应用于汽车液压成型管切割的激光机器人系统

液压成型管已广泛地应用于新型卡车和SUV的大梁、发动机支架、吊杆和顶柱，其硬度高、形状复杂和重量轻的特点使得该结构的应用越来越广泛。对于制造商来说，最大的挑战是从单侧切割这些密封管，过去，这些件是用先折弯， 然后点焊起来的装配方式，因为成型前是平板，因此用传统的冲床很容易完成，但对于成型件，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解决这个问题，同时，用户还可以在成型工件上进行切割。

将激光机器人系统应用于液压成型密闭管的切割，可有效解决对其进行单侧切割出现的问题，并可使用户在成型工件上进行切割。不仅如此，选择到合适的系统，还可使运行成本减少15～20%。

激光系统

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。连续Nd：YAG固体激光器1.06mm的波长和光纤传导适用于快速切割，一般用10～30m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。

在机器人手臂和光纤末端连接的是激光切割头，它将光束聚焦到工件表面，同时保持与工件表面恒定的距离，并传递切割辅助气体。在切割平板的激光系统中，为了使切割头坚固且操作灵活，可将其做的较大。机器人系统进行的是三维切割，必须将切割头设计的轻而小，尤其在靠近切割喷嘴的部分，以便使它更靠近切割部位而不受干扰。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（如图1），浮动范围为25mm。

图1 切割头必须沿工件表面跟踪，使激光始终在工件表面聚焦以补偿工件的制造误差

工艺流程

液压成型管在每一侧都有许多部位需要切割，并在端口有一处切割，称为“端口切割”。

我们以此作为工艺流程的实例：第一步是将管液压成型为所需形状，将管送入激光机器人工作站里并将其立起，使里面积蓄的液体流出，否则液体会影响激光切割头上传感器的工作。当然干燥的管子是最好的，但如果在切割位置附近没有过多积蓄的液体，湿的表面也可以接受。随后，管子被装入卡具准备切割，通常为一种变位装置。这种转动系统可以在一个管子转入激光防护罩内进行加工的同时，使另一个管子在加工区外装卡。将工件的每一面转动到切割头位置进行切割，既可以减少机器人的动作量及空程时间，也可以简化管线的运动路径（如图2）。

图2  管子不动，切割头由机器人带动进行多面切割

在激光切割时，排尘装置从管子末端吸走切割中产生的金属蒸气和颗粒。在切割完成后，管子再次被垂直立起，倒掉里面的熔渣，最后集中到废料收集器里。

激光器

激光切割的缝宽约为0.2～0.6mm，切割部位的尺寸受机器人臂长等因素的限制，而切速由激光功率和缝宽来决定，激光切割的速度曲线如图3。然而，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”。在整个加工周期中，机器人以最快速度运动的空程时间要占50%，甚至更多，因此，在计算成本时还要考虑到这一问题。

图3  决定激光机器人单元加工周期的因素。以切割10个圆孔和3个型孔为例，上下料和装卡需20s

液压成型管激光切割系统配置的优化主要取决于速度、成本和质量，其中GSI激光器一个突出的功能是可以产生几百赫兹的脉冲输出，峰值功率高于连续波平均功率的2倍。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。

对机器人的选择

机器人运动的精度、光滑度和重复性决定了切割精度。激光切割几毫米厚材料的精度为±35mm，包括机器人路径，精度为±250mm。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±70mm。

一个合适的机器人应至少有六轴运动，并可再加一个或更多轴来旋转或移动长的工件。负载为激光切割头，通常小于10kg。

切割头

如前文所述，切割头应该小、窄、轻且快，并能耐受较脏的切割环境。大的金属氧化物颗粒和烟尘会损坏光学镜片和移动机构，而不锈钢结构和滑块密封结构会减少磨损，快换式、预准直的切割喷嘴和聚焦镜片还可快速更换。此外，新型切割头还可以防止碰撞。当在切割中产生飞溅和等离子云，或在进行斜角切割时，保持切割头与工件的固定距离至关重要，GSI的切割头可以做到这点，并可在加工中不断地进行自我校准。

将光纤、电缆和气管固定在一起，需远离切割区，以免工件在加工中受阻或使其在运动中扭曲，所有的管路都应安置在切割头的一侧。切割头为直角是最好的，这样光纤可以沿机器人手臂固定，不仅可减少光纤在切割头上的扭曲，也可使更多的光纤用于工作区。

直角切割头也可以使用闭环的摄像监视系统通过镜片在焦点位置取像，然后在监视器上放大，以方便示教编程。这个功能配合电容传感器的信号，可让机器人自动找到工件表面的法线方向。操作者将切割头设置到行程中点或示教点，根据监视器上放大的图像沿着主线或特征中心点进行编程。在每一点，可以通过找到该点附近几点的高度自动确定法线方向，从而使机器人带动切割头移到法线方向，并将其作为正确点进行输入。

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，最好的液压成型件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%。

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