针对碳纤维复合材料的双机器人协同激光超声铣边方法

本发明属于机器人加工领域，具体涉及一种针对碳纤维复合材料的双机器人协同激光超声铣边方法。主要内容是提出将机器人激光切边技术与机器人超声铣边技术相结合提升碳纤维复合材料零件的铣边效率与铣边质量。

背景技术：

1、近年来，随着航空航天、汽车、石油化工、民用生活等领域制造技术的不断突破，对材料的相应要求也朝着高强度、轻量化等高性能的方向发展。传统的金属或合金材料已不能完全满足新技术发展的要求，相比之下，高分子材料等碳纤维复合材料不仅具有高比强度、高比模量和轻量化等性能，而且碳纤维复合材料具有较高的耐热性，结构可设计性，抗疲劳、耐腐蚀、抗振动和电磁屏蔽能力强等特点，更符合行业发展动态。《国家中长期科学和技术发展规划纲要》已经将大型碳纤维复合材料构件设计、制造、加工等关键技术列入制造业重点发展领域的优先主题。然而，由于其成形精度差，成型过程中通常需要在构件边缘留有余量作为牺牲层，固化之后进行铣削去除，称之为铣边，以满足与其他零部件的装配及连接要求。对于大尺寸碳纤维复合材料零件铣边而言，现有的传统机床在加工行程上存在局限性，开发专用机床成本高，手工切边效率低、精度差。因此，具有高灵活性、低成本特点的工业机器人被用于大型碳纤维复合材料铣边已成为一种趋势。超声加工是通过在刀具末端施加高频振动用以辅助切削材料的一种新技术，现有研究成果表明机器人与超声振动相结合可有效抑制铣削颤振、改善加工质量，提高加工效率。然而，机器人超声铣边的切深通常需大于碳纤维复合材料零件的厚度(满切深)，切宽一般为刀具直径(满切宽)，导致切削力波动过大易引起工件和机器人的铣削变形及加工振动，严重影响了加工精度。近年来，随着激光技术的飞速发展，许多学者采用创新的激光切边技术对碳纤维复合材料进行加工，获得了良好的加工质量。有研究者经过试验表明,用短波段的紫外光激光加工碳纤维复合材料能够得到较好的加工质量,热影响范围宽度也能够限制在几十微米之内,这主要得益于短波段激光利用光化学效益去除材料，能大大减少短激光束对材料的热损伤。也有部分学者利用超快脉冲激光和多道次切割将热影响区控制在数十微米以内，大大提高了加工质量。机器人激光切边最大的优势在于其使得机器人加工系统与工件没有直接接触，避免了因动态切削力过大而引起加工颤振，但激光切边碳纤维复合材料后表面极易存在热损伤区，仍需一次精加工工艺才能达到加工质量要求。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种针对碳纤维复合材料的双机器人协同激光超声铣边方法，采用机器人激光切边技术与机器人超声铣边相结合提升机器人铣边质量与效率。为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

2、一种针对碳纤维复合材料的双机器人协同激光超声铣边方法，包括以下步骤：

3、步骤1、双机器人激光超声铣边系统的搭建：双机器人激光超声铣边系统包括机器人激光切边系统模块、机器人超声加工系统模块、测量系统模块、干涉碰撞检测模块；

4、步骤2：开展机器人激光切边实验研究：研究不同加工参数对热损伤区域的宽度和软化程度的影响，一方面据此选择刀具直径，另一方面建立不同厚度下加工参数与损伤区域宽度的映射模型，最后得出合适的进给速度与激光功率；

5、步骤3：机器人超声铣边实验研究：研究激光切边热损伤区域软化对超声铣边切削力及铣边稳定性的影响，研究激光切边加工参数对机器人超声铣边质量的影响，得出机器人激光切边与机器人超声铣边工艺的匹配特性，从而确定合适的加工参数；

6、步骤4：进行双机器人协同激光超声铣边：首先进行双机器人协同激光超声铣边方案加工参数的制定，其次为避免双机器人协同加工出现干涉与碰撞，进行双机器人协同激光超声铣边方案的模拟仿真，最后进行双机器人协同激光超声铣边加工。

7、进一步地，所述步骤1具体为：

8、机器人激光切边系统模块的搭建：机器人激光切边系统由硬件和软件两部分组成，硬件部分包含机器人系统、激光器系统、激光切割头、机器人控制器，软件部分包含离线编程系统、通信传输系统，机器人系统通过机械手臂作为运动载体，能够带动激光切割头对工件进行加工，用户能够通过示教器手工示教或者离线软件生成与产品相匹配的加工轨迹，机器人控制器控制机器手臂的运动；激光系统包括光纤激光器、随动器和比例阀，光纤激光器能够产生各种波段的激光，作为切割用的光源，激光切割聚焦激光，随动器能够实时调整激光切割头与工件表面的距离，根据不同金属材料，提供切割用的辅助气体，比例阀用于调节气体流量，机器人控制器能够保存和修改运动轨迹和切割工艺，实时显示机器人位置与姿态及切割进度，还具备工艺数据库功能；通信传输系统用于接收机器人控制器给入的机器人启动、急停信号给机器人，同时接收控制器给出的激光器开关、随动头开关、电子阀开关等数字量信号，以及激光器功率、频率、占空比、气压等模拟量信号，离线编程系统用于实现虚拟的机器人控制、周期时间分析和机器人程序的生成；

9、机器人超声加工系统模块的搭建：超声加工系统由超声振动系统和机器人末端执行器组成，超声振动系统由超声发生器、电能传输模块和超声振动系统构成，首先超声信号产生模块能够将超声电源提供的220v的电压转化为电信号，然后再经过换能器将电信号转换为频率相同的振动信号，再经过变幅杆的放大作用将振动信号的振幅增大，并将放大后的振幅信号传递至铣刀上，从而使得铣刀产生一定频率的轴向振动，机器人主轴通过吸住刀柄，将超声振动系统固定在主轴上，使用支架将非接触式电能传输端口固定在主轴上，使其与超声换能器保持一定的距离，方便电信号在磁力线圈间传输，压盖用于将换能器压紧，使超声换能器和变幅杆固定在一起，超声换能器用于将电信号转化成振动信号，将电能转化成机械能，变幅杆用于放大超声波振动幅度和改变振动方向，并将放大后的振动信号传给刀具，使其产生高频的振动，机器人超声加工系统组装完成后，接通末端执行器装置电源,接着对其性能进行测试，将超声换能器单独连接到超声电源上进行匹配试验，使用万用表观察谐振匹配频率的变化，结果显示工作频率处于电源的工作频率的范围之内，当金属薄片接触换能器端面后，会产生金属振动的响声，说明超声换能器的工作性能正常；

10、测量系统模块：包括数字显微镜、测力仪，数字显微镜用来测量激光切边后的碳纤维复合材料零件边缘的最大热损伤宽度与加工后碳纤维复合材料零件的表面质量，测力仪用来进行实验过程中的铣削力检测；

11、干涉碰撞检测模块：在tecnomatix模拟软件上通过添加运动命令对双机器人的加工末端路径进行模拟，根据运动学计算结果实时显示机器人运动状态，用户能够直观地了解到加工路径规划的合理性，并根据相应的提示调整加工路径点，从而避免双机器人协同加工时发生干涉碰撞。

12、进一步地，所述步骤2具体包括如下步骤：

13、步骤2.1、机器人激光切边实验研究加工参数选择：选择在0.5mm-5mm的碳纤维复合材料零件厚度，500-20kw的激光功率，1.0-10.0m/min的切边速度的加工参数范围内，采用单因素实验方法进行不同加工参数下的碳纤维复合材料切边实验；

14、步骤2.2、使用机器人激光切边系统模块进行机器人激光切边实验：首先在机器人控制器上,调试roboguide编程软件进行参数设置和激光切边编程，编程结束检查确认后，不开激光试运行激光切边系统，若出现错误则重新调试roboguide编程软件，若未出现错误则接通末端执行器装置电源,正式运行机器人激光切边系统模块，机器人将末端执行器移动到待加工位置，机器人通过i/o给机器人控制器一个发送到位信号，机器人控制器内部程序开始执行，激光束按着加工路径相对于碳纤维复合材料零件不断运动，使得越来越多的材料被热去除，从而形成切缝，同时切缝处的残余物也被高压辅助气体所去除，从而完成碳纤维复合材料零件的激光切边加工，切边动作完成后，机器人控制器通过i/o给机器人发送一个动作完成信号，判断是否已完成全部切边任务，若未完成全部任务，则末端执行器重复进行激光切边加工；若已完成全部任务，则末端执行器返回程序设置点，到位后程序结束；

15、步骤2.3、使用测量系统模块测量激光切边的碳纤维复合材料零件边缘的最大热损伤宽度：对切边后的表面使用数字显微镜进行微观形貌的观测，选取从切缝边缘到基体破坏最大处的距离来表示热影响区的最大宽度值，用haz来表示，测量激光切边实验后碳纤维复合材料热影响区的最大宽度大小，并记录数据；

16、步骤2.4、建立不同厚度下加工参数与损伤区域宽度的映射模型：因此使用minitab软件对机器人激光切边后实验结果进行分析，得出在不同厚度下加工参数与与损伤区域宽度的映射模型，根据建立的映射模型得到不同厚度下的碳纤维复合材料零件加工效果最佳时所对应的激光功率和进给速度。

17、进一步地，所述步骤3具体包括如下步骤：

18、步骤3.1、机器人超声铣边实验加工参数的设定：选择在30-50mm的铣边长度，1.0-3.0m/min的进给速度,3000-5000r/min的主轴转速的加工参数范围内，使用直径大于最大热损伤宽度的pcd铣刀对激光切边后的碳纤维复合材料零件进行机器人超声铣边实验；

19、步骤3.2、使用机器人超声加工系统模块对激光切边后的碳纤维复合材料零件进行超声铣边实验，同时使用测力仪采集切削力的实时信号：机器人将末端执行器移动到待加工位置，机器人通过i/o给机器人控制器一个发送到位信号，机器人控制器内部程序开始执行，超声铣边加工经过激光加工后的碳纤维复合材料零件时，铣刀沿着进给方向运动进行高速旋转，同时超声系统产生的振动信号传递至铣刀上，使得铣刀产生的高频轴向振动，导致铣边过程中铣刀与被加工的碳纤维复合材料零件周期性分离，待去除的碳纤维复合材料不断地被铣刀进行高频冲击后不断地被去除，从而完成激光切边后的碳纤维复合材料零件的超声铣边加工，铣边完成后，机器人控制器通过i/o给机器人发送一个动作完成信号，末端执行器返回程序设置原点，到位后程序结束；

20、步骤3.3、使用测量系统模块对铣边后碳纤维复合材料零件加工区域的表面进行粗糙度的测量，针对每组铣边实验后的碳纤维复合材料零件，取3个区域作为表面粗糙度的测量位置，测出共计3组表面粗糙度数据，再算出这3组数据的平均值即为每组铣边实验后碳纤维复合材料零件的表面粗糙度值，将测力仪采集的铣削力数据导入matlab软件中，从而得出整个铣边实验过程中铣削力的大小；

21、步骤3.4、研究激光切边热损伤区域软化对超声铣边切削力及铣边稳定性的影响；激光切边过程中高能量的激光束会对碳纤维复合材料的热影响区域产生较大的热应力，导致碳纤维复合材料的烧灼软化现象显著，不同激光加工参数造成的热损伤程度不同，不同程度的热损伤产生的碳纤维复合材料的烧灼软化程度不同，导致后续超声铣削实验时铣削力的减小程度不同，铣边稳定性的增益效果也不同，根据实验结果发现，为了尽可能减小铣边时的铣削力，应当选择较大的激光功率与较小的激光切割速度；

22、步骤3.5、研究激光切边加工参数对机器人超声铣边质量的影响，得出机器人激光切边与机器人超声铣边工艺的匹配特性，从而确定合适的加工参数：通过对机器人超声铣边质量进行分析，发现不同激光加工参数切边后的碳纤维复合材料进行超声铣边实验后的铣边质量不同，根据实验结果发现不同激光加工参数对铣边质量的影响具有一定的规律性，并使用minitab软件对实验结果进行分析，得出机器人激光切边与机器人超声铣边工艺的匹配特性，最后根据匹配特性确定铣边质量最佳时对应的加工参数。

23、进一步地，所述步骤4具体包括如下步骤：

24、步骤4.1、双机器人协同激光超声铣边方案的加工参数制定：选取步骤2、3中得出的加工质量最佳时的加工参数作为协同激光超声铣边方案的加工参数，开展碳纤维复合材料的双机器人激光超声协同加工；

25、步骤4.2、进行双机器人协同激光超声铣边方案的模拟仿真：在tecnomatix模拟软件上通过添加运动命令对双机器人的加工末端的路径进行模拟，检测干涉与碰撞情况，根据运动学计算结果实时显示机器人运动状态，用户能够直观地了解到加工路径规划的合理性，并根据相应的提示调整加工路径点，从而确保各个模块能够实现系统加工所需运动空间,避免机器人协同加工时发生干涉碰撞；

26、步骤4.3、开展双机器人协同激光超声铣边加工：将工件装夹好后，对双机器人的姿态进行调整，再设定好相应的加工参数，同时开启器人激光切边系统模块与机器人超声加工系统模块，机器人将末端执行器移动到待加工位置，机器人通过i/o给机器人控制器一个发送到位信号，机器人控制器内部程序开始执行，开始对碳纤维复合材料零件进行双机器人协同激光超声铣边加工，等待最后的加工完成后，机器人控制器通过i/o分别向两个机器人发送一个动作完成信号，末端执行器返回程序设置原点，到位后程序结束。

27、与现有技术相比，本发明的优点包括：

28、(1)机器人激光切割碳纤维复合材料零件的过程中，无刀具磨损，自动化程度高，切割速度快，加工时噪声低，振动小，激光切割产生的有毒性粉尘仅占现有方法的10％，对环境污染较小，并且可减少多项高成本的加工工序，缩短了工艺流程，提高加工效率。同时机器人占地空间较小，有利于生产布局优化，节约了生产空间的同时大大降低了加工成本。

29、(2)机器人超声铣边激光器切边后的碳纤维复合材料零件时仅去除激光切割损伤辐射区(1mm以内)，铣削力将大大减小，铣削过程更加稳定，同时引入超声能量能有效提高铣边质量。

30、(3)建立了不同厚度下加工参数与损伤区域宽度的映射模型，研究激光切边热损伤区域软化对超声铣边切削力及铣边稳定性的影响，研究激光切边加工参数对机器人超声铣边质量的影响，得出机器人激光切边与机器人超声铣边工艺的匹配特性，从而确定合适的加工参数。

31、(4)针对大型复杂构件机器人铣边效率低下问题，本发明首次提出激光加工与超声铣边相结合的机器人加工方案，通过双机器人协同，将工作量分配到两台机器人执行，有效减少加工时间，提高了机器人的铣边效率。

32、除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。