激光增減材復(fù)合加工中多軸聯(lián)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方式

張建明

摘 要：激光增減材復(fù)合加工技術(shù)是伴隨增材制造技術(shù)的發(fā)展而出現(xiàn)的新興技術(shù)，代表著增材制造未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。激光增減材復(fù)合加工屬于三維立體加工，通過(guò)多軸聯(lián)動(dòng)控制機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)，本文針對(duì)激光增減材復(fù)合加工中多軸聯(lián)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)方式進(jìn)行了研究，總結(jié)了多軸聯(lián)動(dòng)的幾種典型實(shí)現(xiàn)方式，對(duì)產(chǎn)業(yè)化前景進(jìn)行了展望。

關(guān)鍵詞：激光;增材制造;減材;復(fù)合加工;多軸聯(lián)動(dòng);龍門;工作臺(tái)

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2019.21.091

1 引言

增材制造又稱3D打印，是將產(chǎn)品三維數(shù)據(jù)模型切分成二維矢量數(shù)據(jù)，通過(guò)逐層堆積材料形成三維產(chǎn)品的技術(shù)，激光增材制造技術(shù)指的就是以激光作為堆積熱源的增材制造技術(shù)。減材顧名思義就是去除材料，以去除材料為手段的加工方式均可稱為減材加工，最常見(jiàn)的是切削加工，可使用刀具，也可使用激光、等離子等熱源。

增材加工對(duì)傳統(tǒng)加工方式的顛覆性革新就是在材料逐層堆積中形成三維產(chǎn)品，擺脫了對(duì)模具的需要，并可成型任意復(fù)雜形狀，但也正是由于增材制造的這種逐層堆積加工方式，給產(chǎn)品外形精度帶來(lái)了不確定性，因此，增材加工一般伴隨著以輪廓精加工為目的的減材加工，這兩種加工工藝融合便出現(xiàn)了激光增減材復(fù)合加工工藝。激光增減材復(fù)合加工工藝由于在原有的激光增材加工中加入了減材加工，如何通過(guò)多軸聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)三維空間內(nèi)的增減材加工協(xié)調(diào)配合是目前的研究熱點(diǎn)。

2 多軸聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方式

激光增減材復(fù)合加工根據(jù)減材加工的介入階段來(lái)說(shuō)，一般有兩種方式，一是增材加工過(guò)程中同時(shí)進(jìn)行減材加工，一種是增材加工完成后實(shí)施減材加工，本文對(duì)此不作嚴(yán)格區(qū)分，另外，本文對(duì)激光增減材復(fù)合加工中減材加工是否采用激光手段也不作嚴(yán)格限定。

2.1 龍門架主動(dòng)式復(fù)合加工

激光增減材復(fù)合加工設(shè)備的三維運(yùn)動(dòng)控制很多借鑒了傳統(tǒng)的數(shù)控加工機(jī)床，因此，帶有龍門架的復(fù)合加工設(shè)備應(yīng)用比較廣泛，采用該技術(shù)的激光增減材復(fù)合加工設(shè)備一般通過(guò)龍門架和移動(dòng)橫梁的平移和升降運(yùn)動(dòng)復(fù)合來(lái)構(gòu)建三維加工所需的主要自由度，有時(shí)會(huì)賦予位于底部的工作臺(tái)一個(gè)單向自由度（一般是X向、Y向自由度之一或者旋轉(zhuǎn)自由度）。例如，濟(jì)南愛(ài)華達(dá)新材料有限公司于2015年申請(qǐng)的名為“一種新型綜合性數(shù)控3D打印設(shè)備及使用方法”專利（公開(kāi)號(hào)CN104625061A）中，多軸聯(lián)動(dòng)設(shè)備由龍門架帶動(dòng)加工頭（激光燒結(jié)金屬粉末噴頭和切削頭）來(lái)實(shí)現(xiàn)X向、Y向和Z向的運(yùn)動(dòng)自由度，實(shí)現(xiàn)立體空間內(nèi)的增材和減材三維加工，在工作臺(tái)上僅設(shè)置一個(gè)工件旋轉(zhuǎn)自由度。

類似的設(shè)備還例如南京工大數(shù)控科技有限公司于2017年申請(qǐng)的名為“一種大型橋式龍門混合加工機(jī)床及其加工方法”專利（公開(kāi)號(hào)CN107214523A）等。由于這種龍門架主動(dòng)式復(fù)合加工方式可以充分利用現(xiàn)有數(shù)控加工技術(shù)的框架基礎(chǔ)，因此這類加工設(shè)備是最易于研發(fā)、制造，也是最有希望實(shí)現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化生產(chǎn)的一類設(shè)備。

2.2 工作臺(tái)主動(dòng)式復(fù)合加工

與龍門架主動(dòng)式復(fù)合加工方式不同，工作臺(tái)主動(dòng)式復(fù)合加工設(shè)備中支撐加工頭的架體結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)自由度數(shù)量被減小，而工作平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)自由度增大。例如，北京理工大學(xué)于2015年申請(qǐng)的名為“一種用于精密微細(xì)復(fù)雜結(jié)構(gòu)件的復(fù)合增材制造方法”專利（公開(kāi)號(hào)CN104999080A）中，五軸聯(lián)動(dòng)設(shè)備將更多的運(yùn)動(dòng)自由度賦予工作臺(tái)，通過(guò)工作臺(tái)進(jìn)行X軸、Y軸、C軸聯(lián)動(dòng)，該加工設(shè)備即使在由激光增材加工轉(zhuǎn)向減材復(fù)合加工時(shí)，也是由工作臺(tái)的轉(zhuǎn)臺(tái)沿X軸方向轉(zhuǎn)移到減材加工的電主軸下方。與之類似，湖南大學(xué)于2018年申請(qǐng)的名為“一種選區(qū)激光熔覆與磨削原位復(fù)合制造裝置”專利（公開(kāi)號(hào)CN108161009A）同樣將更多的運(yùn)動(dòng)自由度賦予工作臺(tái)，由工作臺(tái)來(lái)執(zhí)行X向、Y向運(yùn)動(dòng)和逐層加工時(shí)的升降，有異曲同工之妙。

工作臺(tái)的運(yùn)動(dòng)控制在現(xiàn)有的數(shù)控加工設(shè)備（例如數(shù)控切削機(jī)床）中也有比較成熟的應(yīng)用基礎(chǔ)，工作臺(tái)主動(dòng)式復(fù)合加工技術(shù)由于可以解放激光加工系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)維度，因此對(duì)一些復(fù)雜的激光增材制造技術(shù)，例如我們熟知的SLM（選區(qū)激光熔化）技術(shù)具有適應(yīng)性，也具有廣泛應(yīng)用前景。

2.3 加工頭多動(dòng)式復(fù)合加工

與前兩種增減材復(fù)合加工多軸聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方式都有所不同，本節(jié)的加工頭多動(dòng)式復(fù)合加工賦予了激光加工頭自身更多的運(yùn)動(dòng)自由度。需要注意，這里定義的“加工頭多動(dòng)式復(fù)合加工”用的是“多動(dòng)式”這一表述，而不是“主動(dòng)式”這一表述，這是因?yàn)榧す饧庸ゎ^具有更多的運(yùn)動(dòng)自由度并不必然意味著必然要減少工作臺(tái)或架體的自由度。例如，華中科技大學(xué)于2016年申請(qǐng)的名為“一種大幅面零部件的增減材復(fù)合制造設(shè)備”專利（CN106312574A）中，多軸聯(lián)動(dòng)設(shè)備床身上安裝有多個(gè)用于激光送粉增材制造的六自由度倒掛機(jī)器人和五軸聯(lián)動(dòng)龍門銑床，將增材制造的運(yùn)動(dòng)自由度主要賦予了六自由度倒掛機(jī)器人，而減材復(fù)合加工則來(lái)自五軸聯(lián)動(dòng)龍門銑床獨(dú)立提供的運(yùn)動(dòng)自由度。

當(dāng)加工頭被賦予了較多運(yùn)動(dòng)維度時(shí)，往往代表著對(duì)加工效率的極致追求或?qū)庸?duì)象復(fù)雜性的充分考慮，激光加工頭自身多維運(yùn)動(dòng)是一項(xiàng)控制難點(diǎn)，因?yàn)樯婕暗綄?duì)激光加工頭結(jié)構(gòu)包括激光光路的再設(shè)計(jì)，但由于傳統(tǒng)激光三維加工技術(shù)已日趨成熟，這些技術(shù)在增材制造中也具有一定通用性，也已有很多公開(kāi)技術(shù)提供了可操作的方案，大規(guī)模產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用同樣可期。

3 發(fā)展前景

本文研究了三種常見(jiàn)的激光增減材復(fù)合加工多軸聯(lián)動(dòng)實(shí)現(xiàn)方式，這三種方式各有優(yōu)點(diǎn)，均符合產(chǎn)業(yè)化需要。需要指出，上述三種方式并未代表本領(lǐng)域的全部技術(shù)，將多軸聯(lián)動(dòng)的自由度在工作臺(tái)、龍門架、加工頭等之間進(jìn)行更均衡的分配也是本領(lǐng)域的一個(gè)研究方向，本文雖然沒(méi)有對(duì)這一類技術(shù)進(jìn)行專門歸納，但由于其能解決特定加工問(wèn)題、應(yīng)對(duì)特定加工需要，產(chǎn)業(yè)中同樣有應(yīng)用（例如華中科技大學(xué)專利CN106735216A等），并同樣具有廣泛的應(yīng)用前景。

4 總結(jié)

激光增減材復(fù)合加工技術(shù)結(jié)合了激光增材加工的高效快捷性優(yōu)勢(shì)和減材加工易于實(shí)現(xiàn)精加工的優(yōu)勢(shì)，代表著增材制造領(lǐng)域的未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。充分研究實(shí)現(xiàn)激光增減材三維加工的多軸聯(lián)動(dòng)控制原理，對(duì)于推進(jìn)我國(guó)增材制造技術(shù)的產(chǎn)業(yè)化應(yīng)用具有重要的意義，符合我國(guó)智能制造產(chǎn)業(yè)規(guī)劃，是建設(shè)技術(shù)強(qiáng)國(guó)的一條重要途徑。