三維五軸激光切割機床：選擇龍門式還是懸臂式？

隨著激光切割機競爭的白熱化，主流廠家把競爭焦點從功率競爭，轉(zhuǎn)向自動化、床身結(jié)構(gòu)、加工幅面等方面的競爭上，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。

筆者進(jìn)行了深入地行業(yè)考察，見證了三維五軸激光切割機床在行業(yè)中的快速興起。本文針對不同的廠家和用戶提出的購買三維五軸激光切割機床時“選擇龍門式，還是懸臂式”疑問，對兩種結(jié)構(gòu)的機床的特點和應(yīng)用場景進(jìn)行了解讀，供業(yè)內(nèi)參考。

三維五軸激光切割機床的發(fā)展

三維五軸激光切割機床能夠在三維空間內(nèi)自由移動和旋轉(zhuǎn)，可輕松應(yīng)對曲面、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、機械雕銑、多臺協(xié)同作業(yè)的機加工設(shè)備等。

1990年代，通快和意大利普瑪寶開始研發(fā)三維五軸激光切割機床，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。十年前，中國每年進(jìn)口三維五軸激光切割機床僅30多臺，每臺售價數(shù)百萬乃至上千萬元，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，中國汽車業(yè)強勢崛起，汽車輕量化催生的高強鋼和鋁合金熱成形工藝，提升了對三維五軸激光切割機床巨大剛需。截至2023年10月，全國有289條熱成形產(chǎn)線，三維五軸激光切割機床保有量已超過 1000 臺。

從 2014 年起，以大族激光和華工激光為代表的本土企業(yè)開始研發(fā)三維五軸激光切割機床，逐漸實現(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)，價格對進(jìn)口機床形成了碾壓之勢。其他的廠家如宏山、金威刻等也紛紛進(jìn)入。

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

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

龍門式和懸臂式三維五軸激光切割機床的區(qū)別

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

它的優(yōu)點是：

結(jié)構(gòu)剛性好，穩(wěn)定性高：雙支撐設(shè)計能夠確保橫梁均勻受力，不易變形，保證了長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更穩(wěn)定。

它的缺點是：

同步性問題：采用兩臺線性電機驅(qū)動移動橫梁的支撐腳。在高速運動時容易出現(xiàn)同步性問題，一旦橫梁錯位斜拉，不但加工精度下降，還會損壞齒輪齒條，加速磨損，更換維護(hù)成本高且麻煩。

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

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所，上下料只能沿著 X 軸導(dǎo)軌方向進(jìn)出，自動化上下料受到一定限制。

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

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”，承重的單梁由一個電機驅(qū)動在導(dǎo)軌上運動。

懸臂式三維五軸激光切割機床的優(yōu)點：

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

2． 耐用性強：只用一個電機驅(qū)動X軸，就規(guī)避了龍門式同步性難題的先天不足。如果用電機遠(yuǎn)程驅(qū)動齒輪齒條傳動系統(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支撐臂，可以從三個方向進(jìn)料，也更便于自動化改造，與機器人或傳輸系統(tǒng)對接，適應(yīng)大批量生產(chǎn)的需求。單側(cè)支撐結(jié)構(gòu)簡化了機械設(shè)計，降低了維護(hù)成本和停機時間，提升設(shè)備的全生命周期價值。

4． 靈活性高：因為少了一個支撐臂的阻擋，在同樣機床尺寸時，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、原型車開發(fā)和中小批量多品種訂單時，以及切割中小工件時，更有優(yōu)勢。

懸臂式三維五軸激光切割機床的缺點：

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，不適合切割超過 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 軸橫向移動時，橫梁的重心隨時變化，尤其是在遠(yuǎn)離承重端、靠近懸空端高速作業(yè)時，切割頭形成的力矩最大，震動導(dǎo)致的波動最大，對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動中的力矩和振動。

如何選擇三維五軸激光切割的機床結(jié)構(gòu)？

其實撇開支撐結(jié)構(gòu)，兩種結(jié)構(gòu)的三維五軸激光切割機床的切割方式幾乎是一樣的，都是通過 X、Y、Z 軸及旋轉(zhuǎn)軸（A、B）實現(xiàn)五軸運動。

汽車行業(yè)90％的熱成形件，例如前后門防撞梁、前后保險杠、A 柱、B 柱、地板中通道、車窗及門板加強筋、車頂加強梁等寬度大多在 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)能通過航空鑄鋁等高強合金以及優(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 萬瓦以上，切割頭增重也在懸臂式的承重范圍之內(nèi)，并不會影響加工厚板。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。工作臺的承重與龍門或者懸臂無關(guān)。

通過前面的分析可知，懸臂式結(jié)構(gòu)規(guī)避了雙驅(qū)動的疊加誤差，獲得了柔性和三個方向的優(yōu)勢，代價是對床身和懸臂的性能要求極高，對其材料、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床目前主要是國產(chǎn)機床和德國通快和意大利普瑪寶之間的競爭，國內(nèi)企業(yè)力挺龍門結(jié)構(gòu)。事實上，作為全球市占率最高的兩家企業(yè)德國通快、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)口機更高，國內(nèi)廠家宣傳往往以接近進(jìn)口機為賣點。

理論上，龍門式應(yīng)該更快、更精準(zhǔn)，但是雙驅(qū)動的同步性和粉塵干擾問題，又決定了維持這種高速運行可能難以長期持續(xù)。這條技術(shù)路線可以用不同的驅(qū)動方式和控制方式來解決這個難題，在競爭中保持優(yōu)勢。

進(jìn)口品牌的三維五軸激光切割機床以懸臂式為主，基本采用高強度鑄鐵、優(yōu)化的壓鑄床身、或者大理石床身來確保穩(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床并不少見，可見優(yōu)秀的床身可以長期保持懸臂結(jié)構(gòu)機床的精度。

而外企在本土組裝的機型則為了應(yīng)對競爭，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床的優(yōu)勢。

海天光機：國內(nèi)三維五軸激光切割領(lǐng)域的黑馬

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

筆者認(rèn)為，海天光機的行業(yè)邏輯是正確的，有可能成為國內(nèi)三維五軸激光切割機床的一匹黑馬。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，而通快和普瑪寶堅持的懸臂結(jié)構(gòu)路線，在國際上接受度高，在2024年以前，在國內(nèi)沒有競爭對手。

海天光機宣傳自己是國內(nèi)首家打破懸臂式結(jié)構(gòu)壁壘的企業(yè)。華工、大族等廠家都有報道稱有懸臂結(jié)構(gòu)產(chǎn)品，然而他們大多沒有形成實際的應(yīng)用。早期，他們無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)的機床廠家，對于床身和懸臂的設(shè)計（需滿足剛度大、變形小、抗振性強等要求）、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）、動力學(xué)與振動控制、結(jié)構(gòu)力學(xué)與穩(wěn)定性分析、精密加工與誤差補償?shù)戎R還知之甚少，他們的優(yōu)勢主要在光學(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，中國企業(yè)不能從國際同行那里獲得成熟輕巧的切割頭，專業(yè)的激光頭廠家不會涉足這么小的市場，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？

之所以說海天光機能做成懸臂式三維五軸激光切割機床，是因為天時、地利、人和都已具備了。海天光機是橫跨多行業(yè)的巨無霸－海天集團(tuán)的子公司，該集團(tuán)機床板塊年營收超過 300 億，人才、設(shè)備和研發(fā)實力在國內(nèi)首屈一指。

該集團(tuán)已有 59 年的底蘊，業(yè)務(wù)涉及注塑機、壓鑄機、激光加工機、數(shù)控機床，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，在機床的基礎(chǔ)材料、機械、電氣、控制等方面都處于國內(nèi)一流水平。

海天光機擁有集團(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，可謂是不計成本，并采取輕浮動懸臂結(jié)構(gòu)，確保了機床的長期穩(wěn)定運行和高設(shè)備開動率。三維五軸激光切割機床和焊接機的切割頭、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，未來可期。它可以先和國產(chǎn)的龍門式以及外資國產(chǎn)的懸臂式三維五軸激光切割機床競爭，未來再與進(jìn)口機全面競爭。

三維五軸激光切割機床，將成為中國機床制造的新名片

中國激光切割機行業(yè)是中國機床行業(yè)里競爭最激烈的行業(yè)之一。也正是這種激烈競爭，才使得原本價值幾百萬的設(shè)備，如今以幾萬、幾十萬的價格進(jìn)入尋常企業(yè)，讓機箱機柜、金屬家具、鐵藝這樣微利的行業(yè)也能用激光加工機進(jìn)行高效精密加工，提升了中國制造業(yè)的競爭力。

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

隨著市場保有量的增加，本土三維五軸激光切割機床企業(yè)到的反饋越多，進(jìn)步也就越快。不僅僅要從存量市場爭奪份額，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！

生成海報

免責(zé)聲明：本網(wǎng)站內(nèi)容主要來自原創(chuàng)、合作伙伴供稿和第三方自媒體作者投稿，凡在本網(wǎng)站出現(xiàn)的信息，均僅供參考。本網(wǎng)站將盡力確保所提供信息的準(zhǔn)確性及可靠性，但不保證有關(guān)資料的準(zhǔn)確性及可靠性，讀者在使用前請進(jìn)一步核實，并對任何自主決定的行為負(fù)責(zé)。本網(wǎng)站對有關(guān)資料所引致的錯誤、不確或遺漏，概不負(fù)任何法律責(zé)任。任何單位或個人認(rèn)為本網(wǎng)站中的網(wǎng)頁或鏈接內(nèi)容可能涉嫌侵犯其知識產(chǎn)權(quán)或存在不實內(nèi)容時，應(yīng)及時向本網(wǎng)站提出書面權(quán)利通知或不實情況說明，并提供身份證明、權(quán)屬證明及詳細(xì)侵權(quán)或不實情況證明。本網(wǎng)站在收到上述法律文件后，將會依法盡快聯(lián)系相關(guān)文章源頭核實，溝通刪除相關(guān)內(nèi)容或斷開相關(guān)鏈接。