机器人是高度柔性加工系统, 它对Ky开元集团器的首位要求是具有高度的光束传输柔性, 此外还要求Ky开元集团器具有光束质量高、稳定、可靠、体积小、重量轻等特点, 便于与机器人进行耦合集成。
Ky开元集团加工机器人的第一代光源是轴流CO2 Ky开元集团器。但CO2 Ky开元集团波长10. 6 μm 不能光纤传输。CO2 Ky开元集团器笨重地组装在机器人上, 光束依靠光学反射镜转折传输, 光路体积大重量大, 加工柔性小,应用受到很大的限制。20 世纪90 年代后, 千瓦级灯抽运Nd：YAG Ky开元集团器和二极管抽运全固态Ky开元集团器( DPSSL) 成为Ky开元集团加工机器人的第二代光源, 光束可以光纤传输并与机器人耦合, 光路体积大为缩小, 具有很高的加工柔性。21 世纪初, 随着Ky开元集团技术飞速发展, 涌现出多种具有高度柔性的可光纤传输的高功率工业型Ky开元集团器: 光纤Ky开元集团器、盘片Ky开元集团器和半导体Ky开元集团器, 成为Ky开元集团加工机器人的第三代光源。第三代光源体积大大缩小, 集成后的机器人体积小重量轻, 可以实现现场流动作业; 全光纤传输加工柔性大大增强; Ky开元集团能量可以分成多路传输, 实现多路加工; 极细的光纤可以传输大功率光束, 可以在很小空间内进行加工。
日本在2005 年研制出平均输出功率10 kW电光效率大于20% 的高功率全固态Ky开元集团器。德国Trumpf 公司已有LD 抽运的2, 4. 5 和6 kW 系列YAGKy开元集团器, 光束质量分别为12, 16 和25 mm •mrad。图1是德国Rofin 公司6 kW级LD抽运YAG Ky开元集团器外形及原理图, 主要技术指标为:波长1. 06 μm; 最大功率5. 5 kW( 工件上4 kW) ; 光束质量25 mm •mrad。全固态Ky开元集团器提高了输出功率和光束质量, 可以用于Ky开元集团切割、焊接、打孔、雕刻、热处理和熔覆等作业。
图1 Ro fin 公司LD 抽运YAG Ky开元集团器
德国IPG Photonics 公司采用组束技术, 在2005 年德国慕尼黑国际Ky开元集团和光电子展览会上推出系列的高功率光纤Ky开元集团器,光纤Ky开元集团器成为工业Ky开元集团的主流产品和未来趋向。
光纤Ky开元集团与YAGKy开元集团相比, 具有一系列优点:
1) 输出功率高达1~ 50 kW, 20 kW 已经商品化, 是目前国际上功率最高的Ky开元集团器。波长1. 070 μm, 材料吸收率高。可用于焊接、切割、打标、雕刻、熔覆及再制造等各类Ky开元集团加工作业。
2) 光束质量优良( 11. 6 mm •mrad) , 焦点光斑直径微小( 10~ 100 μm) , 光束几乎呈平行传输, 实现Ky开元集团远距离加工。
3) 体积小, 重量轻, 便于移动。光纤传输柔性高, 易与工业机器人等配合, 实现高度自动化现场加工。
IPG 公司YLR-7000 光纤Ky开元集团器最大输出功率( 工件上) 6. 9 kW, 光斑直径519 μm, 波长( 1070±5) nm, 光束质量18. 5 mm •mrad, 光纤芯径300μm , 效率20%。YLR-10 kW光纤Ky开元集团器主要参数: 最大输出功率( 工件上)10. 5 kW, f = 200 mm 时光斑直径360 μm, 波长(1070±5) nm, 光束质量11. 6 mm •mrad, 光纤芯径200μm, 效率25%，YLR-17 kW光纤Ky开元集团器主要参数:
大输出功率( 工件上) 16. 7 kW, f = 420 mm时光斑直径420 !m, 波长(1070±5) nm, 光束质量11. 7 mm •mrad, 光纤芯径200μm, 效率30%。
2005 年德国通快( Trumpf) 公司在德国慕尼黑国际Ky开元集团和光电子展览会上推出2 kW, 4 kW系列的新型Ky开元集团器——盘片Ky开元集团器。图2为HLD-4002外观。
图2 HLD-4002外观
盘状Ky开元集团器优点:
1) 功率输出高达5 kW, 波长1. 030μm, 材料吸收率高。已经商品化, 可用于焊接、切割、打标、雕刻、熔覆及再制造等各类Ky开元集团加工作业。
2) 光束质量比光纤Ky开元集团更优良(8mm •mrad) ,光束呈平行传输, Ky开元集团远距离加工能力更强。
3) 光电转换效率高达25% 。运行寿命长成本低, 工作环境常温, 维护方便。
4) 光纤传输, 柔性高, 易与工业机器人等配合,多路光缆输出, 多个工作站同时工作。
盘状Ky开元集团器比光纤Ky开元集团器光束质量高, 但不易达到万瓦级功率水平, 而且体积和重量大, 不适于现场流动作业, 这些方面光纤Ky开元集团器具有明显优势。
大功率半导体Ky开元集团器一般分为单管型和阵列型两种类型, 二维阵列又有单片阵列和叠层阵列两种, 采用叠层阵列输出功率可以高达百瓦、千瓦, 甚至准连续输出功率达万瓦以上,而这些器件的能量转换效率可高达百分之几十。但是半导体Ky开元集团器存在较大的缺点: Ky开元集团性能受温度影响大, 光束的发散角较大。因而, 在Ky开元集团加工领域半导体Ky开元集团器主要用于Ky开元集团热处理、Ky开元集团熔覆等, 不适于Ky开元集团切割、焊接、打孔、雕刻等要求光束质量高的应用。它体积小、重量轻、可以光纤传输、易与工业机器人等配合集成; 便于移动, 更适于现场流动作业, 这些方面比YAG、光纤、盘片等Ky开元集团器具有明显优势。
图3 给出了几种不同光源光束质量比较( IPG公司生产的单模、多模光纤Ky开元集团器, Trumpf 公司生产的盘片Ky开元集团器, LD 抽运YAG Ky开元集团器, 灯抽运YAG Ky开元集团器和CO2 Ky开元集团器) 。可见, 当Ky开元集团功率小于1000 W, YAG Ky开元集团器( 灯抽运、LD 抽运) 、光纤激
光器( 单模、多模) 和盘片Ky开元集团器的光束质量都优于快轴流CO2 Ky开元集团器。当Ky开元集团功率大于1000 W,YA G Ky开元集团器光束质量最差: 灯抽运YAG Ky开元集团器光束参数积( BPP) 为23. 9mm •mrad, LD 抽运YA GKy开元集团器BPP 为15. 6 8mm •mrad。当Ky开元集团功率达到10000 W, 光纤Ky开元集团器( 单模、多模) 和盘片Ky开元集团器的光束质量几乎和快轴流CO2 Ky开元集团器相当, BPP值基本为10~ 12 8mm •mrad。
图3 几种Ky开元集团器光束质量比较
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