機器人小孔激光切割系統設計 *

夏自祥 崔祥府 張 利

(濟寧學院機械工程系，山東 曲阜 273155)

激光切割技術可加工任意平面圖形，對幅面實現較大的整板切割，無需開模，伴隨激光技術的發展國內外專家不斷改進和完善金屬切割工藝[1]，提高產品質量和生產效率，減少材料消耗，降低加工成本[2]。激光切割技術因其高精度、高質量、高速度及非接觸式切割等優點，在制造行業得到廣泛應用[3-4]。

在激光切割技術中，三維激光切割在制造行業應用較廣泛，主要包括兩種應用形式：一是龍門式激光切割機床系統，使用高精度五軸聯動機床，加工精度高、速度快，但激光頭接近加工區域的能力較差、設備造價高；二是關節式激光切割機器人，靈活性高，可以對不同厚度的金屬板材進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動機床[5]。目前，世界上各大汽車公司在新車研制過程中正在將激光切割技術逐步取代傳統的沖裁工藝，減少模具數量，降低研制成本，縮短研制周期[6]。汽車車身覆蓋件輪廓曲率大，表面形狀復雜多變，且有很多凹槽、凸臺及小孔，軌跡規劃精細化和激光切割高精度的要求使激光切割機器人運動控制更加復雜，特別是小孔的加工效率及精度往往達不到要求[7]。原因是機器人各個軸關節運動控制速度較慢，機器人手臂重量過大不適合高速運動。另外機器人的剛性差，剛性差的機器人會抖動變形，致使其循跡性差[8]。車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，迫切需要研究開發低成本、高精度、高速度的激光切割系統來解決大曲率復雜表面工件小孔加工問題。

為提高機器人激光切割小孔的精度和速度，本文設計并開發機器人激光切割系統，利用工業機器人搭載高精度運動控制器和十字滑臺，進行大曲率復雜表面工件小孔的切割。

1 系統總體設計

本文設計的機器人激光切割系統包括KUKA KR16機器人、BT240激光頭、MFSC-800L光纖激光器、XH961激光冷水機、激光切割控制柜、高精度十字滑臺等，如圖1所示。

在機器人激光切割系統中，由機器人、機器人控制柜組成機器人系統，機器人帶動末端執行器的運動只是用來定位；本系統采用的KUKA KR16機器人定位精度可達0.05 mm。激光頭、激光發生器、水箱組成激光系統。激光頭、十字滑臺、伺服電機、運動控制器組成了數控切割系統，用來完成小孔的切割運動。通過EtherCAT模塊實現機器人與電氣控制系統中運動控制器的I/O通信。由兩個重復定位精度可達±0.003 mm的線性模組組成的十字滑臺運動是由高精度、高速度的運動控制器控制，因此相比于工業機器人本體完成的小孔切割，本系統的小孔切割運動具有速度快、精度高的特點，其不僅能完成小孔切割，還具備普通機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程中裝夾次數，提高了生產效率。

2 數控切割系統硬件設計

常見的數控切割系統硬件方案如表1所示[10]。目前，市場上的高精度的數控切割系統都是非開放式的，不能與機器人進行通信，在對比了以上方案后最終選用了第3種由PC機和運動控制器控制的數控切割系統。

表1 常見的數控切割系統硬件方案

數控切割系統硬件部分由運動控制器、伺服電機、十字滑臺、顯示屏等組成，如圖2所示。

數控切割系統的硬件核心模塊是運動控制器，對運動控制器的要求是能夠與機器人進行通信，具有直線插補及圓弧插補基本功能。因此本系統選擇了具有直線插補、圓弧插補等功能，I/O接口豐富，高速度、高精度、性能穩定的雷賽SMC6480運動控制器。SMC6480提供了10/100M網絡接口用于與上位機通信，RS232用于連接顯示屏，交互界面采用組態王軟件開發，如圖3所示。

十字滑臺的X、Y軸均選擇型號為TKK6010P -150-A1-F0-B的線性模組，其滾珠絲杠重復定位精度可達±0.003 mm，最大速度300 mm/s。伺服電機及驅動器選擇松下的MHMJ022G1U +MADKT 1507E。

3 數控切割系統軟件及通信模塊

3.1 軟件模塊

編程軟件Motion6480裝于上位機上，通過網絡接口實現運動控制器與上位機通信，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，作為子程序1、子程序2等，在機器人編程時可以直接調用這些子程序。Motion6480軟件可以對運動控制器進行參數設置、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。對于加工一些復雜的圖形，可以利用數控自動編程軟件轉成G代碼后導入Motion6480軟件，再上傳到運動控制器。

切割系統設置的參數包括：每個軸的加速度、減速度、插補加速度、插補減速度、軟件限位等關鍵參數，如圖5所示。

3.2 通信模塊

機器人常用的現場總線型通信方式有：Device Net、EtherCAT、Profinet、Profibus等。KUKA機器人為每位用戶免費提供了一個EtherCAT模塊，因此本系統使用運動控制器上的I/O與機器人控制柜內的Ethercat模塊上的I/O連接，通過KUKA機器人軟件workvisual進行配置。工業機器人給運動控制器發送程序啟動信號，運動控制器執行切割程序。

運動控制器執行程序完畢給機器人發送一個完成信號，機器人執行下一個動作。

4 實驗驗證

通過對薄板工件進行切割加工來驗證設計開發的機器人小孔激光切割系統。

4.1 實驗操作步驟

步驟1：在上位機，用運動控制器調試編程軟件Motion6480進行參數設置和小孔切割編程。

步驟2：編程結束檢查確認后，不開激光試運行切割系統。若出現錯誤返回步驟1，若無誤執行步驟3。

步驟3：接通末端執行器裝置電源，正式運行切割系統。

步驟4：機器人將末端執行器移動到待加工位置，機器人通過I/O給向運動控制器一個發送到位信號，運動控制器內的部程序開始執行，十字滑臺執行小孔切割動作。

步驟5：切割動作完成后，運動控制器通過I/O給向機器人發送一個動作完成信號。

步驟6：判斷是否已完成全部切割任務。若未完成全部任務，則重復步驟4；若已完成全部任務，則末端執行器返回程序設置點，到位后程序結束。

4.2 實驗方案

設置切割速度為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，如圖6所示。采用VMS4030型2.5D光學影像測量儀隨機選取其中的100個進行測量孔徑。測量數據如表2所示，表中數據為實測尺寸與基本尺寸之差。

表2 測量數據

4.3 加工誤差分析

樣本容量為100，分組數K取9，級差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)，經過統計和計算得到頻數分布表見表3。進而畫出直方圖如圖7所示，可以看出，各矩形中點連線近似正態分布，說明不存在變值系統誤差。標準差S反應加工尺寸的分散程度，由隨機誤差決定，表明系統能達到的加工精度，當誤差分布符合正態分布時，通常按分布范圍6S確定加工精度。因此本系統加工精度為 0.03 mm。

表3 頻數分布表

5 結語

高精度激光小孔切割機器人主要應用于精密切割工藝，利用十字滑臺的聯動作用實現小孔切割，與機器人配合，在機器人工作空間內實現小孔多位置的切割。不僅實現了切割的多樣性，也完成了切割小孔的工藝需求。本文設計的機器人激光切割系統，與直接使用工業機器人進行激光切割相比，速度快、精度高；與使用五軸聯動機床加工相比降低了生產成本，對工業機器人和激光切割技術在汽車制造及其他領域中的應用研究有重要參考價值。