工業機器人運用于激光切割的研究

馮 豐（天津電子信息職業技術學院，天津 300350）

工業機器人運用于激光切割的研究

馮 豐
（天津電子信息職業技術學院，天津 300350）

隨著生產工業的需要，激光加工機器人是國際上面向 21 世紀的先進制造技術。本文從工業機器人出發，綜述了機器人對于激光切割技術的作用、應用及體系構建。生產制造工業企業對于智能化機器人的要求也越來越高。而工業機器人在工藝激光切割應用中的實用性也越來越強。因此，本文從工藝激光切割工業智能化的角度出發，結合相關理論對工業的生產工藝進行研究，如PLC激光信號的應用及切割工藝的應用等，本文的研究具備長遠意義，可為日后的生產應用作參考。

工業機器人；工藝激光切割；應用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.16.035

0　引言

幾乎在激光誕生的同時，1962 年美國Unimation公司推出首臺工業機器人。此后，機器人技術經歷了一系列不斷的發展過程。直到 20世紀 90 年代全球信息化浪潮風起云涌，計算機技術、微電子技術、網絡技術和先進制造技術等快速進步，工業機器人技術也得到了飛速發展。它具有重復性精確生產特征，適應制造業中規模化批量生產要求，裝配在生產線上代替人工作業，不僅解除了工人的繁復勞動，而且提高了生產質量。它可以流動作業，適應個性化生產需求。目前工業機器人技術日趨成熟，已經成為一種標準設備而廣泛應用于工業界，國內外形成了一批著名的工業機器人公司。當社會經濟結構遭遇工業智能化信息結構的影響，各個經濟產業都會應勢而轉型。產業與產業之間開始對專業化人才的要求越來越高，而工業智能化應用作為現代應用的代表作，在我國各個行業的工業生產中都有其意義所在。其中，制造工業企業所需的專業化人才也越來越多，相關科研所為了摒棄脫離現代化制造產業的傳統應用模式，開始對工業機器人進行有效的應用與管理，信息技術能夠加強高科技工業企業的生產應用能力。因此，本文以工業機器人在工藝激光切割的應用為研究對象，探索社會所需的專業工業智能化應用模式，進而提高生產工業能力，促進經濟發展。

1　工業機器人在工藝激光切割工業生產中的作用

近年來激光技術飛速發展，涌現出可與機器人柔性耦合的光纖傳輸的高功率工業型激光器。先進制造領域在智能化、自動化和信息化技術方面的不斷進步促進了機器人技術與激光技術的結合，特別是汽車產業的發展需求，帶動了激光加工機器人產業的形成與發展。從 20 世紀 90 年代開始，德國、美國、日本等發達國家投入大量人力物力進行研發激光加工機器人。進入 2000年，德國 KUKA，瑞士的ABB，日本 FA NUC 等機器人公司均研制激光焊接機器人和激光切割機器人的系列產品。目前在國內外汽車產業中，激光焊接機器人和激光切割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線上，已大量采用激光焊接機器人代替傳統的電阻點焊設備，不僅提高了產品質量和檔次，而且減輕了汽車車身重量，節約了大量材料，使企業獲得很高的經濟效益，提高了企業市場競爭能力。在中國，一汽大眾、上海大眾汽車公司也引進了激光機器人焊接生產線。目前有沈陽新松機器人公司涉足激光切割和焊接機器人制造領域。對于工業機器人在激光切割中的應用，主要歸結為三點作用：一是工業機器人能夠通過現代信息化制造技術為生產工人提供更前沿的學習內容。工藝激光切割所應用的行業涉及到金工、電子、數控等產業。在制造工藝的應用中，傳統的應用模式儼然跟不上社會發展節奏。因此，工業機器人加強了生產工人對于信息、材料、通信、控制、環保等生產要素的應用，并實時為生產工人提供更前沿、更創新的新技術和新制造工藝；二是工業機器人還能為生產工人創造更全面的工業企業生產支持，幫助生產工人更好的掌握制造產業的生產流程。工藝激光切割應用在光纖激光器，此項應用在于體現工業機器人的生產優勢，尤其是在生產波束范圍廣及效果良好、工作功率與效率穩定、光斑小及切割速度快精準等；三是提升了激光接線信號，激光接線信號由激光占空比、激光頻率、激光功率、氧氣壓力、激光開關、隨動開關、氧氣開關、開始生產、暫停生產、停止生產、回零位等組成，這些激光信號來源主要以模擬量與數字量的方式輸出，端口分別以軟信號無需接線、PLC-2AO-1、PLC-2AO-2、PLC-CPU1-DQa0.2、PLC-CPU1-DQa0.3、PLC-CPU1-DQa0.4、PLC-CPU1-DIa0.1、PLC-CPU1-DIa0.2、PLC-CPU1-DIa0.3、PLC-CPU1-DIa0.4等為主。PLC激光信號的輸出分為CPU模塊和模擬量模塊，而工業機器人在這兩個模塊的應用性是比較好的。

2　工業機器人的應用

2.1生產應用

基于PLC激光信號，工業智能化設計與制造產業對機器人應用進行創新性研究，而工藝激光切割的工智能化應用模式應以工業智能化機器人現代制造應用為主。然而，在生產中，機器人需要四點信息整合：一是機器人信息；二是工業信息；三是PLC激光信息；四是生產工人信息。工業信息主要是生產工藝、制造和管理等。而激光機器人信息則是以符合國家生產標準的機器人在工作原理、原則及激光處理等工作內容的信息錄入。PLC激光信息則是以激光信號發射出來的工作，包括設備、工裝、原材料、耗材等信息的錄入。生產工人信息是以工人的生產權限劃分為主。機器人在生產激光應用中，應遵循工業智能化生產標準，整合專業應用內容，進行高效應用。而完善工業智能化設計與制造一體化應用平臺，實現在機械工程學科應用中的應用與推廣，對于工藝激光切割應用模式的創新有促進作用。在通過工業智能化設計制造一體化的研究中，機器人科研所需實現與工業企業的對接，為工業企業提供設計制造一體化原型系統和人員培訓，打造一個機器人高效穩定的工作平臺。

2.2切割工藝應用

工藝激光切割機器人的工藝應用主要是以火焰切割原理、等離子切割原理、激光切割原理出發，以數控切割技術和機器人切割技術為主。火焰切割原理是以火焰實現切割過程的，在金屬燃燒過程中效率更高。火焰切割工藝具備燃點低于熔點、熱量足及熱性低、熔點低及流動性好等特點。等離子切割較于火焰切割熔點更低，等離子切割用其氣壓、電壓及磁場的共同物理切割流程，讓自由弧迅速化成極小的離子弧。激光切割工藝的切割密度更高，工業機器人用機械數據處理技術和機器人輔助工程，運用逆向工程技術進行激光熔化切割、激光汽化切割、激光氧化切割和激光劃片與控制斷裂等。火焰切割運用材料是低合金鋼，切割板厚是中、大厚度鋼板，切割速度慢，切割精度是0.7-1.0mm，切割表面Ra值是50um，切縫大小是0.9-1.2mm，切割斷面垂直度好，熱影響區是大（0.6-1.2mm），切割板材變形大，設備費用低，維護方式簡單。等離子切割運用材料是碳鋼、不銹鋼、鋁銅、鑄鐵等導電金屬，切割板厚是中厚1-38mm，切割速度快，切割精度是較高的0.5mm-1.0mm，切割表面Ra值是30-100um，切縫大小是1.0mm，切割斷面垂直度是0.5度-1.5度傾斜，熱影響區是較小的（0.5-1.0mm），切割板材變形較小，設備費用中高，維護方式需要許多組件維護。激光切割運用材料是（特種）金屬材料、非金屬材料、復合材料，切割板厚是中薄，切割速度快（＜=6mm以下），切割精度是高的0.05mm-0.1mm，切割表面Ra值是20-100um，切縫大小是0.2mm-0.3mm，切割斷面垂直度好，熱影響區是很小的（＜=0.1mm），切割板材變形很小，設備費用高，維護方式需要專業人員及維護復雜。因此，對比之下，激光切割的優勢更好。另外，這幫助了生產工人更好的切割應用。

2.3激光應用

PLC激光切割的應用幫助生產工人擁有更好的生產能力，Pro/E等軟件的組合應用也能加強機器人的有效應用以及加強生產工人對于數控自動編程的操作能力。在工藝激光切割中，生產工人需以機器人輔助設計與制造為主。產品設計、裝備設計以及反求設計共同組成機器人生產環節，而工藝設計與制造環節、質檢環節需融合工業活動的具體需求，巧妙應用PLC激光切割的軟硬件。工業智能化工業制造可關聯到三點：一是工業智能化設計；二是工業智能化制造；三是工業智能化管理。工業智能化制造主要針對機器人輔助離線切割，工藝以激光隨動、數控技術NC以及快速原型技術RP等的應用為主，用有限元法對于離線切割進行更好的應用。而工業機器人輔助工藝過程中，注重激光隨動系統中零件信息的描述與輸入、派生式激光隨動系統和創成式激光隨動系統等。工業機器人輔助數控加工編程，并用工業機器人與Pro/E軟件加工組合使用。其中，工業機器人的激光應用需要逆向工程技術、虛擬制造技術、網絡化制造和快速響應制造等技術的整合使用。在工業機器人的支撐下，機械系統集成在產品數據交換標準的應用應用中也是難題之一。

3　工業機器人激光切割體系的構建

按照工業生產制造產業鏈的結構需要，工業激光切割體系擬提供工業智能化激光切割與設計、工業機器人與技術研發、工業智能激光科研成果轉化等。

3.1工業智能化激光切割、設計與咨詢

工業智能化激光切割與設計：包括工業智能化現場切割、數據處理與分析、機器人激光方案設計、機器人激光規劃、機器人激光技術咨詢等。采用智能化切割設備對工業制造進行自動化切割，通過激光專家系統對切割數據進行處理和分析，診斷制造類型和產生機理，為客戶提供激光規劃、激光方案設計、激光技術咨詢、激光工程量及投資預算等決策信息。

3.2激光技術與材料研發

隨著“資源節約型、環境友好型”社會建設的持續深入發展，低碳環保的要求不斷提高，工業機器人激光切割技術需會在工業建設中得到廣泛應用。隨著工業生產高峰的紛至沓來，未來工業產業切割材料及相關技術等的市場規模需會飛速發展。

工業機器人一直奉行“搶占技術制高點，制造社會大生產”的發展理念，為加快產業轉型升級，走可持續發展之路，自2006年以來，投入了大量資金和人力開展相關技術研究，并取得了一系列國內領先和國際先進的研究成果，部分成果已在工業建設和激光上得到應用，為需來機器人發展打下了堅實的技術基礎。工業激光切割體系組建后，需固定科技研發隊伍，保證研發資金可持續投入，繼續開展工業智能綠色機器人激光技術、“高精尖”難點技術、激光新材料、新工藝的研發，搶占技術制高點，以技術培育和主導市場。

3.3工業智能機器人激光科研成果轉化

相關研究所需研發相關機器人激光切割材料，促進其大規模推廣應用，主營材料生產與銷售、應用技術咨詢等。同時，機器人還應實現廢物利用和節能減排。研究工業機器人激光切割的成套技術，從事相關材料生產與銷售、應用技術咨詢等，并研發再生劑及應用成套技術。未來可以從事工業面切割生產技術咨詢與制造、生產質量控制與監測等業務。

4　結論與展望

未來的發展中，工業產業需與機器人科研單位按照現金出資的方式，以獨立法人形式共同組建機器人工業激光切割體系。機器人工業激光切割體系出資只收購激光切割方案的設計資產及資質，并購買常規試驗檢測設備。涉及大型的智能化激光切割項目，工業激光切割體系可與工業生產中心合作完成，共享項目利潤。在工業機器人激光切割中，工業激光切割體系需以激光技術和高精尖難點技術研發與推廣應用為產業發展方向。工業機器人是專業工業生產的現代化平臺，工藝激光切割專業應用后，生產工人的專業應用性更強，工業的生產效率也會增高。同時，工業機器人的應用內容涉及到生產制造工業的生產環境，工業機器人的應用加大了生產工人對于工業生產制造工藝的優化。本文的研究對于工藝激光切割的應用主要歸結于生產應用，切割工藝應用及激光應用。本文的研究總結的內容比較多，涉及到工業機器人的作用，專業化工業生產的應用內容及發展情況，文章的研究在通信、制造、工藝等具備可塑性，可為此領域下的相關研究做參考依據。

［1］郭洪紅主編.工業機器人技術［M］.西安電子科技大學出版社，2006.

［2］林尚揚等編著.焊接機器人及其應用［M］.機械工業出版社，2000.

［3］余達太等著.工業機器人應用工程［M］.冶金工業出版社，1999.

［4］現代切割技術的發展與運用［J］.金屬加工（熱加工），2012（06）.

馮豐（1964-），女，天津人，工學學士，副教授，主要從事：機械制造與自動化專業的教學、實踐與研究。