一種用于汽車U型梁切割的激光機器人系統

楊 靜，張 濤，路 坤

（濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東濟南 250022）

一種用于汽車U型梁切割的激光機器人系統

楊 靜，張 濤，路 坤

（濟南鑄造鍛壓機械研究所有限公司，山東濟南 250022）

介紹了采用光纖激光器、機器人、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、自動化激光切割。

機械制造；機器人；激光切割；U形縱梁；汽車

1 前言

汽車U形縱梁具有硬度高、形狀復雜和重量輕的特點，使得該結構的應用越來越廣泛。對于加工制造來說，最大的困難就是從各側分別切割，過去是用先沖孔再折彎的方式，因為成形前是平板，因此，用傳統的沖床很容易完成，但對于成形件，沖床則不易加工。采用激光機器人切割系統和光纖傳導系統，可以輕松解決這個問題。

激光器與工業機器人結合，構成激光加工機器人。這種機器人體積小，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器人手中的聚焦部件上，它的手臂可到達待加工零件的各個位置，從多種角度進行激光切割。機器人系統處于三面沖下道工序，上料輥道將縱梁送入切割區域，縱梁定位夾緊、機器人切割，切割完畢后由下料輥道將縱梁傳輸到下道工序。

2 激光機器人系統

激光發生器由機器人或控制單元控制，被放置在激光安全防護罩外，為了節省占地面積，有時將其放在高處。光纖傳導適用于快速切割，一般用10m～30m長的光纖將激光能量傳送到工件表面。用金屬加固的光纖導管非常堅韌耐用，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。下面就系統的各項組成一一介紹。

2.1 三維激光切割頭

激光切割頭連接在機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，將光束聚焦到工件表面。在切割汽車U形縱梁的激光系統中，由于機器人系統進行的是三維切割，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入，同時盡量避免碰撞，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。移動聚焦透鏡和噴嘴與工件表面保持1mm的距離，浮動范圍為25mm。系統用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，是一種帶有線性驅動單元的系統。主要技術參數見表1。

圖1 三維YK52切割頭

表1 切割頭主要技術參數

特性：集成非接觸式專利距離傳感器；超細設計；最輕的重量；垂直和水平透鏡調整不會引起TCP變化；測量點?。话l生碰撞、電纜破損或超出測量面積公差時產生出錯信號；依靠切割氣體對透鏡進行空氣冷卻；可以對傳感器嵌件進行空氣冷卻（僅對120mm和150mm焦距）；磁安全連接器（可選）。

YK52切割系統是Precitec在激光切割領域多年經驗的結晶。帶有高度調節的距離傳感器，即使切割復雜的工件，也能夠保證在高速切割情況下穩定地高質量切割。透鏡是防塵密封的，整個光學路徑也是完全密封的，這是延長光學部件使用壽命的關鍵。

YK52三維切割已廣泛應用于很多知名汽車制造業、汽車部件制造業以及各種加工車間。該切割系統的應用，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器人臂長等因素的限制，而切割速度由激光功率和縫寬來決定。由于激光切割速度并不是加工周期的唯一因素，機器人系統還必須花大量時間在不同的加工位置間移動，即“空程時間”。這不僅可以產生更快的穿刺，在進行垂直于表面的切割時，還可以產生更快、更穩定的切割；對于半徑小的圓進行切割，可以保證邊緣切割的質量更好；對于反射性材料進行切割，可使速度更快，如鋁和鍍鋅板。

如果按“兩個工位、最大切割板厚為8mm、加工范圍1500mm×3800mm的三維切割”作為方案設計依據，建議選用3000W的IPG光纖激光器（圖2），然后采用分光裝置“5-5”分成兩個光路，對兩個工位的工件同時切割，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，分別傳輸到兩個工位。型號：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光纖激光器的優點：使用成本低，光纖激光器替代了不穩定或高維修成本的傳統激光器；光纖激光的柔性導光系統，非常容易與機器人或多維工作臺集成；光纖激光器體積小，重量輕，工作位置可移動；光纖激光器可以達到前所未有的大功率（至五萬瓦級）；一器多機，即一個激光器通過光纖分光成多路多臺工作；在工業應用上比傳統激光器表現更優越。它有適用于金屬加工的最佳波長和最佳的光束質量，而且光纖激光器在每米切割上的費用最低；免維護，使用壽命長；由于其極高的穩定性，大大降低了運行中對激光質量監控的要求；具有簡單明了的控制接口，能夠很方便地通過機器人進行控制。

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，而后期維護方面光纖激光幾乎沒有維護費用，這就為廠家節約了大量的生產成本。

價格方面，光纖激光器的價格已經接近CO2激光器，將來部分代替CO2激光器的市場地位已成定局。更值得關注的是，由于光纖激光器的應用柔性更大，它可以在三維立體切割、焊接方面發揮更大的作用，一臺光纖激光器和一個機器手就可以代替幾臺冷加工機床。光纖激光器的主要技術參數見表2。

表2 光纖激光器主要技術參數

圖4為采用2000W光纖激光器，Focal length:10inch、Stainless steel up to 15mm，對不同板厚以不同速度進行激光切割的碳鋼板樣件。

圖4 切割樣件

2.3 機器人的選擇

在機器人技術日臻成熟的今天，提高生產效率和保證產品質量早已是機器人份內之事。舉例來說，ABB機器人的重復定位精度水平非常高，重復定位的上下誤差僅為±0.05mm，這就能夠保證產品質量的一致性，幾乎可以把工廠的廢品率減少到零。

在中國，ABB機器人廣泛應用于上海通用、上海大眾、廣州本田、東風標致、吉利汽車、長城汽車等多個國內領先汽車制造商的生產線上，為中國汽車工業的發展貢獻力量。

2.3.1 機器人本體

IRB2400/16工業機器人，承重能力16kg～20kg，到達距離1.55m。機器人運動的精度、光滑度和重復性決定了切割精度。機器人點對點的重復定位精度決定了實際加工點的位置，大約為±0.05mm。

IRB2400機器人主要應用于弧焊、切割作業，是ABB全球應用最廣的機器人，具有速度快、精度高、功率大的特點。與市場上同級別機器人相比，它能幫助用戶提高25%以上的工作效率。同時，該產品堅固耐用，防塵、防水性能達到IP67級標準，可適應多種惡劣工況。

2.3.2 機器人控制器

IRC5 SC能夠通過MultiMove這一新功能控制多達四臺完全協調運行的機器人，而且還具有創新意義的模塊化設計，將各種功能進行了邏輯分割，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、實現了維護工作量的最小化、具有高可靠性（平均無故障工作時間達80，000h）以及采用創新設計的新型開放式系統、便攜式界面裝置示教器。采用ABB獨有的運動控制技術，優化了機器人的加減速性能，使機器人工作循環時間降至最短。

2.3.3 機器人行走軌跡精確成形及手腕運動摩擦力補償軟件

機器人運動的精度、光滑度和重復性決定了切割精度。IRB 2400機器人有多種不同版本備選，擁有極高的作業精度，在物料搬運、機械管理和過程應用等方面均有出色表現。IRB 2400機器人可提高生產效率、縮短生產提前期、加快交貨速度。

2.4 水冷機

MCWL-150DTR-03水冷機，對于光纖激光器來說，由于它的水路為兩進兩出，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03代表此水冷機是專門用于光纖激光器的，帶有離子交換樹脂，價格比同等規格的CO2要高。

圖5 IRB2400/16工業機器人

2.5 柔性加工單元

動作原理：LCFMC上料單元為獨立、高效的機電一體化裝置，主要為激光切割系統配套，實現自動上料功能。整套裝置由上料工作臺，吸盤上料裝置兩部分組成，吸盤上料裝置自上料工作臺上吸取板料，其分層吸盤吸附板的短邊，通過擺動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動；水平進退由變頻減速電機及同步帶驅動，直線導軌導向，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，完成上述的分層動作后，氣缸帶動吸盤及板料升起，然后水平移動至切割主機的升降交換臺上，待升降氣缸落下后吸盤松開，吸盤放料時有吹氣動作，加速真空的釋放，完成上料動作。完成后，吸盤上料裝置退回原位吸取下一張板料。

上料單元技術參數：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×寬×高）=7m×4m×2.5m。

該裝置一般為獨立運行，利用獨立的操作站進行上料工作，不與切割機進行電氣連接，每次手動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的電氣模塊作為上料單元的控制元件，并通過總線與系統進行通訊。這樣即可實現連續上料工作，上料單元的故障報警也可以通知主機的控制系統，確保動作安全、無誤。但是需要客戶提供切割機的相關資料（隨機的機械、電氣說明書、原理圖等），以確定是否可以利用主機的電器模塊，以及后續的開發設計工作。

功能特點：板料成垛出入，節約上料時間及人力；能自動檢測板垛的高度；配有板材自動分層功能；自動監控完善，保證設備安全；配有自動、手動操作，切換方便，操作方式靈活。

3 結束語

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

隨著我國汽車工業的發展，汽車生產企業迫切需要掌握及運用該技術，以實現載重汽車縱梁的多品種、小批量的成形柔性化生產。同時可節省載重車改型時專用大型壓彎成形模具的全部投入，降低生產成本，提高產品的市場競爭力。為此，本研究項目解決了現存的技術與工藝難題，填補了國內空白，為提高我國汽車工業的工藝裝備水平作出了貢獻。

[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.航空航天工業中的先進激光技術.現代制造，2010，3（1）.

[3]Cathenine Wandera.采用光纖激光器切割厚型鋼.工業激光解決方案，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，從事激光切割技術及設備的設計與研究