機器人水切割技術在汽車內飾件中的應用

董麗娟

摘要：隨著消費者對車內舒適寬綽空間要求的不斷提高，由局部平面和不規則的空間曲面組合而成的非織造材料汽車內飾件加工遇到前所未有的挑戰。為了實現復雜工件上滿足定位孔、安裝孔的精準切割的需求，本文設計的機器人水切割系統采用六自由度機械臂驅動 400MPa 的超高壓射流水刀切割汽車內飾件，內飾件參數采用數字化錄入系統，可以實現較高的作業效率、精確地作業軌跡、一致的切割參數，同時滿足汽車制造業柔性化、批量化的要求。

關鍵詞：高壓；機器人；水切割；控制；安全

1 緒論

水切割作為一種冷態加工方法，與切割材料無機械接觸，無熱聚集，所以不會破壞材料的內部組織。切縫窄，材料損耗小，清潔無污染，切割介質成本低等明顯優勢?，F已在軍工、航空航天、紡織工業、水下作業以及汽車內飾件等高、尖、難技術領域得以推廣應用。在機器人技術和自動控制的輔助下，水切割不斷向超高壓、高柔性、高精度方向發展。水切割設備和機器人技術相結合可以實現不規則形狀工件的精確切割，只要調整相應的控制程序，就可以滿足各種形狀另加的加工工藝要求。這種具備高自動化和柔性化的機器人水切割是未來加工的必然趨勢。

汽車內飾件傳統的加工方法，是按照型面特征設計專用刀具和模具，設計要求高且成本昂貴。汽車內飾件現在大量使用非織造材料，而且數量還在不斷增加。非織造材料在切割過程中會產生大量懸浮的纖維飛塵，使得工作環境情況極為惡劣。如果不能有效控制，嚴重影響工人的身心健康；工件的加工質量和參數一致性受材料各向異性的限制，汽車頂棚內飾的生產技術急需突破。

本文根據汽車頂棚和儀表盤切割工藝要求分析、設計了基于相位式增壓泵和ABB六自由度關節式機器人的水切割工作站，對加工工作站系統構成進行簡單介紹，討論了高壓水路和機器人系統結合后的工作原理，分析了汽車儀表盤的具體切割切割工藝及編程，設定了儀表板切割工藝參數。實踐證明該系統性能穩定、工件切割質量好、生產效率高，適合推廣應用。

2 整體結構設計規劃

機器人水切割主要的功能系統模塊包括：①六軸工業機器人。②水切割系統。③雙工位工裝與定位系統。④廢水廢渣收集系統。⑤真空吸塵系統。⑥工件數據輸入系統。⑦信號檢測和控制系統，以求最大化的滿足生產工藝要求，提高生產生產效率。在這個工作站，雙工位工裝的設置，可以交替上下料，提高工作效率并且滿足生產定位。根據工件的設計基準、工件位姿關系，把工件安裝在定位工裝上；水刀安置于機器人第六軸末端進行固定，根據工件的空間曲線變化和流體型面的走向，機器人可以實時響應，適時調整切割路線，精準切割復雜零件，實現各類工件復雜多變的生產要求；通過真空吸附裝置有效控制非織造材料在加工過程中產生的四處紛飛的粉塵；控制檢測系統及內置的各類傳感器實時監控加工過程中工件的具體位姿，以及操作人員是否在安全區間操作，保證了人身安全的同時檢測生產質量；最后經過廢水廢渣回收系統，對排放的污水水和切割廢料統一收集整理，避免亂排亂放引起環境污染。

3 水切割系統工作原理

水切割技術，是利用水或是添加了磨料的水，經過水泵至增壓器，流經儲液蓄能器保證高壓液體持續且流動平穩，最后通過人造寶石噴嘴高速射出，形成 300至900 米/秒的高速液體流，直接作用于工件表面，水流壓力克服材料的強度極限，就達到去除材料的切削目的。值得一提的是，水切割系統用水需要進行三級過濾、軟化處理，以保證切割噴嘴寶石環的使用壽命。水切割系統構成如下圖所示。

水切割系統構成示意圖

4 水切割機器人關鍵技術

4.1 機器人選型及控制

汽車頂棚和儀表盤的形狀不規則，曲線和流體型面難以切割成型。在汽車頂棚上往往需要開多個孔以滿足安裝前后頂燈、全景天窗的配置需求。水切割現場環境濕度較大，工作場合工況復雜惡劣，選用 ABB公司的IRB-2400 六自由度防水機器人實現水切割，能夠適應產品需求柔性變化，以滿足不同空間型位切割的速度和位姿要求。

機器人控制柜是工作站系統的控制核心，它完成機器人的運動控制以實現工件精確定位切割，并通過機器人控制柜的通用I/O接口實現工作站按鈕管理和外部動作控制，例如打開和關閉切割頭、啟動真空吸附和抽風除塵裝置等。機器人模擬量輸出口控制變量柱塞泵的恒壓控制系統實現高壓水切割壓力的無級調節，以滿足不同厚度工件的切割要求。機器人控制柜和增壓泵控制系統通過RS232串口連接實現通訊，當增壓泵或機器人系統出現故障或急停時，系統將同時將其關閉以保證工作站安全。汽車儀表板上的定位孔和儀表板工作臺定位柱配合完成工件精確定位。

機器人控制柜為IRC M2000/Base Ware OS 4.0，控制柜帶有RS232，RS422接口和兩個Ethernet通道，可與PC進行通信，實現文件交換。機器人控制器可以配備不同的通訊模塊實現不同的通訊聯接。本系統采用以太網連接方式進行程序上下載，上載的程序可以在Windows自帶的記事本中進行編輯。機器人配備了支持多任務Base Ware OS操作系統，用于控制整個機器人的運作，如運動控制、編程/運行機器人應用程序和通訊等。

4.2 基于三維重建的機器人切割軌跡規劃

工作站切割的工件為汽車頂棚和軟質儀表板，而儀表板外層采用ABS高分子材料，或者是PVC真空吸塑成型，緩沖材料為PU泡沫，骨架材料采用ABS。由于每批儀表板加工成型后的形狀和實際尺寸會有誤差，所以每批工件切割之前要檢測定位點，精確定位檢測程序會根據儀表板上的定位標識來判斷這批工件是否在切割精度范圍之內，否則應對切割程序進行切割點在線調整以適應工件的變化。

高壓水射流無論處于什么加工角度，都必須嚴格保證垂直于加工表面，盡量減小水射流發生散射，以免留下毛刺和飛邊。在充分了解非織造材料特性的基礎上，建立切割系統的運動仿真模型，運用計算機建模仿真技術，設計規劃高壓水切割系統的資源配置，動態模擬射流和高水壓對加工效率的影響。參照三維模型生成切割工位某個點或線的法面或法線，去發現系統方案隱藏的問題，經過反復運算、修改和調整參數，針對各種工位進行規劃線路，對于整體生產線運動部件動作的順序執行和運動軌跡，運用干涉分析法進行充分優化，從而提高生產效率。

5 故障與安全

安全設施和故障應對系統相當重要，可采取以下防范措施：

（1）操作區域設置有安全護欄、安全門等檢查保護措施，系統要想正常開機運行，必須關閉安全門，以免出現操作人員誤入、誤操作設備，造成誤傷。

（2）設備啟動前，系統首先自檢、初始化，使運動部件回歸原位，為執行相應的加工工藝做準備。

（3）高壓水泵和機器人，以及其他設備之間的動作能可靠互鎖，以確保設備安全運行。

（4）故障處理報警器實時監測機械手是否移動到位，檢測水壓是否正常，若有異常情況立即發出報警信號。

（5）生產線故障處理系統實時監測水泵增壓器、機械手、冷水系統裝置、水軟化處理裝置、廢水處理系統裝置、定位及滑動工作臺等設備的工作狀態，如有故障快速響應，發出報警信號，及時停止故障設備以及正在運行的工序，工程師查詢現場情況后，后續工位完成此次操作后，停止，等待下次運行啟動；

6 結語

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 每秒鐘200 mm，切縫只有 0.2 mm 左右，切割誤差小，定位精度高，系統穩定性好，響應速度快，人機交互性好。操作過程安全、環保、智能，能有效保障操作人員的安全，特別適合自動化流水切割，是非織造汽車內飾件生產技術的一次有效提升和改進。

綠色環保是這個時代的主旋律，順應時代潮流的水切割技術的應用范圍將不斷擴大。智能機器人技術也在不斷完善，水切割技術與機器人技術的有機結合將會有更大的發展空間。隨著水切割機器人的智能化、模塊化和標準化程度的提高，在消防、防爆、采掘業等領域中，水切割的優勢將會更加凸顯。

參考文獻：

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