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机器人系统用于激光材料加工的挑战和机遇

         介绍
        激光焊接成为一种成熟的无接触的焊接方式已经多年，极高的能量密度使得高速加工和低热输入量成为可能，焊接强度高，焊缝窄，热影响区小，并且工件变形量小。不断变化的用户需求和高度的国际竞争造成了钣金加工领域的向个性化需求转变的趋势。对于用户来说，这意味着产品线的细分程度加大。因此，生产大量相同部件的需求减少，而对于各个产品的准备时间越来越多，而整个加工过程特别是焊接过程，必须适应这个趋势，最合适满足这个需求的设备就是六轴机器人激光焊接系统。
        激光焊接
        激光的物理原理在20世纪初的时候已经由爱因斯坦阐述清楚，然而，第一台激光器直到1960年才由Hughes研究所在Malibu研制成功。
        四年之后，世界上第一台Nd:YAG固体激光器和CO2气体激光器就被研制出来，直到今天，这两种激光器还是全世界应用最广泛的两种工业激光器。而在最近几年，新的激光技术比如光纤激光器和碟片激光器不断涌现。全世界第一个用于大规模工业生产的激光焊接一直到20年后的1984年才出现。
        今天，激光焊接在各个工业行业已经得到广泛应用。激光焊接以外，激光钎焊，激光冷/热送丝焊接和激光复合焊接也大大拓展了激光的应用领域。
        由于其独特的柔性和生产效率，激光加工已经成为各个生产环节中的独特的工艺。
        通快的机器人激光焊接系统
        通快的机器人激光焊接系统型号为TruLaserRobot5020基于一个6轴机器人，具有非常高的灵活性，可以完成复杂工件的加工，而且能够适应工件多变的情况。
        机器人焊接系统由以下几个部分构成：KUKA机器人，工作台，吸尘器，激光光源和冷水机。对于激光光源而言，脉冲激光器，二极管激光器，光纤激光器和碟片激光器都可以与机器人系统相连。
        通快机器人激光焊接系统所用的机器人KukaKR30HA的重复精度为+/-0.05mm,名字中的HA代表“高精度”。激光系统可以使用焊接镜头，切割镜头，扫描焊接镜头甚至激光熔覆头，由于采用的是磁力耦合的连接方式，所以不同镜头之间可以相互快速切换。机器人的负重能力是30kg，可以带动镜头中2000×1000×700mm范围内移动。对于扫描焊接而言，由于镜头重量更大，必须选用负重量100kg的机器人系统。
        该系统配置有CCD摄像头，可以清楚的观察到加工过程。
        同时，该系统可以配置”TeachLine”功能，通过光学传感器来探测焊缝的实际位置，从而对工件的公差和定位误差实现自动校准。通过“TeachLine”功能，可以大大减少重新示教所需要的大量时间。焊接辅助气体通过可以更换的不同型号的气体喷嘴，将焊接气体送到工件表面。同时，“Crossjet”侧吹气幕，通过水平方向上的高压空气从细缝吹出，形成一道气体屏障，降低焊接飞溅弄脏镜头的保护玻璃的风险。该机器人系统的主要功能是实现无焊丝的激光焊接，从而实现激光高速焊接的优势。当然，该系统也可以很好的使用冷送丝焊接功能，适用于在接头缝隙过大的情况下，或者对于焊接区域金相微结构有特殊要求的情况。
        按照不同的应用要求，该系统可以配置工件变位器。典型的工件变位器由旋转-翻转轴构成，这两个轴构成机器人的第七和第八个外部轴，可以实现与机器人的完全联动，从而使得焊接复杂工件变得简单，增大焊接区域的可达性。为了进一步提升焊接效率，该机器人系统还可以配置双工作台的结构，使得激光焊接在内部的工作台进行的时候，工件的装夹可以在外部工作台进行，在大批量焊接的情况下，这种双工作台的方式尤其有利。而对于工件形状比较复杂，数量较少的情况，则比较合适使用工件变位器配合加工。
        通快的TruLaserRobot5020系统还配置有CAD/CAM离线编程软件TruTopsCell。通过导入工件的三维数模文件在软件中自动生成焊接程序，而不是示教的方式，这样就可以大大节省时间。这个离线的编程软件可以与各种测量传感器相互配合使用，可以自动识别不同的工件，适合用户工件量小样多的生产方式。
        激光安全防护舱配置子自动的滑动前门，可以方便的用于工件装卸。同时，该安全防护舱配备有包括激光安全防护玻璃在内的各种安全防护措施，满足CE安全标准，激光安全防护等级达到一级。
        全自动激光焊接的优势
        现代金属加工对焊接强度和外观效果等质量的要求越来越高。而传统的焊接手段，由于极大的热量输入，不可避免的会带来工件扭曲变形等问题。为了弥补工件变形这个问题，需要大量的后续加工手段，从而导致费用的上升。而采用全自动的激光焊接方法，具有最小的热输入量，因此带来的极小的热影响区，显著提高焊接产品的品质的同时，降低了后续工作量的时间。另外，由于焊接速度快和焊接深宽比大，能够极大的提高焊接效率和稳定性。
        激光焊接的另外一个优势是可以在深溶焊和热传导焊接之间，通过离焦量的控制而自由转换。相对于深溶焊，热传导焊接需要较小的激光能量密度和较小的焊接速度，但是却能够得到非常美观的焊接表面效果。
        机器人激光焊接系统的应用
        机器人激光自动焊接系统的用途非常广泛，包括钣金加工，汽车，厨房设备以及电子工程，医疗或者是模具制造行业。
        得益于深溶焊和热传导焊接的各种优势，激光焊接得以广泛应用。在另外一方面，高附加值的且对焊接质量要求极高的部件，得以无需后续加工或者极少后续加工的方式来完成。
        在一些全新的领域激光焊接也可以得到很好的应用。比如说多层结构的机械部件，通过激光切割将各个部件切割下来，然后将其组织成多层结构，利用激光焊接强度大，变形小的特点，将其焊接成一个整体，能够达到与机械加工方式得到的部件同样的功能，但是生产成本却因此大大降低。
        由于激光焊接目前多采用固体激光作为光源，因此非常容易能够实现多个光路多个工位加工的方式，大大提高了生产效率。与CO2激光机床相比，由于CO2激光难于实现多光路，因此机器人激光焊接系统相对于CO2激光机床的效率大大提高。目前在国内的OA（办公自动化）行业，已经有多个机器人激光焊接系统取代CO2激光机床的案例，焊接效率提高30%以上。
        总结
        激光焊接应用于工业各领域已经多年，随着近年控制技术和激光技术的不断进步，激光焊接的使用也越来越简单容易，这也促进了激光焊接技术的发展。同时，越来越多了激光焊接系统集成了离线编程软件和焊缝探测传感器等装置，这些技术减少了焊接的准备时间，提高了工作效率。
        目前在金属焊接中出现的一些挑战，比如工件形状越来越复杂，焊接质量要求越来越高，而且加工的个性化需求中的量小样多的订单越来越多，采用机器人激光焊接系统完全能够应对。