激光機(jī)器人系統(tǒng)有效解決單側(cè)切割出現(xiàn)的問題

將激光機(jī)器人系統(tǒng)應(yīng)用于液壓成型密閉管的切割，可有效解決對其進(jìn)行單側(cè)切割出現(xiàn)的問題，并可使用戶在成型工件上進(jìn)行切割。不僅如此，選擇到合適的系統(tǒng)，還可使運(yùn)行成本減少15～20%。

液壓成型管已廣泛地應(yīng)用于新型卡車和SUV的大梁、發(fā)動機(jī)支架、吊桿和頂柱，其硬度高、形狀復(fù)雜和重量輕的特點(diǎn)使得該結(jié)構(gòu)的應(yīng)用越來越廣泛。對于制造商來說，最大的挑戰(zhàn)是從單側(cè)切割這些密封管，過去，這些件是用先折彎， 然后點(diǎn)焊起來的裝配方式，因?yàn)槌尚颓笆瞧桨澹虼擞脗鹘y(tǒng)的沖床很容易完成，但對于成型件，沖床則不易加工。采用激光機(jī)器人切割系統(tǒng)和光纖傳導(dǎo)系統(tǒng)可以解決這個(gè)問題，同時(shí)，用戶還可以在成型工件上進(jìn)行切割。

激光系統(tǒng)

激光發(fā)生器由機(jī)器人或控制單元控制，被放置在激光安全防護(hù)罩外，為了節(jié)省占地面積，有時(shí)將其放在高處。連續(xù)Nd：YAG固體激光器1.06mm的波長和光纖傳導(dǎo)適用于快速切割，一般用10～30m長的光纖將激光能量傳送到工件表面。用金屬加固的光纖導(dǎo)管非常堅(jiān)韌耐用，可像普通的管線一樣使用，唯一的限制是最小彎曲半徑約為200mm。

在機(jī)器人手臂和光纖末端連接的是激光切割頭，它將光束聚焦到工件表面，同時(shí)保持與工件表面恒定的距離，并傳遞切割輔助氣體。在切割平板的激光系統(tǒng)中，為了使切割頭堅(jiān)固且操作靈活，可將其做的較大。機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行的是三維切割，必須將切割頭設(shè)計(jì)的輕而小，尤其在靠近切割噴嘴的部分，以便使它更靠近切割部位而不受干擾。另外，它還必須具備良好的密封，以防止灰塵和金屬蒸氣進(jìn)入，同時(shí)盡量避免碰撞，以防止被損壞。

為了保持激光始終聚焦在工件表面上，在切割頭噴嘴上使用了電容高度傳感器，將指令傳送給伺服系統(tǒng)。移動聚焦透鏡和噴嘴與工件表面保持1mm的距離（如圖1），浮動范圍為25mm。

圖1 切割頭必須沿工件表面跟蹤，使激光始終在工件表面聚焦以補(bǔ)償工件的制造誤差

工藝流程

液壓成型管在每一側(cè)都有許多部位需要切割，并在端口有一處切割，稱為“端口切割”。 我們以此作為工藝流程的實(shí)例：第一步是將管液壓成型為所需形狀，將管送入激光機(jī)器人工作站里并將其立起，使里面積蓄的液體流出，否則液體會影響激光切割頭上傳感器的工作。當(dāng)然干燥的管子是最好的，但如果在切割位置附近沒有過多積蓄的液體，濕的表面也可以接受。隨后，管子被裝入卡具準(zhǔn)備切割，通常為一種變位裝置。這種轉(zhuǎn)動系統(tǒng)可以在一個(gè)管子轉(zhuǎn)入激光防護(hù)罩內(nèi)進(jìn)行加工的同時(shí)，使另一個(gè)管子在加工區(qū)外裝卡。將工件的每一面轉(zhuǎn)動到切割頭位置進(jìn)行切割，既可以減少機(jī)器人的動作量及空程時(shí)間，也可以簡化管線的運(yùn)動路徑（如圖2）。

圖2 管子不動，切割頭由機(jī)器人帶動進(jìn)行多面切割

在激光切割時(shí)，排塵裝置從管子末端吸走切割中產(chǎn)生的金屬蒸氣和顆粒。在切割完成后，管子再次被垂直立起，倒掉里面的熔渣，最后集中到廢料收集器里。

激光器

激光切割的縫寬約為0.2～0.6mm，切割部位的尺寸受機(jī)器人臂長等因素的限制，而切速由激光功率和縫寬來決定，激光切割的速度曲線如圖3。然而，激光切割速度并不是加工周期的唯一因素，機(jī)器人系統(tǒng)還必須花大量時(shí)間在不同的加工位置間移動，即“空程時(shí)間”。在整個(gè)加工周期中，機(jī)器人以最快速度運(yùn)動的空程時(shí)間要占50%，甚至更多，因此，在計(jì)算成本時(shí)還要考慮到這一問題。

圖3 決定激光機(jī)器人單元加工周期的因素。以切割10個(gè)圓孔和3個(gè)型孔為例，上下料和裝卡需20s

液壓成型管激光切割系統(tǒng)配置的優(yōu)化主要取決于速度、成本和質(zhì)量，其中GSI激光器一個(gè)突出的功能是可以產(chǎn)生幾百赫茲的脈沖輸出，峰值功率高于連續(xù)波平均功率的2倍。這不僅可以產(chǎn)生更快的穿刺，在進(jìn)行垂直于表面的切割時(shí)，還可以產(chǎn)生更快、更穩(wěn)定的切割；對于半徑小的圓進(jìn)行切割，可以保證邊緣切割的質(zhì)量更好；對于反射性材料進(jìn)行切割，可使速度更快，如鋁和鍍鋅板。

對機(jī)器人的選擇

機(jī)器人運(yùn)動的精度、光滑度和重復(fù)性決定了切割精度。激光切割幾毫米厚材料的精度為±35mm，包括機(jī)器人路徑，精度為±250mm。機(jī)器人點(diǎn)對點(diǎn)的重復(fù)定位精度決定了實(shí)際加工點(diǎn)的位置，大約為±70mm。

一個(gè)合適的機(jī)器人應(yīng)至少有六軸運(yùn)動，并可再加一個(gè)或更多軸來旋轉(zhuǎn)或移動長的工件。負(fù)載為激光切割頭，通常小于10kg。

切割頭

如前文所述，切割頭應(yīng)該小、窄、輕且快，并能耐受較臟的切割環(huán)境。大的金屬氧化物顆粒和煙塵會損壞光學(xué)鏡片和移動機(jī)構(gòu)，而不銹鋼結(jié)構(gòu)和滑塊密封結(jié)構(gòu)會減少磨損，快換式、預(yù)準(zhǔn)直的切割噴嘴和聚焦鏡片還可快速更換。此外，新型切割頭還可以防止碰撞。當(dāng)在切割中產(chǎn)生飛濺和等離子云，或在進(jìn)行斜角切割時(shí)，保持切割頭與工件的固定距離至關(guān)重要，GSI的切割頭可以做到這點(diǎn)，并可在加工中不斷地進(jìn)行自我校準(zhǔn)。

將光纖、電纜和氣管固定在一起，需遠(yuǎn)離切割區(qū)，以免工件在加工中受阻或使其在運(yùn)動中扭曲，所有的管路都應(yīng)安置在切割頭的一側(cè)。切割頭為直角是最好的，這樣光纖可以沿機(jī)器人手臂固定，不僅可減少光纖在切割頭上的扭曲，也可使更多的光纖用于工作區(qū)。

直角切割頭也可以使用閉環(huán)的攝像監(jiān)視系統(tǒng)通過鏡片在焦點(diǎn)位置取像，然后在監(jiān)視器上放大，以方便示教編程。這個(gè)功能配合電容傳感器的信號，可讓機(jī)器人自動找到工件表面的法線方向。操作者將切割頭設(shè)置到行程中點(diǎn)或示教點(diǎn)，根據(jù)監(jiān)視器上放大的圖像沿著主線或特征中心點(diǎn)進(jìn)行編程。在每一點(diǎn)，可以通過找到該點(diǎn)附近幾點(diǎn)的高度自動確定法線方向，從而使機(jī)器人帶動切割頭移到法線方向，并將其作為正確點(diǎn)進(jìn)行輸入。

光纖傳導(dǎo)的激光器機(jī)器人切割系統(tǒng)早在20世紀(jì)90年代初就已用于生產(chǎn)，最好的液壓成型件切割系統(tǒng)的選擇標(biāo)準(zhǔn)包括切割速度、運(yùn)行成本、邊緣質(zhì)量和掛渣的去除、正常運(yùn)行時(shí)間以及頭期投資成本。在激光器滿足速度快、切割質(zhì)量高和掛渣去除容易的情況下，還應(yīng)注意選擇氧氣和電消耗最少的激光器。選擇到合適的系統(tǒng)，可使運(yùn)行成本減少15～20%。

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