激光加工平台多自由度机械手的研究

【摘要】本文通过对激光加工平台多自由度机械手的研究，现代的激光加工平台多自由度机械设备产品正朝着高效率、智能化、模块化、集成化等方向不断发展，许多包装产品可以根据产品特点、不同的功能进行不同的组态，可移植性能不断提高。浙江工贸职业技术学院材料系机电一体化（光机电方向）正在研发激光加工平台的相关设备，但现在应用教学的实训设备还没有，而且市场上的教仪公司也没有在研发相关的产品。所以根据浙江工贸职业技术学院材料实际需求，本项目研发一套激光加工平台多自由度机械人设备应用于现在的光机电专业的学生教学与研究。

【关键词】激光；机械手；加工机械

随着激光器技术和机器人技术的不断发展，激光加工机器人技术发展迅速，形成激光标刻、激光切割、激光焊接、激光表面处理、激光快速成型、激光微纳制造等种类繁多的激光加工应用技术，成为先进制造领域最为活跃的技术分支之一。本课题即是在激光加工平台多自由度机械人装置中进行实训流程再造，通过现代化的管理手段对实训学生、实训成绩、实训设备、实训师资、实训时间等进行有效的、现代化的机电控制管理。

温州光机电产业集群的建立，温州光机电企业如雨后春笋一般飞速发展，产品多样化产业链也在不断的扩张。浙江工贸职业技术学院为服务地方经济为目标，了解企业生产需求解决企业实际产品的研发与改进。经过调研温州各大光机电企业发先激光加工平台对多自由度机械人的需求很高，尤其是对使用多功能激光加工平台度机械设备人才更是紧缺。当前中国的用工形式很难，温州的企业用工更是严峻现在的工人工资高、技术含量低、生产产品次品率高等实际问题。温州的企业迫切需求自动化程度高的效率高的生产平台来取代以前的人工操作的模式，适应现在社会的发展需求。

激光加工平台多自由度机械手是集激光加工技术、数控技术、电子机器人技术于一身的新型加工技术。激光加工是利用高强度的激光束，经光学系统聚焦，并将加工工件置于激光束焦点附近，通过激光束与加工工件的相对运动来实现对加工工件的热加工。而普通的激光加工往往只能对一个普通平面进行加工，而且激光的行迹比较单一，无法满足生产需求。而现今的数控加工已经可以对一些复杂曲面，广泛使用三维立体精密加工工艺。但是数控加工的效率和精度有限。建立激光加工平台可以将两者有机结合，使其即具有激光加工特性，又有数控加工的特性，达到日常的生产和生活要求。本项目研究目的是将激光器装在多自由度的机械手上，并通过计算机程序进行整体的控制，对一些复杂的平面进行柔性加工，满足工业生产需求。

激光加工技术融汇了激光技术、机器人技术、计算机集成控制技术、CAD＼CAM、材料学及材料加工工程等多学科领域前沿技术成果，它以高能量激光束为加工工具，以多自由度工业机器人柔性运动机构实现激光束运动传输，使聚焦激光束在工件表面按系统预先编程设计的2D或3D加工轨迹精确运动，实现点、线、面多种方式激光加工。激光加工机器人系统由激光器系统、机器人运动机构、导光系统和、控制系统和辅助系统五部分组成。激光器输出高能量激光束通过安装在机器人运动关节关节臂上的导光系统反射镜组空间反射镜飞行组传输光路或光纤传输光路聚焦到加工工件表面进行加工，加工过程中聚焦激光束在工件表面的运动是激光束的移动定位由通过控制机器人关节柔性运动来完成机构控制。辅助系统完成加工过程的吹气、送粉、状态监测以及换工件等协同工作。

激光加工系统的核心技术包括三个部分：激光器、激光加工系统集成以及激光加工工艺。2005年全球激光材料加工系统销售额达到48亿欧元，其中17亿欧元为集成在系统中的激光器销售额，系统集成的价值则高达31亿欧元。激光器中CO2激光器和固体激光器、YAG、光纤激光器和盘形激光器总销售额的40%，准分子激光器和二极管激光器、二极管激光器模块）平分剩下的20%销售额。而据《激光世界》报道，2008年全球用于材料加工的激光器总体市场份额为24亿欧元，其中CO2激光器和固体激光器占据约72%的市场份额，光纤激光器占据了大约7%的市场份额。国际上激光先进制造技术快速的发展和应用推广反映出其重要的研究价值和在高技术领域的战略意义，中国政府在“国家中长期科学和技术发展规划纲要”中将激光技术列为代表世界高技术前沿的发展方向的前沿技术，高档数控机床与基础制造技术则被列为十六个重大专项之一。加强先进激光器技术为代表基础研究和激光加工机器人技术为代表系统集成应用研究，对我国从制造大国向制造强国的转变具有重要意义。随着激光加工技术和机器人技术的发展，激光加工机器人将会朝着一下几个方向发展：

1.高精度、提高加工精度，满足工业生产需求。

2.发展更广的加工材料范围，能够对更多种类的材料进行加工。

3.融合数控加工技术，使激光加工技术更加成熟。能进行更高难度的柔性加工，加工更为复杂的的平面或者立体面。

目前，我国关于激光加工平台多自由度机械设备产品正朝着高效率、智能化、模块化、集成化等方向不断发展，许多包装产品可以根据产品特点、不同的功能进行不同的组态，可移植性能不断提高。浙江工贸职业技术学院材料系机电一体化（光机电方向）正在研发激光加工平台的相关设备，但现在应用教学的实训设备还没有，而且市场上的教义公司也没有在研发相关的产品。所以根据浙江工贸职业技术学院材料实际需求，本项目研发一套激光加工平台多自由度机械人设备应用于现在的光机电专业的学生教学与研究。

图1 激光加工机械手的控制器设计流程图

激光加工机械手的设计要通过机构的运动学和动力学仿真及分析来实现。激光加工机械手控制器通过此模块能够设置机械手各关节的运动约束和运动参数，能够直观地观察机械手的运动状况，为机械手的实际应用提供依据。使用Pro/ENGINEER强大的测量和分析功能，研究机械手的各项性能指标，测量机械手各关节和末端执行器的运动学的参数变化情况。激光加工机械手的控制器设计流程图如图1所示。

机械手直线驱动方式采用电动控制方式。电动控制方式的特点为辅助设备使用少、伺服电机动作迅速、适用于连续轨迹控制方式的特点。依据加工作业工艺要求可知加工过程中直接移动，整个机械手主要的受力包括机械手本身的重力、运行时的动载荷、辅助设备连接的管线的弯折力等。同时加工作业需要精确的连续的手臂位姿控制，所以本项目选用电动驱动作为机械手的关节动力。电机一般输出的是旋转和转矩，而移动关节的驱动需要把电机的旋转运动转换为直线运动，为了使机械手小型化，便于维护。机械手三个相互垂直的移动轴选用直线导轨和直线滑块作为滑动支撑和导向，其中直线滑块能够承载四个方向的转矩，如图2所示。因此能够保证四个移动轴的空间布局。四个移动轴通过步进电机带动滚珠丝杠来提供推力，同等载荷时滚珠丝杠驱动力矩约为滑动丝杠副驱动力矩的1/3，使机械手具有高精度、高速度、高效率的特点。

图2 关节坐标多自由度示意图

图3 系统总体方案示意图

本项目是为了更好的使用现有的激光加工平台满足激光加工毛坯工序和工艺的要求，激光加工使用机械手的设计除了符合工业机械手的基本原则外，还要符合自动机器手整体结构要求。激光加工机械手采用模块化设计，四台伺服电机之间快速串联，多台自动喷涂机器手臂之间可以根据需要串联配套的设备快速组成不同的活动生产线，机械手控制采用运动控制卡实现：适应多种工艺的需求；激光加工机械手各个零部件的连接尽量采用自定位结构，减少装配和调试难度，提高定位精度；安全防护方面，除操作工位预留取放产品通道外，其它部位采用全封闭结构，通过机器顶端抽风装置保持喷涂仓为负压，减少有害气体从取放产品通道逸出。过激光器和多自由度机械手合理配合实现对工件的高精度柔性加工，该装置的性能的实现借助激光器多自由度的机械手工作。最后设计激光加工机械手的方案图如图3所示。

总结：本文针对激光加工机械手的相关技术进行了深入的研究，依托浙江工贸职业技术学院材料研发中心和电子工程系的技术支持，采用低成本、高速的激光器加以改造浙江工贸职业技术学院的现有的数控加工平台研发多自由度机械手，通过实际运行试验，性能良好。本文研究了机械手的总体结构分析了目前加工车床上采用伺服电机装卸机械手存在的冗余，指出了利用机械手代替伺服电机机械手存在的技术难题，并考虑了解决的技术方案。最后设计了激光加工机械手的总体结构。采用了模块化的设计方法，把整个激光加工机械手分为四个模块，即横臂模块、直臂模块、腕部模块和手部模块，分析了各个模块的组成及功能，设计了各个模块的结构及其相互的联接方式，并对模块中的进行了承载分析，保证气缸工作在允许的负载范围内。激光加工平台多自由度机械手系统中采用了阀岛的先进技术，提高了激光加工平台多自由度机械手系统的整体性能。

参考文献

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