三维五轴激光切割机床：选择龙门式还是悬臂式？

随着激光切割机竞争的白热化，主流厂家把竞争焦点从功率竞争，转向自动化、床身结构、加工幅面等方面的竞争上，而技术门槛最高的三维五轴激光，也成为行业发力的重点。

笔者进行了深入地行业考察，见证了三维五轴激光切割机床在行业中的快速兴起。本文针对不同的厂家和用户提出的购买三维五轴激光切割机床时“选择龙门式，还是悬臂式”疑问，对两种结构的机床的特点和应用场景进行了解读，供业内参考。

三维五轴激光切割机床的发展

三维五轴激光切割机床能够在三维空间内自由移动和旋转，可轻松应对曲面、斜面及异形结构的切割需求，能够实现微米级的精度，已成为汽车等高端制造领域的核心设备，广泛替代了传统冲孔模、修边模、手持等离子切割、机械雕铣、多台协同作业的机加工设备等。

1990年代，通快和意大利普玛宝开始研发三维五轴激光切割机床，2008 年之后日本三菱激光和田中 NTC（日系以二氧化碳激光为主） 等少数企业进入该市场。十年前，中国每年进口三维五轴激光切割机床仅30多台，每台售价数百万乃至上千万元，主要用于汽车的模具试制以及小规模零件的切边、切孔。

近几年，中国汽车业强势崛起，汽车轻量化催生的高强钢和铝合金热成形工艺，提升了对三维五轴激光切割机床巨大刚需。截至2023年10月，全国有289条热成形产线，三维五轴激光切割机床保有量已超过 1000 台。

从 2014 年起，以大族激光和华工激光为代表的本土企业开始研发三维五轴激光切割机床，逐渐实现了核心技术的全面突破，绝大部分采用龙门式结构，价格对进口机床形成了碾压之势。其他的厂家如宏山、金威刻等也纷纷进入。

迫于压力，通快也在中国本地组装生产以降低售价。2025年3月，通快在太仓下线了第 100 台 TruLaser Cell 系列三维五轴激光切割机床，全部为悬臂结构。

海天光机打破了国产三维五轴激光切割机床龙门结构一统天下的局面，在2024年成功研发国产首台悬臂式三维五轴激光切割机床，并投入商用。随后，海天光机又推出全球首台双悬臂双切割头三维五轴激光切割机床，并亮相当年工业博览会。

龙门式和悬臂式三维五轴激光切割机床的区别

龙门式结构整个系统类似一座 “门”，激光加工头沿着门之间的横梁移动，两台电机分别驱动龙门的两个立柱在X轴的导轨上移动。

它的优点是：

结构刚性好，稳定性高：双支撑设计能够确保横梁均匀受力，不易变形，保证了长距离下激光输出的稳定性和精度，能够实现快速定位和动态响应，适合高速加工需求。

加工范围大：承重的横梁可以做得很宽，在处理 2 米宽以上的大尺寸工件时更稳定。

它的缺点是：

同步性问题：采用两台线性电机驱动移动横梁的支撑脚。在高速运动时容易出现同步性问题，一旦横梁错位斜拉，不但加工精度下降，还会损坏齿轮齿条，加速磨损，更换维护成本高且麻烦。

目前国内头部厂家龙门式机床大规模投入使用的年限不长，用户端反馈问题还不是很明显，但是研制能力较弱的小厂机床的同步性导致机床磨损问题已经开始暴露。

占地面积大：龙门式设备体积较大，占用空间较多，不适合空间有限的工作场所，上下料只能沿着 X 轴导轨方向进出，自动化上下料受到一定限制。

磁性吸附问题：如果采用线性电机驱动X轴支撑和Y轴横梁，因电机磁性较强，容易将金属粉末吸附到轨道上，长期积累会影响设备的运行精度和使用寿命。所以中高端三维五轴激光切割或焊接机床都要加防尘罩密封加工，并且为工作台增配除尘器。

悬臂式结构采用单侧支撑的悬臂梁，激光加工头悬挂于横梁上，另一侧悬空，整体构造类似 “悬挑手臂”，承重的单梁由一个电机驱动在导轨上运动。

悬臂式三维五轴激光切割机床的优点：

1． 结构紧凑，占地面积小：悬臂式设备结构比龙门式简单，占用空间较小，适合空间有限的工厂和车间。

2． 耐用性强：只用一个电机驱动X轴，就规避了龙门式同步性难题的先天不足。如果用电机远程驱动齿轮齿条传动系统，也能最大程度消除磁性吸尘的难题。

3． 进料方便，便于操作和维护：悬臂式比龙门式少了一个支撑臂，可以从三个方向进料，也更便于自动化改造，与机器人或传输系统对接，适应大批量生产的需求。单侧支撑结构简化了机械设计，降低了维护成本和停机时间，提升设备的全生命周期价值。

4． 灵活性高：因为少了一个支撑臂的阻挡，在同样机床尺寸时，悬臂式的切割头在 Y 轴方向有更大的操作空间，可以更加深入和接近零件进行切割和焊接。在模具试制、原型车开发和中小批量多品种订单时，以及切割中小工件时，更有优势。

悬臂式三维五轴激光切割机床的缺点：

1． 加工范围受限：由于悬臂式设备的结构限制，承受切割头（通常 30 － 60 公斤）重量的悬空Y轴横梁不可能做得太长，不适合切割超过 2 米宽的大尺寸工件。

2． 高速稳定性不足：由于单侧支撑的结构特性，重心偏向支撑侧。切割头在 Y 轴横向移动时，横梁的重心随时变化，尤其是在远离承重端、靠近悬空端高速作业时，切割头形成的力矩最大，震动导致的波动最大，对支撑臂形成较大的压力。床身需要具备更高的刚性和抗振性，以抵消悬臂梁在高速运动中的力矩和振动。

如何选择三维五轴激光切割的机床结构？

其实撇开支撑结构，两种结构的三维五轴激光切割机床的切割方式几乎是一样的，都是通过 X、Y、Z 轴及旋转轴（A、B）实现五轴运动。

汽车行业90％的热成形件，例如前后门防撞梁、前后保险杠、A 柱、B 柱、地板中通道、车窗及门板加强筋、车顶加强梁等宽度大多在 2 米以下，悬臂式基本能全覆盖。汽车行业的三维五轴激光切割机床的激光器功率多在6Kw以下，以薄板为主，所以两种结构的应用场景高度重合。

很多文章提到龙门式适合切割更厚的零件，理论上切割更厚的零件需要更大功率激光器，更大的切割头，龙门式悬梁承重的极限肯定比悬臂大。但是，目前三维五轴激光的主要功率范围是 3000 － 6000W。切割头和垂直的 Z 轴，已经能通过航空铸铝等高强合金以及优化的冷却方式减重，普遍降到45公斤以下，且还在不断减重，而进口的悬臂结构激光机床的同等功率的切割头往往做得更轻巧，已经可以胜任绝大部分需求。

即使因功率增加到 1 万瓦以上，切割头增重也在悬臂式的承重范围之内，并不会影响加工厚板。目前业内有少量切割 20mm 厚的复杂零件的需求，两种结构都能胜任。工作台的承重与龙门或者悬臂无关。

通过前面的分析可知，悬臂式结构规避了双驱动的叠加误差，获得了柔性和三个方向的优势，代价是对床身和悬臂的性能要求极高，对其材料、结构和热处理等因素提出了更高要求。

三维五轴激光切割机床目前主要是国产机床和德国通快和意大利普玛宝之间的竞争，国内企业力挺龙门结构。事实上，作为全球市占率最高的两家企业德国通快、意大利普玛宝基本采用悬臂式结构。

就效率而言，目前整体还是悬臂式结构的进口机更高，国内厂家宣传往往以接近进口机为卖点。

理论上，龙门式应该更快、更精准，但是双驱动的同步性和粉尘干扰问题，又决定了维持这种高速运行可能难以长期持续。这条技术路线可以用不同的驱动方式和控制方式来解决这个难题，在竞争中保持优势。

进口品牌的三维五轴激光切割机床以悬臂式为主，基本采用高强度铸铁、优化的压铸床身、或者大理石床身来确保稳定性，床身在20吨左右，进口近二十年还能保持精度加工的机床并不少见，可见优秀的床身可以长期保持悬臂结构机床的精度。

而外企在本土组装的机型则为了应对竞争，采用了便宜和轻得多的焊接式床身，这可能在某种程度上削弱了其悬臂式机床的优势。

海天光机：国内三维五轴激光切割领域的黑马

在几乎所有的国产激光切割机厂家押宝龙门式结构的时候，出现了一个异类，那就是海天光机。2023年，海天光机高调进入悬臂结构领域，打破国外对悬臂式的垄断，还借鉴激光落料线的成功经验，推出了双悬臂双头结构的三维五轴激光切割机床，并已在多家用户投入使用。

笔者认为，海天光机的行业逻辑是正确的，有可能成为国内三维五轴激光切割机床的一匹黑马。龙门式结构方面，华工激光和大族激光已经占据大半江山，而通快和普玛宝坚持的悬臂结构路线，在国际上接受度高，在2024年以前，在国内没有竞争对手。

海天光机宣传自己是国内首家打破悬臂式结构壁垒的企业。华工、大族等厂家都有报道称有悬臂结构产品，然而他们大多没有形成实际的应用。早期，他们无一例外都是从模仿悬臂式结构入手，但最终放弃了该路线。为什么呢？

正如笔者前面提到的，悬臂式结构对床身和悬臂有超高的要求，上述先行者并不是严格意义上传统的机床厂家，对于床身和悬臂的设计（需满足刚度大、变形小、抗振性强等要求）、材料（灰铸铁、球墨铸铁、钢板和合金钢等床身材料）特性、热处理与制造工艺（铸造、锻造、焊接和热处理）、动力学与振动控制、结构力学与稳定性分析、精密加工与误差补偿等知识还知之甚少，他们的优势主要在光学和控制方面。即使现在他们已经吃透了这些，但是在龙门式结构已经积累了大量的研发成本，他们只能在这条路上去精益求精。

十几年前，中国企业不能从国际同行那里获得成熟轻巧的切割头，专业的激光头厂家不会涉足这么小的市场，早期自行研发的切割头在重达接近百公斤，考虑到前面提到的悬臂式的短板，他们又怎么可能在悬臂式结构获得成功？

之所以说海天光机能做成悬臂式三维五轴激光切割机床，是因为天时、地利、人和都已具备了。海天光机是横跨多行业的巨无霸－海天集团的子公司，该集团机床板块年营收超过 300 亿，人才、设备和研发实力在国内首屈一指。

该集团已有 59 年的底蕴，业务涉及注塑机、压铸机、激光加工机、数控机床，如龙门加工中心、卧式加工中心、立式加工中心、数控车床等，在机床的基础材料、机械、电气、控制等方面都处于国内一流水平。

海天光机拥有集团内一流的铸造和热处理工艺，制造的一体化重力铸造床身，床身重达15－16吨，可谓是不计成本，并采取轻浮动悬臂结构，确保了机床的长期稳定运行和高设备开动率。三维五轴激光切割机床和焊接机的切割头、焊接头和数控系统在业内和集团内已经非常成熟，和龙门式可以共用产业链成熟的成果。

海天光机出手便是颠覆性的双悬臂双头结构，这也是源于其厚积薄发的自信，未来可期。它可以先和国产的龙门式以及外资国产的悬臂式三维五轴激光切割机床竞争，未来再与进口机全面竞争。

三维五轴激光切割机床，将成为中国机床制造的新名片

中国激光切割机行业是中国机床行业里竞争最激烈的行业之一。也正是这种激烈竞争，才使得原本价值几百万的设备，如今以几万、几十万的价格进入寻常企业，让机箱机柜、金属家具、铁艺这样微利的行业也能用激光加工机进行高效精密加工，提升了中国制造业的竞争力。

现在，不管是龙门式的 “稳重”，还是悬臂式的 “灵动”，以华工激光、大族激光和海天光机为代表的中国本土激光切割机已经占据了很好的市场位置，甚至外资本土化的机床也越来越多地使用了中国制造的核心部件。不管谁在竞争中胜利，最后都是中国制造的胜利。

随着市场保有量的增加，本土三维五轴激光切割机床企业到的反馈越多，进步也就越快。不仅仅要从存量市场争夺份额，更是要从别的行业中获得增量，让原本不敢想象使用此类设备的企业也能用这种高精尖的加工手段创造更多的奇迹！

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