汽車保險杠激光打孔機的研制

朱永平，鄔 坤

（1湖北省機電研究設(shè)計院股份公司，湖北 武漢430068；2湖北工業(yè)大學(xué)機電研究設(shè)計院，湖北 武漢430068）

汽車保險杠一次性成型后，需要對保險杠進行打孔，以適應(yīng)不同車型、不同零部件的安裝要求。其中包括加工汽車前后保險杠的雷達安裝孔、大燈清洗孔、牌照安裝孔、組裝用走線孔等。目前傳統(tǒng)的汽車保險杠打孔方式主要有兩種:沖頭沖壓和刀具銑削。這兩種工藝都存在與工件直接接觸、沖頭或刀具的磨損、孔外形粗糙有毛刺等問題。本文提出的激光打孔機設(shè)備，激光通過熱切割以非接觸的形式加工聚丙烯（PP）材料的保險杠，打孔精度高，效率高，外形光滑無毛刺，同時也能夠加工各種復(fù)雜孔型。

1 激光打孔機原理

1.1 激光打孔機工作機制

汽車保險杠的聚丙烯材質(zhì)能夠在無外力作用時，加熱至150℃不變形，具有優(yōu)良的耐熱性，所以激光打孔在保險杠的孔型加工上是可行的。激光加工過程中將光束聚焦于一點，通過改變光路傳導(dǎo)路線，使最終的聚光點隨之運動出目標孔型。激光光路的最終聚光點集中大量熱能，照射在保險杠表面時就立即熔化蒸發(fā)掉該處材料，這是一種快速且高能量的加工方式。

激光打孔機設(shè)備中，由工業(yè)機械手搭載整體激光加工系統(tǒng)，程序控制機械手的空間位移，從而帶動激光加工系統(tǒng)在保險杠不同的打孔處進行定位。在激光加工系統(tǒng)中，激光從發(fā)生器射出，經(jīng)由4個45°角光學(xué)反射鏡組合反射，通過凸透鏡聚焦出最終光斑于加工平面起點處，激光加工光斑隨后遵循相應(yīng)孔型軌跡運動加工出符合要求的孔。

激光打孔機動作流程如圖1所示，其中旋轉(zhuǎn)工作臺主要用于雙向?qū)ΨQ裝夾汽車保險杠工件。裝夾工件完成后，進入機械手定位與激光打孔循環(huán)工序，直至工件打孔加工完畢。

圖1 激光打孔動作流程圖

1.2 飛行光路的構(gòu)建

傳統(tǒng)光路為定長定向的光路，因其光源、透光及反光器材和最終聚光器材均保持固定不動，故滿足不了激光加工系統(tǒng)對光路的運動性要求。為了實現(xiàn)光路運動走出各種復(fù)雜孔型軌跡，將激光光路構(gòu)建成飛行光路，即光源固定不動，通過相對有條件改變光路中部分透光、反光器材和最終聚光器材的機構(gòu)形式，從而實現(xiàn)光路有規(guī)律運動。

采用兩組可控制的定向移動副機構(gòu)搭載導(dǎo)光路構(gòu)件。第一組移動副搭載Y軸導(dǎo)光路構(gòu)件，實現(xiàn)光路在Y軸上的延伸與縮進動作；第二組移動副搭載X軸導(dǎo)光路構(gòu)件，實現(xiàn)光路在X軸上的延伸與縮進動作。

在運動傳輸光路時，光路中光線需要嚴格對齊，暢通無阻。設(shè)計第一級光路運動為Y軸運動，X軸光路運動為次級光路運動。X軸光路整體固定于Y軸光路運動單元上，始終跟隨Y軸光路進行Y軸方向上的位移動作，同時X軸光路作為次級光路，它的光路運動不影響第一級光路 ——Y軸光路的傳輸。

最后，在X軸光路的運動單元上搭載最終聚光出光器材，聚焦飛行光路中的運動光束，形成最終可利用的激光加工光斑。

2 激光打孔機

2.1 基本結(jié)構(gòu)

激光打孔機設(shè)備主要由設(shè)備底座及框架、旋轉(zhuǎn)工作臺機構(gòu)、機械手、激光加工系統(tǒng)、安全防護及凈化機構(gòu)和設(shè)備自動化控制系統(tǒng)組成［1］。

如圖2中所示，設(shè)計設(shè)備尺寸為5m×5m×4 m（長×寬×高），以保證足夠的加工空間，使激光加工系統(tǒng)中的機構(gòu)能夠在工作過程中安全無碰撞地移動。考慮到底座尺寸、加工限制和設(shè)備運輸安裝限制等因素，底座設(shè)計為4部分螺栓連接而成的，共使用26個調(diào)節(jié)地腳調(diào)平。使用80mm×80mm×6 mm（長×寬×厚度）方管焊接成底座框架結(jié)構(gòu)，保證足夠的剛性，上面焊接16mm厚鋼板，并加工出部件安裝時需要的安裝基面。設(shè)備外部框架也采用80mm×80mm×6mm方管加工出立柱以及橫梁，通過螺栓連接與底座拼接構(gòu)成一個加工室的輪廓框架。加工室的四周和屋頂安置涂有防火涂層的防輻射有機玻璃，隔離出安全封閉的加工室環(huán)境，同時可以隨時觀察到加工室內(nèi)的工作情況。

圖2 激光打孔機基本機構(gòu)簡圖

2.2 旋轉(zhuǎn)工作臺機構(gòu)

旋轉(zhuǎn)工作臺安裝在鋼平臺基板上，整體落坐在底座上并螺栓固定。工作臺采取對稱設(shè)計，兩端設(shè)計有定位銷和快夾裝置，可快速定位安裝保險杠胎具。保險杠工件通過胎具上的仿形底模嵌套定位和真空吸盤固定的方式裝夾在旋轉(zhuǎn)工作臺上兩端。旋轉(zhuǎn)工作臺中間安裝有鑲嵌著防輻射有機玻璃的升降安全門，用以隔開工作臺的加工端區(qū)間和裝夾端區(qū)間。

旋轉(zhuǎn)工作臺通過交流伺服電機控制，實現(xiàn)工作臺的正負方向的180°旋轉(zhuǎn)動作，使待加工工件旋轉(zhuǎn)進入到加工區(qū)域和已加工工件移動到安全的裝卸區(qū)域。工作臺安裝旋轉(zhuǎn)到位檢測裝置和氣動定位銷裝置，以實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)工作臺的精確定位與固定。

旋轉(zhuǎn)工作臺的設(shè)計節(jié)省了由于裝夾帶來的設(shè)備加工等待時間，加工室里激光加工保險杠的同時，可以讓操作員在安全區(qū)域內(nèi)裝夾新的工件。

2.3 機械手與激光發(fā)生器的選擇

機械手采用日本FANUC公司的工業(yè)機器人產(chǎn)品:額定負荷，165kg；重復(fù)精度，±0.2mm。引入的工業(yè)機器人為六軸聯(lián)動的類型，由驅(qū)動器軟件驅(qū)動，5個電機、1個氣缸、6組旋轉(zhuǎn)副實現(xiàn)多軸運動。

激光發(fā)生器采用美國新銳Synrad公司的產(chǎn)品。這是一款CO2射頻激光器，功率為400W。該型激光器結(jié)構(gòu)緊湊，技術(shù)成熟穩(wěn)定，性價比優(yōu)越。可以通過調(diào)整輸出脈沖占空比精確控制輸出功率（100～400W之間任意設(shè)定）。

2.4 激光加工系統(tǒng)的設(shè)計

考慮到激光加工系統(tǒng)設(shè)計的靈活性，將激光發(fā)生器固定安裝在工業(yè)機器人的J6轉(zhuǎn)動軸的安裝盤上，激光導(dǎo)光路構(gòu)件和激光切割頭設(shè)計安裝在激光發(fā)生器的可利用安裝孔處，這樣可以充分利用機器人最后關(guān)節(jié)的機動性，有利于切割保險杠不同位置的孔，適應(yīng)了保險杠的多樣性。考慮到激光加工光路設(shè)定為飛行光路，故選用日本艾衛(wèi)艾（IAI）的X軸和Y軸電缸分別作為飛行光路中的X軸和Y軸直線伺服導(dǎo)軌。

整體激光導(dǎo)光路機構(gòu)如圖3所示。采用4個均為可1°內(nèi)微角度調(diào)整的精密光學(xué)反射鏡，并引入了示教紅光器、激光切割頭和氣動防撞模塊。示教紅光器固定于光路中，用于發(fā)射出可見紅光與激光光路耦合，可以在不打開激光的情況下，進行安全示教、校核加工位置的工作。激光切割頭安裝在激光導(dǎo)光路的最后位置，對光路光束最后聚光，聚焦形成激光加工光斑切割工件加工。氣動防撞模塊是一種小型氣缸，用于連接激光切割頭。對氣動防撞模塊持續(xù)通入0.25MPa的壓縮空氣，氣動防撞模塊會保持固定的正常姿態(tài)，而在模塊的活塞端連接的切割頭發(fā)生碰撞受力，防撞模塊會自適應(yīng)的減壓緩沖碰撞，并反饋中斷信號。

圖3 激光導(dǎo)光路機構(gòu)圖

整個激光加工導(dǎo)光路共分為四段光路。光路順序是:激光發(fā)生器—反射鏡1—反射鏡2—示教紅光器—反射鏡3—反射鏡4—激光切割頭。

第一段光路是出光口光路。將激光發(fā)生器出光口的激光光束通過反射鏡1導(dǎo)出進入反射鏡2范圍內(nèi)。反射鏡1固定安裝在激光器出光口處。反光鏡2與示教紅光器連接，并整體固定安裝在激光器的連接板上。出光口光路相對于激光器固定不動。

第二段光路是Y軸可移動光路。由相對固定于激光器上的反射鏡2反射至反射鏡3范圍內(nèi)。反射鏡3安裝在Y軸電缸滑動平臺的滑塊上的過渡連接板上，與滑塊固定于一體，而Y軸電缸滑動平臺基體固定于與激光器連接的連接板上。此處結(jié)構(gòu)設(shè)計保證了Y軸電缸基體與激光器保持相對位置不變，而坐落于該Y軸電缸滑塊上的反射鏡3可以在Y軸方向上產(chǎn)生相對位移。

第三段光路是X軸可移動光路。由Y軸電缸滑塊上的反射鏡3反射至X軸電缸滑動平臺滑塊上的反射鏡4范圍內(nèi)。X軸電缸基體固定安裝于Y軸電缸滑動平臺的滑塊上的過渡連接板上，與反射鏡3是相對固定靜止的。此處結(jié)構(gòu)設(shè)計保證了反射鏡4可以在X軸方向相對于反射鏡3產(chǎn)生位移。

第四段光路是切割頭聚光光路。由反射鏡4直接反射到激光切割頭范圍內(nèi)，通過激光切割頭內(nèi)部聚焦鏡聚焦出激光加工光斑，由切割頭噴嘴處發(fā)射出來。激光切割頭的入光端面直接通過連接板與反射鏡4反射端面固定連接。這樣的設(shè)計使整體切割頭聚光光路相對于X軸電缸的滑塊靜止不動，但隨著X軸電缸的滑塊同步X軸方向運動。

這套激光加工系統(tǒng)實現(xiàn)了激光加工光斑的二維運動，具有打孔靈活和適應(yīng)各異孔型的特點。

3 電氣控制系統(tǒng)

電氣控制系統(tǒng)主要包含4個部分:機械人控制系統(tǒng)、X/Y二軸電缸控制系統(tǒng)、激光器控制系統(tǒng)和PLC控制系統(tǒng)。PLC控制系統(tǒng)主要包含三菱公司的Q系列PLC等低壓電器和操作面板。操作面板上安裝觸摸屏、啟動按鈕、急停按鈕、電源指示燈、三色報警指示燈等。在觸摸屏上可以完成如下操作:車型選擇、參數(shù)設(shè)置、計數(shù)器、自動/手動選擇、系統(tǒng)復(fù)位等（圖5）。

圖4 系統(tǒng)控制方框圖

4 激光打孔機工作性能分析

激光打孔機系統(tǒng)的主要加工參數(shù)有:激光功率、XY軸方向聯(lián)合進給速度、噴嘴吹氣的氣源種類和氣壓、切割頭的加工高度位置等［2］。其中激光切割頭的噴嘴吹氣氣源可以采用三級過濾的干燥壓縮空氣或者純凈的氮氣。而激光切割中焦點光斑切割的能量最大，效果最佳，通過調(diào)節(jié)切割頭聚焦旋鈕改變內(nèi)部聚焦鏡位置，使激光切割頭聚焦焦點位于噴嘴頂端軸線外側(cè)3mm處位置，保證了安全合適的加工高度。

針對其他的系統(tǒng)加工參數(shù)，設(shè)置自對照實驗。將各個參數(shù)設(shè)定為相對變量，通過逐一改變變量參數(shù)值，進行多組實驗，觀察實驗現(xiàn)象，單一變量互相對照，從而最終總結(jié)出這最佳高速加工參數(shù)組:進給速度v＝50mm/s，激光器輸出功率比率為50%（即激光器輸出功率為200W），0.3MPa氣壓的干燥潔凈壓縮空氣輔助吹氣。

對東風股份有限公司提供的汽車保險杠工件進行調(diào)試后的精確打孔加工，打孔精度為±0.3mm，均滿足該公司的規(guī)定技術(shù)要求。

［1］ 湖北省機電研究設(shè)計院.一種汽車保險杠自動打孔機:中國102744607A［P］.2012-10-24.

［2］ 葉 暢，季進軍，劉利宏.激光切割系統(tǒng)性能對切割質(zhì)量的影響研究［J］.制造技術(shù)與機床，2012，10:37-39.