非織造汽車內飾件智能機器人水切割系統研制

楊　慧，施云高，馮寶林，呂仙陽，成士華

（1.常州先進制造技術研究所，江蘇常州213164；2.中國科學院合肥物質科學研究院，安徽合肥230031；3.安徽紅星機電科技股份有限公司，安徽合肥231135）

非織造汽車內飾件智能機器人水切割系統研制

楊慧1，施云高1，馮寶林2，呂仙陽3，成士華3

（1.常州先進制造技術研究所，江蘇常州213164；2.中國科學院合肥物質科學研究院，安徽合肥230031；3.安徽紅星機電科技股份有限公司，安徽合肥231135）

非織造材料汽車內飾件由局部平面和不規則的空間曲面組合而構成，在不同的平面和曲面上有定位孔、安裝孔的精準切割需求。機器人水切割系統采用6軸機械臂驅動400MPa的超高壓射流水刀切割內飾件，集中除塵、廢水集中回收；內飾件參數采用數字化錄入系統，切割參數一致、軌跡精準、作業效率高，可以滿足汽車行業批量化，高效率的要求。

非織造材料；汽車內飾件；機器人；水切割

汽車工業的快速發展促進了汽車內飾材料生產技術水平的提高，非織造材料的汽車內飾零件已超過40種，包括聲、熱絕緣材料、結構件以及模壓成型的非織造門內飾、行李艙蓋板、車頂、車廂襯墊、座椅靠背等裝飾件，生產一輛轎車已需20 m2非織造材料（約15～20 kg），而且用量還在繼續增加。非織造材料所用的纖維［1］（包括聚酯纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維、碳纖維和天然纖維）在加工過程中會產生大量的纖維粉塵，嚴重的影響工人的身心健康；材料的各向異性的特點也影響了工件的加工質量和參數一致性，汽車內飾件生產技術需要突破。

1.系統規劃與布局

為了滿足生產工藝和生產效率要求，機器人水切割系統主要功能模塊包括：六軸工業機器人、水切割系統、雙工位工裝與定位系統、廢水廢渣收集系統、真空吸塵系統、工件數據輸入系統、信號檢測和控制系統。空間布局如圖1所示，在工作室內，雙工位工裝滿足生產定位和交替上下料的工作需求，根據工件的設計基準和位姿關系將工件安裝在定位工裝上；水刀固定于機器人第六軸末端，機器人根據工件的空間曲線和曲面關系進行動態響應，執行工件的精準切割，滿足不同工件曲面和曲線的生產切割需求；真空吸附系統對切割產生的非織造材料的飛塵進行吸附收集，廢水廢渣回收系統對廢水和切割下的廢料進行收集，避免亂排亂放而引起的環境污染；傳感及控制系統對生產過程的中的工件位姿和人員是否在操控區間進行檢測，確保工件的生產質量和操作人員的人身安全。

圖1　機器人水切割系統空間布置圖

2　水切割系統設計

2.1水切割系統規劃

高壓水射流切割是利用水或水中添加劑的液體經水泵至增壓器再經儲液蓄能器使高壓液體流動平穩，最后由人造寶石噴嘴形成300～900米/秒的高速液體流，噴射到工件表面，到達去除材料的加工目的，水噴射加工系統構成如圖2所示，其構成包括：供水器、過濾器、高壓泵、增壓器、蓄能器、控制器、液壓裝置、閥、噴嘴等。

圖2　水噴射加工系統示意圖

2.2射流水動力計算

圖3為非淹沒連續自由射流的水動力學結構，它是由射流初始段和主體段構成［2］。初始段包括等速核和混合區，而主體段則為棍合區。混合區是由不同速度的異種流體介質—水和空氣混合而成。可見，只有等速核是單一的水介質，而且淹沒和消失在混合介質之中。等速核是能量密集的主流，混合介質則通過動量交換，從等速核獲得動能，而且占據射流的主要部分，二者都具有對靶體材料沖擊加載的破壞作用，而等速核動能更大，是切割最有效的射程區段，因而，切割靶距通常選在這個范圍內。圖4是射流在靶體表面的流動圖形，區段Ⅰ是射流上游，即噴嘴內部的流動；區段Ⅱ是圖所表示的射流段區段則是射流與靶面接觸后的狀態。

圖3　射流的水動力結構

圖4　射流在靶體表面的流動圖形

幾何特性：

（1）初始段長度（近似取等速核長度）L0：L0≈（53～106）D0，式中：D0為噴嘴直徑；L0與雷諾數有關。

動力學特性

（3）噴嘴出口平均速度v0：v0＝φ（2P0/ρ）1/2，式中：φ為流速系數，約0.97；ρ為介質密度；P0為噴嘴入口壓強。

（5）軸心動壓Pm：Pm＝P0（L0/x）0.27+0.0075（x/L0）2.

（6）平均動壓PA：PA＝1.14P0（D0/x）0.105

（7）射流的最大打擊力Fm（擴散角彎曲處）：

（8）射流基本段內的打擊力F：F＝Fm［1.046-3× 10-4（x/D0/）］.

（9）軸向速度分布（見圖1）：ux/um=（1+r2/ 0.016 x2）-2（淹沒射流）

（10）軸心最大速度um：um/u0=1.85［1+0.14（x/ D0）］-1（淹沒射流）式中：u0為噴嘴出口速度。

（11）射流功率N：N=P·Q式中：Q為噴嘴流量。

3　機器人選型與參數輸入系統

3.1機器人選型

汽車頂棚形狀比較復雜，由不規則的空間曲線和曲面構成，并且在工件上往往有多個開孔，開孔形狀和孔的分布也不規則。為了適應于水切割高濕度的現場高濕度的環境要求，選用ABBIR1400六軸防水機器人進行水切割，可以滿足不同的空間型位切割要求。

3.2汽車內飾件三維重建

在已有汽車內飾件的基礎上重建三維數字化模型，對內飾件關鍵尺寸和工位進行基準設計與界定，綜合采用三維掃描、數值擬合、模型重建、數值優化等方法構建已有內飾件的三維數字化模型，構建成機器人可操作的參量化的數字化模型，便于機器人生成軌跡與切割。

3.3基于三維重建的機器人切割軌跡規劃

射流水必須時刻垂直于切割工位的表面，根據非織造材料的材料特性，建立切割系統的運動仿真模型，運用計算機建模仿真技術對高壓水系統的資源進行設計與規劃，在充分考慮有效切割不留飛邊和毛刺前提下，動態的模擬切割水壓與射流對效率的影響，借鑒三維數字化模型生成切割工位的線與面的法線或法面，找出系統方案可能存在的問題，通過修改和調整參數、反復運算，對不同工位進行軌跡規劃，利用干涉分析方法對整個生產線運動部件的執行順序以及運動軌跡進行優化，進而提高生產節拍。

4　控制系統

4.1控制系統設計

系統選用PLC為總控制器，對水切割機器人、高壓泵、真空吸附系統、冷水機、軟水機和排水系統進行控制。通過光電檢測單元和防碰撞傳感器，建立反饋控制，實現水切割軌跡精確定位。控制系統配置液晶觸摸屏作為人機交互界面，可以方便快捷地選擇控制模式、設置和修改各設備控制參數、監測系統運行狀態、實時顯示系統故障，系統框圖如圖5所示。

圖5　控制系統框圖

4.2故障與安全

故障處理與安全系統至關重要，防范措施如下：

（1）系統運行前，進行設備自檢并初始化（如圖6），設備回歸原始狀態，準備執行相應的工藝。

（2）生產線故障處理系統實時監測高壓泵、機器人、冷水系統裝置、軟水處理裝置、廢水處理系統裝置、定位及滑動工作臺等設備的工作狀態，發現故障及時做出響應，發出報警信號，使出現故障的設備及前面正在運行工序都停止，以供工程師查詢，后續工位完成本次操作后，停止等待下次啟動；

（3）生產線設有安全門、安全護欄等檢測、保護措施，只有在所有安全門關閉的情況下，整個系統才能正常運行，以避免操作人員誤入運行現場，造成傷害；

（4）故障處理系統同樣對機器人移動是否到位及水壓進行檢測，若未到位或水壓不夠則發出報警信號（如圖6、圖7所示）；

（5）機器人與高壓泵等其他裝置設備之間動作互鎖以保證設備安全運行。

圖6　初始化模塊

圖7　故障與安全模塊

4.3生產現場

生產現場如圖8所示，根據工件的尺寸范圍和非織造材料力學性能，系統最終選用了ABB-IR400機器人和KMT高壓泵-50HP高壓水系統；最大切割速度可達200mm/sec，切縫約0.2mm；通過真空吸附系統的吸附，切割時粉塵得到了有效控制，切割水經過過濾即可排放。

圖8　工作現場圖

5　結束語

根據某公司非織造汽車內飾件的的現場工藝要求，研究設計了非織造汽車內飾件智能機器人水切割系統。通過系統的智能設計與參數智能輸入，規劃了機械手的運動空間和運行軌跡，最大切割速度可達200 mm/sec，切縫只有0.2 mm左右，切割過程安全、環保、智能，能有效保障操作人員的安全，特別能適合于自動化流水切割，是非織造汽車內飾件生產技術的一次有效提升和改進。

［1］張運棋.高壓水射流切割原理及其應用［J］.武漢工業大學學報，1994，16（4）：13-16

［2］朱派龍，周錦進，范曉光，等.高壓水射流切割技術原理及其應用前景［J］.電加工，1997，（6）：1-3.

IntelligentRobot System Developmentof Nonwoven Automotive InteriorWater Cut

YANG Hui1，SHIYun-gao1，FENG Bao-lin2，LV Xian-yang3，CHENG Shi-hua3
（1.Institute of advanced manufacturing technology，Changzhou Jiangsu 213164，China；2.Chinese Academy of Sciences，Hefei Institute ofmaterials science，Hefei Anhui 230031，China；3.Anhui Red Star Mechanical&Electrical Polytron Technologies Inc，Hefei Anhui231135，China）

The automotive inner decoration which is in material of nonwoven is a combination of plane and irregular space surface.There is precise cutting demand of positioning hole and mounting holes in different planes and surfaces.6-axis robotic arm is used in the water cutting system to drive ultrahigh-pressure water cutter with pressure of 400 MPa to cut the inner decoration.The robot centralized the function of dedusting and wastewater recycling.As the parameters of inner decoration is recorded by digital input system，the robot has the same cutting parameters and can guarantee precise jectory and work efficiency which can meet the requirements of the mass production and high efficiency of automotive industry.

non-woven material；car inner decoration；robots；water cut

TP27

A

1672-545X（2016）05-0243-04

2016-02-03

國家自然科學基金No.51275505和江蘇省產學研合作項目（非織造汽車內飾件機器人水切割系統研制）資助。

楊慧（1960-），男，江蘇常州人，高級工程師，本科，主要從事于智能自動化裝備方向的研究工作；馮寶林（1972-），男，博士，副研究員，主要從事于機構設計、系統規劃與非標系統設計等。