基于Cutting Tool的FANUC激光切割系統(tǒng)研制

陳炎欽

上海發(fā)那科機(jī)器人有限公司　上海　201906

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基于Cutting Tool的FANUC激光切割系統(tǒng)研制

陳炎欽

上海發(fā)那科機(jī)器人有限公司上海201906

傳統(tǒng)的激光切割多數(shù)采用五軸CO2激光切割機(jī)，占地面積大，柔性差，設(shè)備采購(gòu)及維護(hù)成本居高不下。為此，設(shè)計(jì)了基于Cutting Tool的FANUC激光切割系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含Cutting Tool技術(shù)、離線編程技術(shù)、圖形生成技術(shù)、工具中心點(diǎn)速度輸出技術(shù)等多種關(guān)鍵技術(shù)，拓展了機(jī)器人激光切割系統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域，為工業(yè)用戶(hù)提供了一種新的技術(shù)解決方案。

激光切割； Cutting Tool； 離線編程； 圖形生成； 工具中心點(diǎn)速度輸出

Velocity Output via Tool Center Point

激光切割作為金屬加工的重要方法，已廣泛應(yīng)用于先進(jìn)制造領(lǐng)域[1]。近年來(lái)，智能化、自動(dòng)化和信息化技術(shù)的快速發(fā)展，促進(jìn)了機(jī)器人技術(shù)和激光技術(shù)的結(jié)合，機(jī)器人激光切割技術(shù)迎來(lái)了重要的發(fā)展機(jī)遇期，是未來(lái)重點(diǎn)發(fā)展的自動(dòng)化技術(shù)之一[2-3]。

目前，機(jī)器人激光切割方式普遍是直接將激光切割頭安裝在六自由度工業(yè)機(jī)器人(以下簡(jiǎn)稱(chēng)“機(jī)器人”)J6軸法蘭盤(pán)上，通過(guò)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)姿態(tài)的變化，實(shí)現(xiàn)工件外圍輪廓和定位孔切割[4]。但是，機(jī)器人本體采用串聯(lián)結(jié)構(gòu)，所使用的減速機(jī)存在齒輪嚙合間隙，無(wú)法實(shí)現(xiàn)小軌跡的高精度切割，滿足不了用戶(hù)對(duì)高精度定位孔的需求，制約了機(jī)器人激光切割系統(tǒng)的應(yīng)用范圍。為此，筆者設(shè)計(jì)了基于Cutting Tool的FANUC激光切割系統(tǒng)，不僅解決了定位孔高精度切割的問(wèn)題，還針對(duì)機(jī)器人激光切割應(yīng)用的一些關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行了研究，為用戶(hù)提供了一種新的技術(shù)解決方案。

1　系統(tǒng)簡(jiǎn)介

1.1系統(tǒng)組成

FANUC激光切割系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包含了機(jī)器人、Cutting Tool、激光器、激光切割頭等，軟件部分包含了離線編程技術(shù)、圖形生成技術(shù)、工具中心點(diǎn)速度輸出技術(shù)等，如圖1所示。

圖1　FANUC激光切割系統(tǒng)的示意圖

1.2系統(tǒng)的工作原理

FANUC激光切割系統(tǒng)集成了多種關(guān)鍵技術(shù)： Cutting Tool技術(shù)彌補(bǔ)了機(jī)器人本體在進(jìn)行小軌跡切割方面的不足，實(shí)現(xiàn)了定位孔的高精度切割；離線編程技術(shù)可以快速生成機(jī)器人的切割程序，大大減少現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試時(shí)間，滿足用戶(hù)對(duì)小批量多品種的加工需求；圖形生成技術(shù)能夠根據(jù)參數(shù)設(shè)定自動(dòng)生成多種常見(jiàn)形狀的定位孔切割程序(如圓形、半圓形、矩形、槽形、鑰匙孔、六邊形等)，對(duì)于其它的非標(biāo)準(zhǔn)圖形也可以進(jìn)行自定義。工具中心點(diǎn)速度輸出技術(shù)能夠?qū)崿F(xiàn)機(jī)器人的切割速度和激光器功率的實(shí)時(shí)匹配，確保切口質(zhì)量的一致性，提高工件的切割質(zhì)量。

2　Cutting Tool技術(shù)

2.1Cutting Tool的簡(jiǎn)介

Cutting Tool是專(zhuān)為機(jī)器人激光切割應(yīng)用而開(kāi)發(fā)的切割工具，采用2個(gè)FANUC伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)一組平面四連桿機(jī)構(gòu)。Cutting Tool可以作為機(jī)器人的外部軸，完全兼容于FANUC機(jī)器人控制系統(tǒng)，進(jìn)而可以使用機(jī)器人示教器完成Cutting Tool的全部設(shè)置和操作。

Cutting Tool的機(jī)械結(jié)構(gòu)不同于機(jī)器人的串聯(lián)結(jié)構(gòu)，不存在齒輪嚙合間隙，加減速時(shí)間極短，可以實(shí)現(xiàn)小軌跡的高速高精度切割。經(jīng)過(guò)實(shí)際切割測(cè)試，Cutting Tool最小能夠進(jìn)行φ1mm的小圓切割，切割范圍最大可以達(dá)到φ25mm，軌跡精度可以控制在±0.1mm以?xún)?nèi)，最快的運(yùn)動(dòng)速度高達(dá)10m/min。

2.2Cutting Tool的機(jī)械結(jié)構(gòu)

Cutting Tool的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。Cutting Tool采用2個(gè)FANUC伺服電機(jī)，分別驅(qū)動(dòng)搖臂1和搖臂2，與搖臂1和搖臂2相連接的連桿1和連桿2交匯處為Cutting Tool的旋轉(zhuǎn)中心——Cutting Tool的安裝法蘭，用于安裝激光切割頭。

圖2　Cutting Tool的機(jī)械結(jié)構(gòu)示意圖

2.3Cutting Tool的軌跡控制

Cutting Tool通過(guò)控制2個(gè)伺服馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度來(lái)實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)軌跡的控制。因此，只有建立Cutting Tool的2個(gè)伺服馬達(dá)旋轉(zhuǎn)角度與Cutting Tool旋轉(zhuǎn)中心位置之間的運(yùn)動(dòng)算法，才能夠?qū)崿F(xiàn)Cutting Tool運(yùn)動(dòng)軌跡的控制。

圖3所示為Cutting Tool的運(yùn)動(dòng)原理圖。J1、J2分別為Cutting Tool的2個(gè)伺服馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)中心，L0為2個(gè)伺服馬達(dá)輸出軸線之間的距離，搖臂1和搖臂2的長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)1、L2，連桿1和連桿2的長(zhǎng)度分別為L(zhǎng)3、L4，搖臂1和連桿1的連接處為活動(dòng)關(guān)節(jié)J3，搖臂2和連桿2的連接處為活動(dòng)關(guān)節(jié)J4，J5為Cutting Tool的旋轉(zhuǎn)中心。因此，Cutting Tool運(yùn)動(dòng)控制的關(guān)鍵是建立J5的運(yùn)動(dòng)軌跡同J1、J2的旋轉(zhuǎn)角度之間的數(shù)學(xué)函數(shù)，具體過(guò)程如下。

圖3　Cutting Tool的運(yùn)動(dòng)原理圖

J5相對(duì)于J1的位置(x，y)滿足如下公式：

x=L1sin θ1+L3sin θ3

(1)

y=-L1cos θ1+L3cos θ3

(2)

因此，當(dāng)L1、L3、θ3為已知值，以及作為搖臂1和搖臂2的旋轉(zhuǎn)角度θ1、θ2的函數(shù)關(guān)系時(shí)，可以通過(guò)Cutting Tool的2個(gè)伺服馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度來(lái)對(duì)J5的運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行控制，此時(shí)，需建立θ3的數(shù)學(xué)函數(shù)θ3=f(L0、L1、L2、L3、L4、θ1、θ2)，其滿足如下公式：

L0+L1cos θ1-L2cos θ2-L3cos θ3

-L4cos θ4=0

(3)

L1sin θ1-L2sin θ2+L3sin θ3

-L4sin θ4=0

(4)

將式(3)、式(4)中與θ4有關(guān)的系數(shù)均移動(dòng)至等號(hào)左邊，得到以下兩公式：

L4cos θ4=L0+L1cosθ1-L2cosθ2

-L3cosθ3

(5)

L4sin θ4=L1sinθ1-L2sinθ2

+L3sinθ3

(6)

在式(5)、式(6)的等號(hào)左邊和右邊，分別平方并相加后，獲得如下公式：

cos θ3(2L1L3cos θ1-2L2L3cos θ2+2L0L3)

+sin θ3(-2L1L3sin θ1+2L2L3sin θ2)=

L02+L12+L22+L32-L42+2L0L1cos θ1

-2L0L2cos θ2-2L1L2cos(θ1-θ2)

(7)

由于式(7)由左邊的cosθ3、sinθ3的系數(shù)(A，B)及等號(hào)右邊的已知值(C)或設(shè)定值所構(gòu)成，因此可得到：

A=(2L1L3cos θ1-2L2L3cos θ2+2L0L3)

B=(-2L1L3sin θ1+2L2L3sin θ2)

令C=右邊，則可以獲得下面公式：

Acos θ3+Bsin θ3=C

(8)

因此，θ3滿足如下的數(shù)學(xué)函數(shù)：

(9)

也就是說(shuō)，只要設(shè)定好Cutting Tool的2個(gè)伺服馬達(dá)的旋轉(zhuǎn)角度，就可以控制J5關(guān)節(jié)的運(yùn)動(dòng)軌跡，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)Cutting Tool運(yùn)動(dòng)軌跡的控制。

3　軟件技術(shù)

3.1離線編程技術(shù)

機(jī)器人編程有在線編程和離線編程兩種方式，目前機(jī)器人編程大多數(shù)都采用在線編程，編程時(shí)間長(zhǎng)，切割效率低。與傳統(tǒng)的在線編程相比，機(jī)器人離線編程可以減少機(jī)器人不工作時(shí)間，也可以使操作者遠(yuǎn)離危險(xiǎn)的工作環(huán)境[5]。

機(jī)器人離線編程是通過(guò)建立與實(shí)際生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)相同的虛擬模型，使用機(jī)器人語(yǔ)言進(jìn)行編程，生成預(yù)加工運(yùn)動(dòng)程序，校正程序后下載到機(jī)器人控制器中，控制真實(shí)的機(jī)器人進(jìn)行運(yùn)動(dòng)[6-7]。筆者采用的是FANUC的ROBOGUIDE離線編程軟件，它能夠?qū)崿F(xiàn)3D模型的導(dǎo)入、機(jī)器人周邊環(huán)境的建立、切割程序的自動(dòng)生成、切割程序的優(yōu)化等功能。離線編程的核心是生成軌跡、生成程序、校正程序，對(duì)應(yīng)這3個(gè)過(guò)程，ROBOGUIDE提供了3個(gè)相對(duì)應(yīng)的功能： CAD to Path、Feature、Calibration。在使用CAD to Path功能時(shí)，可以通過(guò)移動(dòng)鼠標(biāo)拾取切割軌跡上的特征點(diǎn)，快速生成切割軌跡。在使用Feature功能時(shí)，可以在操作界面上設(shè)定機(jī)器人的前進(jìn)角、操作角、點(diǎn)間距、坐標(biāo)系等信息，改善機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)姿態(tài)，優(yōu)化管線的彎曲程度，將生成的切割軌跡自動(dòng)轉(zhuǎn)換成機(jī)器人的切割程序。在使用Calibration功能時(shí)，可以對(duì)工裝、工件等外圍設(shè)備的安裝誤差進(jìn)行補(bǔ)償，使機(jī)器人的切割程序更加適合實(shí)際生產(chǎn)需求。機(jī)器人激光切割的離線編程流程如圖4所示。

圖4　離線編程工作流程

3.2圖形生成技術(shù)

Cutting Tool是新開(kāi)發(fā)的一種高精度切割工具，采用的是平面連桿機(jī)構(gòu)，無(wú)法使用ROBOGUIDE軟件進(jìn)行離線編程。然而，小軌跡切割多數(shù)是定位孔切割，精度要求高。如果采用手動(dòng)示教程序的方法，容易產(chǎn)生軌跡誤差，編程速度也較慢，會(huì)大大影響機(jī)器人激光切割系統(tǒng)的切割效率。為此，開(kāi)發(fā)了圖形生成軟件，極大地簡(jiǎn)化了Cutting Tool的程序示教。圖形生成軟件是基于機(jī)器人控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的，可以在機(jī)器人示教器上完成所有的設(shè)置和操作。

圖形生成軟件集成了多種常見(jiàn)形狀定位孔的套料程序，用戶(hù)可以在軟件主界面進(jìn)入各種定位孔的詳細(xì)設(shè)置畫(huà)面，完成定位孔切割程序所需參數(shù)的設(shè)置后，便能自動(dòng)生成定位孔的切割程序。對(duì)于其它的非標(biāo)準(zhǔn)圖形，操作者也可以在圖形生成軟件中進(jìn)行自定義。圓形切割程序的生成原理圖如圖5所示。

圖5　圓形切割程序生成原理圖

3.3工具中心點(diǎn)速度輸出技術(shù)

機(jī)器人在變換姿態(tài)的時(shí)候需要進(jìn)行加減速，由此使機(jī)器人在三維切割過(guò)程中無(wú)法保持恒定的切割速度，這就需要激光器的功率能夠隨機(jī)器人速度的變化而變化，并成一定的比例關(guān)系，以免出現(xiàn)過(guò)燒現(xiàn)象，影響切割工藝。為此，開(kāi)發(fā)了工具中心點(diǎn)速度輸出軟件TCP SPEED OUTPUT，它可以實(shí)現(xiàn)機(jī)器人切割速度同激光器功率的實(shí)時(shí)匹配。TCP SPEED OUTPUT軟件是基于機(jī)器人控制系統(tǒng)開(kāi)發(fā)的，可以在機(jī)器人示教器上完成所有的設(shè)置和操作。

TCP SPEED OUTPUT軟件能夠根據(jù)預(yù)先設(shè)定的比例關(guān)系，輸出一個(gè)同機(jī)器人切割速度實(shí)時(shí)匹配的模擬量數(shù)值。用戶(hù)只需要將輸出的模擬量信號(hào)連接至激光器的模擬量端口，并把激光器切換成外控模式，便可以輕松實(shí)現(xiàn)激光器功率同機(jī)器人切割速度的實(shí)時(shí)匹配，保證切口質(zhì)量的一致性，提高工件的切割質(zhì)量。機(jī)器人切割速度同模擬量的匹配關(guān)系如圖6所示。

圖6　機(jī)器人切割速度同模擬量的匹配關(guān)系

4　系統(tǒng)驗(yàn)證

為了驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，首先采取了對(duì)比測(cè)試的方法——分別使用FANUC激光切割系統(tǒng)和五軸CO2激光切割機(jī)對(duì)2組汽車(chē)B柱工件進(jìn)行切割測(cè)試。然后，分別從2組工件中隨機(jī)抽取5個(gè)樣件進(jìn)行對(duì)比測(cè)量。圖7所示為B柱工件的示意圖。

圖7　工件示意圖

通過(guò)對(duì)樣件的毛刺進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，集成了工具中心點(diǎn)速度輸出技術(shù)的FANUC激光切割系統(tǒng)，能夠保證機(jī)器人切割速度同激光器功率的實(shí)時(shí)匹配，有利于提高工件的切口質(zhì)量，如圖8所示。

通過(guò)對(duì)樣件的外圍輪廓軌跡精度進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，集成了離線編程技術(shù)的FANUC激光切割系統(tǒng)，能夠獲得同五軸CO2激光切割機(jī)一樣的軌跡精度，如圖9所示。

通過(guò)對(duì)樣件的定位孔圓度進(jìn)行分析，可以發(fā)現(xiàn)，集成了Cutting Tool技術(shù)的FANUC激光切割系統(tǒng)，能夠獲得同五軸CO2激光切割機(jī)一樣的高精度定位孔，如圖10所示。

圖8　毛刺分析對(duì)比圖

圖9　外圍輪廓軌跡精度對(duì)比圖

圖10　定位孔圓度對(duì)比圖

5　結(jié)束語(yǔ)

FANUC激光切割系統(tǒng)集成了多種關(guān)鍵技術(shù)： Cutting Tool技術(shù)解決了定位孔高精度切割的問(wèn)題；離線編程技術(shù)簡(jiǎn)化了機(jī)器人編程，提高了編程效率，減少了機(jī)器人的不工作時(shí)間；圖形生成技術(shù)簡(jiǎn)化了Cutting Tool的程序示教，實(shí)現(xiàn)了Cutting Tool的“傻瓜式”操作；工具中心點(diǎn)速度輸出技術(shù)實(shí)現(xiàn)了激光器功率和切割速度的實(shí)時(shí)匹配，保證了工件切口質(zhì)量的一致性。FANUC激光切割技術(shù)是機(jī)器人激光切割技術(shù)的一次新探索，有助于拓展機(jī)器人激光切割技術(shù)的應(yīng)用范圍，為用戶(hù)提供了一種確實(shí)可靠的機(jī)器人激光切割技術(shù)解決方案。

[1] 廖健宏，蒙紅云，王紅衛(wèi)，等.光纖激光精密切割系統(tǒng)的研制及其應(yīng)用[J].中國(guó)激光，2007,34(1)： 135-138.

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Majority of conventional laser cutting use to adsopt 5-axis CO2laser cutting machine featuring large floor space, poor flexibility and high costs for equipment procurement and maintenance. For this reason, FANUC laser cutting system based on the Cutting Tool is designed. The system comprises several key technologies including Cutting Tool technology, offline programming, image generation technology, velocity output technology via tool center point. This system can expand the application fields of laser cutting robot system and provide the industrial users with a new technical solution.

Laser Cutting； Cutting Tool； Off-line Programming； Image Generation；

2015年10月

陳炎欽(1988—)，男，本科，工程師，主要從事弧焊及機(jī)器人激光切割技術(shù)的研究工作，

E-mail： chenyanqin@shanghai-fanuc.com.cn

TN24

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1674-540X(2016)01-040-05