机器人激光切割工作站优化设计分析

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关键词:机器人；激光切割；离线编程

某制造企业激光切割工作站,是车门治具经过冲压工序后,对产品轮廓进行激光切割。激光切割项目现使用的方案是将工件安装在固定的工作台上,用一台立式机器人对工件轮廓进行切割,由于车门轮廓是一些不规则曲线,激光切割时采用描点法,即根据工艺精度要求去示教相应数量的目标点,从而生成机器人的轨迹,这样在调试过程中示教大量的目标点不仅时间长,而且精度差[1]。本优化设计方案针对以上不足,采用三维激光切割技术,通过RobotStudio仿真软件构建工作站,模拟真实的激光切割环境,利用三维仿真软件的几何图形功能将产品轮廓生成离线轨迹,相比现场编程能极大提高精度,同时通过增加移动平台增加自由度获得更大的工作范围,保证一次装夹能完成全部加工,减少装夹和二次定位,通过PLC编程控制机器人和移动平台协调运动,缩短生产时间,提高效率。

1工作站布局优化设计

工业机器人选用IRB4600,主要用于搬运、焊接等行业,运动范围2.05m,承重能力为60kg,采用龙门立柱和工业机器人倒立安装的方式,本倒置安装架由立柱、横梁、机器人倒置底座、水平调节机构四部分组成。为满足机器人切割范围,选用移动式工作平台,主要组成为底座、导轨、限位装置、驱动系统、柔性定位平台五大部分,工作站布局如图1所示。伺服电机驱动移动平台,通过PLC程序控制移动平台与机器人协调动作,提高自动化程度,缩短生产时间。安全护栏是工业机器人自动化项目采取最多的一种硬件安全保护装置,护栏种类很多,结合项目现场实际情况设计,有网栅型、封闭型、区域电网型,本方案采用网栅型+安全光幕组合,当系统处于自动模式时,人员误撞入,机器人会自动停止报错。激光切割末端执行器包括控制器、驱动电机、驱动丝杠组合而成,通过在切割头的下端上设置电容式距离传感器来调整和控制切割头与工件的间隙,保证切割光能准确地聚焦到工件表面,实现高效切割[2]。

2离线编程轨迹优化

被切割的车门上一步工序为冲压,因三维结构实现硬模成型,有的实现起来成本高,有的实现不了三维结构的成型。本方案采用激光三维切割激光来实现此工艺,激光产品切割的共性是多曲面三维数模,在自动生产RAPID程序时,需要产品轮廓进行处理,以获得离线轨迹程序[3]。

2.1仿真工作流程

激光切割工作站仿真设计包括安装机器人创建系统、移动平台机械装置设计、离线轨迹设计、仿真动画设计等工作任务。综合应用设计工具,实现移动评定动态配合切割作业,当工作站气动移动平台开始动作,到达指定位置后停止,切割机器人准备完成开始切割,切割过程中平台保持停止状态,切割完成机器人回到工作准备位置等待,依次循环。创建工作站逻辑信号di_run,设定机器人数字输出信号working,创建定位平台Smart组件JointMover和移动平台机械装置,仿真工作流程如图2所示。

2.2离线编程仿真

在三维软件SolidWorks中按照机械设计尺寸创建移动平台、龙门支架等数学模型[4],保存为SAT格式并导入到RobotStudio仿真软件中,按照真实工作站尺寸及位置关系完成LAYOUT布局,并创建工作站。用三点法创建工件坐标系Wobj1以便于对后续路径的整体修改,通过手动线性调整机器人的末端工具相对于工件的姿态,测试机器人的可达性,防止运动过程中超出机器人工作范围。利用自动路径功能构建一条完整的车门切割轨迹,并验证所有点到达能力,通过自动配置参数获得运动指令和路径,如图3,利用录制视图可以生成动画视频。将生成的离线轨迹路径程序保持为mod模块文件,并导入到实际工业机器人控制器,便可获得产品激光切割程序[5],通过实验分析,相比于手动示教,不仅提高了精度,还提高了效率。编写以下测试程序验证工作站逻辑:

3工艺参数优化

选用三维光纤激光切割,结构组成为激光发生器、激光器主控制卡、脉冲发生器及数据传输卡、双通道快门控制卡、电源及全开关信号控制卡[6]。技术参数为:L700mm×W800mm×H1500mm,重量65kg,材质选用镀锌板,承载能力为50kg。激光切割的辅助气体采用氮气和氧气的混合气体,可以吹走残余废渣,达到较好的切割效果,利用氮气切割可以有效达到切割面光洁、无毛刺、无挂渣的效果,属于精切割,利用氧气切割可以助燃,与材料产生反应,提高切割速,如图4所示。

4结语

本方案针对企业激光切割工作站精度不高,柔性不足,利用龙门支架与移动平台相结合的安装方案和“倒置式”工业机器人激光切割系统,扩大机器人工作范围,增加平台移动自由度,在仿真软件里构建真实工作站,利用AutoPath功能进行离线编程,很好地解决了激光切割中复杂切割曲线无法通过示教产生的问题,大大节约了编程时间,通过生产节拍验证,效率提高20%,切割宽度0.1mm,切口表面粗糙度为Ra12.5,利用工业机器人和光纤激光所组成的机器人激光切割系统,采用能够远距离传输激光光纤作为传输介质,不会对机器人的运动路径产生限制作用,通过虚拟仿真优化激光切割工艺参数,改进工艺路线,对提高工序质量有十分重要的意义。

参考文献

[1]陈政.激光焊接、切割在汽车制造中的运用[J].现代制造技术与装备,2016(4):111-112.

[2]陈涛.激光切割工件质量控制及参数优化研究[D].沈阳:沈阳工业大学,2014.

[3]武亚鹏,侯建伟.三维光纤激光切割机器人的介绍及应用[J].焊接,2014(6):28-30.

[4]赵燕伟,钟允晖,陈建,等.基于UG加工信息的工业机器人离线编程[J].机械设计与制造工程,2013(2):40-44.

[5]宋鹏飞,和瑞林,苗金钟,等.基于SolidWorks的工业机器人离线编程系统[J].制造业自动化,2013,35(9):1-4.

[6]赖仁享,程国祥,谢居懿,等.激光切割装备在航空零部件制造中的应用[J].金属加工(热加工),2015(4):39-41.

作者：谢超明 单位：湖北职业技术学院机电工程学院