0 引言

　　機器人激光切割成套設備是基於(yu) 機器人機構，利用光纖激光器產(chan) 生的大功率高能密度定向激光，實現汽車用鋼板等板材自動切割的成套生產(chan) 設備。由於(yu) 光纖激光采用光纖傳(chuan) 輸，可將光束傳(chuan) 送到遠距離加工點，並且光纖自身可自由變換形狀，在機器手的夾持下，其運動由機器手的運動決(jue) 定，因此能匹配自由軌跡加工，完成平麵曲線、空間的多組直線、異形曲線等特殊軌跡的激光切割。激光加工在工業(ye) 中所占的比重已經成為(wei) 衡量一個(ge) 國家工業(ye) 加工水平高低的重要標誌。切割、焊接是汽車白車身製造中的重要生產(chan) 工藝，尤其在新車型開發和小批量定製中，采用先進的激光切割(代替部分修邊—衝(chong) 孔工序的模具)可以大大提高開發效率、降低開發成本，從(cong) 而使得激光切割的應用倍受青睞。

　　1 影響能量傳(chuan) 輸的主要因素及光纖激光器

　　1.1影響能量傳(chuan) 輸的主要因素

　　由於(yu) 激光在光纖中不可避免地會(hui) 產(chan) 生吸收、散射及透射等現象，所以導致光纖傳(chuan) 輸激光功率隨光纖長度的增加而衰減。通常用dB數來表示衰減度，dB值用下式計算

　　式中，P₀是衰減前的激光功率；P是衰減後的激光功率。對於(yu) 由傳(chuan) 輸長度引起的衰減來說，P₀表示光纖中x=0處的激光功率，P是激光從(cong) x=0傳(chuan) 播到x=x處的功率。由式(1)可知，P(x)和P₀的關(guan) 係滿足

　　式中，x的單位為(wei) km，dB_km表示每千米衰減的dB數。從(cong) 式(1)可以看出，當耦合光纖足夠長時，即使光纖的dB_km值較小，光纖長度引起的衰減也不可忽視。

　　對於(yu) 激光能量分布按Gauss分布的光纖，其傳(chuan) 輸的激光功率密度(或稱激光強度)I可認為(wei) 與(yu) 纖芯半徑a的平方成反比，即

　　因此，若保持光纖傳(chuan) 輸的激光功率不變，減小光纖芯徑即減小傳(chuan) 輸激光能量的光纖纖芯的橫截麵麵積，則光纖傳(chuan) 輸的激光功率密度將增加。

　　光纖耦合引起的衰減不容忽視。例如在激光二極管點火中，激光二極管與(yu) 光纖的耦合，光纖與(yu) 光纖之間的耦合，光纖與(yu) 點火器之間的耦合都存在能量損失。

　　激光的熱效應也是不容忽視的。在激光點火中，通常情況下，正是利用激光的熱效應來引燃、引爆含能材料。因此，光纖包層及封裝材料的傳(chuan) 熱係數越大，熱散失越多，光纖最終輸出的能量損失越大。

　　圖1是雙包層光纖截麵結構及其工作原理圖。從(cong) 圖1(a)雙包層光纖的截麵結構町見，光纖包括四個(ge) 部分：纖芯、內(nei) 包層、外包層、保護層。用分別表示雙包層光纖的纖芯、內(nei) 包層、外包層和保護層的折射率，則折射率應滿足：。

圖1 雙包層光纖截麵結構及其工作原理

　　0 引言

　　機器人激光切割成套設備是基於(yu) 機器人機構，利用光纖激光器產(chan) 生的大功率高能密度定向激光，實現汽車用鋼板等板材自動切割的成套生產(chan) 設備。由於(yu) 光纖激光采用光纖傳(chuan) 輸，可將光束傳(chuan) 送到遠距離加工點，並且光纖自身可自由變換形狀，在機器手的夾持下，其運動由機器手的運動決(jue) 定，因此能匹配自由軌跡加工，完成平麵曲線、空間的多組直線、異形曲線等特殊軌跡的激光切割。激光加工在工業(ye) 中所占的比重已經成為(wei) 衡量一個(ge) 國家工業(ye) 加工水平高低的重要標誌。切割、焊接是汽車白車身製造中的重要生產(chan) 工藝，尤其在新車型開發和小批量定製中，采用先進的激光切割(代替部分修邊—衝(chong) 孔工序的模具)可以大大提高開發效率、降低開發成本，從(cong) 而使得激光切割的應用倍受青睞。

　　1 影響能量傳(chuan) 輸的主要因素及光纖激光器

　　1.1影響能量傳(chuan) 輸的主要因素

　　由於(yu) 激光在光纖中不可避免地會(hui) 產(chan) 生吸收、散射及透射等現象，所以導致光纖傳(chuan) 輸激光功率隨光纖長度的增加而衰減。通常用dB數來表示衰減度，dB值用下式計算

　　式中，P₀是衰減前的激光功率；P是衰減後的激光功率。對於(yu) 由傳(chuan) 輸長度引起的衰減來說，P₀表示光纖中x=0處的激光功率，P是激光從(cong) x=0傳(chuan) 播到x=x處的功率。由式(1)可知，P(x)和P₀的關(guan) 係滿足#p#分頁標題#e#

　　式中，x的單位為(wei) km，dB_km表示每千米衰減的dB數。從(cong) 式(1)可以看出，當耦合光纖足夠長時，即使光纖的dB_km值較小，光纖長度引起的衰減也不可忽視。

　　對於(yu) 激光能量分布按Gauss分布的光纖，其傳(chuan) 輸的激光功率密度(或稱激光強度)I可認為(wei) 與(yu) 纖芯半徑a的平方成反比，即

　　因此，若保持光纖傳(chuan) 輸的激光功率不變，減小光纖芯徑即減小傳(chuan) 輸激光能量的光纖纖芯的橫截麵麵積，則光纖傳(chuan) 輸的激光功率密度將增加。

　　光纖耦合引起的衰減不容忽視。例如在激光二極管點火中，激光二極管與(yu) 光纖的耦合，光纖與(yu) 光纖之間的耦合，光纖與(yu) 點火器之間的耦合都存在能量損失。

　　激光的熱效應也是不容忽視的。在激光點火中，通常情況下，正是利用激光的熱效應來引燃、引爆含能材料。因此，光纖包層及封裝材料的傳(chuan) 熱係數越大，熱散失越多，光纖最終輸出的能量損失越大。

　　圖1是雙包層光纖截麵結構及其工作原理圖。從(cong) 圖1(a)雙包層光纖的截麵結構町見，光纖包括四個(ge) 部分：纖芯、內(nei) 包層、外包層、保護層。用分別表示雙包層光纖的纖芯、內(nei) 包層、外包層和保護層的折射率，則折射率應滿足：。

圖1 雙包層光纖截麵結構及其工作原理

　　1．2光纖激光器的優(you) 點

　　 光纖激光器的優(you) 點見表1。

表1 光纖激光器與(yu) 其它激光器的比較

　　2柔性加工係統

　　機器人光纖激光加工係統組成如圖2所示，主要是由光纖激光器、機器人(本體(ti) 和控製櫃)、水冷係統、光束傳(chuan) 輸係統、激光頭和工件裝夾係統組成。

圖2 機器人光纖激光加工係統

　　該係統中激光器采用了IPG公司的YLS-2000型光纖激光器，最大功率可達2000W，光纖芯徑為(wei) 150μm，噴嘴直徑為(wei) 1．5mm。機器人為(wei) 瑞士ABB公司生產(chan) 的IRB4400型六軸聯動高精度機器人，裝有安全開關(guan) 。借助於(yu) 示教盒上的安全開關(guan) ，示教過程中脫手或握力過大都會(hui) 關(guan) 掉伺服，使機器人停止，因此可安全地操作。

　　激光柔性加工係統一般包括控製用計算機或者PLC、激光器、機械運動裝置或機器人、光纖傳(chuan) 送和光束變換裝置及其它輔助設施。這是一種相對設備不多，但對其精度、實時性、安全性、集成度要求較高的精密控製係統，係統的組成如圖3所示。為(wei) 避免使用造價(jia) 昂貴的控製硬件，激光器的控製采用西門子S7—300 PLC作為(wei) 控製終端，機器人采取串口通信方式。

圖3 光纖激光切割係統的組成

　　3機器人編程方式

　　3．1示教再現編程

　　通常，機器人編程方式可分為(wei) 示教再現編程和離線編程。目前，在國內(nei) 外生產(chan) 中應用的機器人係統大多為(wei) 示教再現型。ABB六軸聯動機器人的編程語言為(wei) RAPID語言，編程方式有兩(liang) 種：即示教再現編程(teaching—playback programming)和離線編程(off-line programming)。示教再現型機器人在實際生產(chan) 應用中存在的主要技術問題有：機器人的在線示教編程過程繁瑣、效率低；示教的精度完全靠示教者的經驗目測決(jue) 定，對於(yu) 複雜路徑難以取得令人滿意的示教效果；對於(yu) 一些需要根據外部信息進行實時決(jue) 策的應用無能為(wei) 力。圖4為(wei) 示教再現編程的流程圖。

圖4 示教再現編程的流程

　　3．2離線編程

　　機器人離線編程係統是利用計算機圖形學的成果，建立起機器人及其工作環境的幾何模型，再利用一些規劃算法，通過對圖形的控製和操作，在離線的情況下進行軌跡規劃。通過對編程結果進行三維圖形動畫仿真，以檢驗編程的正確性，最後將生成的代碼傳(chuan) 到機器人控製櫃，以控製機器人運動，完成給定任務。示教再現編程與(yu) 離線編程的比較見表2。

表2 示教再現編程與(yu) 離線編程的比較

　　4激光器固有特性對切割質量的影響

　　4．1光斑模式對激光切割質量的影響

　　激光光斑模式決(jue) 定了激光束的質量，它對激光切割能力、切縫大小及切口粗糙度等均有極大影響。在切割時，光斑模式最好采用基模，其光斑半徑和發散角均較小，有利於(yu) 提高切割精度和切割質量。

　　4．2激光波長對切割質量的影響

　　在理論上，切割厚度由激光高斯光束的瑞利區域所決(jue) 定。瑞利區域在工業(ye) 界又稱作焦深，其物理表達式為(wei)

　　其中，λ為(wei) 激光波長；f為(wei) 聚焦透鏡焦距；D為(wei) 聚焦透鏡直徑。

　　激光切割類似於(yu) 刀具切削，其焦深相當於(yu) 刀刃的長度，激光功率相當於(yu) 用力的大小。激光焦深給出了激光切割的必要條件，焦深和激光功率的結合才提供充分條件。

　　在其它條件相同情況下，聚焦光斑直徑越小、功率密度越大，則熱影響區越小、縫寬越窄、切割質量越好。采用實際聚焦透鏡將基模激光束聚焦所得的最小光斑直徑可近似表示為(wei) 由衍射所決(jue) 定的腰斑直徑和由透鏡像差所決(jue) 定的最小彌散圓直徑的和，由下式表

　　其中，d為(wei) 聚焦光斑直徑；λ為(wei) 激光波長；f為(wei) 聚透鏡焦距；D為(wei) 聚透鏡處光束直徑；K為(wei) 無量綱係數，其值決(jue) 定於(yu) 透鏡的曲率半徑和材料。

　　5試驗結果

　　試驗所用板材為(wei) 不鏽鋼板(1Crl8Ni9Ti)，厚度為(wei) 1．5mm。試驗通過正交試驗方法，設置四個(ge) 主因素：激光功率、離焦量、切割速度、保護氣體(ti) 氣壓(氮氣)，對四因素分別按五個(ge) 水平進行試驗，即因子設計。通過光學顯微鏡和表麵形貌儀(yi) 對切縫寬度和切縫表麵粗糙度進行測量和分析，找出其影響和變化的規律。

　　從(cong) 圖5可以看出，隨著激光功率的增加，切縫寬度呈近似直線上升，隨著速度的增加，切縫寬度呈遞減趨勢。由於(yu) 激光切割是激光和材料的能量交換，隨著激光功率的增加，同等時間條件下，板材吸收能量增加，熱擴散範圍加大，造成了縫寬的增大。同樣，由於(yu) 切割速度的增大，在同等功率條件下，單位時問單位麵積板材吸收能量隨之減少，熱擴散範圍減小，造成了切縫寬度的減小。#p#分頁標題#e#

圖5 切割功率和速度與(yu) 縫寬的關(guan) 係

　　從(cong) 圖6可以看出，隨著離焦量的增大，切縫寬度近似線性增大。

圖6 離焦量和縫寬的關(guan) 係

　　從(cong) 圖7可以看出，隨著氣壓的增大，切縫寬度緩慢遞減，這是由於(yu) 在切割過程中，高壓氣體(ti) 把熔融狀態的金屬吹出，達到切割的目的，吹除過程中伴隨著能量的流失，達到對板材的冷卻作用，隨著氣壓的增大，冷卻的速度也隨之增大，熔化層再固化加快，割縫隨之緩慢減小。

圖7 氣壓和縫寬的關(guan) 係

　　從(cong) 圖8中可知，隨著功率的增加，表麵粗糙度先緩慢降低，當功率P=1kW時，表麵粗糙度最小Ra=2．01μm，但隨著功率的進一步增大，粗糙度又隨之增大。粗糙度並不與(yu) 功率成線性關(guan) 係，而是存在一個(ge) 最佳值。

圖8 功率和表麵粗糙度的關(guan) 係

　　從(cong) 圖9中可知，隨著切割速度的增大，表麵粗糙度隨之降低，當速度為(wei) 80mm／s時達到最小Ra=2．1μm，隨著速度的進一步增大，粗糙度又隨之增大。

圖9 速度和表麵粗糙度的關(guan) 係

　　從(cong) 圖10中可知，隨著氣壓的增大，表麵粗糙度非線性遞減到1Mpa後，隨著氣壓的逐漸增大，表麵粗糙度變化不大。

圖10 氣壓和表麵粗糙度的關(guan) 係

　　表3為(wei) 光纖激光器與(yu) PRC 激光器對於(yu) 1．5mm厚不鏽鋼板(1Crl8Ni9Ti)切割參數的比較。

　　6結論

　　隨著全球經濟一體(ti) 化進程的發展，汽車市場的競爭(zheng) 愈加激烈，我國的汽車工業(ye) 將麵臨(lin) 更為(wei) 嚴(yan) 峻的挑戰。車身的設計與(yu) 製造技術必將成為(wei) 世界汽車工業(ye) 激烈競爭(zheng) 的主戰場。而車身製造中激光切割、焊接的應用，必將為(wei) 車身製造業(ye) 帶來重大變革，為(wei) 企業(ye) 帶來巨大的效益，同時大大提高和增強企業(ye) 的競爭(zheng) 力。國內(nei) 外先進汽車生產(chan) 企業(ye) 的經驗表明，激光加工技術的推廣，將顯著提高我國汽車工業(ye) 產(chan) 品的質量水平以及在國際中的競爭(zheng) 力。