速度>80m/min

19最大转动速度>80r/min

16

T/GMIQMA004-XXXX

表A系统主要技术指标及值（续）

序号类别技术参数值

20喷嘴口径≥1mm

21变焦范围≥±5mm

激光切割头

22光斑直径0.1mm～0.4mm

23焦点深度5mm~8mm

执行

24系统载重>1t

性能

25平移精度<0.05mm

26切割工作台转动精度<0.015°

27最大平移速度>80m/min

28最大转动速度>80r/min

29镜片温度15℃～70℃

30辅助系统性能冷却水温度10℃～35℃

31压缩空气压力0.5MPa～0.8MPa

32最短控制周期500μs

33最大支持通道数≥8个

数控系统性能

34单个通道控制轴数≥5个

35I/O接口数≥16个

17

T/GMIQMA004-XXXX

附录B

（规范性）

出厂检验和型式检验项目

大型三维五轴光纤激光切割系统检验项目见表B。

表B检验项目

序号检验项目出厂检验型式检验

1