摘要：本文介紹了大范圍、高精度5軸激光加工機器人系統(tǒng)的研究開發(fā)情況。在提高其絕對精度的前提下，對大范圍框架式機器人的結(jié)構(gòu)、高精度機器人的誤差補償方法進行了探討。采用有限元分析的方法對機器人本體進行了優(yōu)化設計，確保了高精度大型激光加工機器人設計的正確性。基于測量數(shù)據(jù)，建立了機器人誤差模型，對機器人系統(tǒng)誤差進行了補償，取得了較好的結(jié)果，保證機器人系統(tǒng)的激光加工精度。
關鍵詞：激光加工；有限元分析；優(yōu)化設計；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已在工業(yè)界得到廣泛應用，并在一些加工領域顯示出明顯的優(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、激光微處理等技術亦日趨成熟，并逐漸應用于一些特殊的工業(yè)加工中。

目前激光加工機器人大多為兩軸或三軸的機械手，只能進行簡單的加工，而復雜曲面的加工則必須由高性能機器人來完成。針對此種現(xiàn)狀，本課題研制了大范圍、高精度5軸激光加工機器人，它可以完成復雜曲面的加工。該機器人系統(tǒng)具有如下特點：機器人本體采用高剛度框架式結(jié)構(gòu)，平衡式設計，交流伺服驅(qū)動，高精度絕對碼盤檢測反饋。機器人控制器采用工業(yè)級嵌入式CPU，進一步提高控制器的運算能力，縮短控制周期，提高插補精度，保證機器人的檢測精度和控制精度。建立了機器人誤差模型，解決了機器人系統(tǒng)的誤差補償問題，實現(xiàn)了機器人的高精度加工。

2　總體設計方案(Schemedesign)

研制大范圍、高精度5軸框架式機器人系統(tǒng)，既要保證系統(tǒng)的先進性，同時又要考慮其實用性和可靠性。由于機器人系統(tǒng)行程的加大，精度的大幅度提高，在機器人的基本結(jié)構(gòu)形式、傳動系統(tǒng)的配置方式、關鍵部件如一體化傳動裝置、交流伺服電機的選用等方面，均采取了諸多技術措施來達到性能指標的要求。同時對機器人的檢測系統(tǒng)和機器人控制系統(tǒng)進行了特殊設計，保證了機器人整體系統(tǒng)的高精度和高性能。

2.1　特殊設計和技術措施

(1)Y軸傳動采用雙傳動型，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個增加至3個，以提高其剛度系數(shù)；
(4)X軸、Z軸一體化傳動裝置的動力橋，采用加長形，由340mm長改為500mm長，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軸一體化傳動裝置的負載，同時加大X軸驅(qū)動電機的功率；
(6)增加了X軸、Y軸一體化傳動裝置的側(cè)向直線度的整體功能，達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、人工時效處理、導軌磨床精加工等。

2.2　優(yōu)化設計

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

圖1　激光加工機器人外型圖

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

在激光加工機器人的設計過程中，對其關鍵部件x梁、y梁和z梁支架用軟件進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行計算，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x梁的簡化最大，將三維模型轉(zhuǎn)化成二維圖形來分析，主要是因為x梁的結(jié)構(gòu)比較簡單而且規(guī)則，受力情況也比較簡單。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參數(shù)，所以，我們認為結(jié)果的準確性還是值得信任的。這樣可以省掉復雜的建模過程，將主要精力用在結(jié)果的分析上。

對y梁的分析也采用了簡化，但是采用了實體建模，y梁的結(jié)構(gòu)相對比較復雜，而且受力也很復雜，采用的單元是SOLID45，單元的精度適中，考慮到y(tǒng)梁的長度，如果采用復雜的單元并細分網(wǎng)格，可能增加求解的困難，并延長計算的時間。在準確度和效率之間應該有一個合理的分配，采用三維實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，并且能提高計算效率。

z梁支架是一個很關鍵的部件，所以，我們在盡量不簡化的情況下對其進行了模擬，倒角、連接過渡和螺紋必須要簡化掉，否則，這些部位可能增加相當多的單元數(shù)，增加計算量，甚至導致求解的失敗。

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，完全能夠滿足實際工作中精度的要求。在受力方向上，y梁受到的應力最大也只有300N左右。

圖3　y梁在受力方向的應變分布

3.2.3　z梁支架
z梁支架的模擬需要很詳細，因為這個支架結(jié)構(gòu)比較復雜，而且受力很大，它的變形直接影響到z梁的精度，所以，我們對其在各個方向的應力和應變都進行了分析。如圖4、5、6所示為z梁支架在x、y、z3個方向的應變圖。圖7、8、9為z梁支架在x、y、z3個方向的應力圖。

圖4　z梁支架在x方向的應變分布

圖5　z梁支架在y方向的應變分布

圖6　z梁支架在z方向的應變分布

圖7　z梁支架在x方向的應力分布

圖8　z梁支架在y方向的應力分布

圖9　z梁支架在z方向的應力分布

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，在各個支撐板上，都承受了很大的應力，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，對垂直方向的尺寸精度影響很小。圖7、8、9則是從應力方面來說明這個問題。 #p#分頁標題#e#

總之，從應力和應變兩方面的分析結(jié)果來看，我們對z梁支架這個關鍵的零件的設計是合理的。