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激光与机器人相遇产业如何相融合
关键词:机器人 激光加工
2020-09-28

过去十年里,中国的制造业产业升级是发展的最重要的方向,为此,对新技术的追求是业界和政府最关心的事情。第四次工业革命、工业4.0、智能制造、中国制造2025等概念层出不穷,无一不是对新一代工业技术路线和蓝图的描绘和规划。

这十年间,新经济、新技术里面,以3d打印、激光制造、工业机器人,另外还有物联网、人工智能、云计算、半导体芯片等最引人关注,并且还是当前世界主要经济体还在竞争发展的最新技术。本文着重谈一谈激光和机器人的发展与联系。


 机器人产业发展快速,前景光明

从2003年珠三角最早出现“民工荒”就给我们人口大国敲响了警钟,劳动密集型的工业模式不可能一直走得下去。工业自动化就是要用机器、运动平台等系统替代手工劳作。数控设备的增加让很多原来使用人工加工的工序被取代了。但是在一些数控机床加工产线里面,我们仍然看到很多上下料的是采用人工,还有搬运、仓储等,在许多消费电子产品制造,组装也是大量采用人工。 

这就给“机器换人”留下了巨大的发展空间。自2012年工业机器人在我国逐渐被重视,继而掀起一股席卷全国的机器人浪潮。它在加工制造、产品组装、搬运、码垛、焊接等发挥了巨大的作用,早期工业机器人基本上是外国四大巨头的天下,占据我国大部分市场份额。而我国本土企业经历数年也逐渐发展起来,尽管产品精度、速度等性能与外国相比仍然有差距,但是工业机器人的国产化让这一领域竞争加剧,推动使用成本降价,极大推动了机器人自动化在国内的应用。 

工业机器人连续多年在我国经历了高速增长,年均增长率超过30%。据统计,2019年我国机器人市场规模为86.8亿美元,其中工业机器人市场规模为57.3亿美元,服务机器人市场规模为22亿美元,特种机器人市场规模为7.5亿美元。当前我国从事工业机器人相关的企业早已过千家,行业前景非常乐观。 


激光制造产业发展如何?

十年前,激光在工业应用仍然很少,在很多人看来还是一种神秘的黑科技,不能想象也不理解一束光怎么实现的工业加工。这十年激光器从外国垄断到迅速国产化,技术瓶颈不断被突破,核心技术国产化持续推进,原来一台过百万的光纤激光器今天可以降价到30万元,相关的激光设备、配套光学器件也经历差不多的降价幅度,激光制造从高大上的技术迅速平民化,变得通用普及。

如果说工业机器人在制造业的功用主要是搬运、空间移动、加工辅助等,那么激光在制造业的功用则是终端加工方式的改变,激光输出的高能量可以实现打标、切割、焊接等效果,它的最重要改变是高效高产出,第二个是美观、加工效果好,第三个就是非接触加工、高精密度、实现刀具加工无法做到的工序。

激光打标其实就是借助激光微热能在工件表面的烧蚀刻划,可以取代原来的墨印、丝印、刀具刻划;激光切割是利用超高能量气化材料,让金属或者非金属材料分离实现切割、穿孔,取代了原来工具刀、铣刀、钻头,也比其他介质加工方式如火焰切割、水刀切割、等离子切割效率要高得多;是利用热熔材料,实现连接拼接,可以取代电弧焊、烙铁焊、火焰焊等传统方式。

据不完全统计,2019年我国激光加工制造相关产品市场规模超过900亿元,同比增长超过10%。而在十年前我国的激光加工产值还不到100亿元,因此过去十年激光加工在我国得到了快速发展。目前激光制造逐渐从简单的单机作业向复杂的、产线式的、智能化方向发展,其中配套上下料系统、多头加工、三维激光加工、机器人激光加工系统等都是代表性的趋势。 


激光与机器人联合发展现状

从时间上来看,激光技术和机器人的出现和发展都较为同步,但两者长期处于平行发展状态,直到上世纪90年代末期才首次出现了交集。1999年,德国机器人公司首先整合出第一台带有激光加工系统的机械臂,从此开启了机器人来助力激光加工的先河。

这里面,激光与工业机器人相结合可以碰发出很大的能力,创造更高的加工可能性,让激光实现更加多用途,完全摆脱了死板的二维工作台,可以随意转动挥舞激光头,实现任意设定好的加工。机器人激光加工系统克服了一些传统激光加工的弊端,还能减少错误和误差,在一些极端环境正常作业。

在欧洲、美国、日本主要发达国家,激光加工的研发与自动化紧密结合,史陶比尔、abb、kuka、安川等机器人企业与激光产业互动合作甚多,创造出很多自动化激光应用的新东西。这种情况在中国并未出现,当前我国激光产业一拨企业,机器人产业一拨企业,两者各自干自己,中间的互动、技术交流甚至合作研发项目都比较少,仅有的就是激光企业要集成三维系统,就去找机器人企业买个机械臂。这种行业状态非常不利于激光加工的升级和三维加工的推进。

光纤激光器和半导体激光器的出现实现了光纤传输光束,让激光实现了更大的柔性,集成到机械臂上变得很容易。激光加工在解决了光学、激光的问题后,要取得更大的发展空间,必须在数控自动化方面下功夫。如果没有做好数控自动化,用户就不得不采用人工,所以就会出现各种手持激光设备,宁愿放弃机械臂而去选择人工手持加工,事实上在精度、作业持续时间、长期成本核算都是比不上机械臂的。

当前,机器人激光加工系统主要有切割、焊接、熔覆三种应用,仅有机器人是得到规模化的应用,具体表现是在汽车焊装产线上,包括车门、车顶、后盖等白车身焊接,从原来的电焊到激光焊接,是从“纽扣”到“拉链”的一个跨越。在三维切割方面尽管这几年是重要趋势,但目前没有形成规模应用,熔覆是针对单个金属部件的定制修理,更加没有显现批量化。因此,目前我国机器人激光加工系统还有待发展。

 

机器人激光加工如何更好融合

我国的激光和机器人技术要更好地结合,协同发展,则最好要有更多的互动合作。这可以是由政府或者是行业组织牵头举办技术交流活动,发起两个产业界的项目合作。

一方面激光设备集成厂家是开发终端应用,机器人企业的产品是为他们配套,然而很多激光企业拥有光学技术,在机械数控技术方面欠缺,必须机器人企业进行帮助。以应用带动项目,以项目推动双方研究合作。

很重要的一个问题是国产工业机器人品牌种类繁多,品质参差不齐,又或者精度比不过外国品牌,得不到激光集成商的认可,导致他们最终还是选择四大家族的产品开发机器人激光系统。这一点上,国内的机器人企业必须努力攻坚技术难关,力争推出更高水平的产品,而未来激光集成商也需要考虑给这些国产品牌合作的机会。

最后一个问题是,激光与机器人两大产业都比较新,都是最近六七年快速发展起来的,目前在行业标准、国家标准等都是欠缺的,市场秩序也比较混乱,行业还处于快速成长期,各种新的竞争者又冒出来,大企业又有碾压小企业的市场行为,行业内的科研机构与企业的合作不紧密。要让两个产业良性发展,都需要引导目前市场行为健康发展,还得加强行业标准,促进产学研的结合,这些都是需要较长时间的事。




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