激光智能制造系统在汽车车身及模具加工中的应用.doc

激光智能制造系统在汽车车身及模具加工中的应用摘要：激光智能制造系统是中科院力学所自行研制成功的国内首套高度集成化、智能化、柔性化激光加工制 造系统（具有自主知识产权），研制成果已申报了多项国家发明和实用新型专利目前该技术已提供给上海大 众汽车有限公司，并实际应用于汽车冲压件模具激光表面强化及修复，有效提高了现有模具的服役寿命，茯 得良好的经济效益该系统可广泛应用于汽车制造等机械行业中的模具工作表面强化及快速修复，特别适用 于大、中型覆盖件模具的高效强化处理该系统还可进行多种激光柔性加工和智能制造，包括激光三维切割 及焊接、激光微打孔、金属零件的激光直接成形和复杂表面上耐蚀、耐磨涂层的制备等关键词：智能制造汽车模具激光强化快速成型1引言以敏捷性和智能化为主要特征的先进制造技术T在当今世界各国的信息化进稈中发挥着 至关重要的作用，并在机械、电了、航空、医疗等领域得到迅速应用以制造T艺力学和信 息科技为基础的集成化激光智能制造及柔性加工②已经形成了力学与制造交叉领域的国际前 沿科学院力学所作为国家级研究机构，临准国际科学技术发展的前沿，开展我国先进 制造及相关力学科学技术领域的前瞻性、基础性和战略性研究。

中科院力学所在前期研究和 装备建设基础上，承担了中科院知识创新重大项目及与上海大众的科技合作研究通过对激 光材料相互作川的机理进行实验研究、理论分析及数值模拟，深入开展工艺力学基础性研究 以及多学科交叉的系统集成创新研究，为建立我国第一套集成化激光智能制造及柔性加工实 验研究系统提供了理论基础及技术支撑同时可进一步开展激光制造T艺力学和激光材料工 艺力学方面的基础性研究，以满足学科发展的重大需求本系统包括引进光纤传输的全数值化控制的激光系统，基于PC视窗平台的控制软件系 统，高强光束传输与空间变换系统，CAx （计算机辅助过程）和专家系统，接触式快速定位测 量系统等，并与大范围高精度五轴框架式机器人工作台系统技术集成整个装备系统完全能 适应现代大功率激光智能加工工艺的要求，可作为从事激光智能制造和柔性加工研究的实验 系统和技术平台，为开展激光材料T艺力学和激光制造工艺力学的基础性研究提供了必备的 实验装备，同时该研究结果也作为一套用于汽车车身模具激光强化的装备系统提供给上海大 众进行初步工业应用2激光智能制造及柔性加工系统激光智能制造系统的硬件由激光系统，光纤传送和光朿变换装置，五维机器人系统，数 控系统，运载小车等部分组成（如图1）。

激光系统采用2 0 0 0 W的全数字化控制Y AG激 光器，光纤长2 0 m,可实现长距离的光束柔性传输五维机器人采川框架式结构，在保证 木体刚性基础上，增大了系统的加工范用驱动电机机器人框架工作台状态控制系统机器五轴机器人控制柜机器人工作手臂2006D机器人示教盒图1集成化智能激光加工和柔性制造系统软件系统是基于Windows 2(X)0环境下的工业控制软件，运行在一台普通的PC机上，该 系统包含许多基木功能模块，这些模块相互联系，构成一个有机報体为集成化智能激光加 工系统提供了一个统一的软件和操作平台，实现了从测量到加工的一个完報的工业化过稈 下面的表1显示系统的各个模块及其功能，而图3则显示各个模块之间的关系设计相应的模块，各个模块Z间的关系如图：模块名称技术功能智能测量模块H适应测量算法提供数据数据库模块ODBC管理系统文件、存储T艺参数，存储系统操作信息， 杳询工艺参数曲瓯拟合及插值模块B-B三角曲面片构建连续光顺lllf面，生成标准CAD文件轨迹规划及优化模块优化算法产生优化的机器人路径及工作参数仿真及防碰撞模块OpenGL仿真显示机器人运动，防止机器人碰撞机器人控制模块串口通讯为控制机器人运动提供接口，反馈机器人T作信息激光控制模块现场总线为控制激光器提供接U,反馈激光器工作信息智能加工多线稈协调整个系统同步加工监测动态链接库检测系统工作状态，确保安全表1软件模块底层模块激光器驱动机器人驱动系统状态硬件驱动图2激光智能制造系统软件的功能模块结构关3关键技术3.1智能测量大型模具型面虽然复杂多样，但其有一些主要和常见的形状特征3如图3所示为一典型 汽车覆盖件模具的一部分，通过总结大量模具的表面形状并结合测量的特点，可将其分为四 种主要形状特征：白由曲面、棱线结构、岛状结构、标准几何体素。

在这四种结构中，白由 血和复杂棱线结构占主要地位，同时在实际的冲压加工中，这些地方也往往因为应力急剧 集中和快速磨损而造成损坏4,因而需要对它们进行强化处理要进行强化处理首先要获得其 型面数据，即要求研究如何才能有效地数字化模具上的自由曲面和棱线结构下面主要以自 由Illi面为例简单介绍一下白适应测量的原理复杂棱 线结构 品状 结构自由Illi 面图3模具表而特征形状分类在H由曲面测量中采用二维白适应测量就是根据ill「血特征，H适应地生成下一个探测点 和对应的避障点，从而做到合理地布置测点，提高测量效率和精度其基木思想是：利用白 由曲面的一个截面曲线上已经测得的四点几3、P「2、P+ P,,用贝塞尔方法拟合曲线，通过调 整拟合曲线参数自适应地用外插值来获取下一个探测点和避障点，得到下一测量点坐标Pz 后,再以P边、P+ R、作为控制点拟合曲线,来自适应地获取新的探测点和避障点,如 此循环至测量结朿图4为白适应测量原理示意图在二维白适应测量基础上又进一步发展 了三维自适应测量，为测量效率的提高打下了坚实的基础3.2加工轨迹规划首先在测量的基础上生成参数化的B-B曲面，但在这种曲面上直接通过控制参数值的变 化难以生成适合加工的等距轨迹。

对此我们采用了一种间接的生成方法-由三角网格的所有 三角形所纽•成的111!面称Z为三角网格面，由于每个三角形的面积非常小，所以三角网格面逼 近于三角B-B曲面对于一条参照轨迹线L,先在三角网格面上生成一条与L距离一定的曲线, 求出该曲线上的点在对应三角域的重心坐标参数，从而可以求出对应的三角B-B曲面片上的 值及外法线方向以这些点为型值点，构造累加弦长参数样条1111线，该Illi线即可看作L的一 条等距轨迹线以这条轨迹线参照，可以用同样的方法生成下一条轨迹线另外对于一些特 殊的曲面类型，如梭脊，采取了基于特征线的轨迹规划方法⑹，在保证精度的基础上，极大提 高了轨迹生成的效率根据上面的方法，在中科院知识创新丁稈重大项目“集成化智能激光加工和柔性制造系统” 的中，实现了汽车冲压模具激光强化加工轨迹的规划可以在加工现场由测量数据直接生成 加T轨迹，保证了加工效率和加工灵活性，在实际应用中取得了良好的加工效果（如图5、图图5梭脊加工轨迹图6所示）图6汽车模具的部分区域的激光轨迹3. 3仿真技术仿真模块主要目的和用途在于为系统提供安全的可直接用于加工的轨迹数据，包括显示 功能和碰撞检测及后续处理。

通过显示功能可以观察加工轨迹的空间位置及激光加工头的位 姿与实际是否相符合，在加工过程显示的同时碰撞检测功能完成每一加工点处激光加工头与 加工丁•件的碰撞检测，并将检测结果以文件形式导出，由后续处理进行加T轨迹的修正目前已经完成激光加工系统仿真软件的开发，通过OpenGL编程实现了对報套机器人系 统及加工环境的建模与显示，并且完成了与待加工血的碰撞检测工作，所设计的仿真软件能 够实时显示加工过程下血的图和图分别是仿真软件的结构图及其界面图7仿真软件的总体结构设计_5-Jr svw・•• || - |• || ||"1-I1 IKtIW295195图8仿真软件功能界面3.4 profibus目前集成性实现较好的系统大都通过I/O并口来实现控制，但存在实时性差、传输速率低、 抗干扰能力低、不易维护和管理等缺点,因此我们采用现场总线的概念与方法实现对激光器 的控制，可以从根本上克服上述难题为避免造价昂贵的控制硬件,采用PROFTBUS-DP控制的DLL (Dynamical Link Library) 库的软件方案来实现，机器人采取串口通信方式控制采用单主站的线型网络拓扑结构，将 控制用PC设为PROFIBUS-DP的主站，将带有PRIFIBUS-DP通信协议的激光器设计为从站, 见图9所示。

并将控制用PC与局域网相连，实现了控制网络与数据网络的融合激光器控制 采用了 PROFIBUS-DP后,控制简单，可靠性好，实时性高，集成化高，形成一个界血友好、 操作简单、性能稳定、易使用和维护方便的控制系统并可以输出任意波形激光朿，以满足 各种加工的需求，体现了激光加T中的柔性化通过网卡可以与Ethernet网连接，实现与管理层的互连，将工业现场的微观控制与企业决策的広观控制融入一•体，增强了工厂系统的柔性DP主站其它PC打印设备DP从站控制用PC□图9激光加丁系统的控制结构图3.5光朿转换通常激光朿经聚焦后形成直径很小的光斑，尽管激光脉冲重复率可以达到上千次乃至上 力-次，但处理大、中型模具表面仍需较长的时间，而且由于光斑为圆形，表血强化时为了完 全地处理材料表面，就难免产生光斑的重叠，这样会引起表面强化的不均匀，影响处理效果 采用光束变换是克服这一问题的有效方法光束变换可以从光束的时间特性和空间特性两个 方面进行，时间特性如脉冲激光的频率，脉宽等，空间特性如模式分布，光斑形状等利用二元光学元件（DOE）可以对光束进行空间强度分布特性进行变换，它可以高效灵活 的形成特定的光强分布。

二元光学器件具有传统光学器件无法比拟的优越性，尤其表现在它 可以实现任意形状的波血变换，实现普通折反光学元件无法完成的功能通过二元光学变换 技术，可用单脉冲一次在聚焦透镜的焦平面上产生二维3X3到33X33位级的变换的光斑阵 列图10为二元光学元件光束变换示意图目前我们研制出变换输出方形、条形以及环形点阵的二元光学元件艾：：高的衍射效率和较好的衍射均匀度，具有简便、实用、成本低、容易复制等优点，实现了强 激光束在空间上强度的多种形状的分布，在对模具表面全部或局部进行激光表面强化和激光 表瓯修复方瓯达到非常好的效果，提高了大型模具的使用寿命3.6冲压过程磨损区域模拟每一个汽车覆盖件拥行几十套其至几百套模具英至汽车覆盖件模具多尺寸大、形状复 杂而汽车覆盖件模具表面因受材料流动、较高的冲击载荷和冲击速度，易在局部区域造成 磨损失效因此对模具进行表面强化提高耐磨性，须选择局部区域进行强化对于大多数汽 车覆盖件模具的表面损伤形式主要为磨粒磨损和粘着磨损粘着磨损和磨粒磨损的磨损量可 以分别表示成：V二空亡和 v = 0^um（&）3H ”H假设粘着摩损系数K,便度H,磨粒磨损系数B及磨粒的顶角（）为常数。

这样，粘着磨损和磨 粒磨损的磨损量可以表示成磨损量正比于法向压力Fn和滑动距离的乘积：V oc恥采用有限元方法，采用有限元方法可以求得模具表血任意一处的相对磨损量4激光加工整个装备系统完全能适应现代大功率激光智能制造工艺的要求，可作为从事激光智能制 造和柔性加工研究的实验系统和技术平台，为开展激光材料T艺力学和激光制造工艺力学的 基础性研究提供了必备的实验装备二元光学转光片的应用改变了脉冲激光束的空间能量分 布特征，并将此首次应用于材料的激光加工中4」激光表面强化对各种复杂形状的模具表面进行高精度的快速定位，实现对模具表血全部或局部进行激光 表面。