由于對(duì)高強(qiáng)度鋼和鋁材應(yīng)用的持續(xù)提升，汽車部件的輕量化領(lǐng)域已經(jīng)取得了顯著的進(jìn)步。 然而，輕質(zhì)零部件的大部分成本是原材料——特別是對(duì)于沖壓落料的零件而言更是如此，由于在板件或卷材的切割過程中會(huì)產(chǎn)生廢料，從而浪費(fèi)大量的材料。 此外，對(duì)于沖壓落料工藝來說，每個(gè)部件都需要一款模具，因此，模具制造、模具更換和模具存儲(chǔ)都是不可避免的。
最大限度地減少浪費(fèi)以及降低與模具相關(guān)的成本不僅能夠削減部件成本，同時(shí)還減少了材料生產(chǎn)過程中產(chǎn)生的能源和二氧化碳——這對(duì)于使用大量材料的汽車行業(yè)而言是面臨的一個(gè)不小挑戰(zhàn)。 鑒于此，本田（Honda）的解決方案是開發(fā)了一款用于批量生產(chǎn)的無模（ die-less ）智能激光落料系統(tǒng)（ILBS）。
智能激光落料系統(tǒng)的目標(biāo)
用模具進(jìn)行沖壓落料是一種被廣泛用于汽車行業(yè)大批量生產(chǎn)的工藝。與其高生產(chǎn)率相反的是，使用模具的缺點(diǎn)是帶來的昂貴制造成本和對(duì)長期存儲(chǔ)空間的需求。此外，由于最小曲率引發(fā)的刀刃設(shè)計(jì)的限制，落料部件的材料回收率不是最佳的。
通過在汽車鈑金生產(chǎn)中應(yīng)用激光落料技術(shù)，便不再需要用到模具，并且可以避免沖壓硬化，從而帶來更高的設(shè)計(jì)自由度、更低的成本和更高的可成形性，這些都是激光落料超越常規(guī)沖壓落料工藝的優(yōu)點(diǎn)。然而，激光落料主要用于小批量的原型設(shè)計(jì)，因?yàn)榕c沖壓落料相比，其工藝速度極其緩慢。
圖1. 本田工程有限公司在日本Yorii 工廠安裝的ILBS生產(chǎn)線。
因而，提高激光落料的加工速度對(duì)于最大化其優(yōu)于沖壓落料的優(yōu)勢(shì)至關(guān)重要。本田利用ILBS進(jìn)行批量生產(chǎn)，主要開發(fā)出三種關(guān)鍵技術(shù)：高速激光切割、高加速的H型龍門架系統(tǒng)，以及連續(xù)進(jìn)料的輸送系統(tǒng)（圖1）。
高速激光切割
激光切割涉及通過施加熱能來熔化金屬板材，并通過施加氣體來除去熔融金屬。因此，通過增加熱能密度和優(yōu)化輔助氣體條件來提高切割速度是非常重要的舉措。本田使用了光斑直徑為50μm的5kW光纖激光器來提高熱能密度。對(duì)于輔助氣體，主要使用氮?dú)鈦泶鎵嚎s空氣，以避免在切割表面產(chǎn)生氧化現(xiàn)象，從而能獲得更好的質(zhì)量。
首先，本田展示了使用具有優(yōu)化的輔助氣體條件和間隙（噴嘴頭到工件距離）的大功率激光器，可以實(shí)現(xiàn)120m / min（板件厚度：0.6mm）的切割速度。間隙是激光切割的一個(gè)重要參數(shù)，因?yàn)檫@將對(duì)激光焦點(diǎn)和輔助氣體流速產(chǎn)生直接的影響。當(dāng)我們說“可能切割”時(shí)，這意味著該間隙在批量生產(chǎn)過程中有足夠的公差來抵抗干擾。
在實(shí)際切割中，由于激光頭振動(dòng)和鈑金波紋引起的間隙變化會(huì)導(dǎo)致激光焦點(diǎn)的散焦，由此產(chǎn)生切割問題。與使用相同光學(xué)性能的傳統(tǒng)激光頭相比，本田使用了一款重量比傳統(tǒng)激光頭減少三分之一，但光學(xué)性能相同的輕型激光加工頭，從而降低了機(jī)架上的慣性力，以避免加速過程中的機(jī)器振動(dòng)（圖2）。
圖2. 高速激光切割頭的重量比傳統(tǒng)激光頭減少三分之一，但光學(xué)性能保持不變。
鈑金波紋是間隙的重要因素。如同傳統(tǒng)的系統(tǒng)一樣，激光頭尖端的電容式位移傳感器不斷地測(cè)量鈑金件之間的距離，然后將其反饋到激光頭的z軸電機(jī)以穩(wěn)定其間隙。本田改進(jìn)了測(cè)量頻率和處理速度，以契合ILBS的切割速度，這比傳統(tǒng)系統(tǒng)要快得多。
通過提高熱能密度，穩(wěn)定間隙和優(yōu)化輔助氣體條件，本田在大規(guī)模生產(chǎn)環(huán)境中實(shí)現(xiàn)了比常規(guī)激光切割系統(tǒng)快出3倍的切割速度。
高加速H型龍門架系統(tǒng)
激光頭需要在2D平面中自由移動(dòng)以切割出方形、弓形和復(fù)雜形狀的坯料。隨著激光頭的軌線確定了尺寸精度，位置的重復(fù)性以及運(yùn)動(dòng)的精度變得愈發(fā)重要。
當(dāng)切割復(fù)雜的形狀時(shí)，加工時(shí)間顯著增加，因?yàn)榧す忸^需要沿著各種曲線移動(dòng)，其中包括加速度。因此，激光頭需要高加速、高精度的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)。
通常，對(duì)于工業(yè)機(jī)器人來說，由于加速度不夠高，因此得到保證的是位置的重復(fù)性，而不是其軌線。當(dāng)使用線性電機(jī)驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)來提高每個(gè)軸的精度和加速度時(shí)，需要巨大的驅(qū)動(dòng)力，從而導(dǎo)致連續(xù)運(yùn)行時(shí)電機(jī)的高功耗和過熱。根據(jù)運(yùn)動(dòng)定律，a = F/M（其中a =加速度，F(xiàn) =力和M =質(zhì)量），減輕重量是改善加速度的最佳方式。
H型龍門架由四臺(tái)固定式伺服電機(jī)和傳動(dòng)皮帶組成。通過控制左右伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)，傳動(dòng)皮帶使激光頭沿著x軸和y軸方向移動(dòng)。這是一個(gè)獨(dú)特的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，在驅(qū)動(dòng)部件上沒有作動(dòng)器，從而實(shí)現(xiàn)了輕量化的設(shè)計(jì)。
此外，通過使用輕質(zhì)，高剛性的碳纖維增強(qiáng)塑料（CFRP）來減輕框架的重量和變形，與傳統(tǒng)鋼架3G的加速度相比，本田實(shí)現(xiàn)了10G的加速度。同時(shí)，通過使用帶碳纖維芯的聚氨酯傳動(dòng)帶，由此獲得的延伸率幫助減少了50％的精度問題。
通過優(yōu)化影響H型龍門架剛度的關(guān)鍵要素，本田實(shí)現(xiàn)了高加速度，并且提高了軌跡精度。
連續(xù)進(jìn)料的輸送系統(tǒng)
在常規(guī)的沖壓落料工藝中，將材料送入壓機(jī)中并且以一定的長度中止進(jìn)料，而板件獲得落料，重復(fù)該步驟直到全部的卷材被壓平和排出。這意味著在進(jìn)料過程中，模具不起作用。借助智能激光落料系統(tǒng)，本田通過連續(xù)進(jìn)料輸送系統(tǒng)來提高生產(chǎn)線的效率，從而消除了這一停機(jī)時(shí)間。
為了建立連續(xù)的激光切割過程，確保激光頭下方的空間并穩(wěn)定進(jìn)料是關(guān)鍵問題。 一般來說，激光切割下方位置的鋸齒支架能夠在切割過程中保持板件的平整。 鋸齒支架的問題是鋸齒本身同時(shí)被切割，因而在高速切割期間會(huì)由于熔融金屬排出造成的堵塞而發(fā)生切割失效。
因此，本田開發(fā)了可以保護(hù)激光頭下方空間的傳送系統(tǒng)。 一個(gè)飛濺箱被放置在激光頭下面，與激光頭的y軸運(yùn)動(dòng)保持同步，從而使其可以自始至終安全地收集飛濺物。 這種使用了CFRP的獨(dú)特傳送系統(tǒng)旨在減輕重量并增加與高加速H型龍門架系統(tǒng)保持同步的剛度。
基于這種同步系統(tǒng)，本田可以在2×2m的工藝區(qū)內(nèi)切割長度大于3m的側(cè)面板（SPO）等大型零件，以及后內(nèi)板等小型部件。
飛濺物收集器和自動(dòng)清洗系統(tǒng)
ILBS在一天內(nèi)能夠切割10-20噸的卷材，從而使每天要收集數(shù)十公斤的飛濺物受到關(guān)注。在傳統(tǒng)的激光切割工藝中，煙霧收集器僅用于收集微小的飛濺物。相較之下，ILBS使用飛濺箱來收集和防止飛濺物飛散，飛濺箱與一款設(shè)計(jì)用于收集不同尺寸的飛濺物的煙霧收集器進(jìn)行連接。
本田通過減少過濾器的堵塞來提高飛濺物的收集效率并保持吸力，這通常需要定期維護(hù)。他們還通過使用自動(dòng)清潔系統(tǒng)來最大限度地減少對(duì)生產(chǎn)率的影響，自動(dòng)清潔系統(tǒng)在卷材更換期間對(duì)過濾器進(jìn)行清潔處理。
ILBS的實(shí)施結(jié)果
自2015年10月以來，本田已經(jīng)使用ILBS（這是汽車行業(yè)首款無模落料線）（圖3），對(duì)例如SPO和覆蓋件等在內(nèi)的許多部件進(jìn)行了落料加工。當(dāng)前模型的模具依然存在，因?yàn)樵趯?shí)施智能激光落料系統(tǒng)之前已經(jīng)開始生產(chǎn)，但是從現(xiàn)在開始的模型無須再使用模具，因此不需要存儲(chǔ)空間或周轉(zhuǎn)設(shè)備。之前型號(hào)的模具必須在零件生產(chǎn)結(jié)束后存儲(chǔ)10年——然而使用了ILBS，所需的數(shù)據(jù)幾乎可以永久保存。
圖3 顯示了使用無模的落料生產(chǎn)線揀選廢料。
通常，坯料被設(shè)計(jì)成具有一定的余量，以應(yīng)對(duì)沖壓成形過程中落料設(shè)置可能發(fā)生的校準(zhǔn)不當(dāng)?shù)膯栴}。此外，通過重寫程序，可以即刻借助落料設(shè)計(jì)的優(yōu)化來解決諸如裂紋等沖壓成形問題。 其他優(yōu)點(diǎn)，如沖壓成形性的提高和沖壓負(fù)荷的降低，推動(dòng)將高強(qiáng)度鋼的沖壓落料工藝替換為智能激光落料系統(tǒng)的進(jìn)程。
圖4顯示的是使用ILBS的激光落料零件的輸送。
結(jié)語
通過開發(fā)ILBS，本田徹底革新了汽車行業(yè)的制造過程（圖4）。 并且，公司希望與用戶攜手合作，不斷改進(jìn)ILBS，以幫助消除全球各國落料線上的模具使用。
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