在自动化项目中，工装往往是事后才考虑的问题。但当涉及激光时，它就成了一个关键的设计元素。无论是焊接、切割还是表面处理，激光系统对工装精度、一致性和可重复性的要求都高于其他加工技术。即使是最好的激光设备，也无法克服零件表面粗糙的问题。
工装的作用非常简单：固定工件并调整其方向，以便激光器完成工作。但是，要在数千次循环中可靠地做到这一点，同时考虑到工件几何形状、操作员负载、热变形和光束通道的变化，往往并不简单。
在此，我们将概述为激光自动化设计模具时的主要考虑因素。最重要的是，我们将强调为什么激光加工需要不同的思维方式。这将帮助您设计出更好的模具，同时也让您明白为什么大多数自动化设备供应商往往无法满足您的模具要求。
激光模具要求
与其他方法（尤其是激光焊接）相比，激光加工通常不容易受到夹具不良的影响。MIG 焊接等方法可以容忍微小的间隙或错位，而激光则要求更严格的公差和更高的重复性。
例如，部件边缘位置不一致的角焊会产生焊接间隙、欠切和焊接强度降低。因此，工具必须确保焊接应用的良好配合（通常小于 0.040"），以及复杂几何形状下一致的间距和横梁通道。
激光系统还要求一致性--可重复的输入对整体自动化产量大有裨益。如果工件从一个周期到下一个周期发生偏移、偏转或变化，激光无法始终进行补偿。有效的工具可确保每次加工都在同一位置进行。
此外，还有热输入问题。虽然激光加工速度很快，但长时间焊接或反复暴露仍会导致热引起的变形。工具必须在这些力对焊接成品产生负面影响之前进行预测和应对。
零件本身也是模具设计（通常是整个自动化流程）不可或缺的一部分。一个常见的错误是，只考虑激光加工的产量、质量和精度，而不考虑优化零件设计以充分发挥其优势。
有时，一个相对较小的改变，例如从圆角接头改为搭接接头，就能使激光加工更加可靠，并更好地支持激光友好型模具。但对于只关注工件夹持的模具供应商来说，这些类型的优化并不总是显而易见的。
工具的更广泛作用
除了刚才提到的所有细节外，了解模具在自动化系统和流程中的整体作用也很重要。它不仅仅是确保工件的安全。它还会影响整个激光加工过程的可靠性、效率和准确性。
这意味着好的工具在设计时必须考虑到工艺，而不仅仅是零件。要有效地做到这一点，模具必须具备四种相互依存的功能：
- 实现高效装卸
- 在加工过程中牢牢固定部件，并可重复使用
- 为激光束加工位置提供畅通无阻的通道
- 长期保持机械完整性和可靠性
要优化其中的每一个环节，都需要不同的设计策略。而且每种策略都有潜在的隐患。让我们逐一探讨。
装载/卸载
装载和卸载周期直接影响自动化生产率、安全性和正常运行时间。无论是全自动系统还是操作员辅助系统，工具都必须有助于快速、精确和可重复地放置零件。
对于手动装载的工件，夹具设计不当会导致对齐错误、操作员疲劳甚至安全风险。理想情况下，夹具是在整个工作单元的背景下设计的。这意味着要考虑工件定位和夹紧，以优化与操作员和自动化系统的交互（路径规划）。
对于高吞吐量系统而言，最大限度地缩短装载时间至关重要。自定位套料或导向销等功能可用于快速、轻松地放置零件，并防止出现错误。
如果零件装载是机器人操作，则必须考虑机器人末端工具 (EOAT) 的特性和能力。这对于确保夹具与 EOAT 之间可靠、可重复地循环对接是非常必要的。
虚拟工具还可用于模拟加载顺序，并在设计阶段验证触及范围和间隙区域。这有助于避免设计阶段出现意外，并使自动化系统更有可能在实际使用条件下顺利运行。
Part Holding
在激光自动化的工件夹持方面，没有放之四海而皆准的方法。归根结底，每个应用都是独一无二的。
同时，正确的工件夹持也是不容忽视的。简而言之，如果没有在正确的位置进行加工，那么无论激光加工还是其他加工，都不会奏效。
激光焊接夹具设计用于快速调整零件夹持，以适应多种不同的零件型号。
但夹持零件不仅仅是夹紧。而是要控制变化。即使是基准对齐或滑移面移动的微小偏差，也会影响激光加工。
幸运的是，并不总是需要等到原型设计和早期生产阶段才能发现变异造成的问题。
通常情况下，像变差模拟分析（VSA）这样的工具有助于在生产开始之前就发现零件的保持问题。零件的几何形状以及所有基准和公差都被输入到 VSA 软件中。然后使用各种统计方法来预测零件在模具中由于制造变化而产生的偏移，以及这些偏移将如何影响焊接位置和切割精度等问题。
使用 VSA 可以模拟零件公差与夹具设计之间的相互作用，并预测模具是否能在工艺要求范围内始终如一地定位零件。该分析有助于评估基准策略，找出可能影响质量的变化源。当发现问题时，VSA 可提供所需的洞察力，以便对夹具概念、零件几何形状或焊点设计进行必要的更改，从而提高工艺能力。
特别是在焊接方面，焊接变形分析（WDA）对零件的热反应进行建模，以确定可能发生变形的部位。与任何形式的 VSA 一样，如果建模行为发现了潜在问题，就可以对零件、工具或工艺进行更改，以消除这些问题。
过程访问
如果激光束不能到达加工区域，或不能以正确的角度进入加工区域，那么无论工件固定多么有效，加工过程仍然无法进行。加工通道是模具设计中最容易被忽视的因素之一。
激光加工通常需要特定的入射角、间隙或运动路径。复杂的焊接或加工路径可能需要光束的动态移动，甚至需要在加工过程中重新定位工件。在清洗应用中，间距与横向接触同样重要。
夹具设计用于在单个零件上夹持多个特征，同时允许光束进入高速激光扫描过程。
工艺接入的考虑不能等到集成时再进行。这些选择必须在工具设计阶段做出。有时，工具的选择甚至会影响到自动化系统本身的规格（例如所需的机械臂伸展范围）。
耐用性
在任何自动化流程中，一致性都至关重要。与机械方法相比，激光的一个主要优势是激光工具本身永不磨损。较高的工艺稳定性和几乎完全消除的工具更换停机时间，是激光在工业材料加工领域大受欢迎的主要原因。
理想情况下，夹具还必须具有类似的长期一致性。在激光系统中，这意味着夹具必须能够承受反复夹紧、热循环，甚至偶尔的杂散光束照射所造成的磨损。
请记住，耐用性不仅仅是机械强度。最重要的指标是数千次循环的可重复性。
激光自动化入门
激光自动化的成功不仅取决于良好的设备（尽管这也很重要）。它取决于支持该工艺的工具的质量。与大多数其他制造方法相比，激光要求更严格的公差、更一致的零件位置和更智能的夹具设计。虽然激光本身不会像机械工具那样磨损，但长期工艺稳定性仍然依赖于能够在循环往复中保持精度的工具。
由于要考虑如此多的因素，通常值得与经验丰富的激光集成商合作。
在 IPG，从激光材料分析到工艺开发、集成、持续支持和模具设计，我们都是您的全面激光自动化合作伙伴。
入门非常简单--给我们发送一些样品零件，参观我们的全球应用实验室，或者直接告诉我们您的应用。
