图 1. 激光在汽车制造中的应用

 

在汽车制造领域，典型的激光应用包括白车身的激光钎焊、飞行焊，热成型零件和碳纤维材料的三维激光切割、动力传动系统的激光焊接、发动机部件的激光淬火、冲压模具的激光熔覆，以及可追溯的激光打标等。随着自动化程度的提高，智能激光解决方案成为主流发展趋势。目前来说，智能激光解决方案涵盖智能激光设备、智能激光加工工艺，以及最终的智能工厂。在AMTS 2017上，通快（TRUMPF ）的新一代激光飞行焊接系统IPFO大放异彩，本文将以此为例，深入讲述激光与智能的完美结合为汽车制造带来的全新改变。

 

 

 

图2. 通快TruDisk激光器中光学部分的传感器

 

智能激光设备

 

一套激光加工系统通常由激光器（核心部件）、光纤、加工头、机器人（或其他运动机构）所组成。在通快的TruDisk激光器中，有着几百个传感器：供电单元中的传感器可监控电压、电流等数值，以保证激光器的供电质量和稳定性；冷却单元中的传感器可监控水质、水量、水压、流量等，从而保证激光器内部光学器件的冷却效果；光学单元中的传感器可监控温度、湿度、散射光和激光功率，保证所有光学部件工作在最适宜的环境中，并按照设定来发射激光功率，实现正常的光路传输而没有多余的损耗。通过这些传感器，可以知道激光器是否为正常工作状态，所需激光功率是否正确地传输到工件上。

 

 

图3. 时间同步的重要性

 

所有这些传感器的数据都是相互关联相互影响的，比如散射光的数值大小通常与激光输出功率成正比关系。散射光数值太高说明激光器部件有问题（失调或者是污染），需要人为地进行检查确认。由于这些数据变化非常快，因而精准的时间同步就相当有必要，如图3所示。数据同步可以避免因为信号传递的时间差异造成的误判。通快新一代的TruDisk激光器中就融入了精准的时间同步协议，大大提高了数据的准确性。

 

智能激光加工过程

 

智能激光大大提高了激光器的生产使用时间，通快也不断地对加工头进行优化以实现更高的产出率。

 

图4. 通快新一代激光飞行焊接系统IPFO：激光器、光纤、振镜、机器人

 

IPFO是在通快振镜PFO基础上开发的新一代智能版本。在IPFO中有一个标准通信接口，可与机器人和激光器相连，并通过内部处理器实现相互之间的协同工作。这样，整套激光加工系统就可以作为一个整体来操作和编程并真正的实现激光飞行焊接。

图5. 机器人与扫描振镜的比较

 

另外，TruTops IPFO是通快专为IPFO开发的离线编程软件。在该编程系统中，机器人、IPFO可视作一个整体系统，在该系统中导入工件的三维数模，即可在三维数模上插入激光焊缝，编辑焊接程序。在焊接过程中，IPFO会实时接收机器人的实际位置信息并进行计算，然后自动将激光束发射到所需的焊缝位置进行焊接。只要将工件摆放在正确的位置，IPFO将自动准确地进行焊接。通过该离线编程软件，还可以对焊接过程进行事先模拟，查看焊接时序，优化生产效率。

 

图6. 飞行焊接可减少节拍时间

 

在实际工业制造中，工件的定位精度通常很难达到激光焊接的要求，特别是角接焊。相对于传统叠焊，角接焊可以进一步减轻重量。为此，通快开发了远程在线焊缝跟踪系统（SeamLine Remote）来探测接缝的实际位置，以实现更精准的焊接。如图7，该系统会发射出三条线型激光到工件的接缝处，然后由摄像头同步拍摄，并由软件分析激光束投射在接缝时的形状和角度，来计算出接缝的准确位置和两层板之间的间隙。IPFO可以根据接缝的实际位置来实时调整激光束的入射位置，保证将激光束准确地入射到接缝上，并根据接缝间隙实时调整光斑大小，以填补间隙，最终获得完美的焊接。然而，仍然需要进一步检测和确认焊缝的质量。SeamLine Remote上的摄像头会在焊接完成后立刻同步拍摄焊后的焊缝，并对其成型图片进行分析，以判断焊缝质量。在一个工件完成所有焊接后，SeamLine Remote自带的零件质量评估软件会对所有焊缝质量进行综合评估，并根据用户预先设定的规则来判定该零件是否合格。

 

图7. SeamLine Remote 焊缝跟踪与质量监控系统

 

除此之外，通快还开发了其他应用于工业制造的激光智能加工镜头和传感器，比如动态切割头上的距离传感器、监控温度和高度塑料焊接头等。

 

智能工厂

 

集成智能设备与工艺的工作站，可以提高生产稳定性、可靠性和生产效率。然而一个工厂有很多的生产工序和工作站，要提高整个工厂的生产效率和可靠性，需要将所有设备和工艺进行横向连接，从而实现整个工厂的智能生产。

 

此外，通快可提供“状态监控服务”。客户可以将设备的状态数据发送到服务中心，通过对数据进行实时监控和分析，可以帮助用户及时找出问题所在，并消除隐患，大大提高生产效率。