激光加工与机器人应用

激光加工即是利用激光作为能量，将材料熔化而后成型的一种加工方法。按加工的目的，可以分为激光切割、激光打标、激光焊接、激光熔敷、激光增材制造等。激光的温度可达到6000°，作用于材料能瞬间将材料熔化甚至气化。作为典型的热加工，以热影响区小、加工速度快，成型后无需后续加工而著称，特别适合于薄板或受热容易变形的材料。考虑到激光的安全性，以及激光加工的高效性，激光加工通常采用自动化辅助生产，能高效完成加工任务。

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激光加工的基础是激光加工系统，武汉法利莱的万瓦加工系统，集激光切割、焊接、熔敷、扫描焊一体，是激光加工系统的集大成者。

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一套完整的激光加工系统包括激光器（含光纤、冷水机和稳压电源）、激光头、运动机构（机器人或机床）、工作平台、其他辅助装备（工控机、冷干机、辅助水气等）。以下简要介绍激光器、激光头和运动机构等三部分。

图1   激光加工系统模型（左）和万瓦激光器（右）

     激光器是激光加工的核心，目前，主要采用光纤激光器，其光束质量好，电光转化效率高，免维护，适合于各种材料加工。

     目前主流的激光器有CO2激光器、光纤激光器、半导体激光器、碟片激光器等。

     方向单一是激光的主要特性，基于这一点，可以通过光学传输输出不同大小的光斑，从而适用不同的加工。另外，激光能量集中，使得激光的穿透能力强，适用于厚板的加工。

     激光加工系统适应于加工件结构特点的运动机械构成其运动机构，通常采用机床加工，目前主流的加工手段是机床加工，其加工精度高，稳定性好，主要应用于二维加工，包括激光打标、激光切割、激光熔敷；采用机械手臂，柔性好，易于实现三维加工，包括三维激光切割，激光焊接等；加工精度比机床精度差，灵活性更佳，占地面积相对较小。

图2   机床（左）和机器人（右）

     激光头是激光加工输出光能量的终端机构，通过光学镜片组合，先将激光扩束，然后通过光学镜片将激光放大的过程。按照激光加工的功能，可分为激光切割头，激光焊接头，激光熔敷头，扫描激光头，激光打标头等。

     普通的激光切割头，附带吹气嘴，采用高压能将激光熔化的材料吹除，从而形成切缝。目前汽车厂主流使用的激光钎焊头，其附带激光自动聚集功能，从而更加有利于激光加工的稳定性。扫描激光头，能利用镜片角度的转动和位置的移动，保证激光作用于工件的光斑大小不变，而且通过精确的控制，在激光头姿态不改变的前提下，能够实现圆形，直线段，C型等结构的焊缝结构。

1 激光焊接头；2 激光钎焊头；3 激光切割头；4 激光扫描焊接头光束原理

图3   各种激光加工头

     激光加工应用效果如下所示

1 激光打标；2 激光钎焊；3 激光切割；4 激光增材制造

图4   激光加工效果图

     机器人应用

     蒸气机的发明，部分的解放了人类的双手，使得工业革命变成一种可能；发电机的发明，电力代替人手工劳作得到普及；计算机等的发明，给机械安装大脑，带来机械运行速度的极大提升；未来智能工厂的普及，将使得制造不再以标准化的产品为准，而将以人的个性化需求为基础，通过智能控制整个产业链，极大的满足个性化需求，而且能有效的提升产品的生产效率。机器人的应用，是通向智能制造的一个基础。

     目前，主流的机器人厂家有德国KUKA，日本的FUNAC，瑞典的ABB，国内有首钢的莫托曼和沈阳新松机器人。机器人主要有两部分组成，包括硬件（主要是指机器人的机械手臂，包括减速机、编码器等）和软件（机器人本体的控制器）。

     工业机器人有以下三大功能：

     1、运动功能（在可达空间内任意点的运动到达）；

     2、信号交换及功能实现（与其他设备进行信号交换，控制其他设备的开启和关闭，或被PLC控制与其他设备一起实现功能）；

     3、仿真及轨迹模拟（图5如示，通过仿真及轨迹模拟，研究机器人轨迹的可达性、CT循环时间等）。

图5   机器人模拟（左）及机器人轴数（右）

     关于机器人的选型，考虑以下问题：

     1、品牌及定价；

     2、负载：机器人六轴负载重量和转动惯量；

     3、轴数：机器手臂的轴数量（如图5右所示）；

     4、行程：机器人所能达到的最大路径区间；

     5、精度：达到某位置点的精度和重复运动的定位精度；

     6、安装方式：水平或倒置；

     机器人的主要应用如下：点焊、搬运、喷涂、切割、涂胶（如图6）等；

     1 点焊；2 搬运； 3 喷涂；4 涂胶；5 切割

图6   机器人应用

图7   机器人应用

     机器人视觉

     机器人视觉（如图7）是使机器人具有视觉感知功能的系统，是机器人系统组成的重要部分之一。机器人视觉可以通过视觉传感器获取环境的二维图像，并通过视觉处理器进行分析和解释，进而转换为符号，让机器人能够辨识物体，并确定其位置。机器人视觉硬件主要包括图像获取和视觉处理两部分，而图像获取由照明系统、视觉传感器、模拟－数字转换器和帧存储器等组成。根据功能不同，机器人视觉可分为视觉检验和视觉引导两种，广泛应用于电子、汽车、机械等工业部门和医学、军事领域。汽车行业中，经常用机器人视觉来读取车辆类型、测量车身的尺寸。