江蘇省激光產業技術創新戰略聯盟

蘇州工業園區激光產業創新聯盟協會

蘇州大學激光加工中心

隨著最新新興技術能力的提升和制造業創新的發展，機器人技術的發展前景正發生著迅速的變化，新的發展趨勢和應用領域也隨之涌現。在國際機器人聯合會（IFR）工業機器人供應商集團主席安德烈亞斯.保爾博士率先公布的“2016年全球工業機器人最新統計數據”中顯示，去年全球工業機器人的總銷量為29萬臺，增速14%。到2019年，中國的機器人市場將占據全球市場需求量的40%。其中汽車、電子、金屬加工、食品飲料、化工及塑料等多個行業依然是工業機器人的主要應用行業。激光加工作為一種嶄新的加工方法應用極其廣泛，在打孔、切割、焊接以及表面淬火、沖擊強化、表面合金化、表面熔敷等眾多加工領域中都得到了成功的應用。近十年來，激光技術還被應用于快速成形、三維去除加工、微納米加工、機械的拋光打磨以及3D打印中，激光加工的發展日新月異。先進制造領域在智能化、自動化和信息化技術等方面的進步促進了機器人技術與激光技術的融合。因此機器人和激光兩種智能制造、先進制造工具已經成為制造業中的標配，兩種先進技術的結合將會使兩種技術發揮到極致，徹底實現工業實踐的現代化。本文將具體介紹機器人在激光中的應用現狀以及未來發展趨勢。

一、應用現狀

在激光切割、激光焊接、激光硬釬焊、激光熔敷、激光硬化以及激光復合焊接等先進加工技術中，機器人起著無可比擬的作用。

1、激光切割機器人系統

隨著高功率光釬激光器的問世，以及工業機器人定位精度的不斷提高，利用工業機器人進行激光切割，是當今機器人應用領域和激光切割領域的一大熱點。機器人激光切割系統是一個固定的激光發生器和一個機器人運動序列的創新結合，通過將激光束引導裝置完全集成在機器人手臂中，這就需要機器人手臂的靈活性和高精度，典型代表有Kuka機器人的3D laser nonmetal cutting三維激光非金屬切割，激光束以ROBOT RV6L-CO₂二氧化碳激光機器人為中心，在精確機械手的操控下，激光束在工件上移動。當Kuka機器人跟蹤工件的輪廓時，激光束工作，達到切削的效果。ROBOT RV6L-CO₂機器人如圖1所示，它是高精度高柔性的五軸聯動機器人，路徑重復精度很高，而且在規定的有效負荷下，其所占用的空間很小。此套LASER ROBOT RV6L-CO₂二氧化碳激光機器人系統可以實現在車輛內外飾件、車門和車廂內飾，A、B、C柱內飾，儀表盤、頂棚、扶手等非金屬材料的切割和打孔。國內運用機器人進行激光切割的企業很多，并且已經使用工業機器人作為激光運動控制的對象，在機器人市場一路走紅的背景下，作為機器人制造工藝中不可或缺的激光切割市場定是前景大好。

圖1Kuka公司內導光ROBOT RV6L-CO₂二氧化碳激光機器人

2、激光焊接機器人系統

（1）激光熔焊

目前在國內外汽車產業中，激光焊接機器人已成為最先進的制造技術，獲得了廣泛應用。德國大眾汽車、美國通用汽車、日本豐田汽車等汽車裝配生產線上，已大量采用激光焊接機器人代替傳統的電阻點焊設備，不僅提高了產品質量和檔次，而且減輕了汽車車身重量，節約了大量材料，使企業獲得很高的經濟效益，提高了企業市場競爭能力。由于常見的焊接機器人大多采用“示教再現”的操作模式而存在加工誤差和焊接熱變形，從而造成焊接質量下降和焊接缺陷,具備焊縫實時跟蹤功能的焊接機器人是解決該問題的主要手段。采用焊縫實時跟蹤可以有效的提高產品成品率，具有此功能的激光焊接機器人的典型代表有Kuka機器人的激光熔焊系統，圖2所示即為kuka公司帶焊縫跟蹤系統的機器人激光熔焊系統。

圖2 Kuka公司激光熔焊帶焊縫跟蹤系統的機器人系統

（2）機器人激光硬釬焊

激光硬釬焊是利用激光作為熱源，是一種高精度、高自動化、高柔性的焊接工藝，可實現不同材料間的連接，具有更好的間隙適應性、更低的熱輸入量、更快的加工速度和可獲得非常好的表面質量，連接可靠、全連通率高、熱影響小。在國內外汽車產業中應用范圍較廣，可實現汽車后尾蓋和汽車車門的焊接，激光焊接汽車蓋板和車門特點：

■零件連接無需裝飾板；

■焊縫直接成型無需打磨；

■自動化程度提高節省人工；

■快節拍可滿足產量需求。

圖3為Kuka激光機器人應用于汽車車門激光釬焊的實例照片，可見機器人激光系統已廣泛應用在汽車領域。

圖3 Kuka激光機器人應用于汽車車門激光釬焊

3、機器人激光熔覆

激光熔覆的工藝參數主要有激光功率、激光光斑直徑、光斑離焦量、粉末送粉速度、掃描速度、預熱溫度等。這些參數對熔覆層的稀釋率、表面粗糙度、裂紋以及熔覆零件的致密性等有很大影響。各參數之間也相互影響，相互匹配，是一個非常復雜的過程，須采用合理的控制方法將這些參數控制在激光熔覆工藝允許的范圍內。同時激光熔覆修復與強化工作是一個非標準化的動作，不同于生產線上的批量產品。工件損壞的位置大多為隨機和復雜的，即使是經常磨損的也只是極少數產品之間的相同部位，而且很多部位表面不一定是直線或有規律的曲面，這就要求加工頭在一套加工動作中需要根據要求以很多不同的姿態進行工作，傳統的多軸機床很難實現。通常是使用操作人員手工操作加工頭進行人工作業，同時如前所述，還要及時根據情況調整工藝參數，這對于操作人員的技術手法、熟練程度以及專注度等要求將非常高。而且這種激光熔覆方法會產生被加工區的高溫、激光反射或照射的危害、加工產生的電弧光以及粉末飛濺產生的空氣粉塵污染等問題，都會對一線操作人員的身體健康造成危害。而使用的激光機器人系統則不可同日而語，其機械手臂在很多動作上可以模擬人的手臂進行動作，同時其強大的電氣控制功能可以將熔覆工藝要求的參數預置在系統中進行及時的調用和搭配，機器人可以在運行的命令中加入各種外部控制指令，從而使得這項工作可以在預先編程設定之后進行無人化工作，避免對操作人員造成危害的同時也防止大工件長時間工作產生的疲勞。而且機器人在參數的控制上比人工方式要準確很多。目前市場上機器人激光熔覆很多，以kuka機器人激光熔覆系統為例，圖4為kuka機器人進行激光金屬沉積熔覆的過程。使用這種工業機器人，在激光修復工作中既可以替代人工手動操作避免人為的手動誤差，又可以準確的設定加工參數實現即時有效的控制，還可以避免工作中環境因素對人體的傷害。兩種先進技術的有效融合使得零件修補和強化這種傳統工作變得更加具有發展前景。

圖4 Kuka機器人激光沉積熔覆系統在工作中

4、機器人激光硬化處理

硬化是施加在鋼件上的一種表面熱處理，能大大增強鋼件的硬度。這對于需要高耐磨性的鋼件如鋼板沖壓模具來說至關重要。首先進行一個高800-1000℃的加熱過程，然后進行快速的冷卻。這會使得鋼的結構發生變化。如果硬化使用激光來進行，因為它是一個高度局域化的熱源，它會使得只有表面會被硬化，而將零件的核心保留在它們的原始狀態；“從而使得零件不那么脆，而且由于作用在上面的熱比較少，零件的扭曲也會小得多。再加上機器人的靈活性，機器人激光這種柔性系統的引進，使得激光硬化可以高效進行操作，從較復雜的小型原件到大型重量級原件都可以處理。圖5為kuka機器人激光硬化處理系統及其正在工作的圖片。

圖5 Kuka機器人激光硬化系統及其在工作中

5、機器人激光-電焊復合焊接

激光-電弧焊復合焊接相對于單獨采用激光焊或者單獨使用電焊來說主要技術優勢在于：1焊接熔深的加大；2對接間隙的加大；3焊接速度增大，可達到激光焊接速度的兩倍。因此機器人激光氣弧焊系統的使用使得加工范圍更廣；高的自動化焊接速度與完美的焊縫質量的結合使得生產率顯著提高；機器人高精度自動化的激光焊接工件與氣弧焊的結合也大大降低了焊接工件的變形，因此也大大節約了時間成本。

圖6機器人激光-電弧復合焊接原理

同樣以kuka機器人laser-MIG hybrid process為例，見圖7為機器人激光-電弧復合焊鋁合金部件，實現了機器人技術和激光-電弧復合弧焊技術的完美結合，可見機器人激光兩種現代化的智能工具代表了最先進的前沿技術。

圖7Kuka機器人激光-電弧復合焊接系統及其焊接大型鋁合金部件

二、發展前景

汽車產業對國民經濟的發展具有巨大的拉動效應，已經成為國民經濟的重要支柱產業。從國際上來看，縱觀世界經濟強國，其汽車工業產值占本國國民經濟總值的比例均在10%以上。據中國汽車工業協會統計，2016年1至7月，汽車全行業完成工業總產值3723.82億元，同比增長29.44％；產品銷售收入3598.88億元，同比增長31.05％；利潤總額221.90億元，同比增長51.14％。汽車產業作為國民經濟支柱產業的地位越來越突出。此處以大眾汽車生產為例，據《日本經濟新聞》2016年12月27日報道，德國大眾(VW)2016年的全球銷量首次躍居全球車企首位，大眾1-11月的全球銷量937萬9100輛，也就是1-12月銷售量約為1022萬輛，按每臺車10萬人民幣計算，那么內飾價格按每臺車激光切割加工為1000元計算，那么內飾占有額共計102.20億人民幣，這僅僅是大眾汽車一家車企公司內飾件加工費用的占有額。由此可見僅機器人激光切割市場就如此的龐大，而巨大的汽車需求的背后與生產線的自動化程度和工位設置有很大關系，這兩項決定了生產節拍。以機器人激光焊接車體為例，激光焊接不僅將車身強度提升30%，車身的結合精度同樣大大提升，同時也大大縮短了生產線。激光用于汽車零部件甚至整車的焊接已經有二十多年的歷史，在汽車工業極為發達的歐美國家，激光焊接已經成為最先進的汽車制造工藝中的一種標準工藝，廣泛應用于汽車齒輪（包括聯體齒輪）、汽車變速器、濾油器、汽車空調皮帶輪、液壓挺桿、ABS電池閥、安全氣囊點火器、鋰電池、噴油嘴、車燈、傳感器等零部件。車頂、車門、車尾箱、發動機頂蓋等車體部位的激光焊接應用也非常廣泛，由此可見，機器人激光切割和焊接在未來的整個汽車行業發展來看，市場占有率將會繼續大幅度提升。同時隨著新能源汽車的大力推廣，其在切割和焊接市場上的占有量將會更大。

此外在船舶、航空等行業也具有一定的占有率，當前我國正處于“中國制造2025”的攻堅期，制造業在國民經濟中的地位可以用以下幾個簡單的數字來進行說明：美國68% 的財富來源于制造業；在日本，國民經濟總產值的約49% 由制造業提供，智能制造被列為推動新一代新興技術與制造技術融合發展的主攻方向，機器人激光的完美結合將會成為制造業轉型升級的重要抓手。此外，21世紀是海洋的世紀，隨著海洋經濟地位的日益凸顯，激光焊接（尤其是激光-電弧復合焊接）、激光切割和激光熔覆在海洋造船和海洋平臺中的應用將更為廣泛和深入。

據測算，全國80%的在役機械超過保證期，機床保有量800萬臺，役齡10年以上的傳統舊機床超過300萬臺，廢舊汽車約500萬輛。且不說達到德國廢舊汽車100%的回收利用水平，就算僅將其中的10%進行再制造，產值規模都將超過千億元，潛力十分巨大。同時，激光再制造技術是符合國家循環經濟和可持續發展戰略的綠色制造技術，也是國家重點支持的高新技術之一。隨著基礎研究工作的不斷深入，激光再制造技術的應用范圍也將不斷擴大。我國有幾萬億元的設備資產，每年因磨損和腐蝕而使設備停產、報廢所造成的損失都愈千億元，這為激光再制造技術帶來了廣闊的市場應用前景。2013年，全國激光再制造修復業務市場就達到300億元。據悉歐美國家發展再制造產業已經50多年，已形成了巨大的產業鏈，全球產業規模已超1400億美元。如今，我國已進入機械裝備和汽車報廢的高峰期，再制造產業發展面臨難得機遇。

結束語

國內致力于激光加工的企業很多，一些企業現在已經使用工業機器人本體作為運動控制的對象。激光加工機器人既具有機器人運動靈活，柔性高的特點，又具有激光加工速度快、質量好等優點，很好地滿足了現代制造業發展的要求。在機器人市場一路走紅的背景下，作為機器人制造工藝中不可或缺的激光加工市場定是前景大好，并且又加入激光機器人這一創新結合，國內激光加工定會一路攀升，機器人激光的系統將不止局限于機器人激光切割、打孔、焊接以及熔覆產業。中國制造業與智能制造還相距很遠，從工業2.0到工業4.0，中國還有很長的路要走。2017年全國工業激光產業產值可突破600億元，至2020年可達1000億元。那么與之結合的機器人激光產業的發展定會繼續前進，將機器人智能制造應用到激光打標、激光雕刻、激光3D打印、激光清洗、及激光化學、激光沖擊以及激光存儲、激光通信、激光醫學、激光娛樂、激光軍事等更多領域中，機器人激光系統的應用前景一片大好，中國從工業2.0到工業4.0的路也會越走越近。