激光加工平臺(tái)多自由度機(jī)械手的研究

【摘要】本文通過(guò)對(duì)激光加工平臺(tái)多自由度機(jī)械手的研究，現(xiàn)代的激光加工平臺(tái)多自由度機(jī)械設(shè)備產(chǎn)品正朝著高效率、智能化、模塊化、集成化等方向不斷發(fā)展，許多包裝產(chǎn)品可以根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)、不同的功能進(jìn)行不同的組態(tài)，可移植性能不斷提高。浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料系機(jī)電一體化（光機(jī)電方向）正在研發(fā)激光加工平臺(tái)的相關(guān)設(shè)備，但現(xiàn)在應(yīng)用教學(xué)的實(shí)訓(xùn)設(shè)備還沒(méi)有，而且市場(chǎng)上的教儀公司也沒(méi)有在研發(fā)相關(guān)的產(chǎn)品。所以根據(jù)浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料實(shí)際需求，本項(xiàng)目研發(fā)一套激光加工平臺(tái)多自由度機(jī)械人設(shè)備應(yīng)用于現(xiàn)在的光機(jī)電專(zhuān)業(yè)的學(xué)生教學(xué)與研究。

【關(guān)鍵詞】激光；機(jī)械手；加工機(jī)械

隨著激光器技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，激光加工機(jī)器人技術(shù)發(fā)展迅速，形成激光標(biāo)刻、激光切割、激光焊接、激光表面處理、激光快速成型、激光微納制造等種類(lèi)繁多的激光加工應(yīng)用技術(shù)，成為先進(jìn)制造領(lǐng)域最為活躍的技術(shù)分支之一。本課題即是在激光加工平臺(tái)多自由度機(jī)械人裝置中進(jìn)行實(shí)訓(xùn)流程再造，通過(guò)現(xiàn)代化的管理手段對(duì)實(shí)訓(xùn)學(xué)生、實(shí)訓(xùn)成績(jī)、實(shí)訓(xùn)設(shè)備、實(shí)訓(xùn)師資、實(shí)訓(xùn)時(shí)間等進(jìn)行有效的、現(xiàn)代化的機(jī)電控制管理。

溫州光機(jī)電產(chǎn)業(yè)集群的建立，溫州光機(jī)電企業(yè)如雨后春筍一般飛速發(fā)展，產(chǎn)品多樣化產(chǎn)業(yè)鏈也在不斷的擴(kuò)張。浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院為服務(wù)地方經(jīng)濟(jì)為目標(biāo)，了解企業(yè)生產(chǎn)需求解決企業(yè)實(shí)際產(chǎn)品的研發(fā)與改進(jìn)。經(jīng)過(guò)調(diào)研溫州各大光機(jī)電企業(yè)發(fā)先激光加工平臺(tái)對(duì)多自由度機(jī)械人的需求很高，尤其是對(duì)使用多功能激光加工平臺(tái)度機(jī)械設(shè)備人才更是緊缺。當(dāng)前中國(guó)的用工形式很難，溫州的企業(yè)用工更是嚴(yán)峻現(xiàn)在的工人工資高、技術(shù)含量低、生產(chǎn)產(chǎn)品次品率高等實(shí)際問(wèn)題。溫州的企業(yè)迫切需求自動(dòng)化程度高的效率高的生產(chǎn)平臺(tái)來(lái)取代以前的人工操作的模式，適應(yīng)現(xiàn)在社會(huì)的發(fā)展需求。

激光加工平臺(tái)多自由度機(jī)械手是集激光加工技術(shù)、數(shù)控技術(shù)、電子機(jī)器人技術(shù)于一身的新型加工技術(shù)。激光加工是利用高強(qiáng)度的激光束，經(jīng)光學(xué)系統(tǒng)聚焦，并將加工工件置于激光束焦點(diǎn)附近，通過(guò)激光束與加工工件的相對(duì)運(yùn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)加工工件的熱加工。而普通的激光加工往往只能對(duì)一個(gè)普通平面進(jìn)行加工，而且激光的行跡比較單一，無(wú)法滿足生產(chǎn)需求。而現(xiàn)今的數(shù)控加工已經(jīng)可以對(duì)一些復(fù)雜曲面，廣泛使用三維立體精密加工工藝。但是數(shù)控加工的效率和精度有限。建立激光加工平臺(tái)可以將兩者有機(jī)結(jié)合，使其即具有激光加工特性，又有數(shù)控加工的特性，達(dá)到日常的生產(chǎn)和生活要求。本項(xiàng)目研究目的是將激光器裝在多自由度的機(jī)械手上，并通過(guò)計(jì)算機(jī)程序進(jìn)行整體的控制，對(duì)一些復(fù)雜的平面進(jìn)行柔性加工，滿足工業(yè)生產(chǎn)需求。

激光加工技術(shù)融匯了激光技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)、計(jì)算機(jī)集成控制技術(shù)、CAD＼CAM、材料學(xué)及材料加工工程等多學(xué)科領(lǐng)域前沿技術(shù)成果，它以高能量激光束為加工工具，以多自由度工業(yè)機(jī)器人柔性運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)激光束運(yùn)動(dòng)傳輸，使聚焦激光束在工件表面按系統(tǒng)預(yù)先編程設(shè)計(jì)的2D或3D加工軌跡精確運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)點(diǎn)、線、面多種方式激光加工。激光加工機(jī)器人系統(tǒng)由激光器系統(tǒng)、機(jī)器人運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)、導(dǎo)光系統(tǒng)和、控制系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)五部分組成。激光器輸出高能量激光束通過(guò)安裝在機(jī)器人運(yùn)動(dòng)關(guān)節(jié)關(guān)節(jié)臂上的導(dǎo)光系統(tǒng)反射鏡組空間反射鏡飛行組傳輸光路或光纖傳輸光路聚焦到加工工件表面進(jìn)行加工，加工過(guò)程中聚焦激光束在工件表面的運(yùn)動(dòng)是激光束的移動(dòng)定位由通過(guò)控制機(jī)器人關(guān)節(jié)柔性運(yùn)動(dòng)來(lái)完成機(jī)構(gòu)控制。輔助系統(tǒng)完成加工過(guò)程的吹氣、送粉、狀態(tài)監(jiān)測(cè)以及換工件等協(xié)同工作。

激光加工系統(tǒng)的核心技術(shù)包括三個(gè)部分：激光器、激光加工系統(tǒng)集成以及激光加工工藝。2005年全球激光材料加工系統(tǒng)銷(xiāo)售額達(dá)到48億歐元，其中17億歐元為集成在系統(tǒng)中的激光器銷(xiāo)售額，系統(tǒng)集成的價(jià)值則高達(dá)31億歐元。激光器中CO2激光器和固體激光器、YAG、光纖激光器和盤(pán)形激光器總銷(xiāo)售額的40%，準(zhǔn)分子激光器和二極管激光器、二極管激光器模塊）平分剩下的20%銷(xiāo)售額。而據(jù)《激光世界》報(bào)道，2008年全球用于材料加工的激光器總體市場(chǎng)份額為24億歐元，其中CO2激光器和固體激光器占據(jù)約72%的市場(chǎng)份額，光纖激光器占據(jù)了大約7%的市場(chǎng)份額。國(guó)際上激光先進(jìn)制造技術(shù)快速的發(fā)展和應(yīng)用推廣反映出其重要的研究?jī)r(jià)值和在高技術(shù)領(lǐng)域的戰(zhàn)略意義，中國(guó)政府在“國(guó)家中長(zhǎng)期科學(xué)和技術(shù)發(fā)展規(guī)劃綱要”中將激光技術(shù)列為代表世界高技術(shù)前沿的發(fā)展方向的前沿技術(shù)，高檔數(shù)控機(jī)床與基礎(chǔ)制造技術(shù)則被列為十六個(gè)重大專(zhuān)項(xiàng)之一。加強(qiáng)先進(jìn)激光器技術(shù)為代表基礎(chǔ)研究和激光加工機(jī)器人技術(shù)為代表系統(tǒng)集成應(yīng)用研究，對(duì)我國(guó)從制造大國(guó)向制造強(qiáng)國(guó)的轉(zhuǎn)變具有重要意義。隨著激光加工技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)的發(fā)展，激光加工機(jī)器人將會(huì)朝著一下幾個(gè)方向發(fā)展：

1.高精度、提高加工精度，滿足工業(yè)生產(chǎn)需求。

2.發(fā)展更廣的加工材料范圍，能夠?qū)Ω喾N類(lèi)的材料進(jìn)行加工。

3.融合數(shù)控加工技術(shù)，使激光加工技術(shù)更加成熟。能進(jìn)行更高難度的柔性加工，加工更為復(fù)雜的的平面或者立體面。

目前，我國(guó)關(guān)于激光加工平臺(tái)多自由度機(jī)械設(shè)備產(chǎn)品正朝著高效率、智能化、模塊化、集成化等方向不斷發(fā)展，許多包裝產(chǎn)品可以根據(jù)產(chǎn)品特點(diǎn)、不同的功能進(jìn)行不同的組態(tài)，可移植性能不斷提高。浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料系機(jī)電一體化（光機(jī)電方向）正在研發(fā)激光加工平臺(tái)的相關(guān)設(shè)備，但現(xiàn)在應(yīng)用教學(xué)的實(shí)訓(xùn)設(shè)備還沒(méi)有，而且市場(chǎng)上的教義公司也沒(méi)有在研發(fā)相關(guān)的產(chǎn)品。所以根據(jù)浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料實(shí)際需求，本項(xiàng)目研發(fā)一套激光加工平臺(tái)多自由度機(jī)械人設(shè)備應(yīng)用于現(xiàn)在的光機(jī)電專(zhuān)業(yè)的學(xué)生教學(xué)與研究。

圖1 激光加工機(jī)械手的控制器設(shè)計(jì)流程圖

激光加工機(jī)械手的設(shè)計(jì)要通過(guò)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真及分析來(lái)實(shí)現(xiàn)。激光加工機(jī)械手控制器通過(guò)此模塊能夠設(shè)置機(jī)械手各關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)約束和運(yùn)動(dòng)參數(shù)，能夠直觀地觀察機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)狀況，為機(jī)械手的實(shí)際應(yīng)用提供依據(jù)。使用Pro/ENGINEER強(qiáng)大的測(cè)量和分析功能，研究機(jī)械手的各項(xiàng)性能指標(biāo)，測(cè)量機(jī)械手各關(guān)節(jié)和末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)學(xué)的參數(shù)變化情況。激光加工機(jī)械手的控制器設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。

機(jī)械手直線驅(qū)動(dòng)方式采用電動(dòng)控制方式。電動(dòng)控制方式的特點(diǎn)為輔助設(shè)備使用少、伺服電機(jī)動(dòng)作迅速、適用于連續(xù)軌跡控制方式的特點(diǎn)。依據(jù)加工作業(yè)工藝要求可知加工過(guò)程中直接移動(dòng)，整個(gè)機(jī)械手主要的受力包括機(jī)械手本身的重力、運(yùn)行時(shí)的動(dòng)載荷、輔助設(shè)備連接的管線的彎折力等。同時(shí)加工作業(yè)需要精確的連續(xù)的手臂位姿控制，所以本項(xiàng)目選用電動(dòng)驅(qū)動(dòng)作為機(jī)械手的關(guān)節(jié)動(dòng)力。電機(jī)一般輸出的是旋轉(zhuǎn)和轉(zhuǎn)矩，而移動(dòng)關(guān)節(jié)的驅(qū)動(dòng)需要把電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為直線運(yùn)動(dòng)，為了使機(jī)械手小型化，便于維護(hù)。機(jī)械手三個(gè)相互垂直的移動(dòng)軸選用直線導(dǎo)軌和直線滑塊作為滑動(dòng)支撐和導(dǎo)向，其中直線滑塊能夠承載四個(gè)方向的轉(zhuǎn)矩，如圖2所示。因此能夠保證四個(gè)移動(dòng)軸的空間布局。四個(gè)移動(dòng)軸通過(guò)步進(jìn)電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠來(lái)提供推力，同等載荷時(shí)滾珠絲杠驅(qū)動(dòng)力矩約為滑動(dòng)絲杠副驅(qū)動(dòng)力矩的1/3，使機(jī)械手具有高精度、高速度、高效率的特點(diǎn)。

圖2 關(guān)節(jié)坐標(biāo)多自由度示意圖

圖3 系統(tǒng)總體方案示意圖

本項(xiàng)目是為了更好的使用現(xiàn)有的激光加工平臺(tái)滿足激光加工毛坯工序和工藝的要求，激光加工使用機(jī)械手的設(shè)計(jì)除了符合工業(yè)機(jī)械手的基本原則外，還要符合自動(dòng)機(jī)器手整體結(jié)構(gòu)要求。激光加工機(jī)械手采用模塊化設(shè)計(jì)，四臺(tái)伺服電機(jī)之間快速串聯(lián)，多臺(tái)自動(dòng)噴涂機(jī)器手臂之間可以根據(jù)需要串聯(lián)配套的設(shè)備快速組成不同的活動(dòng)生產(chǎn)線，機(jī)械手控制采用運(yùn)動(dòng)控制卡實(shí)現(xiàn)：適應(yīng)多種工藝的需求；激光加工機(jī)械手各個(gè)零部件的連接盡量采用自定位結(jié)構(gòu)，減少裝配和調(diào)試難度，提高定位精度；安全防護(hù)方面，除操作工位預(yù)留取放產(chǎn)品通道外，其它部位采用全封閉結(jié)構(gòu)，通過(guò)機(jī)器頂端抽風(fēng)裝置保持噴涂倉(cāng)為負(fù)壓，減少有害氣體從取放產(chǎn)品通道逸出。過(guò)激光器和多自由度機(jī)械手合理配合實(shí)現(xiàn)對(duì)工件的高精度柔性加工，該裝置的性能的實(shí)現(xiàn)借助激光器多自由度的機(jī)械手工作。最后設(shè)計(jì)激光加工機(jī)械手的方案圖如圖3所示。

總結(jié)：本文針對(duì)激光加工機(jī)械手的相關(guān)技術(shù)進(jìn)行了深入的研究，依托浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院材料研發(fā)中心和電子工程系的技術(shù)支持，采用低成本、高速的激光器加以改造浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院的現(xiàn)有的數(shù)控加工平臺(tái)研發(fā)多自由度機(jī)械手，通過(guò)實(shí)際運(yùn)行試驗(yàn)，性能良好。本文研究了機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)分析了目前加工車(chē)床上采用伺服電機(jī)裝卸機(jī)械手存在的冗余，指出了利用機(jī)械手代替伺服電機(jī)機(jī)械手存在的技術(shù)難題，并考慮了解決的技術(shù)方案。最后設(shè)計(jì)了激光加工機(jī)械手的總體結(jié)構(gòu)。采用了模塊化的設(shè)計(jì)方法，把整個(gè)激光加工機(jī)械手分為四個(gè)模塊，即橫臂模塊、直臂模塊、腕部模塊和手部模塊，分析了各個(gè)模塊的組成及功能，設(shè)計(jì)了各個(gè)模塊的結(jié)構(gòu)及其相互的聯(lián)接方式，并對(duì)模塊中的進(jìn)行了承載分析，保證氣缸工作在允許的負(fù)載范圍內(nèi)。激光加工平臺(tái)多自由度機(jī)械手系統(tǒng)中采用了閥島的先進(jìn)技術(shù)，提高了激光加工平臺(tái)多自由度機(jī)械手系統(tǒng)的整體性能。

參考文獻(xiàn)

[1]周鴻杰.高速工業(yè)機(jī)械手定位控制研究[D].中國(guó)科技大學(xué)碩士論文，2010：4-6.

[2]林勇強(qiáng)，王勇，馮屹朝.開(kāi)放式運(yùn)動(dòng)控制器技術(shù)現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢(shì)[J].信息技術(shù)，2010（5）：184-186.

[3]工業(yè)機(jī)械手編寫(xiě)設(shè)計(jì)基礎(chǔ)編寫(xiě)組.工業(yè)機(jī)械手設(shè)計(jì)基礎(chǔ)[M].天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，1979：49-51.

[4]何平，金明河.機(jī)器人多指靈巧手基關(guān)節(jié)力矩/位置控制系統(tǒng)的研究[J].機(jī)器人，2002（24）：314-318.