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機(jī)器人

提高大型激光加工機(jī)器人精度的方法(一)

星之球激光 來(lái)源:佳工機(jī)電網(wǎng)2012-01-09 我要評(píng)論(0 )   

摘要:本文介紹了大范圍、高精度5軸激光加工機(jī)器人系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)情況。在提高其絕對(duì)精度的前提下,對(duì)大范圍框架式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、高精度機(jī)器人的誤差補(bǔ)償方法進(jìn)行了探討...

摘要:本文介紹了大范圍、高精度5軸激光加工機(jī)器人系統(tǒng)的研究開(kāi)發(fā)情況。在提高其絕對(duì)精度的前提下,對(duì)大范圍框架式機(jī)器人的結(jié)構(gòu)、高精度機(jī)器人的誤差補(bǔ)償方法進(jìn)行了探討。采用有限元分析的方法對(duì)機(jī)器人本體進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì),確保了高精度大型激光加工機(jī)器人設(shè)計(jì)的正確性。基于測(cè)量數(shù)據(jù),建立了機(jī)器人誤差模型,對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)誤差進(jìn)行了補(bǔ)償,取得了較好的結(jié)果,保證機(jī)器人系統(tǒng)的激光加工精度。
關(guān)鍵詞:激光加工;有限元分析;優(yōu)化設(shè)計(jì);誤差模型

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(jiǎn)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(lái)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(pán)檢測(cè)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(cè)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(wèn)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(lái)達(dá)到性能指標(biāo)的要求。同時(shí)對(duì)機(jī)器人的檢測(cè)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(lái)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(lái)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(zhǎng)形,由340mm長(zhǎng)改為500mm長(zhǎng),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(kāi)發(fā)過(guò)程中,采用SolidEdge進(jìn)行三維CAD設(shè)計(jì),并通過(guò)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(guò)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(guò)程

在模擬分析過(guò)程中,對(duì)x梁的簡(jiǎn)化最大,將三維模型轉(zhuǎn)化成二維圖形來(lái)分析,主要是因?yàn)閤梁的結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單而且規(guī)則,受力情況也比較簡(jiǎn)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(guò)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(jiǎn)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(zhǎng)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(zhǎng)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(jiǎn)化的情況下對(duì)其進(jìn)行了模擬,倒角、連接過(guò)渡和螺紋必須要簡(jiǎn)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

3.2.1 x梁
x梁的模擬結(jié)果如圖2所示,通過(guò)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(shuō)明我們的變形是在允許的范圍之內(nèi)的。


圖2 x梁在受力方向的應(yīng)變分布

3.2.2 y梁
y梁的模擬結(jié)果如圖3所示,通過(guò)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3 y梁在受力方向的應(yīng)變分布

3.2.3 z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4 z梁支架在x方向的應(yīng)變分布


圖5 z梁支架在y方向的應(yīng)變分布


圖6 z梁支架在z方向的應(yīng)變分布


 


圖7 z梁支架在x方向的應(yīng)力分布


圖8 z梁支架在y方向的應(yīng)力分布


圖9 z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(shuō)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(guò)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(lái)說(shuō)明這個(gè)問(wèn)題。 #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

總之,從應(yīng)力和應(yīng)變兩方面的分析結(jié)果來(lái)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。

 

 

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