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在全球競爭日益激烈的環境下，人們從高效、高產和高靈活性的角度，對生產系統提出了越來越高的要求。為了確保競爭優勢，必須要使設備在最大程度上迎合加工任務的要求，其中一種途徑便是多種工藝集成。

本文介紹在一臺銑削加工中心上針對中小批量加工的功能集成所發揮的潛力。這種加工中心可以擴展激光焊接技術、硬化處理和切削加工或改變結構等功能。這種工藝的運用可以使單獨的工具鋼澆鑄工具和高要求的鈦合金或Cr-Co（鉻-鈷）鋼質醫學植入零件的小批量加工。激光技術工藝和工件的局部處理通過集成在機床上的機器人來實現。由此可以借助機械設備，在一次裝夾過程中實現全部的復合加工工序。

復合型生產系統的基礎是移動式工作臺結構的銑床，這種系統附加設有兩個回轉工作臺、一個6軸機械人和兩個激光加工單元

以帶有移動工作臺的銑床為基礎

復合機床以移動工作臺結構類型的銑削加工中心為基礎，裝設有兩個旋轉工作臺、一個6軸機械臂和兩個激光加工單元（由一種連續作業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床的高精度，因此可以在設備上集成一臺節省空間的6軸機械臂，這樣可以提高整體設備的利用效率。

加工單元和能源鏈之間的接口不可拆分，因此整個介質的輸送必須通過恒定設在加工單元上的軟管進行。軟管同時也用于對光纖的卸載。除了光導纖維之外，屬于介質輸送系統的還有兩個導線引入系統、冷卻水供水系統、工藝用氣管路和信號電纜。軟管通過機床上方的旋轉臂與加工單元進行垂直連接和導入。導入臂一方面負責保證軟管在工作區域內的垂直走向，另一方面確保光纖和電線傳送系統的特定走向。導入臂、設備構架和機器人之間的機械相互作用可通過結構動態調節而達到最小。

推拉門設置在頂部更易于操作

針對激光淬硬處理、焊接和切削技術，設備采用了高質量的激光束——2.4kW纖維激光器。這些技術的組合，雖然占據工藝流程上的優勢，但也隱藏著威脅操作人員的潛在危險。一種符合技術現狀、帶有探頭監視功能的激光保護罩確保了操作人員的安全（圖1）。設備的前端為機器人的保護工作區，因此無需再有其他防護措施。通過激光隔離罩頂棚的推拉活動門，可以方便地進入工作區域，以實現天車的裝載作業。通過采用高效纖維激光器，可以在結合光束偏轉系統（激光掃描儀）的基礎上，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  機床前端有一個供機器人使用的保護工作區。操作人員的安全通過一個設有傳感器監視功能的激光保護罩加以保證

復合方案以光束引導和光束聚焦為基礎，運用一種2D掃描系統（圖2）。采用帶有聚闌平角光學儀器的光束偏轉系統可以對接近正射光束掃描區域的被加工工件的表面實現柔性加工。在待加工的工件表面上達到近似正交的光束傾角。對此，可有目的地利用在光束傳播范圍內變動的強度分布，以實現不同的加工工藝和加工范圍。

圖2  復合加工中心采用一種2D掃描系統，這種系統可以對激光導向和聚焦進行控制，通過對激光束的離散處理，可以實現激光焊接和激光淬火處理等加工

發散激光器用于淬火處理

大于1MW/mm2的焦點強度位于材料切削軸的上方，并被用于局部蒸發。通過這種方式，可以在毫秒的范圍內實現100μm以下的單脈沖鉆孔。在向前傳播的方向上，強度峰值逐漸降低，加工面上的激光束發生離散，由此工件表面的焦點會變得更大。在此光束離散的工作區域內，可以實現激光焊接和激光淬硬加工。在連續激光加工（cw模式）和功率密度<1kW/mm2時，大部分的熱量進入到工件中，這些熱量可以用于針對邊緣區域相位轉化的淬硬處理，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，可以利用這種熱量對導向焦點的輔助線材進行熔化，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層，或在控制金屬生成（CMB）的情況下用于部件結構更新。

采用2D掃描系統，可以在這兩種使用場合中實現可調的軌跡寬度和靈活的加工軌跡。在淬硬處理時，采用幾百赫茲激光和20mm以內的可調寬度對焦點進行掃描，并通過機器人同時對零件進行聚焦，由此可以生成加工軌跡。在機器人與工件的相對運動過程中，可通過設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。除了可以實現靈活的加工軌跡之外，通過對工件上焦點的掃描，可以確保均勻的溫度分布，這對于工藝流程的結果具有關鍵性的影響。在進行焊接時，激光焦點掃描可用來影響熔池表面的特定溫度分布，由此可以局部調節表面應力，在一定范圍內調整涂層軌跡的寬度。

焦斑決定涂層寬度

針對系統技術的實施，在復合式模塊化的激光機器人單元中集成了帶有2D掃描系統的垂直分配（散射方向）送絲系統（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換需要激活或消除絲導入功能，并開啟或關閉流程范圍內外的絲導入嘴。通過絲導入嘴的相應回轉能量，可以達到流程自動轉換，減少激光硬化處理和激光切削時的不良軌跡輪廓。

圖3  機器人抓取激光加工單元并引導該單元，熱絲輸送系統和2D掃描系統與該激光加工單元相連接

除此之外，為了在切削之后達到特定的設計結構，復合加工單元采用了一種結合3D高效光束偏轉系統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的特定脈沖作業結構（pw模型）。在20μm范圍內的離散結構不能通過機器人來實現，同時也要求機床達到一定的精度。因此，結構更換系統通過主軸刀座的接口，以模塊化的方式被更換到機床上。成功使用復合設備的一個重要的因素是設計工具，它可以在用戶制定使用傳統設備完成更為復雜的工藝鏈時，提供最佳的支持（圖4）。在復合加工中心上進行加工設計時，無論是針對銑削加工，還是CAM系統上的激光加工，都要進行軌跡設計。這里要對商業化的CAM系統進行擴展，加入相應的模塊，以顯示激光作業流程。激光工藝的軌跡設計基礎是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，以對激光功率進行控制。設計工作是交叉進行的，系統在所獲得的流程認知的基礎上，為用戶生成各種建議。地址存儲器從所生成的數據中，既為設備控制（NC），也為機器人控制（RC）自動生成可運行的程序。出于安全方面的原因，在執行之前，各個分程序都要在設備上通過一個模擬模型進行校驗。這里采用虛擬的控制，準確模擬實際控制時間。結合采用一個動態模型，則可以事先識別出各種干涉情況。

圖4  針對激光加工和銑削加工的集成式設計鏈，對于復合型技術方案的成功而言是絕對必要的，針對銑削加工和激光加工，軌跡設計在CAM系統上進行

在開發此類復雜的設備系統和采用費用較低的標準組件時，面臨著一個主要挑戰是同步性和以工業標準Profibus相互通信的各控制組件的聯動的問題（圖5）。

圖5  復合加工中心采用費用較低的標準型部件，它所面臨一個重要的挑戰就是控制元件的同步性問題，對此該中心采用了工業標準型的Profibus

復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，一個重要的條件就是要實現中小批量零件加工的良好的經濟性。復合加工中心集成了現代化的設備、激光系統和現代化的工藝流程及控制技術，這些都為實現經濟性和靈活性的加工提供了關鍵性的條件。由德國研究基金會（DFG）贊助的“高薪國家集成式生產技術”重點課題的框架內，人們對上述各個方面進行了研究，提出了對中小批量加工復雜產品的設備系統的主要要求；同時也以上述的設備系統為例，對系統中的相互關系和德國這個高薪國家所采用新的競爭力更強的生產鏈進行了探索。