江蘇省激光產(chan) 業(ye) 技術創新戰略聯盟

蘇州工業(ye) 園區激光產(chan) 業(ye) 創新聯盟協會(hui)

蘇州大學激光加工中心

隨著最新新興(xing) 技術能力的提升和製造業(ye) 創新的發展，機器人技術的發展前景正發生著迅速的變化，新的發展趨勢和應用領域也隨之湧現。在國際機器人聯合會(hui) （IFR）工業(ye) 機器人供應商集團主席安德烈亞(ya) 斯.保爾博士率先公布的“2016年全球工業(ye) 機器人最新統計數據”中顯示，去年全球工業(ye) 機器人的總銷量為(wei) 29萬(wan) 台，增速14%。到2019年，中國的機器人市場將占據全球市場需求量的40%。其中汽車、電子、金屬加工、食品飲料、化工及塑料等多個(ge) 行業(ye) 依然是工業(ye) 機器人的主要應用行業(ye) 。激光加工作為(wei) 一種嶄新的加工方法應用極其廣泛，在打孔、切割、焊接以及表麵淬火、衝(chong) 擊強化、表麵合金化、表麵熔敷等眾(zhong) 多加工領域中都得到了成功的應用。近十年來，激光技術還被應用於(yu) 快速成形、三維去除加工、微納米加工、機械的拋光打磨以及3D打印中，激光加工的發展日新月異。先進製造領域在智能化、自動化和信息化技術等方麵的進步促進了機器人技術與(yu) 激光技術的融合。因此機器人和激光兩(liang) 種智能製造、先進製造工具已經成為(wei) 製造業(ye) 中的標配，兩(liang) 種先進技術的結合將會(hui) 使兩(liang) 種技術發揮到極致，徹底實現工業(ye) 實踐的現代化。本文將具體(ti) 介紹機器人在激光中的應用現狀以及未來發展趨勢。

一、應用現狀

在激光切割、激光焊接、激光硬釺焊、激光熔敷、激光硬化以及激光複合焊接等先進加工技術中，機器人起著無可比擬的作用。

1、激光切割機器人係統

隨著高功率光釺激光器的問世，以及工業(ye) 機器人定位精度的不斷提高，利用工業(ye) 機器人進行激光切割，是當今機器人應用領域和激光切割領域的一大熱點。機器人激光切割係統是一個(ge) 固定的激光發生器和一個(ge) 機器人運動序列的創新結合，通過將激光束引導裝置完全集成在機器人手臂中，這就需要機器人手臂的靈活性和高精度，典型代表有Kuka機器人的3D laser nonmetal cutting三維激光非金屬切割，激光束以ROBOT RV6L-CO₂二氧化碳激光機器人為(wei) 中心，在精確機械手的操控下，激光束在工件上移動。當Kuka機器人跟蹤工件的輪廓時，激光束工作，達到切削的效果。ROBOT RV6L-CO₂機器人如圖1所示，它是高精度高柔性的五軸聯動機器人，路徑重複精度很高，而且在規定的有效負荷下，其所占用的空間很小。此套LASER ROBOT RV6L-CO₂二氧化碳激光機器人係統可以實現在車輛內(nei) 外飾件、車門和車廂內(nei) 飾，A、B、C柱內(nei) 飾，儀(yi) 表盤、頂棚、扶手等非金屬材料的切割和打孔。國內(nei) 運用機器人進行激光切割的企業(ye) 很多，並且已經使用工業(ye) 機器人作為(wei) 激光運動控製的對象，在機器人市場一路走紅的背景下，作為(wei) 機器人製造工藝中不可或缺的激光切割市場定是前景大好。

圖1Kuka公司內(nei) 導光ROBOT RV6L-CO₂二氧化碳激光機器人

2、激光焊接機器人係統

（1）激光熔焊

目前在國內(nei) 外汽車產(chan) 業(ye) 中，激光焊接機器人已成為(wei) 最先進的製造技術，獲得了廣泛應用。德國大眾(zhong) 汽車、美國通用汽車、日本豐(feng) 田汽車等汽車裝配生產(chan) 線上，已大量采用激光焊接機器人代替傳(chuan) 統的電阻點焊設備，不僅(jin) 提高了產(chan) 品質量和檔次，而且減輕了汽車車身重量，節約了大量材料，使企業(ye) 獲得很高的經濟效益，提高了企業(ye) 市場競爭(zheng) 能力。由於(yu) 常見的焊接機器人大多采用“示教再現”的操作模式而存在加工誤差和焊接熱變形，從(cong) 而造成焊接質量下降和焊接缺陷,具備焊縫實時跟蹤功能的焊接機器人是解決(jue) 該問題的主要手段。采用焊縫實時跟蹤可以有效的提高產(chan) 品成品率，具有此功能的激光焊接機器人的典型代表有Kuka機器人的激光熔焊係統，圖2所示即為(wei) kuka公司帶焊縫跟蹤係統的機器人激光熔焊係統。

圖2 Kuka公司激光熔焊帶焊縫跟蹤係統的機器人係統

（2）機器人激光硬釺焊

激光硬釺焊是利用激光作為(wei) 熱源，是一種高精度、高自動化、高柔性的焊接工藝，可實現不同材料間的連接，具有更好的間隙適應性、更低的熱輸入量、更快的加工速度和可獲得非常好的表麵質量，連接可靠、全連通率高、熱影響小。在國內(nei) 外汽車產(chan) 業(ye) 中應用範圍較廣，可實現汽車後尾蓋和汽車車門的焊接，激光焊接汽車蓋板和車門特點：

■零件連接無需裝飾板；

■焊縫直接成型無需打磨；

■自動化程度提高節省人工；

■快節拍可滿足產(chan) 量需求。

圖3為(wei) Kuka激光機器人應用於(yu) 汽車車門激光釺焊的實例照片，可見機器人激光係統已廣泛應用在汽車領域。

圖3 Kuka激光機器人應用於(yu) 汽車車門激光釺焊

3、機器人激光熔覆

激光熔覆的工藝參數主要有激光功率、激光光斑直徑、光斑離焦量、粉末送粉速度、掃描速度、預熱溫度等。這些參數對熔覆層的稀釋率、表麵粗糙度、裂紋以及熔覆零件的致密性等有很大影響。各參數之間也相互影響，相互匹配，是一個(ge) 非常複雜的過程，須采用合理的控製方法將這些參數控製在激光熔覆工藝允許的範圍內(nei) 。同時激光熔覆修複與(yu) 強化工作是一個(ge) 非標準化的動作，不同於(yu) 生產(chan) 線上的批量產(chan) 品。工件損壞的位置大多為(wei) 隨機和複雜的，即使是經常磨損的也隻是極少數產(chan) 品之間的相同部位，而且很多部位表麵不一定是直線或有規律的曲麵，這就要求加工頭在一套加工動作中需要根據要求以很多不同的姿態進行工作，傳(chuan) 統的多軸機床很難實現。通常是使用操作人員手工操作加工頭進行人工作業(ye) ，同時如前所述，還要及時根據情況調整工藝參數，這對於(yu) 操作人員的技術手法、熟練程度以及專(zhuan) 注度等要求將非常高。而且這種激光熔覆方法會(hui) 產(chan) 生被加工區的高溫、激光反射或照射的危害、加工產(chan) 生的電弧光以及粉末飛濺產(chan) 生的空氣粉塵汙染等問題，都會(hui) 對一線操作人員的身體(ti) 健康造成危害。而使用的激光機器人係統則不可同日而語，其機械手臂在很多動作上可以模擬人的手臂進行動作，同時其強大的電氣控製功能可以將熔覆工藝要求的參數預置在係統中進行及時的調用和搭配，機器人可以在運行的命令中加入各種外部控製指令，從(cong) 而使得這項工作可以在預先編程設定之後進行無人化工作，避免對操作人員造成危害的同時也防止大工件長時間工作產(chan) 生的疲勞。而且機器人在參數的控製上比人工方式要準確很多。目前市場上機器人激光熔覆很多，以kuka機器人激光熔覆係統為(wei) 例，圖4為(wei) kuka機器人進行激光金屬沉積熔覆的過程。使用這種工業(ye) 機器人，在激光修複工作中既可以替代人工手動操作避免人為(wei) 的手動誤差，又可以準確的設定加工參數實現即時有效的控製，還可以避免工作中環境因素對人體(ti) 的傷(shang) 害。兩(liang) 種先進技術的有效融合使得零件修補和強化這種傳(chuan) 統工作變得更加具有發展前景。

圖4 Kuka機器人激光沉積熔覆係統在工作中

4、機器人激光硬化處理

硬化是施加在鋼件上的一種表麵熱處理，能大大增強鋼件的硬度。這對於(yu) 需要高耐磨性的鋼件如鋼板衝(chong) 壓模具來說至關(guan) 重要。首先進行一個(ge) 高800-1000℃的加熱過程，然後進行快速的冷卻。這會(hui) 使得鋼的結構發生變化。如果硬化使用激光來進行，因為(wei) 它是一個(ge) 高度局域化的熱源，它會(hui) 使得隻有表麵會(hui) 被硬化，而將零件的核心保留在它們(men) 的原始狀態；“從(cong) 而使得零件不那麽(me) 脆，而且由於(yu) 作用在上麵的熱比較少，零件的扭曲也會(hui) 小得多。再加上機器人的靈活性，機器人激光這種柔性係統的引進，使得激光硬化可以高效進行操作，從(cong) 較複雜的小型原件到大型重量級原件都可以處理。圖5為(wei) kuka機器人激光硬化處理係統及其正在工作的圖片。

圖5 Kuka機器人激光硬化係統及其在工作中

5、機器人激光-電焊複合焊接

激光-電弧焊複合焊接相對於(yu) 單獨采用激光焊或者單獨使用電焊來說主要技術優(you) 勢在於(yu) ：1焊接熔深的加大；2對接間隙的加大；3焊接速度增大，可達到激光焊接速度的兩(liang) 倍。因此機器人激光氣弧焊係統的使用使得加工範圍更廣；高的自動化焊接速度與(yu) 完美的焊縫質量的結合使得生產(chan) 率顯著提高；機器人高精度自動化的激光焊接工件與(yu) 氣弧焊的結合也大大降低了焊接工件的變形，因此也大大節約了時間成本。

圖6機器人激光-電弧複合焊接原理

同樣以kuka機器人laser-MIG hybrid process為(wei) 例，見圖7為(wei) 機器人激光-電弧複合焊鋁合金部件，實現了機器人技術和激光-電弧複合弧焊技術的完美結合，可見機器人激光兩(liang) 種現代化的智能工具代表了最先進的前沿技術。

圖7Kuka機器人激光-電弧複合焊接係統及其焊接大型鋁合金部件

二、發展前景

汽車產(chan) 業(ye) 對國民經濟的發展具有巨大的拉動效應，已經成為(wei) 國民經濟的重要支柱產(chan) 業(ye) 。從(cong) 國際上來看，縱觀世界經濟強國，其汽車工業(ye) 產(chan) 值占本國國民經濟總值的比例均在10%以上。據中國汽車工業(ye) 協會(hui) 統計，2016年1至7月，汽車全行業(ye) 完成工業(ye) 總產(chan) 值3723.82億(yi) 元，同比增長29.44％；產(chan) 品銷售收入3598.88億(yi) 元，同比增長31.05％；利潤總額221.90億(yi) 元，同比增長51.14％。汽車產(chan) 業(ye) 作為(wei) 國民經濟支柱產(chan) 業(ye) 的地位越來越突出。此處以大眾(zhong) 汽車生產(chan) 為(wei) 例，據《日本經濟新聞》2016年12月27日報道，德國大眾(zhong) (VW)2016年的全球銷量首次躍居全球車企首位，大眾(zhong) 1-11月的全球銷量937萬(wan) 9100輛，也就是1-12月銷售量約為(wei) 1022萬(wan) 輛，按每台車10萬(wan) 人民幣計算，那麽(me) 內(nei) 飾價(jia) 格按每台車激光切割加工為(wei) 1000元計算，那麽(me) 內(nei) 飾占有額共計102.20億(yi) 人民幣，這僅(jin) 僅(jin) 是大眾(zhong) 汽車一家車企公司內(nei) 飾件加工費用的占有額。由此可見僅(jin) 機器人激光切割市場就如此的龐大，而巨大的汽車需求的背後與(yu) 生產(chan) 線的自動化程度和工位設置有很大關(guan) 係，這兩(liang) 項決(jue) 定了生產(chan) 節拍。以機器人激光焊接車體(ti) 為(wei) 例，激光焊接不僅(jin) 將車身強度提升30%，車身的結合精度同樣大大提升，同時也大大縮短了生產(chan) 線。激光用於(yu) 汽車零部件甚至整車的焊接已經有二十多年的曆史，在汽車工業(ye) 極為(wei) 發達的歐美國家，激光焊接已經成為(wei) 最先進的汽車製造工藝中的一種標準工藝，廣泛應用於(yu) 汽車齒輪（包括聯體(ti) 齒輪）、汽車變速器、濾油器、汽車空調皮帶輪、液壓挺杆、ABS電池閥、安全氣囊點火器、鋰電池、噴油嘴、車燈、傳(chuan) 感器等零部件。車頂、車門、車尾箱、發動機頂蓋等車體(ti) 部位的激光焊接應用也非常廣泛，由此可見，機器人激光切割和焊接在未來的整個(ge) 汽車行業(ye) 發展來看，市場占有率將會(hui) 繼續大幅度提升。同時隨著新能源汽車的大力推廣，其在切割和焊接市場上的占有量將會(hui) 更大。

此外在船舶、航空等行業(ye) 也具有一定的占有率，當前我國正處於(yu) “中國製造2025”的攻堅期，製造業(ye) 在國民經濟中的地位可以用以下幾個(ge) 簡單的數字來進行說明：美國68% 的財富來源於(yu) 製造業(ye) ；在日本，國民經濟總產(chan) 值的約49% 由製造業(ye) 提供，智能製造被列為(wei) 推動新一代新興(xing) 技術與(yu) 製造技術融合發展的主攻方向，機器人激光的完美結合將會(hui) 成為(wei) 製造業(ye) 轉型升級的重要抓手。此外，21世紀是海洋的世紀，隨著海洋經濟地位的日益凸顯，激光焊接（尤其是激光-電弧複合焊接）、激光切割和激光熔覆在海洋造船和海洋平台中的應用將更為(wei) 廣泛和深入。

據測算，全國80%的在役機械超過保證期，機床保有量800萬(wan) 台，役齡10年以上的傳(chuan) 統舊機床超過300萬(wan) 台，廢舊汽車約500萬(wan) 輛。且不說達到德國廢舊汽車100%的回收利用水平，就算僅(jin) 將其中的10%進行再製造，產(chan) 值規模都將超過千億(yi) 元，潛力十分巨大。同時，激光再製造技術是符合國家循環經濟和可持續發展戰略的綠色製造技術，也是國家重點支持的高新技術之一。隨著基礎研究工作的不斷深入，激光再製造技術的應用範圍也將不斷擴大。我國有幾萬(wan) 億(yi) 元的設備資產(chan) ，每年因磨損和腐蝕而使設備停產(chan) 、報廢所造成的損失都愈千億(yi) 元，這為(wei) 激光再製造技術帶來了廣闊的市場應用前景。2013年，全國激光再製造修複業(ye) 務市場就達到300億(yi) 元。據悉歐美國家發展再製造產(chan) 業(ye) 已經50多年，已形成了巨大的產(chan) 業(ye) 鏈，全球產(chan) 業(ye) 規模已超1400億(yi) 美元。如今，我國已進入機械裝備和汽車報廢的高峰期，再製造產(chan) 業(ye) 發展麵臨(lin) 難得機遇。

結束語

國內(nei) 致力於(yu) 激光加工的企業(ye) 很多，一些企業(ye) 現在已經使用工業(ye) 機器人本體(ti) 作為(wei) 運動控製的對象。激光加工機器人既具有機器人運動靈活，柔性高的特點，又具有激光加工速度快、質量好等優(you) 點，很好地滿足了現代製造業(ye) 發展的要求。在機器人市場一路走紅的背景下，作為(wei) 機器人製造工藝中不可或缺的激光加工市場定是前景大好，並且又加入激光機器人這一創新結合，國內(nei) 激光加工定會(hui) 一路攀升，機器人激光的係統將不止局限於(yu) 機器人激光切割、打孔、焊接以及熔覆產(chan) 業(ye) 。中國製造業(ye) 與(yu) 智能製造還相距很遠，從(cong) 工業(ye) 2.0到工業(ye) 4.0，中國還有很長的路要走。2017年全國工業(ye) 激光產(chan) 業(ye) 產(chan) 值可突破600億(yi) 元，至2020年可達1000億(yi) 元。那麽(me) 與(yu) 之結合的機器人激光產(chan) 業(ye) 的發展定會(hui) 繼續前進，將機器人智能製造應用到激光打標、激光雕刻、激光3D打印、激光清洗、及激光化學、激光衝(chong) 擊以及激光存儲(chu) 、激光通信、激光醫學、激光娛樂(le) 、激光軍(jun) 事等更多領域中，機器人激光係統的應用前景一片大好，中國從(cong) 工業(ye) 2.0到工業(ye) 4.0的路也會(hui) 越走越近。