在全球競爭日益激烈的環(huán)境下，人們從高效、高產(chǎn)和高靈活性的角度，對(duì)生產(chǎn)系統(tǒng)提出了越來越高的要求。為了確保競爭優(yōu)勢，必須要使設(shè)備在最大程度上迎合加工任務(wù)的要求，其中一種途徑便是多種工藝集成。
本文介紹在一臺(tái)銑削加工中心上針對(duì)中小批量加工的功能集成所發(fā)揮的潛力。這種加工中心可以擴(kuò)展激光焊接技術(shù)、硬化處理和切削加工或改變結(jié)構(gòu)等功能。這種工藝的運(yùn)用可以使單獨(dú)的工具鋼澆鑄工具和高要求的鈦合金或Cr-Co（鉻-鈷）鋼質(zhì)醫(yī)學(xué)植入零件的小批量加工。激光技術(shù)工藝和工件的局部處理通過集成在機(jī)床上的機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)。由此可以借助機(jī)械設(shè)備，在一次裝夾過程中實(shí)現(xiàn)全部的復(fù)合加工工序。
復(fù)合型生產(chǎn)系統(tǒng)的基礎(chǔ)是移動(dòng)式工作臺(tái)結(jié)構(gòu)的銑床，這種系統(tǒng)附加設(shè)有兩個(gè)回轉(zhuǎn)工作臺(tái)、一個(gè)6軸機(jī)械人和兩個(gè)激光加工單元
以帶有移動(dòng)工作臺(tái)的銑床為基礎(chǔ)
復(fù)合機(jī)床以移動(dòng)工作臺(tái)結(jié)構(gòu)類型的銑削加工中心為基礎(chǔ)，裝設(shè)有兩個(gè)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)、一個(gè)6軸機(jī)械臂和兩個(gè)激光加工單元（由一種連續(xù)作業(yè)的高效焊接和硬化處理的激光光源及一種脈沖激光光源供能）。由于焊接和淬硬處理無需機(jī)床的高精度，因此可以在設(shè)備上集成一臺(tái)節(jié)省空間的6軸機(jī)械臂，這樣可以提高整體設(shè)備的利用效率。
加工單元和能源鏈之間的接口不可拆分，因此整個(gè)介質(zhì)的輸送必須通過恒定設(shè)在加工單元上的軟管進(jìn)行。軟管同時(shí)也用于對(duì)光纖的卸載。除了光導(dǎo)纖維之外，屬于介質(zhì)輸送系統(tǒng)的還有兩個(gè)導(dǎo)線引入系統(tǒng)、冷卻水供水系統(tǒng)、工藝用氣管路和信號(hào)電纜。軟管通過機(jī)床上方的旋轉(zhuǎn)臂與加工單元進(jìn)行垂直連接和導(dǎo)入。導(dǎo)入臂一方面負(fù)責(zé)保證軟管在工作區(qū)域內(nèi)的垂直走向，另一方面確保光纖和電線傳送系統(tǒng)的特定走向。導(dǎo)入臂、設(shè)備構(gòu)架和機(jī)器人之間的機(jī)械相互作用可通過結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)而達(dá)到最小。
推拉門設(shè)置在頂部更易于操作
針對(duì)激光淬硬處理、焊接和切削技術(shù)，設(shè)備采用了高質(zhì)量的激光束——2.4kW纖維激光器。這些技術(shù)的組合，雖然占據(jù)工藝流程上的優(yōu)勢，但也隱藏著威脅操作人員的潛在危險(xiǎn)。一種符合技術(shù)現(xiàn)狀、帶有探頭監(jiān)視功能的激光保護(hù)罩確保了操作人員的安全（圖1）。設(shè)備的前端為機(jī)器人的保護(hù)工作區(qū)，因此無需再有其他防護(hù)措施。通過激光隔離罩頂棚的推拉活動(dòng)門，可以方便地進(jìn)入工作區(qū)域，以實(shí)現(xiàn)天車的裝載作業(yè)。通過采用高效纖維激光器，可以在結(jié)合光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)（激光掃描儀）的基礎(chǔ)上，首次把多種激光加工工藝集成到模塊化的、可更換的加工單元里。
圖1 機(jī)床前端有一個(gè)供機(jī)器人使用的保護(hù)工作區(qū)。操作人員的安全通過一個(gè)設(shè)有傳感器監(jiān)視功能的激光保護(hù)罩加以保證
復(fù)合方案以光束引導(dǎo)和光束聚焦為基礎(chǔ)，運(yùn)用一種2D掃描系統(tǒng)（圖2）。采用帶有聚闌平角光學(xué)儀器的光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)可以對(duì)接近正射光束掃描區(qū)域的被加工工件的表面實(shí)現(xiàn)柔性加工。在待加工的工件表面上達(dá)到近似正交的光束傾角。對(duì)此，可有目的地利用在光束傳播范圍內(nèi)變動(dòng)的強(qiáng)度分布，以實(shí)現(xiàn)不同的加工工藝和加工范圍。
圖2 復(fù)合加工中心采用一種2D掃描系統(tǒng)，這種系統(tǒng)可以對(duì)激光導(dǎo)向和聚焦進(jìn)行控制，通過對(duì)激光束的離散處理，可以實(shí)現(xiàn)激光焊接和激光淬火處理等加工
發(fā)散激光器用于淬火處理
大于1MW/mm2的焦點(diǎn)強(qiáng)度位于材料切削軸的上方，并被用于局部蒸發(fā)。通過這種方式，可以在毫秒的范圍內(nèi)實(shí)現(xiàn)100μm以下的單脈沖鉆孔。在向前傳播的方向上，強(qiáng)度峰值逐漸降低，加工面上的激光束發(fā)生離散，由此工件表面的焦點(diǎn)會(huì)變得更大。在此光束離散的工作區(qū)域內(nèi)，可以實(shí)現(xiàn)激光焊接和激光淬硬加工。在連續(xù)激光加工（cw模式）和功率密度<1kW/mm2時(shí)，大部分的熱量進(jìn)入到工件中，這些熱量可以用于針對(duì)邊緣區(qū)域相位轉(zhuǎn)化的淬硬處理，在這種情況下，工件表面的硬化程度可局部升高（馬氏體硬化）。在激光焊接時(shí)，可以利用這種熱量對(duì)導(dǎo)向焦點(diǎn)的輔助線材進(jìn)行熔化，通過熔池形成與母材金相相連的金屬層。在載荷程度大的零件上，此金屬層成為耐磨保護(hù)層，或在控制金屬生成（CMB）的情況下用于部件結(jié)構(gòu)更新。
采用2D掃描系統(tǒng)，可以在這兩種使用場合中實(shí)現(xiàn)可調(diào)的軌跡寬度和靈活的加工軌跡。在淬硬處理時(shí)，采用幾百赫茲激光和20mm以內(nèi)的可調(diào)寬度對(duì)焦點(diǎn)進(jìn)行掃描，并通過機(jī)器人同時(shí)對(duì)零件進(jìn)行聚焦，由此可以生成加工軌跡。在機(jī)器人與工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)過程中，可通過設(shè)定掃描振幅來與軌跡寬度相匹配，由此可以生成靈活的淬硬輪廓。除了可以實(shí)現(xiàn)靈活的加工軌跡之外，通過對(duì)工件上焦點(diǎn)的掃描，可以確保均勻的溫度分布，這對(duì)于工藝流程的結(jié)果具有關(guān)鍵性的影響。在進(jìn)行焊接時(shí)，激光焦點(diǎn)掃描可用來影響熔池表面的特定溫度分布，由此可以局部調(diào)節(jié)表面應(yīng)力，在一定范圍內(nèi)調(diào)整涂層軌跡的寬度。
焦斑決定涂層寬度
針對(duì)系統(tǒng)技術(shù)的實(shí)施，在復(fù)合式模塊化的激光機(jī)器人單元中集成了帶有2D掃描系統(tǒng)的垂直分配（散射方向）送絲系統(tǒng)（圖3），能源鏈呈垂直連接。焊接和硬化處理或切削流程之間的轉(zhuǎn)換需要激活或消除絲導(dǎo)入功能，并開啟或關(guān)閉流程范圍內(nèi)外的絲導(dǎo)入嘴。通過絲導(dǎo)入嘴的相應(yīng)回轉(zhuǎn)能量，可以達(dá)到流程自動(dòng)轉(zhuǎn)換，減少激光硬化處理和激光切削時(shí)的不良軌跡輪廓。
圖3 機(jī)器人抓取激光加工單元并引導(dǎo)該單元，熱絲輸送系統(tǒng)和2D掃描系統(tǒng)與該激光加工單元相連接
除此之外，為了在切削之后達(dá)到特定的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)，復(fù)合加工單元采用了一種結(jié)合3D高效光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)的中小功率的短脈沖激光裝置。由此可以生成脈沖峰值功率小于1GW/mm2的特定脈沖作業(yè)結(jié)構(gòu)（pw模型）。在20μm范圍內(nèi)的離散結(jié)構(gòu)不能通過機(jī)器人來實(shí)現(xiàn)，同時(shí)也要求機(jī)床達(dá)到一定的精度。因此，結(jié)構(gòu)更換系統(tǒng)通過主軸刀座的接口，以模塊化的方式被更換到機(jī)床上。成功使用復(fù)合設(shè)備的一個(gè)重要的因素是設(shè)計(jì)工具，它可以在用戶制定使用傳統(tǒng)設(shè)備完成更為復(fù)雜的工藝鏈時(shí)，提供最佳的支持（圖4）。在復(fù)合加工中心上進(jìn)行加工設(shè)計(jì)時(shí)，無論是針對(duì)銑削加工，還是CAM系統(tǒng)上的激光加工，都要進(jìn)行軌跡設(shè)計(jì)。這里要對(duì)商業(yè)化的CAM系統(tǒng)進(jìn)行擴(kuò)展，加入相應(yīng)的模塊，以顯示激光作業(yè)流程。激光工藝的軌跡設(shè)計(jì)基礎(chǔ)是5軸和6軸銑削范圍的加工策略。所生成的軌跡擁有流程參數(shù)，以對(duì)激光功率進(jìn)行控制。設(shè)計(jì)工作是交叉進(jìn)行的，系統(tǒng)在所獲得的流程認(rèn)知的基礎(chǔ)上，為用戶生成各種建議。地址存儲(chǔ)器從所生成的數(shù)據(jù)中，既為設(shè)備控制（NC），也為機(jī)器人控制（RC）自動(dòng)生成可運(yùn)行的程序。出于安全方面的原因，在執(zhí)行之前，各個(gè)分程序都要在設(shè)備上通過一個(gè)模擬模型進(jìn)行校驗(yàn)。這里采用虛擬的控制，準(zhǔn)確模擬實(shí)際控制時(shí)間。結(jié)合采用一個(gè)動(dòng)態(tài)模型，則可以事先識(shí)別出各種干涉情況。
圖4 針對(duì)激光加工和銑削加工的集成式設(shè)計(jì)鏈，對(duì)于復(fù)合型技術(shù)方案的成功而言是絕對(duì)必要的，針對(duì)銑削加工和激光加工，軌跡設(shè)計(jì)在CAM系統(tǒng)上進(jìn)行
在開發(fā)此類復(fù)雜的設(shè)備系統(tǒng)和采用費(fèi)用較低的標(biāo)準(zhǔn)組件時(shí)，面臨著一個(gè)主要挑戰(zhàn)是同步性和以工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)Profibus相互通信的各控制組件的聯(lián)動(dòng)的問題（圖5）。
圖5 復(fù)合加工中心采用費(fèi)用較低的標(biāo)準(zhǔn)型部件，它所面臨一個(gè)重要的挑戰(zhàn)就是控制元件的同步性問題，對(duì)此該中心采用了工業(yè)標(biāo)準(zhǔn)型的Profibus
復(fù)合加工中心提高競爭力
高薪國家要想維持其在全球競爭的能力，一個(gè)重要的條件就是要實(shí)現(xiàn)中小批量零件加工的良好的經(jīng)濟(jì)性。復(fù)合加工中心集成了現(xiàn)代化的設(shè)備、激光系統(tǒng)和現(xiàn)代化的工藝流程及控制技術(shù)，這些都為實(shí)現(xiàn)經(jīng)濟(jì)性和靈活性的加工提供了關(guān)鍵性的條件。由德國研究基金會(huì)（DFG）贊助的“高薪國家集成式生產(chǎn)技術(shù)”重點(diǎn)課題的框架內(nèi)，人們對(duì)上述各個(gè)方面進(jìn)行了研究，提出了對(duì)中小批量加工復(fù)雜產(chǎn)品的設(shè)備系統(tǒng)的主要要求；同時(shí)也以上述的設(shè)備系統(tǒng)為例，對(duì)系統(tǒng)中的相互關(guān)系和德國這個(gè)高薪國家所采用新的競爭力更強(qiáng)的生產(chǎn)鏈進(jìn)行了探索。
