江蘇省激光產(chǎn)業(yè)技術創(chuàng)新戰(zhàn)略聯(lián)盟

蘇州工業(yè)園區(qū)激光產(chǎn)業(yè)創(chuàng)新聯(lián)盟協(xié)會

蘇州大學激光加工中心

隨著最新新興技術能力的提升和制造業(yè)創(chuàng)新的發(fā)展，機器人技術的發(fā)展前景正發(fā)生著迅速的變化，新的發(fā)展趨勢和應用領域也隨之涌現(xiàn)。在國際機器人聯(lián)合會（IFR）工業(yè)機器人供應商集團主席安德烈亞斯.保爾博士率先公布的“2016年全球工業(yè)機器人最新統(tǒng)計數(shù)據(jù)”中顯示，去年全球工業(yè)機器人的總銷量為29萬臺，增速14%。到2019年，中國的機器人市場將占據(jù)全球市場需求量的40%。其中汽車、電子、金屬加工、食品飲料、化工及塑料等多個行業(yè)依然是工業(yè)機器人的主要應用行業(yè)。激光加工作為一種嶄新的加工方法應用極其廣泛，在打孔、切割、焊接以及表面淬火、沖擊強化、表面合金化、表面熔敷等眾多加工領域中都得到了成功的應用。近十年來，激光技術還被應用于快速成形、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(fā)展日新月異。先進制造領域在智能化、自動化和信息化技術等方面的進步促進了機器人技術與激光技術的融合。因此機器人和激光兩種智能制造、先進制造工具已經(jīng)成為制造業(yè)中的標配，兩種先進技術的結(jié)合將會使兩種技術發(fā)揮到極致，徹底實現(xiàn)工業(yè)實踐的現(xiàn)代化。本文將具體介紹機器人在激光中的應用現(xiàn)狀以及未來發(fā)展趨勢。

一、應用現(xiàn)狀

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

1、激光切割機器人系統(tǒng)

隨著高功率光釬激光器的問世，以及工業(yè)機器人定位精度的不斷提高，利用工業(yè)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。機器人激光切割系統(tǒng)是一個固定的激光發(fā)生器和一個機器人運動序列的創(chuàng)新結(jié)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(lián)動機器人，路徑重復精度很高，而且在規(guī)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系統(tǒng)可以實現(xiàn)在車輛內(nèi)外飾件、車門和車廂內(nèi)飾，A、B、C柱內(nèi)飾，儀表盤、頂棚、扶手等非金屬材料的切割和打孔。國內(nèi)運用機器人進行激光切割的企業(yè)很多，并且已經(jīng)使用工業(yè)機器人作為激光運動控制的對象，在機器人市場一路走紅的背景下，作為機器人制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(nèi)導光ROBOT RV6L-CO₂二氧化碳激光機器人

2、激光焊接機器人系統(tǒng)

（1）激光熔焊

目前在國內(nèi)外汽車產(chǎn)業(yè)中，激光焊接機器人已成為最先進的制造技術，獲得了廣泛應用。德國大眾汽車、美國通用汽車、日本豐田汽車等汽車裝配生產(chǎn)線上，已大量采用激光焊接機器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電阻點焊設備，不僅提高了產(chǎn)品質(zhì)量和檔次，而且減輕了汽車車身重量，節(jié)約了大量材料，使企業(yè)獲得很高的經(jīng)濟效益，提高了企業(yè)市場競爭能力。由于常見的焊接機器人大多采用“示教再現(xiàn)”的操作模式而存在加工誤差和焊接熱變形，從而造成焊接質(zhì)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該問題的主要手段。采用焊縫實時跟蹤可以有效的提高產(chǎn)品成品率，具有此功能的激光焊接機器人的典型代表有Kuka機器人的激光熔焊系統(tǒng)，圖2所示即為kuka公司帶焊縫跟蹤系統(tǒng)的機器人激光熔焊系統(tǒng)。

圖2 Kuka公司激光熔焊帶焊縫跟蹤系統(tǒng)的機器人系統(tǒng)

（2）機器人激光硬釬焊

激光硬釬焊是利用激光作為熱源，是一種高精度、高自動化、高柔性的焊接工藝，可實現(xiàn)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面質(zhì)量，連接可靠、全連通率高、熱影響小。在國內(nèi)外汽車產(chǎn)業(yè)中應用范圍較廣，可實現(xiàn)汽車后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(jié)省人工；

■快節(jié)拍可滿足產(chǎn)量需求。

圖3為Kuka激光機器人應用于汽車車門激光釬焊的實例照片，可見機器人激光系統(tǒng)已廣泛應用在汽車領域。

圖3 Kuka激光機器人應用于汽車車門激光釬焊

3、機器人激光熔覆

激光熔覆的工藝參數(shù)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(shù)對熔覆層的稀釋率、表面粗糙度、裂紋以及熔覆零件的致密性等有很大影響。各參數(shù)之間也相互影響，相互匹配，是一個非常復雜的過程，須采用合理的控制方法將這些參數(shù)控制在激光熔覆工藝允許的范圍內(nèi)。同時激光熔覆修復與強化工作是一個非標準化的動作，不同于生產(chǎn)線上的批量產(chǎn)品。工件損壞的位置大多為隨機和復雜的，即使是經(jīng)常磨損的也只是極少數(shù)產(chǎn)品之間的相同部位，而且很多部位表面不一定是直線或有規(guī)律的曲面，這就要求加工頭在一套加工動作中需要根據(jù)要求以很多不同的姿態(tài)進行工作，傳統(tǒng)的多軸機床很難實現(xiàn)。通常是使用操作人員手工操作加工頭進行人工作業(yè)，同時如前所述，還要及時根據(jù)情況調(diào)整工藝參數(shù)，這對于操作人員的技術手法、熟練程度以及專注度等要求將非常高。而且這種激光熔覆方法會產(chǎn)生被加工區(qū)的高溫、激光反射或照射的危害、加工產(chǎn)生的電弧光以及粉末飛濺產(chǎn)生的空氣粉塵污染等問題，都會對一線操作人員的身體健康造成危害。而使用的激光機器人系統(tǒng)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制功能可以將熔覆工藝要求的參數(shù)預置在系統(tǒng)中進行及時的調(diào)用和搭配，機器人可以在運行的命令中加入各種外部控制指令，從而使得這項工作可以在預先編程設定之后進行無人化工作，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(chǎn)生的疲勞。而且機器人在參數(shù)的控制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機器人激光熔覆系統(tǒng)為例，圖4為kuka機器人進行激光金屬沉積熔覆的過程。使用這種工業(yè)機器人，在激光修復工作中既可以替代人工手動操作避免人為的手動誤差，又可以準確的設定加工參數(shù)實現(xiàn)即時有效的控制，還可以避免工作中環(huán)境因素對人體的傷害。兩種先進技術的有效融合使得零件修補和強化這種傳統(tǒng)工作變得更加具有發(fā)展前景。

圖4 Kuka機器人激光沉積熔覆系統(tǒng)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面熱處理，能大大增強鋼件的硬度。這對于需要高耐磨性的鋼件如鋼板沖壓模具來說至關重要。首先進行一個高800-1000℃的加熱過程，然后進行快速的冷卻。這會使得鋼的結(jié)構發(fā)生變化。如果硬化使用激光來進行，因為它是一個高度局域化的熱源，它會使得只有表面會被硬化，而將零件的核心保留在它們的原始狀態(tài)；“從而使得零件不那么脆，而且由于作用在上面的熱比較少，零件的扭曲也會小得多。再加上機器人的靈活性，機器人激光這種柔性系統(tǒng)的引進，使得激光硬化可以高效進行操作，從較復雜的小型原件到大型重量級原件都可以處理。圖5為kuka機器人激光硬化處理系統(tǒng)及其正在工作的圖片。

圖5 Kuka機器人激光硬化系統(tǒng)及其在工作中

5、機器人激光-電焊復合焊接

激光-電弧焊復合焊接相對于單獨采用激光焊或者單獨使用電焊來說主要技術優(yōu)勢在于：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倍。因此機器人激光氣弧焊系統(tǒng)的使用使得加工范圍更廣；高的自動化焊接速度與完美的焊縫質(zhì)量的結(jié)合使得生產(chǎn)率顯著提高；機器人高精度自動化的激光焊接工件與氣弧焊的結(jié)合也大大降低了焊接工件的變形，因此也大大節(jié)約了時間成本。

圖6機器人激光-電弧復合焊接原理

同樣以kuka機器人laser-MIG hybrid process為例，見圖7為機器人激光-電弧復合焊鋁合金部件，實現(xiàn)了機器人技術和激光-電弧復合弧焊技術的完美結(jié)合，可見機器人激光兩種現(xiàn)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-電弧復合焊接系統(tǒng)及其焊接大型鋁合金部件

二、發(fā)展前景

汽車產(chǎn)業(yè)對國民經(jīng)濟的發(fā)展具有巨大的拉動效應，已經(jīng)成為國民經(jīng)濟的重要支柱產(chǎn)業(yè)。從國際上來看，縱觀世界經(jīng)濟強國，其汽車工業(yè)產(chǎn)值占本國國民經(jīng)濟總值的比例均在10%以上。據(jù)中國汽車工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計，2016年1至7月，汽車全行業(yè)完成工業(yè)總產(chǎn)值3723.82億元，同比增長29.44％；產(chǎn)品銷售收入3598.88億元，同比增長31.05％；利潤總額221.90億元，同比增長51.14％。汽車產(chǎn)業(yè)作為國民經(jīng)濟支柱產(chǎn)業(yè)的地位越來越突出。此處以大眾汽車生產(chǎn)為例，據(jù)《日本經(jīng)濟新聞》2016年12月27日報道，德國大眾(VW)2016年的全球銷量首次躍居全球車企首位，大眾1-11月的全球銷量937萬9100輛，也就是1-12月銷售量約為1022萬輛，按每臺車10萬人民幣計算，那么內(nèi)飾價格按每臺車激光切割加工為1000元計算，那么內(nèi)飾占有額共計102.20億人民幣，這僅僅是大眾汽車一家車企公司內(nèi)飾件加工費用的占有額。由此可見僅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后與生產(chǎn)線的自動化程度和工位設置有很大關系，這兩項決定了生產(chǎn)節(jié)拍。以機器人激光焊接車體為例，激光焊接不僅將車身強度提升30%，車身的結(jié)合精度同樣大大提升，同時也大大縮短了生產(chǎn)線。激光用于汽車零部件甚至整車的焊接已經(jīng)有二十多年的歷史，在汽車工業(yè)極為發(fā)達的歐美國家，激光焊接已經(jīng)成為最先進的汽車制造工藝中的一種標準工藝，廣泛應用于汽車齒輪（包括聯(lián)體齒輪）、汽車變速器、濾油器、汽車空調(diào)皮帶輪、液壓挺桿、ABS電池閥、安全氣囊點火器、鋰電池、噴油嘴、車燈、傳感器等零部件。車頂、車門、車尾箱、發(fā)動機頂蓋等車體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汽車行業(yè)發(fā)展來看，市場占有率將會繼續(xù)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更大。

此外在船舶、航空等行業(yè)也具有一定的占有率，當前我國正處于“中國制造2025”的攻堅期，制造業(yè)在國民經(jīng)濟中的地位可以用以下幾個簡單的數(shù)字來進行說明：美國68% 的財富來源于制造業(yè)；在日本，國民經(jīng)濟總產(chǎn)值的約49% 由制造業(yè)提供，智能制造被列為推動新一代新興技術與制造技術融合發(fā)展的主攻方向，機器人激光的完美結(jié)合將會成為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級的重要抓手。此外，21世紀是海洋的世紀，隨著海洋經(jīng)濟地位的日益凸顯，激光焊接（尤其是激光-電弧復合焊接）、激光切割和激光熔覆在海洋造船和海洋平臺中的應用將更為廣泛和深入。

據(jù)測算，全國80%的在役機械超過保證期，機床保有量800萬臺，役齡10年以上的傳統(tǒng)舊機床超過300萬臺，廢舊汽車約500萬輛。且不說達到德國廢舊汽車100%的回收利用水平，就算僅將其中的10%進行再制造，產(chǎn)值規(guī)模都將超過千億元，潛力十分巨大。同時，激光再制造技術是符合國家循環(huán)經(jīng)濟和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的綠色制造技術，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，激光再制造技術的應用范圍也將不斷擴大。我國有幾萬億元的設備資產(chǎn)，每年因磨損和腐蝕而使設備停產(chǎn)、報廢所造成的損失都愈千億元，這為激光再制造技術帶來了廣闊的市場應用前景。2013年，全國激光再制造修復業(yè)務市場就達到300億元。據(jù)悉歐美國家發(fā)展再制造產(chǎn)業(yè)已經(jīng)50多年，已形成了巨大的產(chǎn)業(yè)鏈，全球產(chǎn)業(yè)規(guī)模已超1400億美元。如今，我國已進入機械裝備和汽車報廢的高峰期，再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨難得機遇。

結(jié)束語

國內(nèi)致力于激光加工的企業(yè)很多，一些企業(yè)現(xiàn)在已經(jīng)使用工業(yè)機器人本體作為運動控制的對象。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(zhì)量好等優(yōu)點，很好地滿足了現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的要求。在機器人市場一路走紅的背景下，作為機器人制造工藝中不可或缺的激光加工市場定是前景大好，并且又加入激光機器人這一創(chuàng)新結(jié)合，國內(nèi)激光加工定會一路攀升，機器人激光的系統(tǒng)將不止局限于機器人激光切割、打孔、焊接以及熔覆產(chǎn)業(yè)。中國制造業(yè)與智能制造還相距很遠，從工業(yè)2.0到工業(yè)4.0，中國還有很長的路要走。2017年全國工業(yè)激光產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值可突破600億元，至2020年可達1000億元。那么與之結(jié)合的機器人激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展定會繼續(xù)前進，將機器人智能制造應用到激光打標、激光雕刻、激光3D打印、激光清洗、及激光化學、激光沖擊以及激光存儲、激光通信、激光醫(yī)學、激光娛樂、激光軍事等更多領域中，機器人激光系統(tǒng)的應用前景一片大好，中國從工業(yè)2.0到工業(yè)4.0的路也會越走越近。