靈活性對通過激光創(chuàng)新來推動先進制造的步伐而言至關(guān)重要。當設(shè)計和構(gòu)建致力于滿足當前和未來制造需求的系統(tǒng)時，靈活性的作用都是不言而喻的。核心運動控制性能的多樣性，無論是針對機器本身抑或是機器人應(yīng)用，都成為提升用戶信心以及確保應(yīng)用成功的關(guān)鍵。用于未來產(chǎn)品切割和焊接用途的運動控制功能一方面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(yù)測和實現(xiàn)以滿足未來功能的一系列獨特的解決方案。鑒于此，激光技術(shù)顯然亟需并經(jīng)歷著快速的智能化發(fā)展，尤其聚焦于靈活性和多功能性。

 

 

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

 

激光加工設(shè)備最常使用的計算機數(shù)控系統(tǒng)（CNC）已發(fā)展成熟，與先進的運動控制相結(jié)合，客戶在最大程度利用激光振蕩器的功能方面已經(jīng)相當成功。隨著NC控制技術(shù)和高性能工業(yè)激光器的發(fā)展愈發(fā)明朗化，制造商大多在一臺直線型機器上使用CNC控制系統(tǒng)。這些機器猶如簡易的移動橋梁，用于輸送X，Y軸平面上的光學元件，而Z軸主要用于高度控制。

 

FANUC的高速運動控制系統(tǒng) （圖片出處：FANUC America Corp）

 

近年來，機器人技術(shù)領(lǐng)域迎來了快速的發(fā)展和進展，繼而提高了運動路徑性能和I / O觸發(fā)精度，并改善了工藝質(zhì)量。工業(yè)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(yè)注入了新的活力，也為高產(chǎn)能應(yīng)用提供了最佳的成本優(yōu)勢。數(shù)控技術(shù)的應(yīng)用持續(xù)拓展，不斷提高加工精度和速度，但其總體的靈活性尚為有限?；诳蛻魧す鈶?yīng)用的制造要求，他們相較以往擁有更多的選擇，從而也惠及了所有的數(shù)控系統(tǒng)（技術(shù)）、激光器（系統(tǒng)）和機器人制造商。

 

盡管將機器人與數(shù)控系統(tǒng)相比似乎很簡單，但它們在物理屬性和控制上的細微差別，使它們適用于不同的市場。一束運動中的激光可以產(chǎn)生令人難以置信的效果，但只有配合運動控制及同步輸入和輸出控制系統(tǒng)的高精度才能實現(xiàn)。為了有效地使用任一運動裝置，它必須能夠根據(jù)位置和速度來精準調(diào)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(fā)揮作用，從而沿著切割或焊接路徑提供均勻的能量分布。盡管兩者存在差異，但機器人與數(shù)控系統(tǒng)配置了適用于不同市場類似的控制功能。

 

數(shù)控激光系統(tǒng)似乎更容易使用，因為它們大多是由機床制造商在批量生產(chǎn)中配置的，且針對特定的應(yīng)用進行了預(yù)配置。這類機器通常提供有限的運動范圍，從三軸運動延伸到五軸運動，并且配有多軸頭進行定向控制。大多數(shù)的數(shù)控系統(tǒng)是直線型的，所以它們一次只能在其運動范圍內(nèi)使用一款激光加工頭處理工件。這種設(shè)計無法支持一個以上的龍門結(jié)構(gòu)的運動疊加，因為會干擾其自身的結(jié)構(gòu)。盡管存在機械設(shè)計限制，數(shù)控激光系統(tǒng)在CO2激光應(yīng)用領(lǐng)域占有很大的市場份額，主要基于其光束傳輸特性非常適合直線結(jié)構(gòu)和笛卡爾（Cartesian）運動包絡(luò)。

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(shù)在機器人上的使用一直局限于特定的應(yīng)用，并在早期嘗試后取得了一些成功。最大的問題在于如果光束傳輸設(shè)計不當?shù)脑?，便會產(chǎn)生相當大的復雜性。如今，CO2激光機器人市場主要針對塑料切割應(yīng)用。10μm的波長更為適合。然而，隨著光纖激光器的單位成本持續(xù)大幅下降，過去十年內(nèi)機器人的運動性能穩(wěn)步提高，而這正是激光加工市場未來的一個重要方向。

 

機器人制造商正不斷改進機械結(jié)構(gòu)和運動控制方面的設(shè)計，以實現(xiàn)更高的路徑精度并且提高激光輸出響應(yīng)。當前，許多旨在改善CO2激光技術(shù)的功能都是機器人用戶可以隨時獲得的，包括激光高度控制、調(diào)焦功能、自動功率調(diào)節(jié)、以及激光監(jiān)控等等。機器人應(yīng)用更加靈活，因為它們不依賴于上述提及的直線運動包絡(luò)。一個六軸激光機器人能夠與其他機器人在相同的加工部位協(xié)同工作，顯著改善激光加工效率。通過協(xié)調(diào)或共享激光輸出，您能夠以更少的投資和更緊湊的占地面積實現(xiàn)更高的加工效率，因為機器人僅占據(jù)加工單元垂直空間的“微小”部分。

 

機器人在激光加工中的應(yīng)用機會比比皆是，主要受到汽車市場的新材料和構(gòu)造技術(shù)的推動，以及與近幾年愈發(fā)流行的3D打印技術(shù)息息相關(guān)。例如，最新的CAFE(Corporate Average Fuel Economy，汽車公司平均燃料經(jīng)濟性)燃料消耗標準要求以及帶有安全設(shè)備的汽車的超重要求都促使制造商在材料的強度重量比或輕量化設(shè)計等方面做出改進。用熱壓鋼制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松切割和修剪熱沖壓部件，從而為這些區(qū)域的加工提供了極高的靈活性，并且還能處理具有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(yīng)用展示。 （圖片出處：通用汽車）

 

一種流行的焊接應(yīng)用是激光遠程掃描焊接，其中光束傳送由振鏡掃描系統(tǒng)控制，在操縱光束的同時一并協(xié)調(diào)機器人通過其路徑的運動過程。該技術(shù)非常適用于高產(chǎn)量的汽車車身焊接應(yīng)用以及其它打標和表面處理等特殊應(yīng)用領(lǐng)域。當機器人和振鏡系統(tǒng)的運動采用了同步協(xié)調(diào)控制時，可實現(xiàn)更高的產(chǎn)能。越來越多的銘牌制造商正將鋁材用作汽車車身結(jié)構(gòu)材料并采用了“A”級表面處理工藝。當前，復雜的車身形狀已然愈發(fā)流行，并且基于安全考量集成了各種傳感器。這里面臨的挑戰(zhàn)是如何對車身形狀進行成形處理，以隱藏傳感器，從而不會破壞汽車的美學質(zhì)感。

機器人遠程激光焊接應(yīng)用。（圖片出處：FANUC America Corp）

 

激光填絲焊接解決方案通過向車身焊縫中提供進給速率良好控制的填充焊絲，同時通過精確的激光功率控制形成焊接點，來幫助實現(xiàn)這些舉措。所有焊接功能都通過機器人進行控制，并自動適應(yīng)機器人工具沿焊接節(jié)點的中心點的速度。新的自適應(yīng)焊接系統(tǒng)可以反復處理填充焊絲和激光功率。

 

激光機器人控制系統(tǒng)和技術(shù)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(fā)成熟，如材料處理、3D打印以及更多機器人柔性激光應(yīng)用的開拓等等，這一技術(shù)的發(fā)展前景勢必會更加光明。