0、引言

    激光加工技術是利用激光束與物質相互作用的特性對材料(包括金屬與非金屬)進行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一門加工技術。激光加工技術是涉及到光、機、電、材料及檢測等多門學科的一門綜合技術,同時它也是先進制造技術的一種。楊叔子院士在其論文中總結的先進制造技術的八個方面的發展趨勢和特色:“數”;“精”;“極”;“自”;“集”;“網”;“智”;“綠”。仔細分析就激光加工技術而言在這八個方面具備了多數,而本文所要闡述的就是激光加工技術的“集”,“智”,也就是激光加工的柔性化,集成化和智能化。而這些方向也正是我們激光加工技術期待發展和需要發展的地方。以大族激光為代表的很多激光產業也在朝這些方面進行研究和開發。這里主要是將激光加工技術應用到柔性制造系統(或單元)中來進行研究。

    1、激光加工的柔性

    激光加工本身就具有很好的柔性:

    (1) 激光器本身是一個比較簡單而且易于控制的裝置,如果把它產生的光束聚集成極細的光束,就可以切割;散焦一點就可以焊接;再散焦一點,就能進行熱處理。

    (2) 采用激光加工,不僅加工速度快,效率高,成本低,而且避免了模具或刀具更換,縮短了生產準備時間周期。易于實現連續加工,激光光束換位時間短,提高了生產效率。可進行多種工件交替安裝。一個工件加工時,可卸下已完成的部件,并安裝待加工工件,實現并行加工,減少安裝時間,增加激光加工時間。

    (3) 激光束采用直接驅動和導向方法。激光可作旋轉、傾斜、上下左右移動等運動,能加工工件的垂直面和復雜表面;而且直接驅動沒有空程,精度高。將激光的控制和機器人相結合,用機器人來移動或多軸線方式方式翻轉光束下的零件,可加工一些用傳統方法加工比較困難的零件。

    (4) 采取多級快速反應的防撞措施,光束導向裝置接觸工件時,運動系統立即停機,使系統不被破壞,避免了昂貴的維護;碰撞后能快速而簡單地恢復工作,減少了碰撞引起的停機時間,提高了激光系統的加工效率和可靠性。

    (5) 激光頭可自由運動,目前激光頭已達5個運動軸,即使工件在加工時保持固定,仍可實現復雜工件的加工,而且只要利用移動旋轉工作臺,就可加工比軸行程大的零部件。激光束采用自動聚焦控制。激光系統直線軸可沿光軸或任意軸定位,以保持光束聚焦;焦點位置任何時刻都精確可知,而且行程無限制。圖1示出了自動聚焦控制與鏡頭伺服控制的比較,由圖看見,鏡頭伺服系統中聚焦透鏡與激光系統移動無關,因此焦點位置無法確定。


圖1 自動聚焦控制與鏡頭伺服控制比較

    2、柔性制造系統(FMS)

    柔性制造系統(Flexible Manufacturing System 縮寫FMS)是指適用于多品種、中小批量生產的具有高柔性且自動化程度高的制造系統。柔性是FMS的最大特點,即系統內部對外部環境的適應能力。FMS自其誕生以來就顯示出強大的生命力,它克服了傳統的剛性自動線只適用于大量生產的局限性,表現出了對多品種、中小批量生產制造自動化的適應能力。隨著社會對產品多樣化、低制造成本、短制造周期要求的日趨迫切,由于微電子技術、計算機技術、通信技術、機械與控制設備的進步,柔性制造技術發展迅猛并日臻成熟。實用表明,柔性制造技術具有如下特點:具有較高的柔性、機構性和通用性;轉產快、準備時間短;備利用率高,可實現無人看管24h連續工作;加工質量高且穩定;所需費用低;相同產量占地面積是傳統設備的60%。由此可見,正是由于柔性制造技術的這種高效、靈活的特性使其成為實施敏捷制造、并行工程、精益生產和智能制造系統的基礎,且應用日益廣泛,已成為制造領域的核心技術。而按規模大小FMS主要分為:柔性制造單元(FMC);柔性制造線(FML);柔性制造系統(FMS)。

    一般柔性制造系統的主要組成部分為:

    (1) 加工系統

    FMS采用的設備由待加工工件的類別決定主要有加工中心、車削中心或計算機數控(CNC)車、銑、磨及齒輪加工機床等,用以自動地完成多種工序的加工。

    (2) 物料系統

    用以實現工件及工裝夾具的自動供給和裝卸,以及完成工序間的自動傳送、調運和存貯工作,包括各種傳送帶、自動導引小車、工業機器人及專用起吊運送機等。

    (3) 計算機控制系統

    用以處理FMS的各種信息,輸出控制CNC機床和物料系統等自動操作所需的信息。通常采用三級(設備級、工作站級、單

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