激光加工平臺多自由度機械手的研究

【摘要】本文通過對激光加工平臺多自由度機械手的研究，現代的激光加工平臺多自由度機械設備產品正朝著高效率、智能化、模塊化、集成化等方向不斷發展，許多包裝產品可以根據產品特點、不同的功能進行不同的組態，可移植性能不斷提高。浙江工貿職業技術學院材料系機電一體化（光機電方向）正在研發激光加工平臺的相關設備，但現在應用教學的實訓設備還沒有，而且市場上的教儀公司也沒有在研發相關的產品。所以根據浙江工貿職業技術學院材料實際需求，本項目研發一套激光加工平臺多自由度機械人設備應用于現在的光機電專業的學生教學與研究。

【關鍵詞】激光；機械手；加工機械

隨著激光器技術和機器人技術的不斷發展，激光加工機器人技術發展迅速，形成激光標刻、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繁多的激光加工應用技術，成為先進制造領域最為活躍的技術分支之一。本課題即是在激光加工平臺多自由度機械人裝置中進行實訓流程再造，通過現代化的管理手段對實訓學生、實訓成績、實訓設備、實訓師資、實訓時間等進行有效的、現代化的機電控制管理。

溫州光機電產業集群的建立，溫州光機電企業如雨后春筍一般飛速發展，產品多樣化產業鏈也在不斷的擴張。浙江工貿職業技術學院為服務地方經濟為目標，了解企業生產需求解決企業實際產品的研發與改進。經過調研溫州各大光機電企業發先激光加工平臺對多自由度機械人的需求很高，尤其是對使用多功能激光加工平臺度機械設備人才更是緊缺。當前中國的用工形式很難，溫州的企業用工更是嚴峻現在的工人工資高、技術含量低、生產產品次品率高等實際問題。溫州的企業迫切需求自動化程度高的效率高的生產平臺來取代以前的人工操作的模式，適應現在社會的發展需求。

激光加工平臺多自由度機械手是集激光加工技術、數控技術、電子機器人技術于一身的新型加工技術。激光加工是利用高強度的激光束，經光學系統聚焦，并將加工工件置于激光束焦點附近，通過激光束與加工工件的相對運動來實現對加工工件的熱加工。而普通的激光加工往往只能對一個普通平面進行加工，而且激光的行跡比較單一，無法滿足生產需求。而現今的數控加工已經可以對一些復雜曲面，廣泛使用三維立體精密加工工藝。但是數控加工的效率和精度有限。建立激光加工平臺可以將兩者有機結合，使其即具有激光加工特性，又有數控加工的特性，達到日常的生產和生活要求。本項目研究目的是將激光器裝在多自由度的機械手上，并通過計算機程序進行整體的控制，對一些復雜的平面進行柔性加工，滿足工業生產需求。

激光加工技術融匯了激光技術、機器人技術、計算機集成控制技術、CAD＼CAM、材料學及材料加工工程等多學科領域前沿技術成果，它以高能量激光束為加工工具，以多自由度工業機器人柔性運動機構實現激光束運動傳輸，使聚焦激光束在工件表面按系統預先編程設計的2D或3D加工軌跡精確運動，實現點、線、面多種方式激光加工。激光加工機器人系統由激光器系統、機器人運動機構、導光系統和、控制系統和輔助系統五部分組成。激光器輸出高能量激光束通過安裝在機器人運動關節關節臂上的導光系統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行加工，加工過程中聚焦激光束在工件表面的運動是激光束的移動定位由通過控制機器人關節柔性運動來完成機構控制。輔助系統完成加工過程的吹氣、送粉、狀態監測以及換工件等協同工作。

激光加工系統的核心技術包括三個部分：激光器、激光加工系統集成以及激光加工工藝。2005年全球激光材料加工系統銷售額達到48億歐元，其中17億歐元為集成在系統中的激光器銷售額，系統集成的價值則高達31億歐元。激光器中CO2激光器和固體激光器、YAG、光纖激光器和盤形激光器總銷售額的40%，準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%銷售額。而據《激光世界》報道，2008年全球用于材料加工的激光器總體市場份額為24億歐元，其中CO2激光器和固體激光器占據約72%的市場份額，光纖激光器占據了大約7%的市場份額。國際上激光先進制造技術快速的發展和應用推廣反映出其重要的研究價值和在高技術領域的戰略意義，中國政府在“國家中長期科學和技術發展規劃綱要”中將激光技術列為代表世界高技術前沿的發展方向的前沿技術，高檔數控機床與基礎制造技術則被列為十六個重大專項之一。加強先進激光器技術為代表基礎研究和激光加工機器人技術為代表系統集成應用研究，對我國從制造大國向制造強國的轉變具有重要意義。隨著激光加工技術和機器人技術的發展，激光加工機器人將會朝著一下幾個方向發展：

1.高精度、提高加工精度，滿足工業生產需求。

2.發展更廣的加工材料范圍，能夠對更多種類的材料進行加工。

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

目前，我國關于激光加工平臺多自由度機械設備產品正朝著高效率、智能化、模塊化、集成化等方向不斷發展，許多包裝產品可以根據產品特點、不同的功能進行不同的組態，可移植性能不斷提高。浙江工貿職業技術學院材料系機電一體化（光機電方向）正在研發激光加工平臺的相關設備，但現在應用教學的實訓設備還沒有，而且市場上的教義公司也沒有在研發相關的產品。所以根據浙江工貿職業技術學院材料實際需求，本項目研發一套激光加工平臺多自由度機械人設備應用于現在的光機電專業的學生教學與研究。

圖1 激光加工機械手的控制器設計流程圖

激光加工機械手的設計要通過機構的運動學和動力學仿真及分析來實現。激光加工機械手控制器通過此模塊能夠設置機械手各關節的運動約束和運動參數，能夠直觀地觀察機械手的運動狀況，為機械手的實際應用提供依據。使用Pro/ENGINEER強大的測量和分析功能，研究機械手的各項性能指標，測量機械手各關節和末端執行器的運動學的參數變化情況。激光加工機械手的控制器設計流程圖如圖1所示。

機械手直線驅動方式采用電動控制方式。電動控制方式的特點為輔助設備使用少、伺服電機動作迅速、適用于連續軌跡控制方式的特點。依據加工作業工藝要求可知加工過程中直接移動，整個機械手主要的受力包括機械手本身的重力、運行時的動載荷、輔助設備連接的管線的彎折力等。同時加工作業需要精確的連續的手臂位姿控制，所以本項目選用電動驅動作為機械手的關節動力。電機一般輸出的是旋轉和轉矩，而移動關節的驅動需要把電機的旋轉運動轉換為直線運動，為了使機械手小型化，便于維護。機械手三個相互垂直的移動軸選用直線導軌和直線滑塊作為滑動支撐和導向，其中直線滑塊能夠承載四個方向的轉矩，如圖2所示。因此能夠保證四個移動軸的空間布局。四個移動軸通過步進電機帶動滾珠絲杠來提供推力，同等載荷時滾珠絲杠驅動力矩約為滑動絲杠副驅動力矩的1/3，使機械手具有高精度、高速度、高效率的特點。

圖2 關節坐標多自由度示意圖

圖3 系統總體方案示意圖

本項目是為了更好的使用現有的激光加工平臺滿足激光加工毛坯工序和工藝的要求，激光加工使用機械手的設計除了符合工業機械手的基本原則外，還要符合自動機器手整體結構要求。激光加工機械手采用模塊化設計，四臺伺服電機之間快速串聯，多臺自動噴涂機器手臂之間可以根據需要串聯配套的設備快速組成不同的活動生產線，機械手控制采用運動控制卡實現：適應多種工藝的需求；激光加工機械手各個零部件的連接盡量采用自定位結構，減少裝配和調試難度，提高定位精度；安全防護方面，除操作工位預留取放產品通道外，其它部位采用全封閉結構，通過機器頂端抽風裝置保持噴涂倉為負壓，減少有害氣體從取放產品通道逸出。過激光器和多自由度機械手合理配合實現對工件的高精度柔性加工，該裝置的性能的實現借助激光器多自由度的機械手工作。最后設計激光加工機械手的方案圖如圖3所示。

總結：本文針對激光加工機械手的相關技術進行了深入的研究，依托浙江工貿職業技術學院材料研發中心和電子工程系的技術支持，采用低成本、高速的激光器加以改造浙江工貿職業技術學院的現有的數控加工平臺研發多自由度機械手，通過實際運行試驗，性能良好。本文研究了機械手的總體結構分析了目前加工車床上采用伺服電機裝卸機械手存在的冗余，指出了利用機械手代替伺服電機機械手存在的技術難題，并考慮了解決的技術方案。最后設計了激光加工機械手的總體結構。采用了模塊化的設計方法，把整個激光加工機械手分為四個模塊，即橫臂模塊、直臂模塊、腕部模塊和手部模塊，分析了各個模塊的組成及功能，設計了各個模塊的結構及其相互的聯接方式，并對模塊中的進行了承載分析，保證氣缸工作在允許的負載范圍內。激光加工平臺多自由度機械手系統中采用了閥島的先進技術，提高了激光加工平臺多自由度機械手系統的整體性能。

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