机器视觉系统与激光加工系统相结合，实现了复杂构件上特征的精准、高质量加工。激光材料加工利用聚焦的光束对材料进行切割、焊接、钻孔、打标、雕刻以及表面织构化。激光可加工广泛的材料，包括金属、塑料、陶瓷、玻璃及有机物等。激光具有光束可聚焦和能与材料匹配的特性，非常适合精密制造。

自动化与工业激光技术的结合，已经能够加工许多复杂的几何形状和多种材料；而就在几年前，这些工作还是用激光加工的方法无法高效实现的。激光加工复杂构件的案例包括对三维自由曲面的聚合物和金属构件进行大规模纹理加工，如汽车仪表板、外部保险杠或是其他米级以上尺寸的大型构件。
另外，激光还能加工尺寸较小的精密机械零件，如用于疏通脑血管栓塞的医疗设备中的微细线和线圈，它们由灵敏的绕线材料制成，如铂金和镍钛合金，直径低至几十微米。

选择激光源

在为加工这类结构复杂的产品确定解决方案时，第一步是选择激光源。激光源是系统的核心，必须精心选择激光源，只有当激光参数与材料的光吸收和热力学特性相匹配时，才能实现想要的加工质量和加工效率。

激光源类型众多，涵盖了一系列技术，包括半导体激光器、气体激光器、光纤激光器及固态激光器等。每种激光器都各有特点，需要根据加工件的性质和具体加工要求，选择合适的激光器。

复杂构件涉及的主流加工工艺包括激光打标、雕刻、构造、切割、钻孔、焊接和表面处理。选择合适的激光源，应该综合考虑多种变量，以确保在加工性能、质量、产量和成本之间取得最佳平衡，特别是加工易损的精密构件更是如此。需要注意的是，在应用实验室中进行工艺开发时，就要使用最终集成到系统中的那台激光源；要尽早使用精确的激光配置，以避免在机器集成的后期重复昂贵且冗长的开发工作。

考虑整体解决方案

激光材料加工解决方案是一套机器系统（见图1）。基于激光制造的解决方案的挑战在于：要将自动化、硬件组件、视觉系统、光学器件、激光束传输、软件、数据库和激光源成功地集成到一套系统中。

将激光源集成到一个加工复杂构件的激光加工系统中，是一项非常专业的工作，这需要企业在多个学科领域内拥有重要的技术专长。当面向的是汽车和医疗等消费产品市场时，情况更是如此。此外，激光加工系统还必须要遵守相关的安全、机械和电气标准及监管规定，确保稳定的高质量加工。

图1 用于汽车轮毂加工的集成激光系统，包括光学零件识别、自动输送、激光加工和质量检测等功能

一种先进的解决方案

激光成型、纹理加工、激光打标和激光雕刻，需要短且尖锐的激光脉冲，这类脉冲通常使用光纤激光器产生。激光源与振镜扫描头相连接，通过一些标准的光学元件传输，使激光束能在110mm×100mm的小加工区域内扫描。对于较大的三维构件，如复杂的汽车合金轮毂，需要在其上打标出非常微小的图案，传统的振镜扫描方法就会相当繁琐。事实上，通过多次步进式运动和对准，以需要的分辨率加工整个表面往往是不可能实现的。此外，通过多次扫描，打标图案的拼接也不会严丝合缝。

一种先进的激光系统可以解决以上问题。该系统可以将二维CAD设计包裹在尺寸达2000mm×2000mm的三维可展开曲面上，在加工过程中，工件或激光头没有任何偏移运动，并且加工过程连续不间断。同时，该系统能在整个加工区域内都保持较小的激光光斑尺寸，以保持高分辨率，便于实现微细特征的加工。该系统通常被称为大面积加工系统，它能减少加工步骤，并能简化复杂零件的加工（见图2），很快引起了工程师和设计师们的兴趣。

图2 激光机器视觉系统识别加工构件的位置、方向及细节特征，确保可重复的高质量加工

机器视觉系统的辅助

确定了用激光以连续不间断的方式、加工大型三维构件的解决方案后，接下来面临的问题包括：在给定公差的情况下，如何准确定位复杂构件上待加工的位置？工件的加工方向是否正确？加工位置和方向的准确性如何验证？

将工业激光视觉系统与自动化工件处理结合起来使用，能够解决上述问题。这项任务通常需要一台高分辨率工业相机，将其沿着与激光束相同或者平行的视线扫描（见图3）。这需要使用图像处理软件识别工件上的参考位置，例如基准标记（如一个特定形状的孔等特征），或是材料在某些区域的颜色对比度等特征。

有了这些参考信息和零件的预编程CAD数据，激光系统可以在加工前确定偏移量，以正确定位零件或激光头。可能仅使用激光振镜扫描头、机器人系统、笛卡尔坐标轴系统或某些组合，就能实现加工任务。

图3 利用先进的光学技术对可展开的表面进行三维激光加工，加工件保持静止

机器视觉系统不仅能探测加工区域的偏移量，而且还能报告加工件的高度和深度信息。在复杂构件上成功应用机器视觉的决定因素是可实现的照明和对比度，以及定位系统的准确性和可重复性，以便能在正确的位置启动加工过程。此外，该机器视觉系统还能在加工过程结束后对加工件进行光学识别，并根据检测标准对加工件进行质量检查。

通常，当加工区域在100μm以下时，相应的激光集成系统解决方案就变得更加复杂。这些微小型的加工件不仅会让激光视觉系统的相机分辨率达到极限，也会使机械轴和工件处理设备的可重复性和精确性达到极限。此外，针对微小型工件的加工，激光源一般在其较低的功率范围内工作，以确保可重复性和加工的均匀性。例如，通过机器视觉系统找到一根直径为50 ~ 100μm的铂丝或镍钛丝的位置，并成功将其焊接到另一根丝上，这是一项具有挑战性的任务，需要对整个系统进行仔细集成。

在加工复杂的构件时，首先要做的就是非常清晰地了解客户的需求规格。规格的微小变化，如材料、工件几何形状或质量要求方面的任何变化，都将对整个机器系统的设计产生重大影响。

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