江蘇省激光產(chǎn)業(yè)技術(shù)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(huì)

蘇州大學(xué)激光加工中心

隨著最新新興技術(shù)能力的提升和制造業(yè)創(chuàng)新的發(fā)展，機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展前景正發(fā)生著迅速的變化，新的發(fā)展趨勢(shì)和應(yīng)用領(lǐng)域也隨之涌現(xiàn)。在國(guó)際機(jī)器人聯(lián)合會(huì)（IFR）工業(yè)機(jī)器人供應(yīng)商集團(tuán)主席安德烈亞斯.保爾博士率先公布的“2016年全球工業(yè)機(jī)器人最新統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)”中顯示，去年全球工業(yè)機(jī)器人的總銷(xiāo)量為29萬(wàn)臺(tái)，增速14%。到2019年，中國(guó)的機(jī)器人市場(chǎng)將占據(jù)全球市場(chǎng)需求量的40%。其中汽車(chē)、電子、金屬加工、食品飲料、化工及塑料等多個(gè)行業(yè)依然是工業(yè)機(jī)器人的主要應(yīng)用行業(yè)。激光加工作為一種嶄新的加工方法應(yīng)用極其廣泛，在打孔、切割、焊接以及表面淬火、沖擊強(qiáng)化、表面合金化、表面熔敷等眾多加工領(lǐng)域中都得到了成功的應(yīng)用。近十年來(lái)，激光技術(shù)還被應(yīng)用于快速成形、三維去除加工、微納米加工、機(jī)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(jìn)制造領(lǐng)域在智能化、自動(dòng)化和信息化技術(shù)等方面的進(jìn)步促進(jìn)了機(jī)器人技術(shù)與激光技術(shù)的融合。因此機(jī)器人和激光兩種智能制造、先進(jìn)制造工具已經(jīng)成為制造業(yè)中的標(biāo)配，兩種先進(jìn)技術(shù)的結(jié)合將會(huì)使兩種技術(shù)發(fā)揮到極致，徹底實(shí)現(xiàn)工業(yè)實(shí)踐的現(xiàn)代化。本文將具體介紹機(jī)器人在激光中的應(yīng)用現(xiàn)狀以及未來(lái)發(fā)展趨勢(shì)。

一、應(yīng)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(fù)合焊接等先進(jìn)加工技術(shù)中，機(jī)器人起著無(wú)可比擬的作用。

1、激光切割機(jī)器人系統(tǒng)

隨著高功率光釬激光器的問(wèn)世，以及工業(yè)機(jī)器人定位精度的不斷提高，利用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行激光切割，是當(dāng)今機(jī)器人應(yīng)用領(lǐng)域和激光切割領(lǐng)域的一大熱點(diǎn)。機(jī)器人激光切割系統(tǒng)是一個(gè)固定的激光發(fā)生器和一個(gè)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)序列的創(chuàng)新結(jié)合，通過(guò)將激光束引導(dǎo)裝置完全集成在機(jī)器人手臂中，這就需要機(jī)器人手臂的靈活性和高精度，典型代表有Kuka機(jī)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(jī)器人為中心，在精確機(jī)械手的操控下，激光束在工件上移動(dòng)。當(dāng)Kuka機(jī)器人跟蹤工件的輪廓時(shí)，激光束工作，達(dá)到切削的效果。ROBOT RV6L-CO₂機(jī)器人如圖1所示，它是高精度高柔性的五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)器人，路徑重復(fù)精度很高，而且在規(guī)定的有效負(fù)荷下，其所占用的空間很小。此套LASER ROBOT RV6L-CO₂二氧化碳激光機(jī)器人系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)在車(chē)輛內(nèi)外飾件、車(chē)門(mén)和車(chē)廂內(nèi)飾，A、B、C柱內(nèi)飾，儀表盤(pán)、頂棚、扶手等非金屬材料的切割和打孔。國(guó)內(nèi)運(yùn)用機(jī)器人進(jìn)行激光切割的企業(yè)很多，并且已經(jīng)使用工業(yè)機(jī)器人作為激光運(yùn)動(dòng)控制的對(duì)象，在機(jī)器人市場(chǎng)一路走紅的背景下，作為機(jī)器人制造工藝中不可或缺的激光切割市場(chǎng)定是前景大好。

圖1Kuka公司內(nèi)導(dǎo)光ROBOT RV6L-CO₂二氧化碳激光機(jī)器人

2、激光焊接機(jī)器人系統(tǒng)

（1）激光熔焊

目前在國(guó)內(nèi)外汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中，激光焊接機(jī)器人已成為最先進(jìn)的制造技術(shù)，獲得了廣泛應(yīng)用。德國(guó)大眾汽車(chē)、美國(guó)通用汽車(chē)、日本豐田汽車(chē)等汽車(chē)裝配生產(chǎn)線(xiàn)上，已大量采用激光焊接機(jī)器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電阻點(diǎn)焊設(shè)備，不僅提高了產(chǎn)品質(zhì)量和檔次，而且減輕了汽車(chē)車(chē)身重量，節(jié)約了大量材料，使企業(yè)獲得很高的經(jīng)濟(jì)效益，提高了企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。由于常見(jiàn)的焊接機(jī)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(shí)時(shí)跟蹤功能的焊接機(jī)器人是解決該問(wèn)題的主要手段。采用焊縫實(shí)時(shí)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(jī)器人的典型代表有Kuka機(jī)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(jī)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(jī)器人系統(tǒng)

（2）機(jī)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(dòng)化、高柔性的焊接工藝，可實(shí)現(xiàn)不同材料間的連接，具有更好的間隙適應(yīng)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(guó)內(nèi)外汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用范圍較廣，可實(shí)現(xiàn)汽車(chē)后尾蓋和汽車(chē)車(chē)門(mén)的焊接，激光焊接汽車(chē)蓋板和車(chē)門(mén)特點(diǎn)：

■零件連接無(wú)需裝飾板；

■焊縫直接成型無(wú)需打磨；

■自動(dòng)化程度提高節(jié)省人工；

■快節(jié)拍可滿(mǎn)足產(chǎn)量需求。

圖3為Kuka激光機(jī)器人應(yīng)用于汽車(chē)車(chē)門(mén)激光釬焊的實(shí)例照片，可見(jiàn)機(jī)器人激光系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用在汽車(chē)領(lǐng)域。

圖3 Kuka激光機(jī)器人應(yīng)用于汽車(chē)車(chē)門(mén)激光釬焊

3、機(jī)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(yù)熱溫度等。這些參數(shù)對(duì)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(gè)非常復(fù)雜的過(guò)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(shí)激光熔覆修復(fù)與強(qiáng)化工作是一個(gè)非標(biāo)準(zhǔn)化的動(dòng)作，不同于生產(chǎn)線(xiàn)上的批量產(chǎn)品。工件損壞的位置大多為隨機(jī)和復(fù)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(xiàn)或有規(guī)律的曲面，這就要求加工頭在一套加工動(dòng)作中需要根據(jù)要求以很多不同的姿態(tài)進(jìn)行工作，傳統(tǒng)的多軸機(jī)床很難實(shí)現(xiàn)。通常是使用操作人員手工操作加工頭進(jìn)行人工作業(yè)，同時(shí)如前所述，還要及時(shí)根據(jù)情況調(diào)整工藝參數(shù)，這對(duì)于操作人員的技術(shù)手法、熟練程度以及專(zhuān)注度等要求將非常高。而且這種激光熔覆方法會(huì)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(wèn)題，都會(huì)對(duì)一線(xiàn)操作人員的身體健康造成危害。而使用的激光機(jī)器人系統(tǒng)則不可同日而語(yǔ)，其機(jī)械手臂在很多動(dòng)作上可以模擬人的手臂進(jìn)行動(dòng)作，同時(shí)其強(qiáng)大的電氣控制功能可以將熔覆工藝要求的參數(shù)預(yù)置在系統(tǒng)中進(jìn)行及時(shí)的調(diào)用和搭配，機(jī)器人可以在運(yùn)行的命令中加入各種外部控制指令，從而使得這項(xiàng)工作可以在預(yù)先編程設(shè)定之后進(jìn)行無(wú)人化工作，避免對(duì)操作人員造成危害的同時(shí)也防止大工件長(zhǎng)時(shí)間工作產(chǎn)生的疲勞。而且機(jī)器人在參數(shù)的控制上比人工方式要準(zhǔn)確很多。目前市場(chǎng)上機(jī)器人激光熔覆很多，以kuka機(jī)器人激光熔覆系統(tǒng)為例，圖4為kuka機(jī)器人進(jìn)行激光金屬沉積熔覆的過(guò)程。使用這種工業(yè)機(jī)器人，在激光修復(fù)工作中既可以替代人工手動(dòng)操作避免人為的手動(dòng)誤差，又可以準(zhǔn)確的設(shè)定加工參數(shù)實(shí)現(xiàn)即時(shí)有效的控制，還可以避免工作中環(huán)境因素對(duì)人體的傷害。兩種先進(jìn)技術(shù)的有效融合使得零件修補(bǔ)和強(qiáng)化這種傳統(tǒng)工作變得更加具有發(fā)展前景。

圖4 Kuka機(jī)器人激光沉積熔覆系統(tǒng)在工作中

4、機(jī)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(qiáng)鋼件的硬度。這對(duì)于需要高耐磨性的鋼件如鋼板沖壓模具來(lái)說(shuō)至關(guān)重要。首先進(jìn)行一個(gè)高800-1000℃的加熱過(guò)程，然后進(jìn)行快速的冷卻。這會(huì)使得鋼的結(jié)構(gòu)發(fā)生變化。如果硬化使用激光來(lái)進(jìn)行，因?yàn)樗且粋€(gè)高度局域化的熱源，它會(huì)使得只有表面會(huì)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(huì)小得多。再加上機(jī)器人的靈活性，機(jī)器人激光這種柔性系統(tǒng)的引進(jìn)，使得激光硬化可以高效進(jìn)行操作，從較復(fù)雜的小型原件到大型重量級(jí)原件都可以處理。圖5為kuka機(jī)器人激光硬化處理系統(tǒng)及其正在工作的圖片。

圖5 Kuka機(jī)器人激光硬化系統(tǒng)及其在工作中

5、機(jī)器人激光-電焊復(fù)合焊接

激光-電弧焊復(fù)合焊接相對(duì)于單獨(dú)采用激光焊或者單獨(dú)使用電焊來(lái)說(shuō)主要技術(shù)優(yōu)勢(shì)在于：1焊接熔深的加大；2對(duì)接間隙的加大；3焊接速度增大，可達(dá)到激光焊接速度的兩倍。因此機(jī)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(dòng)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(jī)器人高精度自動(dòng)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(shí)間成本。

圖6機(jī)器人激光-電弧復(fù)合焊接原理

同樣以kuka機(jī)器人laser-MIG hybrid process為例，見(jiàn)圖7為機(jī)器人激光-電弧復(fù)合焊鋁合金部件，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人技術(shù)和激光-電弧復(fù)合弧焊技術(shù)的完美結(jié)合，可見(jiàn)機(jī)器人激光兩種現(xiàn)代化的智能工具代表了最先進(jìn)的前沿技術(shù)。

圖7Kuka機(jī)器人激光-電弧復(fù)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(chē)產(chǎn)業(yè)對(duì)國(guó)民經(jīng)濟(jì)的發(fā)展具有巨大的拉動(dòng)效應(yīng)，已經(jīng)成為國(guó)民經(jīng)濟(jì)的重要支柱產(chǎn)業(yè)。從國(guó)際上來(lái)看，縱觀(guān)世界經(jīng)濟(jì)強(qiáng)國(guó)，其汽車(chē)工業(yè)產(chǎn)值占本國(guó)國(guó)民經(jīng)濟(jì)總值的比例均在10%以上。據(jù)中國(guó)汽車(chē)工業(yè)協(xié)會(huì)統(tǒng)計(jì)，2016年1至7月，汽車(chē)全行業(yè)完成工業(yè)總產(chǎn)值3723.82億元，同比增長(zhǎng)29.44％；產(chǎn)品銷(xiāo)售收入3598.88億元，同比增長(zhǎng)31.05％；利潤(rùn)總額221.90億元，同比增長(zhǎng)51.14％。汽車(chē)產(chǎn)業(yè)作為國(guó)民經(jīng)濟(jì)支柱產(chǎn)業(yè)的地位越來(lái)越突出。此處以大眾汽車(chē)生產(chǎn)為例，據(jù)《日本經(jīng)濟(jì)新聞》2016年12月27日?qǐng)?bào)道，德國(guó)大眾(VW)2016年的全球銷(xiāo)量首次躍居全球車(chē)企首位，大眾1-11月的全球銷(xiāo)量937萬(wàn)9100輛，也就是1-12月銷(xiāo)售量約為1022萬(wàn)輛，按每臺(tái)車(chē)10萬(wàn)人民幣計(jì)算，那么內(nèi)飾價(jià)格按每臺(tái)車(chē)激光切割加工為1000元計(jì)算，那么內(nèi)飾占有額共計(jì)102.20億人民幣，這僅僅是大眾汽車(chē)一家車(chē)企公司內(nèi)飾件加工費(fèi)用的占有額。由此可見(jiàn)僅機(jī)器人激光切割市場(chǎng)就如此的龐大，而巨大的汽車(chē)需求的背后與生產(chǎn)線(xiàn)的自動(dòng)化程度和工位設(shè)置有很大關(guān)系，這兩項(xiàng)決定了生產(chǎn)節(jié)拍。以機(jī)器人激光焊接車(chē)體為例，激光焊接不僅將車(chē)身強(qiáng)度提升30%，車(chē)身的結(jié)合精度同樣大大提升，同時(shí)也大大縮短了生產(chǎn)線(xiàn)。激光用于汽車(chē)零部件甚至整車(chē)的焊接已經(jīng)有二十多年的歷史，在汽車(chē)工業(yè)極為發(fā)達(dá)的歐美國(guó)家，激光焊接已經(jīng)成為最先進(jìn)的汽車(chē)制造工藝中的一種標(biāo)準(zhǔn)工藝，廣泛應(yīng)用于汽車(chē)齒輪（包括聯(lián)體齒輪）、汽車(chē)變速器、濾油器、汽車(chē)空調(diào)皮帶輪、液壓挺桿、ABS電池閥、安全氣囊點(diǎn)火器、鋰電池、噴油嘴、車(chē)燈、傳感器等零部件。車(chē)頂、車(chē)門(mén)、車(chē)尾箱、發(fā)動(dòng)機(jī)頂蓋等車(chē)體部位的激光焊接應(yīng)用也非常廣泛，由此可見(jiàn)，機(jī)器人激光切割和焊接在未來(lái)的整個(gè)汽車(chē)行業(yè)發(fā)展來(lái)看，市場(chǎng)占有率將會(huì)繼續(xù)大幅度提升。同時(shí)隨著新能源汽車(chē)的大力推廣，其在切割和焊接市場(chǎng)上的占有量將會(huì)更大。

此外在船舶、航空等行業(yè)也具有一定的占有率，當(dāng)前我國(guó)正處于“中國(guó)制造2025”的攻堅(jiān)期，制造業(yè)在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位可以用以下幾個(gè)簡(jiǎn)單的數(shù)字來(lái)進(jìn)行說(shuō)明：美國(guó)68% 的財(cái)富來(lái)源于制造業(yè)；在日本，國(guó)民經(jīng)濟(jì)總產(chǎn)值的約49% 由制造業(yè)提供，智能制造被列為推動(dòng)新一代新興技術(shù)與制造技術(shù)融合發(fā)展的主攻方向，機(jī)器人激光的完美結(jié)合將會(huì)成為制造業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)的重要抓手。此外，21世紀(jì)是海洋的世紀(jì)，隨著海洋經(jīng)濟(jì)地位的日益凸顯，激光焊接（尤其是激光-電弧復(fù)合焊接）、激光切割和激光熔覆在海洋造船和海洋平臺(tái)中的應(yīng)用將更為廣泛和深入。

據(jù)測(cè)算，全國(guó)80%的在役機(jī)械超過(guò)保證期，機(jī)床保有量800萬(wàn)臺(tái)，役齡10年以上的傳統(tǒng)舊機(jī)床超過(guò)300萬(wàn)臺(tái)，廢舊汽車(chē)約500萬(wàn)輛。且不說(shuō)達(dá)到德國(guó)廢舊汽車(chē)100%的回收利用水平，就算僅將其中的10%進(jìn)行再制造，產(chǎn)值規(guī)模都將超過(guò)千億元，潛力十分巨大。同時(shí)，激光再制造技術(shù)是符合國(guó)家循環(huán)經(jīng)濟(jì)和可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的綠色制造技術(shù)，也是國(guó)家重點(diǎn)支持的高新技術(shù)之一。隨著基礎(chǔ)研究工作的不斷深入，激光再制造技術(shù)的應(yīng)用范圍也將不斷擴(kuò)大。我國(guó)有幾萬(wàn)億元的設(shè)備資產(chǎn)，每年因磨損和腐蝕而使設(shè)備停產(chǎn)、報(bào)廢所造成的損失都愈千億元，這為激光再制造技術(shù)帶來(lái)了廣闊的市場(chǎng)應(yīng)用前景。2013年，全國(guó)激光再制造修復(fù)業(yè)務(wù)市場(chǎng)就達(dá)到300億元。據(jù)悉歐美國(guó)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(guó)已進(jìn)入機(jī)械裝備和汽車(chē)報(bào)廢的高峰期，再制造產(chǎn)業(yè)發(fā)展面臨難得機(jī)遇。

結(jié)束語(yǔ)

國(guó)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(jī)器人本體作為運(yùn)動(dòng)控制的對(duì)象。激光加工機(jī)器人既具有機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活，柔性高的特點(diǎn)，又具有激光加工速度快、質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn)，很好地滿(mǎn)足了現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的要求。在機(jī)器人市場(chǎng)一路走紅的背景下，作為機(jī)器人制造工藝中不可或缺的激光加工市場(chǎng)定是前景大好，并且又加入激光機(jī)器人這一創(chuàng)新結(jié)合，國(guó)內(nèi)激光加工定會(huì)一路攀升，機(jī)器人激光的系統(tǒng)將不止局限于機(jī)器人激光切割、打孔、焊接以及熔覆產(chǎn)業(yè)。中國(guó)制造業(yè)與智能制造還相距很遠(yuǎn)，從工業(yè)2.0到工業(yè)4.0，中國(guó)還有很長(zhǎng)的路要走。2017年全國(guó)工業(yè)激光產(chǎn)業(yè)產(chǎn)值可突破600億元，至2020年可達(dá)1000億元。那么與之結(jié)合的機(jī)器人激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展定會(huì)繼續(xù)前進(jìn)，將機(jī)器人智能制造應(yīng)用到激光打標(biāo)、激光雕刻、激光3D打印、激光清洗、及激光化學(xué)、激光沖擊以及激光存儲(chǔ)、激光通信、激光醫(yī)學(xué)、激光娛樂(lè)、激光軍事等更多領(lǐng)域中，機(jī)器人激光系統(tǒng)的應(yīng)用前景一片大好，中國(guó)從工業(yè)2.0到工業(yè)4.0的路也會(huì)越走越近。