激光配合機械手系統(tǒng)切割復雜零件

　　近年來，汽車行業(yè)的一項主要趨勢是提高設計、功能以及零件機械強度等方面的需求。這一趨勢在結構和車身底盤部件相關的領域尤為顯著，比如以厚度低于2~3mm的金屬鈑金成型為復雜的最終零件。為了降低復雜程度和成型工具的成本，在許多案例當中，制造商決定將一些任務轉移到后續(xù)的生產(chǎn)步驟中。因此，在零件上開槽或增加鉆孔之類的任務在生產(chǎn)過程中被暫時擱置，并留在后期完成，從而獲得高精度且不會對零件造成機械變形。

　　更多的傳統(tǒng)生產(chǎn)工藝（如冷鍛及沖壓等）都基于工具和零件之間的機械接觸。這些工藝在工具施加壓力的同時會帶來變形和損壞工件的風險。此外，這類工藝的自動化需要帶有非常牢固和高穩(wěn)定性的機械手系統(tǒng)來吸收外加壓力。另一種選擇是水射流，它具有許多優(yōu)點，提供了一種可靠的技術方案。其缺點在于：切割完畢后需要對工件進行干燥，切割速度有限，以及需要對工件，尤其是工件邊緣部分，進行清潔。

簡單的機械手系統(tǒng)
　　一種頗具前景的額外解決方案是激光切割配合簡單的機械手系統(tǒng)。該方案提供了高度的柔性和無接觸高速切割，不會產(chǎn)生對工件的機械應力或壓力。此外，它使激光束能夠加工更多的材料，高功率密度意味著切割口附近的熱影響區(qū)非常低，光點尺寸之小（通常小于0.3mm）使其能切出極小的切口寬度。表1提供了對沖壓、水射流切割和激光切割的總覽。

　　激光工藝能被集成到高度可靠和可跟蹤的工業(yè)流程，是其作為一種工具獲得成功的重要因素。市場尤其需要低投資成本和具有合理運行及維護成本的方案。同樣重要的還有簡單卻有效的技術，同時具備高柔性，以快速適應生產(chǎn)不同的、新的產(chǎn)品。僅在完成這些前提條件之后，激光才能被認為在切割成型鈑金件方面是一項具有優(yōu)勢的工具。

　　一種用于移動激光束的機械手導引方案增加了整個系統(tǒng)的柔性和系統(tǒng)的物理能力，使其能夠加工普通龍門五軸系統(tǒng)難于處理的零件。此外，該方案還提供了更高的柔性和激光束的簡單編程方法。

激光束傳遞的關鍵
　　成功將激光束集成到機械手系統(tǒng)的關鍵在于激光束傳遞本身的特性。一種傳統(tǒng)的方案是采用固態(tài)激光器同光纖耦合，然后使用機械手進行導引，使其到達要求的工作位置。

　　該方案的缺點在于低彎曲半徑和光纖的內(nèi)反射會限制其柔性和可靠性，從而帶來機械損傷。

　　與之對比，CO2 激光束通常有較高的光束質量、小的聚焦區(qū)域，以及在激光焦點附近的近高斯密度分布。因此，切割寬度很�。ㄍǔ�僅為0.1~0.3mm）。此外，CO2 激光的投資和運行成本都低于固態(tài)激光器。由于CO2 激光的工作波長為10.6 m，因此不可能使用玻璃光纖來導引光束，卻可采用導光鏡片來完成。該方法已經(jīng)在二維應用的三軸系統(tǒng)中得以成功使用，使用預先設置好的鏡片將激光束反射形成光路。

　　過去，早期的機械手CO2 激光系統(tǒng)的設計思路如下：在外部機械手內(nèi)裝有用于傳遞激光束的鏡片，并使激光從激光器傳遞到激光頭。該機械手本身被一只機械手導引（第6軸），從而降低了整個系統(tǒng)的自由運動。

　　另一項開發(fā)成果是設計出具有最大輸出功率達2千瓦的激光系統(tǒng)，該系統(tǒng)中激光器被安裝在機械手的軸向上，激光束通過特定的鏡片被傳向激光頭。在這一概念當中，完整的激光源在整個運行中被扛在機械手上，其載荷約為250~300kg。這明顯制約了運動性、精度和系統(tǒng)的動態(tài)性能，以及對高速下完成更復雜加工路線時的精度帶來了負面影響。這同樣對激光器及其系統(tǒng)的壽命和維護要求造成負面效應。

集成完整的光路
　　在Jenoptik自動化技術公司，基于機械手的新一代CO2 激光系統(tǒng)已經(jīng)誕生（其特性見表2），其激光功率能高達5000W，且具備更高精度和動態(tài)性能。在該系統(tǒng)中激光器以機械方式同機械手分離。通過與St ubli公司的合作，激光束現(xiàn)在能以光學方式同機械手底部相連，從而將完整的激光束光路集成至激光頭的尖端。

　　具體地說，激光束通過在機械手軸向轉向點處精密固定的鏡片，被導向至機械手的前端，然后被聚焦，并傳送給裝備了開關和切割氣體噴嘴的切割頭。

　　這一新概念因可調(diào)節(jié)的鏡片而成為可能，這些鏡片被設計用于集成進機械手的關節(jié)處。除此之外，所有的鏡片必須使用水冷冷卻，從而允許傳遞功率高達5000W的激光束。為了防止微粒對鏡片產(chǎn)生破壞，整套導光元件被一套定向的管道系統(tǒng)保護著（見圖1）。CO2 激光光路被集成在機械手中，在整條光路中的反射損耗少于5%。

　　　　　　　　　　　　　　　
　　　圖1、Votan C-BIM（移動光束）系統(tǒng)在對成型、鑄造或拉伸之后的金屬板材做激光切割和開槽

　　圖2顯示了一套Jenoptik C-BIM移動光束系統(tǒng)和一臺2.5kW CO2 激光器相結合帶來的典型加工速度。其驗證了板材厚度在低于3~4mm（正如在車身結構中使用的材料那樣）時，能在開槽和切割加工中實現(xiàn)大于4m/min、最高14m/min（切割不銹鋼）的高速加工。根據(jù)這一設計，機械手保持了全面的精度和動態(tài)特定，并且重量很輕（大約150kg），因此高精度定位要求（+/-0.1mm）能在切割金屬零件時達到。

　　　　　　　　　　　　　　　
 　　　　　　圖2、采用2.5kW CO2激光器進行切割時的典型速度（本圖來源：Rofin-Sinar公司）

　　我們可以得出結論，Jenoptik開發(fā)了一種用于傳導CO2 激光束的且原理近似于光纖的導光系統(tǒng)，并可用于高功率領域。該解決方案代表了一種具有前景而且可靠的技術，能以更低成本替代固態(tài)激光系統(tǒng)，同時不以犧牲應用性能為代價。

用于工業(yè)實踐的集成技術
　　Jenoptik公司更進一步，將機械手、激光器和冷卻裝置集成在一個平臺上，實現(xiàn)緊湊的加工單元，從而滿足工業(yè)實踐中的要求。圖3顯示的解決方案中，工件的上載和移動都通過旋轉臺完成，激光系統(tǒng)、過濾裝置等等都位于加工單元的后端。該加工單元本身作為一個獨立單位能很容易被移動，而無需太多的預先調(diào)節(jié)。它加工的典型零件尺寸最大為1400mm×700mm×500mm，其整體尺寸分別約為5.20m×2.20m×2.30m （最大功率 600W型號）和5.90m×2.20m×2.30m（功率大于600W型號）。
　　　　　　　　　　　　　　　
　　　圖3、配備CO2激光系統(tǒng)并集成了機械手的激光加工（切割）單元之系統(tǒng)概念（最大功率5kW）。

　　另一種方式通過整合兩只機械手、一臺激光器和一個分光鏡或者兩臺激光器于一個加工單元內(nèi)，用于加工大型、復雜和難加工零件，或者具有較低循環(huán)時間要求的應用當中。

　　這些緊湊的概念結構擁有巨大的柔性，為那些需要一臺柔性切割系統(tǒng)，以重復完成多品種、高質量加工業(yè)務的公司帶來了最佳的解決方案。

結論
　　近來切割流程自動化的趨勢，尤其是三維加工方向發(fā)展的趨勢，向自動化加工企業(yè)提出了挑戰(zhàn)。高精度和柔性、高速切割、基于需求的導光概念以及合理的投資成本，加上緊湊的設計等特點都是人們關注的焦點。Jenoptik公司帶來的是一種能滿足所有這些要求的激光系統(tǒng)，為替代現(xiàn)有的激光切割系統(tǒng)提供了一種靈活可行的方案。