劉建尚

（安川首鋼機(jī)器人有限公司，北京，100176）

0 引言

當(dāng)下，汽車加工行業(yè)對效率的要求越來越高，激光作為一種高效率的加工方法已經(jīng)得到廣泛應(yīng)用，由光纖激光器和工業(yè)機(jī)器人組合而成的柔性三維加工系統(tǒng)以高性價比和靈活性在汽車行業(yè)中表現(xiàn)尤為突出。

目前，傳統(tǒng)工業(yè)機(jī)器人編程大多是人工示教編程，但是激光切割對機(jī)器人的工作軌跡要求較高，采用人工示教編程不僅浪費(fèi)人力和時間，而且軌跡精度也無法保證。為解決這一問題，機(jī)器人廠家紛紛開發(fā)離線編程仿真軟件，這不僅使編程變得高效，而且具有更高的軌跡精度，為激光切割項目的調(diào)試節(jié)省了時間和人力成本。

本文以橫梁激光切割為例，介紹機(jī)器人激光切割系統(tǒng)的主要構(gòu)成，以及采用離線編程仿真軟件MotoSim EGVRC制作機(jī)器人激光切割離線程序的具體過程和實際應(yīng)用。

1 機(jī)器人激光切割系統(tǒng)

機(jī)器人激光切割系統(tǒng)的主要構(gòu)成如圖1所示。

圖1 機(jī)器人激光切割系統(tǒng)

1.1 機(jī)器人

由于激光切割對機(jī)器人的重復(fù)定位精度和軌跡精度要求較高，故選擇機(jī)器人時要考慮其剛性和響應(yīng)速度，本系統(tǒng)選用產(chǎn)品型號為MOTOMANMC2000II的激光專用機(jī)器人（見圖2）。該款機(jī)器人在本公司同級別機(jī)器人中動作性能最高，在機(jī)器人本體剛性和各軸電機(jī)容量上都做了提升，具有更高的軌跡精度和指令跟蹤性，具體參數(shù)如表1所示。

圖2 MOTOMAN-MC2000II激光專用機(jī)器人

表1 MOTOMAN-MC2000II激光專用機(jī)器人參數(shù)

1.2 激光發(fā)生系統(tǒng)

激光發(fā)生系統(tǒng)采用美國IPG公司的YLS-2000，功率為2000W。

1.3 激光切割頭

選擇激光切割頭時，需要考慮切割時因焦距變化對工件質(zhì)量的影響（如毛刺），本系統(tǒng)選用普雷茨特精密技術(shù)（上海）有限公司推出的SolidCutter切割頭，該切割頭具有反應(yīng)快速的電容感應(yīng)式高度調(diào)整功能（即隨動功能），可以實時檢測切割頭到工件表面的距離并進(jìn)行補(bǔ)償，保證切割質(zhì)量，其補(bǔ)償范圍為±15mm。

1.4 控制系統(tǒng)

控制系統(tǒng)的主要作用是控制設(shè)備之間的通信以及各個設(shè)備的開關(guān)、啟停等，本系統(tǒng)采用可編程邏輯控制器（PLC）進(jìn)行控制，其型號為西門子SIMATIC S7-1200。

1.5 冷卻系統(tǒng)

冷卻系統(tǒng)的作用是為激光切割頭和激光發(fā)生系統(tǒng)降溫，冷水機(jī)型號為三河同飛制冷股份有限公司的TFLW-1000WDR-01-1225。

1.6 供氣系統(tǒng)

激光切割可使用的氣體包括He、Ar、N2和空氣等，根據(jù)切割的材料和其厚度的不同選擇相應(yīng)的氣體。本系統(tǒng)選用壓縮空氣作為輔助氣體。

1.7 激光防護(hù)系統(tǒng)

切割用的激光屬于第Ⅳ類激光，會對人的眼睛造成不可恢復(fù)的傷害，所以需要采用全封閉式的防護(hù)房（見圖3）。

圖3 激光防護(hù)房

2 仿真環(huán)境下的離線編程

2.1 構(gòu)建仿真環(huán)境

將MOTOMAN-MC2000II機(jī)器人、激光切割頭、待加工產(chǎn)品、夾具系統(tǒng)和激光防護(hù)房等的三維模型數(shù)據(jù)導(dǎo)入到MotoSim EG-VRC軟件中，按設(shè)計位置要求裝配各設(shè)備，構(gòu)建良好的仿真環(huán)境，如圖4所示。

圖4 仿真環(huán)境

2.2 獲取加工路徑及注意事項

在MotoSim EG-VRC中有一個CAM功能，該功能不僅可以根據(jù)產(chǎn)品的三維模型輪廓自動生成加工路徑（見圖5），還可以對加工路徑的插補(bǔ)方式、速度、位置精度、重疊量和軌跡精度等參數(shù)進(jìn)行設(shè)置，編程人員利用此功能可以快速獲取加工路徑，避免浪費(fèi)時間，顯著提高編程的效率和質(zhì)量。此外，CAM功能還集成了命令模塊，能將用戶命令添加到命令庫中以備隨時調(diào)用，如激光開關(guān)信號、氣體開關(guān)信號、輸出功率等。當(dāng)切割段數(shù)過多時，用戶需要添加大量的命令，使用此模塊，編程人員可以省去現(xiàn)場追加命令的環(huán)節(jié)，節(jié)省調(diào)試時間。

圖5 加工路徑

獲取加工路徑時需要注意以下幾點：第一，切割頭要盡量垂直于被切割工件表面，并和工件表面保持恒定距離。因為激光焦距的變化可能會導(dǎo)致工件表面出現(xiàn)毛刺等現(xiàn)象，影響工件質(zhì)量。但在實際操作中，三維模型和真實工件往往存在誤差，加工路徑的軌跡和真實工件表面也很難做到一致，這就需要用到上文提到的切割頭隨動功能，該功能可以設(shè)定切割頭到工件表面的距離，通過傳感器實時檢測距離進(jìn)行補(bǔ)償，在機(jī)器人的運(yùn)動軌跡和工件表面出現(xiàn)法向方向的誤差時，可以快速補(bǔ)償，保證切割頭到工件表面距離恒定不變；第二，應(yīng)盡量避免機(jī)器人進(jìn)行大幅度動作，以免機(jī)器人發(fā)生抖動而影響軌跡精度，如果無法避免，可以嘗試通過降低切割速度的方法保證軌跡精度；第三，獲取加工路徑后，編程人員需要檢查機(jī)器人的動作是否平滑，姿態(tài)是否舒適，各個軸是否到達(dá)極限等，如果機(jī)器人沒有達(dá)到要求，編程人員應(yīng)對離線程序進(jìn)行相應(yīng)優(yōu)化。

2.3 獲取機(jī)器人工具坐標(biāo)

由于激光切割頭存在制造誤差和安裝誤差等問題，本文不采用設(shè)計數(shù)據(jù)，而是采用本公司機(jī)器人的五點示教法來獲取工具坐標(biāo)（切割頭焦點坐標(biāo)）。首先，確保獲取的工具坐標(biāo)方向和仿真軟件里的方向保持一致，在得到工具坐標(biāo)后，檢驗工具坐標(biāo)的位置是否誤差過大；然后，找一個特征點，移動切割頭焦點與其重合；最后，繞工具坐標(biāo)進(jìn)行前后左右4個方向的擺動，查看焦點是否依舊和特征點重合，如不重合說明得到的工具坐標(biāo)誤差過大，需要重新校驗。

2.4 校準(zhǔn)現(xiàn)場工裝和仿真環(huán)境工裝的誤差

校準(zhǔn)是制作離線程序的一個重要環(huán)節(jié)，校準(zhǔn)質(zhì)量的好壞直接影響離線程序準(zhǔn)確度的高低，如果誤差過大，則可能導(dǎo)致離線程序無法直接使用。

本文采用現(xiàn)場示教的方法，首先在夾具上找?guī)讉€特征點，如圖6中夾具基板上的8個錐型銷，然后依次移動機(jī)器人的工具尖端點與這8個錐型銷尖端重合，記錄每個點的位置，做成路徑文件；將機(jī)器人的工具坐標(biāo)文件和剛做好的路徑文件一起拷貝并安裝到仿真環(huán)境中的機(jī)器人上；打開安裝的路徑文件，依次移動軟件中的機(jī)器人到8個路徑點位置；以機(jī)器人工具坐標(biāo)的位置為參考，調(diào)整夾具三維模型的8個尖端位置與其重合。

圖6 夾具基板

2.5 仿真運(yùn)行

激光切割設(shè)備一般都比較昂貴，一旦發(fā)生碰撞則會造成很大損失，因此，在應(yīng)用離線程序之前，編程人員應(yīng)先確保程序在運(yùn)行過程中，切割頭和機(jī)器人本體不與工件或其他設(shè)備發(fā)生干涉，防止切割時發(fā)生碰撞毀壞設(shè)備。使用MotoSim EG-VRC的干涉檢查功能，編程人員可以實時監(jiān)測程序運(yùn)行時機(jī)器人和切割頭是否與其他物體發(fā)生干涉，如發(fā)生干涉軟件會給出提示，編程人員可以根據(jù)提示修改有干涉的程序段，提前消除干涉。

光纖作為激光的傳輸介質(zhì)也是重要設(shè)備之一，程序運(yùn)行時需要保證光纖彎曲半徑不超過允許值，一旦超過允許值可能會造成光纖燒毀，嚴(yán)重時可能引起火災(zāi)。所以，編程人員做離線程序時也應(yīng)對光纖進(jìn)行仿真，MotoSim EG-VRC軟件的線纜仿真功能可以模擬線纜的運(yùn)動（如圖7所示），當(dāng)線纜半徑超出允許值或長度不足時線纜會變成紅色，給編程人員作出提示。

圖7 線纜仿真

2.6 確認(rèn)加工軌跡

離線程序做好后，編程人員應(yīng)確認(rèn)加工軌跡是否符合加工工藝的要求精度，避免試切后發(fā)現(xiàn)軌跡精度不夠而返工的問題。MotoSim EG-VRC在運(yùn)行程序的同時可以保留工具尖端點（激光焦點）的運(yùn)行軌跡，方便編程人員在程序運(yùn)行完成后，觀察和測量運(yùn)行軌跡和三維模型的重合度是否符合工藝文件的要求，如果不符合工藝要求，編程人員應(yīng)修改軌跡精度重新生成切割路徑，或者在生產(chǎn)節(jié)拍允許的情況下，嘗試用降低切割速度的方法來保證加工軌跡精度。

3 切割效果驗證

在實際切割之前，編程人員應(yīng)在線檢查一遍各個系統(tǒng)組成部分在程序運(yùn)行時有無干涉或摩擦情況，防止在夾具系統(tǒng)校準(zhǔn)時出現(xiàn)錯誤或誤差過大、三維模型與工件偏差較大等問題造成碰撞，同時也應(yīng)檢查切割頭的運(yùn)行軌跡是否和工件表面重合，確保切割順利進(jìn)行。

首先，將做好的離線程序安裝到現(xiàn)場機(jī)器人上；然后啟動切割頭的隨動功能，使用示教模式將整個程序慢速試運(yùn)行一遍，查看是否有干涉或摩擦情況，運(yùn)行軌跡是否與工件表面重合；若無問題，可以開始運(yùn)行程序試切工件。

將機(jī)器人移動到作業(yè)原點并切換到再現(xiàn)模式，啟動冷水機(jī)、氣源、激光源等周邊設(shè)備，關(guān)閉激光防護(hù)房，最后啟動機(jī)器人進(jìn)行切割。圖8是切割完成后的效果圖，經(jīng)測量，尺寸達(dá)到技術(shù)要求，也無出現(xiàn)毛刺等現(xiàn)象。

圖8 切割效果展示

4 結(jié)語

機(jī)器人離線編程作為一種提高生產(chǎn)效率和質(zhì)量的技術(shù)，不僅可以在系統(tǒng)不停機(jī)的情況下完成程序的編輯工作，而且對于復(fù)雜產(chǎn)品也可以快速、高效地生成離線程序，極大地簡化了編程人員的操作流程，同時使編程人員遠(yuǎn)離嘈雜、危險的現(xiàn)場工作環(huán)境，大大節(jié)省制造時間，為高效、高質(zhì)量的激光加工提供有力保障。

從產(chǎn)品的切割效果來看，使用MotoSim EG-VRC制作出的離線程序能很好地應(yīng)用到激光切割加工中，不僅提高工作效率，又保證產(chǎn)品質(zhì)量，為激光切割項目調(diào)試節(jié)省大量時間和人力成本。但是，機(jī)器人離線編程技術(shù)對整個系統(tǒng)有一定的精度要求，離線程序的質(zhì)量可能會受系統(tǒng)精度的影響，這有可能導(dǎo)致生成的離線程序偏差較大，但只要將影響系統(tǒng)精度的因素控制在合理范圍內(nèi)，離線程序的質(zhì)量就基本不會受到影響。