0、引言
激光加工技術是利用激光束與(yu) 物質相互作用的特性對材料(包括金屬與(yu) 非金屬)進行激光切割、焊接、表麵處理、打孔及微加工等的一門加工技術。激光加工技術是涉及到光、機、電、材料及檢測等多門學科的一門綜合技術，同時它也是先進製造技術的一種。楊叔子院士在其論文中總結的先進製造技術的八個(ge) 方麵的發展趨勢和特色：“數”；“精”；“極”；“自”；“集”；“網”；“智”；“綠”。仔細分析就激光加工技術而言在這八個(ge) 方麵具備了多數，而本文所要闡述的就是激光加工技術的“集”，“智”，也就是激光加工的柔性化，集成化和智能化。而這些方向也正是我們(men) 激光加工技術期待發展和需要發展的地方。以華工激光為(wei) 代表的很多激光產(chan) 業(ye) 也在朝這些方麵進行研究和開發。這裏主要是將激光加工技術應用到柔性製造係統(或單元)中來進行研究。
1、激光加工的柔性
激光加工本身就具有很好的柔性：
(1) 激光器本身是一個(ge) 比較簡單而且易於(yu) 控製的裝置，如果把它產(chan) 生的光束聚集成極細的光束，就可以切割；散焦一點就可以焊接；再散焦一點，就能進行熱處理。
(2) 采用激光加工，不僅(jin) 加工速度快，效率高，成本低，而且避免了模具或刀具更換，縮短了生產(chan) 準備時間周期。易於(yu) 實現連續加工，激光光束換位時間短，提高了生產(chan) 效率。可進行多種工件交替安裝。一個(ge) 工件加工時，可卸下已完成的部件，並安裝待加工工件，實現並行加工，減少安裝時間，增加激光加工時間。
(3) 激光束采用直接驅動和導向方法。激光可作旋轉、傾(qing) 斜、上下左右移動等運動，能加工工件的垂直麵和複雜表麵；而且直接驅動沒有空程，精度高。將激光的控製和機器人相結合，用機器人來移動或多軸線方式方式翻轉光束下的零件，可加工一些用傳(chuan) 統方法加工比較困難的零件。
(4) 采取多級快速反應的防撞措施，光束導向裝置接觸工件時，運動係統立即停機，使係統不被破壞，避免了昂貴的維護；碰撞後能快速而簡單地恢複工作，減少了碰撞引起的停機時間，提高了激光係統的加工效率和可靠性。
(5) 激光頭可自由運動，目前激光頭已達5個(ge) 運動軸，即使工件在加工時保持固定，仍可實現複雜工件的加工，而且隻要利用移動旋轉工作台，就可加工比軸行程大的零部件。激光束采用自動聚焦控製。激光係統直線軸可沿光軸或任意軸定位，以保持光束聚焦；焦點位置任何時刻都精確可知，而且行程無限製。圖1示出了自動聚焦控製與(yu) 鏡頭伺服控製的比較，由圖看見，鏡頭伺服係統中聚焦透鏡與(yu) 激光係統移動無關(guan) ，因此焦點位置無法確定。
圖1 自動聚焦控製與(yu) 鏡頭伺服控製比較
2、柔性製造係統（FMS）
柔性製造係統(Flexible Manufacturing System 縮寫(xie) FMS)是指適用於(yu) 多品種、中小批量生產(chan) 的具有高柔性且自動化程度高的製造係統。柔性是FMS的最大特點，即係統內(nei) 部對外部環境的適應能力。FMS自其誕生以來就顯示出強大的生命力，它克服了傳(chuan) 統的剛性自動線隻適用於(yu) 大量生產(chan) 的局限性，表現出了對多品種、中小批量生產(chan) 製造自動化的適應能力。隨著社會(hui) 對產(chan) 品多樣化、低製造成本、短製造周期要求的日趨迫切，由於(yu) 微電子技術、計算機技術、通信技術、機械與(yu) 控製設備的進步，柔性製造技術發展迅猛並日臻成熟。實用表明，柔性製造技術具有如下特點：具有較高的柔性、機構性和通用性；轉產(chan) 快、準備時間短；備利用率高，可實現無人看管24h連續工作；加工質量高且穩定；所需費用低；相同產(chan) 量占地麵積是傳(chuan) 統設備的60%。由此可見，正是由於(yu) 柔性製造技術的這種高效、靈活的特性使其成為(wei) 實施敏捷製造、並行工程、精益生產(chan) 和智能製造係統的基礎，且應用日益廣泛，已成為(wei) 製造領域的核心技術。而按規模大小FMS主要分為(wei) ：柔性製造單元(FMC)；柔性製造線(FML)；柔性製造係統(FMS)。
一般柔性製造係統的主要組成部分為(wei) ：
(1) 加工係統
FMS采用的設備由待加工工件的類別決(jue) 定主要有加工中心、車削中心或計算機數控(CNC)車、銑、磨及齒輪加工機床等，用以自動地完成多種工序的加工。
(2) 物料係統
用以實現工件及工裝夾具的自動供給和裝卸，以及完成工序間的自動傳(chuan) 送、調運和存貯工作，包括各種傳(chuan) 送帶、自動導引小車、工業(ye) 機器人及專(zhuan) 用起吊運送機等。
(3) 計算機控製係統
用以處理FMS的各種信息，輸出控製CNC機床和物料係統等自動操作所需的信息。通常采用三級(設備級、工作站級、單元級)分布式計算機控製係統，其中單元級控製係統(單元控製器)是FMS的核心。
(4) 係統軟件
用以確保FMS有效地適應中小批量多品種生產(chan) 的管理、控製及優(you) 化工作，包括設計規劃軟件、生產(chan) 過程分析軟件、生產(chan) 過程調度軟件、係統管理和監控軟件。
3、激光柔性加工係統的實現
由上述文字我們(men) 可以發現激光加工與(yu) 柔性製造係統有很好的相容性，把兩(liang) 者結合起來形成激光柔性加工係統，在彼此相互配合良好的條件下肯定會(hui) 收到非凡的效果並取得良好的收益。
隨著激光與(yu) 材料的相互作用的進一步研究，激光加工技術也必將廣泛的應用在柔性製造係統上。
實現激光加工的柔性係統化主要指激光加工頭能靈活機動地引導激光束到達零件的待加工位置。從(cong) 激光加工機床所能加工零件的複雜程度看，又分平麵二維和空間三維激光加工，大功率激光三維加工是未來激光加工的方向的發展方向，為(wei) 了實現激光加工的靈活性，三維激光必須采用運動光學係統。大功率三維YAG激光加工係統通常采用機器人(或機器手)配合光導纖維進行光束傳(chuan) 輸，由機器人挾持著激光頭完成各種運動，激光則通過光導纖維傳(chuan) 送到激光加工頭處，到達工件表麵，這種加工係統中，光束的傳(chuan) 輸和聚焦特性不受加工位置的影響。#p#分頁標題#e#
機器手作為(wei) 激光柔性加工係統的重要組成部分，其運動狀態的穩定性直接影響著加工質量。而對於(yu) 大功率CO2激光，則是通過一組光學鏡片(鏡組)進行傳(chuan) 輸。這些鏡組安裝在多軸聯動(一般是5軸聯動)數控加工機床上，激光從(cong) 激光器發射出來後，經過若幹反射鏡，傳(chuan) 送到激光加工頭。隨著加工位置的變化，加工機床帶動激光加工頭運動。結果使鏡片之間的距離以及激光束的行程不斷發生變化，這些變化將影響激光束能量分布和聚焦特性的變化，從(cong) 而影響了加工過程，目前，這兩(liang) 種加工係統都得到廣泛應用。
圖2 采用CAD/CAM技術的激光加工過程
進行三維激光加工離不開計算機程序，編製激光加工的計算機程序主要有示教編程和自動編程兩(liang) 種方式。由於(yu) 手工示教編程是一項勞動強度大，效率低的工作，采用自動編程則是三維激光加工的必然趨勢。自動編程是建立在CAD平台上的CAM係統，這就必須與(yu) CAD/CAM技術相連接，以便實現加工各種複雜幾何形狀的自動化過程，其中需采用許多先進技術，如產(chan) 品設計與(yu) 工藝過程設計的專(zhuan) 家數據庫等，采用CAD/CAM技術的激光加工過程如圖產(chan) 品的幾何形狀通過數字化顯示終端反饋到CAD/CAM係統，或全部過程由圖象掃描器自動完成，掃描係統以具有2048象元和5灰度的CCD線性攝像機為(wei) 基礎，高速的圖像處理器將幾何圖像的象元轉換成CAD係統所用的曲線形式。用戶可在CAD終端檢查所掃描的幾何圖形，圖形的周長和麵積可自動地計算，係統利用這兩(liang) 個(ge) 值，對用戶提供的繪圖進行快速拷貝，然後由計算機專(zhuan) 家數據庫產(chan) 生出生產(chan) 過程(CAPP)文件，最後進行NC編程，將生產(chan) 過程文件變成控製信息，如加工參數、切割路線等。最後根據材料的選擇，加工可在係統上完成。與(yu) 其他加工類型的FMS相比，激光柔性加工係統的材料傳(chuan) 輸需有其獨特之處。
(1) 分布式數據控製
由於(yu) 激光加工不需要對工件施加機械力，裝夾成本最低，現有的激光加工工作台允許工件材料通過機器在X，Y和-Y三個(ge) 方向饋送，因此工作台既適用於(yu) 單一薄板、部件及托盤裝卸，又適合於(yu) 滾壓式進給。當代激光單元最重要的DNC特征包括軸線的的維數、控製激光器參數(如功率值，光閘，光的通與(yu) 斷等)，用於(yu) 可靠程序裝入、撤除的有效的DNC模型及連接外部傳(chuan) 感器和材料傳(chuan) 輸係統的能力。
(2) 機器人
利用機器人時，鉗抓裝置的扳手必須足夠大，以便能抓住大的工件，鉗抓裝置上還必須裝有智能傳(chuan) 感器(具有感覺和視覺)，用來檢測疊層組件的高度。其解決(jue) 辦法是采用增加了環氧樹脂的碳纖維來製造鉗抓裝置，它帶有許多小的吸盤和微型感應傳(chuan) 感器。為(wei) 了能夠吸取多塊加工板，使用氣缸施給鉗抓裝置一個(ge) 輕微的傾(qing) 斜運動。
(3) AGV和ASR
在激光柔性加工係統中，用ASR(有效供給速度)倉(cang) 庫來存放加工板。一個(ge) 多級ASR倉(cang) 庫可同時為(wei) 1-3個(ge) 加工中心服務，機床不必安裝自己的托盤交換器。ASR倉(cang) 庫係統能存儲(chu) 大量的被加工工件，它們(men) 由AGV(自動導向車)來傳(chuan) 送到工作台，使長時間無人操作的生產(chan) 運行成為(wei) 現實。為(wei) 防止小工件從(cong) 加工工作台上傾(qing) 斜下落，一種特殊的鋼製或鋁製支持托板應運而生。
4、激光柔性加工係統的誤差檢測和補償(chang)
激光柔性加工係統的加工處理過程實質上是一個(ge) 數據采集、存儲(chu) 、傳(chuan) 遞和轉換的過程，最終產(chan) 物可以看作是數據和信息的物質表現。要保證測量數據的準確性和加工數據轉化為(wei) 加工軌跡的精確性，就要求對係統結構本身的精度有全麵細致的檢測和了解，並能根據檢測的結果對係統進行誤差分析和補償(chang) ，完善原有結構，以滿足高精度加工要求。
目前激光加工機器人大多為(wei) 兩(liang) 軸或三軸的機械手，隻能進行簡單的加工，而複雜曲麵的加工則必須由高性能機器人來完成，也就是大範圍、高精度5軸激光加工機器人，它可以完成複雜曲麵的加工。若整個(ge) 係統是以框架式機器人為(wei) 載體(ti) ，由X軸、Y軸、Z軸構成其直角坐標係中的三維運動，另外可繞A軸旋轉、C軸擺動。這樣整個(ge) 係統的加工範圍和精度就會(hui) 得到很大的提高。前麵闡述的三維激光加工若是大型工件一般就采用框架式機器人。這樣對整個(ge) 係統的檢測和補償(chang) 尤其是對機器人的誤差的檢測和補償(chang) 就顯得尤為(wei) 重要，同時也才能保證係統進行高精度的加工。
在激光加工時，要求光束垂直於(yu) 加工表麵，有確定的焦距要在大範圍工作空間內(nei) 達到加工所需精度，就需了解X軸、Y軸、Z軸的定位誤差、直線度運動誤差、角運動誤差和各軸之間的垂直度誤差。同時還要了解A、C軸的旋轉和擺動的角度誤差和各自旋轉主軸在係統框架中的姿態，以便建立數學補償(chang) 模型來提高係統精度。整個(ge) 係統需要檢測的項目繁多且精度類型各異，利用普通量儀(yi) 不但需要多台儀(yi) 器，而且費時。例如，檢測X軸、Y軸、Z軸的定位精度，傳(chuan) 統方法是采用激光幹涉儀(yi) ，而各軸對應的直線度誤差則采用平尺或激光準直儀(yi) ，檢測角運動誤差則需要角度激光幹涉儀(yi) 或電子水平儀(yi) 等。各測量儀(yi) 之間的測量精度也不一樣，尤其是無法測量出A、C軸相對於(yu) 整個(ge) 框架的姿態。傳(chuan) 統測量儀(yi) 器很難獲得係統的動態性能指標，所以在對整個(ge) 柔性係統的檢測中采用的是近年才發展起來的激光跟蹤幹涉儀(yi) 。激光跟蹤幹涉技術是基於(yu) 激光幹涉原理和伺服控製原理，用來測量物體(ti) 空間位置和姿態並隨著機器人計量學的需要而發展起來的一門新型技術。如圖3所示，整個(ge) 測量係統立於(yu) 一個(ge) 立柱上，測量頭可繞水平軸和垂直軸轉動。儀(yi) 器能以1000次/s的采樣速度測量光束的空間方位角θi、φi和測量頭至目標反射鏡中心之間的距離Li。將極坐標數據轉換成直角坐標，就獲得了測點的空間坐標值。若對精度要求再高一些例如在微加工中可利用LM多坐標激光幹涉儀(yi) 組成的納米定位係統。#p#分頁標題#e#
圖3 利用激光跟蹤幹涉儀(yi) 測量機器人腕部示意圖
運動學模型的選擇是決(jue) 定機器人絕對精度的重要因素之一。它必須正確地對影響機器人末端位姿的各種因素建模。增加運動學模型的複雜度有助於(yu) 提高機器人的絕對精度，但是也要付出降低機器人性能中其它特性的代價(jia) ，因此建模時要綜合考慮各方麵的因素。激光加工機器人為(wei) 框架結構的機器人，我們(men) 認為(wei) 采用網格化的誤差補償(chang) 方法較合適，該方法可以補償(chang) 機器人幾何誤差和某些非幾何誤差。根據機器人補償(chang) 精度的要求，可以把激光加工機器人工作空間劃分為(wei) 網格如圖4所示。根據不同的補償(chang) 精度的要求，網格的疏密程度可以不同。
圖4 機器人工作空間網格劃分圖
X方向的誤差補償(chang) 公式
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