1引言（Introduction）

隨著制造業(yè)水平的不斷提高，激光切割和激光焊接技術(shù)已在工業(yè)界得到廣泛應(yīng)用，并在一些加工領(lǐng)域顯示出明顯的優(yōu)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、激光微處理等技術(shù)亦日趨成熟，并逐漸應(yīng)用于一些特殊的工業(yè)加工中。

目前激光加工機(jī)器人大多為兩軸或三軸的機(jī)械手，只能進(jìn)行簡單的加工，而復(fù)雜曲面的加工則必須由高性能機(jī)器人來完成。針對(duì)此種現(xiàn)狀，本課題研制了大范圍、高精度5軸激光加工機(jī)器人，它可以完成復(fù)雜曲面的加工。該機(jī)器人系統(tǒng)具有如下特點(diǎn)：機(jī)器人本體采用高剛度框架式結(jié)構(gòu)，平衡式設(shè)計(jì)，交流伺服驅(qū)動(dòng)，高精度絕對(duì)碼盤檢測反饋。機(jī)器人控制器采用工業(yè)級(jí)嵌入式CPU，進(jìn)一步提高控制器的運(yùn)算能力，縮短控制周期，提高插補(bǔ)精度，保證機(jī)器人的檢測精度和控制精度。建立了機(jī)器人誤差模型，解決了機(jī)器人系統(tǒng)的誤差補(bǔ)償問題，實(shí)現(xiàn)了機(jī)器人的高精度加工。

2總體設(shè)計(jì)方案（Schemedesign）

研制大范圍、高精度5軸框架式機(jī)器人系統(tǒng)，既要保證系統(tǒng)的先進(jìn)性，同時(shí)又要考慮其實(shí)用性和可靠性。由于機(jī)器人系統(tǒng)行程的加大，精度的大幅度提高，在機(jī)器人的基本結(jié)構(gòu)形式、傳動(dòng)系統(tǒng)的配置方式、關(guān)鍵部件如一體化傳動(dòng)裝置、交流伺服電機(jī)的選用等方面，均采取了諸多技術(shù)措施來達(dá)到性能指標(biāo)的要求。同時(shí)對(duì)機(jī)器人的檢測系統(tǒng)和機(jī)器人控制系統(tǒng)進(jìn)行了特殊設(shè)計(jì)，保證了機(jī)器人整體系統(tǒng)的高精度和高性能。

2.1特殊設(shè)計(jì)和技術(shù)措施

（1）Y軸傳動(dòng)采用雙傳動(dòng)型，來減少由于Z軸的傾斜引起的誤差；

（2）腕部自由度的配置做了較大的改變，解決激光頭與A軸同心度帶來的誤差，并加入了激光頭姿態(tài)的調(diào)整功能；

（3）X、Y梁采取了提高剛度的措施，Z梁立柱由2個(gè)增加至3個(gè)，以提高其剛度系數(shù)；

（4）X軸、Z軸一體化傳動(dòng)裝置的動(dòng)力橋，采用加長形，由340mm長改為500mm長，提高裝置的承載能力，減少變形的影響；

（5）Y軸采用棄荷裝置，以減小X軸一體化傳動(dòng)裝置的負(fù)載，同時(shí)加大X軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率；

（6）增加了X軸、Y軸一體化傳動(dòng)裝置的側(cè)向直線度的整體功能，達(dá)到垂直方向的直線度由梁的平面度保證，側(cè)向直線度由調(diào)整保證；

（7）X梁、Y梁采用嚴(yán)格加工工藝，確保性能穩(wěn)定和高精度：專做的特種鋼管、合理的焊接工藝、人工時(shí)效處理、導(dǎo)軌磨床精加工等。

2.2優(yōu)化設(shè)計(jì)

在激光加工機(jī)器人的開發(fā)過程中，采用SolidEdge進(jìn)行三維CAD設(shè)計(jì)，并通過有限元軟件進(jìn)行模擬分析，依據(jù)分析結(jié)果進(jìn)行設(shè)計(jì)修改和優(yōu)化。由于采用先進(jìn)的設(shè)計(jì)手段，確保了機(jī)器人本體的優(yōu)化設(shè)計(jì)，為提高機(jī)器人的整體精度奠定了基礎(chǔ)。

圖1激光加工機(jī)器人外型圖

3關(guān)鍵部件的有限元分析（Finiteelementanalysisofkeyparts）

在激光加工機(jī)器人的設(shè)計(jì)過程中，對(duì)其關(guān)鍵部件x梁、y梁和z梁支架用軟件進(jìn)行了有限元模擬分析。模擬分析是按照梁在最大承載的位置進(jìn)行計(jì)算，這樣可以保證在任何位置都有較高的安全系數(shù)。

3.1模擬分析過程

在模擬分析過程中，對(duì)x梁的簡化最大，將三維模型轉(zhuǎn)化成二維圖形來分析，主要是因?yàn)閤梁的結(jié)構(gòu)比較簡單而且規(guī)則，受力情況也比較簡單。我們選擇的單元類型是BEAM189，這種單元的精度比較高，另外，還引入了截面特性這個(gè)參數(shù)，所以，我們認(rèn)為結(jié)果的準(zhǔn)確性還是值得信任的。這樣可以省掉復(fù)雜的建模過程，將主要精力用在結(jié)果的分析上。

對(duì)y梁的分析也采用了簡化，但是采用了實(shí)體建模，y梁的結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，而且受力也很復(fù)雜，采用的單元是SOLID45，單元的精度適中，考慮到y(tǒng)梁的長度，如果采用復(fù)雜的單元并細(xì)分網(wǎng)格，可能增加求解的困難，并延長計(jì)算的時(shí)間。在準(zhǔn)確度和效率之間應(yīng)該有一個(gè)合理的分配，采用三維實(shí)體模型就可以大大提高精度，所以在單元類型和網(wǎng)格劃分的選擇上，可以稍微粗糙一些，這樣并不降低精度，并且能提高計(jì)算效率。

z梁支架是一個(gè)很關(guān)鍵的部件，所以，我們?cè)诒M量不簡化的情況下對(duì)其進(jìn)行了模擬，倒角、連接過渡和螺紋必須要簡化掉，否則，這些部位可能增加相當(dāng)多的單元數(shù)，增加計(jì)算量，甚至導(dǎo)致求解的失敗。

3.2模擬結(jié)果分析

3.2.1x梁

x梁的模擬結(jié)果如圖2所示，通過模擬的結(jié)果我們可以看出，在受力方向上，最大的應(yīng)變是0.6×10-5m，這說明我們的變形是在允許的范圍之內(nèi)的。

圖2x梁在受力方向的應(yīng)變分布

3.2.2y梁

y梁的模擬結(jié)果如圖3所示，通過模擬的結(jié)果可以看出，在受力方向上，y軸的最大變形是0.15×10-7m，完全能夠滿足實(shí)際工作中精度的要求。在受力方向上，y梁受到的應(yīng)力最大也只有300N左右。

圖3y梁在受力方向的應(yīng)變分布

3.2.3z梁支架

z梁支架的模擬需要很詳細(xì)，因?yàn)檫@個(gè)支架結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，而且受力很大，它的變形直接影響到z梁的精度，所以，我們對(duì)其在各個(gè)方向的應(yīng)力和應(yīng)變都進(jìn)行了分析。如圖4、5、6所示為z梁支架在x、y、z3個(gè)方向的應(yīng)變圖。圖7、8、9為z梁支架在x、y、z3個(gè)方向的應(yīng)力圖。

圖4z梁支架在x方向的應(yīng)變分布

圖5z梁支架在y方向的應(yīng)變分布

圖6z梁支架在z方向的應(yīng)變分布

圖7z梁支架在x方向的應(yīng)力分布

圖8z梁支架在y方向的應(yīng)力分布

圖9z梁支架在z方向的應(yīng)力分布

在圖中，x方向跟x梁的方向是一致的，y方向即是y梁的方向，z方向是垂直向下的。在圖4中，我們可以看到，在各個(gè)支撐板上，都承受了很大的應(yīng)力，因而變形量也很大。而圖5則說明由于z梁的作用力，使得固定z梁的板發(fā)生了變形，在模擬中，我們可以得到最大變形是0.2×10-8m，這樣就保證了z梁的垂直度。圖6是z梁支架在垂直方向即z方向上的變形，通過應(yīng)變的分布可以看出，z梁固定板在z方向上的變形很小，而且比較相近，大約在0.2～0.7×10-9m左右，對(duì)垂直方向的尺寸精度影響很小。圖7、8、9則是從應(yīng)力方面來說明這個(gè)問題。

總之，從應(yīng)力和應(yīng)變兩方面的分析結(jié)果來看，我們對(duì)z梁支架這個(gè)關(guān)鍵的零件的設(shè)計(jì)是合理的。

4機(jī)器人誤差模型（Roboterrormodel）

4.1誤差補(bǔ)償方法

在進(jìn)行機(jī)器人誤差補(bǔ)償及標(biāo)定時(shí)，首先要考慮機(jī)器人的精度問題。在示教再現(xiàn)作業(yè)方式下，操作者移動(dòng)機(jī)器人末端執(zhí)行器到指定位置，然后通過機(jī)器人控制器記錄下此時(shí)末端執(zhí)行器的位姿，通常就是電機(jī)的碼盤值。然后，機(jī)器人可以“再現(xiàn)”已經(jīng)記錄的運(yùn)動(dòng)方式和編程順序。在這種編程方式下，機(jī)器人的重復(fù)精度是主要的特性參數(shù)，現(xiàn)在大多數(shù)商品化工業(yè)機(jī)器人都是以這種方式工作，其重復(fù)精度在整個(gè)工作空間上都可以達(dá)到毫米數(shù)量級(jí)。因此，就精度問題來說，示教再現(xiàn)方式可以使機(jī)器人很好的工作。而對(duì)于激光加工機(jī)器人來說，它的工作方式不是采用示教再現(xiàn)方式，而是采用離線編程方式，這時(shí)機(jī)器人的絕對(duì)精度成為關(guān)鍵指標(biāo)。一般而言，機(jī)器人的絕對(duì)精度要比重復(fù)精度低一到兩個(gè)數(shù)量級(jí)，在如此低的精度下，機(jī)器人是無論如何也不能滿足工作需要。造成這種情況的原因主要是機(jī)器人控制器根據(jù)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)學(xué)模型來確定機(jī)器人末端執(zhí)行器的位置，而這個(gè)理論上的模型與實(shí)際機(jī)器人的物理模型存在一定誤差。因此，對(duì)機(jī)器人運(yùn)動(dòng)學(xué)模型進(jìn)行誤差補(bǔ)償進(jìn)而提高機(jī)器人的絕對(duì)精度是目前機(jī)器人技術(shù)領(lǐng)域急需解決的問題。

一般情況下，機(jī)器人誤差分為幾何誤差和非幾何誤差。其中幾何誤差包括桿件參數(shù)誤差，理論參考坐標(biāo)系與實(shí)際基準(zhǔn)坐標(biāo)系的誤差、關(guān)節(jié)軸線的不平行度、零位偏差等；非幾何因素包括關(guān)節(jié)和連桿的彈性形變、齒輪間隙、齒輪傳動(dòng)誤差、熱形變等。如果對(duì)機(jī)器人的幾何誤差進(jìn)行了很好的補(bǔ)償，絕對(duì)精度就可以大大提高，只有對(duì)于特定的需要提高絕對(duì)精度的應(yīng)用時(shí)才考慮進(jìn)行非幾何誤差的補(bǔ)償。

要提高機(jī)器人的絕對(duì)精度，可以從兩方面入手，一是采用“避免”誤差的方法，即針對(duì)產(chǎn)生機(jī)器人誤差的各種誤差源，采用高精密加工手段加工機(jī)器人各零部件，結(jié)合高精密裝配技術(shù)進(jìn)行裝配。二是采用綜合補(bǔ)償技術(shù)，即采用現(xiàn)代的測量手段，對(duì)所測得的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析，輔以適當(dāng)?shù)难a(bǔ)償算法，對(duì)機(jī)器人的誤差進(jìn)行補(bǔ)償以達(dá)到減小誤差的目的。

由于激光加工機(jī)器人的精度要求很高，需要采用多種方法進(jìn)行誤差綜合補(bǔ)償。首先采用“避免”誤差的方法。在機(jī)器人的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，采用合理的結(jié)構(gòu)，使機(jī)器人的變形盡可能小。在加工制造過程中，關(guān)鍵的部件采用高精度的加工技術(shù)和裝配工藝。但是該方法對(duì)機(jī)器人經(jīng)過運(yùn)行，產(chǎn)生由于機(jī)械磨損、元件性能降低以及構(gòu)件自身動(dòng)態(tài)特性等因素帶來的誤差則無能為力。其次通過綜合補(bǔ)償技術(shù)來進(jìn)一步提高機(jī)器人精度。即根據(jù)實(shí)際測量的機(jī)器人誤差，在機(jī)器人模型中引入恰當(dāng)?shù)难a(bǔ)償算法，來減小機(jī)器人的誤差，實(shí)現(xiàn)改善和提高機(jī)器人精度的目的。

4。2機(jī)器人誤差模型的建立

運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的選擇是決定機(jī)器人絕對(duì)精度的重要因素之一。它必須正確地對(duì)影響機(jī)器人末端位姿的各種因素建模。增加運(yùn)動(dòng)學(xué)模型的復(fù)雜度有助于提高機(jī)器人的絕對(duì)精度，但是也要付出降低機(jī)器人性能中其它特性的代價(jià)，因此建模時(shí)要綜合考慮各方面的因素。

激光加工機(jī)器人為框架結(jié)構(gòu)的機(jī)器人，我們認(rèn)為采用網(wǎng)格化的誤差補(bǔ)償方法較合適，該方法可以補(bǔ)償機(jī)器人幾何誤差和某些非幾何誤差。

根據(jù)機(jī)器人補(bǔ)償精度的要求，可以把激光加工機(jī)器人工作空間劃分為網(wǎng)格如圖10所示。根據(jù)不同的補(bǔ)償精度的要求，網(wǎng)格的疏密程度可以不同。實(shí)際的網(wǎng)格劃分為14×11×9。

圖 10機(jī)器人工作空間網(wǎng)格劃分圖

X方向的誤差補(bǔ)償公式

Y方向的誤差補(bǔ)償公式

Z方向的誤差補(bǔ)償公式

其中 Li、Lj、Lk 分別為 X方向、Y方向和 Z方向的網(wǎng)

格點(diǎn) ，Lxi、Lyj、Lzk分別為 X方向、Y方向和 Z方向的

位置補(bǔ)償值 。

在機(jī)器人系統(tǒng)未補(bǔ)償前 ，機(jī)器人系統(tǒng)的最大誤差為 0.2mm，經(jīng)過補(bǔ)償后的機(jī)器人誤差為 0.04mm，完全滿足機(jī)器人激光加工精度的要求 。

5結(jié)論 （ Conclusion）

目前激光加工機(jī)器人完成調(diào)試 ，運(yùn)行結(jié)果表明系統(tǒng)完全達(dá)到預(yù)期指標(biāo) 。該機(jī)器人準(zhǔn)備用于汽車大型模具的表面激光處理 ，現(xiàn)在正在進(jìn)行激光加工處理工藝實(shí)驗(yàn) 。不遠(yuǎn)的將來即可達(dá)到實(shí)用化程度 ，投入實(shí)際使用 。