汽车保险杠激光打孔机的研制

朱永平，邬 坤

（1湖北省机电研究设计院股份公司，湖北 武汉430068；2湖北工业大学机电研究设计院，湖北 武汉430068）

汽车保险杠一次性成型后，需要对保险杠进行打孔，以适应不同车型、不同零部件的安装要求。其中包括加工汽车前后保险杠的雷达安装孔、大灯清洗孔、牌照安装孔、组装用走线孔等。目前传统的汽车保险杠打孔方式主要有两种:冲头冲压和刀具铣削。这两种工艺都存在与工件直接接触、冲头或刀具的磨损、孔外形粗糙有毛刺等问题。本文提出的激光打孔机设备，激光通过热切割以非接触的形式加工聚丙烯（PP）材料的保险杠，打孔精度高，效率高，外形光滑无毛刺，同时也能够加工各种复杂孔型。

1 激光打孔机原理

1.1 激光打孔机工作机制

汽车保险杠的聚丙烯材质能够在无外力作用时，加热至150℃不变形，具有优良的耐热性，所以激光打孔在保险杠的孔型加工上是可行的。激光加工过程中将光束聚焦于一点，通过改变光路传导路线，使最终的聚光点随之运动出目标孔型。激光光路的最终聚光点集中大量热能，照射在保险杠表面时就立即熔化蒸发掉该处材料，这是一种快速且高能量的加工方式。

激光打孔机设备中，由工业机械手搭载整体激光加工系统，程序控制机械手的空间位移，从而带动激光加工系统在保险杠不同的打孔处进行定位。在激光加工系统中，激光从发生器射出，经由4个45°角光学反射镜组合反射，通过凸透镜聚焦出最终光斑于加工平面起点处，激光加工光斑随后遵循相应孔型轨迹运动加工出符合要求的孔。

激光打孔机动作流程如图1所示，其中旋转工作台主要用于双向对称装夹汽车保险杠工件。装夹工件完成后，进入机械手定位与激光打孔循环工序，直至工件打孔加工完毕。

图1 激光打孔动作流程图

1.2 飞行光路的构建

传统光路为定长定向的光路，因其光源、透光及反光器材和最终聚光器材均保持固定不动，故满足不了激光加工系统对光路的运动性要求。为了实现光路运动走出各种复杂孔型轨迹，将激光光路构建成飞行光路，即光源固定不动，通过相对有条件改变光路中部分透光、反光器材和最终聚光器材的机构形式，从而实现光路有规律运动。

采用两组可控制的定向移动副机构搭载导光路构件。第一组移动副搭载Y轴导光路构件，实现光路在Y轴上的延伸与缩进动作；第二组移动副搭载X轴导光路构件，实现光路在X轴上的延伸与缩进动作。

在运动传输光路时，光路中光线需要严格对齐，畅通无阻。设计第一级光路运动为Y轴运动，X轴光路运动为次级光路运动。X轴光路整体固定于Y轴光路运动单元上，始终跟随Y轴光路进行Y轴方向上的位移动作，同时X轴光路作为次级光路，它的光路运动不影响第一级光路 ——Y轴光路的传输。

最后，在X轴光路的运动单元上搭载最终聚光出光器材，聚焦飞行光路中的运动光束，形成最终可利用的激光加工光斑。

2 激光打孔机

2.1 基本结构

激光打孔机设备主要由设备底座及框架、旋转工作台机构、机械手、激光加工系统、安全防护及净化机构和设备自动化控制系统组成［1］。

如图2中所示，设计设备尺寸为5m×5m×4 m（长×宽×高），以保证足够的加工空间，使激光加工系统中的机构能够在工作过程中安全无碰撞地移动。考虑到底座尺寸、加工限制和设备运输安装限制等因素，底座设计为4部分螺栓连接而成的，共使用26个调节地脚调平。使用80mm×80mm×6 mm（长×宽×厚度）方管焊接成底座框架结构，保证足够的刚性，上面焊接16mm厚钢板，并加工出部件安装时需要的安装基面。设备外部框架也采用80mm×80mm×6mm方管加工出立柱以及横梁，通过螺栓连接与底座拼接构成一个加工室的轮廓框架。加工室的四周和屋顶安置涂有防火涂层的防辐射有机玻璃，隔离出安全封闭的加工室环境，同时可以随时观察到加工室内的工作情况。

图2 激光打孔机基本机构简图

2.2 旋转工作台机构

旋转工作台安装在钢平台基板上，整体落坐在底座上并螺栓固定。工作台采取对称设计，两端设计有定位销和快夹装置，可快速定位安装保险杠胎具。保险杠工件通过胎具上的仿形底模嵌套定位和真空吸盘固定的方式装夹在旋转工作台上两端。旋转工作台中间安装有镶嵌着防辐射有机玻璃的升降安全门，用以隔开工作台的加工端区间和装夹端区间。

旋转工作台通过交流伺服电机控制，实现工作台的正负方向的180°旋转动作，使待加工工件旋转进入到加工区域和已加工工件移动到安全的装卸区域。工作台安装旋转到位检测装置和气动定位销装置，以实现旋转工作台的精确定位与固定。

旋转工作台的设计节省了由于装夹带来的设备加工等待时间，加工室里激光加工保险杠的同时，可以让操作员在安全区域内装夹新的工件。

2.3 机械手与激光发生器的选择

机械手采用日本FANUC公司的工业机器人产品:额定负荷，165kg；重复精度，±0.2mm。引入的工业机器人为六轴联动的类型，由驱动器软件驱动，5个电机、1个气缸、6组旋转副实现多轴运动。

激光发生器采用美国新锐Synrad公司的产品。这是一款CO2射频激光器，功率为400W。该型激光器结构紧凑，技术成熟稳定，性价比优越。可以通过调整输出脉冲占空比精确控制输出功率（100～400W之间任意设定）。

2.4 激光加工系统的设计

考虑到激光加工系统设计的灵活性，将激光发生器固定安装在工业机器人的J6转动轴的安装盘上，激光导光路构件和激光切割头设计安装在激光发生器的可利用安装孔处，这样可以充分利用机器人最后关节的机动性，有利于切割保险杠不同位置的孔，适应了保险杠的多样性。考虑到激光加工光路设定为飞行光路，故选用日本艾卫艾（IAI）的X轴和Y轴电缸分别作为飞行光路中的X轴和Y轴直线伺服导轨。

整体激光导光路机构如图3所示。采用4个均为可1°内微角度调整的精密光学反射镜，并引入了示教红光器、激光切割头和气动防撞模块。示教红光器固定于光路中，用于发射出可见红光与激光光路耦合，可以在不打开激光的情况下，进行安全示教、校核加工位置的工作。激光切割头安装在激光导光路的最后位置，对光路光束最后聚光，聚焦形成激光加工光斑切割工件加工。气动防撞模块是一种小型气缸，用于连接激光切割头。对气动防撞模块持续通入0.25MPa的压缩空气，气动防撞模块会保持固定的正常姿态，而在模块的活塞端连接的切割头发生碰撞受力，防撞模块会自适应的减压缓冲碰撞，并反馈中断信号。

图3 激光导光路机构图

整个激光加工导光路共分为四段光路。光路顺序是:激光发生器—反射镜1—反射镜2—示教红光器—反射镜3—反射镜4—激光切割头。

第一段光路是出光口光路。将激光发生器出光口的激光光束通过反射镜1导出进入反射镜2范围内。反射镜1固定安装在激光器出光口处。反光镜2与示教红光器连接，并整体固定安装在激光器的连接板上。出光口光路相对于激光器固定不动。

第二段光路是Y轴可移动光路。由相对固定于激光器上的反射镜2反射至反射镜3范围内。反射镜3安装在Y轴电缸滑动平台的滑块上的过渡连接板上，与滑块固定于一体，而Y轴电缸滑动平台基体固定于与激光器连接的连接板上。此处结构设计保证了Y轴电缸基体与激光器保持相对位置不变，而坐落于该Y轴电缸滑块上的反射镜3可以在Y轴方向上产生相对位移。

第三段光路是X轴可移动光路。由Y轴电缸滑块上的反射镜3反射至X轴电缸滑动平台滑块上的反射镜4范围内。X轴电缸基体固定安装于Y轴电缸滑动平台的滑块上的过渡连接板上，与反射镜3是相对固定静止的。此处结构设计保证了反射镜4可以在X轴方向相对于反射镜3产生位移。

第四段光路是切割头聚光光路。由反射镜4直接反射到激光切割头范围内，通过激光切割头内部聚焦镜聚焦出激光加工光斑，由切割头喷嘴处发射出来。激光切割头的入光端面直接通过连接板与反射镜4反射端面固定连接。这样的设计使整体切割头聚光光路相对于X轴电缸的滑块静止不动，但随着X轴电缸的滑块同步X轴方向运动。

这套激光加工系统实现了激光加工光斑的二维运动，具有打孔灵活和适应各异孔型的特点。

3 电气控制系统

电气控制系统主要包含4个部分:机械人控制系统、X/Y二轴电缸控制系统、激光器控制系统和PLC控制系统。PLC控制系统主要包含三菱公司的Q系列PLC等低压电器和操作面板。操作面板上安装触摸屏、启动按钮、急停按钮、电源指示灯、三色报警指示灯等。在触摸屏上可以完成如下操作:车型选择、参数设置、计数器、自动/手动选择、系统复位等（图5）。

图4 系统控制方框图

4 激光打孔机工作性能分析

激光打孔机系统的主要加工参数有:激光功率、XY轴方向联合进给速度、喷嘴吹气的气源种类和气压、切割头的加工高度位置等［2］。其中激光切割头的喷嘴吹气气源可以采用三级过滤的干燥压缩空气或者纯净的氮气。而激光切割中焦点光斑切割的能量最大，效果最佳，通过调节切割头聚焦旋钮改变内部聚焦镜位置，使激光切割头聚焦焦点位于喷嘴顶端轴线外侧3mm处位置，保证了安全合适的加工高度。

针对其他的系统加工参数，设置自对照实验。将各个参数设定为相对变量，通过逐一改变变量参数值，进行多组实验，观察实验现象，单一变量互相对照，从而最终总结出这最佳高速加工参数组:进给速度v＝50mm/s，激光器输出功率比率为50%（即激光器输出功率为200W），0.3MPa气压的干燥洁净压缩空气辅助吹气。

对东风股份有限公司提供的汽车保险杠工件进行调试后的精确打孔加工，打孔精度为±0.3mm，均满足该公司的规定技术要求。

［1］ 湖北省机电研究设计院.一种汽车保险杠自动打孔机:中国102744607A［P］.2012-10-24.

［2］ 叶 畅，季进军，刘利宏.激光切割系统性能对切割质量的影响研究［J］.制造技术与机床，2012，10:37-39.