一种用于汽车U型梁切割的激光机器人系统

杨 静，张 涛，路 坤

（济南铸造锻压机械研究所有限公司，山东济南 250022）

一种用于汽车U型梁切割的激光机器人系统

杨 静，张 涛，路 坤

（济南铸造锻压机械研究所有限公司，山东济南 250022）

介绍了采用光纤激光器、机器人、双工位加工汽车U型梁的一种方案。用于卡车、客车车架纵梁的高效率、高精度、柔性化、自动化激光切割。

机械制造；机器人；激光切割；U形纵梁；汽车

1 前言

汽车U形纵梁具有硬度高、形状复杂和重量轻的特点，使得该结构的应用越来越广泛。对于加工制造来说，最大的困难就是从各侧分别切割，过去是用先冲孔再折弯的方式，因为成形前是平板，因此，用传统的冲床很容易完成，但对于成形件，冲床则不易加工。采用激光机器人切割系统和光纤传导系统，可以轻松解决这个问题。

激光器与工业机器人结合，构成激光加工机器人。这种机器人体积小，方便灵活，并可使工作人员免受激光伤害。光纤激光器配置到机器人手中的聚焦部件上，它的手臂可到达待加工零件的各个位置，从多种角度进行激光切割。机器人系统处于三面冲下道工序，上料辊道将纵梁送入切割区域，纵梁定位夹紧、机器人切割，切割完毕后由下料辊道将纵梁传输到下道工序。

2 激光机器人系统

激光发生器由机器人或控制单元控制，被放置在激光安全防护罩外，为了节省占地面积，有时将其放在高处。光纤传导适用于快速切割，一般用10m～30m长的光纤将激光能量传送到工件表面。用金属加固的光纤导管非常坚韧耐用，可像普通的管线一样使用，唯一的限制是最小弯曲半径约为200mm。下面就系统的各项组成一一介绍。

2.1 三维激光切割头

激光切割头连接在机器人手臂和光纤的末端，在保持与工件表面恒定距离、传递切割辅助气体的同时，将光束聚焦到工件表面。在切割汽车U形纵梁的激光系统中，由于机器人系统进行的是三维切割，切割头的选择必须轻巧、灵活，靠近喷嘴处的尺寸要小，使它在靠近切割部位时不受干涉。另外，它还必须具备良好的密封，以防止灰尘和金属蒸气进入，同时尽量避免碰撞，以防止被损坏。

为了保持激光始终聚焦在工件表面上，在切割头喷嘴上使用了电容高度传感器，将指令传送给伺服系统。移动聚焦透镜和喷嘴与工件表面保持1mm的距离，浮动范围为25mm。系统用YK52切割头，见图1。

该切割头是一种通过光纤耦合激光器进行切割的加工头。用于3D切割，适用于

Nd:YAG、圆盘形、光纤和二极管激光器等所有固体激光器，是一种带有线性驱动单元的系统。主要技术参数见表1。

图1 三维YK52切割头

表1 切割头主要技术参数

特性：集成非接触式专利距离传感器；超细设计；最轻的重量；垂直和水平透镜调整不会引起TCP变化；测量点小；发生碰撞、电缆破损或超出测量面积公差时产生出错信号；依靠切割气体对透镜进行空气冷却；可以对传感器嵌件进行空气冷却（仅对120mm和150mm焦距）；磁安全连接器（可选）。

YK52切割系统是Precitec在激光切割领域多年经验的结晶。带有高度调节的距离传感器，即使切割复杂的工件，也能够保证在高速切割情况下稳定地高质量切割。透镜是防尘密封的，整个光学路径也是完全密封的，这是延长光学部件使用寿命的关键。

YK52三维切割已广泛应用于很多知名汽车制造业、汽车部件制造业以及各种加工车间。该切割系统的应用，还包括在成品和汽车横梁上、在钢管热成形工件和液压成形工件上穿孔。

2.2 光纤激光器

激光切割的缝宽约为0.1mm～0.3mm，切割部位的尺寸受机器人臂长等因素的限制，而切割速度由激光功率和缝宽来决定。由于激光切割速度并不是加工周期的唯一因素，机器人系统还必须花大量时间在不同的加工位置间移动，即“空程时间”。这不仅可以产生更快的穿刺，在进行垂直于表面的切割时，还可以产生更快、更稳定的切割；对于半径小的圆进行切割，可以保证边缘切割的质量更好；对于反射性材料进行切割，可使速度更快，如铝和镀锌板。

如果按“两个工位、最大切割板厚为8mm、加工范围1500mm×3800mm的三维切割”作为方案设计依据，建议选用3000W的IPG光纤激光器（图2），然后采用分光装置“5-5”分成两个光路，对两个工位的工件同时切割，以便提高工作效率。

图3为多路输出光闸装置，激光器输出端的光缆可通过该装置分成两路各1500W，分别传输到两个工位。型号：BS 2way QB-QB/QD，M2=1.2两路光闸。

图2 3000W光纤激光器外形图

图3 多路输出光闸装置

IPG光纤激光器的优点：使用成本低，光纤激光器替代了不稳定或高维修成本的传统激光器；光纤激光的柔性导光系统，非常容易与机器人或多维工作台集成；光纤激光器体积小，重量轻，工作位置可移动；光纤激光器可以达到前所未有的大功率（至五万瓦级）；一器多机，即一个激光器通过光纤分光成多路多台工作；在工业应用上比传统激光器表现更优越。它有适用于金属加工的最佳波长和最佳的光束质量，而且光纤激光器在每米切割上的费用最低；免维护，使用寿命长；由于其极高的稳定性，大大降低了运行中对激光质量监控的要求；具有简单明了的控制接口，能够很方便地通过机器人进行控制。

此外，在成本方面，光纤激光的综合使用成本是最低的，安装维护成本低，光纤激光器上午安装，下午就能使用，而CO2激光器的安装需要两周，而后期维护方面光纤激光几乎没有维护费用，这就为厂家节约了大量的生产成本。

价格方面，光纤激光器的价格已经接近CO2激光器，将来部分代替CO2激光器的市场地位已成定局。更值得关注的是，由于光纤激光器的应用柔性更大，它可以在三维立体切割、焊接方面发挥更大的作用，一台光纤激光器和一个机器手就可以代替几台冷加工机床。光纤激光器的主要技术参数见表2。

表2 光纤激光器主要技术参数

图4为采用2000W光纤激光器，Focal length:10inch、Stainless steel up to 15mm，对不同板厚以不同速度进行激光切割的碳钢板样件。

图4 切割样件

2.3 机器人的选择

在机器人技术日臻成熟的今天，提高生产效率和保证产品质量早已是机器人份内之事。举例来说，ABB机器人的重复定位精度水平非常高，重复定位的上下误差仅为±0.05mm，这就能够保证产品质量的一致性，几乎可以把工厂的废品率减少到零。

在中国，ABB机器人广泛应用于上海通用、上海大众、广州本田、东风标致、吉利汽车、长城汽车等多个国内领先汽车制造商的生产线上，为中国汽车工业的发展贡献力量。

2.3.1 机器人本体

IRB2400/16工业机器人，承重能力16kg～20kg，到达距离1.55m。机器人运动的精度、光滑度和重复性决定了切割精度。机器人点对点的重复定位精度决定了实际加工点的位置，大约为±0.05mm。

IRB2400机器人主要应用于弧焊、切割作业，是ABB全球应用最广的机器人，具有速度快、精度高、功率大的特点。与市场上同级别机器人相比，它能帮助用户提高25%以上的工作效率。同时，该产品坚固耐用，防尘、防水性能达到IP67级标准，可适应多种恶劣工况。

2.3.2 机器人控制器

IRC5 SC能够通过MultiMove这一新功能控制多达四台完全协调运行的机器人，而且还具有创新意义的模块化设计，将各种功能进行了逻辑分割，最大程度地降低了模块间的相互依赖性。ICR5控制器的特性还包括：配备完善的通信功能、实现了维护工作量的最小化、具有高可靠性（平均无故障工作时间达80，000h）以及采用创新设计的新型开放式系统、便携式界面装置示教器。采用ABB独有的运动控制技术，优化了机器人的加减速性能，使机器人工作循环时间降至最短。

2.3.3 机器人行走轨迹精确成形及手腕运动摩擦力补偿软件

机器人运动的精度、光滑度和重复性决定了切割精度。IRB 2400机器人有多种不同版本备选，拥有极高的作业精度，在物料搬运、机械管理和过程应用等方面均有出色表现。IRB 2400机器人可提高生产效率、缩短生产提前期、加快交货速度。

2.4 水冷机

MCWL-150DTR-03水冷机，对于光纤激光器来说，由于它的水路为两进两出，一路是用于外光路冷却的等离子水（1kW、12L/min、30℃）；另一路是用于激光器冷却的（12kW、35L/min、20℃～22℃）。型号03代表此水冷机是专门用于光纤激光器的，带有离子交换树脂，价格比同等规格的CO2要高。

图5 IRB2400/16工业机器人

2.5 柔性加工单元

动作原理：LCFMC上料单元为独立、高效的机电一体化装置，主要为激光切割系统配套，实现自动上料功能。整套装置由上料工作台，吸盘上料装置两部分组成，吸盘上料装置自上料工作台上吸取板料，其分层吸盘吸附板的短边，通过摆动并辅以吹气使粘连板材分离，确保单张上料。其升降由锁紧气缸驱动；水平进退由变频减速电机及同步带驱动，直线导轨导向，精度高，速度快。主要配套件见表3。

表3 主要配套件

上料动作过程：吸盘上料装置在上料位置，将板料吸附，完成上述的分层动作后，气缸带动吸盘及板料升起，然后水平移动至切割主机的升降交换台上，待升降气缸落下后吸盘松开，吸盘放料时有吹气动作，加速真空的释放，完成上料动作。完成后，吸盘上料装置退回原位吸取下一张板料。

上料单元技术参数：板材尺寸1500mm×3000mm×（1～10）mm；吸提板重 400kg；送料速度20m/min；电源容量2kVA；压缩空气消耗量0.6m3/min；占地尺寸（长×宽×高）=7m×4m×2.5m。

该装置一般为独立运行，利用独立的操作站进行上料工作，不与切割机进行电气连接，每次手动操作只完成一张板材的上料工作。

此外，还可以利用切割主机的电气模块作为上料单元的控制元件，并通过总线与系统进行通讯。这样即可实现连续上料工作，上料单元的故障报警也可以通知主机的控制系统，确保动作安全、无误。但是需要客户提供切割机的相关资料（随机的机械、电气说明书、原理图等），以确定是否可以利用主机的电器模块，以及后续的开发设计工作。

功能特点：板料成垛出入，节约上料时间及人力；能自动检测板垛的高度；配有板材自动分层功能；自动监控完善，保证设备安全；配有自动、手动操作，切换方便，操作方式灵活。

3 结束语

光纤传导的激光器机器人切割系统早在20世纪90年代初就已用于生产。最好的切割系统的选择标准：包括切割速度、运行成本、边缘质量和挂渣的去除、正常运行时间以及头期投资成本。在激光器满足速度快、切割质量高和挂渣去除容易的情况下，还应注意选择氧气和电消耗最少的激光器。选择到合适的系统，可使运行成本减少15%～20%。

随着我国汽车工业的发展，汽车生产企业迫切需要掌握及运用该技术，以实现载重汽车纵梁的多品种、小批量的成形柔性化生产。同时可节省载重车改型时专用大型压弯成形模具的全部投入，降低生产成本，提高产品的市场竞争力。为此，本研究项目解决了现存的技术与工艺难题，填补了国内空白，为提高我国汽车工业的工艺装备水平作出了贡献。

[1] 陆 明.用400CW/M光纤激光器切割厚度2mm以下的板材.激光世界，2010，（9）.

[2] 武汉华工.航空航天工业中的先进激光技术.现代制造，2010，3（1）.

[3]Cathenine Wandera.采用光纤激光器切割厚型钢.工业激光解决方案，2010，（12）.

The laser robot system for cutting U-beam of truck

YANG Jing，ZHANG Tao，LU Kun

（Jinan Foundry&Metalforming Machinery Research Institute Co.,Ltd.，Jinan 250022，Shandong China）

By use of fiber laser,robot and double stations,the forming process of U-beam of the truck has been introduced.This design is suitable for the flexible manufacture of the side member of truck and passenger car with high productivity and accuracy.

Robot；Laser cutting；U beam；Truck

TG485

B

1672－0121(2011)03－0027－04

2011-01-17

杨 静（1962-），女，工程师，从事激光切割技术及设备的设计与研究