機(jī)器人小孔激光切割系統(tǒng)設(shè)計(jì) *

夏自祥 崔祥府 張 利

(濟(jì)寧學(xué)院機(jī)械工程系，山東 曲阜 273155)

激光切割技術(shù)可加工任意平面圖形，對(duì)幅面實(shí)現(xiàn)較大的整板切割，無(wú)需開(kāi)模，伴隨激光技術(shù)的發(fā)展國(guó)內(nèi)外專(zhuān)家不斷改進(jìn)和完善金屬切割工藝[1]，提高產(chǎn)品質(zhì)量和生產(chǎn)效率，減少材料消耗，降低加工成本[2]。激光切割技術(shù)因其高精度、高質(zhì)量、高速度及非接觸式切割等優(yōu)點(diǎn)，在制造行業(yè)得到廣泛應(yīng)用[3-4]。

在激光切割技術(shù)中，三維激光切割在制造行業(yè)應(yīng)用較廣泛，主要包括兩種應(yīng)用形式：一是龍門(mén)式激光切割機(jī)床系統(tǒng)，使用高精度五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床，加工精度高、速度快，但激光頭接近加工區(qū)域的能力較差、設(shè)備造價(jià)高；二是關(guān)節(jié)式激光切割機(jī)器人，靈活性高，可以對(duì)不同厚度的金屬板材進(jìn)行多方位多角度的切割，但加工精度和加工速度不及五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床[5]。目前，世界上各大汽車(chē)公司在新車(chē)研制過(guò)程中正在將激光切割技術(shù)逐步取代傳統(tǒng)的沖裁工藝，減少模具數(shù)量，降低研制成本，縮短研制周期[6]。汽車(chē)車(chē)身覆蓋件輪廓曲率大，表面形狀復(fù)雜多變，且有很多凹槽、凸臺(tái)及小孔，軌跡規(guī)劃精細(xì)化和激光切割高精度的要求使激光切割機(jī)器人運(yùn)動(dòng)控制更加復(fù)雜，特別是小孔的加工效率及精度往往達(dá)不到要求[7]。原因是機(jī)器人各個(gè)軸關(guān)節(jié)運(yùn)動(dòng)控制速度較慢，機(jī)器人手臂重量過(guò)大不適合高速運(yùn)動(dòng)。另外機(jī)器人的剛性差，剛性差的機(jī)器人會(huì)抖動(dòng)變形，致使其循跡性差[8]。車(chē)身覆蓋件的激光切割，要求精確定位，以保證切割精度[9]。因此，迫切需要研究開(kāi)發(fā)低成本、高精度、高速度的激光切割系統(tǒng)來(lái)解決大曲率復(fù)雜表面工件小孔加工問(wèn)題。

為提高機(jī)器人激光切割小孔的精度和速度，本文設(shè)計(jì)并開(kāi)發(fā)機(jī)器人激光切割系統(tǒng)，利用工業(yè)機(jī)器人搭載高精度運(yùn)動(dòng)控制器和十字滑臺(tái)，進(jìn)行大曲率復(fù)雜表面工件小孔的切割。

1 系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人激光切割系統(tǒng)包括KUKA KR16機(jī)器人、BT240激光頭、MFSC-800L光纖激光器、XH961激光冷水機(jī)、激光切割控制柜、高精度十字滑臺(tái)等，如圖1所示。

在機(jī)器人激光切割系統(tǒng)中，由機(jī)器人、機(jī)器人控制柜組成機(jī)器人系統(tǒng)，機(jī)器人帶動(dòng)末端執(zhí)行器的運(yùn)動(dòng)只是用來(lái)定位；本系統(tǒng)采用的KUKA KR16機(jī)器人定位精度可達(dá)0.05 mm。激光頭、激光發(fā)生器、水箱組成激光系統(tǒng)。激光頭、十字滑臺(tái)、伺服電機(jī)、運(yùn)動(dòng)控制器組成了數(shù)控切割系統(tǒng)，用來(lái)完成小孔的切割運(yùn)動(dòng)。通過(guò)EtherCAT模塊實(shí)現(xiàn)機(jī)器人與電氣控制系統(tǒng)中運(yùn)動(dòng)控制器的I/O通信。由兩個(gè)重復(fù)定位精度可達(dá)±0.003 mm的線(xiàn)性模組組成的十字滑臺(tái)運(yùn)動(dòng)是由高精度、高速度的運(yùn)動(dòng)控制器控制，因此相比于工業(yè)機(jī)器人本體完成的小孔切割，本系統(tǒng)的小孔切割運(yùn)動(dòng)具有速度快、精度高的特點(diǎn)，其不僅能完成小孔切割，還具備普通機(jī)器人激光切割工作站的各種加工功能，能夠減少工件加工過(guò)程中裝夾次數(shù)，提高了生產(chǎn)效率。

2 數(shù)控切割系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

常見(jiàn)的數(shù)控切割系統(tǒng)硬件方案如表1所示[10]。目前，市場(chǎng)上的高精度的數(shù)控切割系統(tǒng)都是非開(kāi)放式的，不能與機(jī)器人進(jìn)行通信，在對(duì)比了以上方案后最終選用了第3種由PC機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制器控制的數(shù)控切割系統(tǒng)。

表1 常見(jiàn)的數(shù)控切割系統(tǒng)硬件方案

數(shù)控切割系統(tǒng)硬件部分由運(yùn)動(dòng)控制器、伺服電機(jī)、十字滑臺(tái)、顯示屏等組成，如圖2所示。

數(shù)控切割系統(tǒng)的硬件核心模塊是運(yùn)動(dòng)控制器，對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器的要求是能夠與機(jī)器人進(jìn)行通信，具有直線(xiàn)插補(bǔ)及圓弧插補(bǔ)基本功能。因此本系統(tǒng)選擇了具有直線(xiàn)插補(bǔ)、圓弧插補(bǔ)等功能，I/O接口豐富，高速度、高精度、性能穩(wěn)定的雷賽SMC6480運(yùn)動(dòng)控制器。SMC6480提供了10/100M網(wǎng)絡(luò)接口用于與上位機(jī)通信，RS232用于連接顯示屏，交互界面采用組態(tài)王軟件開(kāi)發(fā)，如圖3所示。

十字滑臺(tái)的X、Y軸均選擇型號(hào)為T(mén)KK6010P -150-A1-F0-B的線(xiàn)性模組，其滾珠絲杠重復(fù)定位精度可達(dá)±0.003 mm，最大速度300 mm/s。伺服電機(jī)及驅(qū)動(dòng)器選擇松下的MHMJ022G1U +MADKT 1507E。

3 數(shù)控切割系統(tǒng)軟件及通信模塊

3.1 軟件模塊

編程軟件Motion6480裝于上位機(jī)上，通過(guò)網(wǎng)絡(luò)接口實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)控制器與上位機(jī)通信，完成小孔切割程序編制。不同的加工圖形可以提前編好程序并編號(hào)，作為子程序1、子程序2等，在機(jī)器人編程時(shí)可以直接調(diào)用這些子程序。Motion6480軟件可以對(duì)運(yùn)動(dòng)控制器進(jìn)行參數(shù)設(shè)置、程序的編輯及上傳，采用G代碼編程，編程方便快捷，編程界面如圖4所示。對(duì)于加工一些復(fù)雜的圖形，可以利用數(shù)控自動(dòng)編程軟件轉(zhuǎn)成G代碼后導(dǎo)入Motion6480軟件，再上傳到運(yùn)動(dòng)控制器。

切割系統(tǒng)設(shè)置的參數(shù)包括：每個(gè)軸的加速度、減速度、插補(bǔ)加速度、插補(bǔ)減速度、軟件限位等關(guān)鍵參數(shù)，如圖5所示。

3.2 通信模塊

機(jī)器人常用的現(xiàn)場(chǎng)總線(xiàn)型通信方式有：Device Net、EtherCAT、Profinet、Profibus等。KUKA機(jī)器人為每位用戶(hù)免費(fèi)提供了一個(gè)EtherCAT模塊，因此本系統(tǒng)使用運(yùn)動(dòng)控制器上的I/O與機(jī)器人控制柜內(nèi)的Ethercat模塊上的I/O連接，通過(guò)KUKA機(jī)器人軟件workvisual進(jìn)行配置。工業(yè)機(jī)器人給運(yùn)動(dòng)控制器發(fā)送程序啟動(dòng)信號(hào)，運(yùn)動(dòng)控制器執(zhí)行切割程序。

運(yùn)動(dòng)控制器執(zhí)行程序完畢給機(jī)器人發(fā)送一個(gè)完成信號(hào)，機(jī)器人執(zhí)行下一個(gè)動(dòng)作。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

通過(guò)對(duì)薄板工件進(jìn)行切割加工來(lái)驗(yàn)證設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)的機(jī)器人小孔激光切割系統(tǒng)。

4.1 實(shí)驗(yàn)操作步驟

步驟1：在上位機(jī)，用運(yùn)動(dòng)控制器調(diào)試編程軟件Motion6480進(jìn)行參數(shù)設(shè)置和小孔切割編程。

步驟2：編程結(jié)束檢查確認(rèn)后，不開(kāi)激光試運(yùn)行切割系統(tǒng)。若出現(xiàn)錯(cuò)誤返回步驟1，若無(wú)誤執(zhí)行步驟3。

步驟3：接通末端執(zhí)行器裝置電源，正式運(yùn)行切割系統(tǒng)。

步驟4：機(jī)器人將末端執(zhí)行器移動(dòng)到待加工位置，機(jī)器人通過(guò)I/O給向運(yùn)動(dòng)控制器一個(gè)發(fā)送到位信號(hào)，運(yùn)動(dòng)控制器內(nèi)的部程序開(kāi)始執(zhí)行，十字滑臺(tái)執(zhí)行小孔切割動(dòng)作。

步驟5：切割動(dòng)作完成后，運(yùn)動(dòng)控制器通過(guò)I/O給向機(jī)器人發(fā)送一個(gè)動(dòng)作完成信號(hào)。

步驟6：判斷是否已完成全部切割任務(wù)。若未完成全部任務(wù)，則重復(fù)步驟4；若已完成全部任務(wù)，則末端執(zhí)行器返回程序設(shè)置點(diǎn)，到位后程序結(jié)束。

4.2 實(shí)驗(yàn)方案

設(shè)置切割速度為18 mm/min，切割直徑為0.5 mm的小孔，厚度為1 mm薄板的工件，加工400個(gè)，如圖6所示。采用VMS4030型2.5D光學(xué)影像測(cè)量?jī)x隨機(jī)選取其中的100個(gè)進(jìn)行測(cè)量孔徑。測(cè)量數(shù)據(jù)如表2所示，表中數(shù)據(jù)為實(shí)測(cè)尺寸與基本尺寸之差。

表2 測(cè)量數(shù)據(jù)

4.3 加工誤差分析

樣本容量為100，分組數(shù)K取9，級(jí)差R=Xmax-Xmin=16 μm，組距d=R/K-1=2 μm，組界為Xmin+(J-1)d±d/2 (J=1,2，3，…，9)，經(jīng)過(guò)統(tǒng)計(jì)和計(jì)算得到頻數(shù)分布表見(jiàn)表3。進(jìn)而畫(huà)出直方圖如圖7所示，可以看出，各矩形中點(diǎn)連線(xiàn)近似正態(tài)分布，說(shuō)明不存在變值系統(tǒng)誤差。標(biāo)準(zhǔn)差S反應(yīng)加工尺寸的分散程度，由隨機(jī)誤差決定，表明系統(tǒng)能達(dá)到的加工精度，當(dāng)誤差分布符合正態(tài)分布時(shí)，通常按分布范圍6S確定加工精度。因此本系統(tǒng)加工精度為 0.03 mm。

表3 頻數(shù)分布表

5 結(jié)語(yǔ)

高精度激光小孔切割機(jī)器人主要應(yīng)用于精密切割工藝，利用十字滑臺(tái)的聯(lián)動(dòng)作用實(shí)現(xiàn)小孔切割，與機(jī)器人配合，在機(jī)器人工作空間內(nèi)實(shí)現(xiàn)小孔多位置的切割。不僅實(shí)現(xiàn)了切割的多樣性，也完成了切割小孔的工藝需求。本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人激光切割系統(tǒng)，與直接使用工業(yè)機(jī)器人進(jìn)行激光切割相比，速度快、精度高；與使用五軸聯(lián)動(dòng)機(jī)床加工相比降低了生產(chǎn)成本，對(duì)工業(yè)機(jī)器人和激光切割技術(shù)在汽車(chē)制造及其他領(lǐng)域中的應(yīng)用研究有重要參考價(jià)值。