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(fā)揮的潛力。這種加工中心可以擴展激光焊接技術(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(zhì)醫(yī)學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床上的機器人來實現(xiàn)。由此可以借助機械設備，在一次裝夾過程中實現(xiàn)全部的復合加工工序。

復合型生產(chǎn)系統(tǒng)的基礎是移動式工作臺結(jié)構(gòu)的銑床，這種系統(tǒng)附加設有兩個回轉(zhuǎn)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(jié)構(gòu)類型的銑削加工中心為基礎，裝設有兩個旋轉(zhuǎn)工作臺、一個6軸機械臂和兩個激光加工單元（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床的高精度，因此可以在設備上集成一臺節(jié)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(zhì)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(zhì)輸送系統(tǒng)的還有兩個導線引入系統(tǒng)、冷卻水供水系統(tǒng)、工藝用氣管路和信號電纜。軟管通過機床上方的旋轉(zhuǎn)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(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。導入臂、設備構(gòu)架和機器人之間的機械相互作用可通過結(jié)構(gòu)動態(tài)調(diào)節(jié)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(shù)，設備采用了高質(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。一種符合技術(shù)現(xiàn)狀、帶有探頭監(jiān)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(qū)，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(qū)域，以實現(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(qū)。操作人員的安全通過一個設有傳感器監(jiān)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(tǒng)（圖2）。采用帶有聚闌平角光學儀器的光束偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)可以對接近正射光束掃描區(qū)域的被加工工件的表面實現(xiàn)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(nèi)變動的強度分布，以實現(xiàn)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(tǒng)，這種系統(tǒng)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(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的焦點強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)實現(xiàn)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(fā)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(qū)域內(nèi)，可以實現(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，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(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，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(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現(xiàn)可調(diào)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(nèi)的可調(diào)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(xiàn)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(jié)果具有關(guān)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(diào)節(jié)表面應力，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

針對系統(tǒng)技術(shù)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(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入功能，并開啟或關(guān)閉流程范圍內(nèi)外的絲導入嘴。通過絲導入嘴的相應回轉(zhuǎn)能量，可以達到流程自動轉(zhuǎn)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(tǒng)和2D掃描系統(tǒng)與該激光加工單元相連接

除此之外，為了在切削之后達到特定的設計結(jié)構(gòu)，復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)不能通過機器人來實現(xiàn)，同時也要求機床達到一定的精度。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(tǒng)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(tǒng)上的激光加工，都要進行軌跡設計。這里要對商業(yè)化的CAM系統(tǒng)進行擴展，加入相應的模塊，以顯示激光作業(yè)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(shù)，以對激光功率進行控制。設計工作是交叉進行的，系統(tǒng)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(shù)據(jù)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(zhí)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(jié)合采用一個動態(tài)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(shù)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(tǒng)上進行

在開發(fā)此類復雜的設備系統(tǒng)和采用費用較低的標準組件時，面臨著一個主要挑戰(zhàn)是同步性和以工業(yè)標準Profibus相互通信的各控制組件的聯(lián)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(zhàn)就是控制元件的同步性問題，對此該中心采用了工業(yè)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(xiàn)中小批量零件加工的良好的經(jīng)濟性。復合加工中心集成了現(xiàn)代化的設備、激光系統(tǒng)和現(xiàn)代化的工藝流程及控制技術(shù)，這些都為實現(xiàn)經(jīng)濟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（DFG）贊助的“高薪國家集成式生產(chǎn)技術(shù)”重點課題的框架內(nèi)，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(chǎn)品的設備系統(tǒng)的主要要求；同時也以上述的設備系統(tǒng)為例，對系統(tǒng)中的相互關(guān)系和德國這個高薪國家所采用新的競爭力更強的生產(chǎn)鏈進行了探索。