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(lái)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(pán)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(wèn)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(lái)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(lái)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(lái)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(kāi)發(fā)過(guò)程中，采用SolidEdge進(jìn)行三維CAD設(shè)計(jì)，并通過(guò)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)。
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(guò)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(guò)程
在模擬分析過(guò)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(lái)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(guò)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(guò)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。
4 機(jī)器人誤差模型(Roboterrormodel)
4.1 誤差補(bǔ)償方法
在進(jìn)行機(jī)器人誤差補(bǔ)償及標(biāo)定時(shí)，首先要考慮機(jī)器人的精度問(wèn)題。在示教再現(xiàn)作業(yè)方式下，操作者移動(dòng)機(jī)器人末端執(zhí)行器到指定位置，然后通過(guò)機(jī)器人控制器記錄下此時(shí)末端執(zhí)行器的位姿，通常就是電機(jī)的碼盤(pán)值。然后，機(jī)器人可以“再現(xiàn)”已經(jīng)記錄的運(yùn)
動(dòng)方式和編程順序。在這種編程方式下，機(jī)器人的重復(fù)精度是主要的特性參數(shù)，現(xiàn)在大多數(shù)商品化工業(yè)機(jī)器人都是以這種方式工作，其重復(fù)精度在整個(gè)工作空間上都可以達(dá)到毫米數(shù)量級(jí)。因此，就精度問(wèn)題來(lái)說(shuō)，示教再現(xiàn)方式可以使機(jī)器人很好的工作。而對(duì)于激光加工機(jī)器人來(lái)說(shuō)，它的工作方式不是采用示教再現(xiàn)方式，而是采用離線編程方式，這時(shí)機(jī)器人的絕對(duì)精度成為關(guān)鍵指標(biāo)。一般而言，機(jī)器人的絕對(duì)精度要比重復(fù)精度低一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)，在如此低的精度下，機(jī)器人是無(wú)論如何也不能滿足工作需要。造成這種情況的原因主要是機(jī)器人控制器根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型來(lái)確定機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置，而這個(gè)理論上的模型與實(shí)際機(jī)器人的物理模型存在一定誤差。因此，對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行誤差補(bǔ)償進(jìn)而提高機(jī)器人的絕對(duì)精度是目前機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域急需解決的問(wèn)題。
一般情況下，機(jī)器人誤差分為幾何誤差和非幾何誤差。其中幾何誤差包括桿件參數(shù)誤差，理論參考坐標(biāo)系與實(shí)際基準(zhǔn)坐標(biāo)系的誤差、關(guān)節(jié)軸線的不平行度、零位偏差等；非幾何因素包括關(guān)節(jié)和連桿的彈性形變、齒輪間隙、齒輪傳動(dòng)誤差、熱形變等。如果對(duì)機(jī)器人的幾何誤差進(jìn)行了很好的補(bǔ)償，絕對(duì)精度就可以大大提高，只有對(duì)于特定的需要提高絕對(duì)精度的應(yīng)用時(shí)才考慮進(jìn)行非幾何誤差的補(bǔ)償。
要提高機(jī)器人的絕對(duì)精度，可以從兩方面入手，一是采用“避免”誤差的方法，即針對(duì)產(chǎn)生機(jī)器人誤差的各種誤差源，采用高精密加工手段加工機(jī)器人各零部件，結(jié)合高精密裝配技術(shù)進(jìn)行裝配。二是采用綜合補(bǔ)償技術(shù)，即采用現(xiàn)代的測(cè)量手段，對(duì)所測(cè)得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，輔以適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償算法，對(duì)機(jī)器人的誤差進(jìn)行補(bǔ)償以達(dá)到減小誤差的目的。
由于激光加工機(jī)器人的精度要求很高，需要采用多種方法進(jìn)行誤差綜合補(bǔ)償。首先采用“避免”誤差的方法。在機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用合理的結(jié)構(gòu)，使機(jī)器人的變形盡可能小。在加工制造過(guò)程中，關(guān)鍵的部件采用高精度的加工技術(shù)和裝配工藝。但是該方法對(duì)機(jī)器人經(jīng)過(guò)運(yùn)行，產(chǎn)生由于機(jī)械磨損、元件性能降低以及構(gòu)件自身動(dòng)態(tài)特性等因素帶來(lái)的誤差則無(wú)能為力。其次通過(guò)綜合補(bǔ)償技術(shù)來(lái)進(jìn)一步提高機(jī)器人精度。即根據(jù)實(shí)際測(cè)量的機(jī)器人誤差，在機(jī)器人模型中引入恰當(dāng)?shù)难a(bǔ)償算法，來(lái)減小機(jī)器人的誤差，實(shí)現(xiàn)改善和提高機(jī)器人精度的目的。
4.2 機(jī)器人誤差模型的建立
運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的選擇是決定機(jī)器人絕對(duì)精度的重要因素之一。它必須正確地對(duì)影響機(jī)器人末端位姿的各種因素建模。增加運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的復(fù)雜度有助于提高機(jī)器人的絕對(duì)精度，但是也要付出降低機(jī)器人性能中其它特性的代價(jià)，因此建模時(shí)要綜合考慮各方面的因素。
激光加工機(jī)器人為框架結(jié)構(gòu)的機(jī)器人，我們認(rèn)為采用網(wǎng)格化的誤差補(bǔ)償方法較合適，該方法可以補(bǔ)償機(jī)器人幾何誤差和某些非幾何誤差。
根據(jù)機(jī)器人補(bǔ)償精度的要求，可以把激光加工機(jī)器人工作空間劃分為網(wǎng)格。根據(jù)不同的補(bǔ)償精度的要求，網(wǎng)格的疏密程度可以不同。實(shí)際的網(wǎng)格劃分為14×11×9。
5 結(jié)論 ( Conclusion)
目前激光加工機(jī)器人完成調(diào)試，運(yùn)行結(jié)果表明系統(tǒng)完全達(dá)到預(yù)期指標(biāo) 。該機(jī)器人準(zhǔn)備用于汽車大型模具的表面激光處理 ，現(xiàn)在正在進(jìn)行激光加工處理工藝實(shí)驗(yàn)。不遠(yuǎn)的將來(lái)即可達(dá)到實(shí)用化程度，投入實(shí)際使用。
