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摘要：機(jī)器人控制的Remote激光焊接技術(shù)除了利用掃描設(shè)備控制激光射束的運動之外，還要求激光切割保護(hù)氣體割炬具有很高的動態(tài)性能。與沒有附加坐標(biāo)控制的傳統(tǒng)激光切割割炬相比較，新技術(shù)可節(jié)約工時60％左右。

機(jī)器人控制的Remote激光焊接技術(shù)除了利用掃描設(shè)備控制激光射束的運動之外，還要求激光切割保護(hù)氣體割炬具有很高的動態(tài)性能。與沒有附加坐標(biāo)控制的傳統(tǒng)激光切割割炬相比較，新技術(shù)可節(jié)約工時60％左右。
隨著金屬激光加工技術(shù)的不斷進(jìn)步，現(xiàn)在使用高能量的激光切割金屬材料時通?？梢允褂帽?年前要高許多的進(jìn)給速度。但由于移動部件質(zhì)量較大，即使是高動態(tài)性能的激光切割設(shè)備在直線切割時可能使用的進(jìn)給速度也達(dá)不到大多數(shù)輪廓切割的理論速度。例如，利用激光切割設(shè)備切割電動機(jī)轉(zhuǎn)子、定子鐵芯等電氣鋼板時，平均切割速度為20m/min；

   而理論上可以實現(xiàn)的激光切割的極限進(jìn)給速度則為100m/min。隨著激光射束質(zhì)量的進(jìn)一步研發(fā)和提高，這一差異還將明顯地增大。因此，即使允許以很高的進(jìn)給速度進(jìn)行激光切割的線性驅(qū)動導(dǎo)向機(jī)構(gòu)，但由于動態(tài)性能設(shè)計方面的原因，其多過渡線、小形輪廓軌跡控制可以實現(xiàn)的進(jìn)給速度都明顯受到了限制。

由于加速度引起的加速度增量是一個重要的影響因素，它使得動態(tài)的軌跡控制受到了很大的影響。加速度的變化不是跳躍式的變化，而是隨時間增加而提高，并受加速度增量的影響，這就導(dǎo)致了在較短的切割輪廓中，機(jī)床坐標(biāo)軸常常達(dá)不到其最高的加速度值，不能實現(xiàn)按照最高加速度進(jìn)行加速運動。

保證不發(fā)生沖撞的加速度增量極限值一方面受驅(qū)動裝置本身的影響，另一方面也是由考慮了外部因素而設(shè)定的機(jī)床參數(shù)極限值所決定的。外部條件對加速度提高的限制是非常必要的，以便降低機(jī)床機(jī)械振動對驅(qū)動系統(tǒng)的影響，避免對激光頭的導(dǎo)向精度產(chǎn)生負(fù)面作用。

受加速度限制的驅(qū)動進(jìn)給量

目前，激光加工設(shè)備都是通過進(jìn)給量對各個坐標(biāo)軸應(yīng)執(zhí)行的加速度加以限制。由于它的作用，在大多數(shù)切割輪廓情況下，激光加工機(jī)床坐標(biāo)軸的運動速度很難達(dá)到事先規(guī)定的極限速度。圖2所示為帶有和不帶有坐標(biāo)軸進(jìn)給加速度增量在運動距離限制與加速度限制時加工工件直角處的速度關(guān)系曲線。

   在2001年的工業(yè)機(jī)器人焊接研究中，IWS霍倫霍夫研究院通過掃描系統(tǒng)在機(jī)器人中的集成時對這個問題進(jìn)行了解決；并明顯地提高了機(jī)器人的加工速度和加工質(zhì)量。在激光焊接時，與激光切割有所不同：在各個焊接點處盡可能保持恒定的生產(chǎn)加工速度和盡可能短的定位運動時間。如今的機(jī)器人Remote焊接設(shè)備已經(jīng)完全把機(jī)器人（空間、靈活性）和掃描系統(tǒng)（動態(tài)、精度）的優(yōu)點經(jīng)智能化的軌跡運動和自動化控制結(jié)合在一起。

激光切割時，即使是在切割復(fù)雜輪廓的工件時也應(yīng)達(dá)到技術(shù)允許的極限速度，以便充分挖掘激光技術(shù)的生產(chǎn)潛力。在將機(jī)器人控制Remote焊接設(shè)備的技術(shù)轉(zhuǎn)移到激光切割機(jī)器人中時，必須要做進(jìn)一步的技術(shù)改進(jìn)，即利用掃描技術(shù)附加高動態(tài)性能的激光切割保護(hù)氣體對激光射束運動進(jìn)行控制。激光切割保護(hù)氣體保護(hù)著激光射束聚焦在工作區(qū)，以保證可靠的熔化材料。

經(jīng)過多年的研究，目前的Remocut技術(shù)已經(jīng)含有了多種不同的Remote切割工藝方法，根據(jù)被切割材料、使用的切割氣體等可分為無保護(hù)氣體的Remote非金屬材料切割（Remocut-NM）、不使用保護(hù)氣體的、金屬板材厚度0.7mm的Remocut金屬材料切割（Remocut-M）和使用保護(hù)氣體的、金屬板材厚度4mm的Remocut保護(hù)氣體金屬切割（Remcut-MG）。

降低主坐標(biāo)運動軸的加速度最大峰值

在加工用光學(xué)系統(tǒng)中，集成一套輔助的坐標(biāo)軸系統(tǒng)可降低主坐標(biāo)運動軸的加速度增量峰值和進(jìn)給加速度峰值。切割時，沿主坐標(biāo)軸的運動是按照工件幾何輪廓精確軌跡進(jìn)行的硬過渡運動，與此同時，生產(chǎn)和加工光學(xué)系統(tǒng)中集成的輔助坐標(biāo)系（掃描系統(tǒng)和噴嘴系統(tǒng)）可對理論軌跡的偏差進(jìn)行補償校正。這樣，在關(guān)鍵的過渡點范圍內(nèi)主坐標(biāo)軸的運動只需略微減速便可在其動態(tài)性能的范圍內(nèi)實現(xiàn)柔和的軌跡過渡。不但大大縮短了切割加工工時，還明顯降低了整個設(shè)備的機(jī)械負(fù)載，有效地提高了相關(guān)元器件的使用壽命。

此外，切割保護(hù)氣體噴嘴的動態(tài)性能還決定了附加系統(tǒng)（激光射束控制和噴嘴輔助控制）的機(jī)械性能。利用直接驅(qū)動裝置和相互匹配的、運動速度經(jīng)過了優(yōu)化的并聯(lián)運動還可能實現(xiàn)更高的噴嘴動態(tài)性能。在加工用光學(xué)系統(tǒng)中集成的輔助坐標(biāo)軸系統(tǒng)中，在加速度增量為7000m/s3時的加速度值為80m/s2（當(dāng)加速度增量在500～1200m/s3之間時，傳統(tǒng)導(dǎo)向軸的典型動態(tài)性能指標(biāo)為：加速度10～25m/s2）。

   在對動態(tài)性能和附加坐標(biāo)系的工作區(qū)域進(jìn)行了最佳平衡調(diào)配后，激光射束指向工件的整體動態(tài)性能就能與動態(tài)坐標(biāo)軸系統(tǒng)（噴嘴）相結(jié)合了。這種多層次性能匹配的、由主坐標(biāo)軸、掃描坐標(biāo)軸（工件上跳躍式的運動）和噴嘴坐標(biāo)軸組成的多軸匹配體系對IWS研究院當(dāng)前正在研發(fā)、實驗的軌跡控制軟件提出了很高的要求。與此同時，在IWS研究院中還同步進(jìn)行對新型設(shè)備控制系統(tǒng)的戰(zhàn)略方案研發(fā)，以便實現(xiàn)激光切割導(dǎo)向軸的高動態(tài)性能控制。

與傳統(tǒng)的沒有附加坐標(biāo)軸的激光切割設(shè)備相比較，現(xiàn)在已經(jīng)能夠在復(fù)雜輪廓的切割上節(jié)約60％的工時，沿主坐標(biāo)軸方向的運動也更加平穩(wěn)。但由于目前市場對生產(chǎn)過程更加靈活的要求和可能性的不斷提高，市場還不能廣泛接受這種耦合坐標(biāo)軸系統(tǒng)的激光加工設(shè)備。在CAD/CAM工具軟件、軌跡控制技術(shù)和專業(yè)優(yōu)化的幫助下，創(chuàng)新性的系統(tǒng)解決方案保障了廣泛應(yīng)用的可能性。

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