靈活性對通過激光創新來推動先進製造的步伐而言至關重要。當設計和構建致力於滿足當前和未來製造需求的係統時，靈活性的作用都是不言而喻的。核心運動控製性能的多樣性，無論是針對機器本身抑或是機器人應用，都成為提升用戶信心以及確保應用成功的關鍵。用於未來產品切割和焊接用途的運動控製功能一方麵需要建立在與過去取得的進步相輔相成的能力上，同時又能預測和實現以滿足未來功能的一係列獨特的解決方案。鑒於此，激光技術顯然亟需並經曆著快速的智能化發展，尤其聚焦於靈活性和多功能性。

 

 

發那科（FANUC) 的激光焊接機器人 （圖片出處：FANUC America Corp）

 

激光加工設備最常使用的計算機數控係統（CNC）已發展成熟，與(yu) 先進的運動控製相結合，客戶在最大程度利用激光振蕩器的功能方麵已經相當成功。隨著NC控製技術和高性能工業(ye) 激光器的發展愈發明朗化，製造商大多在一台直線型機器上使用CNC控製係統。這些機器猶如簡易的移動橋梁，用於(yu) 輸送X，Y軸平麵上的光學元件，而Z軸主要用於(yu) 高度控製。

 

FANUC的高速運動控製係統 （圖片出處：FANUC America Corp）

 

近年來，機器人技術領域迎來了快速的發展和進展，繼而提高了運動路徑性能和I / O觸發精度，並改善了工藝質量。工業(ye) 用1μm光纖激光器的成本下降趨勢以及機器人加工性能的日益提升給行業(ye) 注入了新的活力，也為(wei) 高產(chan) 能應用提供了最佳的成本優(you) 勢。數控技術的應用持續拓展，不斷提高加工精度和速度，但其總體(ti) 的靈活性尚為(wei) 有限。基於(yu) 客戶對激光應用的製造要求，他們(men) 相較以往擁有更多的選擇，從(cong) 而也惠及了所有的數控係統（技術）、激光器（係統）和機器人製造商。

 

盡管將機器人與(yu) 數控係統相比似乎很簡單，但它們(men) 在物理屬性和控製上的細微差別，使它們(men) 適用於(yu) 不同的市場。一束運動中的激光可以產(chan) 生令人難以置信的效果，但隻有配合運動控製及同步輸入和輸出控製係統的高精度才能實現。為(wei) 了有效地使用任一運動裝置，它必須能夠根據位置和速度來精準調整激光輸出。當運動裝置加速時，其必須具有成比例的受控輸出以使激光功率能夠跟隨其發揮作用，從(cong) 而沿著切割或焊接路徑提供均勻的能量分布。盡管兩(liang) 者存在差異，但機器人與(yu) 數控係統配置了適用於(yu) 不同市場類似的控製功能。

 

數控激光係統似乎更容易使用，因為(wei) 它們(men) 大多是由機床製造商在批量生產(chan) 中配置的，且針對特定的應用進行了預配置。這類機器通常提供有限的運動範圍，從(cong) 三軸運動延伸到五軸運動，並且配有多軸頭進行定向控製。大多數的數控係統是直線型的，所以它們(men) 一次隻能在其運動範圍內(nei) 使用一款激光加工頭處理工件。這種設計無法支持一個(ge) 以上的龍門結構的運動疊加，因為(wei) 會(hui) 幹擾其自身的結構。盡管存在機械設計限製，數控激光係統在CO2激光應用領域占有很大的市場份額，主要基於(yu) 其光束傳(chuan) 輸特性非常適合直線結構和笛卡爾（Cartesian）運動包絡。

FANUC機器人配置了HIGHYAG遠程激光焊接頭，上圖展示的是飛行焊工藝。（圖片出處：FANUC America Corp）

 

長期以來，CO2激光技術在機器人上的使用一直局限於(yu) 特定的應用，並在早期嚐試後取得了一些成功。最大的問題在於(yu) 如果光束傳(chuan) 輸設計不當的話，便會(hui) 產(chan) 生相當大的複雜性。如今，CO2激光機器人市場主要針對塑料切割應用。10μm的波長更為(wei) 適合。然而，隨著光纖激光器的單位成本持續大幅下降，過去十年內(nei) 機器人的運動性能穩步提高，而這正是激光加工市場未來的一個(ge) 重要方向。

 

機器人製造商正不斷改進機械結構和運動控製方麵的設計，以實現更高的路徑精度並且提高激光輸出響應。當前，許多旨在改善CO2激光技術的功能都是機器人用戶可以隨時獲得的，包括激光高度控製、調焦功能、自動功率調節、以及激光監控等等。機器人應用更加靈活，因為(wei) 它們(men) 不依賴於(yu) 上述提及的直線運動包絡。一個(ge) 六軸激光機器人能夠與(yu) 其他機器人在相同的加工部位協同工作，顯著改善激光加工效率。通過協調或共享激光輸出，您能夠以更少的投資和更緊湊的占地麵積實現更高的加工效率，因為(wei) 機器人僅(jin) 占據加工單元垂直空間的“微小”部分。

 

機器人在激光加工中的應用機會(hui) 比比皆是，主要受到汽車市場的新材料和構造技術的推動，以及與(yu) 近幾年愈發流行的3D打印技術息息相關(guan) 。例如，最新的CAFE(Corporate Average Fuel Economy，汽車公司平均燃料經濟性)燃料消耗標準要求以及帶有安全設備的汽車的超重要求都促使製造商在材料的強度重量比或輕量化設計等方麵做出改進。用熱壓鋼製成的部件較難進行修剪、成形和焊接處理。在這種情況下，光纖激光器通過搭配使用機器人能夠輕鬆切割和修剪熱衝(chong) 壓部件，從(cong) 而為(wei) 這些區域的加工提供了極高的靈活性，並且還能處理具有3D輪廓的各種成型零部件。

 

通用汽車工廠的鋁合金激光焊接應用展示。 （圖片出處：通用汽車）

 

一種流行的焊接應用是激光遠程掃描焊接，其中光束傳(chuan) 送由振鏡掃描係統控製，在操縱光束的同時一並協調機器人通過其路徑的運動過程。該技術非常適用於(yu) 高產(chan) 量的汽車車身焊接應用以及其它打標和表麵處理等特殊應用領域。當機器人和振鏡係統的運動采用了同步協調控製時，可實現更高的產(chan) 能。越來越多的銘牌製造商正將鋁材用作汽車車身結構材料並采用了“A”級表麵處理工藝。當前，複雜的車身形狀已然愈發流行，並且基於(yu) 安全考量集成了各種傳(chuan) 感器。這裏麵臨(lin) 的挑戰是如何對車身形狀進行成形處理，以隱藏傳(chuan) 感器，從(cong) 而不會(hui) 破壞汽車的美學質感。

機器人遠程激光焊接應用。（圖片出處：FANUC America Corp）

 

激光填絲(si) 焊接解決(jue) 方案通過向車身焊縫中提供進給速率良好控製的填充焊絲(si) ，同時通過精確的激光功率控製形成焊接點，來幫助實現這些舉(ju) 措。所有焊接功能都通過機器人進行控製，並自動適應機器人工具沿焊接節點的中心點的速度。新的自適應焊接係統可以反複處理填充焊絲(si) 和激光功率。

 

激光機器人控製係統和技術如今能夠提供最大的靈活性。未來隨著越來越多的激光工藝和市場的愈發成熟，如材料處理、3D打印以及更多機器人柔性激光應用的開拓等等，這一技術的發展前景勢必會(hui) 更加光明。