近年來，汽車行業的一項主要趨勢是提高設計、功能以及零件機械強度等方面的需求。這一趨勢在結構和車身底盤部件相關的領域尤為顯著，比如以厚度低于2~3mm的金屬鈑金成型為復雜的最終零件。為了降低復雜程度和成型工具的成本，在許多案例當中，制造商決定將一些任務轉移到后續的生產步驟中。因此，在零件上開槽或增加鉆孔之類的任務在生產過程中被暫時擱置，并留在后期完成，從而獲得高精度且不會對零件造成機械變形。
更多的傳統生產工藝（如冷鍛及沖壓等）都基于工具和零件之間的機械接觸。這些工藝在工具施加壓力的同時會帶來變形和損壞工件的風險。此外，這類工藝的自動化需要帶有非常牢固和高穩定性的機械手系統來吸收外加壓力。另一種選擇是水射流，它具有許多優點，提供了一種可靠的技術方案。其缺點在于：切割完畢后需要對工件進行干燥，切割速度有限，以及需要對工件，尤其是工件邊緣部分，進行清潔。
簡單的機械手系統
一種頗具前景的額外解決方案是激光切割配合簡單的機械手系統。該方案提供了高度的柔性和無接觸高速切割，不會產生對工件的機械應力或壓力。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非常低，光點尺寸之小（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流程，是其作為一種工具獲得成功的重要因素。市場尤其需要低投資成本和具有合理運行及維護成本的方案。同樣重要的還有簡單卻有效的技術，同時具備高柔性，以快速適應生產不同的、新的產品。僅在完成這些前提條件之后，激光才能被認為在切割成型鈑金件方面是一項具有優勢的工具。
一種用于移動激光束的機械手導引方案增加了整個系統的柔性和系統的物理能力，使其能夠加工普通龍門五軸系統難于處理的零件。此外，該方案還提供了更高的柔性和激光束的簡單編程方法。
激光束傳遞的關鍵
成功將激光束集成到機械手系統的關鍵在于激光束傳遞本身的特性。一種傳統的方案是采用固態激光器同光纖耦合，然后使用機械手進行導引，使其到達要求的工作位置。
該方案的缺點在于低彎曲半徑和光纖的內反射會限制其柔性和可靠性，從而帶來機械損傷。
與之對比，CO2 激光束通常有較高的光束質量、小的聚焦區域，以及在激光焦點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 激光的投資和運行成本都低于固態激光器。由于CO2 激光的工作波長為10.6 m，因此不可能使用玻璃光纖來導引光束，卻可采用導光鏡片來完成。該方法已經在二維應用的三軸系統中得以成功使用，使用預先設置好的鏡片將激光束反射形成光路。
過去，早期的機械手CO2 激光系統的設計思路如下：在外部機械手內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。該機械手本身被一只機械手導引（第6軸），從而降低了整個系統的自由運動。
另一項開發成果是設計出具有最大輸出功率達2千瓦的激光系統，該系統中激光器被安裝在機械手的軸向上，激光束通過特定的鏡片被傳向激光頭。在這一概念當中，完整的激光源在整個運行中被扛在機械手上，其載荷約為250~300kg。這明顯制約了運動性、精度和系統的動態性能，以及對高速下完成更復雜加工路線時的精度帶來了負面影響。這同樣對激光器及其系統的壽命和維護要求造成負面效應。
集成完整的光路
在Jenoptik自動化技術公司，基于機械手的新一代CO2 激光系統已經誕生（其特性見表2），其激光功率能高達5000W，且具備更高精度和動態性能。在該系統中激光器以機械方式同機械手分離。通過與St ubli公司的合作，激光束現在能以光學方式同機械手底部相連，從而將完整的激光束光路集成至激光頭的尖端。
圖1、Votan C-BIM（移動光束）系統在對成型、鑄造或拉伸之后的金屬板材做激光切割和開槽。
具體地說，激光束通過在機械手軸向轉向點處精密固定的鏡片，被導向至機械手的前端，然后被聚焦，并傳送給裝備了開關和切割氣體噴嘴的切割頭。
這一新概念因可調節的鏡片而成為可能，這些鏡片被設計用于集成進機械手的關節處。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5000W的激光束。為了防止微粒對鏡片產生破壞，整套導光元件被一套定向的管道系統保護著（見圖1）。CO2 激光光路被集成在機械手中，在整條光路中的反射損耗少于5%。
圖2、采用2.5kW CO2激光器進行切割時的典型速度（本圖來源：Rofin-Sinar公司）
圖2顯示了一套Jenoptik C-BIM移動光束系統和一臺2.5kW CO2 激光器相結合帶來的典型加工速度。其驗證了板材厚度在低于3~4mm（正如在車身結構中使用的材料那樣）時，能在開槽和切割加工中實現大于4m/min、最高14m/min（切割不銹鋼）的高速加工。根據這一設計，機械手保持了全面的精度和動態特定，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達到。
我們可以得出結論，Jenoptik開發了一種用于傳導CO2 激光束的且原理近似于光纖的導光系統，并可用于高功率領域。該解決方案代表了一種具有前景而且可靠的技術，能以更低成本替代固態激光系統，同時不以犧牲應用性能為代價。
圖3、配備CO2激光系統并集成了機械手的激光加工（切割）單元之系統概念（最大功率5kW）。
用于工業實踐的集成技術
Jenoptik公司更進一步，將機械手、激光器和冷卻裝置集成在一個平臺上，實現緊湊的加工單元，從而滿足工業實踐中的要求。圖3顯示的解決方案中，工件的上載和移動都通過旋轉臺完成，激光系統、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獨立單位能很容易被移動，而無需太多的預先調節。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）和5.90m×2.20m×2.30m（功率大于600W型號）。#p#分頁標題#e#
另一種方式通過整合兩只機械手、一臺激光器和一個分光鏡或者兩臺激光器于一個加工單元內，用于加工大型、復雜和難加工零件，或者具有較低循環時間要求的應用當中。
這些緊湊的概念結構擁有巨大的柔性，為那些需要一臺柔性切割系統，以重復完成多品種、高質量加工業務的公司帶來了最佳的解決方案。
結論
近來切割流程自動化的趨勢，尤其是三維加工方向發展的趨勢，向自動化加工企業提出了挑戰。高精度和柔性、高速切割、基于需求的導光概念以及合理的投資成本，加上緊湊的設計等特點都是人們關注的焦點。Jenoptik公司帶來的是一種能滿足所有這些要求的激光系統，為替代現有的激光切割系統提供了一種靈活可行的方案。
本文作者Jean Pierre Bergmann是工學博士 ，來自德國 Jenoptik自動化技術有限公司，Birk Ploennigs來自 Jenoptik 英國有限公司.
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