幾乎在激光誕生的同時, 1962年美國Unimation公司推出首臺工業機器人。此后, 機器人技術經歷了一系列不斷的發展過程。直到20 世紀90 年代全球信息化浪潮風起云涌, 計算機技術、微電子技術、網絡技術和先進制造技術等快速進步,工業機器人技術也得到了飛速發展。它具有重復性精確生產特征, 適應制造業中規模化批量生產要求,裝配在生產線上代替人工作業, 不僅解除了工人的繁復勞動, 而且提高了生產質量。它可以流動作業,適應個性化生產需求。目前工業機器人技術日趨成熟, 已經成為一種標準設備而廣泛應用于工業界, 國內外形成了一批著名的工業機器人公司。
近年來激光技術飛速發展, 涌現出可與機器人柔性耦合的光纖傳輸的高功率工業型激光器。先進制造領域在智能化、自動化和信息化技術方面的不斷進步促進了機器人技術與激光技術的結合, 特別是汽車產業的發展需求, 帶動了激光加工機器人產業的形成與發展。從20 世紀90 年代開始, 德國、美國、日本等發達國家投入大量人力物力進行研發激光加工機器人。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品。目前在國內外汽車產業中, 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, 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。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域。
機器人是高度柔性加工系統, 所以要求激光器必須具有高度的柔性, 目前都選擇可光纖傳輸的激光器。智能化激光加工機器人主要由以下幾大部分組成: 1) 高功率可光纖傳輸激光器; 2) 光纖耦合和傳輸系統; 3) 激光光束變換光學系統; 4) 六自由度機器人本體; 5) 機器人數字控制系統( 控制器、示教盒) ; 6) 計算機離線編程系統( 計算機、軟件) ;7) 機器視覺系統; 8) 激光加工頭; 9) 材料進給系統( 高壓氣體、送絲機、送粉器) ; 10) 激光加工工作臺。圖1為激光熔覆機器人示意圖。
圖1 激光熔覆機器人組成示意圖
從高功率激光器發出的激光, 經光纖耦合傳輸到激光光束變換光學系統, 光束經過整形聚焦后進入激光加工頭。根據用途不同( 切割、焊接、熔覆) 選擇不同的激光加工頭, 配用不同的材料進給系統( 高壓氣體、送絲機、送粉器) 。激光加工頭裝于六自由度機器人本體手臂末端, 如圖2所示。激光加工頭的運動軌跡和激光加工參數是由機器人數字控制系統提供指令進行的。先由激光加工操作人員在機器人示教盒上進行示教編程或在計算機上進行離線編程。材料進給系統將材料( 高壓氣體、金屬絲、金屬粉末) 與激光同步輸入到激光加工頭, 高功率激光與進給材料同步作用完成加工任務。機器視覺系統對加工區檢測, 檢測信號反饋至機器人控制系統, 從而實現加工過程的適時控制。
圖2 激光加工頭與機器人手臂末端連接示意圖
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