一種用于汽車U型梁切割的激光機(jī)器人系統(tǒng)

楊 靜，張 濤，路 坤

（濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，山東濟(jì)南 250022）

一種用于汽車U型梁切割的激光機(jī)器人系統(tǒng)

楊 靜，張 濤，路 坤

（濟(jì)南鑄造鍛壓機(jī)械研究所有限公司，山東濟(jì)南 250022）

介紹了采用光纖激光器、機(jī)器人、雙工位加工汽車U型梁的一種方案。用于卡車、客車車架縱梁的高效率、高精度、柔性化、自動(dòng)化激光切割。

機(jī)械制造；機(jī)器人；激光切割；U形縱梁；汽車

1 前言

汽車U形縱梁具有硬度高、形狀復(fù)雜和重量輕的特點(diǎn)，使得該結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。對(duì)于加工制造來(lái)說，最大的困難就是從各側(cè)分別切割，過去是用先沖孔再折彎的方式，因?yàn)槌尚吻笆瞧桨?，因此，用傳統(tǒng)的沖床很容易完成，但對(duì)于成形件，沖床則不易加工。采用激光機(jī)器人切割系統(tǒng)和光纖傳導(dǎo)系統(tǒng)，可以輕松解決這個(gè)問題。

激光器與工業(yè)機(jī)器人結(jié)合，構(gòu)成激光加工機(jī)器人。這種機(jī)器人體積小，方便靈活，并可使工作人員免受激光傷害。光纖激光器配置到機(jī)器人手中的聚焦部件上，它的手臂可到達(dá)待加工零件的各個(gè)位置，從多種角度進(jìn)行激光切割。機(jī)器人系統(tǒng)處于三面沖下道工序，上料輥道將縱梁送入切割區(qū)域，縱梁定位夾緊、機(jī)器人切割，切割完畢后由下料輥道將縱梁傳輸?shù)较碌拦ば颉?/p>

2 激光機(jī)器人系統(tǒng)

激光發(fā)生器由機(jī)器人或控制單元控制，被放置在激光安全防護(hù)罩外，為了節(jié)省占地面積，有時(shí)將其放在高處。光纖傳導(dǎo)適用于快速切割，一般用10m～30m長(zhǎng)的光纖將激光能量傳送到工件表面。用金屬加固的光纖導(dǎo)管非常堅(jiān)韌耐用，可像普通的管線一樣使用，唯一的限制是最小彎曲半徑約為200mm。下面就系統(tǒng)的各項(xiàng)組成一一介紹。

2.1 三維激光切割頭

激光切割頭連接在機(jī)器人手臂和光纖的末端，在保持與工件表面恒定距離、傳遞切割輔助氣體的同時(shí)，將光束聚焦到工件表面。在切割汽車U形縱梁的激光系統(tǒng)中，由于機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行的是三維切割，切割頭的選擇必須輕巧、靈活，靠近噴嘴處的尺寸要小，使它在靠近切割部位時(shí)不受干涉。另外，它還必須具備良好的密封，以防止灰塵和金屬蒸氣進(jìn)入，同時(shí)盡量避免碰撞，以防止被損壞。

為了保持激光始終聚焦在工件表面上，在切割頭噴嘴上使用了電容高度傳感器，將指令傳送給伺服系統(tǒng)。移動(dòng)聚焦透鏡和噴嘴與工件表面保持1mm的距離，浮動(dòng)范圍為25mm。系統(tǒng)用YK52切割頭，見圖1。

該切割頭是一種通過光纖耦合激光器進(jìn)行切割的加工頭。用于3D切割，適用于

Nd:YAG、圓盤形、光纖和二極管激光器等所有固體激光器，是一種帶有線性驅(qū)動(dòng)單元的系統(tǒng)。主要技術(shù)參數(shù)見表1。

圖1 三維YK52切割頭

表1 切割頭主要技術(shù)參數(shù)

特性：集成非接觸式專利距離傳感器；超細(xì)設(shè)計(jì)；最輕的重量；垂直和水平透鏡調(diào)整不會(huì)引起TCP變化；測(cè)量點(diǎn)?。话l(fā)生碰撞、電纜破損或超出測(cè)量面積公差時(shí)產(chǎn)生出錯(cuò)信號(hào)；依靠切割氣體對(duì)透鏡進(jìn)行空氣冷卻；可以對(duì)傳感器嵌件進(jìn)行空氣冷卻（僅對(duì)120mm和150mm焦距）；磁安全連接器（可選）。

YK52切割系統(tǒng)是Precitec在激光切割領(lǐng)域多年經(jīng)驗(yàn)的結(jié)晶。帶有高度調(diào)節(jié)的距離傳感器，即使切割復(fù)雜的工件，也能夠保證在高速切割情況下穩(wěn)定地高質(zhì)量切割。透鏡是防塵密封的，整個(gè)光學(xué)路徑也是完全密封的，這是延長(zhǎng)光學(xué)部件使用壽命的關(guān)鍵。

YK52三維切割已廣泛應(yīng)用于很多知名汽車制造業(yè)、汽車部件制造業(yè)以及各種加工車間。該切割系統(tǒng)的應(yīng)用，還包括在成品和汽車橫梁上、在鋼管熱成形工件和液壓成形工件上穿孔。

2.2 光纖激光器

激光切割的縫寬約為0.1mm～0.3mm，切割部位的尺寸受機(jī)器人臂長(zhǎng)等因素的限制，而切割速度由激光功率和縫寬來(lái)決定。由于激光切割速度并不是加工周期的唯一因素，機(jī)器人系統(tǒng)還必須花大量時(shí)間在不同的加工位置間移動(dòng)，即“空程時(shí)間”。這不僅可以產(chǎn)生更快的穿刺，在進(jìn)行垂直于表面的切割時(shí)，還可以產(chǎn)生更快、更穩(wěn)定的切割；對(duì)于半徑小的圓進(jìn)行切割，可以保證邊緣切割的質(zhì)量更好；對(duì)于反射性材料進(jìn)行切割，可使速度更快，如鋁和鍍鋅板。

如果按“兩個(gè)工位、最大切割板厚為8mm、加工范圍1500mm×3800mm的三維切割”作為方案設(shè)計(jì)依據(jù)，建議選用3000W的IPG光纖激光器（圖2），然后采用分光裝置“5-5”分成兩個(gè)光路，對(duì)兩個(gè)工位的工件同時(shí)切割，以便提高工作效率。

圖3為多路輸出光閘裝置，激光器輸出端的光纜可通過該裝置分成兩路各1500W，分別傳輸?shù)絻蓚€(gè)工位。型號(hào)：BS 2way QB-QB/QD，M2=1.2兩路光閘。

圖2 3000W光纖激光器外形圖

圖3 多路輸出光閘裝置

IPG光纖激光器的優(yōu)點(diǎn)：使用成本低，光纖激光器替代了不穩(wěn)定或高維修成本的傳統(tǒng)激光器；光纖激光的柔性導(dǎo)光系統(tǒng)，非常容易與機(jī)器人或多維工作臺(tái)集成；光纖激光器體積小，重量輕，工作位置可移動(dòng)；光纖激光器可以達(dá)到前所未有的大功率（至五萬(wàn)瓦級(jí)）；一器多機(jī)，即一個(gè)激光器通過光纖分光成多路多臺(tái)工作；在工業(yè)應(yīng)用上比傳統(tǒng)激光器表現(xiàn)更優(yōu)越。它有適用于金屬加工的最佳波長(zhǎng)和最佳的光束質(zhì)量，而且光纖激光器在每米切割上的費(fèi)用最低；免維護(hù)，使用壽命長(zhǎng)；由于其極高的穩(wěn)定性，大大降低了運(yùn)行中對(duì)激光質(zhì)量監(jiān)控的要求；具有簡(jiǎn)單明了的控制接口，能夠很方便地通過機(jī)器人進(jìn)行控制。

此外，在成本方面，光纖激光的綜合使用成本是最低的，安裝維護(hù)成本低，光纖激光器上午安裝，下午就能使用，而CO2激光器的安裝需要兩周，而后期維護(hù)方面光纖激光幾乎沒有維護(hù)費(fèi)用，這就為廠家節(jié)約了大量的生產(chǎn)成本。

價(jià)格方面，光纖激光器的價(jià)格已經(jīng)接近CO2激光器，將來(lái)部分代替CO2激光器的市場(chǎng)地位已成定局。更值得關(guān)注的是，由于光纖激光器的應(yīng)用柔性更大，它可以在三維立體切割、焊接方面發(fā)揮更大的作用，一臺(tái)光纖激光器和一個(gè)機(jī)器手就可以代替幾臺(tái)冷加工機(jī)床。光纖激光器的主要技術(shù)參數(shù)見表2。

表2 光纖激光器主要技術(shù)參數(shù)

圖4為采用2000W光纖激光器，F(xiàn)ocal length:10inch、Stainless steel up to 15mm，對(duì)不同板厚以不同速度進(jìn)行激光切割的碳鋼板樣件。

圖4 切割樣件

2.3 機(jī)器人的選擇

在機(jī)器人技術(shù)日臻成熟的今天，提高生產(chǎn)效率和保證產(chǎn)品質(zhì)量早已是機(jī)器人份內(nèi)之事。舉例來(lái)說，ABB機(jī)器人的重復(fù)定位精度水平非常高，重復(fù)定位的上下誤差僅為±0.05mm，這就能夠保證產(chǎn)品質(zhì)量的一致性，幾乎可以把工廠的廢品率減少到零。

在中國(guó)，ABB機(jī)器人廣泛應(yīng)用于上海通用、上海大眾、廣州本田、東風(fēng)標(biāo)致、吉利汽車、長(zhǎng)城汽車等多個(gè)國(guó)內(nèi)領(lǐng)先汽車制造商的生產(chǎn)線上，為中國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展貢獻(xiàn)力量。

2.3.1 機(jī)器人本體

IRB2400/16工業(yè)機(jī)器人，承重能力16kg～20kg，到達(dá)距離1.55m。機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的精度、光滑度和重復(fù)性決定了切割精度。機(jī)器人點(diǎn)對(duì)點(diǎn)的重復(fù)定位精度決定了實(shí)際加工點(diǎn)的位置，大約為±0.05mm。

IRB2400機(jī)器人主要應(yīng)用于弧焊、切割作業(yè)，是ABB全球應(yīng)用最廣的機(jī)器人，具有速度快、精度高、功率大的特點(diǎn)。與市場(chǎng)上同級(jí)別機(jī)器人相比，它能幫助用戶提高25%以上的工作效率。同時(shí)，該產(chǎn)品堅(jiān)固耐用，防塵、防水性能達(dá)到IP67級(jí)標(biāo)準(zhǔn)，可適應(yīng)多種惡劣工況。

2.3.2 機(jī)器人控制器

IRC5 SC能夠通過MultiMove這一新功能控制多達(dá)四臺(tái)完全協(xié)調(diào)運(yùn)行的機(jī)器人，而且還具有創(chuàng)新意義的模塊化設(shè)計(jì)，將各種功能進(jìn)行了邏輯分割，最大程度地降低了模塊間的相互依賴性。ICR5控制器的特性還包括：配備完善的通信功能、實(shí)現(xiàn)了維護(hù)工作量的最小化、具有高可靠性（平均無(wú)故障工作時(shí)間達(dá)80，000h）以及采用創(chuàng)新設(shè)計(jì)的新型開放式系統(tǒng)、便攜式界面裝置示教器。采用ABB獨(dú)有的運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)，優(yōu)化了機(jī)器人的加減速性能，使機(jī)器人工作循環(huán)時(shí)間降至最短。

2.3.3 機(jī)器人行走軌跡精確成形及手腕運(yùn)動(dòng)摩擦力補(bǔ)償軟件

機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的精度、光滑度和重復(fù)性決定了切割精度。IRB 2400機(jī)器人有多種不同版本備選，擁有極高的作業(yè)精度，在物料搬運(yùn)、機(jī)械管理和過程應(yīng)用等方面均有出色表現(xiàn)。IRB 2400機(jī)器人可提高生產(chǎn)效率、縮短生產(chǎn)提前期、加快交貨速度。

2.4 水冷機(jī)

MCWL-150DTR-03水冷機(jī)，對(duì)于光纖激光器來(lái)說，由于它的水路為兩進(jìn)兩出，一路是用于外光路冷卻的等離子水（1kW、12L/min、30℃）；另一路是用于激光器冷卻的（12kW、35L/min、20℃～22℃）。型號(hào)03代表此水冷機(jī)是專門用于光纖激光器的，帶有離子交換樹脂，價(jià)格比同等規(guī)格的CO2要高。

圖5 IRB2400/16工業(yè)機(jī)器人

2.5 柔性加工單元

動(dòng)作原理：LCFMC上料單元為獨(dú)立、高效的機(jī)電一體化裝置，主要為激光切割系統(tǒng)配套，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)上料功能。整套裝置由上料工作臺(tái)，吸盤上料裝置兩部分組成，吸盤上料裝置自上料工作臺(tái)上吸取板料，其分層吸盤吸附板的短邊，通過擺動(dòng)并輔以吹氣使粘連板材分離，確保單張上料。其升降由鎖緊氣缸驅(qū)動(dòng)；水平進(jìn)退由變頻減速電機(jī)及同步帶驅(qū)動(dòng)，直線導(dǎo)軌導(dǎo)向，精度高，速度快。主要配套件見表3。

表3 主要配套件

上料動(dòng)作過程：吸盤上料裝置在上料位置，將板料吸附，完成上述的分層動(dòng)作后，氣缸帶動(dòng)吸盤及板料升起，然后水平移動(dòng)至切割主機(jī)的升降交換臺(tái)上，待升降氣缸落下后吸盤松開，吸盤放料時(shí)有吹氣動(dòng)作，加速真空的釋放，完成上料動(dòng)作。完成后，吸盤上料裝置退回原位吸取下一張板料。

上料單元技術(shù)參數(shù)：板材尺寸1500mm×3000mm×（1～10）mm；吸提板重 400kg；送料速度20m/min；電源容量2kVA；壓縮空氣消耗量0.6m3/min；占地尺寸（長(zhǎng)×寬×高）=7m×4m×2.5m。

該裝置一般為獨(dú)立運(yùn)行，利用獨(dú)立的操作站進(jìn)行上料工作，不與切割機(jī)進(jìn)行電氣連接，每次手動(dòng)操作只完成一張板材的上料工作。

此外，還可以利用切割主機(jī)的電氣模塊作為上料單元的控制元件，并通過總線與系統(tǒng)進(jìn)行通訊。這樣即可實(shí)現(xiàn)連續(xù)上料工作，上料單元的故障報(bào)警也可以通知主機(jī)的控制系統(tǒng)，確保動(dòng)作安全、無(wú)誤。但是需要客戶提供切割機(jī)的相關(guān)資料（隨機(jī)的機(jī)械、電氣說明書、原理圖等），以確定是否可以利用主機(jī)的電器模塊，以及后續(xù)的開發(fā)設(shè)計(jì)工作。

功能特點(diǎn)：板料成垛出入，節(jié)約上料時(shí)間及人力；能自動(dòng)檢測(cè)板垛的高度；配有板材自動(dòng)分層功能；自動(dòng)監(jiān)控完善，保證設(shè)備安全；配有自動(dòng)、手動(dòng)操作，切換方便，操作方式靈活。

3 結(jié)束語(yǔ)

光纖傳導(dǎo)的激光器機(jī)器人切割系統(tǒng)早在20世紀(jì)90年代初就已用于生產(chǎn)。最好的切割系統(tǒng)的選擇標(biāo)準(zhǔn)：包括切割速度、運(yùn)行成本、邊緣質(zhì)量和掛渣的去除、正常運(yùn)行時(shí)間以及頭期投資成本。在激光器滿足速度快、切割質(zhì)量高和掛渣去除容易的情況下，還應(yīng)注意選擇氧氣和電消耗最少的激光器。選擇到合適的系統(tǒng)，可使運(yùn)行成本減少15%～20%。

隨著我國(guó)汽車工業(yè)的發(fā)展，汽車生產(chǎn)企業(yè)迫切需要掌握及運(yùn)用該技術(shù)，以實(shí)現(xiàn)載重汽車縱梁的多品種、小批量的成形柔性化生產(chǎn)。同時(shí)可節(jié)省載重車改型時(shí)專用大型壓彎成形模具的全部投入，降低生產(chǎn)成本，提高產(chǎn)品的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)力。為此，本研究項(xiàng)目解決了現(xiàn)存的技術(shù)與工藝難題，填補(bǔ)了國(guó)內(nèi)空白，為提高我國(guó)汽車工業(yè)的工藝裝備水平作出了貢獻(xiàn)。

[1] 陸 明.用400CW/M光纖激光器切割厚度2mm以下的板材.激光世界，2010，（9）.

[2] 武漢華工.航空航天工業(yè)中的先進(jìn)激光技術(shù).現(xiàn)代制造，2010，3（1）.

[3]Cathenine Wandera.采用光纖激光器切割厚型鋼.工業(yè)激光解決方案，2010，（12）.

The laser robot system for cutting U-beam of truck

YANG Jing，ZHANG Tao，LU Kun

（Jinan Foundry&Metalforming Machinery Research Institute Co.,Ltd.，Jinan 250022，Shandong China）

By use of fiber laser,robot and double stations,the forming process of U-beam of the truck has been introduced.This design is suitable for the flexible manufacture of the side member of truck and passenger car with high productivity and accuracy.

Robot；Laser cutting；U beam；Truck

TG485

B

1672－0121(2011)03－0027－04

2011-01-17

楊 靜（1962-），女，工程師，從事激光切割技術(shù)及設(shè)備的設(shè)計(jì)與研究