多自由度机械手激光加工平台的设计与实现.doc

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1、多自由度激光加工机械手的设计与实现关键词：多自由度，激光，机械手本项目主要基于激光加工快速发展，但是存在激光加工面单一，无法实现复杂面的柔性加工的不足，针对该现象，项目组成员目的将机械手与激光器结合到一起，构建激光加工平台，让多自由度的机械手配合高效率的激光加工器，实现多自由度的激光加工其实在工业生产加工中早就用到了机器人加工平台，只是用到的加工工具还是传统的刀具或者其他工具，而传统的刀具或其他工具在很多方面都满足不了生产加工需求，而飞速发展的激光因具有快速，精准，加工的产品质量好等特点，正成为工业生产加工最合

2、适的工具。本项目的设计与实现是通过对已有的工业机器人软件进行研究，了解机械手的功能特点与软件特性，并尝试对其进行改造变幻，开发出一套适合激光器连接使用的激光多自由度机械手加工平台。该平台应满足一下几个要求。1：激光器加工参数（如功率，脉宽）要能在控制面板上和机器人一体操作，在同一个面板上既能对机器手运动进行控制，也能对激光的输出加工进行控制2：由于激光器在使用过程中发热量大，因此必须对其进行散热，激光器一般通过水冷机供应循环水来进行散热，而工业机器人通过轴关节的联动来实现多角度多自由度的加工，所以新型激光加工平

3、台必须结合两者必有条件，实现多轴联动的同时不影响水路冷却水的循环3：该平台的加工应符合或提升原工业机器人的加工标准，通过多伺服电机的配合，驱动多轴按指定方式联动，实现对曲面和不平整面的加工4：由于激光加工的特性，在拐角处要减速，低脉冲输出，而在离开拐角后要求快速回到正常速度和正常功率输出，所以对于加工平台机械手伺服电机与激光输出功率的同步性要达到一致5：激光加工与传统加工不同，需要辅助气体进行加工，而不同材料的加工辅助气体的选用和气压参数也随之不同，所以要求激光加工平台应具备多气路，气压可控的功能特点6：影响激

4、光加工的因素中焦点是一大块，焦点选取的准确与否直接决定了加工的质量和可靠性，所以在机械手的第六轴上还需通过各种传感器来实现自动对焦的功能针对以上提出的设计目标，我们通过了以下的方式使我们开发的多自由度激光加工平台符合了我们提出的设计要求。1：我们通过研究ABB机器人运行加工的原理，知道了机器人的运动都是通过脉冲信号使伺服电机转动，实现轴联动，而这些配电信号可以整合到一块控制板中（如QSOC651），这与市场上激光切割机，焊接机与数控机床的配合相似，所以我们将两者的控制线路整合到了一块新型的板上，并开发控制软件设

5、立人机交互界面，使加工平台使用者能对二者同时进行调节与设置2：由于激光器对散热的要求非常高，激光器的多个部位都有严格的散热要求，而机械手的轴联动很可能会对水路的循环造成不必要的影响，所以加工平台不能和激光器直接结合。我们想到我们用到的其实是激光器产生的激光，如果能将激光器产生的激光搬运到机械手上进行输出，那么就能解决机械手轴联动影响水路循环的问题了，我们了解到新型激光器中有一类激光器为光纤激光器，可以将产生的激光耦合到光纤中，并通过光纤的导光作用将其传导到想要的加工地点。介于这个市场实例，我们采用了光纤激光器作

6、为加工平台的激光器，通过光纤激光器特有的柔性加工特性，解决了设计要求中的难题3：我们通过学习研究ABB机器人IRB2600，知道了机械手是通过各电机转动，使每个不同的轴转动不同的角度，通过轴与轴之间的不同角度组合，从而实现全方位立体的加工，我们借鉴了这个技术方法，应用到了我们开发的加工平台的机械手中。实现了设计要求中的多自由度对曲面和不平整面的加工的目标4：针对于这个难题，我们来到了中国激光制造领先企业，奔腾楚天公司进行参观学习。通过学习我们知道了，在拐角减速并且低脉冲输出后迅速爬升至切割速度这是考验到了激光器

7、与机床的同步性，也考验了机床的刚性。而通过对楚天企业多款设备的学习研究，我们通过该改变两者信号的组合实现了减速后速度迅速爬升。低脉冲迅速换高脉冲的设计目标。解决了设计中提出的技术难题。5：我们通过在气路内添加了一个气体交换阀，实现了单气路多气体的设计要求，使单一气路可在气体交换阀的作用下可输出多种气体。而对于气压的控制，我们配备了小型的空压机，并且对于此还设计了几款气体的喷嘴，来实现对不同材料更好的加工。以下是我们设计的几款喷嘴示意图：6：在楚天企业的参观学习过程中，我们还了解到，激光切割机的出光口处都会设有多

8、个高精度传感器，使实现自动对焦，智能穿孔的功能，并且通过传感器使激光出光口始终与工件保持1mm的距离，借鉴与他们成熟的传感器技术，我们也解决了我们再设计中遇到的难题