連載《激光，一種工具》丨第六章：激光系統

來源 | 通快

在以前的微信推文中，已經介紹過光的特性、激光的產生以及如何將激光變為我們可用的工具。那麼最終用於激光加工的設備是怎麼樣的一種構成呢？今天我們就簡要介紹一下一套激光加工系統的組成，以及針對不同應用所需要的最合適的系統。

在前面一期「將光轉換為工具」的文章中，已經介紹到，我們首先需要一台激光源，然後通過光束傳輸系統或者傳導光纖將光束傳送至激光加工區域，最後由激光加工鏡頭將光束聚焦到所需加工的工件上進行加工。這樣就形成了一套完整的激光加工光學系統。

然而，激光加工時，光束是需要移動以形成一條激光焊縫或者切縫。因此一套帶動光束移動的運動機構則是激光加工過程中所必需的裝置。運動機構一般有三種：光學振鏡、數控機床系統與機器人系統。隨著工業 4.0 時代的到來，激光加工系統中的智能化監控也越來越有必要。因此越來越多的激光加工系統中，還配備了激光加工監控感測器，比如焊縫追蹤與質量監控感測器、切割監控等。

光學振鏡是由激光加工鏡頭內部的鏡片偏轉來實現激光束的移動，其特點是移動速度快、編程簡便靈活、可實現任意形狀焊接軌跡，但工作區域較小。一般常用於激光打標、小型工件的激光焊接，比如金屬手機殼、電氣端子等電子產品的激光焊接。在某些小型工件的焊接過程中，由於激光焦點極小，必須非常精準的定位於接縫上，才能實現完美焊接。而很多工件自身的公差很難達到這種精度要求，這樣就需要配備圖像處理定位系統，通過相機拍取工件圖像，經過識別找到接縫的精確位置，然後對光束定位進行微調，以準確入射到接縫中進行焊接。下圖所示即為通快 PFO 振鏡+ VisionLine 圖像識別系統的示意圖。

機器人系統的最大優點是靈活性，且系統集成較為容易。一般是將激光加工頭固定在機器人手臂上，通過機器人的運動帶動整個加工頭移動來實現光束的移動。由於機器人的軌跡精度以及運動速度的局限性，一般都用於對位置精度要求不高的激光焊接或者激光熔覆等加工，比如鈑金件的搭接焊。

然而，即使在某些焊接過程中，機器人的動態性能仍然成為加工效率的瓶頸。比如在車門焊接中，一般都會由幾十條線型焊縫組成，每條焊縫之間有一定間隔。如果由機器人來進行這種焊接，則節拍時間中，約 70% 的時間都是機器人的空形成時間，這極大的降低了生產效率。因而在這種情況下，我們採用振鏡與機器人結合的方式來進行焊接。由振鏡負責具體焊接軌跡以及各焊縫之間的激光光束跳轉，機器人帶動振鏡移動來擴展工作範圍，並且機器人的運動與振鏡的偏轉相互協調配合，以實現幾乎沒有停頓激光焊接，提高激光焊接效率及激光系統的利用率，從而降低激光焊接成本。我們稱這種方式為激光飛行焊接。

該激光飛行焊接系統已經廣泛應用與汽車製造中，比如最新的賓士邁巴赫S級車門，即採用的該系統實現的焊接。為了實現輕量化，邁巴赫S級車門採用了鋁合金材料，焊縫形式也是輕量化角接焊縫。這種角接焊縫必須搭配在線焊縫追蹤感測器才能實現光束精準定位與焊接。如下圖所示為賓士邁巴赫車門所採用的 TruDisk 激光器 + I-PFO 智能振鏡 + SeamLine Remote 焊縫追蹤與質量監控感測器 + 機器人的焊接系統。

數控機床系統是一種精密、高速系統，可適用於各種激光加工應用，比如焊接、熔覆、切割等。然而其成本較機器人更高，因而僅用於對精度要求較高的焊接，比如齒輪等動力傳動部件的焊接；對精度要求較高的三維堆積成型。而對於切割來說，精度及速度都非常重要，因此激光切割多數採用數控機床系統，尤其在大批量生產中。

數控機床系統又分為二維和三維繫統。二維繫統由X、Y、Z三個線性軸組成，激光加工頭不能偏轉，僅能從一個方向進行加工，因此只能實現平面工件的加工，比如板材的激光切割。這種平面激光切割機目前是市場上最為廣泛的激光應用。

三維繫統除了X、Y、Z三個線性軸之外，一般還會在激光加工頭上有擺動軸（B）、旋轉軸（C），有些還會在工件裝夾裝置上增加一個旋轉軸（A），通過些五軸甚至六軸的聯合運動可以實現從各個方向對工件進行加工，即可實現三維零件的加工。這種三維激光加工系統，最常應用於汽車熱成型零件的激光切割中。熱成型零件由於其超高強度的特性，可兼顧汽車安全性與輕量化的要求，因而切割需求量極大。由於各方面原因，切割過程中，時常會發生一些漏切孔現象，而在大批量生產中，不可能完全由人工來檢測這種質量問題。因此在通快的 TruLaser Cell 8030 三維激光切割系統中配備了 ObserveLine 漏切孔智能激光檢測功能，這種激光檢測方式較傳統電容感應檢測更加精準與快速，極大提高了產品質量可靠性與生產效率。

除此之外，為適應批量生產，通快的三維激光加工系統還可配備SeamLine 焊縫追蹤、FocusLine 自動調焦、FastLine 飛行穿刺、Smart Approach 智能尋邊等智能化功能。