三维复杂曲面钣金激光切割智能制造关键技术研究项目总结报告一、 项目概况二、项目实施情况三、项目技术情况四、合同任务指标完成情况五、项目绩效分析六、存在问题、有关建议及下一步研究设想一、项目概况（包括项目名称、立项时间、项目编号、项目负责人、合作企业、经费情况、主要研究内容等）项目名称：三维复杂曲面钣金激光切割智能制造关键技术研究立项时间：2015年07月01日项目编号：BY2015070-06项目负责人：幸研合作企业：江苏亚威机床股份有限公司经费使用情况：经费投入经费支出来源投入数科目支出数其中：省拨款支出数投入合计20支出合计18.98115714.0811571、省拨款15（一）直接费用16.73115711.8311572、部门、地方配套1、设备费1.550.853、承担单位自筹5（1）设备购置费1.550.854、其他来源（2）设备试制费00（3）设备改造与租赁费002、材料费3.2291451.6291453、测试化验加工费1.310.514、燃料动力费005、差旅费4.655254.155256、会议费0.080.087、国际合作与交流费1.0054291.0054298、出版/文献/信息传播/知识产权事务费1.907851.007859、劳务费1.281.2810、专家咨询费0011、其他支出1.7134831.313483（二）间接费用2.252.25其中：绩效支出0.450.45经费结余1.018843，省拨经费结余0.918843主要研究内容：项目研究开发了激光加工质量预测系统、三维激光加工轨迹智能规划系统、激光加工虚拟制造及监控系统，建立了三维激光切割虚拟动态配置系统，系统总体结构如图 1。图 1 系统总体结构（1） 基于三维连续元胞自动机方法的激光切割机理及界面演化研究为准确模拟激光切割的切缝轮廓，提出了基于三维连续元胞自动机的激光切割固/液/气三相三维数值模型，模型系统如图2（a）。该模型综合考虑了切割过程中激光焦点位置、激光束发散、辅助气体压力、氧气与材料反应自燃和熔融液体的流动吹除等复杂影响因素。模型对切缝模拟图如图2。在不同工艺参数条件(激光功率和切割速度)下进行低碳钢板激光切割实验，切缝平均宽度相对误差不超过6.4%，激光功率对切缝宽度影响正相关，如图2（b），切割速度则为负相关。而对于不同厚度钢板进行激光切割模拟，切缝轮廓呈不同锥度，实验结果与模拟误差不超过8%。根据理论模型，搭建激光切割质量预测系统，实现参数输入与轮廓几何尺寸数据输出。结合激光切割智能轨迹优化系统和激光切割虚拟制造仿真系统，实现不同参数和尺寸条件下，可靠的激光切割虚拟制造仿真。 图 2 切缝模拟图 （2） 基于钣金件全三维信息相关的激光切割路径轨迹智能规划研究三维激光切割是目前激光切割的研究热点和前沿，多采用多轴联动的运动方式，即采用五轴联动激光加工机或激光加工机器人通过调整激光束姿态切割空间曲面或曲线，完成二维切割所无法完成加工的工作，因此，有必要对激光束运动姿态的变化对于激光切割质量的影响进行研究；由于三维激光切割的路径选择和切割过程中存在的干涉情况，会直接影响切割后工件的质量和生产效率，合理的切割路径规划、解决干涉和碰撞问题、引线设置和切割路径的顺序对于提高三维激光切割的尺寸精度，减少工件废料等具有重要作用；同时，由于存在激光光斑半径，使得图形尺寸与工艺标准尺寸间多一个光斑半径误差，需要对此进行误差补偿，提高三维激光切割工件的精度。（3） 多平台激光切割虚拟制造及监控系统的研究三维复杂曲面钣金件的激光切割过程是极其快速和复杂的，不仅要考虑加工路径的优化，还要考虑加工过程中的各种工艺问题（过烧、挂渣、碰撞等）。本系统研究了基于多平台（龙门式五轴机床平台，立式六轴机器人平台，倒置式六轴机器人龙门平台）激光切割虚拟制造系统开发，主要是将三维曲面激光切割智能优化系统中得到的刀位点数据进行仿真验证。对不同切割平台进行运动学正逆解后，在检验刀位点数据可靠性的同时结合激光加工质量预测系统提供的对应工艺参数下的切割截面参数模拟仿真出激光切割的过程。根据仿真过程中出现的问题可以作出相应的修改以提高激光切割质量及工作效率，最终根据加工平台输出对应的可靠实用的加工代码。三维激光切割过程是一个非常复杂的动态作用过程，涉及到多种综合影响因素，由于在切割过程中存在一定的不稳定性，需要及时动态调整相关参数，以避免切割质量的缺陷，为了获得更好的切割工件质量，既要确保切割参数的稳定性，又要对激光切割状态进行实时监控和查看。因此，在三维激光切割过程中，通过传感器、摄像机等对激光切割的工艺参数和过程信号进行感知，再通过网络层进行数据和图像采集和传递，进而通过应用层的多平台激光切割虚拟制造系统进行监控和查看。（4）实验验证实验条件：实验所采用的加工设备包括以下几个部分：JSDU光纤激光器、龙门悬挂史陶比尔六轴机器人、激光水冷机、辅助气体、计算机控制系统等。如图3（a）所示。 图 3 激光切割系统与夹具实验中采用的各个加工设备，具体参数如下： 系统型号：CYFP-1000-2010，整机功率：8kw，工作电压：380V，辅助气体：0-0.8Mpa，机器人：史陶比尔RX160L（倒装方案），工装：网格型夹具，如图3（b），工件：汽车B柱覆盖件，激光器：JSDU光纤激光器，激光冷水机：DIC050ADH-LC2。实验方案及步骤：在三维钣金件的激光切割中，如何提高加工质量是实际应用和课题研究的关键。对一些特殊的结构采取一些工艺方法对切割质量的提高具有很大的作用。实验目的在于验证系统的可行性，同时验证系统中采取的工艺处理方法能否提高切割质量。试验对象选用的三维钣金件为汽车B柱，毛坯件如图4（a）所示。钣金件材料为热成型DP600高强度钢。工件厚度为2mm。加工参数：激光功率1500W，辅助氮气1.5Mpa，切割速度1.5m/min。该钣金件的切割轨迹包括了不同形状的内轮廓环和外轮廓环的切割，可以体现打孔点及引线设置，尖角处理、爬坡转角干涉预处理等工艺信息。图 4 汽车B柱毛坯与三维模型实验采用本文所述的复杂三维钣金件激光切割路径智能规划及工艺系统进行前期的刀路生成，然后结合史陶比尔机器人的后处理进行试件的切割。实验包括了打孔点位置设置，不同类型引线设置、尖角过渡和直接切割、爬坡转角处干涉预处理和直接切割等几种工艺特征的切割加工。图 5 模型处理过程首先将需要切割的三维钣金件汽车B柱的三维模型，如图4（b）导入复杂三维钣金件激光切割路径智能规划及工艺系统。再选取需要加工的三维曲面上任意一点，对三维曲面模型进行曲面合并，实现对拼接面的拼合，如图5（a）。接着对曲面合并获得的整面进行轮廓提取，如图5（b）。然后对提取获得的加工轮廓进行轮廓离散化处理，轮廓离散结果如图5（c）。最后选择需要进行切割的轮廓环上一点作为编程原点。然后选择待轮廓环所在的曲面。操作完成后系统会对轮廓离散结果进行处理，完成离散点的去重补缺，并将其分开成各个轮廓环，然后将所有需要加工的内轮廓环和外轮廓环都选中，并进行路径规划、工艺配置，最后生成最终的刀路图和刀位点，如图5（d）。通过虚拟制造系统模拟仿真，检验激光切割过程可靠性的同时，提高系统输出的加工代码的可靠性。图 6 虚拟制造系统模拟仿真图 6（a）是倒置式机器人虚拟制造仿真的整体效果图，虚拟制造环境中包含了显示加工环境中的必要元素：倒置式机器人，龙门架，网格夹具，B柱钣金件及其它辅助部件模型。图 6（b）是B柱钣金件线框模型及加工轨迹显示。可以看出虚拟制造系统保留了激光切割过程轨迹，即激光头的运动轨迹，与实际的激光切割过程吻合。图 6（c）是虚拟制造系统输出的加工代码文件，从该加工代码文件中可以看出由六组数据（x,y,z,rx,ry,rz）确定机器人运动轨迹，此外，还有一些辅助性的控制激光器及辅助气体开关及调整相应参数的语句。将该文件导入到现实加工平台控制系统中，可以很好地驱动机器人进行高效可靠的切割工作。图 7（a）是B柱钣金件切割完成后的结果，与之对应的虚拟切割结果（图 7（b）较好地映射了现实切割成果，通过虚拟制造系统很好地反应了真实切割结果。图 7 汽车B柱实物与虚拟模型该系统可以满足龙门式五轴机床，立式六轴机器人激光切割平台以及倒置式六轴机器人激光切割平台的仿真需求。不仅能根据刀位点文件实时仿真机床各部件的运动，同时能按照激光头的运动轨迹在切割钣金件上实时生成加工痕迹，此外，在激光切割仿真过程中能实现碰撞检测功能，从而大大提高了输出的加工代码的可靠性。在输出加工代码时，可以根据不同的激光切割加工平台输出对应的适用的加工代码。二、项目实施情况（即完成项目过程中所做的主要工作，包括校企联合研发团队的组织、实施计划的制定与落实、企业研发人员的培养培训、项目完成情况评价及预算执行情况等）1、校企联合研发团队的组织本项目依托东南大学和江苏亚威机床股份有限公司，组件了一支研发团队。项目团队 12 人，包括高校教师、研究生和企业科研技术人员，从事相关领域研究多年，拥有丰富的钣金加工设备结构设计、钣金工艺设计、智能制造系统开发经验，队伍结构合理、技术能力强、实施经验丰富。课题组先后承担过多项总装预研项目、多项国家863 和国家自然科学基金项目，获得了国家科技进步二等奖、美国制造工程协会颁发的“工业领先奖”和江苏省科技进步一等奖、二等奖等荣誉。2、 实施计划的制定与落实第一阶段（2015年06月-2015年12月）（1）复杂曲面的三维激光切割调研与交流；（2）总结调研结果、确定总体实施方案和技术路线；（3）研究和分析在一定工作条件下工件切割表面质量的影响因素（诸如激光参数、工艺参数、材料参数等），探究各参数变量对切割表面质量的影响规律；（4）以表面粗糙度、切缝宽度、切割波纹和挂渣量等为评价指标寻求激光切割综合影响因素的最优工艺参数组合；（5）参加相关领域学术会议1-2 次。第二阶段（2016年01月-2016年06月）（1）搭建试验平台，建立三维激光切割表面质量基础实验模型与装置，对主要的影响因素及工艺参数对表面质量的影响规律进行基础实验与验证；（2）研究在三维激光切割时，针对通过三维数模生成的切割路径轨迹和最短路径，采用顶点偏置法对激光切割进行光斑半径补偿，验证工件切割质量；（3）发表论文1-2 篇，申请专利1-2 项。第三阶段（2016年07月-2016年12月）（1）建立三维激光切割工艺数据库系统，包含不同材料的切割工艺参数（激光功率、切割速度、辅助气体压力、喷嘴直径与高度）和切割质量评价参数（表面粗糙度、切缝宽度、切割面波纹、挂渣量），实现在同一路径轨迹时设置不同的工艺参数进行激光加工，针对不同厚度的激光切割工件在数据库中进行查询、选择、删除、保存等功能；（2）建立三维激光切割智能优化系统，包括激光切割路径轨迹生成模块、多种智能算法（诸如蚁群算法、遗传算法等）优化路径轨迹模块、干涉碰撞分析模块、半径补偿算法模块等优化模块；（3）申请专利和软件著作权1-2 项。第四阶段（2017年01月-2017年06月）（1）建立多平台激光切割虚拟制造与监控系统，包含通过传感器监测过程信号的