近年來激光技術(shù)飛速發(fā)展，涌 現(xiàn)出可與機器人柔性耦合的光纖傳輸?shù)母吖β使I(yè)激光 器。先進制造領(lǐng)域在智能化、自動化 和信息化技術(shù)方面的不斷進步促進了機器人技術(shù)與激光技術(shù)的結(jié)合 [1]，光纖 激光器與工業(yè)機器人結(jié)合組成三維柔性加工系統(tǒng)成為近些年來研究的熱點， 相關(guān)設(shè)備已經(jīng)在汽車制造、冶金、材 料加工等行業(yè)得到應(yīng)用 [2]。目前的三維空間鈑金件的切割大多采用工業(yè)機器人作為切割機的方式，采用六自由度工業(yè)機器人的空間運動方式來完成對空間圖形材料的處理；其缺點就是采用手動示教編程方式，這種模式針對固定零件外形的切割適用，針對種類 多、數(shù)量少、個性定制外形的切割加工則需要頻繁切換夾具和示教編程， 非常耗時、效率低下。另外，相比傳統(tǒng)激光柔性加工系統(tǒng)的控制方法，激光器的控制采用西門子 S7-300PLC 作 為控制終端，機器人采取串口通訊方 式 [3]，控制硬件造價昂貴。本文采用 KUKA 機器人作為主站的控制方式來 作為激光切割應(yīng)用的系統(tǒng)集成，利用 RobotMaster 軟件強大三維圖形的處理能力，機器人采用離線編程的方式， 這樣有效的解決了以上問題，提高了生產(chǎn)效率，且更安全，對于三維異形鈑金件的切割更為方便智能。

1. 基于 KUKA 機器人作主站的激 光切割系統(tǒng)設(shè)計

◆ 1.1 基于 KUKA 機器人作主站的激光切割系統(tǒng)的硬件設(shè)計

基于 KUKA 機器人作主站的激光 切割系統(tǒng)的關(guān)鍵點是激光器的控制。 在 KUKA 原來 KR16-2 本體和原裝的 KRC4 控制柜的裸機系統(tǒng)中，并沒有配 置好與激光器所需要的控制信號，由 于 KRC4 機柜采用的是 Beckhoff 主機， 所以可以通過 Ethe CAT 總線擴展出來 對應(yīng)模塊來滿足對激光器的開關(guān)控制、 激光焦距隨動控制系統(tǒng)、自動調(diào)焦系 統(tǒng)和切割氣壓的控制要求。由于 IPG YLR-500-MMWC 光纖激光器需要提供 PWM 信號、模擬量信號、數(shù)字量信號， 所以可以通過 Beckhoff 的總線耦合器 EK1100，擴展 EL2502 模塊（2 路 PWM 輸出）、EL4004 模塊（4 路模擬量輸 出）、EL1809 模塊（16 路數(shù)字量輸入） 和 EL2809 模塊（16 路數(shù)字量輸出）。

◆ 1.2 基于 KUKA 機器人作主站的激光切割系統(tǒng)的軟件設(shè)計

KUKA 機器人作為激光切割應(yīng)用 的程序結(jié)構(gòu)分為 3 大塊，包括激光器控制子程序、自動調(diào)焦子程序、隨動控制子程序。本文省略 自動調(diào)焦子程序和隨動控制子程序的流程圖。IPG 激光器的 控制子程序流程圖如圖 1 所示。

2. 基于 KUKA 機器人作主站的激光切割系統(tǒng)的控制原理

機器人系統(tǒng)不同于常用的工控機，不能對整個控制程序進行實時掃描，也沒有一般數(shù)控系統(tǒng)具備的前瞻 （Look-Ahead）功能；當遭遇外部環(huán)境變化或者與外圍設(shè)備發(fā)生干涉碰撞時，機器人系統(tǒng)并不能夠自動識別而立即 停止工作，這是由于機器人系統(tǒng)只能對其程序語言進行逐行掃描所致 [4]?；?KUKA 機器人作為主站的激光切割系 統(tǒng)控制原理圖如圖 2 所示，主要由以下 4 部分技術(shù)構(gòu)成：

1) 采用六自由度工業(yè)機器人作為三維立體空間的運動機 構(gòu)；

2) 激光切割頭搭配升降機構(gòu)，采用非接觸式電容傳感器 自動檢測激光噴嘴與被加工件之間的工作間隙，實現(xiàn)焦點位 置自適應(yīng)位置閉環(huán)控制，實時控制激光焦點在被加工零件的 位置，從而達到高質(zhì)量、穩(wěn)定的切割加工效果；

3) 采用平衡器防止機器人在切割的過程中拉傷拉斷光 纖；

4) 采用離線編程的方式來處理被切割加工的零件模型， 提高生產(chǎn)加工效率。

3. 基于 KUKA 機器人的激光切割路徑仿真與切 割加工

KUKA 機器人采用離線編程方式的工作方式，在 PC 機 上利用 RobotMaster 軟件對三維零件圖形 (STEP、IGS 文件 格式的零件 ) 的仿真處理，生成 KUKA 機器人能夠識別和執(zhí)行的加工代碼文件，導(dǎo)入到 KUKA 的 KRC4 控制柜中 ; 設(shè)置好激光工藝參數(shù)和 TOOLbase 坐標后即可以按照仿真路徑進行激光切割加工。圖 3 和圖 4 分別示例了三維異形件和 球面的切割模擬仿真加工。

4 結(jié)束語

采用 KUKA 機器人作為主站的三維激光切割系統(tǒng)，充 分利用了機器人的高柔性、低成本和智能化的特點；離線編程的應(yīng)用，省時省力，解決了機器人控制系統(tǒng)無法準確在三 維曲面特別是球面上進行人工示教的軌跡切割難題。本切割方法在切割應(yīng)用中使用得比較理想的是燒烤爐、LED 燈具 和安全帽類型三維工件的切割加工。

針對三維異形零件的切割加工應(yīng)用，本文提供的是一種低成本的解決方法；而在需要變位機的應(yīng)用場合，可以 在本文基于 KUKA 機器人作為主站的基礎(chǔ)上，增加 1~2 個 外部軸，通過對 KUKA 機器人作進一步的系統(tǒng)集成控制來實現(xiàn)。

參考文獻 :

[1] 馮豐 . 工業(yè)機器人用于激光切割的研究 [J]. 山東工業(yè)技術(shù)， 2016(16):39-40.

[2] 廖健宏，蒙紅云，王紅衛(wèi)，等 . 光纖激光精密切割系統(tǒng)的研 制及其應(yīng)用 [J]. 中國激光，2007，34(1):135-138.

[3] 居正月，吳建國，張永康 . 基于 ABB 機器人光纖激光加工系統(tǒng)的研究 [J]. 應(yīng)用激光，2010，30(4):295-299.

[4] 胡亮，羅敬文，張永康，等 . 基于高柔性機器人的光線激光切割系統(tǒng)的研究 [J]. 應(yīng)用激光，2010，30(1):20-22.