馮 豐（天津電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350）

工業(yè)機(jī)器人運(yùn)用于激光切割的研究

馮 豐
（天津電子信息職業(yè)技術(shù)學(xué)院，天津 300350）

隨著生產(chǎn)工業(yè)的需要，激光加工機(jī)器人是國(guó)際上面向 21 世紀(jì)的先進(jìn)制造技術(shù)。本文從工業(yè)機(jī)器人出發(fā)，綜述了機(jī)器人對(duì)于激光切割技術(shù)的作用、應(yīng)用及體系構(gòu)建。生產(chǎn)制造工業(yè)企業(yè)對(duì)于智能化機(jī)器人的要求也越來(lái)越高。而工業(yè)機(jī)器人在工藝激光切割應(yīng)用中的實(shí)用性也越來(lái)越強(qiáng)。因此，本文從工藝激光切割工業(yè)智能化的角度出發(fā)，結(jié)合相關(guān)理論對(duì)工業(yè)的生產(chǎn)工藝進(jìn)行研究，如PLC激光信號(hào)的應(yīng)用及切割工藝的應(yīng)用等，本文的研究具備長(zhǎng)遠(yuǎn)意義，可為日后的生產(chǎn)應(yīng)用作參考。

工業(yè)機(jī)器人；工藝激光切割；應(yīng)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(shí)，1962 年美國(guó)Unimation公司推出首臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。此后，機(jī)器人技術(shù)經(jīng)歷了一系列不斷的發(fā)展過(guò)程。直到 20世紀(jì) 90 年代全球信息化浪潮風(fēng)起云涌，計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)等快速進(jìn)步，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。它具有重復(fù)性精確生產(chǎn)特征，適應(yīng)制造業(yè)中規(guī)?；可a(chǎn)要求，裝配在生產(chǎn)線上代替人工作業(yè)，不僅解除了工人的繁復(fù)勞動(dòng)，而且提高了生產(chǎn)質(zhì)量。它可以流動(dòng)作業(yè)，適應(yīng)個(gè)性化生產(chǎn)需求。目前工業(yè)機(jī)器人技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備而廣泛應(yīng)用于工業(yè)界，國(guó)內(nèi)外形成了一批著名的工業(yè)機(jī)器人公司。當(dāng)社會(huì)經(jīng)濟(jì)結(jié)構(gòu)遭遇工業(yè)智能化信息結(jié)構(gòu)的影響，各個(gè)經(jīng)濟(jì)產(chǎn)業(yè)都會(huì)應(yīng)勢(shì)而轉(zhuǎn)型。產(chǎn)業(yè)與產(chǎn)業(yè)之間開始對(duì)專業(yè)化人才的要求越來(lái)越高，而工業(yè)智能化應(yīng)用作為現(xiàn)代應(yīng)用的代表作，在我國(guó)各個(gè)行業(yè)的工業(yè)生產(chǎn)中都有其意義所在。其中，制造工業(yè)企業(yè)所需的專業(yè)化人才也越來(lái)越多，相關(guān)科研所為了摒棄脫離現(xiàn)代化制造產(chǎn)業(yè)的傳統(tǒng)應(yīng)用模式，開始對(duì)工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行有效的應(yīng)用與管理，信息技術(shù)能夠加強(qiáng)高科技工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)應(yīng)用能力。因此，本文以工業(yè)機(jī)器人在工藝激光切割的應(yīng)用為研究對(duì)象，探索社會(huì)所需的專業(yè)工業(yè)智能化應(yīng)用模式，進(jìn)而提高生產(chǎn)工業(yè)能力，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)發(fā)展。

1　工業(yè)機(jī)器人在工藝激光切割工業(yè)生產(chǎn)中的作用

近年來(lái)激光技術(shù)飛速發(fā)展，涌現(xiàn)出可與機(jī)器人柔性耦合的光纖傳輸?shù)母吖β使I(yè)型激光器。先進(jìn)制造領(lǐng)域在智能化、自動(dòng)化和信息化技術(shù)方面的不斷進(jìn)步促進(jìn)了機(jī)器人技術(shù)與激光技術(shù)的結(jié)合，特別是汽車產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求，帶動(dòng)了激光加工機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的形成與發(fā)展。從 20 世紀(jì) 90 年代開始，德國(guó)、美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家投入大量人力物力進(jìn)行研發(fā)激光加工機(jī)器人。進(jìn)入 2000年，德國(guó) KUKA，瑞士的ABB，日本 FA NUC 等機(jī)器人公司均研制激光焊接機(jī)器人和激光切割機(jī)器人的系列產(chǎn)品。目前在國(guó)內(nèi)外汽車產(chǎn)業(yè)中，激光焊接機(jī)器人和激光切割機(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、美國(guó)通用汽車、日本豐田汽車等汽車裝配生產(chǎn)線上，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，而且減輕了汽車車身重量，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。在中國(guó)，一汽大眾、上海大眾汽車公司也引進(jìn)了激光機(jī)器人焊接生產(chǎn)線。目前有沈陽(yáng)新松機(jī)器人公司涉足激光切割和焊接機(jī)器人制造領(lǐng)域。對(duì)于工業(yè)機(jī)器人在激光切割中的應(yīng)用，主要?dú)w結(jié)為三點(diǎn)作用：一是工業(yè)機(jī)器人能夠通過(guò)現(xiàn)代信息化制造技術(shù)為生產(chǎn)工人提供更前沿的學(xué)習(xí)內(nèi)容。工藝激光切割所應(yīng)用的行業(yè)涉及到金工、電子、數(shù)控等產(chǎn)業(yè)。在制造工藝的應(yīng)用中，傳統(tǒng)的應(yīng)用模式儼然跟不上社會(huì)發(fā)展節(jié)奏。因此，工業(yè)機(jī)器人加強(qiáng)了生產(chǎn)工人對(duì)于信息、材料、通信、控制、環(huán)保等生產(chǎn)要素的應(yīng)用，并實(shí)時(shí)為生產(chǎn)工人提供更前沿、更創(chuàng)新的新技術(shù)和新制造工藝；二是工業(yè)機(jī)器人還能為生產(chǎn)工人創(chuàng)造更全面的工業(yè)企業(yè)生產(chǎn)支持，幫助生產(chǎn)工人更好的掌握制造產(chǎn)業(yè)的生產(chǎn)流程。工藝激光切割應(yīng)用在光纖激光器，此項(xiàng)應(yīng)用在于體現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人的生產(chǎn)優(yōu)勢(shì)，尤其是在生產(chǎn)波束范圍廣及效果良好、工作功率與效率穩(wěn)定、光斑小及切割速度快精準(zhǔn)等；三是提升了激光接線信號(hào)，激光接線信號(hào)由激光占空比、激光頻率、激光功率、氧氣壓力、激光開關(guān)、隨動(dòng)開關(guān)、氧氣開關(guān)、開始生產(chǎn)、暫停生產(chǎn)、停止生產(chǎn)、回零位等組成，這些激光信號(hào)來(lái)源主要以模擬量與數(shù)字量的方式輸出，端口分別以軟信號(hào)無(wú)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(hào)的輸出分為CPU模塊和模擬量模塊，而工業(yè)機(jī)器人在這兩個(gè)模塊的應(yīng)用性是比較好的。

2　工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用

2.1生產(chǎn)應(yīng)用

基于PLC激光信號(hào)，工業(yè)智能化設(shè)計(jì)與制造產(chǎn)業(yè)對(duì)機(jī)器人應(yīng)用進(jìn)行創(chuàng)新性研究，而工藝激光切割的工智能化應(yīng)用模式應(yīng)以工業(yè)智能化機(jī)器人現(xiàn)代制造應(yīng)用為主。然而，在生產(chǎn)中，機(jī)器人需要四點(diǎn)信息整合：一是機(jī)器人信息；二是工業(yè)信息；三是PLC激光信息；四是生產(chǎn)工人信息。工業(yè)信息主要是生產(chǎn)工藝、制造和管理等。而激光機(jī)器人信息則是以符合國(guó)家生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的機(jī)器人在工作原理、原則及激光處理等工作內(nèi)容的信息錄入。PLC激光信息則是以激光信號(hào)發(fā)射出來(lái)的工作，包括設(shè)備、工裝、原材料、耗材等信息的錄入。生產(chǎn)工人信息是以工人的生產(chǎn)權(quán)限劃分為主。機(jī)器人在生產(chǎn)激光應(yīng)用中，應(yīng)遵循工業(yè)智能化生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)，整合專業(yè)應(yīng)用內(nèi)容，進(jìn)行高效應(yīng)用。而完善工業(yè)智能化設(shè)計(jì)與制造一體化應(yīng)用平臺(tái)，實(shí)現(xiàn)在機(jī)械工程學(xué)科應(yīng)用中的應(yīng)用與推廣，對(duì)于工藝激光切割應(yīng)用模式的創(chuàng)新有促進(jìn)作用。在通過(guò)工業(yè)智能化設(shè)計(jì)制造一體化的研究中，機(jī)器人科研所需實(shí)現(xiàn)與工業(yè)企業(yè)的對(duì)接，為工業(yè)企業(yè)提供設(shè)計(jì)制造一體化原型系統(tǒng)和人員培訓(xùn)，打造一個(gè)機(jī)器人高效穩(wěn)定的工作平臺(tái)。

2.2切割工藝應(yīng)用

工藝激光切割機(jī)器人的工藝應(yīng)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(fā)，以數(shù)控切割技術(shù)和機(jī)器人切割技術(shù)為主。火焰切割原理是以火焰實(shí)現(xiàn)切割過(guò)程的，在金屬燃燒過(guò)程中效率更高?；鹧媲懈罟に嚲邆淙键c(diǎn)低于熔點(diǎn)、熱量足及熱性低、熔點(diǎn)低及流動(dòng)性好等特點(diǎn)。等離子切割較于火焰切割熔點(diǎn)更低，等離子切割用其氣壓、電壓及磁場(chǎng)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(yè)機(jī)器人用機(jī)械數(shù)據(jù)處理技術(shù)和機(jī)器人輔助工程，運(yùn)用逆向工程技術(shù)進(jìn)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?；鹧媲懈钸\(yùn)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(qū)是大（0.6-1.2mm），切割板材變形大，設(shè)備費(fèi)用低，維護(hù)方式簡(jiǎn)單。等離子切割運(yùn)用材料是碳鋼、不銹鋼、鋁銅、鑄鐵等導(dǎo)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(qū)是較小的（0.5-1.0mm），切割板材變形較小，設(shè)備費(fèi)用中高，維護(hù)方式需要許多組件維護(hù)。激光切割運(yùn)用材料是（特種）金屬材料、非金屬材料、復(fù)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(qū)是很小的（＜=0.1mm），切割板材變形很小，設(shè)備費(fèi)用高，維護(hù)方式需要專業(yè)人員及維護(hù)復(fù)雜。因此，對(duì)比之下，激光切割的優(yōu)勢(shì)更好。另外，這幫助了生產(chǎn)工人更好的切割應(yīng)用。

2.3激光應(yīng)用

PLC激光切割的應(yīng)用幫助生產(chǎn)工人擁有更好的生產(chǎn)能力，Pro/E等軟件的組合應(yīng)用也能加強(qiáng)機(jī)器人的有效應(yīng)用以及加強(qiáng)生產(chǎn)工人對(duì)于數(shù)控自動(dòng)編程的操作能力。在工藝激光切割中，生產(chǎn)工人需以機(jī)器人輔助設(shè)計(jì)與制造為主。產(chǎn)品設(shè)計(jì)、裝備設(shè)計(jì)以及反求設(shè)計(jì)共同組成機(jī)器人生產(chǎn)環(huán)節(jié)，而工藝設(shè)計(jì)與制造環(huán)節(jié)、質(zhì)檢環(huán)節(jié)需融合工業(yè)活動(dòng)的具體需求，巧妙應(yīng)用PLC激光切割的軟硬件。工業(yè)智能化工業(yè)制造可關(guān)聯(lián)到三點(diǎn)：一是工業(yè)智能化設(shè)計(jì)；二是工業(yè)智能化制造；三是工業(yè)智能化管理。工業(yè)智能化制造主要針對(duì)機(jī)器人輔助離線切割，工藝以激光隨動(dòng)、數(shù)控技術(shù)NC以及快速原型技術(shù)RP等的應(yīng)用為主，用有限元法對(duì)于離線切割進(jìn)行更好的應(yīng)用。而工業(yè)機(jī)器人輔助工藝過(guò)程中，注重激光隨動(dòng)系統(tǒng)中零件信息的描述與輸入、派生式激光隨動(dòng)系統(tǒng)和創(chuàng)成式激光隨動(dòng)系統(tǒng)等。工業(yè)機(jī)器人輔助數(shù)控加工編程，并用工業(yè)機(jī)器人與Pro/E軟件加工組合使用。其中，工業(yè)機(jī)器人的激光應(yīng)用需要逆向工程技術(shù)、虛擬制造技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)化制造和快速響應(yīng)制造等技術(shù)的整合使用。在工業(yè)機(jī)器人的支撐下，機(jī)械系統(tǒng)集成在產(chǎn)品數(shù)據(jù)交換標(biāo)準(zhǔn)的應(yīng)用應(yīng)用中也是難題之一。

3　工業(yè)機(jī)器人激光切割體系的構(gòu)建

按照工業(yè)生產(chǎn)制造產(chǎn)業(yè)鏈的結(jié)構(gòu)需要，工業(yè)激光切割體系擬提供工業(yè)智能化激光切割與設(shè)計(jì)、工業(yè)機(jī)器人與技術(shù)研發(fā)、工業(yè)智能激光科研成果轉(zhuǎn)化等。

3.1工業(yè)智能化激光切割、設(shè)計(jì)與咨詢

工業(yè)智能化激光切割與設(shè)計(jì)：包括工業(yè)智能化現(xiàn)場(chǎng)切割、數(shù)據(jù)處理與分析、機(jī)器人激光方案設(shè)計(jì)、機(jī)器人激光規(guī)劃、機(jī)器人激光技術(shù)咨詢等。采用智能化切割設(shè)備對(duì)工業(yè)制造進(jìn)行自動(dòng)化切割，通過(guò)激光專家系統(tǒng)對(duì)切割數(shù)據(jù)進(jìn)行處理和分析，診斷制造類型和產(chǎn)生機(jī)理，為客戶提供激光規(guī)劃、激光方案設(shè)計(jì)、激光技術(shù)咨詢、激光工程量及投資預(yù)算等決策信息。

3.2激光技術(shù)與材料研發(fā)

隨著“資源節(jié)約型、環(huán)境友好型”社會(huì)建設(shè)的持續(xù)深入發(fā)展，低碳環(huán)保的要求不斷提高，工業(yè)機(jī)器人激光切割技術(shù)需會(huì)在工業(yè)建設(shè)中得到廣泛應(yīng)用。隨著工業(yè)生產(chǎn)高峰的紛至沓來(lái)，未來(lái)工業(yè)產(chǎn)業(yè)切割材料及相關(guān)技術(shù)等的市場(chǎng)規(guī)模需會(huì)飛速發(fā)展。

工業(yè)機(jī)器人一直奉行“搶占技術(shù)制高點(diǎn)，制造社會(huì)大生產(chǎn)”的發(fā)展理念，為加快產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級(jí)，走可持續(xù)發(fā)展之路，自2006年以來(lái)，投入了大量資金和人力開展相關(guān)技術(shù)研究，并取得了一系列國(guó)內(nèi)領(lǐng)先和國(guó)際先進(jìn)的研究成果，部分成果已在工業(yè)建設(shè)和激光上得到應(yīng)用，為需來(lái)機(jī)器人發(fā)展打下了堅(jiān)實(shí)的技術(shù)基礎(chǔ)。工業(yè)激光切割體系組建后，需固定科技研發(fā)隊(duì)伍，保證研發(fā)資金可持續(xù)投入，繼續(xù)開展工業(yè)智能綠色機(jī)器人激光技術(shù)、“高精尖”難點(diǎn)技術(shù)、激光新材料、新工藝的研發(fā)，搶占技術(shù)制高點(diǎn)，以技術(shù)培育和主導(dǎo)市場(chǎng)。

3.3工業(yè)智能機(jī)器人激光科研成果轉(zhuǎn)化

相關(guān)研究所需研發(fā)相關(guān)機(jī)器人激光切割材料，促進(jìn)其大規(guī)模推廣應(yīng)用，主營(yíng)材料生產(chǎn)與銷售、應(yīng)用技術(shù)咨詢等。同時(shí)，機(jī)器人還應(yīng)實(shí)現(xiàn)廢物利用和節(jié)能減排。研究工業(yè)機(jī)器人激光切割的成套技術(shù)，從事相關(guān)材料生產(chǎn)與銷售、應(yīng)用技術(shù)咨詢等，并研發(fā)再生劑及應(yīng)用成套技術(shù)。未來(lái)可以從事工業(yè)面切割生產(chǎn)技術(shù)咨詢與制造、生產(chǎn)質(zhì)量控制與監(jiān)測(cè)等業(yè)務(wù)。

4　結(jié)論與展望

未來(lái)的發(fā)展中，工業(yè)產(chǎn)業(yè)需與機(jī)器人科研單位按照現(xiàn)金出資的方式，以獨(dú)立法人形式共同組建機(jī)器人工業(yè)激光切割體系。機(jī)器人工業(yè)激光切割體系出資只收購(gòu)激光切割方案的設(shè)計(jì)資產(chǎn)及資質(zhì)，并購(gòu)買常規(guī)試驗(yàn)檢測(cè)設(shè)備。涉及大型的智能化激光切割項(xiàng)目，工業(yè)激光切割體系可與工業(yè)生產(chǎn)中心合作完成，共享項(xiàng)目利潤(rùn)。在工業(yè)機(jī)器人激光切割中，工業(yè)激光切割體系需以激光技術(shù)和高精尖難點(diǎn)技術(shù)研發(fā)與推廣應(yīng)用為產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。工業(yè)機(jī)器人是專業(yè)工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化平臺(tái)，工藝激光切割專業(yè)應(yīng)用后，生產(chǎn)工人的專業(yè)應(yīng)用性更強(qiáng)，工業(yè)的生產(chǎn)效率也會(huì)增高。同時(shí)，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用內(nèi)容涉及到生產(chǎn)制造工業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境，工業(yè)機(jī)器人的應(yīng)用加大了生產(chǎn)工人對(duì)于工業(yè)生產(chǎn)制造工藝的優(yōu)化。本文的研究對(duì)于工藝激光切割的應(yīng)用主要?dú)w結(jié)于生產(chǎn)應(yīng)用，切割工藝應(yīng)用及激光應(yīng)用。本文的研究總結(jié)的內(nèi)容比較多，涉及到工業(yè)機(jī)器人的作用，專業(yè)化工業(yè)生產(chǎn)的應(yīng)用內(nèi)容及發(fā)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(lǐng)域下的相關(guān)研究做參考依據(jù)。

［1］郭洪紅主編.工業(yè)機(jī)器人技術(shù)［M］.西安電子科技大學(xué)出版社，2006.

［2］林尚揚(yáng)等編著.焊接機(jī)器人及其應(yīng)用［M］.機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

［3］余達(dá)太等著.工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用工程［M］.冶金工業(yè)出版社，1999.

［4］現(xiàn)代切割技術(shù)的發(fā)展與運(yùn)用［J］.金屬加工（熱加工），2012（06）.

馮豐（1964-），女，天津人，工學(xué)學(xué)士，副教授，主要從事：機(jī)械制造與自動(dòng)化專業(yè)的教學(xué)、實(shí)踐與研究。