0、引言

激光加工技術是利用激光束與物質相互作用的特性對材料(包括金屬與非金屬)進行切割、焊接、表面處理、打孔及微加工等的一門加工技術。激光加工技術是涉及到光、機、電、材料及檢測等多門學科的一門綜合技術，同時它也是先進制造技術的一種。楊叔子院士在其論文中總結的先進制造技術的八個方面的發展趨勢和特色：“數”；“精”；“極”；“自”；“集”；“網”；“智”；“綠”。仔細分析就激光加工技術而言在這八個方面具備了多數，而本文所要闡述的就是激光加工技術的“集”，“智”，也就是激光加工的柔性化，集成化和智能化。而這些方向也正是我們激光加工技術期待發展和需要發展的地方。以大族激光為代表的很多激光產業也在朝這些方面進行研究和開發。這里主要是將激光加工技術應用到柔性制造系統(或單元)中來進行研究。

1、激光加工的柔性

激光加工本身就具有很好的柔性：

(1) 激光器本身是一個比較簡單而且易于控制的裝置，如果把它產生的光束聚集成極細的光束，就可以切割；散焦一點就可以焊接；再散焦一點，就能進行熱處理。

(2) 采用激光加工，不僅加工速度快，效率高，成本低，而且避免了模具或刀具更換，縮短了生產準備時間周期。易于實現連續加工，激光光束換位時間短，提高了生產效率。可進行多種工件交替安裝。一個工件加工時，可卸下已完成的部件，并安裝待加工工件，實現并行加工，減少安裝時間，增加激光加工時間。

(3) 激光束采用直接驅動和導向方法。激光可作旋轉、傾斜、上下左右移動等運動，能加工工件的垂直面和復雜表面；而且直接驅動沒有空程，精度高。將激光的控制和機器人相結合，用機器人來移動或多軸線方式方式翻轉光束下的零件，可加工一些用傳統方法加工比較困難的零件。

(4) 采取多級快速反應的防撞措施，光束導向裝置接觸工件時，運動系統立即停機，使系統不被破壞，避免了昂貴的維護；碰撞后能快速而簡單地恢復工作，減少了碰撞引起的停機時間，提高了激光系統的加工效率和可靠性。

(5) 激光頭可自由運動，目前激光頭已達5個運動軸，即使工件在加工時保持固定，仍可實現復雜工件的加工，而且只要利用移動旋轉工作臺，就可加工比軸行程大的零部件。激光束采用自動聚焦控制。激光系統直線軸可沿光軸或任意軸定位，以保持光束聚焦；焦點位置任何時刻都精確可知，而且行程無限制。圖1示出了自動聚焦控制與鏡頭伺服控制的比較，由圖看見，鏡頭伺服系統中聚焦透鏡與激光系統移動無關，因此焦點位置無法確定。

圖1 自動聚焦控制與鏡頭伺服控制比較

2、柔性制造系統（FMS）

柔性制造系統(Flexible Manufacturing System 縮寫FMS)是指適用于多品種、中小批量生產的具有高柔性且自動化程度高的制造系統。柔性是FMS的最大特點，即系統內部對外部環境的適應能力。FMS自其誕生以來就顯示出強大的生命力，它克服了傳統的剛性自動線只適用于大量生產的局限性，表現出了對多品種、中小批量生產制造自動化的適應能力。隨著社會對產品多樣化、低制造成本、短制造周期要求的日趨迫切，由于微電子技術、計算機技術、通信技術、機械與控制設備的進步，柔性制造技術發展迅猛并日臻成熟。實用表明，柔性制造技術具有如下特點：具有較高的柔性、機構性和通用性；轉產快、準備時間短；備利用率高，可實現無人看管24h連續工作；加工質量高且穩定；所需費用低；相同產量占地面積是傳統設備的60%。由此可見，正是由于柔性制造技術的這種高效、靈活的特性使其成為實施敏捷制造、并行工程、精益生產和智能制造系統的基礎，且應用日益廣泛，已成為制造領域的核心技術。而按規模大小FMS主要分為：柔性制造單元(FMC)；柔性制造線(FML)；柔性制造系統(FMS)。

一般柔性制造系統的主要組成部分為：

(1) 加工系統

FMS采用的設備由待加工工件的類別決定主要有加工中心、車削中心或計算機數控(CNC)車、銑、磨及齒輪加工機床等，用以自動地完成多種工序的加工。

(2) 物料系統

用以實現工件及工裝夾具的自動供給和裝卸，以及完成工序間的自動傳送、調運和存貯工作，包括各種傳送帶、自動導引小車、工業機器人及專用起吊運送機等。

(3) 計算機控制系統

用以處理FMS的各種信息，輸出控制CNC機床和物料系統等自動操作所需的信息。通常采用三級(設備級、工作站級、單元級)分布式計算機控制系統，其中單元級控制系統(單元控制器)是FMS的核心。

(4) 系統軟件

用以確保FMS有效地適應中小批量多品種生產的管理、控制及優化工作，包括設計規劃軟件、生產過程分析軟件、生產過程調度軟件、系統管理和監控軟件。

3、激光柔性加工系統的實現

由上述文字我們可以發現激光加工與柔性制造系統有很好的相容性，把兩者結合起來形成激光柔性加工系統，在彼此相互配合良好的條件下肯定會收到非凡的效果并取得良好的收益。

隨著激光與材料的相互作用的進一步研究，激光加工技術也必將廣泛的應用在柔性制造系統上。

實現激光加工的柔性系統化主要指激光加工頭能靈活機動地引導激光束到達零件的待加工位置。從激光加工機床所能加工零件的復雜程度看，又分平面二維和空間三維激光加工，大功率激光三維加工是未來激光加工的方向的發展方向，為了實現激光加工的靈活性，三維激光必須采用運動光學系統。大功率三維YAG激光加工系統通常采用機器人(或機器手)配合光導纖維進行光束傳輸，由機器人挾持著激光頭完成各種運動，激光則通過光導纖維傳送到激光加工頭處，到達工件表面，這種加工系統中，光束的傳輸和聚焦特性不受加工位置的影響。

機器手作為激光柔性加工系統的重要組成部分，其運動狀態的穩定性直接影響著加工質量。而對于大功率CO2激光，則是通過一組光學鏡片(鏡組)進行傳輸。這些鏡組安裝在多軸聯動(一般是5軸聯動)數控加工機床上，激光從激光器發射出來后，經過若干反射鏡，傳送到激光加工頭。隨著加工位置的變化，加工機床帶動激光加工頭運動。結果使鏡片之間的距離以及激光束的行程不斷發生變化，這些變化將影響激光束能量分布和聚焦特性的變化，從而影響了加工過程，目前，這兩種加工系統都得到廣泛應用。

圖2 采用CAD/CAM技術的激光加工過程

進行三維激光加工離不開計算機程序，編制激光加工的計算機程序主要有示教編程和自動編程兩種方式。由于手工示教編程是一項勞動強度大，效率低的工作，采用自動編程則是三維激光加工的必然趨勢。自動編程是建立在CAD平臺上的CAM系統，這就必須與CAD/CAM技術相連接，以便實現加工各種復雜幾何形狀的自動化過程，其中需采用許多先進技術，如產品設計與工藝過程設計的專家數據庫等，采用CAD/CAM技術的激光加工過程如圖產品的幾何形狀通過數字化顯示終端反饋到CAD/CAM系統，或全部過程由圖象掃描器自動完成，掃描系統以具有2048象元和5灰度的CCD線性攝像機為基礎，高速的圖像處理器將幾何圖像的象元轉換成CAD系統所用的曲線形式。用戶可在CAD終端檢查所掃描的幾何圖形，圖形的周長和面積可自動地計算，系統利用這兩個值，對用戶提供的繪圖進行快速拷貝，然后由計算機專家數據庫產生出生產過程(CAPP)文件，最后進行NC編程，將生產過程文件變成控制信息，如加工參數、切割路線等。最后根據材料的選擇，加工可在系統上完成。與其他加工類型的FMS相比，激光柔性加工系統的材料傳輸需有其獨特之處。

(1) 分布式數據控制

由于激光加工不需要對工件施加機械力，裝夾成本最低，現有的激光加工工作臺允許工件材料通過機器在X，Y和-Y三個方向饋送，因此工作臺既適用于單一薄板、部件及托盤裝卸，又適合于滾壓式進給。當代激光單元最重要的DNC特征包括軸線的的維數、控制激光器參數(如功率值，光閘，光的通與斷等)，用于可靠程序裝入、撤除的有效的DNC模型及連接外部傳感器和材料傳輸系統的能力。

(2) 機器人

利用機器人時，鉗抓裝置的扳手必須足夠大，以便能抓住大的工件，鉗抓裝置上還必須裝有智能傳感器(具有感覺和視覺)，用來檢測疊層組件的高度。其解決辦法是采用增加了環氧樹脂的碳纖維來制造鉗抓裝置，它帶有許多小的吸盤和微型感應傳感器。為了能夠吸取多塊加工板，使用氣缸施給鉗抓裝置一個輕微的傾斜運動。

(3) AGV和ASR

在激光柔性加工系統中，用ASR(有效供給速度)倉庫來存放加工板。一個多級ASR倉庫可同時為1-3個加工中心服務，機床不必安裝自己的托盤交換器。ASR倉庫系統能存儲大量的被加工工件，它們由AGV(自動導向車)來傳送到工作臺，使長時間無人操作的生產運行成為現實。為防止小工件從加工工作臺上傾斜下落，一種特殊的鋼制或鋁制支持托板應運而生。

4、激光柔性加工系統的誤差檢測和補償

激光柔性加工系統的加工處理過程實質上是一個數據采集、存儲、傳遞和轉換的過程，最終產物可以看作是數據和信息的物質表現。要保證測量數據的準確性和加工數據轉化為加工軌跡的精確性，就要求對系統結構本身的精度有全面細致的檢測和了解，并能根據檢測的結果對系統進行誤差分析和補償，完善原有結構，以滿足高精度加工要求。

目前激光加工機器人大多為兩軸或三軸的機械手，只能進行簡單的加工，而復雜曲面的加工則必須由高性能機器人來完成，也就是大范圍、高精度5軸激光加工機器人，它可以完成復雜曲面的加工。若整個系統是以框架式機器人為載體，由X軸、Y軸、Z軸構成其直角坐標系中的三維運動，另外可繞A軸旋轉、C軸擺動。這樣整個系統的加工范圍和精度就會得到很大的提高。前面闡述的三維激光加工若是大型工件一般就采用框架式機器人。這樣對整個系統的檢測和補償尤其是對機器人的誤差的檢測和補償就顯得尤為重要，同時也才能保證系統進行高精度的加工。

在激光加工時，要求光束垂直于加工表面，有確定的焦距要在大范圍工作空間內達到加工所需精度，就需了解X軸、Y軸、Z軸的定位誤差、直線度運動誤差、角運動誤差和各軸之間的垂直度誤差。同時還要了解A、C軸的旋轉和擺動的角度誤差和各自旋轉主軸在系統框架中的姿態，以便建立數學補償模型來提高系統精度。整個系統需要檢測的項目繁多且精度類型各異，利用普通量儀不但需要多臺儀器，而且費時。例如，檢測X軸、Y軸、Z軸的定位精度，傳統方法是采用激光干涉儀，而各軸對應的直線度誤差則采用平尺或激光準直儀，檢測角運動誤差則需要角度激光干涉儀或電子水平儀等。各測量儀之間的測量精度也不一樣，尤其是無法測量出A、C軸相對于整個框架的姿態。傳統測量儀器很難獲得系統的動態性能指標，所以在對整個柔性系統的檢測中采用的是近年才發展起來的激光跟蹤干涉儀。激光跟蹤干涉技術是基于激光干涉原理和伺服控制原理，用來測量物體空間位置和姿態并隨著機器人計量學的需要而發展起來的一門新型技術。如圖3所示，整個測量系統立于一個立柱上，測量頭可繞水平軸和垂直軸轉動。儀器能以1000次/s的采樣速度測量光束的空間方位角θi、φi和測量頭至目標反射鏡中心之間的距離Li。將極坐標數據轉換成直角坐標，就獲得了測點的空間坐標值。若對精度要求再高一些例如在微加工中可利用LM多坐標激光干涉儀組成的納米定位系統。

圖3 利用激光跟蹤干涉儀測量機器人腕部示意圖

運動學模型的選擇是決定機器人絕對精度的重要因素之一。它必須正確地對影響機器人末端位姿的各種因素建模。增加運動學模型的復雜度有助于提高機器人的絕對精度，但是也要付出降低機器人性能中其它特性的代價，因此建模時要綜合考慮各方面的因素。激光加工機器人為框架結構的機器人，我們認為采用網格化的誤差補償方法較合適，該方法可以補償機器人幾何誤差和某些非幾何誤差。根據機器人補償精度的要求，可以把激光加工機器人工作空間劃分為網格如圖4所示。根據不同的補償精度的要求，網格的疏密程度可以不同。

圖4 機器人工作空間網格劃分圖

X方向的誤差補償公式

Dx=Jx-Li-1/Li-Li-1 Li-1≤Jx≤Li  J’x=Jx+Dx(Lxi-Lxi-1)+Lxi-1

Y方向的誤差補償公式

Dy=Jy-Lj-1/Lj-Lj-1  Lj-1≤Jy≤Lj  J’y=Jy+Dy(Lyi-Lyj-1)+Lyj-1

Z方向的誤差補償公式

Dz=Jz-Lk-1/Lk-Lk-1  Lk-1≤Jz≤Lk  J’z=Jz+Dz(Lzk-Lzk-1)+Lzk-1

其中Li、Lj、Lk分別為X方向、Y方向和Z方向的網格點，Lxi、Lyj、Lzk分別為X方向、Y方向和Z方向的位置補償值。在機器人系統未補償前、機器人系統的最大誤差為0.2mm、經過補償后的機器人誤差為0.04mm、完全滿足機器人激光加工精度的要求。

5、結束語

隨著激光加工技術和先進制造技術的進一步發展，激光柔性加工系統一定會得到長足的發展和應用，而目前在國內的中科院力學所的集成化智能制造和柔性加工系統的開發成功是該領域的具體應用，已經投入到汽車模具的加工應用中。由于改領域的開發研究投入較大，因此利用計算機模擬仿真系統值得進一步探討和研究；還有小型的激光加工FMC也會是一個比較好的發展方向。

參考文獻
[1] 劉荷輝，虞鋼.集成化柔性激光加工系統的誤差檢測及其補償[J].中國機械工程，2003，14(5):367-701
[2] 曲道奎，徐方.提高大型激光加工機器人精度的方法[J].機器人，2003，25(3):270-2741
[3] 衛林.FMS單元中的激光切割[J].航空制造工程，1994(5):14-161
[4] 陳繼民，肖榮詩.柔性加工技術)))激光加工[J].岳陽師范學院學報(自然科學版)，2000，13(4):21-221
[5] 趙美云，方子帆，吳正佳.柔性制造系統仿真研究[J].三峽大學學報(自然科學版)，2001，23(6):550-5521
[6] 楊松祥.柔性制造系統(FMS)的發展與展望[J].硫磷設計與粉體工程，2001，6:27-291
[7] 王文虎.柔性制造技術的應用與發展[J].韶關學院學報(自然科學版)，2001，22(3):38-421

原載：《組合機床與自動化加工技術》