摘要：本文介紹了大范圍、高精度5軸激光加工機(jī)器人系統(tǒng)的研究開發(fā)情況。在提高其絕對(duì)精度的前提下，對(duì)大范圍框架式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、高精度機(jī)器人的誤差補(bǔ)償方法進(jìn)行了探討。采用有限元分析的方法對(duì)機(jī)器人本體進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，確保了高精度大型激光加工機(jī)器人設(shè)計(jì)的正確性。基于測(cè)量數(shù)據(jù)，建立了機(jī)器人誤差模型，對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)誤差進(jìn)行了補(bǔ)償，取得了較好的結(jié)果，保證機(jī)器人系統(tǒng)的激光加工精度。
關(guān)鍵詞：激光加工；有限元分析；優(yōu)化設(shè)計(jì)；誤差模型

1　引言(Introduction)

隨著制造業(yè)水平的不斷提高，激光切割和激光焊接技術(shù)已在工業(yè)界得到廣泛應(yīng)用，并在一些加工領(lǐng)域顯示出明顯的優(yōu)越性。除激光切割和激光焊接外，激光表面工程、激光快速成型、激光微處理等技術(shù)亦日趨成熟，并逐漸應(yīng)用于一些特殊的工業(yè)加工中。

目前激光加工機(jī)器人大多為兩軸或三軸的機(jī)械手，只能進(jìn)行簡(jiǎn)單的加工，而復(fù)雜曲面的加工則必須由高性能機(jī)器人來完成。針對(duì)此種現(xiàn)狀，本課題研制了大范圍、高精度5軸激光加工機(jī)器人，它可以完成復(fù)雜曲面的加工。該機(jī)器人系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：機(jī)器人本體采用高剛度框架式結(jié)構(gòu)，平衡式設(shè)計(jì)，交流伺服驅(qū)動(dòng)，高精度絕對(duì)碼盤檢測(cè)反饋。機(jī)器人控制器采用工業(yè)級(jí)嵌入式CPU，進(jìn)一步提高控制器的運(yùn)算能力，縮短控制周期，提高插補(bǔ)精度，保證機(jī)器人的檢測(cè)精度和控制精度。建立了機(jī)器人誤差模型，解決了機(jī)器人系統(tǒng)的誤差補(bǔ)償問題，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的高精度加工。

2　總體設(shè)計(jì)方案(Schemedesign)

研制大范圍、高精度5軸框架式機(jī)器人系統(tǒng)，既要保證系統(tǒng)的先進(jìn)性，同時(shí)又要考慮其實(shí)用性和可靠性。由于機(jī)器人系統(tǒng)行程的加大，精度的大幅度提高，在機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)形式、傳動(dòng)系統(tǒng)的配置方式、關(guān)鍵部件如一體化傳動(dòng)裝置、交流伺服電機(jī)的選用等方面，均采取了諸多技術(shù)措施來達(dá)到性能指標(biāo)的要求。同時(shí)對(duì)機(jī)器人的檢測(cè)系統(tǒng)和機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，保證了機(jī)器人整體系統(tǒng)的高精度和高性能。

2.1　特殊設(shè)計(jì)和技術(shù)措施

(1)Y軸傳動(dòng)采用雙傳動(dòng)型，來減少由于Z軸的傾斜引起的誤差；
(2)腕部自由度的配置做了較大的改變，解決激光頭與A軸同心度帶來的誤差，并加入了激光頭姿態(tài)的調(diào)整功能；
(3)X、Y梁采取了提高剛度的措施，Z梁立柱由2個(gè)增加至3個(gè)，以提高其剛度系數(shù)；
(4)X軸、Z軸一體化傳動(dòng)裝置的動(dòng)力橋，采用加長(zhǎng)形，由340mm長(zhǎng)改為500mm長(zhǎng)，提高裝置的承載能力，減少變形的影響；
(5)Y軸采用棄荷裝置，以減小X軸一體化傳動(dòng)裝置的負(fù)載，同時(shí)加大X軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率；
(6)增加了X軸、Y軸一體化傳動(dòng)裝置的側(cè)向直線度的整體功能，達(dá)到垂直方向的直線度由梁的平面度保證，側(cè)向直線度由調(diào)整保證；
(7)X梁、Y梁采用嚴(yán)格加工工藝，確保性能穩(wěn)定和高精度：專做的特種鋼管、合理的焊接工藝、人工時(shí)效處理、導(dǎo)軌磨床精加工等。

2.2　優(yōu)化設(shè)計(jì)

在激光加工機(jī)器人的開發(fā)過程中，采用SolidEdge進(jìn)行三維CAD設(shè)計(jì)，并通過有限元軟件進(jìn)行模擬分析，依據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)修改和優(yōu)化。由于采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段，確保了機(jī)器人本體的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為提高機(jī)器人的整體精度奠定了基礎(chǔ)。

圖1　激光加工機(jī)器人外型圖

3　關(guān)鍵部件的有限元分析(Finiteelementanalysisofkeyparts)

在激光加工機(jī)器人的設(shè)計(jì)過程中，對(duì)其關(guān)鍵部件x梁、y梁和z梁支架用軟件進(jìn)行了有限元模擬分析。模擬分析是按照梁在最大承載的位置進(jìn)行計(jì)算，這樣可以保證在任何位置都有較高的安全系數(shù)。

3.1　模擬分析過程

在模擬分析過程中，對(duì)x梁的簡(jiǎn)化最大，將三維模型轉(zhuǎn)化成二維圖形來分析，主要是因?yàn)閤梁的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單而且規(guī)則，受力情況也比較簡(jiǎn)單。我們選擇的單元類型是BEAM189，這種單元的精度比較高，另外，還引入了截面特性這個(gè)參數(shù)，所以，我們認(rèn)為結(jié)果的準(zhǔn)確性還是值得信任的。這樣可以省掉復(fù)雜的建模過程，將主要精力用在結(jié)果的分析上。

對(duì)y梁的分析也采用了簡(jiǎn)化，但是采用了實(shí)體建模，y梁的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，而且受力也很復(fù)雜，采用的單元是SOLID45，單元的精度適中，考慮到y(tǒng)梁的長(zhǎng)度，如果采用復(fù)雜的單元并細(xì)分網(wǎng)格，可能增加求解的困難，并延長(zhǎng)計(jì)算的時(shí)間。在準(zhǔn)確度和效率之間應(yīng)該有一個(gè)合理的分配，采用三維實(shí)體模型就可以大大提高精度，所以在單元類型和網(wǎng)格劃分的選擇上，可以稍微粗糙一些，這樣并不降低精度，并且能提高計(jì)算效率。

z梁支架是一個(gè)很關(guān)鍵的部件，所以，我們?cè)诒M量不簡(jiǎn)化的情況下對(duì)其進(jìn)行了模擬，倒角、連接過渡和螺紋必須要簡(jiǎn)化掉，否則，這些部位可能增加相當(dāng)多的單元數(shù)，增加計(jì)算量，甚至導(dǎo)致求解的失敗。

3.2　模擬結(jié)果分析

3.2.1　x梁
x梁的模擬結(jié)果如圖2所示，通過模擬的結(jié)果我們可以看出，在受力方向上，最大的應(yīng)變是0.6×10-5m，這說明我們的變形是在允許的范圍之內(nèi)的。

圖2　x梁在受力方向的應(yīng)變分布

3.2.2　y梁
y梁的模擬結(jié)果如圖3所示，通過模擬的結(jié)果可以看出，在受力方向上，y軸的最大變形是0.15×10-7m，完全能夠滿足實(shí)際工作中精度的要求。在受力方向上，y梁受到的應(yīng)力最大也只有300N左右。

圖3　y梁在受力方向的應(yīng)變分布

3.2.3　z梁支架
z梁支架的模擬需要很詳細(xì)，因?yàn)檫@個(gè)支架結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且受力很大，它的變形直接影響到z梁的精度，所以，我們對(duì)其在各個(gè)方向的應(yīng)力和應(yīng)變都進(jìn)行了分析。如圖4、5、6所示為z梁支架在x、y、z3個(gè)方向的應(yīng)變圖。圖7、8、9為z梁支架在x、y、z3個(gè)方向的應(yīng)力圖。

圖4　z梁支架在x方向的應(yīng)變分布

圖5　z梁支架在y方向的應(yīng)變分布

圖6　z梁支架在z方向的應(yīng)變分布

圖7　z梁支架在x方向的應(yīng)力分布

圖8　z梁支架在y方向的應(yīng)力分布

圖9　z梁支架在z方向的應(yīng)力分布

在圖中，x方向跟x梁的方向是一致的，y方向即是y梁的方向，z方向是垂直向下的。在圖4中，我們可以看到，在各個(gè)支撐板上，都承受了很大的應(yīng)力，因而變形量也很大。而圖5則說明由于z梁的作用力，使得固定z梁的板發(fā)生了變形，在模擬中，我們可以得到最大變形是0.2×10-8m，這樣就保證了z梁的垂直度。圖6是z梁支架在垂直方向即z方向上的變形，通過應(yīng)變的分布可以看出，z梁固定板在z方向上的變形很小，而且比較相近，大約在0.2～0.7×10-9m左右，對(duì)垂直方向的尺寸精度影響很小。圖7、8、9則是從應(yīng)力方面來說明這個(gè)問題。 #p#分頁標(biāo)題#e#

總之，從應(yīng)力和應(yīng)變兩方面的分析結(jié)果來看，我們對(duì)z梁支架這個(gè)關(guān)鍵的零件的設(shè)計(jì)是合理的。