工業(yè)機器人運用于激光切割的研究

馮 豐（天津電子信息職業(yè)技術(shù)學院，天津 300350）

工業(yè)機器人運用于激光切割的研究

馮 豐
（天津電子信息職業(yè)技術(shù)學院，天津 300350）

隨著生產(chǎn)工業(yè)的需要，激光加工機器人是國際上面向 21 世紀的先進制造技術(shù)。本文從工業(yè)機器人出發(fā)，綜述了機器人對于激光切割技術(shù)的作用、應用及體系構(gòu)建。生產(chǎn)制造工業(yè)企業(yè)對于智能化機器人的要求也越來越高。而工業(yè)機器人在工藝激光切割應用中的實用性也越來越強。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)理論對工業(yè)的生產(chǎn)工藝進行研究，如PLC激光信號的應用及切割工藝的應用等，本文的研究具備長遠意義，可為日后的生產(chǎn)應用作參考。

工業(yè)機器人；工藝激光切割；應用

DOI：10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.16.035

0　引言

幾乎在激光誕生的同時，1962 年美國Unimation公司推出首臺工業(yè)機器人。此后，機器人技術(shù)經(jīng)歷了一系列不斷的發(fā)展過程。直到 20世紀 90 年代全球信息化浪潮風起云涌，計算機技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和先進制造技術(shù)等快速進步，工業(yè)機器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。它具有重復性精確生產(chǎn)特征，適應制造業(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勞動，而且提高了生產(chǎn)質(zhì)量。它可以流動作業(yè)，適應個性化生產(chǎn)需求。目前工業(yè)機器人技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)成為一種標準設(shè)備而廣泛應用于工業(yè)界，國內(nèi)外形成了一批著名的工業(yè)機器人公司。當社會經(jīng)濟結(jié)構(gòu)遭遇工業(yè)智能化信息結(jié)構(gòu)的影響，各個經(jīng)濟產(chǎn)業(yè)都會應勢而轉(zhuǎn)型。產(chǎn)業(yè)與產(chǎn)業(yè)之間開始對專業(yè)化人才的要求越來越高，而工業(yè)智能化應用作為現(xiàn)代應用的代表作，在我國各個行業(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)應用模式，開始對工業(yè)機器人進行有效的應用與管理，信息技術(shù)能夠加強高科技工業(yè)企業(yè)的生產(chǎn)應用能力。因此，本文以工業(yè)機器人在工藝激光切割的應用為研究對象，探索社會所需的專業(yè)工業(yè)智能化應用模式，進而提高生產(chǎn)工業(yè)能力，促進經(jīng)濟發(fā)展。

1　工業(yè)機器人在工藝激光切割工業(yè)生產(chǎn)中的作用

近年來激光技術(shù)飛速發(fā)展，涌現(xiàn)出可與機器人柔性耦合的光纖傳輸?shù)母吖β使I(yè)型激光器。先進制造領(lǐng)域在智能化、自動化和信息化技術(shù)方面的不斷進步促進了機器人技術(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，帶動了激光加工機器人產(chǎn)業(yè)的形成與發(fā)展。從 20 世紀 90 年代開始，德國、美國、日本等發(fā)達國家投入大量人力物力進行研發(fā)激光加工機器人。進入 2000年，德國 KUKA，瑞士的ABB，日本 FA NUC 等機器人公司均研制激光焊接機器人和激光切割機器人的系列產(chǎn)品。目前在國內(nèi)外汽車產(chǎn)業(yè)中，激光焊接機器人和激光切割機器人已成為最先進的制造技術(shù)，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(chǎn)線上，已大量采用激光焊接機器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電阻點焊設(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)濟效益，提高了企業(yè)市場競爭能力。在中國，一汽大眾、上海大眾汽車公司也引進了激光機器人焊接生產(chǎn)線。目前有沈陽新松機器人公司涉足激光切割和焊接機器人制造領(lǐng)域。對于工業(yè)機器人在激光切割中的應用，主要歸結(jié)為三點作用：一是工業(yè)機器人能夠通過現(xiàn)代信息化制造技術(shù)為生產(chǎn)工人提供更前沿的學習內(nèi)容。工藝激光切割所應用的行業(yè)涉及到金工、電子、數(shù)控等產(chǎn)業(yè)。在制造工藝的應用中，傳統(tǒng)的應用模式儼然跟不上社會發(fā)展節(jié)奏。因此，工業(yè)機器人加強了生產(chǎn)工人對于信息、材料、通信、控制、環(huán)保等生產(chǎn)要素的應用，并實時為生產(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。工藝激光切割應用在光纖激光器，此項應用在于體現(xiàn)工業(yè)機器人的生產(chǎn)優(yōu)勢，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等；三是提升了激光接線信號，激光接線信號由激光占空比、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，這些激光信號來源主要以模擬量與數(shù)字量的方式輸出，端口分別以軟信號無需接線、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激光信號的輸出分為CPU模塊和模擬量模塊，而工業(yè)機器人在這兩個模塊的應用性是比較好的。

2　工業(yè)機器人的應用

2.1生產(chǎn)應用

基于PLC激光信號，工業(yè)智能化設(shè)計與制造產(chǎn)業(yè)對機器人應用進行創(chuàng)新性研究，而工藝激光切割的工智能化應用模式應以工業(yè)智能化機器人現(xiàn)代制造應用為主。然而，在生產(chǎn)中，機器人需要四點信息整合：一是機器人信息；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。而激光機器人信息則是以符合國家生產(chǎn)標準的機器人在工作原理、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發(fā)射出來的工作，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。機器人在生產(chǎn)激光應用中，應遵循工業(yè)智能化生產(chǎn)標準，整合專業(yè)應用內(nèi)容，進行高效應用。而完善工業(yè)智能化設(shè)計與制造一體化應用平臺，實現(xiàn)在機械工程學科應用中的應用與推廣，對于工藝激光切割應用模式的創(chuàng)新有促進作用。在通過工業(yè)智能化設(shè)計制造一體化的研究中，機器人科研所需實現(xiàn)與工業(yè)企業(yè)的對接，為工業(yè)企業(yè)提供設(shè)計制造一體化原型系統(tǒng)和人員培訓，打造一個機器人高效穩(wěn)定的工作平臺。

2.2切割工藝應用

工藝激光切割機器人的工藝應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)和機器人切割技術(shù)為主?；鹧媲懈钤硎且曰鹧鎸崿F(xiàn)切割過程的，在金屬燃燒過程中效率更高。火焰切割工藝具備燃點低于熔點、熱量足及熱性低、熔點低及流動性好等特點。等離子切割較于火焰切割熔點更低，等離子切割用其氣壓、電壓及磁場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)機器人用機械數(shù)據(jù)處理技術(shù)和機器人輔助工程，運用逆向工程技術(shù)進行激光熔化切割、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\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)備費用低，維護方式簡單。等離子切割運用材料是碳鋼、不銹鋼、鋁銅、鑄鐵等導電金屬，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)備費用中高，維護方式需要許多組件維護。激光切割運用材料是（特種）金屬材料、非金屬材料、復合材料，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)備費用高，維護方式需要專業(yè)人員及維護復雜。因此，對比之下，激光切割的優(yōu)勢更好。另外，這幫助了生產(chǎn)工人更好的切割應用。

2.3激光應用

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

3　工業(yè)機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、工業(yè)機器人與技術(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)計與咨詢

工業(yè)智能化激光切割與設(shè)計：包括工業(yè)智能化現(xiàn)場切割、數(shù)據(jù)處理與分析、機器人激光方案設(shè)計、機器人激光規(guī)劃、機器人激光技術(shù)咨詢等。采用智能化切割設(shè)備對工業(yè)制造進行自動化切割，通過激光專家系統(tǒng)對切割數(shù)據(jù)進行處理和分析，診斷制造類型和產(chǎn)生機理，為客戶提供激光規(guī)劃、激光方案設(shè)計、激光技術(shù)咨詢、激光工程量及投資預算等決策信息。

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)機器人激光切割技術(shù)需會在工業(yè)建設(shè)中得到廣泛應用。隨著工業(yè)生產(chǎn)高峰的紛至沓來，未來工業(yè)產(chǎn)業(yè)切割材料及相關(guān)技術(shù)等的市場規(guī)模需會飛速發(fā)展。

工業(yè)機器人一直奉行“搶占技術(shù)制高點，制造社會大生產(chǎn)”的發(fā)展理念，為加快產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型升級，走可持續(xù)發(fā)展之路，自2006年以來，投入了大量資金和人力開展相關(guān)技術(shù)研究，并取得了一系列國內(nèi)領(lǐng)先和國際先進的研究成果，部分成果已在工業(yè)建設(shè)和激光上得到應用，為需來機器人發(fā)展打下了堅實的技術(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)智能綠色機器人激光技術(shù)、“高精尖”難點技術(shù)、激光新材料、新工藝的研發(fā)，搶占技術(shù)制高點，以技術(shù)培育和主導市場。

3.3工業(yè)智能機器人激光科研成果轉(zhuǎn)化

相關(guān)研究所需研發(fā)相關(guān)機器人激光切割材料，促進其大規(guī)模推廣應用，主營材料生產(chǎn)與銷售、應用技術(shù)咨詢等。同時，機器人還應實現(xiàn)廢物利用和節(jié)能減排。研究工業(yè)機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、應用技術(shù)咨詢等，并研發(fā)再生劑及應用成套技術(shù)。未來可以從事工業(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)測等業(yè)務(wù)。

4　結(jié)論與展望

未來的發(fā)展中，工業(yè)產(chǎn)業(yè)需與機器人科研單位按照現(xiàn)金出資的方式，以獨立法人形式共同組建機器人工業(yè)激光切割體系。機器人工業(yè)激光切割體系出資只收購激光切割方案的設(shè)計資產(chǎn)及資質(zhì)，并購買常規(guī)試驗檢測設(shè)備。涉及大型的智能化激光切割項目，工業(yè)激光切割體系可與工業(yè)生產(chǎn)中心合作完成，共享項目利潤。在工業(yè)機器人激光切割中，工業(yè)激光切割體系需以激光技術(shù)和高精尖難點技術(shù)研發(fā)與推廣應用為產(chǎn)業(yè)發(fā)展方向。工業(yè)機器人是專業(yè)工業(yè)生產(chǎn)的現(xiàn)代化平臺，工藝激光切割專業(yè)應用后，生產(chǎn)工人的專業(yè)應用性更強，工業(yè)的生產(chǎn)效率也會增高。同時，工業(yè)機器人的應用內(nèi)容涉及到生產(chǎn)制造工業(yè)的生產(chǎn)環(huán)境，工業(yè)機器人的應用加大了生產(chǎn)工人對于工業(yè)生產(chǎn)制造工藝的優(yōu)化。本文的研究對于工藝激光切割的應用主要歸結(jié)于生產(chǎn)應用，切割工藝應用及激光應用。本文的研究總結(jié)的內(nèi)容比較多，涉及到工業(yè)機器人的作用，專業(yè)化工業(yè)生產(chǎn)的應用內(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)機器人技術(shù)［M］.西安電子科技大學出版社，2006.

［2］林尚揚等編著.焊接機器人及其應用［M］.機械工業(yè)出版社，2000.

［3］余達太等著.工業(yè)機器人應用工程［M］.冶金工業(yè)出版社，1999.

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

馮豐（1964-），女，天津人，工學學士，副教授，主要從事：機械制造與自動化專業(yè)的教學、實踐與研究。