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        《電子技術應用》
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        機器人光纖激光切割系統研究
        OFweek激光網
        摘要: 由于光纖激光采用光纖傳輸,可將光束傳送到遠距離加工點,并且光纖自身可自由變換形狀,在機器手的夾持下,其運動由機器手的運動決定,因此能匹配自由軌跡加工,完成平面曲線、空間的多組直線、異形曲線等特殊軌跡的激光切割。
        Abstract:
        Key words :

          0 引言

          機器人激光切割成套設備是基于機器人機構,利用光纖激光器產生的大功率高能密度定向激光,實現汽車用鋼板等板材自動切割的成套生產設備。由于光纖激光采用光纖傳輸,可將光束傳送到遠距離加工點,并且光纖自身可自由變換形狀,在機器手的夾持下,其運動由機器手的運動決定,因此能匹配自由軌跡加工,完成平面曲線、空間的多組直線、異形曲線等特殊軌跡的激光切割。激光加工在工業中所占的比重已經成為衡量一個國家工業加工水平高低的重要標志。切割、焊接是汽車白車身制造中的重要生產工藝,尤其在新車型開發和小批量定制中,采用先進的激光切割(代替部分修邊—沖孔工序的模具)可以大大提高開發效率、降低開發成本,從而使得激光切割的應用倍受青睞。

          1 影響能量傳輸的主要因素及光纖激光器

          1.1影響能量傳輸的主要因素

          由于激光在光纖中不可避免地會產生吸收、散射及透射等現象,所以導致光纖傳輸激光功率隨光纖長度的增加而衰減。通常用dB數來表示衰減度,dB值用下式計算

          式中,P0是衰減前的激光功率;P是衰減后的激光功率。對于由傳輸長度引起的衰減來說,P0表示光纖中x=0處的激光功率,P是激光從x=0傳播到x=x處的功率。由式(1)可知,P(x)和P0的關系滿足

         

          式中,x的單位為km,dBkm表示每千米衰減的dB數。從式(1)可以看出,當耦合光纖足夠長時,即使光纖的dBkm值較小,光纖長度引起的衰減也不可忽視。

          對于激光能量分布按Gauss分布的光纖,其傳輸的激光功率密度(或稱激光強度)I可認為與纖芯半徑a的平方成反比,即

         

          因此,若保持光纖傳輸的激光功率不變,減小光纖芯徑即減小傳輸激光能量的光纖纖芯的橫截面面積,則光纖傳輸的激光功率密度將增加。

          光纖耦合引起的衰減不容忽視。例如在激光二極管點火中,激光二極管與光纖的耦合,光纖與光纖之間的耦合,光纖與點火器之間的耦合都存在能量損失。

          激光的熱效應也是不容忽視的。在激光點火中,通常情況下,正是利用激光的熱效應來引燃、引爆含能材料。因此,光纖包層及封裝材料的傳熱系數越大,熱散失越多,光纖最終輸出的能量損失越大。

          圖1是雙包層光纖截面結構及其工作原理圖。從圖1(a)雙包層光纖的截面結構町見,光纖包括四個部分:纖芯、內包層、外包層、保護層。用分別表示雙包層光纖的纖芯、內包層、外包層和保護層的折射率,則折射率應滿足:。

         

        圖1 雙包層光纖截面結構及其工作原理

          0 引言

          機器人激光切割成套設備是基于機器人機構,利用光纖激光器產生的大功率高能密度定向激光,實現汽車用鋼板等板材自動切割的成套生產設備。由于光纖激光采用光纖傳輸,可將光束傳送到遠距離加工點,并且光纖自身可自由變換形狀,在機器手的夾持下,其運動由機器手的運動決定,因此能匹配自由軌跡加工,完成平面曲線、空間的多組直線、異形曲線等特殊軌跡的激光切割。激光加工在工業中所占的比重已經成為衡量一個國家工業加工水平高低的重要標志。切割、焊接是汽車白車身制造中的重要生產工藝,尤其在新車型開發和小批量定制中,采用先進的激光切割(代替部分修邊—沖孔工序的模具)可以大大提高開發效率、降低開發成本,從而使得激光切割的應用倍受青睞。

          1 影響能量傳輸的主要因素及光纖激光器

          1.1影響能量傳輸的主要因素

          由于激光在光纖中不可避免地會產生吸收、散射及透射等現象,所以導致光纖傳輸激光功率隨光纖長度的增加而衰減。通常用dB數來表示衰減度,dB值用下式計算

          式中,P0是衰減前的激光功率;P是衰減后的激光功率。對于由傳輸長度引起的衰減來說,P0表示光纖中x=0處的激光功率,P是激光從x=0傳播到x=x處的功率。由式(1)可知,P(x)和P0的關系滿足

         

          式中,x的單位為km,dBkm表示每千米衰減的dB數。從式(1)可以看出,當耦合光纖足夠長時,即使光纖的dBkm值較小,光纖長度引起的衰減也不可忽視。

          對于激光能量分布按Gauss分布的光纖,其傳輸的激光功率密度(或稱激光強度)I可認為與纖芯半徑a的平方成反比,即

         

          因此,若保持光纖傳輸的激光功率不變,減小光纖芯徑即減小傳輸激光能量的光纖纖芯的橫截面面積,則光纖傳輸的激光功率密度將增加。

          光纖耦合引起的衰減不容忽視。例如在激光二極管點火中,激光二極管與光纖的耦合,光纖與光纖之間的耦合,光纖與點火器之間的耦合都存在能量損失。

          激光的熱效應也是不容忽視的。在激光點火中,通常情況下,正是利用激光的熱效應來引燃、引爆含能材料。因此,光纖包層及封裝材料的傳熱系數越大,熱散失越多,光纖最終輸出的能量損失越大。

          圖1是雙包層光纖截面結構及其工作原理圖。從圖1(a)雙包層光纖的截面結構町見,光纖包括四個部分:纖芯、內包層、外包層、保護層。用分別表示雙包層光纖的纖芯、內包層、外包層和保護層的折射率,則折射率應滿足:。

         

        圖1 雙包層光纖截面結構及其工作原理

          1.2光纖激光器的優點

           光纖激光器的優點見表1。

        表1 光纖激光器與其它激光器的比較

          2柔性加工系統

          機器人光纖激光加工系統組成如圖2所示,主要是由光纖激光器、機器人(本體和控制柜)、水冷系統、光束傳輸系統、激光頭和工件裝夾系統組成。

         

        圖2 機器人光纖激光加工系統

          該系統中激光器采用了IPG公司的YLS-2000型光纖激光器,最大功率可達2000W,光纖芯徑為150μm,噴嘴直徑為1.5mm。機器人為瑞士ABB公司生產的IRB4400型六軸聯動高精度機器人,裝有安全開關。借助于示教盒上的安全開關,示教過程中脫手或握力過大都會關掉伺服,使機器人停止,因此可安全地操作。

          激光柔性加工系統一般包括控制用計算機或者PLC、激光器、機械運動裝置或機器人、光纖傳送和光束變換裝置及其它輔助設施。這是一種相對設備不多,但對其精度、實時性、安全性、集成度要求較高的精密控制系統,系統的組成如圖3所示。為避免使用造價昂貴的控制硬件,激光器的控制采用西門子S7—300 PLC作為控制終端,機器人采取串口通信方式。

         

        圖3 光纖激光切割系統的組成

          3機器人編程方式

          3.1示教再現編程

          通常,機器人編程方式可分為示教再現編程和離線編程。目前,在國內外生產中應用的機器人系統大多為示教再現型。ABB六軸聯動機器人的編程語言為RAPID語言,編程方式有兩種:即示教再現編程(teaching—playback programming)和離線編程(off-line programming)。示教再現型機器人在實際生產應用中存在的主要技術問題有:機器人的在線示教編程過程繁瑣、效率低;示教的精度完全靠示教者的經驗目測決定,對于復雜路徑難以取得令人滿意的示教效果;對于一些需要根據外部信息進行實時決策的應用無能為力。圖4為示教再現編程的流程圖。

         

        圖4 示教再現編程的流程

          3.2離線編程

          機器人離線編程系統是利用計算機圖形學的成果,建立起機器人及其工作環境的幾何模型,再利用一些規劃算法,通過對圖形的控制和操作,在離線的情況下進行軌跡規劃。通過對編程結果進行三維圖形動畫仿真,以檢驗編程的正確性,最后將生成的代碼傳到機器人控制柜,以控制機器人運動,完成給定任務。示教再現編程與離線編程的比較見表2。

        表2 示教再現編程與離線編程的比較

          4激光器固有特性對切割質量的影響

          4.1光斑模式對激光切割質量的影響
           
          激光光斑模式決定了激光束的質量,它對激光切割能力、切縫大小及切口粗糙度等均有極大影響。在切割時,光斑模式最好采用基模,其光斑半徑和發散角均較小,有利于提高切割精度和切割質量。

          4.2激光波長對切割質量的影響

          在理論上,切割厚度由激光高斯光束的瑞利區域所決定。瑞利區域在工業界又稱作焦深,其物理表達式為

          其中,λ為激光波長;f為聚焦透鏡焦距;D為聚焦透鏡直徑。

          激光切割類似于刀具切削,其焦深相當于刀刃的長度,激光功率相當于用力的大小。激光焦深給出了激光切割的必要條件,焦深和激光功率的結合才提供充分條件。
           
          在其它條件相同情況下,聚焦光斑直徑越小、功率密度越大,則熱影響區越小、縫寬越窄、切割質量越好。采用實際聚焦透鏡將基模激光束聚焦所得的最小光斑直徑可近似表示為由衍射所決定的腰斑直徑和由透鏡像差所決定的最小彌散圓直徑的和,由下式表

          其中,d為聚焦光斑直徑;λ為激光波長;f為聚透鏡焦距;D為聚透鏡處光束直徑;K為無量綱系數,其值決定于透鏡的曲率半徑和材料。

          5試驗結果
           
          試驗所用板材為不銹鋼板(1Crl8Ni9Ti),厚度為1.5mm。試驗通過正交試驗方法,設置四個主因素:激光功率、離焦量、切割速度、保護氣體氣壓(氮氣),對四因素分別按五個水平進行試驗,即因子設計。通過光學顯微鏡和表面形貌儀對切縫寬度和切縫表面粗糙度進行測量和分析,找出其影響和變化的規律。
           
          從圖5可以看出,隨著激光功率的增加,切縫寬度呈近似直線上升,隨著速度的增加,切縫寬度呈遞減趨勢。由于激光切割是激光和材料的能量交換,隨著激光功率的增加,同等時間條件下,板材吸收能量增加,熱擴散范圍加大,造成了縫寬的增大。同樣,由于切割速度的增大,在同等功率條件下,單位時問單位面積板材吸收能量隨之減少,熱擴散范圍減小,造成了切縫寬度的減小。

        圖5 切割功率和速度與縫寬的關系

          從圖6可以看出,隨著離焦量的增大,切縫寬度近似線性增大。

        圖6 離焦量和縫寬的關系

          從圖7可以看出,隨著氣壓的增大,切縫寬度緩慢遞減,這是由于在切割過程中,高壓氣體把熔融狀態的金屬吹出,達到切割的目的,吹除過程中伴隨著能量的流失,達到對板材的冷卻作用,隨著氣壓的增大,冷卻的速度也隨之增大,熔化層再固化加快,割縫隨之緩慢減小。

        圖7 氣壓和縫寬的關系

          從圖8中可知,隨著功率的增加,表面粗糙度先緩慢降低,當功率P=1kW時,表面粗糙度最小Ra=2.01μm,但隨著功率的進一步增大,粗糙度又隨之增大。粗糙度并不與功率成線性關系,而是存在一個最佳值。

         

        圖8 功率和表面粗糙度的關系

          從圖9中可知,隨著切割速度的增大,表面粗糙度隨之降低,當速度為80mm/s時達到最小Ra=2.1μm,隨著速度的進一步增大,粗糙度又隨之增大。

         

        圖9 速度和表面粗糙度的關系

          從圖10中可知,隨著氣壓的增大,表面粗糙度非線性遞減到1Mpa后,隨著氣壓的逐漸增大,表面粗糙度變化不大。

         

        圖10 氣壓和表面粗糙度的關系

          表3為光纖激光器與PRC 激光器對于1.5mm厚不銹鋼板(1Crl8Ni9Ti)切割參數的比較。

         

          6結論

          隨著全球經濟一體化進程的發展,汽車市場的競爭愈加激烈,我國的汽車工業將面臨更為嚴峻的挑戰。車身的設計與制造技術必將成為世界汽車工業激烈競爭的主戰場。而車身制造中激光切割、焊接的應用,必將為車身制造業帶來重大變革,為企業帶來巨大的效益,同時大大提高和增強企業的競爭力。國內外先進汽車生產企業的經驗表明,激光加工技術的推廣,將顯著提高我國汽車工業產品的質量水平以及在國際中的競爭力。

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