1 引言
隨著汽車業(yè)、軍工及重工等行業(yè)的飛速發(fā)展，這些行業(yè)中的三維鈑金零部件和特殊型材的切割加工呈現(xiàn)小批量化、多樣化、高精度化的趨勢。工業(yè)機器人和光纖激光所組成的機器人激光切割系統(tǒng)一方面具有工業(yè)機器人的特點，能夠自由、靈活的實現(xiàn)各種復(fù)雜三維曲線加工軌跡，另一方面采用柔韌性好、能夠遠距離傳輸激光光纖作為傳輸介質(zhì)，不會對機器人的運動路徑產(chǎn)生限制作用。相對于傳統(tǒng)的加工方法，機器人激光切割系統(tǒng)在滿足精確性要求的同時，能很好地提高整個激光切割系統(tǒng)的柔性，占用更少的空間，具有更高的經(jīng)濟性和競爭力。
2 ABB機器人相關(guān)技術(shù)
與點焊、搬運等運動控制所不同的是，激光切割是基于連續(xù)工藝狀態(tài)下的運動控制，除了要求機器人具有較高的運動點的精度和重復(fù)定位精度外，還對機器人運動的軌跡即機器人的直線和圓弧軌跡插補的精度提出了很高的要求。激光切割中的倒角切割和小圓切割的精度和穩(wěn)定性能夠很好的衡量機器人的運動控制能力。ABB利用自身強大的研發(fā)實力開發(fā)了一系列的高端技術(shù)，來滿足市場的需求。所開發(fā)的True Move和Quick Move技術(shù)能夠很好地解決高速情況下倒角切割的精度問題，Advanced Shape Tuning和Wrist Move技術(shù)則能夠很好地解決小圓切割的精度問題。同時，結(jié)合ABB的離線編程仿真軟件Robot Studio和良好的人機交互接口Flexpendant及人機界面，使得整個激光切割系統(tǒng)在滿足客戶技術(shù)要求的前提下，容易操作及管理。
2.1 True Move和Quick Move技術(shù)
如圖1所示，傳統(tǒng)機器人在低速情況下實際路徑與編程路徑相吻合，但是在高速情況下做轉(zhuǎn)彎運動時，實際路徑就會偏離編程路徑。基于高級前饋伺服控制技術(shù)的True Move極大的提升了運動控制精度，解決了機器人在高速情況下實際運動路徑偏離編程路徑的問題，真正實現(xiàn)了所編即所得。
如圖2所示，傳統(tǒng)機器人在速度上升和下降的過程中加速度保持不變，相應(yīng)的完成一個動作節(jié)拍的時間也較長。基于高級動力模型控制技術(shù)的Quick Move可以精確控制機器人的加減速度和穩(wěn)定速度，通過使機器人任意時刻的加速度最大化來減少動作節(jié)拍時間。
2.2 Advanced Shape Tuning和Wrist Move技術(shù)
ABB開發(fā)的Advanced Shape Tuning軟件能夠補償機器人軸摩擦力功能，對機器人在走復(fù)雜的三維切割路徑時的微小抖動、共振等情況做及時、精確的補償。這些功能包含在機器人的選項中，應(yīng)用時客戶只需要調(diào)用相應(yīng)的功能模塊，機器人就能根據(jù)指令重復(fù)走所編程的路徑并且自動獲得各個軸的摩擦參數(shù)。
Wrist Move是使機器人在切割時1、2、3軸不動，只有機器人運動末端4、5、6軸進行運動，這就避免了1、2、3軸運動時軸摩擦力對小圓切割路徑造成的不良影響。
2.3 離線編程仿真和人機交互接口
Robot Studio是ABB開發(fā)的離線編程與仿真軟件，可在電腦上完成幾乎所有的機器人編程與仿真。如圖3所示，通過Robot Studio能夠?qū)崿F(xiàn)十分逼真的模擬，并且所用的均為實際使用的機器人程序和配置文件。配合ABB Absolute Accuracy校正系統(tǒng)，可以使模擬結(jié)果達到很高的精度。Robot Studio還可方便地導(dǎo)入IGES、STEP、CATIA等主流CAD格式數(shù)據(jù)，然后依據(jù)這些精確的數(shù)據(jù)編制機器人程序。使用軟件中的AutoPath功能，僅在數(shù)分鐘之內(nèi)便可自動生成跟蹤加工曲線所需要的機器人位置(路徑)，很好地解決了激光切割中復(fù)雜切割曲線無法通過示教產(chǎn)生的問題，大大節(jié)約了編程時間。
ABB機器人采用觸摸屏式的示教器FlexPendent，配合示教器上的搖桿和簡潔的按鍵設(shè)計，使用十分方便。同時，ABB新開發(fā)的專用切割操作軟件具有良好的激光切割人機界面，將切割參數(shù)設(shè)置、軸摩擦力調(diào)整及I/O監(jiān)控等界面以圖形化、數(shù)字化等形式顯示在示教器上，界面十分友好，便于使用人員對系統(tǒng)進行狀態(tài)監(jiān)控和操作。
ABB 2600型機器人所構(gòu)建的激光切割系統(tǒng)很好地體現(xiàn)了ABB機器人在激光切割應(yīng)用領(lǐng)域相關(guān)的技術(shù)，下面以此為應(yīng)用案例進行介紹。
3.1 系統(tǒng)組成
機器人激光切割系統(tǒng)外部布局和內(nèi)部布局分別如圖4和圖5所示。整個系統(tǒng)主要由ABB IRB 2600機器人及MTC750轉(zhuǎn)臺(圖6a)、IPG激光器及水冷設(shè)備(圖6b)、Precitec激光切割頭(圖6c)、RIP煙塵凈化設(shè)備組成(圖6d)。
1) IRB 2600機器人具有同類產(chǎn)品中最高的定位精度及加速度，可確保高產(chǎn)量及低廢品率從而提高生產(chǎn)率。所切割的鈑金件安放在MTC750轉(zhuǎn)臺上。應(yīng)用ABB機器人的MultiMove功能，機器人和轉(zhuǎn)臺能夠協(xié)同運動，且能達到很高的運動精度，從而保證工件的激光切割精度。
2) 激光發(fā)生器及水冷設(shè)備選用IPG公司的，型號為YLS-1000，激光最大功率為1000 W。激光采用光纖傳輸，經(jīng)聚焦后作為切割熱源，使工件被照射處的材料迅速熔化，同時用與激光束同軸的高速氣流來吹除熔融物質(zhì)，以形成空洞，隨著光束與材料沿一定軌跡作相對運動，從而使孔洞連續(xù)形成一定形狀的切縫，完成對工件的激光切割。
3) 激光切割頭選用Precitec公司YRC型切割頭，該切割頭除了具有用來聚焦激光的聚焦透鏡以及相應(yīng)的光纖插口、水冷和氣體連接口外，還具有高度傳感器，能夠進行防碰撞保護和自動浮動調(diào)焦。該功能可以有效地提高激光切割質(zhì)量。
除此之外，為了防止激光切割過程中所產(chǎn)生的激光輻射和煙塵污染，2600機器人和MTC750轉(zhuǎn)臺都放置在工作房內(nèi)，整個加工過程在工作房內(nèi)進行，用于觀察切割過程和上下料的窗口均采用特制的激光防護玻璃，產(chǎn)生的煙塵在加工過程中利用RIP凈化設(shè)備及時抽走，從而保證了整個激光切割系統(tǒng)的安全性。
3.2 系統(tǒng)特點
1) 采用ABB離線編程與仿真技術(shù)，顯著縮短了整個系統(tǒng)的編程和調(diào)試的時間，提高了整體生產(chǎn)效率。大部分機器人編程均可在Robot Studio環(huán)境下完成。首先將相關(guān)的機器人、轉(zhuǎn)臺模型，以及Precitec激光切割頭、所加工工件的三維模型導(dǎo)入到Robot Studio中，應(yīng)用AutoPath功能根據(jù)工件形狀模型自動生成編程路徑，必要時進行路徑優(yōu)化和碰撞檢測。然后通過虛擬運行機器人程序，在Robot Studio虛擬三維環(huán)境中能夠直觀的觀察機器人的運動路徑，以便進行修改和調(diào)整。最后將確定好的機器人程序下載至實際的機器人控制器中，進行少量的實際調(diào)試即可完成整個系統(tǒng)的機器人編程。實際生產(chǎn)中應(yīng)用該技術(shù)，無論是投產(chǎn)還是換線，機器人編程均可提前準備就緒，大大降低了在生產(chǎn)現(xiàn)場調(diào)試和停機中斷生產(chǎn)的時間，提高了生產(chǎn)效率，擴大了機器人系統(tǒng)投資回報。
2) 采用ABB機器人True Move和Quick Move技術(shù)，最大程度地保證了機器人的運動精度和速度。同時利用Advanced Shape Tuning對2600機器人6個軸的摩擦力進行補償，提高了機器人自身運動精度，最大程度地降低了機器人運動誤差對激光切割質(zhì)量的不良影響。
3) 高質(zhì)量的激光切割效果除了要求機器人自身應(yīng)具有很高的運動軌跡精度外，良好的切割工藝也是必備因素。切割工藝涉及到切割速度和加速度、激光功率、焦點位置、吹氣量等多種因素的綜合調(diào)節(jié)。圖7為工藝調(diào)整后切割出的小圓，直徑分別為Φ6，Φ8，Φ10，Φ12，Φ14，Φ16，Φ20，Φ30，可以看出切割后的小圓熱變形很小，邊緣光潔，無明顯缺陷。經(jīng)測量，小圓的軌跡誤差約為0.1~0.25 mm，說明基于ABB機器人的激光切割系統(tǒng)具有很高的運動精度和切割精度。
4 結(jié)束語
ABB機器人激光切割系統(tǒng)既具有機器人運動靈活，柔性高的特點，又具有激光切割的切割速度快、質(zhì)量好、切縫窄等優(yōu)點，很好地滿足了現(xiàn)代制造業(yè)發(fā)展的要求；同時借助ABB機器人在激光切割領(lǐng)域的相關(guān)技術(shù)，不僅在技術(shù)上能夠滿足復(fù)雜三維切割的要求，有助于提高工業(yè)產(chǎn)品的質(zhì)量水平，同時降低了生產(chǎn)成本，能夠給企業(yè)帶來巨大的經(jīng)濟效益。
