激光增减材复合加工中多轴联动的实现方式

张建明

摘 要：激光增减材复合加工技术是伴随增材制造技术的发展而出现的新兴技术，代表着增材制造未来发展趋势。激光增减材复合加工属于三维立体加工，通过多轴联动控制机构实现，本文针对激光增减材复合加工中多轴联动的实现方式进行了研究，总结了多轴联动的几种典型实现方式，对产业化前景进行了展望。

关键词：激光;增材制造;减材;复合加工;多轴联动;龙门;工作台

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

1 引言

增材制造又称3D打印，是将产品三维数据模型切分成二维矢量数据，通过逐层堆积材料形成三维产品的技术，激光增材制造技术指的就是以激光作为堆积热源的增材制造技术。减材顾名思义就是去除材料，以去除材料为手段的加工方式均可称为减材加工，最常见的是切削加工，可使用刀具，也可使用激光、等离子等热源。

增材加工对传统加工方式的颠覆性革新就是在材料逐层堆积中形成三维产品，摆脱了对模具的需要，并可成型任意复杂形状，但也正是由于增材制造的这种逐层堆积加工方式，给产品外形精度带来了不确定性，因此，增材加工一般伴随着以轮廓精加工为目的的减材加工，这两种加工工艺融合便出现了激光增减材复合加工工艺。激光增减材复合加工工艺由于在原有的激光增材加工中加入了减材加工，如何通过多轴联动实现三维空间内的增减材加工协调配合是目前的研究热点。

2 多轴联动实现方式

激光增减材复合加工根据减材加工的介入阶段来说，一般有两种方式，一是增材加工过程中同时进行减材加工，一种是增材加工完成后实施减材加工，本文对此不作严格区分，另外，本文对激光增减材复合加工中减材加工是否采用激光手段也不作严格限定。

2.1 龙门架主动式复合加工

激光增减材复合加工设备的三维运动控制很多借鉴了传统的数控加工机床，因此，带有龙门架的复合加工设备应用比较广泛，采用该技术的激光增减材复合加工设备一般通过龙门架和移动横梁的平移和升降运动复合来构建三维加工所需的主要自由度，有时会赋予位于底部的工作台一个单向自由度（一般是X向、Y向自由度之一或者旋转自由度）。例如，济南爱华达新材料有限公司于2015年申请的名为“一种新型综合性数控3D打印设备及使用方法”专利（公开号CN104625061A）中，多轴联动设备由龙门架带动加工头（激光烧结金属粉末喷头和切削头）来实现X向、Y向和Z向的运动自由度，实现立体空间内的增材和减材三维加工，在工作台上仅设置一个工件旋转自由度。

类似的设备还例如南京工大数控科技有限公司于2017年申请的名为“一种大型桥式龙门混合加工机床及其加工方法”專利（公开号CN107214523A）等。由于这种龙门架主动式复合加工方式可以充分利用现有数控加工技术的框架基础，因此这类加工设备是最易于研发、制造，也是最有希望实现产业化生产的一类设备。

2.2 工作台主动式复合加工

与龙门架主动式复合加工方式不同，工作台主动式复合加工设备中支撑加工头的架体结构运动自由度数量被减小，而工作平台的运动自由度增大。例如，北京理工大学于2015年申请的名为“一种用于精密微细复杂结构件的复合增材制造方法”专利（公开号CN104999080A）中，五轴联动设备将更多的运动自由度赋予工作台，通过工作台进行X轴、Y轴、C轴联动，该加工设备即使在由激光增材加工转向减材复合加工时，也是由工作台的转台沿X轴方向转移到减材加工的电主轴下方。与之类似，湖南大学于2018年申请的名为“一种选区激光熔覆与磨削原位复合制造装置”专利（公开号CN108161009A）同样将更多的运动自由度赋予工作台，由工作台来执行X向、Y向运动和逐层加工时的升降，有异曲同工之妙。

工作台的运动控制在现有的数控加工设备（例如数控切削机床）中也有比较成熟的应用基础，工作台主动式复合加工技术由于可以解放激光加工系统的运动维度，因此对一些复杂的激光增材制造技术，例如我们熟知的SLM（选区激光熔化）技术具有适应性，也具有广泛应用前景。

2.3 加工头多动式复合加工

与前两种增减材复合加工多轴联动实现方式都有所不同，本节的加工头多动式复合加工赋予了激光加工头自身更多的运动自由度。需要注意，这里定义的“加工头多动式复合加工”用的是“多动式”这一表述，而不是“主动式”这一表述，这是因为激光加工头具有更多的运动自由度并不必然意味着必然要减少工作台或架体的自由度。例如，华中科技大学于2016年申请的名为“一种大幅面零部件的增减材复合制造设备”专利（CN106312574A）中，多轴联动设备床身上安装有多个用于激光送粉增材制造的六自由度倒挂机器人和五轴联动龙门铣床，将增材制造的运动自由度主要赋予了六自由度倒挂机器人，而减材复合加工则来自五轴联动龙门铣床独立提供的运动自由度。

当加工头被赋予了较多运动维度时，往往代表着对加工效率的极致追求或对加工对象复杂性的充分考虑，激光加工头自身多维运动是一项控制难点，因为涉及到对激光加工头结构包括激光光路的再设计，但由于传统激光三维加工技术已日趋成熟，这些技术在增材制造中也具有一定通用性，也已有很多公开技术提供了可操作的方案，大规模产业化应用同样可期。

3 发展前景

本文研究了三种常见的激光增减材复合加工多轴联动实现方式，这三种方式各有优点，均符合产业化需要。需要指出，上述三种方式并未代表本领域的全部技术，将多轴联动的自由度在工作台、龙门架、加工头等之间进行更均衡的分配也是本领域的一个研究方向，本文虽然没有对这一类技术进行专门归纳，但由于其能解决特定加工问题、应对特定加工需要，产业中同样有应用（例如华中科技大学专利CN106735216A等），并同样具有广泛的应用前景。

4 总结

激光增减材复合加工技术结合了激光增材加工的高效快捷性优势和减材加工易于实现精加工的优势，代表着增材制造领域的未来发展趋势。充分研究实现激光增减材三维加工的多轴联动控制原理，对于推进我国增材制造技术的产业化应用具有重要的意义，符合我国智能制造产业规划，是建设技术强国的一条重要途径。