幾乎在激光誕生的同時(shí)，1962年美國(guó)Unimation公司推出首臺(tái)工業(yè)機(jī)器人。此后，機(jī)器人技術(shù)經(jīng)歷了一系列不斷的發(fā)展過(guò)程。直到20世紀(jì)90年代全球信息化浪潮風(fēng)起云涌，計(jì)算機(jī)技術(shù)、微電子技術(shù)、網(wǎng)絡(luò)技術(shù)和先進(jìn)制造技術(shù)等快速進(jìn)步，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)也得到了飛速發(fā)展。它具有重復(fù)性精確生產(chǎn)特征，適應(yīng)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(fù)勞動(dòng)，而且提高了生產(chǎn)質(zhì)量。它可以流動(dòng)作業(yè)，適應(yīng)個(gè)性化生產(chǎn)需求。目前工業(yè)機(jī)器人技術(shù)日趨成熟，已經(jīng)成為一種標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備而廣泛應(yīng)用于工業(yè)界，國(guó)內(nèi)外形成了一批著名的工業(yè)機(jī)器人公司。

　　近年來(lái)激光技術(shù)飛速發(fā)展，涌現(xiàn)出可與機(jī)器人柔性耦合的光纖傳輸?shù)母吖β使I(yè)型激光器。先進(jìn)制造領(lǐng)域在智能化、自動(dòng)化和信息化技術(shù)方面的不斷進(jìn)步促進(jìn)了機(jī)器人技術(shù)與激光技術(shù)的結(jié)合，特別是汽車(chē)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展需求，帶動(dòng)了激光加工機(jī)器人產(chǎn)業(yè)的形成與發(fā)展。從20世紀(jì)90年代開(kāi)始，德國(guó)、美國(guó)、日本等發(fā)達(dá)國(guó)家投入大量人力物力進(jìn)行研發(fā)激光加工機(jī)器人。進(jìn)入2000年，德國(guó)KUKA，瑞士的ABB，日本FANUC等機(jī)器人公司均研制激光焊接機(jī)器人和激光切割機(jī)器人的系列產(chǎn)品。目前在國(guó)內(nèi)外汽車(chē)產(chǎn)業(yè)中，激光焊接機(jī)器人和激光切割機(jī)器人已成為最先進(jìn)的制造技術(shù)，獲得了廣泛應(yīng)用。德國(guó)大眾汽車(chē)、美國(guó)通用汽車(chē)、日本豐田汽車(chē)等汽車(chē)裝配生產(chǎn)線上，已大量采用激光焊接機(jī)器人代替?zhèn)鹘y(tǒng)的電阻點(diǎn)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(chē)車(chē)身重量，節(jié)約了大量材料，使企業(yè)獲得很高的經(jīng)濟(jì)效益，提高了企業(yè)市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)能力。在中國(guó)，一汽大眾、上海大眾汽車(chē)公司也引進(jìn)了激光機(jī)器人焊接生產(chǎn)線。目前有沈陽(yáng)新松機(jī)器人公司涉足激光切割和焊接機(jī)器人制造領(lǐng)域。

　　隨著激光直接制造和再制造技術(shù)的發(fā)展，面對(duì)航空航天、冶金、汽車(chē)等行業(yè)快速原形和快速制造的需求，從2002年起，國(guó)際上開(kāi)始研發(fā)激光熔覆機(jī)器人。我國(guó)是世界上最大的發(fā)展中國(guó)家，擁有千萬(wàn)套國(guó)產(chǎn)大型貴重裝備和進(jìn)口高精尖的昂貴設(shè)備，現(xiàn)場(chǎng)快速修復(fù)有廣闊的市場(chǎng)需求。天津工業(yè)大學(xué)在天津市科技支撐計(jì)劃和國(guó)家自然科學(xué)基金資助下，開(kāi)展了激光再制造機(jī)器人的研究。

　　雖然激光加工機(jī)器人取得了廣泛的工業(yè)應(yīng)用，但由于它是基于激光技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)的高度集成系統(tǒng)，激光加工又是復(fù)雜的智能工程，激光加工機(jī)器人仍處于初期發(fā)展階段，許多技術(shù)尚待開(kāi)發(fā)研究解決。激光加工機(jī)器人在國(guó)內(nèi)剛剛開(kāi)始應(yīng)用，無(wú)論激光領(lǐng)域還是工業(yè)應(yīng)用領(lǐng)域?qū)λ€處于不熟悉狀態(tài)。為此，本文結(jié)合我們的工作，對(duì)激光加工機(jī)器人一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)展——光纖傳輸?shù)母吖β始す饧夹g(shù)、機(jī)器人本體技術(shù)、機(jī)器人編程技術(shù)、機(jī)器人智能化、網(wǎng)絡(luò)化技術(shù)和反求工程重建三維(3D)形貌技術(shù)等作綜合報(bào)道，期望得到國(guó)內(nèi)業(yè)界關(guān)注，促進(jìn)該類技術(shù)的發(fā)展應(yīng)用。

　　一、激光加工機(jī)器人簡(jiǎn)介

　　1、激光加工機(jī)器人組成

　　機(jī)器人是高度柔性加工系統(tǒng)，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?shù)募す馄鳌Ｖ悄芑す饧庸C(jī)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(tǒng)；

　　3)激光光束變換光學(xué)系統(tǒng)；

　　4)六自由度機(jī)器人本體；

　　5)機(jī)器人數(shù)字控制系統(tǒng)(控制器、示教盒)；

　　6)計(jì)算機(jī)離線編程系統(tǒng)(計(jì)算機(jī)、軟件)；

　　7)機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)；

　　8)激光加工頭；

　　9)材料進(jìn)給系統(tǒng)(高壓氣體、送絲機(jī)、送粉器)；

　　10)激光加工工作臺(tái)。

　　激光熔覆機(jī)器人組成示意圖

　　2、激光加工機(jī)器人工作原理

　　從高功率激光器發(fā)出的激光，經(jīng)光纖耦合傳輸?shù)郊す夤馐儞Q光學(xué)系統(tǒng)，光束經(jīng)過(guò)整形聚焦后進(jìn)入激光加工頭。根據(jù)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(jìn)給系統(tǒng)(高壓氣體、送絲機(jī)、送粉器)。激光加工頭裝于六自由度機(jī)器人本體手臂末端，如圖2所示。激光加工頭的運(yùn)動(dòng)軌跡和激光加工參數(shù)是由機(jī)器人數(shù)字控制系統(tǒng)提供指令進(jìn)行的。先由激光加工操作人員在機(jī)器人示教盒上進(jìn)行示教編程或在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行離線編程。材料進(jìn)給系統(tǒng)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(jìn)給材料同步作用完成加工任務(wù)。機(jī)器視覺(jué)系統(tǒng)對(duì)加工區(qū)檢測(cè)，檢測(cè)信號(hào)反饋至機(jī)器人控制系統(tǒng)，從而實(shí)現(xiàn)加工過(guò)程的適時(shí)控制。

　　激光加工頭與機(jī)器人手臂末端連接示意圖

　　3、激光加工機(jī)器人類型

　　激光加工機(jī)器人是光機(jī)電一體化的復(fù)雜系統(tǒng)，可以按機(jī)械結(jié)構(gòu)、用途、控制等進(jìn)行許多種分類。

　　按機(jī)器人機(jī)械結(jié)構(gòu)分，目前激光加工機(jī)器人主要有兩種類型：框架式機(jī)器人和關(guān)節(jié)式機(jī)器人。

　　框架式激光加工機(jī)器人：這種機(jī)器人主要由三坐標(biāo)高精度龍門(mén)框架、數(shù)字控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、高功率激光器、傳輸光纖、三自由度旋轉(zhuǎn)光束頭和檢測(cè)系統(tǒng)組成。這種機(jī)器人具有加工范圍大，加工精度高等特點(diǎn)。適合各種編程和系統(tǒng)集成，至少可實(shí)現(xiàn)六坐標(biāo)加工，即3D直線運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)(X，Y，Z)和3D轉(zhuǎn)動(dòng)坐標(biāo)。所有坐標(biāo)軸的驅(qū)動(dòng)均采用交流伺服電機(jī)、直線滾動(dòng)導(dǎo)軌、滾珠絲杠螺母副等。這種機(jī)器人可靠性高，但造價(jià)也高。

　　框架式激光加工機(jī)器人

　　關(guān)節(jié)式激光加工機(jī)器人：這種激光加工機(jī)器人主要由六自由度關(guān)節(jié)式機(jī)器人本體系統(tǒng)(機(jī)座、支柱、腰、臂、腕)、數(shù)字控制系統(tǒng)和驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、高功率激光器、傳輸光纖、檢測(cè)系統(tǒng)及激光工作頭組成，它可以至少進(jìn)行六個(gè)自由度加工。關(guān)節(jié)式機(jī)器人由于它在相同幾何參數(shù)和運(yùn)動(dòng)參數(shù)條件下具有較大的活動(dòng)空間，動(dòng)作靈活，適于現(xiàn)場(chǎng)應(yīng)用。因此，在國(guó)內(nèi)外生產(chǎn)線上都優(yōu)先裝備關(guān)節(jié)式機(jī)器人。

　　關(guān)節(jié)式激光加工機(jī)器人

　　4、激光加工機(jī)器人控制方式

　　按加工過(guò)程控制的智能化程度分，機(jī)器人可有三種編程層次。

　　1）在線編程機(jī)器人(On-lineProgram)

　　在線編程主要是示教編程，它的智能性最低，稱為第一代機(jī)器人。根據(jù)實(shí)際作業(yè)條件事先預(yù)置加工路徑和加工參數(shù)，在示教盒中進(jìn)行編程，通過(guò)示教盒操作機(jī)器人到所需要的點(diǎn)，教給機(jī)器人按此程序動(dòng)作1次，并把每個(gè)點(diǎn)的位姿通過(guò)示教盒保存起來(lái)，這樣就形成了機(jī)器人軌跡程序。機(jī)器人將示教動(dòng)作記憶存儲(chǔ)，在正式加工中機(jī)器人按此示教程序進(jìn)行作業(yè)。示教編程具有操作簡(jiǎn)單，對(duì)人員編程技術(shù)要求低，可靠性強(qiáng)，可完成多次重復(fù)作業(yè)等特點(diǎn)。

　　2）離線編程機(jī)器人(Off-lineProgram)

　　機(jī)器人離線編程是指部分或完全脫離機(jī)器人，借助計(jì)算機(jī)來(lái)提前編制機(jī)器人程序，它還可以具有一定的機(jī)器視覺(jué)功能，稱為第二代機(jī)器人。它一般是采用計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)(CAD)技術(shù)建立起機(jī)器人及其工作環(huán)境的幾何模型，再利用一些規(guī)劃算法，通過(guò)對(duì)圖形的控制和操作，在離線的狀況下進(jìn)行路徑規(guī)劃，經(jīng)過(guò)機(jī)器人編程語(yǔ)言處理模塊生成一些代碼，然后對(duì)編程結(jié)果進(jìn)行3D圖形動(dòng)畫(huà)仿真，以檢驗(yàn)程序的正確性，最后把生存的程序?qū)霗C(jī)器人控制柜中，以控制機(jī)器人運(yùn)動(dòng)，完成所給的任務(wù)。此外，它可裝有一些溫度、位形等傳感器，具有一定的機(jī)器視覺(jué)功能，根據(jù)機(jī)器視覺(jué)獲得的環(huán)境和作業(yè)信息在計(jì)算機(jī)上進(jìn)行離線編程。機(jī)器人離線編程己被證明是一個(gè)有力的工具，可增加安全性，減少機(jī)器人不工作時(shí)間和降低成本等。

　　3）智能自主編程機(jī)器人(IntelligetProgram)

　　智能自主編程機(jī)器人裝有多種傳感器，能感知多種外部工況環(huán)境，具有一定的類似人類高級(jí)智能，具有自主地進(jìn)行感知、決策、規(guī)劃、自主編程和自主執(zhí)行作業(yè)任務(wù)能力，稱為第三代機(jī)器人。由于計(jì)算機(jī)現(xiàn)代人工智能技術(shù)尚未獲得實(shí)用性的突破，智能自主編程機(jī)器人仍處于試驗(yàn)研究階段。

　　二、用于激光加工機(jī)器人的高功率激光器

　　機(jī)器人是高度柔性加工系統(tǒng)，它對(duì)激光器的首位要求是具有高度的光束傳輸柔性，此外還要求激光器具有光束質(zhì)量高、穩(wěn)定、可靠、體積小、重量輕等特點(diǎn)，便于與機(jī)器人進(jìn)行耦合集成。

　　激光加工機(jī)器人的第一代光源是軸流CO2激光器。但CO2激光波長(zhǎng)10.6/μm不能光纖傳輸。CO2激光器笨重地組裝在機(jī)器人上，光束依靠光學(xué)反射鏡轉(zhuǎn)折傳輸，光路體積大重量大，加工柔性小，應(yīng)用受到很大的限制。20世紀(jì)90年代后，千瓦級(jí)燈抽運(yùn)Nd：YAG激光器和二極管抽運(yùn)全固態(tài)激光器(DPSSL)成為激光加工機(jī)器人的第二代光源，光束可以光纖傳輸并與機(jī)器人耦合，光路體積大為縮小，具有很高的加工柔性。21世紀(jì)初，隨著激光技術(shù)飛速發(fā)展，涌現(xiàn)出多種具有高度柔性的可光纖傳輸?shù)母吖β使I(yè)型激光器：光纖激光器、盤(pán)片激光器和半導(dǎo)體激光器，成為激光加工機(jī)器人的第三代光源。第三代光源體積大大縮小，集成后的機(jī)器人體積小重量輕，可以實(shí)現(xiàn)現(xiàn)場(chǎng)流動(dòng)作業(yè)；全光纖傳輸加工柔性大大增強(qiáng)；激光能量可以分成多路傳輸，實(shí)現(xiàn)多路加工；極細(xì)的光纖司以傳輸大功率光束，可以在很小空間內(nèi)進(jìn)行加工。

　　1、燈抽運(yùn)Nd：YAG激光器

　　以3D圓棒形Nd：YAG晶體材料為激活介質(zhì)，采用燈抽運(yùn)方式，波長(zhǎng)1.06μm，可以制成連續(xù)和重頻器件。自1971年美國(guó)西爾凡尼亞公司推出Nd：YAG激光系統(tǒng)以來(lái)，經(jīng)過(guò)30多年的發(fā)展，Nd：YAG激光器技術(shù)已比較成熟，成為激光加工的主流件。但是存在電光轉(zhuǎn)換效率低(3％)、熱效應(yīng)嚴(yán)重和光束質(zhì)量差等缺點(diǎn)。由于其價(jià)格便宜，維護(hù)簡(jiǎn)單，目前仍在科研和生產(chǎn)中采用。我國(guó)目前從事大功率Nd：YAG激光器研發(fā)和生產(chǎn)單位主要有：中國(guó)科學(xué)院物理研究所、北京工業(yè)大學(xué)、華中科技大學(xué)、武漢楚天激光有限公司等。近年來(lái)北京工業(yè)大學(xué)在千瓦級(jí)燈抽運(yùn)YAG激光器研發(fā)上取得了突破性進(jìn)展，已有1～3kw產(chǎn)品進(jìn)入市場(chǎng)。

　　2、全固態(tài)激光器

　　全固態(tài)激光器是在Nd：YAG激光器基礎(chǔ)上取得了三項(xiàng)突破發(fā)展起來(lái)的：

　　1)板條形面冷卻技術(shù)替代圓棒形擴(kuò)散冷卻方式；

　　2)高吸收轉(zhuǎn)換摻釔Yb：YAG材料替代低吸收轉(zhuǎn)換的Nd：YAG介質(zhì)；

　　3)激光二極管(LD)抽運(yùn)技術(shù)替代燈抽運(yùn)方式。

　　日本在2005年研制出平均輸出功率10kW電光效率大于20％的高功率全固態(tài)激光器。德國(guó)Trumpf公司已有LD抽運(yùn)的2，4.5和6kW系列YAG激光器，光束質(zhì)量分別為12，16和25mm·mrad。德國(guó)Rofin公司6kw級(jí)LD抽運(yùn)YAG激光器外形及原理圖如下，主要技術(shù)指標(biāo)為：波長(zhǎng)1.06μm；最大功率5.5kW(工件上4kW)；光束質(zhì)量25mm·mrad。全固態(tài)激光器提高了輸出功率和光束質(zhì)量，可以用于激光切割、焊接、打孔、雕刻、熱處理和熔覆等作業(yè)。

　　Rofin公司LD抽運(yùn)YAG激光器

　　3、光纖激光器

　　YAG固體激光器最大的缺點(diǎn)是電光轉(zhuǎn)換效率低，造成很大的熱積累和很強(qiáng)的熱透鏡效應(yīng)。激光工作物質(zhì)YAG的幾何結(jié)構(gòu)是影響輸出功率和光束質(zhì)量提高的重要因素，為此將激光介質(zhì)由3D形狀的晶體做成一維的細(xì)長(zhǎng)光纖。高功率光纖激光器仍遵循傳統(tǒng)激光原理：工作物質(zhì)為D型結(jié)構(gòu)雙包層特種光纖；光學(xué)諧振腔選用光纖光柵；抽運(yùn)系統(tǒng)為L(zhǎng)D側(cè)面抽運(yùn)。

　　高功率光纖激光器的原理圖

　　1987年英國(guó)南安普頓大學(xué)和美國(guó)貝爾實(shí)驗(yàn)室通過(guò)實(shí)驗(yàn)證明了光纖放大器的可行性。1988年Snitzer等提出雙包層光纖概念。隨著高功率LD抽運(yùn)技術(shù)和雙包層光纖技術(shù)的實(shí)用化，光纖激光器出現(xiàn)了革命性發(fā)展，2004年美國(guó)SPI公司的單根雙包層光纖激光器達(dá)到1kW輸出水平。德國(guó)IPGPhotonics公司采用組束技術(shù)，在2005年德國(guó)慕尼黑國(guó)際激光和光電子展覽會(huì)上推出系列的高功率光纖激光器，標(biāo)志著工業(yè)級(jí)光纖激光器取得了里程碑的進(jìn)展，光纖激光器成為工業(yè)激光的主流產(chǎn)品和未來(lái)趨向。

　　IPG公司YLR-7000光纖激光原理及性能參數(shù)如下圖。最大輸出功率(工件上)6.9kW，光斑直徑519/μm，波長(zhǎng)(1070±5)nm，光束質(zhì)量18.5mm·mrad，光纖芯徑300μm，效率20％。

　　YLR-7000激光器

　　IPG公司YLR-10kW光纖激光器外形尺寸及性能如下，其主要參數(shù)：最大輸出功率(工件上)10.5kW，f=200mm時(shí)光斑直徑360μm，波長(zhǎng)(1070士5)nm，光束質(zhì)量11.6mmmrad，光纖芯徑200m，效率25％。

　　YLR-10kW激光器

　　圖10為IPG公司YLR-17kW光纖激光器外形尺寸及性能如下，其主要參數(shù)：最大輸出功率(工件上)16.7kW，f=420mm時(shí)光斑直徑420pm，波長(zhǎng)(1070±5)nm，光束質(zhì)量11.7mmmrad，光纖芯徑200μm，效率30％。

　　YLR-17kW激光器

　　光纖激光與YAG激光相比，具有一系列優(yōu)點(diǎn)：

　　1)輸出功率高達(dá)1～50kW，20kW已經(jīng)商品化，是目前國(guó)際上功率最高的激光器。波長(zhǎng)1.070μm，材料吸收率高?？捎糜诤附?、切割、打標(biāo)、雕刻、熔覆及再制造等各類激光加工作業(yè)。

　　2)光束質(zhì)量?jī)?yōu)良(11.6mm·mrad)，焦點(diǎn)光斑直徑微小(10～100μm)，光束幾乎呈平行傳輸，實(shí)現(xiàn)激光遠(yuǎn)距離加工。

　　3)體積小，重量輕，便于移動(dòng)。光纖傳輸柔性高，易與工業(yè)機(jī)器人等配合，實(shí)現(xiàn)高度自動(dòng)化現(xiàn)場(chǎng)加工。

　　4)光電轉(zhuǎn)換效率高達(dá)25％～30％，壽命長(zhǎng)，工作環(huán)境要求低(水冷)，維護(hù)方便，運(yùn)行成本低。

　　國(guó)內(nèi)中國(guó)科學(xué)院上海光學(xué)精密機(jī)械研究所、中國(guó)科學(xué)院長(zhǎng)春光學(xué)精密機(jī)械研究所、清華大學(xué)和南開(kāi)大學(xué)等在小功率激光方面取得了階段性的實(shí)驗(yàn)成果。高功率光纖激光器在中國(guó)的市場(chǎng)容量十分巨大，由于關(guān)鍵部件都需進(jìn)口，中國(guó)在高功率光纖激光器方面與國(guó)際先進(jìn)水平相差甚遠(yuǎn)，工業(yè)型高功率光纖激光器全靠進(jìn)口。