機器人激光切割工作站的優化設計*

謝超明

(湖北職業技術學院機電工程學院,湖北孝感 432000)

某制造企業激光切割工作站,是車門治具經過沖壓工序后,對產品輪廓進行激光切割。激光切割項目現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則曲線,激光切割時采用描點法,即根據工藝精度要求去示教相應數量的目標點,從而生成機器人的軌跡,這樣在調試過程中示教大量的目標點不僅時間長,而且精度差[1]。

本優化設計方案針對以上不足,采用三維激光切割技術,通過RobotStudio仿真軟件構建工作站,模擬真實的激光切割環境,利用三維仿真軟件的幾何圖形功能將產品輪廓生成離線軌跡,相比現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調運動,縮短生產時間,提高效率。

1 工作站布局優化設計

工業機器人選用IRB4600,主要用于搬運、焊接等行業,運動范圍2.05m,承重能力為60kg,采用龍門立柱和工業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、水平調節機構四部分組成。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、驅動系統、柔性定位平臺五大部分,工作站布局如圖1 所示。伺服電機驅動移動平臺,通過PLC程序控制移動平臺與機器人協調動作,提高自動化程度,縮短生產時間。

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,結合項目現場實際情況設計,有網柵型、封閉型、區域電網型,本方案采用網柵型+安全光幕組合,當系統處于自動模式時,人員誤撞入,機器人會自動停止報錯。

激光切割末端執行器包括控制器、驅動電機、驅動絲杠組合而成,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,實現高效切割[2]。

2 離線編程軌跡優化

被切割的車門上一步工序為沖壓,因三維結構實現硬模成型,有的實現起來成本高,有的實現不了三維結構的成型。本方案采用激光三維切割激光來實現此工藝,激光產品切割的共性是多曲面三維數模,在自動生產RAPID程序時,需要產品輪廓進行處理,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建系統、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,實現移動評定動態配合切割作業,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,切割完成機器人回到工作準備位置等待,依次循環。創建工作站邏輯信號di_run,設定機器人數字輸出信號working,創建定位平臺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建移動平臺、龍門支架等數學模型[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系完成LAYOUT布局,并創建工作站。用三點法創建工件坐標系Wobj1以便于對后續路徑的整體修改,通過手動線性調整機器人的末端工具相對于工件的姿態,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,并導入到實際工業機器人控制器,便可獲得產品激光切割程序[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 工藝參數優化

選用三維光纖激光切割,結構組成為激光發生器、激光器主控制卡、脈沖發生器及數據傳輸卡、雙通道快門控制卡、電源及全開關信號控制卡[6]。技術參數為:L700mm×W800mm×H1500mm,重量65kg,材質選用鍍鋅板,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,與材料產生反應,提高切割速,如圖4所示。

4 結語

本方案針對企業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合的安裝方案和“倒置式”工業機器人激光切割系統,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生的問題,大大節約了編程時間,通過生產節拍驗證,效率提高20%,切割寬度0.1mm,切口表面粗糙度為Ra12.5,利用工業機器人和光纖激光所組成的機器人激光切割系統,采用能夠遠距離傳輸激光光纖作為傳輸介質,不會對機器人的運動路徑產生限制作用,通過虛擬仿真優化激光切割工藝參數,改進工藝路線,對提高工序質量有十分重要的意義。