激光加工機器人技術(shù)及工業(yè)應用

李坤全，文睿

（河南工程學院，河南 鄭州 451191）

激光加工機器人技術(shù)及工業(yè)應用

李坤全，文睿

（河南工程學院，河南 鄭州 451191）

激光機器人技術(shù)是傳統(tǒng)機器人技術(shù)的優(yōu)化和改進。為了滿足工業(yè)發(fā)展的需要，激光加工機器人在工業(yè)機器人中占有十分重要的地位，其也具有十分廣闊的應用前景。激光機器人是激光技術(shù)和機器人技術(shù)的完美融合。本文以激光機器人技術(shù)為中心，從不同方面對其進行研究。

激光加工機器人；控制方式；基本結(jié)構(gòu)與智能化

為了使工業(yè)更好的發(fā)展，實現(xiàn)人工不能夠完成的工作，有關(guān)科研單位研制出激光加工機器人。激光加工機器人主要應用于激加工工作過程中，和傳統(tǒng)的機器人不同，它是兩大科技產(chǎn)物的有機結(jié)合——激光技術(shù)、機器人技術(shù)。眾所周知，激光技術(shù)是近幾年剛剛興起的一門技術(shù)，其智能程度相對較高，現(xiàn)階段還處于研制階段，在研制的過程，還有一些技術(shù)難題沒有攻克。一些發(fā)展規(guī)模較大的工業(yè)企業(yè)也將激光加工機器人投入生產(chǎn)線使用，但是還沒有對其全面掌握，像工作原理等還沒有熟悉，本文對其基本結(jié)構(gòu)、工作的基本原理等進行簡單的闡述。

1 激光加工機器人簡介

1.1 激光加工機器人組成

激光加工機器人是一項高度柔性的加工系統(tǒng)，基于這個原因，其組成激光機器人的各種激光器也要具備高度的柔性，現(xiàn)階段，我國在研制過程中，所用的激光器都是可光纖維傳輸?shù)募す馄?。整個激光加工系統(tǒng)的組成包括很多零件，主要部件包括有10部分，首先是高功率可光纖維傳送激光器，其次是兩個系統(tǒng)：一個是傳送系統(tǒng)，一個是光學系統(tǒng)，要想使激光加工機器人正常工作，還要有一個機器人本體，其自由度一般是六自由度，數(shù)字控制系統(tǒng)主要設(shè)備有兩個：一是控制器，另一個是試教盒，激光加工機器人的完成是建立在計算機體技術(shù)基礎(chǔ)之上的，因而還要具有計算機離線編程系統(tǒng)，其系統(tǒng)中所用的設(shè)備主要包括計算機和軟件。其外，為工作所需，在機器人系統(tǒng)中安裝機器視覺體系必不可少，此外，還包括激光加工頭、材料進給系統(tǒng)以及加工工作臺等。圖1為一種激光熔覆機器人的示意圖。

1.2 激光加工機器人類型

圖1 激光熔覆機器人組成示意圖

圖2 框架式激光加工機器人示意圖

工業(yè)用途不同，激光機器人的種類也不盡相同，一般而言，可以將機器人分為兩種類型，一類是框架式機器人，第二類是關(guān)節(jié)式機器人，兩種機器人由于工作需求不盡相同，其構(gòu)成的系統(tǒng)也不同，對于框架式機器人而言，其主要組成結(jié)構(gòu)主要包括一個龍門框架，三個系統(tǒng)（控制系統(tǒng)、驅(qū)動系統(tǒng)、監(jiān)測系統(tǒng)），一個激光器等，這種激光加工機器人的主要優(yōu)勢在于具有廣泛的應用范圍，之外，對于一些精度較高的工業(yè)產(chǎn)品，也可以利用這種機器人進行生產(chǎn)，一般而言，其可適用于各種編程以及系統(tǒng)集成等，由于其性價比相對較高，價格較為劃算，因而被廣泛的推廣應用，如圖2。對于關(guān)節(jié)式激光加工機器人而言，它的組成結(jié)構(gòu)和框架式類似，但是在此基礎(chǔ)上多了一個機器人本體系統(tǒng)，和框架式機器人相比較，這種激光加工加工機器人的優(yōu)勢是活動空間較大，其動作也相對較為靈活，但是在價格上相對較貴，由于它具有優(yōu)越的性能，因而也被廣泛的工業(yè)生產(chǎn)線上。

1.3 激光加工機器人控制方式

對于激光加工機器人而言，其控制方式有三種，一種是在線編程機器人，二是離線編程機器人，三是智能自主編程機器人。

2 用于激光加工機器人的高功率激光器

上文也有提及，和傳統(tǒng)的機器人不同，激光加工機器人是一個對柔性要求相對較高的加工系統(tǒng)，既對柔性有較高的要求，其高度的光束傳輸柔性也相對較高。對柔性要求較高的目在于方便后續(xù)工作的進行——和機器人進行耦合集成。在激光加工機器人投入使用之處，其所用的光源是軸流CO2激光器，這一激光器存在一大缺點，就是激光波長為10.6μm，不能進行光纖傳輸。之外，CO2激光器在重量，體積以及柔性上也存在一定的缺陷，基于以上種種原因，它的應用也受到很大的限制。

2.1 燈抽運Nd∶YAG激光器

燈抽運Nd∶YAG激光器，它起源于上個世紀70年代，在不斷的發(fā)展過程中，該技術(shù)已趨于成熟，但是其還存在一定的缺陷，例如熱效應嚴重，之外，光束質(zhì)量較差等，其優(yōu)點是價格便宜，在工作的過程中，進行簡單的維護即可，權(quán)衡利弊，其利遠大于弊，因而現(xiàn)階段還應用于工業(yè)生產(chǎn)中。

2.2 全固態(tài)激光器

對于全固態(tài)激光器而言，它的發(fā)展是建立在燈抽運Nd∶YAG激光器之上的，這種激光用較為先進的板條形面冷卻技術(shù)，利用高吸收轉(zhuǎn)換摻釔Yb∶YAG材料，其工作效率大大提升。除了上述我們講到的各種激光器還包括光纖激光器，這種激光器存在一大缺陷，電光轉(zhuǎn)換率相對較低，這一缺陷進而導致光纖激光器具有較強的熱透鏡效應以及很大的熱積累等。隨著工業(yè)發(fā)展的需求，光纖激光器的功率也有低到高的變化著，但其工作原理并沒有發(fā)生變化。

2.3 盤片激光器

在21世紀之初，光纖激光器又面臨著新的競爭對手——光板機關(guān)器?？梢灾v光盤機關(guān)器在對光纖的缺點進行改進的基礎(chǔ)上，又增添了新的元素，筆者對其優(yōu)點進行總結(jié)歸納，其優(yōu)點主要體現(xiàn)在幾個方面：首先是材料的吸收率方面，其功率輸出高達5千瓦，其波長在1.030μm，這就意味著材料的吸收率大大提升。基于這一優(yōu)勢，它在各個行業(yè)的生產(chǎn)中均有用到，例如像焊接、切割、達標等等。

2.4 半導體激光器

半導體機激光器，也叫做激光二極管，這種類型的激光器是現(xiàn)階段最為先進的激光器，系統(tǒng)的對半導體機關(guān)器進行分類，可將其分為兩種，一種是單管性半導體機關(guān)器，另一種是陣列型半導體激光器，由于科技含量較高，其制作過程復雜且昂貴，因而它僅應用于兩個方面：地勢抽運固體激光器，再者就是直接加工。在利用半導體激光器作業(yè)時，要對外界的溫度進行嚴格控制，因而不同的溫度其工作效率以及工作質(zhì)量都有很大的變化。之外，其還存在光束的發(fā)散角較大的問題。它的優(yōu)點是解決了盤片激光器中質(zhì)量重，體積大等問題。

3 激光加工機器人基本結(jié)構(gòu)及智能化

3.1 機器人結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)及選型

粗略來講，機器人的組成結(jié)構(gòu)主要包括三個方面：機器人本體、驅(qū)動系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等。之外，機器人的本體系統(tǒng)的安裝也不是一成不變的，它安裝的部位要根據(jù)實際需求安裝，例如為了使機器人的工作空間更大，我們可以將其安裝在移動結(jié)構(gòu)上。

3.2 激光機器人的智能化

激光機器人的智能化，就是機器人智能的對加工過程自行的檢測，并自行的對信息進行處理，并具有一定的決策能力。在對過程進行監(jiān)測時，其主要用到的技術(shù)手段有視頻傳感技術(shù)以及聽覺傳感技術(shù)。光頻傳感系統(tǒng)的組成主要包含三個方面：一是相機圖像擦機器，二是專用圖像處理軟件以及計算機等，它主要用于各種物理場的檢測。

4 激光加工機器人發(fā)展趨勢

激光加工機器人的發(fā)展趨勢主要有四個方面，首先是激光加工機器人的在線化作業(yè)方面；其次是激光加工機器人的專業(yè)化、系列化方面；第三就是高功率激光器及光束柔性傳輸技術(shù)；最后是高光束質(zhì)量激光束遠程制造技術(shù)方面。不同的方面，其所研制的激光機器人類型不同。

5 結(jié)語

本文首先從組成、類型以及控制方式等三個方面對激光加工機器人簡單的分析，其次對激光加工機器人的高功率激光器進行介紹，并對常見的激光器以及利弊等進行分析，最后對激光加工機器人基本結(jié)構(gòu)、智能化以及發(fā)展趨勢進行闡述。

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