“光加工”時(shí)代到來， 傳動部件邁向高精密化

激光加工產(chǎn)業(yè)作為智能制造領(lǐng)域內(nèi)的一大重要技術(shù)分支，伴隨著近年來消費(fèi)者對電子產(chǎn)品提出的高續(xù)航力、高安全性和輕薄化、個(gè)性化等需求，使得產(chǎn)品的加工難度日益提升，加工工藝的升級迫在眉睫，于是乎，越來越多生產(chǎn)廠商將目光投向了激光加工技術(shù)，無論是傳統(tǒng)制造業(yè)，還是新興制造業(yè)，采用激光加工技術(shù)解決方案都已成為時(shí)下一個(gè)潮流趨勢。根據(jù)專業(yè)機(jī)構(gòu)Laser Manufacture News的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，2018年中國工業(yè)激光與相關(guān)產(chǎn)品的市場規(guī)模約為855億元，同比增長18.6%，與前幾年相比，增長有所放緩；而在2019年復(fù)雜的經(jīng)濟(jì)環(huán)境下，市場增速保持在10%左右，市場規(guī)模約940億元。面對2020年新冠疫情的爆發(fā)，在當(dāng)前智能手機(jī)、汽車電子等重點(diǎn)終端下游市場受到嚴(yán)重影響的前提下，整體激光產(chǎn)業(yè)的發(fā)展同樣挑戰(zhàn)激增，市場走向變得撲所迷離。

激光材料加工是重點(diǎn)市場

就現(xiàn)階段整體激光產(chǎn)業(yè)鏈來看，上游主要包括激光材料和配套元器件，如激光晶體、激光燈、特種光纖、光學(xué)鏡片、振鏡等；中游主要是各種激光器及其配套加工設(shè)備，例如CO2激光器、光纖激光器、各種數(shù)控設(shè)備、機(jī)電設(shè)備、激光模塊等等。從整體系統(tǒng)應(yīng)用的成本來看，激光器作為光源，占激光裝備總成本的30%-60%，美國相干、IPG、德國通快等巨頭廠商處于行業(yè)領(lǐng)導(dǎo)者的位置；國內(nèi)新冒升的銳科2019年已占據(jù)國內(nèi)市場24%的份額，顯示出國產(chǎn)替代速度正在加快，并且在特種光纖、高功率光柵等關(guān)鍵光學(xué)器件上不斷實(shí)現(xiàn)研發(fā)突破。

激光產(chǎn)業(yè)下游市場主要指的是各種應(yīng)用細(xì)分行業(yè)，其中，材料加工及光刻、光通信、數(shù)據(jù)存儲、測量及傳感器、醫(yī)療美容等都是重要開發(fā)領(lǐng)域，為各類終端客戶包括汽車制造業(yè)、3C電子、專業(yè)鈑金加工、航空航天、光伏、船舶重工、工程機(jī)械及軍工等提供先進(jìn)的技術(shù)解決方案。

在工業(yè)應(yīng)用中，與傳統(tǒng)加工方式不同的是，激光材料加工是利用光的能量通過凸鏡聚焦之后，在焦點(diǎn)上達(dá)到超高的能量密度來進(jìn)行加工，整個(gè)過程不需要接觸加工物體的表面，具有加工速度快、表面形變小等特點(diǎn)，可對各種材料實(shí)現(xiàn)鉆孔、切割、切管、焊接、劃片、雕刻、打標(biāo)、熱處理等加工工藝。大族激光、華工科技、聯(lián)贏激光、楚天激光、亞威股份、聯(lián)贏激光、海目星激光、邦德激光等都是現(xiàn)階段市場上的代表型企業(yè)。

圖1 中國工業(yè)激光市場規(guī)模預(yù)測（資料來源：Laser Manufacture News，單位：億元）

各類激光加工機(jī)開發(fā)的一大重點(diǎn)是自動化控制解決方案，穩(wěn)定而高效的控制系統(tǒng)能夠保證高質(zhì)量和高效率的激光加工效果。目前，在激光加工機(jī)領(lǐng)域，主控器以PC-Based控制為主，占市場80%以上的份額，這是因?yàn)榧す饧庸ご蠖鄶?shù)需要具備插補(bǔ)、多軸同步控制、運(yùn)行高精度復(fù)雜軌跡等功能，使用PC-Based控制器成本較低，且可滿足復(fù)雜運(yùn)動控制的要求，市場上主要的供應(yīng)商包括柏楚電子、維宏股份、倍福、研華等等。除此之外，激光加工使用到的自動化產(chǎn)品還有伺服電機(jī)、變頻器、傳感器、HMI等。

圖2 激光產(chǎn)業(yè)鏈組成（資料來源：中信建投）

激光加工裝備行業(yè)的“質(zhì)變”

近一年來，受到國內(nèi)外經(jīng)濟(jì)形勢的影響，激光加工裝備市場（包括打標(biāo)、焊接、切割，光刻等等）的增速進(jìn)一步放緩，市場競爭加劇，多數(shù)企業(yè)遭遇營收規(guī)模和盈利能力水平的下滑。2019年可以說是激光行業(yè)出現(xiàn)轉(zhuǎn)折的一年，經(jīng)過前幾年的高速成長后，國內(nèi)激光加工裝備市場增速開始減慢，實(shí)現(xiàn)銷售收入658億元，同比增長8.8%；2020年初，在新冠疫情影響下，行業(yè)開工不足、發(fā)貨延期，以及全球經(jīng)濟(jì)走勢不確定因素增加，使得今年國內(nèi)激光加工設(shè)備市場的發(fā)展令人堪憂。

為此，各大廠商正通過橫向拓展激光加工裝備業(yè)務(wù)產(chǎn)品線，來推動整體業(yè)務(wù)規(guī)模的持續(xù)增長；同時(shí)，隨著精密激光加工設(shè)備國產(chǎn)化的落地，一方面廠商鞏固顯示面板、3C電子等傳統(tǒng)行業(yè)的應(yīng)用優(yōu)勢，另一方面也積極開拓太陽能、半導(dǎo)體等高端行業(yè)市場，促進(jìn)激光加工裝備業(yè)務(wù)規(guī)模實(shí)現(xiàn)新的跨越，推動行業(yè)從“量變”邁向“質(zhì)變”的階段。

在技術(shù)層面，高功率激光加工設(shè)備在鋼材、幕墻、汽車等行業(yè)市場的應(yīng)用量穩(wěn)步提升；激光切割自動化加工單元增長迅猛，特別是三維五軸激光切割機(jī)解決了三維曲面、異性曲面等工件成型的“痛點(diǎn)”，其高精度、高速度、高柔性特性為行業(yè)應(yīng)用注入了強(qiáng)大的活力；超大幅面的激光加工設(shè)備也是熱點(diǎn)之一；金屬材料高功率激光加工設(shè)備開始拓展至超快、超精密微納米級水平。此外，新興材料和新型結(jié)構(gòu)的興起，激光焊接技術(shù)向高效新工藝轉(zhuǎn)變，以實(shí)現(xiàn)輕量化、整體化結(jié)構(gòu)件制造、精密制造、低成本高效新工藝的需求方向轉(zhuǎn)變，尤其是一體化集成復(fù)合型激光焊接設(shè)備將是未來的主流趨勢。

激光切割是激光應(yīng)用的重要領(lǐng)域，廣泛應(yīng)用于金屬和非金屬材料的加工生產(chǎn)中，切割質(zhì)量更高、速度更快、柔性度也更高，大幅降低加工成本，提高工件品質(zhì)。最近幾年，隨著上游激光切割頭、激光器和激光切割控制系統(tǒng)等核心部件的價(jià)格不斷下降，國產(chǎn)激光切割設(shè)備取得了長足的進(jìn)步，市占率迅速提高，逐步替代金屬成形機(jī)床中的沖床、剪板機(jī)、剪切機(jī)床等傳統(tǒng)產(chǎn)品，并且一大批從事激光切割裝備制造的企業(yè)紛紛加入光纖切割陣營。根據(jù)相關(guān)數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)顯示，2014-2018年，是國內(nèi)激光切割設(shè)備市場的高速成長期，年復(fù)合增長率約為23.09%，2018年該市場規(guī)模達(dá)到243億元，但到了2019年，由于整體經(jīng)濟(jì)環(huán)境的下滑，激光切割設(shè)備市場的增速放慢，市場規(guī)模約為266億元，預(yù)計(jì)到2023年，中國激光切割設(shè)備總體市場規(guī)?？蛇_(dá)接近400億元。

激光焊接是發(fā)展較早的一個(gè)領(lǐng)域，產(chǎn)品種類有YAG激光焊接機(jī)、光纖激光焊接機(jī)、復(fù)合激光焊接機(jī)、機(jī)器人激光焊接站等等，可實(shí)現(xiàn)異種材料（不銹鋼、鋁合金、鎳等）焊接、不規(guī)則的焊接軌跡、優(yōu)秀的焊接外觀，牢固的焊縫、更細(xì)致的焊接點(diǎn)以及更精準(zhǔn)的定位焊接區(qū)域等，在目前手機(jī)零部件加工、新能源汽車動力電池等生產(chǎn)總發(fā)揮著重要的作用。此外，2019年興起的手持激光焊接適合各種規(guī)格金屬焊接，相比傳統(tǒng)氬弧焊，效率提升50%以上，光滑均勻，焊接后易打磨或無需打磨；靈活方便，操作簡單，無需專業(yè)焊工就能操作，可以實(shí)現(xiàn)戶外焊接作業(yè)。

值得關(guān)注的是，機(jī)器視覺+激光加工設(shè)備也是近年來創(chuàng)新的一個(gè)重點(diǎn)，其有助于對產(chǎn)品進(jìn)行自動化和智能化的提升。例如：針對傳統(tǒng)激光行業(yè)中存在的問題，如夾具制作復(fù)雜、對小尺寸產(chǎn)品的打標(biāo)和焊接精度無法把控、工作效率低下等缺點(diǎn)，一些廠商研發(fā)并且推出了視覺自動定位打標(biāo)系統(tǒng)、視覺自動定位焊接系統(tǒng)，讓傳統(tǒng)的激光加工設(shè)備可以“看得見”，甚至可以無縫對接到工廠原有的流水線，實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)打標(biāo)等激光加工作業(yè)。

高精密直驅(qū)技術(shù)與激光加工

隨著自動控制技術(shù)和微型計(jì)算機(jī)的高速發(fā)展，用戶對激光加工的定位精度提出了更高的要求，這些使得直線電機(jī)技術(shù)開始被大量應(yīng)用在激光加工領(lǐng)域中。一般來說，用于激光加工領(lǐng)域的直線電機(jī)模組主要由直線電機(jī)、防護(hù)裝置、驅(qū)動控制、檢測反饋四部分組成。

本質(zhì)上，直線電機(jī)是把旋轉(zhuǎn)電機(jī)平放展開，并直接連接到驅(qū)動負(fù)載上，它能替代例如滾珠絲杠、齒輪與齒條、皮帶與皮帶輪和減速箱的所有機(jī)械傳動部分，從而消除了齒隙以及與機(jī)械傳動相關(guān)的問題，具有結(jié)構(gòu)簡單、調(diào)速范圍寬、動態(tài)性能優(yōu)良、定位精度高、安全可靠、運(yùn)行噪聲低、無磨損、免維護(hù)以及無限行程等優(yōu)點(diǎn)。

阿斯科納科技（深圳）有限公司是較早進(jìn)入激光切割應(yīng)用領(lǐng)域的企業(yè)之一，目前與西安光機(jī)所下屬的幾家企業(yè)都有長期合作，并逐步積累了豐富的針對激光加工工藝的開發(fā)經(jīng)驗(yàn)。與普通鈑金切割不同的是，精密激光切割從軌跡精度、加速/減速/勻速整個(gè)過程的跟隨誤差、軌跡插補(bǔ)形狀等等都有非常高的要求，阿斯科納憑借對激光加工工藝的理解和掌握，不斷為為高精密激光切割設(shè)備提供品質(zhì)優(yōu)秀的直線電機(jī)產(chǎn)品及模組。另外，在新型現(xiàn)代化線路版生產(chǎn)中，阿斯科納專門為激光直接成像設(shè)備（LDI）開發(fā)的定制化運(yùn)動平臺產(chǎn)品也具有一定的優(yōu)勢。傳統(tǒng)的電子線路板主要是靠飛林來做模板曝光，但飛林的精度有限，而且很容易變形；隨著智能手機(jī)等移動終端的尺寸越來越小，厚度越來越薄，高精度的線路板要求使用高精度玻璃模板，經(jīng)過激光光刻之后，再腐蝕來制作成精密電子線路板，即線路板級的光刻。據(jù)介紹，目前，采用阿斯科納定制化運(yùn)動平臺的激光直接成像設(shè)備，線路板線寬可達(dá)到8-20微米，且1米多行程可達(dá)到水平直線度在正負(fù)3微米之間，同時(shí)垂直直線度、平面度、正交性、角度扭擺、重復(fù)定位精度等性能指標(biāo)都接近芯片級應(yīng)用水平。

談到直驅(qū)技術(shù)在激光加工領(lǐng)域的發(fā)展前景，部分行業(yè)人士表示，智能制造的發(fā)展目標(biāo)是高精度、高速度，要實(shí)現(xiàn)更高的響應(yīng)速度，就需要打破傳統(tǒng)意義上位機(jī)軟件、控制、驅(qū)動和電機(jī)執(zhí)行層之間的物理層級，特別是針對某些高精度加工工藝要求（如圓弧切割等），則可以在直驅(qū)電機(jī)平臺底層直接完成這些工藝步驟，讓直驅(qū)產(chǎn)品參與到激光加工的整套工藝中，提高系統(tǒng)的響應(yīng)速度，而這也是直驅(qū)技術(shù)未來發(fā)展的重點(diǎn)之一；此外，機(jī)器視覺技術(shù)的導(dǎo)入，可以幫助設(shè)備進(jìn)行校準(zhǔn)，降低外部環(huán)境、溫度等因素對設(shè)備運(yùn)行的影響，甚至可以在設(shè)備工作的過程中實(shí)時(shí)進(jìn)行校準(zhǔn)，不需要停機(jī)，從而提升生產(chǎn)效率，引領(lǐng)制造業(yè)向智能化方向邁進(jìn)一大步。

另一方面，針對復(fù)雜或高價(jià)值的結(jié)構(gòu)進(jìn)行激光打標(biāo)、高精密切割、鉆孔等操作，定制化組合運(yùn)動平臺，如高精密的多維多軸定位及運(yùn)動平臺是目前應(yīng)用的一個(gè)需求熱點(diǎn)。例如Physik Instrumente（PI）開發(fā)的V-417系列XY配置線性平臺非常適用于激光加工應(yīng)用，其定位精度只有幾微米，速度高達(dá)2米/秒，可實(shí)現(xiàn)輕松組合，以用于多軸應(yīng)用。平臺硬蓋和側(cè)密封經(jīng)過特殊設(shè)計(jì)，可防止灰塵或灼熱顆粒進(jìn)入驅(qū)動和編碼器機(jī)械部件，高防護(hù)等級工業(yè)連接器和卡銷實(shí)現(xiàn)更高穩(wěn)健性。由于經(jīng)過特殊成形，其邊緣與軸承導(dǎo)向或運(yùn)動方向的平行度(//)優(yōu)于50微米，線性平臺在安裝過程中可輕松對準(zhǔn)。其中，ACSEther CAT激光控制模塊的Ether CAT從站模塊提供多種功能，包括用于動態(tài)功率控制、輸出脈沖或選通信號（開關(guān)信號）的數(shù)字脈沖調(diào)制，后兩者與沿二維至六維運(yùn)動路徑的位置或可編程操作區(qū)保持同步，該控制模塊可通過通用接口控制幾乎任何激光加工系統(tǒng)。

圖3 激光技術(shù)應(yīng)用細(xì)分市場統(tǒng)計(jì)

新機(jī)遇新潛能

激光加工技術(shù)已經(jīng)成為實(shí)現(xiàn)智能制造的一項(xiàng)重要手段，隨著5G時(shí)代的來臨，在手機(jī)制造過程中應(yīng)用激光加工技術(shù)已越來越普遍，這類高精密化智能終端的升級換代，將為精密激光加工設(shè)備行業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟(jì)效益。其中，各種品質(zhì)優(yōu)秀的機(jī)電功能部件作為有力的技術(shù)支撐，也將發(fā)揮更大的作用，它們包括直驅(qū)技術(shù)產(chǎn)品和系統(tǒng)平臺、伺服電機(jī)、控制系統(tǒng)、機(jī)器視覺、工業(yè)應(yīng)用軟件等等。

圖4 工業(yè)激光加工主要應(yīng)用分類（資料來源：Laser Manufacture News）

與此同時(shí)，激光加工系統(tǒng)還會與機(jī)器人、數(shù)控技術(shù)、MES信息化，云計(jì)算等新技術(shù)不斷融合，提供面向設(shè)備制造商和終端工廠的云數(shù)據(jù)平臺系統(tǒng)，引領(lǐng)信息技術(shù)和激光工業(yè)進(jìn)一步結(jié)合，拓展其他相關(guān)業(yè)務(wù)服務(wù)內(nèi)容，打造出完整的激光加工生態(tài)圈體系。

值得一提的是，除了工業(yè)領(lǐng)域的材料加工之外，激光技術(shù)在醫(yī)療器械的生產(chǎn)應(yīng)用開發(fā)同樣頗具潛力。例如，目前激光焊接技術(shù)在醫(yī)療器械領(lǐng)域（斑馬導(dǎo)絲、一次性使用取石網(wǎng)籃、一次性氣道導(dǎo)絲、鼻膽引流導(dǎo)管、內(nèi)窺鏡、活檢鉗、抗癌放射性棒、心臟起搏器等）得到了廣泛的應(yīng)用。一般來說，醫(yī)療器械產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)極其微小且工藝復(fù)雜，因此在這些器械生產(chǎn)、制造過程有著高安全性、高潔凈性、高密封性等條件的苛刻要求，而激光焊接技術(shù)正好能滿足這些加工需求，且與其他常用的焊接技術(shù)相比，激光焊接技術(shù)幾乎不產(chǎn)生焊渣和碎屑，焊接過程中更不需要添加任何粘合劑，因而可在潔凈室中完成整個(gè)焊接工作。激光加工技術(shù)正以其獨(dú)特的高精密性能特點(diǎn)和應(yīng)用優(yōu)勢，不斷開墾出一片更廣闊的創(chuàng)新天地。