機(jī)器人激光切割工作站優(yōu)化設(shè)計(jì)分析

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關(guān)鍵詞:機(jī)器人；激光切割；離線編程

某制造企業(yè)激光切割工作站,是車門治具經(jīng)過沖壓工序后,對產(chǎn)品輪廓進(jìn)行激光切割。激光切割項(xiàng)目現(xiàn)使用的方案是將工件安裝在固定的工作臺(tái)上,用一臺(tái)立式機(jī)器人對工件輪廓進(jìn)行切割,由于車門輪廓是一些不規(guī)則曲線,激光切割時(shí)采用描點(diǎn)法,即根據(jù)工藝精度要求去示教相應(yīng)數(shù)量的目標(biāo)點(diǎn),從而生成機(jī)器人的軌跡,這樣在調(diào)試過程中示教大量的目標(biāo)點(diǎn)不僅時(shí)間長,而且精度差[1]。本優(yōu)化設(shè)計(jì)方案針對以上不足,采用三維激光切割技術(shù),通過RobotStudio仿真軟件構(gòu)建工作站,模擬真實(shí)的激光切割環(huán)境,利用三維仿真軟件的幾何圖形功能將產(chǎn)品輪廓生成離線軌跡,相比現(xiàn)場編程能極大提高精度,同時(shí)通過增加移動(dòng)平臺(tái)增加自由度獲得更大的工作范圍,保證一次裝夾能完成全部加工,減少裝夾和二次定位,通過PLC編程控制機(jī)器人和移動(dòng)平臺(tái)協(xié)調(diào)運(yùn)動(dòng),縮短生產(chǎn)時(shí)間,提高效率。

1工作站布局優(yōu)化設(shè)計(jì)

工業(yè)機(jī)器人選用IRB4600,主要用于搬運(yùn)、焊接等行業(yè),運(yùn)動(dòng)范圍2.05m,承重能力為60kg,采用龍門立柱和工業(yè)機(jī)器人倒立安裝的方式,本倒置安裝架由立柱、橫梁、機(jī)器人倒置底座、水平調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)四部分組成。為滿足機(jī)器人切割范圍,選用移動(dòng)式工作平臺(tái),主要組成為底座、導(dǎo)軌、限位裝置、驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)、柔性定位平臺(tái)五大部分,工作站布局如圖1所示。伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)移動(dòng)平臺(tái),通過PLC程序控制移動(dòng)平臺(tái)與機(jī)器人協(xié)調(diào)動(dòng)作,提高自動(dòng)化程度,縮短生產(chǎn)時(shí)間。安全護(hù)欄是工業(yè)機(jī)器人自動(dòng)化項(xiàng)目采取最多的一種硬件安全保護(hù)裝置,護(hù)欄種類很多,結(jié)合項(xiàng)目現(xiàn)場實(shí)際情況設(shè)計(jì),有網(wǎng)柵型、封閉型、區(qū)域電網(wǎng)型,本方案采用網(wǎng)柵型+安全光幕組合,當(dāng)系統(tǒng)處于自動(dòng)模式時(shí),人員誤撞入,機(jī)器人會(huì)自動(dòng)停止報(bào)錯(cuò)。激光切割末端執(zhí)行器包括控制器、驅(qū)動(dòng)電機(jī)、驅(qū)動(dòng)絲杠組合而成,通過在切割頭的下端上設(shè)置電容式距離傳感器來調(diào)整和控制切割頭與工件的間隙,保證切割光能準(zhǔn)確地聚焦到工件表面,實(shí)現(xiàn)高效切割[2]。

2離線編程軌跡優(yōu)化

被切割的車門上一步工序?yàn)闆_壓,因三維結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)硬模成型,有的實(shí)現(xiàn)起來成本高,有的實(shí)現(xiàn)不了三維結(jié)構(gòu)的成型。本方案采用激光三維切割激光來實(shí)現(xiàn)此工藝,激光產(chǎn)品切割的共性是多曲面三維數(shù)模,在自動(dòng)生產(chǎn)RAPID程序時(shí),需要產(chǎn)品輪廓進(jìn)行處理,以獲得離線軌跡程序[3]。

2.1仿真工作流程

激光切割工作站仿真設(shè)計(jì)包括安裝機(jī)器人創(chuàng)建系統(tǒng)、移動(dòng)平臺(tái)機(jī)械裝置設(shè)計(jì)、離線軌跡設(shè)計(jì)、仿真動(dòng)畫設(shè)計(jì)等工作任務(wù)。綜合應(yīng)用設(shè)計(jì)工具,實(shí)現(xiàn)移動(dòng)評定動(dòng)態(tài)配合切割作業(yè),當(dāng)工作站氣動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)開始動(dòng)作,到達(dá)指定位置后停止,切割機(jī)器人準(zhǔn)備完成開始切割,切割過程中平臺(tái)保持停止?fàn)顟B(tài),切割完成機(jī)器人回到工作準(zhǔn)備位置等待,依次循環(huán)。創(chuàng)建工作站邏輯信號(hào)di_run,設(shè)定機(jī)器人數(shù)字輸出信號(hào)working,創(chuàng)建定位平臺(tái)Smart組件JointMover和移動(dòng)平臺(tái)機(jī)械裝置,仿真工作流程如圖2所示。

2.2離線編程仿真

在三維軟件SolidWorks中按照機(jī)械設(shè)計(jì)尺寸創(chuàng)建移動(dòng)平臺(tái)、龍門支架等數(shù)學(xué)模型[4],保存為SAT格式并導(dǎo)入到RobotStudio仿真軟件中,按照真實(shí)工作站尺寸及位置關(guān)系完成LAYOUT布局,并創(chuàng)建工作站。用三點(diǎn)法創(chuàng)建工件坐標(biāo)系Wobj1以便于對后續(xù)路徑的整體修改,通過手動(dòng)線性調(diào)整機(jī)器人的末端工具相對于工件的姿態(tài),測試機(jī)器人的可達(dá)性,防止運(yùn)動(dòng)過程中超出機(jī)器人工作范圍。利用自動(dòng)路徑功能構(gòu)建一條完整的車門切割軌跡,并驗(yàn)證所有點(diǎn)到達(dá)能力,通過自動(dòng)配置參數(shù)獲得運(yùn)動(dòng)指令和路徑,如圖3,利用錄制視圖可以生成動(dòng)畫視頻。將生成的離線軌跡路徑程序保持為mod模塊文件,并導(dǎo)入到實(shí)際工業(yè)機(jī)器人控制器,便可獲得產(chǎn)品激光切割程序[5],通過實(shí)驗(yàn)分析,相比于手動(dòng)示教,不僅提高了精度,還提高了效率。編寫以下測試程序驗(yàn)證工作站邏輯:

3工藝參數(shù)優(yōu)化

選用三維光纖激光切割,結(jié)構(gòu)組成為激光發(fā)生器、激光器主控制卡、脈沖發(fā)生器及數(shù)據(jù)傳輸卡、雙通道快門控制卡、電源及全開關(guān)信號(hào)控制卡[6]。技術(shù)參數(shù)為:L700mm×W800mm×H1500mm,重量65kg,材質(zhì)選用鍍鋅板,承載能力為50kg。激光切割的輔助氣體采用氮?dú)夂脱鯕獾幕旌蠚怏w,可以吹走殘余廢渣,達(dá)到較好的切割效果,利用氮?dú)馇懈羁梢杂行н_(dá)到切割面光潔、無毛刺、無掛渣的效果,屬于精切割,利用氧氣切割可以助燃,與材料產(chǎn)生反應(yīng),提高切割速,如圖4所示。

4結(jié)語

本方案針對企業(yè)激光切割工作站精度不高,柔性不足,利用龍門支架與移動(dòng)平臺(tái)相結(jié)合的安裝方案和“倒置式”工業(yè)機(jī)器人激光切割系統(tǒng),擴(kuò)大機(jī)器人工作范圍,增加平臺(tái)移動(dòng)自由度,在仿真軟件里構(gòu)建真實(shí)工作站,利用AutoPath功能進(jìn)行離線編程,很好地解決了激光切割中復(fù)雜切割曲線無法通過示教產(chǎn)生的問題,大大節(jié)約了編程時(shí)間,通過生產(chǎn)節(jié)拍驗(yàn)證,效率提高20%,切割寬度0.1mm,切口表面粗糙度為Ra12.5,利用工業(yè)機(jī)器人和光纖激光所組成的機(jī)器人激光切割系統(tǒng),采用能夠遠(yuǎn)距離傳輸激光光纖作為傳輸介質(zhì),不會(huì)對機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)路徑產(chǎn)生限制作用,通過虛擬仿真優(yōu)化激光切割工藝參數(shù),改進(jìn)工藝路線,對提高工序質(zhì)量有十分重要的意義。

參考文獻(xiàn)

[1]陳政.激光焊接、切割在汽車制造中的運(yùn)用[J].現(xiàn)代制造技術(shù)與裝備,2016(4):111-112.

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[3]武亞鵬,侯建偉.三維光纖激光切割機(jī)器人的介紹及應(yīng)用[J].焊接,2014(6):28-30.

[4]趙燕偉,鐘允暉,陳建,等.基于UG加工信息的工業(yè)機(jī)器人離線編程[J].機(jī)械設(shè)計(jì)與制造工程,2013(2):40-44.

[5]宋鵬飛,和瑞林,苗金鐘,等.基于SolidWorks的工業(yè)機(jī)器人離線編程系統(tǒng)[J].制造業(yè)自動(dòng)化,2013,35(9):1-4.

[6]賴仁享,程國祥,謝居懿,等.激光切割裝備在航空零部件制造中的應(yīng)用[J].金屬加工(熱加工),2015(4):39-41.

作者：謝超明 單位：湖北職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院