基于Cutting Tool的FANUC激光切割系统研制

陈炎钦

上海发那科机器人有限公司　上海　201906



基于Cutting Tool的FANUC激光切割系统研制

陈炎钦

上海发那科机器人有限公司上海201906

传统的激光切割多数采用五轴CO2激光切割机，占地面积大，柔性差，设备采购及维护成本居高不下。为此，设计了基于Cutting Tool的FANUC激光切割系统，该系统包含Cutting Tool技术、离线编程技术、图形生成技术、工具中心点速度输出技术等多种关键技术，拓展了机器人激光切割系统的应用领域，为工业用户提供了一种新的技术解决方案。

激光切割； Cutting Tool； 离线编程； 图形生成； 工具中心点速度输出

Velocity Output via Tool Center Point

激光切割作为金属加工的重要方法，已广泛应用于先进制造领域[1]。近年来，智能化、自动化和信息化技术的快速发展，促进了机器人技术和激光技术的结合，机器人激光切割技术迎来了重要的发展机遇期，是未来重点发展的自动化技术之一[2-3]。

目前，机器人激光切割方式普遍是直接将激光切割头安装在六自由度工业机器人(以下简称“机器人”)J6轴法兰盘上，通过机器人运动姿态的变化，实现工件外围轮廓和定位孔切割[4]。但是，机器人本体采用串联结构，所使用的减速机存在齿轮啮合间隙，无法实现小轨迹的高精度切割，满足不了用户对高精度定位孔的需求，制约了机器人激光切割系统的应用范围。为此，笔者设计了基于Cutting Tool的FANUC激光切割系统，不仅解决了定位孔高精度切割的问题，还针对机器人激光切割应用的一些关键技术进行了研究，为用户提供了一种新的技术解决方案。

1　系统简介

1.1系统组成

FANUC激光切割系统由硬件和软件两部分组成，硬件部分包含了机器人、Cutting Tool、激光器、激光切割头等，软件部分包含了离线编程技术、图形生成技术、工具中心点速度输出技术等，如图1所示。

图1　FANUC激光切割系统的示意图

1.2系统的工作原理

FANUC激光切割系统集成了多种关键技术： Cutting Tool技术弥补了机器人本体在进行小轨迹切割方面的不足，实现了定位孔的高精度切割；离线编程技术可以快速生成机器人的切割程序，大大减少现场的调试时间，满足用户对小批量多品种的加工需求；图形生成技术能够根据参数设定自动生成多种常见形状的定位孔切割程序(如圆形、半圆形、矩形、槽形、钥匙孔、六边形等)，对于其它的非标准图形也可以进行自定义。工具中心点速度输出技术能够实现机器人的切割速度和激光器功率的实时匹配，确保切口质量的一致性，提高工件的切割质量。

2　Cutting Tool技术

2.1Cutting Tool的简介

Cutting Tool是专为机器人激光切割应用而开发的切割工具，采用2个FANUC伺服电机驱动一组平面四连杆机构。Cutting Tool可以作为机器人的外部轴，完全兼容于FANUC机器人控制系统，进而可以使用机器人示教器完成Cutting Tool的全部设置和操作。

Cutting Tool的机械结构不同于机器人的串联结构，不存在齿轮啮合间隙，加减速时间极短，可以实现小轨迹的高速高精度切割。经过实际切割测试，Cutting Tool最小能够进行φ1mm的小圆切割，切割范围最大可以达到φ25mm，轨迹精度可以控制在±0.1mm以内，最快的运动速度高达10m/min。

2.2Cutting Tool的机械结构

Cutting Tool的机械结构示意图如图2所示。Cutting Tool采用2个FANUC伺服电机，分别驱动摇臂1和摇臂2，与摇臂1和摇臂2相连接的连杆1和连杆2交汇处为Cutting Tool的旋转中心——Cutting Tool的安装法兰，用于安装激光切割头。

图2　Cutting Tool的机械结构示意图

2.3Cutting Tool的轨迹控制

Cutting Tool通过控制2个伺服马达的旋转角度来实现运动轨迹的控制。因此，只有建立Cutting Tool的2个伺服马达旋转角度与Cutting Tool旋转中心位置之间的运动算法，才能够实现Cutting Tool运动轨迹的控制。

图3所示为Cutting Tool的运动原理图。J1、J2分别为Cutting Tool的2个伺服马达的旋转中心，L0为2个伺服马达输出轴线之间的距离，摇臂1和摇臂2的长度分别为L1、L2，连杆1和连杆2的长度分别为L3、L4，摇臂1和连杆1的连接处为活动关节J3，摇臂2和连杆2的连接处为活动关节J4，J5为Cutting Tool的旋转中心。因此，Cutting Tool运动控制的关键是建立J5的运动轨迹同J1、J2的旋转角度之间的数学函数，具体过程如下。

图3　Cutting Tool的运动原理图

J5相对于J1的位置(x，y)满足如下公式：

x=L1sin θ1+L3sin θ3

(1)

y=-L1cos θ1+L3cos θ3

(2)

因此，当L1、L3、θ3为已知值，以及作为摇臂1和摇臂2的旋转角度θ1、θ2的函数关系时，可以通过Cutting Tool的2个伺服马达的旋转角度来对J5的运动轨迹进行控制，此时，需建立θ3的数学函数θ3=f(L0、L1、L2、L3、L4、θ1、θ2)，其满足如下公式：

L0+L1cos θ1-L2cos θ2-L3cos θ3

-L4cos θ4=0

(3)

L1sin θ1-L2sin θ2+L3sin θ3

-L4sin θ4=0

(4)

将式(3)、式(4)中与θ4有关的系数均移动至等号左边，得到以下两公式：

L4cos θ4=L0+L1cosθ1-L2cosθ2

-L3cosθ3

(5)

L4sin θ4=L1sinθ1-L2sinθ2

+L3sinθ3

(6)

在式(5)、式(6)的等号左边和右边，分别平方并相加后，获得如下公式：

cos θ3(2L1L3cos θ1-2L2L3cos θ2+2L0L3)

+sin θ3(-2L1L3sin θ1+2L2L3sin θ2)=

L02+L12+L22+L32-L42+2L0L1cos θ1

-2L0L2cos θ2-2L1L2cos(θ1-θ2)

(7)

由于式(7)由左边的cosθ3、sinθ3的系数(A，B)及等号右边的已知值(C)或设定值所构成，因此可得到：

A=(2L1L3cos θ1-2L2L3cos θ2+2L0L3)

B=(-2L1L3sin θ1+2L2L3sin θ2)

令C=右边，则可以获得下面公式：

Acos θ3+Bsin θ3=C

(8)

因此，θ3满足如下的数学函数：

(9)

也就是说，只要设定好Cutting Tool的2个伺服马达的旋转角度，就可以控制J5关节的运动轨迹，从而实现对Cutting Tool运动轨迹的控制。

3　软件技术

3.1离线编程技术

机器人编程有在线编程和离线编程两种方式，目前机器人编程大多数都采用在线编程，编程时间长，切割效率低。与传统的在线编程相比，机器人离线编程可以减少机器人不工作时间，也可以使操作者远离危险的工作环境[5]。

机器人离线编程是通过建立与实际生产现场相同的虚拟模型，使用机器人语言进行编程，生成预加工运动程序，校正程序后下载到机器人控制器中，控制真实的机器人进行运动[6-7]。笔者采用的是FANUC的ROBOGUIDE离线编程软件，它能够实现3D模型的导入、机器人周边环境的建立、切割程序的自动生成、切割程序的优化等功能。离线编程的核心是生成轨迹、生成程序、校正程序，对应这3个过程，ROBOGUIDE提供了3个相对应的功能： CAD to Path、Feature、Calibration。在使用CAD to Path功能时，可以通过移动鼠标拾取切割轨迹上的特征点，快速生成切割轨迹。在使用Feature功能时，可以在操作界面上设定机器人的前进角、操作角、点间距、坐标系等信息，改善机器人的运动姿态，优化管线的弯曲程度，将生成的切割轨迹自动转换成机器人的切割程序。在使用Calibration功能时，可以对工装、工件等外围设备的安装误差进行补偿，使机器人的切割程序更加适合实际生产需求。机器人激光切割的离线编程流程如图4所示。

图4　离线编程工作流程

3.2图形生成技术

Cutting Tool是新开发的一种高精度切割工具，采用的是平面连杆机构，无法使用ROBOGUIDE软件进行离线编程。然而，小轨迹切割多数是定位孔切割，精度要求高。如果采用手动示教程序的方法，容易产生轨迹误差，编程速度也较慢，会大大影响机器人激光切割系统的切割效率。为此，开发了图形生成软件，极大地简化了Cutting Tool的程序示教。图形生成软件是基于机器人控制系统开发的，可以在机器人示教器上完成所有的设置和操作。

图形生成软件集成了多种常见形状定位孔的套料程序，用户可以在软件主界面进入各种定位孔的详细设置画面，完成定位孔切割程序所需参数的设置后，便能自动生成定位孔的切割程序。对于其它的非标准图形，操作者也可以在图形生成软件中进行自定义。圆形切割程序的生成原理图如图5所示。

图5　圆形切割程序生成原理图

3.3工具中心点速度输出技术

机器人在变换姿态的时候需要进行加减速，由此使机器人在三维切割过程中无法保持恒定的切割速度，这就需要激光器的功率能够随机器人速度的变化而变化，并成一定的比例关系，以免出现过烧现象，影响切割工艺。为此，开发了工具中心点速度输出软件TCP SPEED OUTPUT，它可以实现机器人切割速度同激光器功率的实时匹配。TCP SPEED OUTPUT软件是基于机器人控制系统开发的，可以在机器人示教器上完成所有的设置和操作。

TCP SPEED OUTPUT软件能够根据预先设定的比例关系，输出一个同机器人切割速度实时匹配的模拟量数值。用户只需要将输出的模拟量信号连接至激光器的模拟量端口，并把激光器切换成外控模式，便可以轻松实现激光器功率同机器人切割速度的实时匹配，保证切口质量的一致性，提高工件的切割质量。机器人切割速度同模拟量的匹配关系如图6所示。

图6　机器人切割速度同模拟量的匹配关系

4　系统验证

为了验证系统的可行性，首先采取了对比测试的方法——分别使用FANUC激光切割系统和五轴CO2激光切割机对2组汽车B柱工件进行切割测试。然后，分别从2组工件中随机抽取5个样件进行对比测量。图7所示为B柱工件的示意图。

图7　工件示意图

通过对样件的毛刺进行分析，可以发现，集成了工具中心点速度输出技术的FANUC激光切割系统，能够保证机器人切割速度同激光器功率的实时匹配，有利于提高工件的切口质量，如图8所示。

通过对样件的外围轮廓轨迹精度进行分析，可以发现，集成了离线编程技术的FANUC激光切割系统，能够获得同五轴CO2激光切割机一样的轨迹精度，如图9所示。

通过对样件的定位孔圆度进行分析，可以发现，集成了Cutting Tool技术的FANUC激光切割系统，能够获得同五轴CO2激光切割机一样的高精度定位孔，如图10所示。

图8　毛刺分析对比图

图9　外围轮廓轨迹精度对比图

图10　定位孔圆度对比图

5　结束语

FANUC激光切割系统集成了多种关键技术： Cutting Tool技术解决了定位孔高精度切割的问题；离线编程技术简化了机器人编程，提高了编程效率，减少了机器人的不工作时间；图形生成技术简化了Cutting Tool的程序示教，实现了Cutting Tool的“傻瓜式”操作；工具中心点速度输出技术实现了激光器功率和切割速度的实时匹配，保证了工件切口质量的一致性。FANUC激光切割技术是机器人激光切割技术的一次新探索，有助于拓展机器人激光切割技术的应用范围，为用户提供了一种确实可靠的机器人激光切割技术解决方案。

[1] 廖健宏，蒙红云，王红卫，等.光纤激光精密切割系统的研制及其应用[J].中国激光，2007,34(1)： 135-138.

[2] 胡亮，罗敬文，张永康，等.基于高柔性机器人的光纤激光切割系统的研究[J].应用激光，2010，30(1)： 20-22.

[3] 杨洗陈.激光加工机器人技术及工业应用[J].中国激光，2009,36(11)： 2780-2798.

[4] 孙加强，焦俊科，张文武，等.基于ABB机器人的光纤激光切割与焊接系统研究[J].应用激光，2014,34(6)： 584-588.

[5] 陈炎钦，金玉嵌，周翔.FANUC机器人激光跟踪系统在电控柜焊接中的应用[J].上海电气技术,2014,7(4)： 31-35.

[6] 周广兵，焦俊科，戴炬，等.光纤激光三维切割加工中的机器人离线编程[J].华中科技大学学报(自然科学版),2011,39(增刊Ⅱ)： 414-417.

[7] 孙建华，孙启平.基于网络操作的工业机器人离线编程系统研究[J].中国测试技术,2004,30(6)： 87-89.

Majority of conventional laser cutting use to adsopt 5-axis CO2laser cutting machine featuring large floor space, poor flexibility and high costs for equipment procurement and maintenance. For this reason, FANUC laser cutting system based on the Cutting Tool is designed. The system comprises several key technologies including Cutting Tool technology, offline programming, image generation technology, velocity output technology via tool center point. This system can expand the application fields of laser cutting robot system and provide the industrial users with a new technical solution.

Laser Cutting； Cutting Tool； Off-line Programming； Image Generation；

2015年10月

陈炎钦(1988—)，男，本科，工程师，主要从事弧焊及机器人激光切割技术的研究工作，

E-mail： chenyanqin@shanghai-fanuc.com.cn

TN24

A

1674-540X(2016)01-040-05