陳炎欽

上海發(fā)那科機器人有限公司　上海　201906

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基于Cutting Tool的FANUC激光切割系統(tǒng)研制

陳炎欽

上海發(fā)那科機器人有限公司上海201906

傳統(tǒng)的激光切割多數(shù)采用五軸CO2激光切割機，占地面積大，柔性差，設備采購及維護成本居高不下。為此，設計了基于Cutting Tool的FANUC激光切割系統(tǒng)，該系統(tǒng)包含Cutting Tool技術、離線編程技術、圖形生成技術、工具中心點速度輸出技術等多種關鍵技術，拓展了機器人激光切割系統(tǒng)的應用領域，為工業(yè)用戶提供了一種新的技術解決方案。

激光切割； Cutting Tool； 離線編程； 圖形生成； 工具中心點速度輸出

Velocity Output via Tool Center Point

激光切割作為金屬加工的重要方法，已廣泛應用于先進制造領域[1]。近年來，智能化、自動化和信息化技術的快速發(fā)展，促進了機器人技術和激光技術的結合，機器人激光切割技術迎來了重要的發(fā)展機遇期，是未來重點發(fā)展的自動化技術之一[2-3]。

目前，機器人激光切割方式普遍是直接將激光切割頭安裝在六自由度工業(yè)機器人(以下簡稱“機器人”)J6軸法蘭盤上，通過機器人運動姿態(tài)的變化，實現(xiàn)工件外圍輪廓和定位孔切割[4]。但是，機器人本體采用串聯(lián)結構，所使用的減速機存在齒輪嚙合間隙，無法實現(xiàn)小軌跡的高精度切割，滿足不了用戶對高精度定位孔的需求，制約了機器人激光切割系統(tǒng)的應用范圍。為此，筆者設計了基于Cutting Tool的FANUC激光切割系統(tǒng)，不僅解決了定位孔高精度切割的問題，還針對機器人激光切割應用的一些關鍵技術進行了研究，為用戶提供了一種新的技術解決方案。

1　系統(tǒng)簡介

1.1系統(tǒng)組成

FANUC激光切割系統(tǒng)由硬件和軟件兩部分組成，硬件部分包含了機器人、Cutting Tool、激光器、激光切割頭等，軟件部分包含了離線編程技術、圖形生成技術、工具中心點速度輸出技術等，如圖1所示。

圖1　FANUC激光切割系統(tǒng)的示意圖

1.2系統(tǒng)的工作原理

FANUC激光切割系統(tǒng)集成了多種關鍵技術： Cutting Tool技術彌補了機器人本體在進行小軌跡切割方面的不足，實現(xiàn)了定位孔的高精度切割；離線編程技術可以快速生成機器人的切割程序，大大減少現(xiàn)場的調試時間，滿足用戶對小批量多品種的加工需求；圖形生成技術能夠根據(jù)參數(shù)設定自動生成多種常見形狀的定位孔切割程序(如圓形、半圓形、矩形、槽形、鑰匙孔、六邊形等)，對于其它的非標準圖形也可以進行自定義。工具中心點速度輸出技術能夠實現(xiàn)機器人的切割速度和激光器功率的實時匹配，確保切口質量的一致性，提高工件的切割質量。

2　Cutting Tool技術

2.1Cutting Tool的簡介

Cutting Tool是專為機器人激光切割應用而開發(fā)的切割工具，采用2個FANUC伺服電機驅動一組平面四連桿機構。Cutting Tool可以作為機器人的外部軸，完全兼容于FANUC機器人控制系統(tǒng)，進而可以使用機器人示教器完成Cutting Tool的全部設置和操作。

Cutting Tool的機械結構不同于機器人的串聯(lián)結構，不存在齒輪嚙合間隙，加減速時間極短，可以實現(xiàn)小軌跡的高速高精度切割。經過實際切割測試，Cutting Tool最小能夠進行φ1mm的小圓切割，切割范圍最大可以達到φ25mm，軌跡精度可以控制在±0.1mm以內，最快的運動速度高達10m/min。

2.2Cutting Tool的機械結構

Cutting Tool的機械結構示意圖如圖2所示。Cutting Tool采用2個FANUC伺服電機，分別驅動搖臂1和搖臂2，與搖臂1和搖臂2相連接的連桿1和連桿2交匯處為Cutting Tool的旋轉中心——Cutting Tool的安裝法蘭，用于安裝激光切割頭。

圖2　Cutting Tool的機械結構示意圖

2.3Cutting Tool的軌跡控制

Cutting Tool通過控制2個伺服馬達的旋轉角度來實現(xiàn)運動軌跡的控制。因此，只有建立Cutting Tool的2個伺服馬達旋轉角度與Cutting Tool旋轉中心位置之間的運動算法，才能夠實現(xiàn)Cutting Tool運動軌跡的控制。

圖3所示為Cutting Tool的運動原理圖。J1、J2分別為Cutting Tool的2個伺服馬達的旋轉中心，L0為2個伺服馬達輸出軸線之間的距離，搖臂1和搖臂2的長度分別為L1、L2，連桿1和連桿2的長度分別為L3、L4，搖臂1和連桿1的連接處為活動關節(jié)J3，搖臂2和連桿2的連接處為活動關節(jié)J4，J5為Cutting Tool的旋轉中心。因此，Cutting Tool運動控制的關鍵是建立J5的運動軌跡同J1、J2的旋轉角度之間的數(shù)學函數(shù)，具體過程如下。

圖3　Cutting Tool的運動原理圖

J5相對于J1的位置(x，y)滿足如下公式：

x=L1sin θ1+L3sin θ3

(1)

y=-L1cos θ1+L3cos θ3

(2)

因此，當L1、L3、θ3為已知值，以及作為搖臂1和搖臂2的旋轉角度θ1、θ2的函數(shù)關系時，可以通過Cutting Tool的2個伺服馬達的旋轉角度來對J5的運動軌跡進行控制，此時，需建立θ3的數(shù)學函數(shù)θ3=f(L0、L1、L2、L3、L4、θ1、θ2)，其滿足如下公式：

L0+L1cos θ1-L2cos θ2-L3cos θ3

-L4cos θ4=0

(3)

L1sin θ1-L2sin θ2+L3sin θ3

-L4sin θ4=0

(4)

將式(3)、式(4)中與θ4有關的系數(shù)均移動至等號左邊，得到以下兩公式：

L4cos θ4=L0+L1cosθ1-L2cosθ2

-L3cosθ3

(5)

L4sin θ4=L1sinθ1-L2sinθ2

+L3sinθ3

(6)

在式(5)、式(6)的等號左邊和右邊，分別平方并相加后，獲得如下公式：

cos θ3(2L1L3cos θ1-2L2L3cos θ2+2L0L3)

+sin θ3(-2L1L3sin θ1+2L2L3sin θ2)=

L02+L12+L22+L32-L42+2L0L1cos θ1

-2L0L2cos θ2-2L1L2cos(θ1-θ2)

(7)

由于式(7)由左邊的cosθ3、sinθ3的系數(shù)(A，B)及等號右邊的已知值(C)或設定值所構成，因此可得到：

A=(2L1L3cos θ1-2L2L3cos θ2+2L0L3)

B=(-2L1L3sin θ1+2L2L3sin θ2)

令C=右邊，則可以獲得下面公式：

Acos θ3+Bsin θ3=C

(8)

因此，θ3滿足如下的數(shù)學函數(shù)：

(9)

也就是說，只要設定好Cutting Tool的2個伺服馬達的旋轉角度，就可以控制J5關節(jié)的運動軌跡，從而實現(xiàn)對Cutting Tool運動軌跡的控制。

3　軟件技術

3.1離線編程技術

機器人編程有在線編程和離線編程兩種方式，目前機器人編程大多數(shù)都采用在線編程，編程時間長，切割效率低。與傳統(tǒng)的在線編程相比，機器人離線編程可以減少機器人不工作時間，也可以使操作者遠離危險的工作環(huán)境[5]。

機器人離線編程是通過建立與實際生產現(xiàn)場相同的虛擬模型，使用機器人語言進行編程，生成預加工運動程序，校正程序后下載到機器人控制器中，控制真實的機器人進行運動[6-7]。筆者采用的是FANUC的ROBOGUIDE離線編程軟件，它能夠實現(xiàn)3D模型的導入、機器人周邊環(huán)境的建立、切割程序的自動生成、切割程序的優(yōu)化等功能。離線編程的核心是生成軌跡、生成程序、校正程序，對應這3個過程，ROBOGUIDE提供了3個相對應的功能： CAD to Path、Feature、Calibration。在使用CAD to Path功能時，可以通過移動鼠標拾取切割軌跡上的特征點，快速生成切割軌跡。在使用Feature功能時，可以在操作界面上設定機器人的前進角、操作角、點間距、坐標系等信息，改善機器人的運動姿態(tài)，優(yōu)化管線的彎曲程度，將生成的切割軌跡自動轉換成機器人的切割程序。在使用Calibration功能時，可以對工裝、工件等外圍設備的安裝誤差進行補償，使機器人的切割程序更加適合實際生產需求。機器人激光切割的離線編程流程如圖4所示。

圖4　離線編程工作流程

3.2圖形生成技術

Cutting Tool是新開發(fā)的一種高精度切割工具，采用的是平面連桿機構，無法使用ROBOGUIDE軟件進行離線編程。然而，小軌跡切割多數(shù)是定位孔切割，精度要求高。如果采用手動示教程序的方法，容易產生軌跡誤差，編程速度也較慢，會大大影響機器人激光切割系統(tǒng)的切割效率。為此，開發(fā)了圖形生成軟件，極大地簡化了Cutting Tool的程序示教。圖形生成軟件是基于機器人控制系統(tǒng)開發(fā)的，可以在機器人示教器上完成所有的設置和操作。

圖形生成軟件集成了多種常見形狀定位孔的套料程序，用戶可以在軟件主界面進入各種定位孔的詳細設置畫面，完成定位孔切割程序所需參數(shù)的設置后，便能自動生成定位孔的切割程序。對于其它的非標準圖形，操作者也可以在圖形生成軟件中進行自定義。圓形切割程序的生成原理圖如圖5所示。

圖5　圓形切割程序生成原理圖

3.3工具中心點速度輸出技術

機器人在變換姿態(tài)的時候需要進行加減速，由此使機器人在三維切割過程中無法保持恒定的切割速度，這就需要激光器的功率能夠隨機器人速度的變化而變化，并成一定的比例關系，以免出現(xiàn)過燒現(xiàn)象，影響切割工藝。為此，開發(fā)了工具中心點速度輸出軟件TCP SPEED OUTPUT，它可以實現(xiàn)機器人切割速度同激光器功率的實時匹配。TCP SPEED OUTPUT軟件是基于機器人控制系統(tǒng)開發(fā)的，可以在機器人示教器上完成所有的設置和操作。

TCP SPEED OUTPUT軟件能夠根據(jù)預先設定的比例關系，輸出一個同機器人切割速度實時匹配的模擬量數(shù)值。用戶只需要將輸出的模擬量信號連接至激光器的模擬量端口，并把激光器切換成外控模式，便可以輕松實現(xiàn)激光器功率同機器人切割速度的實時匹配，保證切口質量的一致性，提高工件的切割質量。機器人切割速度同模擬量的匹配關系如圖6所示。

圖6　機器人切割速度同模擬量的匹配關系

4　系統(tǒng)驗證

為了驗證系統(tǒng)的可行性，首先采取了對比測試的方法——分別使用FANUC激光切割系統(tǒng)和五軸CO2激光切割機對2組汽車B柱工件進行切割測試。然后，分別從2組工件中隨機抽取5個樣件進行對比測量。圖7所示為B柱工件的示意圖。

圖7　工件示意圖

通過對樣件的毛刺進行分析，可以發(fā)現(xiàn)，集成了工具中心點速度輸出技術的FANUC激光切割系統(tǒng)，能夠保證機器人切割速度同激光器功率的實時匹配，有利于提高工件的切口質量，如圖8所示。

通過對樣件的外圍輪廓軌跡精度進行分析，可以發(fā)現(xiàn)，集成了離線編程技術的FANUC激光切割系統(tǒng)，能夠獲得同五軸CO2激光切割機一樣的軌跡精度，如圖9所示。

通過對樣件的定位孔圓度進行分析，可以發(fā)現(xiàn)，集成了Cutting Tool技術的FANUC激光切割系統(tǒng)，能夠獲得同五軸CO2激光切割機一樣的高精度定位孔，如圖10所示。

圖8　毛刺分析對比圖

圖9　外圍輪廓軌跡精度對比圖

圖10　定位孔圓度對比圖

5　結束語

FANUC激光切割系統(tǒng)集成了多種關鍵技術： Cutting Tool技術解決了定位孔高精度切割的問題；離線編程技術簡化了機器人編程，提高了編程效率，減少了機器人的不工作時間；圖形生成技術簡化了Cutting Tool的程序示教，實現(xiàn)了Cutting Tool的“傻瓜式”操作；工具中心點速度輸出技術實現(xiàn)了激光器功率和切割速度的實時匹配，保證了工件切口質量的一致性。FANUC激光切割技術是機器人激光切割技術的一次新探索，有助于拓展機器人激光切割技術的應用范圍，為用戶提供了一種確實可靠的機器人激光切割技術解決方案。

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[3] 楊洗陳.激光加工機器人技術及工業(yè)應用[J].中國激光，2009,36(11)： 2780-2798.

[4] 孫加強，焦俊科，張文武，等.基于ABB機器人的光纖激光切割與焊接系統(tǒng)研究[J].應用激光，2014,34(6)： 584-588.

[5] 陳炎欽，金玉嵌，周翔.FANUC機器人激光跟蹤系統(tǒng)在電控柜焊接中的應用[J].上海電氣技術,2014,7(4)： 31-35.

[6] 周廣兵，焦俊科，戴炬，等.光纖激光三維切割加工中的機器人離線編程[J].華中科技大學學報(自然科學版),2011,39(增刊Ⅱ)： 414-417.

[7] 孫建華，孫啟平.基于網絡操作的工業(yè)機器人離線編程系統(tǒng)研究[J].中國測試技術,2004,30(6)： 87-89.

Majority of conventional laser cutting use to adsopt 5-axis CO2laser cutting machine featuring large floor space, poor flexibility and high costs for equipment procurement and maintenance. For this reason, FANUC laser cutting system based on the Cutting Tool is designed. The system comprises several key technologies including Cutting Tool technology, offline programming, image generation technology, velocity output technology via tool center point. This system can expand the application fields of laser cutting robot system and provide the industrial users with a new technical solution.

Laser Cutting； Cutting Tool； Off-line Programming； Image Generation；

2015年10月

陳炎欽(1988—)，男，本科，工程師，主要從事弧焊及機器人激光切割技術的研究工作，

E-mail： chenyanqin@shanghai-fanuc.com.cn

TN24

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1674-540X(2016)01-040-05