·江蘇揚(yáng)力數(shù)控機(jī)床有限公司

采用串聯(lián)式六軸機(jī)器人+光纖激光器組合的激光切割技術(shù)，可對(duì)沖壓鈑金件修邊、割孔，相比較傳統(tǒng)開模沖壓技術(shù)，縮短了工藝流程，大大降低了人工成本和模具費(fèi)用的投入，提高了產(chǎn)品檔次和產(chǎn)品附加值，在汽車制造、航天航空等多個(gè)行業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。本文主要淺析機(jī)器人激光切割機(jī)采用離線編程后，影響切割精度的主要因素，并提供相應(yīng)的解決方法。

機(jī)器人切割機(jī)編程方式

近幾年，工業(yè)4.0的理念深入人心，機(jī)器人激光切割機(jī)向著智能化發(fā)展成了一大趨勢(shì)。而想要發(fā)展轉(zhuǎn)型，首先需要了解目前機(jī)器人激光切割機(jī)是如何完成既定工作的，這就要談到它的編程方式了。通常串聯(lián)式機(jī)器人激光切割機(jī)編程方式主要分為示教編程和離線編程這兩種。

示教編程即通過操作人員的“眼（觀察）+腦（判斷）+手（記錄）”將末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)沿著需要的軌跡先手動(dòng)走一遍，并存儲(chǔ)在機(jī)器人的控制器當(dāng)中，機(jī)器人讀取學(xué)習(xí)后，會(huì)重復(fù)這些軌跡運(yùn)動(dòng)。其優(yōu)點(diǎn)在于門檻低、簡(jiǎn)單易學(xué)以及可以修正機(jī)械結(jié)構(gòu)帶來(lái)的誤差等；然而缺點(diǎn)也顯而易見，需要實(shí)際的操作環(huán)境，切割質(zhì)量取決于操作人員的經(jīng)驗(yàn)，也不適用復(fù)雜的運(yùn)動(dòng)軌跡，并且需要停產(chǎn)，影響生產(chǎn)力。

離線編程即通過離線仿真軟件，在電腦里重建整個(gè)工作場(chǎng)景的三維虛擬環(huán)境，然后軟件可以根據(jù)要加工零件的大小、形狀、材料，同時(shí)配合軟件操作者的一些操作，自動(dòng)生成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)軌跡，即控制指令，然后在軟件中進(jìn)行仿真和調(diào)整軌跡，最后生成機(jī)器人程序傳輸給機(jī)器人。其優(yōu)點(diǎn)在于擁有軌跡仿真、路徑優(yōu)化和碰撞檢測(cè)功能，不太依賴于操作人員的經(jīng)驗(yàn)，可遠(yuǎn)離實(shí)際的操作環(huán)境，適合復(fù)雜的軌跡，無(wú)需停產(chǎn)，提升了生產(chǎn)效益等，克服了示教編程的諸多缺點(diǎn)。

相比較而言，離線編程更加適合機(jī)器人激光切割機(jī)的智能化發(fā)展方向，然而很多用戶采用離線編程后，普遍反映切割精度變差了。下面我們就分析下，機(jī)器人激光切割機(jī)采用離線編程后，究竟哪些因素影響了切割精度。

串聯(lián)式六軸機(jī)器人絕對(duì)定位精度誤差

離線編程，需要在電腦軟件中導(dǎo)入仿真模型，模型代表的是完美的設(shè)計(jì)，在模擬中不存在幾何尺寸和運(yùn)動(dòng)誤差，但機(jī)器人零部件在實(shí)際加工、裝配中存在公差，關(guān)節(jié)軸在運(yùn)動(dòng)過程中編碼器反饋值和實(shí)際運(yùn)動(dòng)值也有偏差，這就導(dǎo)致機(jī)器人在執(zhí)行離線編程給出的指令時(shí)，末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)實(shí)際到達(dá)位置與理論目標(biāo)位置有誤差，如圖1所示，切割A(yù)到B一條直線，離線編程軟件測(cè)出AB之間的理論長(zhǎng)度L，并將指令傳給機(jī)器人控制器，但機(jī)器人自身的幾何尺寸和運(yùn)動(dòng)誤差，實(shí)際執(zhí)行時(shí)只行走了L1，與理論長(zhǎng)度有個(gè)差值△L，這個(gè)差值就是機(jī)器人的絕對(duì)定位精度誤差。

圖1 絕對(duì)定位差值△L

串聯(lián)式六軸機(jī)器人普遍存在重定位精度高（0.05mm左右），絕對(duì)定位精度極低的特點(diǎn)（每米相差3mm左右），這就造成了機(jī)器人采用離線編程后，切割的零件越大，其幾何尺寸精度越差。

解決方法

⑴修改零件模型。

對(duì)于一些輪廓簡(jiǎn)單且精度要求不高的零件，如圖2所示切割一個(gè)長(zhǎng)方體，先將工件坐標(biāo)系與機(jī)器人坐標(biāo)系建立平行后，按照正常零件模型生成的指令，切割或打標(biāo)一個(gè)實(shí)體樣件，沿工件坐標(biāo)系測(cè)量樣件切割尺寸與目標(biāo)尺寸差值，再通過三維建模軟件或離線仿真軟件根據(jù)差值沿工件坐標(biāo)系放大或縮小零件模型，重新生成切割程序，達(dá)到提高尺寸精度的目的。

圖2 切割長(zhǎng)方體時(shí)構(gòu)建的模型

⑵激光跟蹤儀對(duì)機(jī)器人局部區(qū)域絕對(duì)定位精度進(jìn)行補(bǔ)償。

對(duì)于輪廓復(fù)雜且精度要求較高的零件，可以利用激光跟蹤儀對(duì)機(jī)器人末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)在切割零件區(qū)域內(nèi)進(jìn)行精度補(bǔ)償，如圖3所示，用離線編程根據(jù)已知球面模型生成若干個(gè)球面點(diǎn)位的程序，機(jī)器人讀取并執(zhí)行，激光跟蹤儀捕捉并測(cè)繪這些點(diǎn)位，通過計(jì)算機(jī)軟件最終繪制出實(shí)際球面模型，和離線編程已知球面模型比較后，對(duì)機(jī)器人在該區(qū)域絕對(duì)定位精度進(jìn)行校準(zhǔn)補(bǔ)償。

圖3 激光跟蹤儀對(duì)機(jī)器人局部區(qū)域絕對(duì)定位精度進(jìn)行補(bǔ)償

工具中心點(diǎn)TCP的誤差

機(jī)器人的末端執(zhí)行機(jī)構(gòu)又稱為工具，安裝在機(jī)器人末端法蘭上。當(dāng)我們以手動(dòng)或者編程的方式讓機(jī)器人去接近空間的某一點(diǎn)時(shí)，其本質(zhì)是讓工具中心點(diǎn)去接近該點(diǎn)。因此可以說機(jī)器人的軌跡運(yùn)動(dòng)，就是工具中心點(diǎn)（TCP）的運(yùn)動(dòng)。而機(jī)器人出廠時(shí)只知道末端法蘭中心點(diǎn)坐標(biāo)，工具中心點(diǎn)（TCP）的坐標(biāo)是需要示教后輸入機(jī)器人控制器的。目前機(jī)器人工具中心點(diǎn)一般采用四點(diǎn)繪球法計(jì)算出來(lái)，如圖4所示，即以工具中心點(diǎn)為球心，通過采集四個(gè)不同位置的機(jī)器人法蘭中心點(diǎn)位置，繪制球面，然后計(jì)算球心坐標(biāo)值，這個(gè)值就是工具中心點(diǎn)TCP。

圖4 計(jì)算工具中心點(diǎn)TCP

由于球心位置是通過眼睛觀察TCP與示教工裝的相對(duì)位置，手動(dòng)校準(zhǔn)的，因此通過這個(gè)方法計(jì)算出來(lái)的工具中心點(diǎn)與實(shí)際工具中心點(diǎn)存在誤差，如圖5所示，一般在0.5mm左右，而在離線編程軟件里面工具中心點(diǎn)是沒有誤差的，在實(shí)際切割零件時(shí)，只要激光切割頭繞工具中心點(diǎn)TCP發(fā)生大幅度轉(zhuǎn)動(dòng)，就會(huì)產(chǎn)生較大的尺寸位置偏差。

圖5 計(jì)算出來(lái)的工具中心點(diǎn)與實(shí)際工具中心點(diǎn)存在誤差

采用紅外線工具校準(zhǔn)儀進(jìn)行工具中心點(diǎn)TCP校正

如圖6所示，工具校準(zhǔn)儀圓圈內(nèi)有兩個(gè)正交的紅外線發(fā)射器和與之相對(duì)應(yīng)的感應(yīng)開關(guān)，機(jī)器人通過執(zhí)行特定的校準(zhǔn)程序，使工具在校準(zhǔn)儀圓圈內(nèi)運(yùn)動(dòng)，當(dāng)機(jī)器人工具擋住紅外線后對(duì)應(yīng)的感應(yīng)開關(guān)發(fā)出信號(hào)給機(jī)器人控制器，最后由控制器計(jì)算判斷出工具中心點(diǎn)的位置，校準(zhǔn)后的工具中心點(diǎn)TCP精度可以達(dá)到0.1mm。

圖6 采用紅外線工具校準(zhǔn)儀進(jìn)行工具中心點(diǎn)TCP校正

結(jié)束語(yǔ)

除了上述兩個(gè)主要因素外，基于離線編程的機(jī)器人激光切割機(jī)精度還和工件坐標(biāo)系的建立、機(jī)器人的姿態(tài)、負(fù)載以及零件實(shí)物模型吻合度等因素有關(guān)，不過這些因素導(dǎo)致的切割精度誤差大多數(shù)用戶是能夠接受的，也能夠通過人員的操作經(jīng)驗(yàn)去彌補(bǔ)而減小這些誤差?？傊诓贿h(yuǎn)的將來(lái)，隨著視覺技術(shù)、傳感技術(shù)、智能控制、網(wǎng)絡(luò)和信息技術(shù)以及大數(shù)據(jù)等技術(shù)的發(fā)展和深度融合，機(jī)器人激光切割機(jī)離線編程技術(shù)將會(huì)向智能化進(jìn)一步發(fā)展，如能夠自動(dòng)感知、辨識(shí)和重構(gòu)工件和加工路徑等，實(shí)現(xiàn)路徑的自主規(guī)劃，自動(dòng)糾偏和自適應(yīng)環(huán)境，人的干預(yù)越來(lái)越少，用戶操作會(huì)越來(lái)越簡(jiǎn)單，切割精度也會(huì)越來(lái)越高。