采用多軸機器人實現(xiàn)激光切割、焊接復(fù)合加工

　　在一臺生產(chǎn)設(shè)備上同時進行激光切割和激光焊接加工已經(jīng)成為可能，兩種加工可以由一個組合頭來完成，雙重功能通過一個獨立的噴嘴實現(xiàn)，這種集合式激光作業(yè)可以縮短工藝鏈，顯著降低生產(chǎn)成本。

　　板材產(chǎn)品（如汽車部件）都要經(jīng)過不同的加工設(shè)備進行切割和焊接加工，板材部件要按照切割、連接和焊接的步驟進行加工�，F(xiàn)在，我們可以在一臺生產(chǎn)設(shè)備上同時進行切割和焊接加工了，這種集合式的激光作業(yè)可以縮短工藝鏈，顯著降低生產(chǎn)成本并且可以更加靈活地進行生產(chǎn)。

節(jié)約50%以上的成本
　　亞琛的Laserfac公司提供了一種解決方案，無需更換刀具的激光切割和焊接組合頭（圖1），它可以在1s內(nèi)自動在切割和焊接之間進行轉(zhuǎn)換。與傳統(tǒng)技術(shù)相比，在投資、安裝面積、運行和邏輯組件等方面可以節(jié)約50%甚至更多的成本。由于集合式激光作業(yè)提高了生產(chǎn)的精確性，從而也改進了產(chǎn)品的質(zhì)量。有序更換產(chǎn)生的傳統(tǒng)工藝鏈問題，由于恒定的Tool-Center-Point(TCP)、組合頭和能夠在一個夾緊架上進行切割和焊接而解決。
 　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　圖1 工業(yè)機器人采用Laserfact組合頭后，成為了萬能3D切割和焊接系統(tǒng)

　　特別是在生產(chǎn)非線性坯料時，由于薄板坯預(yù)制時精確度不夠，會導(dǎo)致邊緣連接時產(chǎn)生縫隙。這種情況對預(yù)制成本后面的工序和接縫測量的要求都很高，甚至還需要添加劑。在這個情況下，就為使用組合頭進行集合式切割和焊接提供了新的前景。組合頭能夠進行精確的切割和可靠的焊接，而且不用更換刀具，也不用為后續(xù)的探測設(shè)備生產(chǎn)適配用的板材部件。

　　為了制造演示樣品，Laserfact公司使用了F2-Y組合頭，它是在亞琛Frauenhofer激光技術(shù)研究所（ILT）研發(fā)的基礎(chǔ)上實現(xiàn)的。ILT研發(fā)的一種獨立噴嘴能夠?qū)崿F(xiàn)組合頭的雙重功能，允許激光射流和工藝氣流同軸安裝，組合頭具有光控和氣動斷聯(lián)功能。雖然噴嘴系統(tǒng)的壓力負荷高達30bar（這個壓力對于工作頭的切割功能非常重要），但不需要使用耐高壓的光學(xué)鏡組，從而可以集中精力使設(shè)計達到光學(xué)性能的最佳。

　　工業(yè)版本的工作頭具有一個集合式封裝的鏡組模塊，帶有保護氣體和聚焦的快速轉(zhuǎn)換裝置。在獨立噴嘴和保護氣體窗之間，一個多道橫流噴射模塊可以有效保護鏡組。同樣，集裝的動力Z軸驅(qū)動用于間隔調(diào)節(jié)。為了測試生產(chǎn)，一個4kW的纖維激光（芯直徑50μm）作為射流源由IPG借助一個工藝纖維（芯直徑100μm）與組合頭連接，工作頭本身用連接法蘭安裝在一個6軸曲臂機器人上，樣品部件是用兩塊不同的鍍鋅車身鋼制造的，分別厚1mm和1.2mm。

對薄板的加工
　　首先，用相同的輪廓激光（功率1.5kW, 速度8m/min）切割兩塊橫向?qū)�縫放置在線性滑板上的可推動薄板坯。然后，將之前切割的兩組薄板互換，并將兩塊板以同樣的軌跡再焊接到一起（功率2.2kW, 速度8m/min）（圖2），最后在焊接好的坯料上切割出兩個相互對應(yīng)的長孔。
 　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　圖2 激光加工頭可以在切割（左）和焊接之間自動切換

　　即使是非線性輪廓的切割和焊縫，集合生產(chǎn)也可以提供優(yōu)質(zhì)的切割和焊縫（圖3）。特別是無需焊縫跟蹤系統(tǒng)就能準確找到焊接軌跡，因為機器的坐標(biāo)系統(tǒng)已經(jīng)通過之前的激光切割記憶了焊縫的位置和走向，因此焊接軌跡可以很容易地再現(xiàn)。焊接質(zhì)量符合最嚴格的汽車行業(yè)標(biāo)準（圖4）。
 　　　　　　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　圖3 用組合頭進行集合式激光切割和焊接加工的非線性坯料示例

　　焊接后還可以在同一個緊固架上對板材進行優(yōu)化、打孔、連續(xù)沖切和切邊，提高了生產(chǎn)的靈活性，能夠更加經(jīng)濟地增加產(chǎn)品的品種。之后的沖切能夠忽略焊縫并且生產(chǎn)出很精確的部件。對坯料進行集合式生產(chǎn)在經(jīng)濟上特別適合中小批量的加工生產(chǎn)。鑒于當(dāng)今激光技術(shù)出色的射流質(zhì)量，取得的切割速度和車身鋼越來越堅固，機械切割方法正在不斷被淘汰。
 　　　　　　　　　　　
　　　　　　　　　　　　　　　　　　　　圖4 用組合頭制造的坯料焊縫橫切面

　　Laserfact作為參展商在2007慕尼黑激光工業(yè)展覽會Frauenhofer協(xié)會的展臺上展示了第一臺組合頭。除了已經(jīng)描述過的固體激光，Laserfact還有專門為CO2激光研發(fā)了新型水冷卻鏡組。

降低設(shè)備費用
　　Frauenhofer ILT和Laserfact在機械加工領(lǐng)域里憑借著新工藝和新產(chǎn)品，擁有了很廣闊的市場前景。多功能生產(chǎn)組激光技術(shù)用于板材組件的生產(chǎn)中，由于顯著改進了裝料可用性，以及設(shè)備的再配置，降低了設(shè)備的使用費用和工藝的停頓時間。多功能制造為那些迄今為止由于成本原因不能實現(xiàn)的復(fù)雜的以及型號種類繁多的產(chǎn)品創(chuàng)造了經(jīng)濟的生產(chǎn)條件，而且還能滿足未來現(xiàn)代化生產(chǎn)技術(shù)的要求。

　　為了能夠持續(xù)利用組合頭多功能激光技術(shù)的優(yōu)點，必須考慮迄今為止的生產(chǎn)結(jié)構(gòu)，如汽車制造。因為它是建立在傳統(tǒng)工藝鏈所局限的可能性上，直接在焊接工藝前進行精確的縫邊預(yù)制，以及在部件焊接之后的切割工序，如準確的設(shè)置，孔的尺寸選擇、功能、連接邊的精確切割，以及切除焊接后的安裝、緊固和支撐等。在精確性、功能性和輕型結(jié)構(gòu)方面都能夠進行最佳的產(chǎn)品設(shè)計。(