近年來，汽車行業(ye) 的一項主要趨勢是提高設計、功能以及零件機械強度等方麵的需求。這一趨勢在結構和車身底盤部件相關(guan) 的領域尤為(wei) 顯著，比如以厚度低於(yu) 2~3mm的金屬鈑金成型為(wei) 複雜的最終零件。為(wei) 了降低複雜程度和成型工具的成本，在許多案例當中，製造商決(jue) 定將一些任務轉移到後續的生產(chan) 步驟中。因此，在零件上開槽或增加鑽孔之類的任務在生產(chan) 過程中被暫時擱置，並留在後期完成，從(cong) 而獲得高精度且不會(hui) 對零件造成機械變形。 

        更多的傳(chuan) 統生產(chan) 工藝（如冷鍛及衝(chong) 壓等）都基於(yu) 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(hui) 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係統來吸收外加壓力。另一種選擇是水射流，它具有許多優(you) 點，提供了一種可靠的技術方案。其缺點在於(yu) ：切割完畢後需要對工件進行幹燥，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。        

        簡單的機械手係統 

        一種頗具前景的額外解決(jue) 方案是配合簡單的機械手係統。該方案提供了高度的柔性和無接觸高速切割，不會(hui) 產(chan) 生對工件的機械應力或壓力。此外，它使束能夠加工更多的材料，高密度意味著切割口附近的熱影響區非常低，光點尺寸之小（通常小於(yu) 0.3mm）使其能切出極小的切口寬度。表1提供了對衝(chong) 壓、水射流切割和激光切割(laser cutting)的總覽。 

        激光工藝能被集成到高度可靠和可跟蹤的工業(ye) 流程，是其作為(wei) 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(chan) 不同的、新的產(chan) 品。僅(jin) 在完成這些前提條件之後，激光才能被認為(wei) 在切割成型鈑金件方麵是一項具有優(you) 勢的工具。 

        一種用於(yu) 激光束的機械手導引方案增加了整個(ge) 係統的柔性和係統的物理能力，使其能夠加工普通龍門五軸係統難於(yu) 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(chuan) 遞的關(guan) 鍵 

        成功將激光束集成到機械手係統的關(guan) 鍵在於(yu) 激光束傳(chuan) 遞本身的特性。一種傳(chuan) 統的方案是采用固態同，然後使用機械手進行導引，使其到達要求的工作位置。 

        該方案的缺點在於(yu) 低彎曲半徑和的內(nei) 反射會(hui) 限製其柔性和可靠性，從(cong) 而帶來機械損傷(shang) 。 

        與(yu) 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(jin) 為(wei) 0.1~0.3mm）。此外，CO2 激光的投資和運行成本都低於(yu) 固態激光器。由於(yu) CO2 激光的工作波長為(wei) 10.6 m，因此不可能使用玻璃光纖來導引光束，卻可采用導光來完成。該方法已經在二維應用的三軸係統中得以成功使用，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 激光係統的設計思路如下：在外部機械手內(nei) 裝有用於(yu) 傳(chuan) 遞激光束的鏡片，並使激光從(cong) 激光器傳(chuan) 遞到激光頭。該機械手本身被一隻機械手導引（第6軸），從(cong) 而降低了整個(ge) 係統的自由運動。 

        另一項開發成果是設計出具有最大輸出功率達2千瓦的激光係統，該係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(chuan) 向激光頭。在這一概念當中，完整的激光源在整個(ge) 運行中被扛在機械手上，其載荷約為(wei) 250~300kg。這明顯製約了運動性、精度和係統的動態性能，以及對高速下完成更複雜加工路線時的精度帶來了負麵影響。這同樣對激光器及其係統的壽命和維護要求造成負麵效應。 

　　集成完整的光路 

        在Jenoptik自動化技術公司，基於(yu) 機械手的新一代CO2 激光係統已經誕生（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。在該係統中激光器以機械方式同機械手分離。通過與(yu) St ubli公司的合作，激光束現在能以方式同機械手底部相連，從(cong) 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）係統在對成型、鑄造或拉伸之後的金屬板材做激光切割(laser cutting)和開槽。

        具體(ti) 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，然後被聚焦，並傳(chuan) 送給裝備了和切割氣體(ti) 噴嘴的切割頭。 

        這一新概念因可調節的鏡片而成為(wei) 可能，這些鏡片被設計用於(yu) 集成進機械手的關(guan) 節處。除此之外，所有的鏡片必須使用水冷冷卻，從(cong) 而允許傳(chuan) 遞功率高達5000W的激光束。為(wei) 了防止微粒對鏡片產(chan) 生破壞，整套導光被一套定向的管道係統保護著（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於(yu) 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了一套Jenoptik C-BIM移動光束係統和一台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於(yu) 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於(yu) 4m/min、最高14m/min（切割不鏽鋼）的高速加工。根據這一設計，機械手保持了全麵的精度和動態特定，並且重量很輕（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(men) 可以得出結論，Jenoptik開發了一種用於(yu) 傳(chuan) 導CO2 激光束的且原理近似於(yu) 光纖的導光係統，並可用於(yu) 高功率領域。該解決(jue) 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係統，同時不以犧牲應用性能為(wei) 代價(jia) 。 

        
圖3、配備CO2激光係統並集成了機械手的激光（切割）單元之係統概念（最大功率5kW）。

        用於(yu) 工業(ye) 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(ge) 平台上，實現緊湊的加工單元，從(cong) 而滿足工業(ye) 實踐中的要求。圖3顯示的解決(jue) 方案中，工件的上載和移動都通過旋轉台完成，激光係統、過濾裝置等等都位於(yu) 加工單元的後端。該加工單元本身作為(wei) 一個(ge) 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(wei) 1400mm×700mm×500mm，其整體(ti) 尺寸分別約為(wei) 5.20m×2.20m×2.30m （最大功率 600W型號）和5.90m×2.20m×2.30m（功率大於(yu) 600W型號）。 #p#分頁標題#e#

        另一種方式通過整合兩(liang) 隻機械手、一台激光器和一個(ge) 分光鏡或者兩(liang) 台激光器於(yu) 一個(ge) 加工單元內(nei) ，用於(yu) 加工大型、複雜和難加工零件，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(wei) 那些需要一台柔性切割係統，以重複完成多品種、高質量加工業(ye) 務的公司帶來了最佳的解決(jue) 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(ye) 提出了挑戰。高精度和柔性、高速切割、基於(yu) 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(men) 關(guan) 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係統，為(wei) 替代現有的激光切割(laser cutting)係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.