激光增減材復合加工中多軸聯動的實現方式

張建明

摘 要：激光增減材復合加工技術是伴隨增材制造技術的發展而出現的新興技術，代表著增材制造未來發展趨勢。激光增減材復合加工屬于三維立體加工，通過多軸聯動控制機構實現，本文針對激光增減材復合加工中多軸聯動的實現方式進行了研究，總結了多軸聯動的幾種典型實現方式，對產業化前景進行了展望。

關鍵詞：激光;增材制造;減材;復合加工;多軸聯動;龍門;工作臺

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

1 引言

增材制造又稱3D打印，是將產品三維數據模型切分成二維矢量數據，通過逐層堆積材料形成三維產品的技術，激光增材制造技術指的就是以激光作為堆積熱源的增材制造技術。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。

增材加工對傳統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品，擺脫了對模具的需要，并可成型任意復雜形狀，但也正是由于增材制造的這種逐層堆積加工方式，給產品外形精度帶來了不確定性，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了激光增減材復合加工工藝。激光增減材復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，如何通過多軸聯動實現三維空間內的增減材加工協調配合是目前的研究熱點。

2 多軸聯動實現方式

激光增減材復合加工根據減材加工的介入階段來說，一般有兩種方式，一是增材加工過程中同時進行減材加工，一種是增材加工完成后實施減材加工，本文對此不作嚴格區分，另外，本文對激光增減材復合加工中減材加工是否采用激光手段也不作嚴格限定。

2.1 龍門架主動式復合加工

激光增減材復合加工設備的三維運動控制很多借鑒了傳統的數控加工機床，因此，帶有龍門架的復合加工設備應用比較廣泛，采用該技術的激光增減材復合加工設備一般通過龍門架和移動橫梁的平移和升降運動復合來構建三維加工所需的主要自由度，有時會賦予位于底部的工作臺一個單向自由度（一般是X向、Y向自由度之一或者旋轉自由度）。例如，濟南愛華達新材料有限公司于2015年申請的名為“一種新型綜合性數控3D打印設備及使用方法”專利（公開號CN104625061A）中，多軸聯動設備由龍門架帶動加工頭（激光燒結金屬粉末噴頭和切削頭）來實現X向、Y向和Z向的運動自由度，實現立體空間內的增材和減材三維加工，在工作臺上僅設置一個工件旋轉自由度。

類似的設備還例如南京工大數控科技有限公司于2017年申請的名為“一種大型橋式龍門混合加工機床及其加工方法”專利（公開號CN107214523A）等。由于這種龍門架主動式復合加工方式可以充分利用現有數控加工技術的框架基礎，因此這類加工設備是最易于研發、制造，也是最有希望實現產業化生產的一類設備。

2.2 工作臺主動式復合加工

與龍門架主動式復合加工方式不同，工作臺主動式復合加工設備中支撐加工頭的架體結構運動自由度數量被減小，而工作平臺的運動自由度增大。例如，北京理工大學于2015年申請的名為“一種用于精密微細復雜結構件的復合增材制造方法”專利（公開號CN104999080A）中，五軸聯動設備將更多的運動自由度賦予工作臺，通過工作臺進行X軸、Y軸、C軸聯動，該加工設備即使在由激光增材加工轉向減材復合加工時，也是由工作臺的轉臺沿X軸方向轉移到減材加工的電主軸下方。與之類似，湖南大學于2018年申請的名為“一種選區激光熔覆與磨削原位復合制造裝置”專利（公開號CN108161009A）同樣將更多的運動自由度賦予工作臺，由工作臺來執行X向、Y向運動和逐層加工時的升降，有異曲同工之妙。

工作臺的運動控制在現有的數控加工設備（例如數控切削機床）中也有比較成熟的應用基礎，工作臺主動式復合加工技術由于可以解放激光加工系統的運動維度，因此對一些復雜的激光增材制造技術，例如我們熟知的SLM（選區激光熔化）技術具有適應性，也具有廣泛應用前景。

2.3 加工頭多動式復合加工

與前兩種增減材復合加工多軸聯動實現方式都有所不同，本節的加工頭多動式復合加工賦予了激光加工頭自身更多的運動自由度。需要注意，這里定義的“加工頭多動式復合加工”用的是“多動式”這一表述，而不是“主動式”這一表述，這是因為激光加工頭具有更多的運動自由度并不必然意味著必然要減少工作臺或架體的自由度。例如，華中科技大學于2016年申請的名為“一種大幅面零部件的增減材復合制造設備”專利（CN106312574A）中，多軸聯動設備床身上安裝有多個用于激光送粉增材制造的六自由度倒掛機器人和五軸聯動龍門銑床，將增材制造的運動自由度主要賦予了六自由度倒掛機器人，而減材復合加工則來自五軸聯動龍門銑床獨立提供的運動自由度。

當加工頭被賦予了較多運動維度時，往往代表著對加工效率的極致追求或對加工對象復雜性的充分考慮，激光加工頭自身多維運動是一項控制難點，因為涉及到對激光加工頭結構包括激光光路的再設計，但由于傳統激光三維加工技術已日趨成熟，這些技術在增材制造中也具有一定通用性，也已有很多公開技術提供了可操作的方案，大規模產業化應用同樣可期。

3 發展前景

本文研究了三種常見的激光增減材復合加工多軸聯動實現方式，這三種方式各有優點，均符合產業化需要。需要指出，上述三種方式并未代表本領域的全部技術，將多軸聯動的自由度在工作臺、龍門架、加工頭等之間進行更均衡的分配也是本領域的一個研究方向，本文雖然沒有對這一類技術進行專門歸納，但由于其能解決特定加工問題、應對特定加工需要，產業中同樣有應用（例如華中科技大學專利CN106735216A等），并同樣具有廣泛的應用前景。

4 總結

激光增減材復合加工技術結合了激光增材加工的高效快捷性優勢和減材加工易于實現精加工的優勢，代表著增材制造領域的未來發展趨勢。充分研究實現激光增減材三維加工的多軸聯動控制原理，對于推進我國增材制造技術的產業化應用具有重要的意義，符合我國智能制造產業規劃，是建設技術強國的一條重要途徑。