近年來激光技術飛速發展，涌 現出可與機器人柔性耦合的光纖傳輸的高功率工業激光 器。先進制造領域在智能化、自動化 和信息化技術方面的不斷進步促進了機器人技術與激光技術的結合 [1]，光纖 激光器與工業機器人結合組成三維柔性加工系統成為近些年來研究的熱點， 相關設備已經在汽車制造、冶金、材 料加工等行業得到應用 [2]。目前的三維空間鈑金件的切割大多采用工業機器人作為切割機的方式，采用六自由度工業機器人的空間運動方式來完成對空間圖形材料的處理；其缺點就是采用手動示教編程方式，這種模式針對固定零件外形的切割適用，針對種類 多、數量少、個性定制外形的切割加工則需要頻繁切換夾具和示教編程， 非常耗時、效率低下。另外，相比傳統激光柔性加工系統的控制方法，激光器的控制采用西門子 S7-300PLC 作 為控制終端，機器人采取串口通訊方 式 [3]，控制硬件造價昂貴。本文采用 KUKA 機器人作為主站的控制方式來 作為激光切割應用的系統集成，利用 RobotMaster 軟件強大三維圖形的處理能力，機器人采用離線編程的方式， 這樣有效的解決了以上問題，提高了生產效率，且更安全，對于三維異形鈑金件的切割更為方便智能。

1. 基于 KUKA 機器人作主站的激 光切割系統設計

◆ 1.1 基于 KUKA 機器人作主站的激光切割系統的硬件設計

基于 KUKA 機器人作主站的激光 切割系統的關鍵點是激光器的控制。 在 KUKA 原來 KR16-2 本體和原裝的 KRC4 控制柜的裸機系統中，并沒有配 置好與激光器所需要的控制信號，由 于 KRC4 機柜采用的是 Beckhoff 主機， 所以可以通過 Ethe CAT 總線擴展出來 對應模塊來滿足對激光器的開關控制、 激光焦距隨動控制系統、自動調焦系 統和切割氣壓的控制要求。由于 IPG YLR-500-MMWC 光纖激光器需要提供 PWM 信號、模擬量信號、數字量信號， 所以可以通過 Beckhoff 的總線耦合器 EK1100，擴展 EL2502 模塊（2 路 PWM 輸出）、EL4004 模塊（4 路模擬量輸 出）、EL1809 模塊（16 路數字量輸入） 和 EL2809 模塊（16 路數字量輸出）。

◆ 1.2 基于 KUKA 機器人作主站的激光切割系統的軟件設計

KUKA 機器人作為激光切割應用 的程序結構分為 3 大塊，包括激光器控制子程序、自動調焦子程序、隨動控制子程序。本文省略 自動調焦子程序和隨動控制子程序的流程圖。IPG 激光器的 控制子程序流程圖如圖 1 所示。

2. 基于 KUKA 機器人作主站的激光切割系統的控制原理

機器人系統不同于常用的工控機，不能對整個控制程序進行實時掃描，也沒有一般數控系統具備的前瞻 （Look-Ahead）功能；當遭遇外部環境變化或者與外圍設備發生干涉碰撞時，機器人系統并不能夠自動識別而立即 停止工作，這是由于機器人系統只能對其程序語言進行逐行掃描所致 [4]。基于 KUKA 機器人作為主站的激光切割系 統控制原理圖如圖 2 所示，主要由以下 4 部分技術構成：

1) 采用六自由度工業機器人作為三維立體空間的運動機 構；

2) 激光切割頭搭配升降機構，采用非接觸式電容傳感器 自動檢測激光噴嘴與被加工件之間的工作間隙，實現焦點位 置自適應位置閉環控制，實時控制激光焦點在被加工零件的 位置，從而達到高質量、穩定的切割加工效果；

3) 采用平衡器防止機器人在切割的過程中拉傷拉斷光 纖；

4) 采用離線編程的方式來處理被切割加工的零件模型， 提高生產加工效率。

3. 基于 KUKA 機器人的激光切割路徑仿真與切 割加工

KUKA 機器人采用離線編程方式的工作方式，在 PC 機 上利用 RobotMaster 軟件對三維零件圖形 (STEP、IGS 文件 格式的零件 ) 的仿真處理，生成 KUKA 機器人能夠識別和執行的加工代碼文件，導入到 KUKA 的 KRC4 控制柜中 ; 設置好激光工藝參數和 TOOLbase 坐標后即可以按照仿真路徑進行激光切割加工。圖 3 和圖 4 分別示例了三維異形件和 球面的切割模擬仿真加工。

4 結束語

采用 KUKA 機器人作為主站的三維激光切割系統，充 分利用了機器人的高柔性、低成本和智能化的特點；離線編程的應用，省時省力，解決了機器人控制系統無法準確在三 維曲面特別是球面上進行人工示教的軌跡切割難題。本切割方法在切割應用中使用得比較理想的是燒烤爐、LED 燈具 和安全帽類型三維工件的切割加工。

針對三維異形零件的切割加工應用，本文提供的是一種低成本的解決方法；而在需要變位機的應用場合，可以 在本文基于 KUKA 機器人作為主站的基礎上，增加 1~2 個 外部軸，通過對 KUKA 機器人作進一步的系統集成控制來實現。

參考文獻 :

[1] 馮豐 . 工業機器人用于激光切割的研究 [J]. 山東工業技術， 2016(16):39-40.

[2] 廖健宏，蒙紅云，王紅衛，等 . 光纖激光精密切割系統的研 制及其應用 [J]. 中國激光，2007，34(1):135-138.

[3] 居正月，吳建國，張永康 . 基于 ABB 機器人光纖激光加工系統的研究 [J]. 應用激光，2010，30(4):295-299.

[4] 胡亮，羅敬文，張永康，等 . 基于高柔性機器人的光線激光切割系統的研究 [J]. 應用激光，2010，30(1):20-22.