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

    近年來(lái)，汽車行業(yè)的一項(xiàng)主要趨勢(shì)是提高設(shè)計(jì)、功能以及零件機(jī)械強(qiáng)度等方面的需求。這一趨勢(shì)在結(jié)構(gòu)和車身底盤部件相關(guān)的領(lǐng)域尤為顯著，比如以厚度低于2~3mm的金屬鈑金成型為復(fù)雜的最終零件。為了降低復(fù)雜程度和成型工具的成本，在許多案例當(dāng)中，制造商決定將一些任務(wù)轉(zhuǎn)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(wù)在生產(chǎn)過程中被暫時(shí)擱置，并留在后期完成，從而獲得高精度且不會(huì)對(duì)零件造成機(jī)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(jī)械接觸。這些工藝在工具施加壓力的同時(shí)會(huì)帶來(lái)變形和損壞工件的風(fēng)險(xiǎn)。此外，這類工藝的自動(dòng)化需要帶有非常牢固和高穩(wěn)定性的機(jī)械手系統(tǒng)來(lái)吸收外加壓力。另一種選擇是水射流，它具有許多優(yōu)點(diǎn)，提供了一種可靠的技術(shù)方案。其缺點(diǎn)在于：切割完畢后需要對(duì)工件進(jìn)行干燥，切割速度有限，以及需要對(duì)工件，尤其是工件邊緣部分，進(jìn)行清潔。
        
    簡(jiǎn)單的機(jī)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(jiǎn)單的機(jī)械手系統(tǒng)。該方案提供了高度的柔性和無(wú)接觸高速切割，不會(huì)產(chǎn)生對(duì)工件的機(jī)械應(yīng)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(diǎn)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(duì)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(chǎng)尤其需要低投資成本和具有合理運(yùn)行及維護(hù)成本的方案。同樣重要的還有簡(jiǎn)單卻有效的技術(shù)，同時(shí)具備高柔性，以快速適應(yīng)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(rèn)為在切割成型鈑金件方面是一項(xiàng)具有優(yōu)勢(shì)的工具。

     一種用于移動(dòng)激光束的機(jī)械手導(dǎo)引方案增加了整個(gè)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(jiǎn)單編程方法。

       
圖2、采用2.5kW CO2激光器進(jìn)行切割時(shí)的典
型速度（本圖來(lái)源：Rofin-Sinar公司）

    激光束傳遞的關(guān)

     成功將激光束集成到機(jī)械手系統(tǒng)的關(guān)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(jī)械手進(jìn)行導(dǎo)引，使其到達(dá)要求的工作位置。

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

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

     過去，早期的機(jī)械手CO2 激光系統(tǒng)的設(shè)計(jì)思路如下：在外部機(jī)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(jī)械手本身被一只機(jī)械手導(dǎo)引（第6軸），從而降低了整個(gè)系統(tǒng)的自由運(yùn)動(dòng)。

     另一項(xiàng)開發(fā)成果是設(shè)計(jì)出具有最大輸出功率達(dá)2千瓦的激光系統(tǒng)，該系統(tǒng)中激光器被安裝在機(jī)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(dāng)中，完整的激光源在整個(gè)運(yùn)行中被扛在機(jī)械手上，其載荷約為250~300kg。這明顯制約了運(yùn)動(dòng)性、精度和系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能，以及對(duì)高速下完成更復(fù)雜加工路線時(shí)的精度帶來(lái)了負(fù)面影響。這同樣對(duì)激光器及其系統(tǒng)的壽命和維護(hù)要求造成負(fù)面效應(yīng)。

        
    集成完整的光路

     在Jenoptik自動(dòng)化技術(shù)公司，基于機(jī)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(dá)5000W，且具備更高精度和動(dòng)態(tài)性能。在該系統(tǒng)中激光器以機(jī)械方式同機(jī)械手分離。通過與St ubli公司的合作，激光束現(xiàn)在能以光學(xué)方式同機(jī)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(jī)械手軸向轉(zhuǎn)向點(diǎn)處精密固定的鏡片，被導(dǎo)向至機(jī)械手的前端，然后被聚焦，并傳送給裝備了開關(guān)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(shè)計(jì)用于集成進(jìn)機(jī)械手的關(guān)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(dá)5000W的激光束。為了防止微粒對(duì)鏡片產(chǎn)生破壞，整套導(dǎo)光元件被一套定向的管道系統(tǒng)保護(hù)著（見圖1）。CO2 激光光路被集成在機(jī)械手中，在整條光路中的反射損耗少于5%。

     圖2顯示了一套Jenoptik C-BIM移動(dòng)光束系統(tǒng)和一臺(tái)2.5kW CO2 激光器相結(jié)合帶來(lái)的典型加工速度。其驗(yàn)證了板材厚度在低于3~4mm（正如在車身結(jié)構(gòu)中使用的材料那樣）時(shí)，能在開槽和切割加工中實(shí)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(shè)計(jì)，機(jī)械手保持了全面的精度和動(dòng)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(shí)達(dá)到。

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

       
圖3、配備CO2激光系統(tǒng)并集成了機(jī)械手的
激光加工（切割）單元之系統(tǒng)概念（最大
功率5kW）。

    用于工業(yè)實(shí)踐的集成技術(shù)

     Jenoptik公司更進(jìn)一步，將機(jī)械手、激光器和冷卻裝置集成在一個(gè)平臺(tái)上，實(shí)現(xiàn)緊湊的加工單元，從而滿足工業(yè)實(shí)踐中的要求。圖3顯示的解決方案中，工件的上載和移動(dòng)都通過旋轉(zhuǎn)臺(tái)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(gè)獨(dú)立單位能很容易被移動(dòng)，而無(wú)需太多的預(yù)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(hào)）和5.90m×2.20m×2.30m（功率大于600W型號(hào)）。

     另一種方式通過整合兩只機(jī)械手、一臺(tái)激光器和一個(gè)分光鏡或者兩臺(tái)激光器于一個(gè)加工單元內(nèi)，用于加工大型、復(fù)雜和難加工零件，或者具有較低循環(huán)時(shí)間要求的應(yīng)用當(dāng)中。

     這些緊湊的概念結(jié)構(gòu)擁有巨大的柔性，為那些需要一臺(tái)柔性切割系統(tǒng)，以重復(fù)完成多品種、高質(zhì)量加工業(yè)務(wù)的公司帶來(lái)了最佳的解決方案。
        
     結(jié)論

     近來(lái)切割流程自動(dòng)化的趨勢(shì)，尤其是三維加工方向發(fā)展的趨勢(shì)，向自動(dòng)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(dǎo)光概念以及合理的投資成本，加上緊湊的設(shè)計(jì)等特點(diǎn)都是人們關(guān)注的焦點(diǎn)。