本文介紹了大範圍、高精度5軸激光加工機器人係統的研究開發情況。在提高其絕對精度的前提下，對大範圍框架式機器人的結構、高精度機器人的誤差補償(chang) 方法進行了探討。采用有限元分析的方法對機器人本體(ti) 進行了優(you) 化設計，確保了高精度大型激光加工機器人設計的正確性。基於(yu) 測量數據，建立了機器人誤差模型，對機器人係統誤差進行了補償(chang) ，取得了較好的結果，保證機器人係統的激光加工精度。

1　引言(Introduction)

隨著製造業(ye) 水平的不斷提高，和激光焊接技術已在工業(ye) 界得到廣泛應用，並在一些加工領域顯示出明顯的優(you) 越性。除和激光焊接外，激光表麵工程、激光快速成型、激光微處理等技術亦日趨成熟，並逐漸應用於(yu) 一些特殊的工業(ye) 加工中。

目前激光加工機器人大多為(wei) 兩(liang) 軸或三軸的機械手，隻能進行簡單的加工，而複雜曲麵的加工則必須由高性能機器人來完成。針對此種現狀，本課題研製了大範圍、高精度5軸激光加工機器人，它可以完成複雜曲麵的加工。該機器人係統具有如下特點：機器人本體(ti) 采用高剛度框架式結構，平衡式設計，交流伺服驅動，高精度絕對碼盤檢測反饋。機器人控製器采用工業(ye) 級嵌入式CPU，進一步提高控製器的運算能力，縮短控製周期，提高插補精度，保證機器人的檢測精度和控製精度。建立了機器人誤差模型，解決(jue) 了機器人係統的誤差補償(chang) 問題，實現了機器人的高精度加工。

2　總體(ti) 設計方案(Schemedesign)

研製大範圍、高精度5軸框架式機器人係統，既要保證係統的先進性，同時又要考慮其實用性和可靠性。由於(yu) 機器人係統行程的加大，精度的大幅度提高，在機器人的基本結構形式、傳(chuan) 動係統的配置方式、關(guan) 鍵部件如一體(ti) 化傳(chuan) 動裝置、交流伺服電機的選用等方麵，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係統和機器人控製係統進行了特殊設計，保證了機器人整體(ti) 係統的高精度和高性能。

2.1　特殊設計和技術措施

(1)Y軸傳(chuan) 動采用雙傳(chuan) 動型，來減少由於(yu) Z軸的傾(qing) 斜引起的誤差；
(2)腕部自由度的配置做了較大的改變，解決(jue) 激光頭與(yu) A軸同心度帶來的誤差，並加入了激光頭姿態的調整功能；
(3)X、Y梁采取了提高剛度的措施，Z梁立柱由2個(ge) 增加至3個(ge) ，以提高其剛度係數；
(4)X軸、Z軸一體(ti) 化傳(chuan) 動裝置的動力橋，采用加長形，由340mm長改為(wei) 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(ti) 化傳(chuan) 動裝置的負載，同時加大X軸驅動電機的功率；
(6)增加了X軸、Y軸一體(ti) 化傳(chuan) 動裝置的側(ce) 向直線度的整體(ti) 功能，達到垂直方向的直線度由梁的平麵度保證，側(ce) 向直線度由調整保證；
(7)X梁、Y梁采用嚴(yan) 格加工工藝，確保性能穩定和高精度：專(zhuan) 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(you) 化設計

在激光加工機器人的開發過程中，采用SolidEdge進行三維CAD設計，並通過有限元軟件進行模擬分析，依據分析結果進行設計修改和優(you) 化。由於(yu) 采用先進的設計手段，確保了機器人本體(ti) 的優(you) 化設計，為(wei) 提高機器人的整體(ti) 精度奠定了基礎。

3　關(guan) 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(guan) 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係數。

3.1　模擬分析過程

在模擬分析過程中，對x梁的簡化最大，將三維模型轉化成二維圖形來分析，主要是因為(wei) x梁的結構比較簡單而且規則，受力情況也比較簡單。我們(men) 選擇的單元類型是BEAM189，這種單元的精度比較高，另外，還引入了截麵特性這個(ge) 參數，所以，我們(men) 認為(wei) 結果的準確性還是值得信任的。這樣可以省掉複雜的建模過程，將主要精力用在結果的分析上。

對y梁的分析也采用了簡化，但是采用了實體(ti) 建模，y梁的結構相對比較複雜，而且受力也很複雜，采用的單元是SOLID45，單元的精度適中，考慮到y梁的長度，如果采用複雜的單元並細分網格，可能增加求解的困難，並延長計算的時間。在準確度和效率之間應該有一個(ge) 合理的分配，采用三維實體(ti) 模型就可以大大提高精度，所以在單元類型和網格劃分的選擇上，可以稍微粗糙一些，這樣並不降低精度，並且能提高計算效率。

z梁支架是一個(ge) 很關(guan) 鍵的部件，所以，我們(men) 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，增加計算量，甚至導致求解的失敗。

4　機器人誤差模型(Roboterrormodel)

4.1　誤差補償(chang) 方法

在進行機器人誤差補償(chang) 及標定時，首先要考慮機器人的精度問題。在示教再現作業(ye) 方式下，操作者移動機器人末端執行器到指定位置，然後通過機器人控製器記錄下此時末端執行器的位姿，通常就是電機的碼盤值。然後，機器人可以“再現”已經記錄的運動方式和編程順序。在這種編程方式下，機器人的重複精度是主要的特性參數，現在大多數商品化工業(ye) 機器人都是以這種方式工作，其重複精度在整個(ge) 工作空間上都可以達到毫米數量級。因此，就精度問題來說，示教再現方式可以使機器人很好的工作。而對於(yu) 激光加工機器人來說，它的工作方式不是采用示教再現方式，而是采用離線編程方式，這時機器人的絕對精度成為(wei) 關(guan) 鍵指標。一般而言，機器人的絕對精度要比重複精度低一到兩(liang) 個(ge) 數量級，在如此低的精度下，機器人是無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器人控製器根據機器人的運動學模型來確定機器人末端執行器的位置，而這個(ge) 理論上的模型與(yu) 實際機器人的物理模型存在一定誤差。因此，對機器人運動學模型進行誤差補償(chang) 進而提高機器人的絕對精度是目前機器人技術領域急需解決(jue) 的問題。

一般情況下，機器人誤差分為(wei) 幾何誤差和非幾何誤差。其中幾何誤差包括杆件參數誤差，理論參考坐標係與(yu) 實際基準坐標係的誤差、關(guan) 節軸線的不平行度、零位偏差等；非幾何因素包括關(guan) 節和連杆的彈性形變、齒輪間隙、齒輪傳(chuan) 動誤差、熱形變等。如果對機器人的幾何誤差進行了很好的補償(chang) ，絕對精度就可以大大提高，隻有對於(yu) 特定的需要提高絕對精度的應用時才考慮進行非幾何誤差的補償(chang) 。

要提高機器人的絕對精度，可以從(cong) 兩(liang) 方麵入手，一是采用“避免”誤差的方法，即針對產(chan) 生機器人誤差的各種誤差源，采用高精密加工手段加工機器人各零部件，結合高精密裝配技術進行裝配。二是采用綜合補償(chang) 技術，即采用現代的測量手段，對所測得的數據進行分析，輔以適當的補償(chang) 算法，對機器人的誤差進行補償(chang) 以達到減小誤差的目的。

由於(yu) 激光加工機器人的精度要求很高，需要采用多種方法進行誤差綜合補償(chang) 。首先采用“避免”誤差的方法。在機器人的結構設計中，采用合理的結構，使機器人的變形盡可能小。在加工製造過程中，關(guan) 鍵的部件采用高精度的加工技術和裝配工藝。但是該方法對機器人經過運行，產(chan) 生由於(yu) 機械磨損、元件性能降低以及構件自身動態特性等因素帶來的誤差則無能為(wei) 力。其次通過綜合補償(chang) 技術來進一步提高機器人精度。即根據實際測量的機器人誤差，在機器人模型中引入恰當的補償(chang) 算法，來減小機器人的誤差，實現改善和提高機器人精度的目的。 #p#分頁標題#e#

4.2　機器人誤差模型的建立

運動學模型的選擇是決(jue) 定機器人絕對精度的重要因素之一。它必須正確地對影響機器人末端位姿的各種因素建模。增加運動學模型的複雜度有助於(yu) 提高機器人的絕對精度，但是也要付出降低機器人性能中其它特性的代價(jia) ，因此建模時要綜合考慮各方麵的因素。

激光加工機器人為(wei) 框架結構的機器人，我們(men) 認為(wei) 采用網格化的誤差補償(chang) 方法較合適，該方法可以補償(chang) 機器人幾何誤差和某些非幾何誤差。

根據機器人補償(chang) 精度的要求，可以把激光加工機器人工作空間劃分為(wei) 網格。根據不同的補償(chang) 精度的要求，網格的疏密程度可以不同。實際的網格劃分為(wei) 14×11×9。

5　結論 ( Conclusion)

目前激光加工機器人完成調試，運行結果表明係統完全達到預期指標 。該機器人準備用於(yu) 汽車大型模具的表麵激光處理 ，現在正在進行激光加工處理工藝實驗。不遠的將來即可達到實用化程度，投入實際使用。