機器人激光切割工作站的優(yōu)化設計*

謝超明

(湖北職業(yè)技術(shù)學院機電工程學院,湖北孝感 432000)

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)品輪廓進行激光切割。激光切割項目現(xiàn)使用的方案是將工件安裝在固定的工作臺上,用一臺立式機器人對工件輪廓進行切割,由于車門輪廓是一些不規(guī)則曲線,激光切割時采用描點法,即根據(jù)工藝精度要求去示教相應數(shù)量的目標點,從而生成機器人的軌跡,這樣在調(diào)試過程中示教大量的目標點不僅時間長,而且精度差[1]。

本優(yōu)化設計方案針對以上不足,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,同時通過增加移動平臺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編程控制機器人和移動平臺協(xié)調(diào)運動,縮短生產(chǎn)時間,提高效率。

1 工作站布局優(yōu)化設計

工業(yè)機器人選用IRB4600,主要用于搬運、焊接等行業(yè),運動范圍2.05m,承重能力為60kg,采用龍門立柱和工業(yè)機器人倒立安裝的方式,本倒置安裝架由立柱、橫梁、機器人倒置底座、水平調(diào)節(jié)機構(gòu)四部分組成。為滿足機器人切割范圍,選用移動式工作平臺,主要組成為底座、導軌、限位裝置、驅(qū)動系統(tǒng)、柔性定位平臺五大部分,工作站布局如圖1 所示。伺服電機驅(qū)動移動平臺,通過PLC程序控制移動平臺與機器人協(xié)調(diào)動作,提高自動化程度,縮短生產(chǎn)時間。

圖1 激光切割工作站布局圖

圖2 仿真工作流程圖

安全護欄是工業(yè)機器人自動化項目采取最多的一種硬件安全保護裝置,護欄種類很多,結(jié)合項目現(xiàn)場實際情況設計,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,當系統(tǒng)處于自動模式時,人員誤撞入,機器人會自動停止報錯。

激光切割末端執(zhí)行器包括控制器、驅(qū)動電機、驅(qū)動絲杠組合而成,通過在切割頭的下端上設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,保證切割光能準確地聚焦到工件表面,實現(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為沖壓,因三維結(jié)構(gòu)實現(xiàn)硬模成型,有的實現(xiàn)起來成本高,有的實現(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,在自動生產(chǎn)RAPID程序時,需要產(chǎn)品輪廓進行處理,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計包括安裝機器人創(chuàng)建系統(tǒng)、移動平臺機械裝置設計、離線軌跡設計、仿真動畫設計等工作任務。綜合應用設計工具,實現(xiàn)移動評定動態(tài)配合切割作業(yè),當工作站氣動移動平臺開始動作,到達指定位置后停止,切割機器人準備完成開始切割,切割過程中平臺保持停止狀態(tài),切割完成機器人回到工作準備位置等待,依次循環(huán)。創(chuàng)建工作站邏輯信號di_run,設定機器人數(shù)字輸出信號working,創(chuàng)建定位平臺Smart組件JointMover和移動平臺機械裝置,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中按照機械設計尺寸創(chuàng)建移動平臺、龍門支架等數(shù)學模型[4],保存為SAT格式并導入到RobotStudio仿真軟件中,按照真實工作站尺寸及位置關(guān)系完成LAYOUT布局,并創(chuàng)建工作站。用三點法創(chuàng)建工件坐標系Wobj1以便于對后續(xù)路徑的整體修改,通過手動線性調(diào)整機器人的末端工具相對于工件的姿態(tài),測試機器人的可達性,防止運動過程中超出機器人工作范圍。利用自動路徑功能構(gòu)建一條完整的車門切割軌跡,并驗證所有點到達能力,通過自動配置參數(shù)獲得運動指令和路徑,如圖3,利用錄制視圖可以生成動畫視頻。

將生成的離線軌跡路徑程序保持為mod模塊文件,并導入到實際工業(yè)機器人控制器,便可獲得產(chǎn)品激光切割程序[5],通過實驗分析,相比于手動示教,不僅提高了精度,還提高了效率。編寫以下測試程序驗證工作站邏輯:

圖3 離線軌跡路徑

圖4 輔助氣體

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氣和氧氣的混合氣體,可以吹走殘余廢渣,達到較好的切割效果,利用氮氣切割可以有效達到切割面光潔、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,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平臺相結(jié)合的安裝方案和“倒置式”工業(yè)機器人激光切割系統(tǒng),擴大機器人工作范圍,增加平臺移動自由度,在仿真軟件里構(gòu)建真實工作站,利用AutoPath功能進行離線編程,很好地解決了激光切割中復雜切割曲線無法通過示教產(chǎn)生的問題,大大節(jié)約了編程時間,通過生產(chǎn)節(jié)拍驗證,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)機器人和光纖激光所組成的機器人激光切割系統(tǒng),采用能夠遠距離傳輸激光光纖作為傳輸介質(zhì),不會對機器人的運動路徑產(chǎn)生限制作用,通過虛擬仿真優(yōu)化激光切割工藝參數(shù),改進工藝路線,對提高工序質(zhì)量有十分重要的意義。