摘要：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。
關(guan) 鍵詞：激光加工；有限元分析；優(you) 化設計；誤差模型

1　引言(Introduction)

隨著製造業(ye) 水平的不斷提高，激光切割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。除激光切割和激光焊接外，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。

圖1　激光加工機器人外型圖

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。

3.2　模擬結果分析

3.2.1　x梁
x梁的模擬結果如圖2所示，通過模擬的結果我們(men) 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(men) 的變形是在允許的範圍之內(nei) 的。

圖2　x梁在受力方向的應變分布

3.2.2　y梁
y梁的模擬結果如圖3所示，通過模擬的結果可以看出，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隻有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(wei) 這個(ge) 支架結構比較複雜，而且受力很大，它的變形直接影響到z梁的精度，所以，我們(men) 對其在各個(ge) 方向的應力和應變都進行了分析。如圖4、5、6所示為(wei) z梁支架在x、y、z3個(ge) 方向的應變圖。圖7、8、9為(wei) z梁支架在x、y、z3個(ge) 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(men) 可以看到，在各個(ge) 支撐板上，都承受了很大的應力，因而變形量也很大。而圖5則說明由於(yu) z梁的作用力，使得固定z梁的板發生了變形，在模擬中，我們(men) 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(cong) 應力方麵來說明這個(ge) 問題。 #p#分頁標題#e#

總之，從(cong) 應力和應變兩(liang) 方麵的分析結果來看，我們(men) 對z梁支架這個(ge) 關(guan) 鍵的零件的設計是合理的。