激光加工即是利用激光作為能量,將材料熔化而后成型的一種加工方法。按加工的目的,可以分為激光切割、激光打標(biāo)、激光焊接、激光熔敷、激光增材制造等。激光的溫度可達(dá)到6000°,作用于材料能瞬間將材料熔化甚至氣化。作為典型的熱加工,以熱影響區(qū)小、加工速度快,成型后無(wú)需后續(xù)加工而著稱(chēng),特別適合于薄板或受熱容易變形的材料。考慮到激光的安全性,以及激光加工的高效性,激光加工通常采用自動(dòng)化輔助生產(chǎn),能高效完成加工任務(wù)。
激光加工的基礎(chǔ)是激光加工系統(tǒng),武漢法利萊的萬(wàn)瓦加工系統(tǒng),集激光切割、焊接、熔敷、掃描焊一體,是激光加工系統(tǒng)的集大成者。
一套完整的激光加工系統(tǒng)包括激光器(含光纖、冷水機(jī)和穩(wěn)壓電源)、激光頭、運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)(機(jī)器人或機(jī)床)、工作平臺(tái)、其他輔助裝備(工控機(jī)、冷干機(jī)、輔助水氣等)。以下簡(jiǎn)要介紹激光器、激光頭和運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)等三部分。
圖1 激光加工系統(tǒng)模型(左)和萬(wàn)瓦激光器(右)
激光器是激光加工的核心,目前,主要采用光纖激光器,其光束質(zhì)量好,電光轉(zhuǎn)化效率高,免維護(hù),適合于各種材料加工。
目前主流的激光器有CO2激光器、光纖激光器、半導(dǎo)體激光器、碟片激光器等。
方向單一是激光的主要特性,基于這一點(diǎn),可以通過(guò)光學(xué)傳輸輸出不同大小的光斑,從而適用不同的加工。另外,激光能量集中,使得激光的穿透能力強(qiáng),適用于厚板的加工。
激光加工系統(tǒng)適應(yīng)于加工件結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)機(jī)械構(gòu)成其運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu),通常采用機(jī)床加工,目前主流的加工手段是機(jī)床加工,其加工精度高,穩(wěn)定性好,主要應(yīng)用于二維加工,包括激光打標(biāo)、激光切割、激光熔敷;采用機(jī)械手臂,柔性好,易于實(shí)現(xiàn)三維加工,包括三維激光切割,激光焊接等;加工精度比機(jī)床精度差,靈活性更佳,占地面積相對(duì)較小。
圖2 機(jī)床(左)和機(jī)器人(右)
激光頭是激光加工輸出光能量的終端機(jī)構(gòu),通過(guò)光學(xué)鏡片組合,先將激光擴(kuò)束,然后通過(guò)光學(xué)鏡片將激光放大的過(guò)程。按照激光加工的功能,可分為激光切割頭,激光焊接頭,激光熔敷頭,掃描激光頭,激光打標(biāo)頭等。
普通的激光切割頭,附帶吹氣嘴,采用高壓能將激光熔化的材料吹除,從而形成切縫。目前汽車(chē)廠主流使用的激光釬焊頭,其附帶激光自動(dòng)聚集功能,從而更加有利于激光加工的穩(wěn)定性。掃描激光頭,能利用鏡片角度的轉(zhuǎn)動(dòng)和位置的移動(dòng),保證激光作用于工件的光斑大小不變,而且通過(guò)精確的控制,在激光頭姿態(tài)不改變的前提下,能夠?qū)崿F(xiàn)圓形,直線(xiàn)段,C型等結(jié)構(gòu)的焊縫結(jié)構(gòu)。
1 激光焊接頭;2 激光釬焊頭;3 激光切割頭;4 激光掃描焊接頭光束原理
圖3 各種激光加工頭
激光加工應(yīng)用效果如下所示
1 激光打標(biāo);2 激光釬焊;3 激光切割;4 激光增材制造
圖4 激光加工效果圖
機(jī)器人應(yīng)用
蒸氣機(jī)的發(fā)明,部分的解放了人類(lèi)的雙手,使得工業(yè)革命變成一種可能;發(fā)電機(jī)的發(fā)明,電力代替人手工勞作得到普及;計(jì)算機(jī)等的發(fā)明,給機(jī)械安裝大腦,帶來(lái)機(jī)械運(yùn)行速度的極大提升;未來(lái)智能工廠的普及,將使得制造不再以標(biāo)準(zhǔn)化的產(chǎn)品為準(zhǔn),而將以人的個(gè)性化需求為基礎(chǔ),通過(guò)智能控制整個(gè)產(chǎn)業(yè)鏈,極大的滿(mǎn)足個(gè)性化需求,而且能有效的提升產(chǎn)品的生產(chǎn)效率。機(jī)器人的應(yīng)用,是通向智能制造的一個(gè)基礎(chǔ)。
目前,主流的機(jī)器人廠家有德國(guó)KUKA,日本的FUNAC,瑞典的ABB,國(guó)內(nèi)有首鋼的莫托曼和沈陽(yáng)新松機(jī)器人。機(jī)器人主要有兩部分組成,包括硬件(主要是指機(jī)器人的機(jī)械手臂,包括減速機(jī)、編碼器等)和軟件(機(jī)器人本體的控制器)。
工業(yè)機(jī)器人有以下三大功能:
1、運(yùn)動(dòng)功能(在可達(dá)空間內(nèi)任意點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)到達(dá));
2、信號(hào)交換及功能實(shí)現(xiàn)(與其他設(shè)備進(jìn)行信號(hào)交換,控制其他設(shè)備的開(kāi)啟和關(guān)閉,或被PLC控制與其他設(shè)備一起實(shí)現(xiàn)功能);
3、仿真及軌跡模擬(圖5如示,通過(guò)仿真及軌跡模擬,研究機(jī)器人軌跡的可達(dá)性、CT循環(huán)時(shí)間等)。
圖5 機(jī)器人模擬(左)及機(jī)器人軸數(shù)(右)
關(guān)于機(jī)器人的選型,考慮以下問(wèn)題:
1、品牌及定價(jià);
2、負(fù)載:機(jī)器人六軸負(fù)載重量和轉(zhuǎn)動(dòng)慣量;
3、軸數(shù):機(jī)器手臂的軸數(shù)量(如圖5右所示);
4、行程:機(jī)器人所能達(dá)到的最大路徑區(qū)間;
5、精度:達(dá)到某位置點(diǎn)的精度和重復(fù)運(yùn)動(dòng)的定位精度;
6、安裝方式:水平或倒置;
機(jī)器人的主要應(yīng)用如下:點(diǎn)焊、搬運(yùn)、噴涂、切割、涂膠(如圖6)等;
1 點(diǎn)焊;2 搬運(yùn); 3 噴涂;4 涂膠;5 切割
圖6 機(jī)器人應(yīng)用
機(jī)器人視覺(jué)
機(jī)器人視覺(jué)(如圖7)是使機(jī)器人具有視覺(jué)感知功能的系統(tǒng),是機(jī)器人系統(tǒng)組成的重要部分之一。機(jī)器人視覺(jué)可以通過(guò)視覺(jué)傳感器獲取環(huán)境的二維圖像,并通過(guò)視覺(jué)處理器進(jìn)行分析和解釋?zhuān)M(jìn)而轉(zhuǎn)換為符號(hào),讓機(jī)器人能夠辨識(shí)物體,并確定其位置。機(jī)器人視覺(jué)硬件主要包括圖像獲取和視覺(jué)處理兩部分,而圖像獲取由照明系統(tǒng)、視覺(jué)傳感器、模擬-數(shù)字轉(zhuǎn)換器和幀存儲(chǔ)器等組成。根據(jù)功能不同,機(jī)器人視覺(jué)可分為視覺(jué)檢驗(yàn)和視覺(jué)引導(dǎo)兩種,廣泛應(yīng)用于電子、汽車(chē)、機(jī)械等工業(yè)部門(mén)和醫(yī)學(xué)、軍事領(lǐng)域。汽車(chē)行業(yè)中,經(jīng)常用機(jī)器人視覺(jué)來(lái)讀取車(chē)輛類(lèi)型、測(cè)量車(chē)身的尺寸。
圖7 機(jī)器人應(yīng)用
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