先進制造技術(shù)課程報告——遠隔控制激光

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本科生課程論文遠隔控制激光在汽車工業(yè)的應(yīng)用課程名稱先進制造技術(shù)姓名學號專業(yè)機械制造及自動化任課教師開課時間教師評閱意見：論文成績評閱日期課程論文提交時間：2021年4月30日

1遠隔控制激光在汽車工業(yè)的應(yīng)用華僑大學機電學院機制2班摘要：由于激光具有極高能量密度和超高加工速度等特殊的加工特性，近年來受到世人的注目。特別是遠隔控制激光—機器人加工系統(tǒng)的超高加工效率，倍受青睞。就當前激光加工領(lǐng)域最先端的“遠隔控制激光—機器人加工系統(tǒng)在汽車制造業(yè)的應(yīng)用及開展前景〞進行了綜述。遠隔控制激光加工頭是通過程序控制反射鏡和聚焦鏡的位置，以實現(xiàn)任意形狀的加工。試驗結(jié)果說明，實際加工速度可達500m／min，并實現(xiàn)小于等于0．1mm以下的軌跡加工精度。關(guān)鍵詞：普通反射鏡振動反射鏡光纖激光圓片激光遠隔控制激光－機器人加工系統(tǒng)概述：為了滿足汽車及鐵道車輛等結(jié)構(gòu)高速焊接的需要，作為電弧焊、電阻焊的替代方法而誕生了激光焊接、激光－電弧復合焊接和遠隔控制激光－機器人加工(焊接)系統(tǒng)等焊接方法。德國的一家汽車制造公司在2003年采用相同的投資和工作量以3臺LP－Nd∶YAG激光－機器人焊接系統(tǒng)取代了9臺電阻點焊機器人系統(tǒng)。現(xiàn)在更增加了1臺遠隔控制圓片激光－機器人加工系統(tǒng)從事著同樣的工作量，其投資本錢僅為原來一半。現(xiàn)在，激光焊接在汽車制造及船舶制造等行業(yè)受到越來越多的關(guān)注，激光焊接的開展應(yīng)用越來越多。激光焊接技術(shù)的開展

2歷經(jīng)了固體受激物質(zhì)→氣體受激物質(zhì)→固體受激物質(zhì)、脈沖激光焊接→連續(xù)激光焊接、低功率→高功率、薄板→厚件、低速→高速、低頻→高頻及低效→高效的歷史。20世紀70年代主要用于焊接薄壁材料和低速焊接,焊接過程屬于熱傳導型,即激光輻射加熱工件外表,外表熱量通過熱傳導向內(nèi)部擴散,通過控制激光脈沖的寬度、能量、峰值功率和重復頻率等參數(shù),使工件熔化,形成特定的熔池。由于激光焊接作為1種高質(zhì)量、高精度、低變形、高效率和高速度的焊接方法,隨著高功率CO2和高功率的YAG激光器以及光纖傳輸技術(shù)的完善、金屬鉬焊接聚束物鏡等的研制成功,使其在機械制造、航空航天、汽車工業(yè)、造船工業(yè)、粉末冶金、生物醫(yī)學、微電子行業(yè)等領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣。激光焊接的優(yōu)點：①采用激光焊接可以獲得高質(zhì)量的接頭強度和較大的深寬比,且焊接速度比擬快。②由于激光焊接不需真空環(huán)境,因此通過透鏡及光纖,可以實現(xiàn)遠程控制與自動化生產(chǎn)。③激光具有較大的功率密度,對難焊材料如鈦、石英等有較好的焊接效果并能對不同性能材料施焊。激光焊接的缺乏:①激光器及焊接系統(tǒng)各配件的價格較為昂貴,因此初期投資及維護本錢比傳統(tǒng)焊接工藝高,經(jīng)濟效益較差。②由于固體材料對激光的吸收率較低,特別是在出現(xiàn)等離子體后,因此激光焊接的轉(zhuǎn)化效率普遍較低(通常為5%~30%)。③由于激光焊接的聚焦光斑較小,對工件接頭的裝備精度要求較高,很小的裝備偏差就會產(chǎn)生較大的加工誤差。遠隔控制激光系統(tǒng)在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用現(xiàn)狀：

3在汽車制造業(yè)中，遠隔控制激光加工系統(tǒng)的研制開發(fā)更加受到世人的關(guān)注，并正在逐步地轉(zhuǎn)變成產(chǎn)業(yè)化。在遠隔控制激光加工系統(tǒng)的研制開發(fā)中，所使用的激光光源主要有CO2激光、YAG激光、圓片激光(Disclaser)和光纖激光等。CO2激光由于光波較長而不能使用光纖傳導，所以較難與焊接機器人搭載，難以構(gòu)成CO2激光的遠隔控制激光－機器加工系統(tǒng)。而其他三種激光光源，在一般情況下都能與機器人搭載而構(gòu)成遠隔控制激光加工系統(tǒng)，實現(xiàn)超高效率的加工作業(yè)。遠隔控制激光－機器人加工系統(tǒng)主要是由遠隔控制激光系統(tǒng)、機器人、激光發(fā)振器和傳導光纖等組成。機器人搭載遠隔控制激光頭的加工作業(yè)即在機器人移動的路線上，遠隔控制激光焊接系統(tǒng)進行可控范圍的超高速加工。遠隔控制激光－機器人加工系統(tǒng)的特點有：(1)超高速、非接觸和無間斷的連續(xù)焊接；(2)超高的加速度；(3)在狹窄部位加工；(4)瞬間實現(xiàn)多點焊接，容易實現(xiàn)焊接順序的最正確化，焊接變形??；(5)輸入熱量小，焊接應(yīng)力?。?6)靈活多變等。下面介紹目前最受關(guān)注的使用普通反射鏡(reflectingmirror)或者使用振動反射鏡(Galvo－mirror)的遠隔控制激光－機器人加工系統(tǒng)的現(xiàn)狀及未來開展方向。

4普通反射鏡的遠隔控制激光－機器人加工系統(tǒng)：普通反射鏡的遠隔控制激光焊接系統(tǒng)由直線電機驅(qū)動聚光鏡按照箭頭方向前后移動，焊接過程中調(diào)節(jié)激光束焦點的距離以保證焊接過程中焦點位置的正確性。普通反射鏡在x軸和y軸驅(qū)動電機的作用下實現(xiàn)激光焦點的運動程序，實現(xiàn)任意形狀的焊接加工。遠隔控制激光焊接系統(tǒng)的主要技術(shù)參數(shù)有：(1)加工范圍200mm×200mm(2)聚焦鏡的焦點距離600mm(3)反射鏡的最大偏轉(zhuǎn)角度±15°(4)加工軌跡精度±0．1mm(5)最大距離移動時間小于等于0．15s(6)最高移動速度500m／min。使用振動反射鏡的遠隔控制激光－機器人加工系統(tǒng)：與上述普通反射鏡遠隔控制激光－機器人加工系統(tǒng)不同的是，在x軸和y軸上使用了兩個振動反射鏡，利用這兩個振動反射鏡的組合振動，可實現(xiàn)任意形狀的加工。最高加工速度大約可達360m／min。激光光源使用了圓片激光器。激光器采用TRUMPH的TruDisk2002(2．0kW)、TruDisk4002(4．0kW)、TruDisk6002(6．0kW)和TruDisk8002(8．0kW)圓片激光器，激光束質(zhì)量8mm·mrad，傳導光纖直徑0．2mm。遠隔控制激光焊接系統(tǒng)的種類有：ProgrammableFocusingOptic／PFO20(

5加工范圍φ85mm，最高加工速度270m／min，加工軌跡精度小于等于0．015mm)；PFO33(加工范圍320mm×190mm，最高速度270m／min，加工軌跡精度小于等于0．045mm)；PFO3D(加工范圍352mm×206mm)。遠隔控制激光系在汽車制造業(yè)的開展趨勢：隨著焊接技術(shù)的開展，激光焊接的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)⒃絹碓綇V，包括電動機械、轎車筋板和各種零部件船舶筋板、客機筋板等，其開展速度快，今后應(yīng)用范圍將進一步擴大。特別是遠隔控制激光－機器人加工系統(tǒng)，由于本身具有的特性確立了它在汽車制造業(yè)中的重要地位。在電弧焊自動生產(chǎn)線中，探測儀檢測、屏幕觀察、工藝參數(shù)及其波形分析、工藝參數(shù)的自動控制等已有許多的實際應(yīng)用。但是，對于激光焊接和真空電子束焊接而言，由于熱源較微小、焊接熔深大、焊接速度快和易產(chǎn)生等離子體等特點，給各種探測儀的檢測、屏幕觀察、工藝參數(shù)及其波形分析、工藝參數(shù)的自動控制等方面帶來一定的困難。目前世界各國在這方面的研究正在進行中，相信在不久的將來這些自動檢測和控制系統(tǒng)會逐步投入生產(chǎn)。目前對于自動檢測系統(tǒng)的研究工作可以歸納如下：(1)激光束輸出功率大小、激光束輸出功率分布、激光束外形和激光束脈沖波形等激光束因素(2)反射光量或者透射光量的光量信號(3)從焊接區(qū)獲得的紅外線光量(4)焊接中的音響和雜音(5)焊接區(qū)的外表溫度(6)激光束焦點位置等通過上述各參數(shù)的檢測、觀察、記錄和分析，將結(jié)果反應(yīng)給控制系統(tǒng)以維持焊接參數(shù)的穩(wěn)定，同時確保焊接質(zhì)量的穩(wěn)定。在遠隔控制激光－機器人加工系統(tǒng)中，激光束焦點的離開距離是一個特別重要的參數(shù)，保持這一參數(shù)的穩(wěn)定，對確保焊接質(zhì)量的穩(wěn)定是十分關(guān)鍵的。這方面的研究工作到目前為止還沒有一個成熟的報道。具體來講，在三維空間進行激光焊接時，焊縫位置的上下是變化的，在變化的過程中，如何通過檢測、觀察、記錄和分析焦點離開距離，將結(jié)果反應(yīng)給控制系統(tǒng)，進而驅(qū)動直線電機使聚焦鏡前后或者上下移動，以維持焦點離開距離的穩(wěn)定，確保焊接質(zhì)量的穩(wěn)定。這一研究工程

6能得以實現(xiàn)，將進一步拓寬遠隔控制激光－機器人加工系統(tǒng)在汽車制造業(yè)中的應(yīng)用范圍。參考文獻：【1】徐國建杭爭翔遠隔控制激光—機器人加工系統(tǒng)在汽車制造業(yè)的應(yīng)用及開展趨勢沈陽工業(yè)大學材料科學與工程學院，遼寧沈陽110178【2】張文毓激光焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀與應(yīng)用河南省洛陽船舶材料研究所,河南洛陽471039【3】游德勇,高向東激光焊接技術(shù)的研究現(xiàn)狀與展望廣東工業(yè)大學機電工程學院,廣東廣州510006【4】韓立軍激光焊接技術(shù)在一汽群眾邁騰車身制造中的應(yīng)用一汽群眾汽車〔長春130011〕【5】楊春燕激光焊接技術(shù)的應(yīng)用與開展西安航空技術(shù)高等?？茖W校機械工程系,西北工業(yè)大學機電學院,陜西西安710077【6】任成高申曉龍數(shù)控激光焊接汽車用高強鋼工藝參數(shù)的優(yōu)化湖南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學院長沙