0、引言
激光加工技術(shù)是利用激光束與物質(zhì)相互作用的特性對(duì)材料(包括金屬與非金屬)進(jìn)行激光切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一門(mén)加工技術(shù)。激光加工技術(shù)是涉及到光、機(jī)、電、材料及檢測(cè)等多門(mén)學(xué)科的一門(mén)綜合技術(shù)，同時(shí)它也是先進(jìn)制造技術(shù)的一種。楊叔子院士在其論文中總結(jié)的先進(jìn)制造技術(shù)的八個(gè)方面的發(fā)展趨勢(shì)和特色：“數(shù)”；“精”；“極”；“自”；“集”；“網(wǎng)”；“智”；“綠”。仔細(xì)分析就激光加工技術(shù)而言在這八個(gè)方面具備了多數(shù)，而本文所要闡述的就是激光加工技術(shù)的“集”，“智”，也就是激光加工的柔性化，集成化和智能化。而這些方向也正是我們激光加工技術(shù)期待發(fā)展和需要發(fā)展的地方。以華工激光為代表的很多激光產(chǎn)業(yè)也在朝這些方面進(jìn)行研究和開(kāi)發(fā)。這里主要是將激光加工技術(shù)應(yīng)用到柔性制造系統(tǒng)(或單元)中來(lái)進(jìn)行研究。
1、激光加工的柔性
激光加工本身就具有很好的柔性：
(1) 激光器本身是一個(gè)比較簡(jiǎn)單而且易于控制的裝置，如果把它產(chǎn)生的光束聚集成極細(xì)的光束，就可以切割；散焦一點(diǎn)就可以焊接；再散焦一點(diǎn)，就能進(jìn)行熱處理。
(2) 采用激光加工，不僅加工速度快，效率高，成本低，而且避免了模具或刀具更換，縮短了生產(chǎn)準(zhǔn)備時(shí)間周期。易于實(shí)現(xiàn)連續(xù)加工，激光光束換位時(shí)間短，提高了生產(chǎn)效率。可進(jìn)行多種工件交替安裝。一個(gè)工件加工時(shí)，可卸下已完成的部件，并安裝待加工工件，實(shí)現(xiàn)并行加工，減少安裝時(shí)間，增加激光加工時(shí)間。
(3) 激光束采用直接驅(qū)動(dòng)和導(dǎo)向方法。激光可作旋轉(zhuǎn)、傾斜、上下左右移動(dòng)等運(yùn)動(dòng)，能加工工件的垂直面和復(fù)雜表面；而且直接驅(qū)動(dòng)沒(méi)有空程，精度高。將激光的控制和機(jī)器人相結(jié)合，用機(jī)器人來(lái)移動(dòng)或多軸線方式方式翻轉(zhuǎn)光束下的零件，可加工一些用傳統(tǒng)方法加工比較困難的零件。
(4) 采取多級(jí)快速反應(yīng)的防撞措施，光束導(dǎo)向裝置接觸工件時(shí)，運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)立即停機(jī)，使系統(tǒng)不被破壞，避免了昂貴的維護(hù)；碰撞后能快速而簡(jiǎn)單地恢復(fù)工作，減少了碰撞引起的停機(jī)時(shí)間，提高了激光系統(tǒng)的加工效率和可靠性。
(5) 激光頭可自由運(yùn)動(dòng)，目前激光頭已達(dá)5個(gè)運(yùn)動(dòng)軸，即使工件在加工時(shí)保持固定，仍可實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工件的加工，而且只要利用移動(dòng)旋轉(zhuǎn)工作臺(tái)，就可加工比軸行程大的零部件。激光束采用自動(dòng)聚焦控制。激光系統(tǒng)直線軸可沿光軸或任意軸定位，以保持光束聚焦；焦點(diǎn)位置任何時(shí)刻都精確可知，而且行程無(wú)限制。圖1示出了自動(dòng)聚焦控制與鏡頭伺服控制的比較，由圖看見(jiàn)，鏡頭伺服系統(tǒng)中聚焦透鏡與激光系統(tǒng)移動(dòng)無(wú)關(guān)，因此焦點(diǎn)位置無(wú)法確定。
圖1 自動(dòng)聚焦控制與鏡頭伺服控制比較
2、柔性制造系統(tǒng)（FMS）
柔性制造系統(tǒng)(Flexible Manufacturing System 縮寫(xiě)FMS)是指適用于多品種、中小批量生產(chǎn)的具有高柔性且自動(dòng)化程度高的制造系統(tǒng)。柔性是FMS的最大特點(diǎn)，即系統(tǒng)內(nèi)部對(duì)外部環(huán)境的適應(yīng)能力。FMS自其誕生以來(lái)就顯示出強(qiáng)大的生命力，它克服了傳統(tǒng)的剛性自動(dòng)線只適用于大量生產(chǎn)的局限性，表現(xiàn)出了對(duì)多品種、中小批量生產(chǎn)制造自動(dòng)化的適應(yīng)能力。隨著社會(huì)對(duì)產(chǎn)品多樣化、低制造成本、短制造周期要求的日趨迫切，由于微電子技術(shù)、計(jì)算機(jī)技術(shù)、通信技術(shù)、機(jī)械與控制設(shè)備的進(jìn)步，柔性制造技術(shù)發(fā)展迅猛并日臻成熟。實(shí)用表明，柔性制造技術(shù)具有如下特點(diǎn)：具有較高的柔性、機(jī)構(gòu)性和通用性；轉(zhuǎn)產(chǎn)快、準(zhǔn)備時(shí)間短；備利用率高，可實(shí)現(xiàn)無(wú)人看管24h連續(xù)工作；加工質(zhì)量高且穩(wěn)定；所需費(fèi)用低；相同產(chǎn)量占地面積是傳統(tǒng)設(shè)備的60%。由此可見(jiàn)，正是由于柔性制造技術(shù)的這種高效、靈活的特性使其成為實(shí)施敏捷制造、并行工程、精益生產(chǎn)和智能制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)，且應(yīng)用日益廣泛，已成為制造領(lǐng)域的核心技術(shù)。而按規(guī)模大小FMS主要分為：柔性制造單元(FMC)；柔性制造線(FML)；柔性制造系統(tǒng)(FMS)。
一般柔性制造系統(tǒng)的主要組成部分為：
(1) 加工系統(tǒng)
FMS采用的設(shè)備由待加工工件的類(lèi)別決定主要有加工中心、車(chē)削中心或計(jì)算機(jī)數(shù)控(CNC)車(chē)、銑、磨及齒輪加工機(jī)床等，用以自動(dòng)地完成多種工序的加工。
(2) 物料系統(tǒng)
用以實(shí)現(xiàn)工件及工裝夾具的自動(dòng)供給和裝卸，以及完成工序間的自動(dòng)傳送、調(diào)運(yùn)和存貯工作，包括各種傳送帶、自動(dòng)導(dǎo)引小車(chē)、工業(yè)機(jī)器人及專(zhuān)用起吊運(yùn)送機(jī)等。
(3) 計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)
用以處理FMS的各種信息，輸出控制CNC機(jī)床和物料系統(tǒng)等自動(dòng)操作所需的信息。通常采用三級(jí)(設(shè)備級(jí)、工作站級(jí)、單元級(jí))分布式計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)，其中單元級(jí)控制系統(tǒng)(單元控制器)是FMS的核心。
(4) 系統(tǒng)軟件
用以確保FMS有效地適應(yīng)中小批量多品種生產(chǎn)的管理、控制及優(yōu)化工作，包括設(shè)計(jì)規(guī)劃軟件、生產(chǎn)過(guò)程分析軟件、生產(chǎn)過(guò)程調(diào)度軟件、系統(tǒng)管理和監(jiān)控軟件。
3、激光柔性加工系統(tǒng)的實(shí)現(xiàn)
由上述文字我們可以發(fā)現(xiàn)激光加工與柔性制造系統(tǒng)有很好的相容性，把兩者結(jié)合起來(lái)形成激光柔性加工系統(tǒng)，在彼此相互配合良好的條件下肯定會(huì)收到非凡的效果并取得良好的收益。
隨著激光與材料的相互作用的進(jìn)一步研究，激光加工技術(shù)也必將廣泛的應(yīng)用在柔性制造系統(tǒng)上。
實(shí)現(xiàn)激光加工的柔性系統(tǒng)化主要指激光加工頭能靈活機(jī)動(dòng)地引導(dǎo)激光束到達(dá)零件的待加工位置。從激光加工機(jī)床所能加工零件的復(fù)雜程度看，又分平面二維和空間三維激光加工，大功率激光三維加工是未來(lái)激光加工的方向的發(fā)展方向，為了實(shí)現(xiàn)激光加工的靈活性，三維激光必須采用運(yùn)動(dòng)光學(xué)系統(tǒng)。大功率三維YAG激光加工系統(tǒng)通常采用機(jī)器人(或機(jī)器手)配合光導(dǎo)纖維進(jìn)行光束傳輸，由機(jī)器人挾持著激光頭完成各種運(yùn)動(dòng)，激光則通過(guò)光導(dǎo)纖維傳送到激光加工頭處，到達(dá)工件表面，這種加工系統(tǒng)中，光束的傳輸和聚焦特性不受加工位置的影響。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
機(jī)器手作為激光柔性加工系統(tǒng)的重要組成部分，其運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的穩(wěn)定性直接影響著加工質(zhì)量。而對(duì)于大功率CO2激光，則是通過(guò)一組光學(xué)鏡片(鏡組)進(jìn)行傳輸。這些鏡組安裝在多軸聯(lián)動(dòng)(一般是5軸聯(lián)動(dòng))數(shù)控加工機(jī)床上，激光從激光器發(fā)射出來(lái)后，經(jīng)過(guò)若干反射鏡，傳送到激光加工頭。隨著加工位置的變化，加工機(jī)床帶動(dòng)激光加工頭運(yùn)動(dòng)。結(jié)果使鏡片之間的距離以及激光束的行程不斷發(fā)生變化，這些變化將影響激光束能量分布和聚焦特性的變化，從而影響了加工過(guò)程，目前，這兩種加工系統(tǒng)都得到廣泛應(yīng)用。
圖2 采用CAD/CAM技術(shù)的激光加工過(guò)程
進(jìn)行三維激光加工離不開(kāi)計(jì)算機(jī)程序，編制激光加工的計(jì)算機(jī)程序主要有示教編程和自動(dòng)編程兩種方式。由于手工示教編程是一項(xiàng)勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低的工作，采用自動(dòng)編程則是三維激光加工的必然趨勢(shì)。自動(dòng)編程是建立在CAD平臺(tái)上的CAM系統(tǒng)，這就必須與CAD/CAM技術(shù)相連接，以便實(shí)現(xiàn)加工各種復(fù)雜幾何形狀的自動(dòng)化過(guò)程，其中需采用許多先進(jìn)技術(shù)，如產(chǎn)品設(shè)計(jì)與工藝過(guò)程設(shè)計(jì)的專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)等，采用CAD/CAM技術(shù)的激光加工過(guò)程如圖產(chǎn)品的幾何形狀通過(guò)數(shù)字化顯示終端反饋到CAD/CAM系統(tǒng)，或全部過(guò)程由圖象掃描器自動(dòng)完成，掃描系統(tǒng)以具有2048象元和5灰度的CCD線性攝像機(jī)為基礎(chǔ)，高速的圖像處理器將幾何圖像的象元轉(zhuǎn)換成CAD系統(tǒng)所用的曲線形式。用戶可在CAD終端檢查所掃描的幾何圖形，圖形的周長(zhǎng)和面積可自動(dòng)地計(jì)算，系統(tǒng)利用這兩個(gè)值，對(duì)用戶提供的繪圖進(jìn)行快速拷貝，然后由計(jì)算機(jī)專(zhuān)家數(shù)據(jù)庫(kù)產(chǎn)生出生產(chǎn)過(guò)程(CAPP)文件，最后進(jìn)行NC編程，將生產(chǎn)過(guò)程文件變成控制信息，如加工參數(shù)、切割路線等。最后根據(jù)材料的選擇，加工可在系統(tǒng)上完成。與其他加工類(lèi)型的FMS相比，激光柔性加工系統(tǒng)的材料傳輸需有其獨(dú)特之處。
(1) 分布式數(shù)據(jù)控制
由于激光加工不需要對(duì)工件施加機(jī)械力，裝夾成本最低，現(xiàn)有的激光加工工作臺(tái)允許工件材料通過(guò)機(jī)器在X，Y和-Y三個(gè)方向饋送，因此工作臺(tái)既適用于單一薄板、部件及托盤(pán)裝卸，又適合于滾壓式進(jìn)給。當(dāng)代激光單元最重要的DNC特征包括軸線的的維數(shù)、控制激光器參數(shù)(如功率值，光閘，光的通與斷等)，用于可靠程序裝入、撤除的有效的DNC模型及連接外部傳感器和材料傳輸系統(tǒng)的能力。
(2) 機(jī)器人
利用機(jī)器人時(shí)，鉗抓裝置的扳手必須足夠大，以便能抓住大的工件，鉗抓裝置上還必須裝有智能傳感器(具有感覺(jué)和視覺(jué))，用來(lái)檢測(cè)疊層組件的高度。其解決辦法是采用增加了環(huán)氧樹(shù)脂的碳纖維來(lái)制造鉗抓裝置，它帶有許多小的吸盤(pán)和微型感應(yīng)傳感器。為了能夠吸取多塊加工板，使用氣缸施給鉗抓裝置一個(gè)輕微的傾斜運(yùn)動(dòng)。
(3) AGV和ASR
在激光柔性加工系統(tǒng)中，用ASR(有效供給速度)倉(cāng)庫(kù)來(lái)存放加工板。一個(gè)多級(jí)ASR倉(cāng)庫(kù)可同時(shí)為1-3個(gè)加工中心服務(wù)，機(jī)床不必安裝自己的托盤(pán)交換器。ASR倉(cāng)庫(kù)系統(tǒng)能存儲(chǔ)大量的被加工工件，它們由AGV(自動(dòng)導(dǎo)向車(chē))來(lái)傳送到工作臺(tái)，使長(zhǎng)時(shí)間無(wú)人操作的生產(chǎn)運(yùn)行成為現(xiàn)實(shí)。為防止小工件從加工工作臺(tái)上傾斜下落，一種特殊的鋼制或鋁制支持托板應(yīng)運(yùn)而生。
4、激光柔性加工系統(tǒng)的誤差檢測(cè)和補(bǔ)償
激光柔性加工系統(tǒng)的加工處理過(guò)程實(shí)質(zhì)上是一個(gè)數(shù)據(jù)采集、存儲(chǔ)、傳遞和轉(zhuǎn)換的過(guò)程，最終產(chǎn)物可以看作是數(shù)據(jù)和信息的物質(zhì)表現(xiàn)。要保證測(cè)量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性和加工數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)化為加工軌跡的精確性，就要求對(duì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)本身的精度有全面細(xì)致的檢測(cè)和了解，并能根據(jù)檢測(cè)的結(jié)果對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行誤差分析和補(bǔ)償，完善原有結(jié)構(gòu)，以滿足高精度加工要求。
目前激光加工機(jī)器人大多為兩軸或三軸的機(jī)械手，只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的加工，而復(fù)雜曲面的加工則必須由高性能機(jī)器人來(lái)完成，也就是大范圍、高精度5軸激光加工機(jī)器人，它可以完成復(fù)雜曲面的加工。若整個(gè)系統(tǒng)是以框架式機(jī)器人為載體，由X軸、Y軸、Z軸構(gòu)成其直角坐標(biāo)系中的三維運(yùn)動(dòng)，另外可繞A軸旋轉(zhuǎn)、C軸擺動(dòng)。這樣整個(gè)系統(tǒng)的加工范圍和精度就會(huì)得到很大的提高。前面闡述的三維激光加工若是大型工件一般就采用框架式機(jī)器人。這樣對(duì)整個(gè)系統(tǒng)的檢測(cè)和補(bǔ)償尤其是對(duì)機(jī)器人的誤差的檢測(cè)和補(bǔ)償就顯得尤為重要，同時(shí)也才能保證系統(tǒng)進(jìn)行高精度的加工。
在激光加工時(shí)，要求光束垂直于加工表面，有確定的焦距要在大范圍工作空間內(nèi)達(dá)到加工所需精度，就需了解X軸、Y軸、Z軸的定位誤差、直線度運(yùn)動(dòng)誤差、角運(yùn)動(dòng)誤差和各軸之間的垂直度誤差。同時(shí)還要了解A、C軸的旋轉(zhuǎn)和擺動(dòng)的角度誤差和各自旋轉(zhuǎn)主軸在系統(tǒng)框架中的姿態(tài)，以便建立數(shù)學(xué)補(bǔ)償模型來(lái)提高系統(tǒng)精度。整個(gè)系統(tǒng)需要檢測(cè)的項(xiàng)目繁多且精度類(lèi)型各異，利用普通量?jī)x不但需要多臺(tái)儀器，而且費(fèi)時(shí)。例如，檢測(cè)X軸、Y軸、Z軸的定位精度，傳統(tǒng)方法是采用激光干涉儀，而各軸對(duì)應(yīng)的直線度誤差則采用平尺或激光準(zhǔn)直儀，檢測(cè)角運(yùn)動(dòng)誤差則需要角度激光干涉儀或電子水平儀等。各測(cè)量?jī)x之間的測(cè)量精度也不一樣，尤其是無(wú)法測(cè)量出A、C軸相對(duì)于整個(gè)框架的姿態(tài)。傳統(tǒng)測(cè)量?jī)x器很難獲得系統(tǒng)的動(dòng)態(tài)性能指標(biāo)，所以在對(duì)整個(gè)柔性系統(tǒng)的檢測(cè)中采用的是近年才發(fā)展起來(lái)的激光跟蹤干涉儀。激光跟蹤干涉技術(shù)是基于激光干涉原理和伺服控制原理，用來(lái)測(cè)量物體空間位置和姿態(tài)并隨著機(jī)器人計(jì)量學(xué)的需要而發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新型技術(shù)。如圖3所示，整個(gè)測(cè)量系統(tǒng)立于一個(gè)立柱上，測(cè)量頭可繞水平軸和垂直軸轉(zhuǎn)動(dòng)。儀器能以1000次/s的采樣速度測(cè)量光束的空間方位角θi、φi和測(cè)量頭至目標(biāo)反射鏡中心之間的距離Li。將極坐標(biāo)數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換成直角坐標(biāo)，就獲得了測(cè)點(diǎn)的空間坐標(biāo)值。若對(duì)精度要求再高一些例如在微加工中可利用LM多坐標(biāo)激光干涉儀組成的納米定位系統(tǒng)。#p#分頁(yè)標(biāo)題#e#
圖3 利用激光跟蹤干涉儀測(cè)量機(jī)器人腕部示意圖
運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的選擇是決定機(jī)器人絕對(duì)精度的重要因素之一。它必須正確地對(duì)影響機(jī)器人末端位姿的各種因素建模。增加運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的復(fù)雜度有助于提高機(jī)器人的絕對(duì)精度，但是也要付出降低機(jī)器人性能中其它特性的代價(jià)，因此建模時(shí)要綜合考慮各方面的因素。激光加工機(jī)器人為框架結(jié)構(gòu)的機(jī)器人，我們認(rèn)為采用網(wǎng)格化的誤差補(bǔ)償方法較合適，該方法可以補(bǔ)償機(jī)器人幾何誤差和某些非幾何誤差。根據(jù)機(jī)器人補(bǔ)償精度的要求，可以把激光加工機(jī)器人工作空間劃分為網(wǎng)格如圖4所示。根據(jù)不同的補(bǔ)償精度的要求，網(wǎng)格的疏密程度可以不同。
圖4 機(jī)器人工作空間網(wǎng)格劃分圖
X方向的誤差補(bǔ)償公式
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