1 引言
隨著汽車(chē)業(yè)、軍工及重工等行業(yè)的飛速發(fā)展，這些行業(yè)中的三維鈑金零部件和特殊型材的切割加工呈現(xiàn)小批量化、多樣化、高精度化的趨勢(shì)。工業(yè)機(jī)器人和光纖激光所組成的機(jī)器人激光切割系統(tǒng)一方面具有工業(yè)機(jī)器人的特點(diǎn)，能夠自由、靈活的實(shí)現(xiàn)各種復(fù)雜三維曲線加工軌跡，另一方面采用柔韌性好、能夠遠(yuǎn)距離傳輸激光光纖作為傳輸介質(zhì)，不會(huì)對(duì)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑產(chǎn)生限制作用。相對(duì)于傳統(tǒng)的加工方法，機(jī)器人激光切割系統(tǒng)在滿(mǎn)足精確性要求的同時(shí)，能很好地提高整個(gè)激光切割系統(tǒng)的柔性，占用更少的空間，具有更高的經(jīng)濟(jì)性和競(jìng)爭(zhēng)力。
2 ABB機(jī)器人相關(guān)技術(shù)
與點(diǎn)焊、搬運(yùn)等運(yùn)動(dòng)控制所不同的是，激光切割是基于連續(xù)工藝狀態(tài)下的運(yùn)動(dòng)控制，除了要求機(jī)器人具有較高的運(yùn)動(dòng)點(diǎn)的精度和重復(fù)定位精度外，還對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)的軌跡即機(jī)器人的直線和圓弧軌跡插補(bǔ)的精度提出了很高的要求。激光切割中的倒角切割和小圓切割的精度和穩(wěn)定性能夠很好的衡量機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制能力。ABB利用自身強(qiáng)大的研發(fā)實(shí)力開(kāi)發(fā)了一系列的高端技術(shù)，來(lái)滿(mǎn)足市場(chǎng)的需求。所開(kāi)發(fā)的True Move和Quick Move技術(shù)能夠很好地解決高速情況下倒角切割的精度問(wèn)題，Advanced Shape Tuning和Wrist Move技術(shù)則能夠很好地解決小圓切割的精度問(wèn)題。同時(shí)，結(jié)合ABB的離線編程仿真軟件Robot Studio和良好的人機(jī)交互接口Flexpendant及人機(jī)界面，使得整個(gè)激光切割系統(tǒng)在滿(mǎn)足客戶(hù)技術(shù)要求的前提下，容易操作及管理。
2.1 True Move和Quick Move技術(shù)
如圖1所示，傳統(tǒng)機(jī)器人在低速情況下實(shí)際路徑與編程路徑相吻合，但是在高速情況下做轉(zhuǎn)彎運(yùn)動(dòng)時(shí)，實(shí)際路徑就會(huì)偏離編程路徑。基于高級(jí)前饋伺服控制技術(shù)的True Move極大的提升了運(yùn)動(dòng)控制精度，解決了機(jī)器人在高速情況下實(shí)際運(yùn)動(dòng)路徑偏離編程路徑的問(wèn)題，真正實(shí)現(xiàn)了所編即所得。
如圖2所示，傳統(tǒng)機(jī)器人在速度上升和下降的過(guò)程中加速度保持不變，相應(yīng)的完成一個(gè)動(dòng)作節(jié)拍的時(shí)間也較長(zhǎng)。基于高級(jí)動(dòng)力模型控制技術(shù)的Quick Move可以精確控制機(jī)器人的加減速度和穩(wěn)定速度，通過(guò)使機(jī)器人任意時(shí)刻的加速度最大化來(lái)減少動(dòng)作節(jié)拍時(shí)間。
2.2 Advanced Shape Tuning和Wrist Move技術(shù)
ABB開(kāi)發(fā)的Advanced Shape Tuning軟件能夠補(bǔ)償機(jī)器人軸摩擦力功能，對(duì)機(jī)器人在走復(fù)雜的三維切割路徑時(shí)的微小抖動(dòng)、共振等情況做及時(shí)、精確的補(bǔ)償。這些功能包含在機(jī)器人的選項(xiàng)中，應(yīng)用時(shí)客戶(hù)只需要調(diào)用相應(yīng)的功能模塊，機(jī)器人就能根據(jù)指令重復(fù)走所編程的路徑并且自動(dòng)獲得各個(gè)軸的摩擦參數(shù)。
Wrist Move是使機(jī)器人在切割時(shí)1、2、3軸不動(dòng)，只有機(jī)器人運(yùn)動(dòng)末端4、5、6軸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，這就避免了1、2、3軸運(yùn)動(dòng)時(shí)軸摩擦力對(duì)小圓切割路徑造成的不良影響。
2.3 離線編程仿真和人機(jī)交互接口
Robot Studio是ABB開(kāi)發(fā)的離線編程與仿真軟件，可在電腦上完成幾乎所有的機(jī)器人編程與仿真。如圖3所示，通過(guò)Robot Studio能夠?qū)崿F(xiàn)十分逼真的模擬，并且所用的均為實(shí)際使用的機(jī)器人程序和配置文件。配合ABB Absolute Accuracy校正系統(tǒng)，可以使模擬結(jié)果達(dá)到很高的精度。Robot Studio還可方便地導(dǎo)入IGES、STEP、CATIA等主流CAD格式數(shù)據(jù)，然后依據(jù)這些精確的數(shù)據(jù)編制機(jī)器人程序。使用軟件中的AutoPath功能，僅在數(shù)分鐘之內(nèi)便可自動(dòng)生成跟蹤加工曲線所需要的機(jī)器人位置(路徑)，很好地解決了激光切割中復(fù)雜切割曲線無(wú)法通過(guò)示教產(chǎn)生的問(wèn)題，大大節(jié)約了編程時(shí)間。
ABB機(jī)器人采用觸摸屏式的示教器FlexPendent，配合示教器上的搖桿和簡(jiǎn)潔的按鍵設(shè)計(jì)，使用十分方便。同時(shí)，ABB新開(kāi)發(fā)的專(zhuān)用切割操作軟件具有良好的激光切割人機(jī)界面，將切割參數(shù)設(shè)置、軸摩擦力調(diào)整及I/O監(jiān)控等界面以圖形化、數(shù)字化等形式顯示在示教器上，界面十分友好，便于使用人員對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行狀態(tài)監(jiān)控和操作。
ABB 2600型機(jī)器人所構(gòu)建的激光切割系統(tǒng)很好地體現(xiàn)了ABB機(jī)器人在激光切割應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)的技術(shù)，下面以此為應(yīng)用案例進(jìn)行介紹。
3.1 系統(tǒng)組成
機(jī)器人激光切割系統(tǒng)外部布局和內(nèi)部布局分別如圖4和圖5所示。整個(gè)系統(tǒng)主要由ABB IRB 2600機(jī)器人及MTC750轉(zhuǎn)臺(tái)(圖6a)、IPG激光器及水冷設(shè)備(圖6b)、Precitec激光切割頭(圖6c)、RIP煙塵凈化設(shè)備組成(圖6d)。
1) IRB 2600機(jī)器人具有同類(lèi)產(chǎn)品中最高的定位精度及加速度，可確保高產(chǎn)量及低廢品率從而提高生產(chǎn)率。所切割的鈑金件安放在MTC750轉(zhuǎn)臺(tái)上。應(yīng)用ABB機(jī)器人的MultiMove功能，機(jī)器人和轉(zhuǎn)臺(tái)能夠協(xié)同運(yùn)動(dòng)，且能達(dá)到很高的運(yùn)動(dòng)精度，從而保證工件的激光切割精度。
2) 激光發(fā)生器及水冷設(shè)備選用IPG公司的，型號(hào)為YLS-1000，激光最大功率為1000 W。激光采用光纖傳輸，經(jīng)聚焦后作為切割熱源，使工件被照射處的材料迅速熔化，同時(shí)用與激光束同軸的高速氣流來(lái)吹除熔融物質(zhì)，以形成空洞，隨著光束與材料沿一定軌跡作相對(duì)運(yùn)動(dòng)，從而使孔洞連續(xù)形成一定形狀的切縫，完成對(duì)工件的激光切割。
3) 激光切割頭選用Precitec公司YRC型切割頭，該切割頭除了具有用來(lái)聚焦激光的聚焦透鏡以及相應(yīng)的光纖插口、水冷和氣體連接口外，還具有高度傳感器，能夠進(jìn)行防碰撞保護(hù)和自動(dòng)浮動(dòng)調(diào)焦。該功能可以有效地提高激光切割質(zhì)量。
除此之外，為了防止激光切割過(guò)程中所產(chǎn)生的激光輻射和煙塵污染，2600機(jī)器人和MTC750轉(zhuǎn)臺(tái)都放置在工作房?jī)?nèi)，整個(gè)加工過(guò)程在工作房?jī)?nèi)進(jìn)行，用于觀察切割過(guò)程和上下料的窗口均采用特制的激光防護(hù)玻璃，產(chǎn)生的煙塵在加工過(guò)程中利用RIP凈化設(shè)備及時(shí)抽走，從而保證了整個(gè)激光切割系統(tǒng)的安全性。
3.2 系統(tǒng)特點(diǎn)
1) 采用ABB離線編程與仿真技術(shù)，顯著縮短了整個(gè)系統(tǒng)的編程和調(diào)試的時(shí)間，提高了整體生產(chǎn)效率。大部分機(jī)器人編程均可在Robot Studio環(huán)境下完成。首先將相關(guān)的機(jī)器人、轉(zhuǎn)臺(tái)模型，以及Precitec激光切割頭、所加工工件的三維模型導(dǎo)入到Robot Studio中，應(yīng)用AutoPath功能根據(jù)工件形狀模型自動(dòng)生成編程路徑，必要時(shí)進(jìn)行路徑優(yōu)化和碰撞檢測(cè)。然后通過(guò)虛擬運(yùn)行機(jī)器人程序，在Robot Studio虛擬三維環(huán)境中能夠直觀的觀察機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑，以便進(jìn)行修改和調(diào)整。最后將確定好的機(jī)器人程序下載至實(shí)際的機(jī)器人控制器中，進(jìn)行少量的實(shí)際調(diào)試即可完成整個(gè)系統(tǒng)的機(jī)器人編程。實(shí)際生產(chǎn)中應(yīng)用該技術(shù)，無(wú)論是投產(chǎn)還是換線，機(jī)器人編程均可提前準(zhǔn)備就緒，大大降低了在生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)調(diào)試和停機(jī)中斷生產(chǎn)的時(shí)間，提高了生產(chǎn)效率，擴(kuò)大了機(jī)器人系統(tǒng)投資回報(bào)。
2) 采用ABB機(jī)器人True Move和Quick Move技術(shù)，最大程度地保證了機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)精度和速度。同時(shí)利用Advanced Shape Tuning對(duì)2600機(jī)器人6個(gè)軸的摩擦力進(jìn)行補(bǔ)償，提高了機(jī)器人自身運(yùn)動(dòng)精度，最大程度地降低了機(jī)器人運(yùn)動(dòng)誤差對(duì)激光切割質(zhì)量的不良影響。
3) 高質(zhì)量的激光切割效果除了要求機(jī)器人自身應(yīng)具有很高的運(yùn)動(dòng)軌跡精度外，良好的切割工藝也是必備因素。切割工藝涉及到切割速度和加速度、激光功率、焦點(diǎn)位置、吹氣量等多種因素的綜合調(diào)節(jié)。圖7為工藝調(diào)整后切割出的小圓，直徑分別為Φ6，Φ8，Φ10，Φ12，Φ14，Φ16，Φ20，Φ30，可以看出切割后的小圓熱變形很小，邊緣光潔，無(wú)明顯缺陷。經(jīng)測(cè)量，小圓的軌跡誤差約為0.1~0.25 mm，說(shuō)明基于ABB機(jī)器人的激光切割系統(tǒng)具有很高的運(yùn)動(dòng)精度和切割精度。
4 結(jié)束語(yǔ)
ABB機(jī)器人激光切割系統(tǒng)既具有機(jī)器人運(yùn)動(dòng)靈活，柔性高的特點(diǎn)，又具有激光切割的切割速度快、質(zhì)量好、切縫窄等優(yōu)點(diǎn)，很好地滿(mǎn)足了現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的要求；同時(shí)借助ABB機(jī)器人在激光切割領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)，不僅在技術(shù)上能夠滿(mǎn)足復(fù)雜三維切割的要求，有助于提高工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量水平，同時(shí)降低了生產(chǎn)成本，能夠給企業(yè)帶來(lái)巨大的經(jīng)濟(jì)效益。
