李坤全，文睿

（河南工程學(xué)院，河南 鄭州 451191）

激光加工機(jī)器人技術(shù)及工業(yè)應(yīng)用

李坤全，文睿

（河南工程學(xué)院，河南 鄭州 451191）

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

激光加工機(jī)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(shí)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(jī)器人。激光加工機(jī)器人主要應(yīng)用于激加工工作過(guò)程中，和傳統(tǒng)的機(jī)器人不同，它是兩大科技產(chǎn)物的有機(jī)結(jié)合——激光技術(shù)、機(jī)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(mén)技術(shù)，其智能程度相對(duì)較高，現(xiàn)階段還處于研制階段，在研制的過(guò)程，還有一些技術(shù)難題沒(méi)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(jī)器人投入生產(chǎn)線使用，但是還沒(méi)有對(duì)其全面掌握，像工作原理等還沒(méi)有熟悉，本文對(duì)其基本結(jié)構(gòu)、工作的基本原理等進(jìn)行簡(jiǎn)單的闡述。

1 激光加工機(jī)器人簡(jiǎn)介

1.1 激光加工機(jī)器人組成

激光加工機(jī)器人是一項(xiàng)高度柔性的加工系統(tǒng)，基于這個(gè)原因，其組成激光機(jī)器人的各種激光器也要具備高度的柔性，現(xiàn)階段，我國(guó)在研制過(guò)程中，所用的激光器都是可光纖維傳輸?shù)募す馄?。整個(gè)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(gè)系統(tǒng)：一個(gè)是傳送系統(tǒng)，一個(gè)是光學(xué)系統(tǒng)，要想使激光加工機(jī)器人正常工作，還要有一個(gè)機(jī)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(gè)：一是控制器，另一個(gè)是試教盒，激光加工機(jī)器人的完成是建立在計(jì)算機(jī)體技術(shù)基礎(chǔ)之上的，因而還要具有計(jì)算機(jī)離線編程系統(tǒng)，其系統(tǒng)中所用的設(shè)備主要包括計(jì)算機(jī)和軟件。其外，為工作所需，在機(jī)器人系統(tǒng)中安裝機(jī)器視覺(jué)體系必不可少，此外，還包括激光加工頭、材料進(jìn)給系統(tǒng)以及加工工作臺(tái)等。圖1為一種激光熔覆機(jī)器人的示意圖。

1.2 激光加工機(jī)器人類(lèi)型

圖1 激光熔覆機(jī)器人組成示意圖

圖2 框架式激光加工機(jī)器人示意圖

工業(yè)用途不同，激光機(jī)器人的種類(lèi)也不盡相同，一般而言，可以將機(jī)器人分為兩種類(lèi)型，一類(lèi)是框架式機(jī)器人，第二類(lèi)是關(guān)節(jié)式機(jī)器人，兩種機(jī)器人由于工作需求不盡相同，其構(gòu)成的系統(tǒng)也不同，對(duì)于框架式機(jī)器人而言，其主要組成結(jié)構(gòu)主要包括一個(gè)龍門(mén)框架，三個(gè)系統(tǒng)（控制系統(tǒng)、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、監(jiān)測(cè)系統(tǒng)），一個(gè)激光器等，這種激光加工機(jī)器人的主要優(yōu)勢(shì)在于具有廣泛的應(yīng)用范圍，之外，對(duì)于一些精度較高的工業(yè)產(chǎn)品，也可以利用這種機(jī)器人進(jìn)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(jià)比相對(duì)較高，價(jià)格較為劃算，因而被廣泛的推廣應(yīng)用，如圖2。對(duì)于關(guān)節(jié)式激光加工機(jī)器人而言，它的組成結(jié)構(gòu)和框架式類(lèi)似，但是在此基礎(chǔ)上多了一個(gè)機(jī)器人本體系統(tǒng)，和框架式機(jī)器人相比較，這種激光加工加工機(jī)器人的優(yōu)勢(shì)是活動(dòng)空間較大，其動(dòng)作也相對(duì)較為靈活，但是在價(jià)格上相對(duì)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(jī)器人控制方式

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

2 用于激光加工機(jī)器人的高功率激光器

上文也有提及，和傳統(tǒng)的機(jī)器人不同，激光加工機(jī)器人是一個(gè)對(duì)柔性要求相對(duì)較高的加工系統(tǒng)，既對(duì)柔性有較高的要求，其高度的光束傳輸柔性也相對(duì)較高。對(duì)柔性要求較高的目在于方便后續(xù)工作的進(jìn)行——和機(jī)器人進(jìn)行耦合集成。在激光加工機(jī)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(diǎn)，就是激光波長(zhǎng)為10.6μm，不能進(jìn)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(yīng)用也受到很大的限制。

2.1 燈抽運(yùn)Nd∶YAG激光器

燈抽運(yùn)Nd∶YAG激光器，它起源于上個(gè)世紀(jì)70年代，在不斷的發(fā)展過(guò)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(yīng)嚴(yán)重，之外，光束質(zhì)量較差等，其優(yōu)點(diǎn)是價(jià)格便宜，在工作的過(guò)程中，進(jìn)行簡(jiǎn)單的維護(hù)即可，權(quán)衡利弊，其利遠(yuǎn)大于弊，因而現(xiàn)階段還應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)中。

2.2 全固態(tài)激光器

對(duì)于全固態(tài)激光器而言，它的發(fā)展是建立在燈抽運(yùn)Nd∶YAG激光器之上的，這種激光用較為先進(jìn)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(duì)較低，這一缺陷進(jìn)而導(dǎo)致光纖激光器具有較強(qiáng)的熱透鏡效應(yīng)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(méi)有發(fā)生變化。

2.3 盤(pán)片激光器

在21世紀(jì)之初，光纖激光器又面臨著新的競(jìng)爭(zhēng)對(duì)手——光板機(jī)關(guān)器?？梢灾v光盤(pán)機(jī)關(guān)器在對(duì)光纖的缺點(diǎn)進(jìn)行改進(jìn)的基礎(chǔ)上，又增添了新的元素，筆者對(duì)其優(yōu)點(diǎn)進(jìn)行總結(jié)歸納，其優(yōu)點(diǎn)主要體現(xiàn)在幾個(gè)方面：首先是材料的吸收率方面，其功率輸出高達(dá)5千瓦，其波長(zhǎng)在1.030μm，這就意味著材料的吸收率大大提升?；谶@一優(yōu)勢(shì)，它在各個(gè)行業(yè)的生產(chǎn)中均有用到，例如像焊接、切割、達(dá)標(biāo)等等。

2.4 半導(dǎo)體激光器

半導(dǎo)體機(jī)激光器，也叫做激光二極管，這種類(lèi)型的激光器是現(xiàn)階段最為先進(jìn)的激光器，系統(tǒng)的對(duì)半導(dǎo)體機(jī)關(guān)器進(jìn)行分類(lèi)，可將其分為兩種，一種是單管性半導(dǎo)體機(jī)關(guān)器，另一種是陣列型半導(dǎo)體激光器，由于科技含量較高，其制作過(guò)程復(fù)雜且昂貴，因而它僅應(yīng)用于兩個(gè)方面：地勢(shì)抽運(yùn)固體激光器，再者就是直接加工。在利用半導(dǎo)體激光器作業(yè)時(shí)，要對(duì)外界的溫度進(jìn)行嚴(yán)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(wèn)題。它的優(yōu)點(diǎn)是解決了盤(pán)片激光器中質(zhì)量重，體積大等問(wèn)題。

3 激光加工機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)及智能化

3.1 機(jī)器人結(jié)構(gòu)、性能參數(shù)及選型

粗略來(lái)講，機(jī)器人的組成結(jié)構(gòu)主要包括三個(gè)方面：機(jī)器人本體、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)以及控制系統(tǒng)等。之外，機(jī)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(shí)際需求安裝，例如為了使機(jī)器人的工作空間更大，我們可以將其安裝在移動(dòng)結(jié)構(gòu)上。

3.2 激光機(jī)器人的智能化

激光機(jī)器人的智能化，就是機(jī)器人智能的對(duì)加工過(guò)程自行的檢測(cè)，并自行的對(duì)信息進(jìn)行處理，并具有一定的決策能力。在對(duì)過(guò)程進(jìn)行監(jiān)測(cè)時(shí)，其主要用到的技術(shù)手段有視頻傳感技術(shù)以及聽(tīng)覺(jué)傳感技術(shù)。光頻傳感系統(tǒng)的組成主要包含三個(gè)方面：一是相機(jī)圖像擦機(jī)器，二是專(zhuān)用圖像處理軟件以及計(jì)算機(jī)等，它主要用于各種物理場(chǎng)的檢測(cè)。

4 激光加工機(jī)器人發(fā)展趨勢(shì)

激光加工機(jī)器人的發(fā)展趨勢(shì)主要有四個(gè)方面，首先是激光加工機(jī)器人的在線化作業(yè)方面；其次是激光加工機(jī)器人的專(zhuān)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(yuǎn)程制造技術(shù)方面。不同的方面，其所研制的激光機(jī)器人類(lèi)型不同。

5 結(jié)語(yǔ)

本文首先從組成、類(lèi)型以及控制方式等三個(gè)方面對(duì)激光加工機(jī)器人簡(jiǎn)單的分析，其次對(duì)激光加工機(jī)器人的高功率激光器進(jìn)行介紹，并對(duì)常見(jiàn)的激光器以及利弊等進(jìn)行分析，最后對(duì)激光加工機(jī)器人基本結(jié)構(gòu)、智能化以及發(fā)展趨勢(shì)進(jìn)行闡述。

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