1 引言(Introduction)
随着制造业水平的不断提高,激光切割和激光焊接技术已在工业界得到广泛应用,并在一些加工领域显示出明显的优越性。除激光切割和激光焊接外,激光表面工程、激光快速成型、激光微处理等技术亦日趋成熟,并逐渐应用于一些特殊的工业加工中。
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。针对此种现状,本课题研制了大范围、高精度5轴激光加工机器人,它可以完成复杂曲面的加工。该机器人系统具有如下特点:机器人本体采用高刚度框架式结构,平衡式设计,交流伺服驱动,高精度绝对码盘检测反馈。机器人控制器采用工业级嵌入式CPU,进一步提高控制器的运算能力,缩短控制周期,提高插补精度,保证机器人的检测精度和控制精度。建立了机器人误差模型,解决了机器人系统的误差补偿问题,实现了机器人的高精度加工。
2 总体设计方案(Schemedesi
gn)
研制大范围、高精度5轴框架式机器人系统,既要保证系统的先进性,同时又要考虑其实用性和可靠性。由于机器人系统行程的加大控制工程网版权所有,精度的大幅度提高,在机器人的基本结构形式、传动系统的配置方式、关键部件如一体化传动装置、交流伺服电机的选用等方面CONTROL ENGINEERING China版权所有,均采取了诸多技术措施来达到性能指标的要求。同时对机器人的检测系统和机器人控制系统进行了特殊设计,保证了机器人整体系统的高精度和高性能。
2.1 特殊设计和技术措施
(1)Y轴传动采用双传动型,来减少由于Z轴的倾斜引起的误差;
(2)腕部自由度的配置做了较大的改变,解决激光头与A轴同心度带来的误差CONTROL ENGINEERING China版权所有,并加入了激光头姿态的调整功能;
(3)X、Y梁采取了提高刚度的措施,Z梁立柱由2个增加至3个,以提高其刚度系数;
(4)X轴、Z轴一体化传动装置的动力桥,采用加长形,由340mm长改为500mm长,提高装置的承载能力控制工程网版权所有,减少变形的影响;
(5)Y轴采用弃荷装置,以减小X轴一体化传动装置的负载,同时加大X轴驱动电机的功率;
(6)增加了X轴、Y轴一体化传动装置的侧向直线度的整体功能,达到垂直方向的直线度由梁的平面度保证,侧向直线度由调整保证;
(7)X梁、Y梁采用严格加工工艺,确保性能稳定和高精度:专做的特种钢管、合理的焊接工艺、人工时效处理、导轨磨床精加工等。
2.2 优化设计
在激光加工机器人的开发过程中,采用SolidEdge进行三维CAD设计控制工程网版权所有,并通过有限元软件进行模拟分析,依据分析结果进行设计修改和优化。由于采用先进的设计手段,确保了机器人本体的优化设计,为提高机器人的整体精度奠定了基础。
3 关键部件的有限元分析(Finiteelementanalysisofkeyparts)
在激光加工机器人的设计过程中,对其关键部件x梁、y梁和z梁支架用软件进行了有限元模拟分析。模拟分析是按照梁在最大承载的位置进行计算,这样可以保证在任何位置都有较高的安全系数。
3.1 模拟分析过程
在模拟分析过程中,对x梁的简化最大,将三维模型转化成二维图形来分析,主要是因为x梁的结构比较简单而且规则,受力情况也比较简单。我们选择的单元类型是BEAM189,这种单元的精度比较高,另外,还引入了截面特性这个参数,所以,我们认为结果的准确性还是值得信任的。这样可以省掉复杂的建模过程,将主要精力用在结果的分析上。
对y梁的分析也采用了简化,但是采用了实体建模,y梁的结构相对比较复杂,而且受力也很复杂,采用的单元是SOLID45,单元的精度适