激光加工的柔性集成系统研究 - 文章

激光加工的柔性集成系统研究

作者：崔鸿忠李正佳刘延林

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0、引言

激光加工技术是利用激光束与物质相互作用的特性对材料(包括金属与非金属)进行切割、焊接、表面处理、打孔及微加工等的一门加工技术。激光加工技术是涉及到光、机、电、材料及检测等多门学科的一门综合技术，同时它也是先进制造技术的一种。杨叔子院士在其论文中总结的先进制造技术的八个方面的发展趋势和特色：“数”；“精”；“极”；“自”；“集”；“网”；“智”；“绿”。仔细分析就激光加工技术而言在这八个方面具备了多数，而本文所要阐述的就是激光加工技术的“集”，“智”，也就是激光加工的柔性化，集成化和智能化。而这些方向也正是我们激光加工技术期待发展和需要发展的地方。以大族激光为代表的很多激光产业也在朝这些方面进行研究和开发。这里主要是将激光加工技术应用到柔性制造系统(或单元)中来进行研究。

1、激光加工的柔性

激光加工本身就具有很好的柔性：

(1) 激光器本身是一个比较简单而且易于控制的装置，如果把它产生的光束聚集成极细的光束，就可以切割；散焦一点就可以焊接；再散焦一点，就能进行热处理。

(2) 采用激光加工，不仅加工速度快，效率高，成本低，而且避免了模具或刀具更换，缩短了生产准备时间周期。易于实现连续加工，激光光束换位时间短，提高了生产效率。可进行多种工件交替安装。一个工件加工时，可卸下已完成的部件，并安装待加工工件，实现并行加工，减少安装时间，增加激光加工时间。

(3) 激光束采用直接驱动和导向方法。激光可作旋转、倾斜、上下左右移动等运动，能加工工件的垂直面和复杂表面；而且直接驱动没有空程，精度高。将激光的控制和机器人相结合，用机器人来移动或多轴线方式方式翻转光束下的零件，可加工一些用传统方法加工比较困难的零件。

(4) 采取多级快速反应的防撞措施，光束导向装置接触工件时，运动系统立即停机，使系统不被破坏，避免了昂贵的维护；碰撞后能快速而简单地恢复工作，减少了碰撞引起的停机时间，提高了激光系统的加工效率和可靠性。

(5) 激光头可自由运动，目前激光头已达5个运动轴，即使工件在加工时保持固定，仍可实现复杂工件的加工，而且只要利用移动旋转工作台，就可加工比轴行程大的零部件。激光束采用自动聚焦控制。激光系统直线轴可沿光轴或任意轴定位，以保持光束聚焦；焦点位置任何时刻都精确可知，而且行程无限制。图1示出了自动聚焦控制与镜头伺服控制的比较，由图看见，镜头伺服系统中聚焦透镜与激光系统移动无关，因此焦点位置无法确定。

图1 自动聚焦控制与镜头伺服控制比较

2、柔性制造系统（FMS）

柔性制造系统(Flexible Manufacturing System 缩写FMS)是指适用于多品种、中小批量生产的具有高柔性且自动化程度高的制造系统。柔性是FMS的最大特点，即系统内部对外部环境的适应能力。FMS自其诞生以来就显示出强大的生命力，它克服了传统的刚性自动线只适用于大量生产的局限性，表现出了对多品种、中小批量生产制造自动化的适应能力。随着社会对产品多样化、低制造成本、短制造周期要求的日趋迫切，由于微电子技术、计算机技术、通信技术、机械与控制设备的进步，柔性制造技术发展迅猛并日臻成熟。实用表明，柔性制造技术具有如下特点：具有较高的柔性、机构性和通用性；转产快、准备时间短；备利用率高，可实现无人看管24h连续工作；加工质量高且稳定；所需费用低；相同产量占地面积是传统设备的60%。由此可见，正是由于柔性制造技术的这种高效、灵活的特性使其成为实施敏捷制造、并行工程、精益生产和智能制造系统的基础，且应用日益广泛，已成为制造领域的核心技术。而按规模大小FMS主要分为：柔性制造单元(FMC)；柔性制造线(FML)；柔性制造系统(FMS)。

一般柔性制造系统的主要组成部分为：

(1) 加工系统

FMS采用的设备由待加工工件的类别决定主要有加工中心、车削中心或计算机数控(CNC)车、铣、磨及齿轮加工机床等，用以自动地完成多种工序的加工。

(2) 物料系统

用以实现工件及工装夹具的自动供给和装卸，以及完成工序间的自动传送、调运和存贮工作，包括各种传送带、自动导引小车、工业机器人及专用起吊运送机等。

(3) 计算机控制系统

用以处理FMS的各种信息，输出控制CNC机床和物料系统等自动操作所需的信息。通常采用三级(设备级、工作站级、单元级)分布式计算机控制系统，其中单元级控制系统(单元控制器)是FMS的核心。

(4) 系统软件

用以确保FMS有效地适应中小批量多品种生产的管理、控制及优化工作，包括设计规划软件、生产过程分析软件、生产过程调度软件、系统管理和监控软件。

3、激光柔性加工系统的实现

由上述文字我们可以发现激光加工与柔性制造系统有很好的相容性，把两者结合起来形成激光柔性加工系统，在彼此相互配合良好的条件下肯定会收到非凡的效果并取得良好的收益。

随着激光与材料的相互作用的进一步研究，激光加工技术也必将广泛的应用在柔性制造系统上。

实现激光加工的柔性系统化主要指激光加工头能灵活机动地引导激光束到达零件的待加工位置。从激光加工机床所能加工零件的复杂程度看，又分平面二维和空间三维激光加工，大功率激光三维加工是未来激光加工的方向的发展方向，为了实现激光加工的灵活性，三维激光必须采用运动光学系统。大功率三维YAG激光加工系统通常采用机器人(或机器手)配合光导纤维进行光束传输，由机器人挟持着激光头完成各种运动，激光则通过光导纤维传送到激光加工头处，到达工件表面，这种加工系统中，光束的传输和聚焦特性不受加工位置的影响。

机器手作为激光柔性加工系统的重要组成部分，其运动状态的稳定性直接影响着加工质量。而对于大功率CO2激光，则是通过一组光学镜片(镜组)进行传输。这些镜组安装在多轴联动(一般是5轴联动)数控加工机床上，激光从激光器发射出来后，经过若干反射镜，传送到激光加工头。随着加工位置的变化，加工机床带动激光加工头运动。结果使镜片之间的距离以及激光束的行程不断发生变化，这些变化将影响激光束能量分布和聚焦特性的变化，从而影响了加工过程，目前，这两种加工系统都得到广泛应用。

图2 采用CAD/CAM技术的激光加工过程

进行三维激光加工离不开计算机程序，编制激光加工的计算机程序主要有示教编程和自动编程两种方式。由于手工示教编程是一项劳动强度大，效率低的工作，采用自动编程则是三维激光加工的必然趋势。自动编程是建立在CAD平台上的CAM系统，这就必须与CAD/CAM技术相连接，以便实现加工各种复杂几何形状的自动化过程，其中需采用许多先进技术，如产品设计与工艺过程设计的专家数据库等，采用CAD/CAM技术的激光加工过程如图产品的几何形状通过数字化显示终端反馈到CAD/CAM系统，或全部过程由图象扫描器自动完成，扫描系统以具有2048象元和5灰度的CCD线性摄像机为基础，高速的图像处理器将几何图像的象元转换成CAD系统所用的曲线形式。用户可在CAD终端检查所扫描的几何图形，图形的周长和面积可自动地计算，系统利用这两个值，对用户提供的绘图进行快速拷贝，然后由计算机专家数据库产生出生产过程(CAPP)文件，最后进行NC编程，将生产过程文件变成控制信息，如加工参数、切割路线等。最后根据材料的选择，加工可在系统上完成。与其他加工类型的FMS相比，激光柔性加工系统的材料传输需有其独特之处。

(1) 分布式数据控制

由于激光加工不需要对工件施加机械力，装夹成本最低，现有的激光加工工作台允许工件材料通过机器在X，Y和-Y三个方向馈送，因此工作台既适用于单一薄板、部件及托盘装卸，又适合于滚压式进给。当代激光单元最重要的DNC特征包括轴线的的维数、控制激光器参数(如功率值，光闸，光的通与断等)，用于可靠程序装入、撤除的有效的DNC模型及连接外部传感器和材料传输系统的能力。

(2) 机器人

利用机器人时，钳抓装置的扳手必须足够大，以便能抓住大的工件，钳抓装置上还必须装有智能传感器(具有感觉和视觉)，用来检测叠层组件的高度。其解决办法是采用增加了环氧树脂的碳纤维来制造钳抓装置，它带有许多小的吸盘和微型感应传感器。为了能够吸取多块加工板，使用气缸施给钳抓装置一个轻微的倾斜运动。

(3) AGV和ASR

在激光柔性加工系统中，用ASR(有效供给速度)仓库来存放加工板。一个多级ASR仓库可同时为1-3个加工中心服务，机床不必安装自己的托盘交换器。ASR仓库系统能存储大量的被加工工件，它们由AGV(自动导向车)来传送到工作台，使长时间无人操作的生产运行成为现实。为防止小工件从加工工作台上倾斜下落，一种特殊的钢制或铝制支持托板应运而生。

4、激光柔性加工系统的误差检测和补偿

激光柔性加工系统的加工处理过程实质上是一个数据采集、存储、传递和转换的过程，最终产物可以看作是数据和信息的物质表现。要保证测量数据的准确性和加工数据转化为加工轨迹的精确性，就要求对系统结构本身的精度有全面细致的检测和了解，并能根据检测的结果对系统进行误差分析和补偿，完善原有结构，以满足高精度加工要求。

目前激光加工机器人大多为两轴或三轴的机械手，只能进行简单的加工，而复杂曲面的加工则必须由高性能机器人来完成，也就是大范围、高精度5轴激光加工机器人，它可以完成复杂曲面的加工。若整个系统是以框架式机器人为载体，由X轴、Y轴、Z轴构成其直角坐标系中的三维运动，另外可绕A轴旋转、C轴摆动。这样整个系统的加工范围和精度就会得到很大的提高。前面阐述的三维激光加工若是大型工件一般就采用框架式机器人。这样对整个系统的检测和补偿尤其是对机器人的误差的检测和补偿就显得尤为重要，同时也才能保证系统进行高精度的加工。

在激光加工时，要求光束垂直于加工表面，有确定的焦距要在大范围工作空间内达到加工所需精度，就需了解X轴、Y轴、Z轴的定位误差、直线度运动误差、角运动误差和各轴之间的垂直度误差。同时还要了解A、C轴的旋转和摆动的角度误差和各自旋转主轴在系统框架中的姿态，以便建立数学补偿模型来提高系统精度。整个系统需要检测的项目繁多且精度类型各异，利用普通量仪不但需要多台仪器，而且费时。例如，检测X轴、Y轴、Z轴的定位精度，传统方法是采用激光干涉仪，而各轴对应的直线度误差则采用平尺或激光准直仪，检测角运动误差则需要角度激光干涉仪或电子水平仪等。各测量仪之间的测量精度也不一样，尤其是无法测量出A、C轴相对于整个框架的姿态。传统测量仪器很难获得系统的动态性能指标，所以在对整个柔性系统的检测中采用的是近年才发展起来的激光跟踪干涉仪。激光跟踪干涉技术是基于激光干涉原理和伺服控制原理，用来测量物体空间位置和姿态并随着机器人计量学的需要而发展起来的一门新型技术。如图3所示，整个测量系统立于一个立柱上，测量头可绕水平轴和垂直轴转动。仪器能以1000次/s的采样速度测量光束的空间方位角θi、φi和测量头至目标反射镜中心之间的距离Li。将极坐标数据转换成直角坐标，就获得了测点的空间坐标值。若对精度要求再高一些例如在微加工中可利用LM多坐标激光干涉仪组成的纳米定位系统。

图3 利用激光跟踪干涉仪测量机器人腕部示意图

运动学模型的选择是决定机器人绝对精度的重要因素之一。它必须正确地对影响机器人末端位姿的各种因素建模。增加运动学模型的复杂度有助于提高机器人的绝对精度，但是也要付出降低机器人性能中其它特性的代价，因此建模时要综合考虑各方面的因素。激光加工机器人为框架结构的机器人，我们认为采用网格化的误差补偿方法较合适，该方法可以补偿机器人几何误差和某些非几何误差。根据机器人补偿精度的要求，可以把激光加工机器人工作空间划分为网格如图4所示。根据不同的补偿精度的要求，网格的疏密程度可以不同。

图4 机器人工作空间网格划分图

X方向的误差补偿公式

Dx=Jx-Li-1/Li-Li-1 Li-1≤Jx≤Li J’x=Jx+Dx(Lxi-Lxi-1)+Lxi-1

Y方向的误差补偿公式

Dy=Jy-Lj-1/Lj-Lj-1 Lj-1≤Jy≤Lj J’y=Jy+Dy(Lyi-Lyj-1)+Lyj-1

Z方向的误差补偿公式

Dz=Jz-Lk-1/Lk-Lk-1 Lk-1≤Jz≤Lk J’z=Jz+Dz(Lzk-Lzk-1)+Lzk-1

其中Li、Lj、Lk分别为X方向、Y方向和Z方向的网格点，Lxi、Lyj、Lzk分别为X方向、Y方向和Z方向的位置补偿值。在机器人系统未补偿前、机器人系统的最大误差为0.2mm、经过补偿后的机器人误差为0.04mm、完全满足机器人激光加工精度的要求。

5、结束语

随着激光加工技术和先进制造技术的进一步发展，激光柔性加工系统一定会得到长足的发展和应用，而目前在国内的中科院力学所的集成化智能制造和柔性加工系统的开发成功是该领域的具体应用，已经投入到汽车模具的加工应用中。由于改领域的开发研究投入较大，因此利用计算机模拟仿真系统值得进一步探讨和研究；还有小型的激光加工FMC也会是一个比较好的发展方向。

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原载：《组合机床与自动化加工技术》(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (5/1/2006)


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