摘要：本文介绍了大范围、高精度5轴激光加工机器人系统的研究开发情况。在提高其绝对精度的前提下，对大范围框架式机器人的结构、高精度机器人的误差补偿方法进行了探讨。采用有限元分析的方法对机器人本体进行了优化设计，确保了高精度大型激光加工机器人设计的正确性。基于测量数据，建立了机器人误差模型，对机器人系统误差进行了补偿，取得了较好的结果，保证机器人系统的激光加工精度。
关键词：激光加工；有限元分析；优化设计；误差模型

1　引言(Introduction)

随着制造业水平的不断提高，激光切割和激光焊接技术已在工业界得到广泛应用，并在一些加工领域显示出明显的优越性。除激光切割和激光焊接外，激光表面工程、激光快速成型、激光微处理等技术亦日趋成熟，并逐渐应用于一些特殊的工业加工中。

目前激光加工机器人大多为两轴或三轴的机械手，只能进行简单的加工，而复杂曲面的加工则必须由高性能机器人来完成。针对此种现状，本课题研制了大范围、高精度5轴激光加工机器人，它可以完成复杂曲面的加工。该机器人系统具有如下特点：机器人本体采用高刚度框架式结构，平衡式设计，交流伺服驱动，高精度绝对码盘检测反馈。机器人控制器采用工业级嵌入式CPU，进一步提高控制器的运算能力，缩短控制周期，提高插补精度，保证机器人的检测精度和控制精度。建立了机器人误差模型，解决了机器人系统的误差补偿问题，实现了机器人的高精度加工。

2　总体设计方案(Schemedesign)

研制大范围、高精度5轴框架式机器人系统，既要保证系统的先进性，同时又要考虑其实用性和可靠性。由于机器人系统行程的加大，精度的大幅度提高，在机器人的基本结构形式、传动系统的配置方式、关键部件如一体化传动装置、交流伺服电机的选用等方面，均采取了诸多技术措施来达到性能指标的要求。同时对机器人的检测系统和机器人控制系统进行了特殊设计，保证了机器人整体系统的高精度和高性能。

2.1　特殊设计和技术措施

(1)Y轴传动采用双传动型，来减少由于Z轴的倾斜引起的误差；
(2)腕部自由度的配置做了较大的改变，解决激光头与A轴同心度带来的误差，并加入了激光头姿态的调整功能；
(3)X、Y梁采取了提高刚度的措施，Z梁立柱由2个增加至3个，以提高其刚度系数；
(4)X轴、Z轴一体化传动装置的动力桥，采用加长形，由340mm长改为500mm长，提高装置的承载能力，减少变形的影响；
(5)Y轴采用弃荷装置，以减小X轴一体化传动装置的负载，同时加大X轴驱动电机的功率；
(6)增加了X轴、Y轴一体化传动装置的侧向直线度的整体功能，达到垂直方向的直线度由梁的平面度保证，侧向直线度由调整保证；
(7)X梁、Y梁采用严格加工工艺，确保性能稳定和高精度：专做的特种钢管、合理的焊接工艺、人工时效处理、导轨磨床精加工等。

2.2　优化设计

在激光加工机器人的开发过程中，采用SolidEdge进行三维CAD设计，并通过有限元软件进行模拟分析，依据分析结果进行设计修改和优化。由于采用先进的设计手段，确保了机器人本体的优化设计，为提高机器人的整体精度奠定了基础。

图1　激光加工机器人外型图

3　关键部件的有限元分析(Finiteelementanalysisofkeyparts)

在激光加工机器人的设计过程中，对其关键部件x梁、y梁和z梁支架用软件进行了有限元模拟分析。模拟分析是按照梁在最大承载的位置进行计算，这样可以保证在任何位置都有较高的安全系数。

3.1　模拟分析过程

在模拟分析过程中，对x梁的简化最大，将三维模型转化成二维图形来分析，主要是因为x梁的结构比较简单而且规则，受力情况也比较简单。我们选择的单元类型是BEAM189，这种单元的精度比较高，另外，还引入了截面特性这个参数，所以，我们认为结果的准确性还是值得信任的。这样可以省掉复杂的建模过程，将主要精力用在结果的分析上。

对y梁的分析也采用了简化，但是采用了实体建模，y梁的结构相对比较复杂，而且受力也很复杂，采用的单元是SOLID45，单元的精度适中，考虑到y梁的长度，如果采用复杂的单元并细分网格，可能增加求解的困难，并延长计算的时间。在准确度和效率之间应该有一个合理的分配，采用三维实体模型就可以大大提高精度，所以在单元类型和网格划分的选择上，可以稍微粗糙一些，这样并不降低精度，并且能提高计算效率。

z梁支架是一个很关键的部件，所以，我们在尽量不简化的情况下对其进行了模拟，倒角、连接过渡和螺纹必须要简化掉，否则，这些部位可能增加相当多的单元数，增加计算量，甚至导致求解的失败。

3.2　模拟结果分析

3.2.1　x梁
x梁的模拟结果如图2所示，通过模拟的结果我们可以看出，在受力方向上，最大的应变是0.6×10-5m，这说明我们的变形是在允许的范围之内的。

图2　x梁在受力方向的应变分布

3.2.2　y梁
y梁的模拟结果如图3所示，通过模拟的结果可以看出，在受力方向上，y轴的最大变形是0.15×10-7m，完全能够满足实际工作中精度的要求。在受力方向上，y梁受到的应力最大也只有300N左右。

图3　y梁在受力方向的应变分布

3.2.3　z梁支架
z梁支架的模拟需要很详细，因为这个支架结构比较复杂，而且受力很大，它的变形直接影响到z梁的精度，所以，我们对其在各个方向的应力和应变都进行了分析。如图4、5、6所示为z梁支架在x、y、z3个方向的应变图。图7、8、9为z梁支架在x、y、z3个方向的应力图。

图4　z梁支架在x方向的应变分布

图5　z梁支架在y方向的应变分布

图6　z梁支架在z方向的应变分布

图7　z梁支架在x方向的应力分布

图8　z梁支架在y方向的应力分布

图9　z梁支架在z方向的应力分布

在图中，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。在图4中，我们可以看到，在各个支撑板上，都承受了很大的应力，因而变形量也很大。而图5则说明由于z梁的作用力，使得固定z梁的板发生了变形，在模拟中，我们可以得到最大变形是0.2×10-8m，这样就保证了z梁的垂直度。图6是z梁支架在垂直方向即z方向上的变形，通过应变的分布可以看出，z梁固定板在z方向上的变形很小，而且比较相近，大约在0.2～0.7×10-9m左右，对垂直方向的尺寸精度影响很小。图7、8、9则是从应力方面来说明这个问题。 #p#分页标题#e#

总之，从应力和应变两方面的分析结果来看，我们对z梁支架这个关键的零件的设计是合理的。