機(jī)器人水切割技術(shù)在汽車內(nèi)飾件中的應(yīng)用

董麗娟

摘要：隨著消費(fèi)者對(duì)車內(nèi)舒適寬綽空間要求的不斷提高，由局部平面和不規(guī)則的空間曲面組合而成的非織造材料汽車內(nèi)飾件加工遇到前所未有的挑戰(zhàn)。為了實(shí)現(xiàn)復(fù)雜工件上滿足定位孔、安裝孔的精準(zhǔn)切割的需求，本文設(shè)計(jì)的機(jī)器人水切割系統(tǒng)采用六自由度機(jī)械臂驅(qū)動(dòng) 400MPa 的超高壓射流水刀切割汽車內(nèi)飾件，內(nèi)飾件參數(shù)采用數(shù)字化錄入系統(tǒng)，可以實(shí)現(xiàn)較高的作業(yè)效率、精確地作業(yè)軌跡、一致的切割參數(shù)，同時(shí)滿足汽車制造業(yè)柔性化、批量化的要求。

關(guān)鍵詞：高壓；機(jī)器人；水切割；控制；安全

1 緒論

水切割作為一種冷態(tài)加工方法，與切割材料無(wú)機(jī)械接觸，無(wú)熱聚集，所以不會(huì)破壞材料的內(nèi)部組織。切縫窄，材料損耗小，清潔無(wú)污染，切割介質(zhì)成本低等明顯優(yōu)勢(shì)?，F(xiàn)已在軍工、航空航天、紡織工業(yè)、水下作業(yè)以及汽車內(nèi)飾件等高、尖、難技術(shù)領(lǐng)域得以推廣應(yīng)用。在機(jī)器人技術(shù)和自動(dòng)控制的輔助下，水切割不斷向超高壓、高柔性、高精度方向發(fā)展。水切割設(shè)備和機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合可以實(shí)現(xiàn)不規(guī)則形狀工件的精確切割，只要調(diào)整相應(yīng)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(dòng)化和柔性化的機(jī)器人水切割是未來加工的必然趨勢(shì)。

汽車內(nèi)飾件傳統(tǒng)的加工方法，是按照型面特征設(shè)計(jì)專用刀具和模具，設(shè)計(jì)要求高且成本昂貴。汽車內(nèi)飾件現(xiàn)在大量使用非織造材料，而且數(shù)量還在不斷增加。非織造材料在切割過程中會(huì)產(chǎn)生大量懸浮的纖維飛塵，使得工作環(huán)境情況極為惡劣。如果不能有效控制，嚴(yán)重影響工人的身心健康；工件的加工質(zhì)量和參數(shù)一致性受材料各向異性的限制，汽車頂棚內(nèi)飾的生產(chǎn)技術(shù)急需突破。

本文根據(jù)汽車頂棚和儀表盤切割工藝要求分析、設(shè)計(jì)了基于相位式增壓泵和ABB六自由度關(guān)節(jié)式機(jī)器人的水切割工作站，對(duì)加工工作站系統(tǒng)構(gòu)成進(jìn)行簡(jiǎn)單介紹，討論了高壓水路和機(jī)器人系統(tǒng)結(jié)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(shè)定了儀表板切割工藝參數(shù)。實(shí)踐證明該系統(tǒng)性能穩(wěn)定、工件切割質(zhì)量好、生產(chǎn)效率高，適合推廣應(yīng)用。

2 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)規(guī)劃

機(jī)器人水切割主要的功能系統(tǒng)模塊包括：①六軸工業(yè)機(jī)器人。②水切割系統(tǒng)。③雙工位工裝與定位系統(tǒng)。④廢水廢渣收集系統(tǒng)。⑤真空吸塵系統(tǒng)。⑥工件數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)。⑦信號(hào)檢測(cè)和控制系統(tǒng)，以求最大化的滿足生產(chǎn)工藝要求，提高生產(chǎn)生產(chǎn)效率。在這個(gè)工作站，雙工位工裝的設(shè)置，可以交替上下料，提高工作效率并且滿足生產(chǎn)定位。根據(jù)工件的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)、工件位姿關(guān)系，把工件安裝在定位工裝上；水刀安置于機(jī)器人第六軸末端進(jìn)行固定，根據(jù)工件的空間曲線變化和流體型面的走向，機(jī)器人可以實(shí)時(shí)響應(yīng)，適時(shí)調(diào)整切割路線，精準(zhǔn)切割復(fù)雜零件，實(shí)現(xiàn)各類工件復(fù)雜多變的生產(chǎn)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(chǎn)生的四處紛飛的粉塵；控制檢測(cè)系統(tǒng)及內(nèi)置的各類傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)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(qū)間操作，保證了人身安全的同時(shí)檢測(cè)生產(chǎn)質(zhì)量；最后經(jīng)過廢水廢渣回收系統(tǒng)，對(duì)排放的污水水和切割廢料統(tǒng)一收集整理，避免亂排亂放引起環(huán)境污染。

3 水切割系統(tǒng)工作原理

水切割技術(shù)，是利用水或是添加了磨料的水，經(jīng)過水泵至增壓器，流經(jīng)儲(chǔ)液蓄能器保證高壓液體持續(xù)且流動(dòng)平穩(wěn)，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(qiáng)度極限，就達(dá)到去除材料的切削目的。值得一提的是，水切割系統(tǒng)用水需要進(jìn)行三級(jí)過濾、軟化處理，以保證切割噴嘴寶石環(huán)的使用壽命。水切割系統(tǒng)構(gòu)成如下圖所示。

水切割系統(tǒng)構(gòu)成示意圖

4 水切割機(jī)器人關(guān)鍵技術(shù)

4.1 機(jī)器人選型及控制

汽車頂棚和儀表盤的形狀不規(guī)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(gè)孔以滿足安裝前后頂燈、全景天窗的配置需求。水切割現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境濕度較大，工作場(chǎng)合工況復(fù)雜惡劣，選用 ABB公司的IRB-2400 六自由度防水機(jī)器人實(shí)現(xiàn)水切割，能夠適應(yīng)產(chǎn)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(jī)器人控制柜是工作站系統(tǒng)的控制核心，它完成機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)控制以實(shí)現(xiàn)工件精確定位切割，并通過機(jī)器人控制柜的通用I/O接口實(shí)現(xiàn)工作站按鈕管理和外部動(dòng)作控制，例如打開和關(guān)閉切割頭、啟動(dòng)真空吸附和抽風(fēng)除塵裝置等。機(jī)器人模擬量輸出口控制變量柱塞泵的恒壓控制系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)高壓水切割壓力的無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)，以滿足不同厚度工件的切割要求。機(jī)器人控制柜和增壓泵控制系統(tǒng)通過RS232串口連接實(shí)現(xiàn)通訊，當(dāng)增壓泵或機(jī)器人系統(tǒng)出現(xiàn)故障或急停時(shí)，系統(tǒng)將同時(shí)將其關(guān)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(tái)定位柱配合完成工件精確定位。

機(jī)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(gè)Ethernet通道，可與PC進(jìn)行通信，實(shí)現(xiàn)文件交換。機(jī)器人控制器可以配備不同的通訊模塊實(shí)現(xiàn)不同的通訊聯(lián)接。本系統(tǒng)采用以太網(wǎng)連接方式進(jìn)行程序上下載，上載的程序可以在Windows自帶的記事本中進(jìn)行編輯。機(jī)器人配備了支持多任務(wù)Base Ware OS操作系統(tǒng)，用于控制整個(gè)機(jī)器人的運(yùn)作，如運(yùn)動(dòng)控制、編程/運(yùn)行機(jī)器人應(yīng)用程序和通訊等。

4.2 基于三維重建的機(jī)器人切割軌跡規(guī)劃

工作站切割的工件為汽車頂棚和軟質(zhì)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(shí)際尺寸會(huì)有誤差，所以每批工件切割之前要檢測(cè)定位點(diǎn)，精確定位檢測(cè)程序會(huì)根據(jù)儀表板上的定位標(biāo)識(shí)來判斷這批工件是否在切割精度范圍之內(nèi)，否則應(yīng)對(duì)切割程序進(jìn)行切割點(diǎn)在線調(diào)整以適應(yīng)工件的變化。

高壓水射流無(wú)論處于什么加工角度，都必須嚴(yán)格保證垂直于加工表面，盡量減小水射流發(fā)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(chǔ)上，建立切割系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)仿真模型，運(yùn)用計(jì)算機(jī)建模仿真技術(shù)，設(shè)計(jì)規(guī)劃高壓水切割系統(tǒng)的資源配置，動(dòng)態(tài)模擬射流和高水壓對(duì)加工效率的影響。參照三維模型生成切割工位某個(gè)點(diǎn)或線的法面或法線，去發(fā)現(xiàn)系統(tǒng)方案隱藏的問題，經(jīng)過反復(fù)運(yùn)算、修改和調(diào)整參數(shù)，針對(duì)各種工位進(jìn)行規(guī)劃線路，對(duì)于整體生產(chǎn)線運(yùn)動(dòng)部件動(dòng)作的順序執(zhí)行和運(yùn)動(dòng)軌跡，運(yùn)用干涉分析法進(jìn)行充分優(yōu)化，從而提高生產(chǎn)效率。

5 故障與安全

安全設(shè)施和故障應(yīng)對(duì)系統(tǒng)相當(dāng)重要，可采取以下防范措施：

（1）操作區(qū)域設(shè)置有安全護(hù)欄、安全門等檢查保護(hù)措施，系統(tǒng)要想正常開機(jī)運(yùn)行，必須關(guān)閉安全門，以免出現(xiàn)操作人員誤入、誤操作設(shè)備，造成誤傷。

（2）設(shè)備啟動(dòng)前，系統(tǒng)首先自檢、初始化，使運(yùn)動(dòng)部件回歸原位，為執(zhí)行相應(yīng)的加工工藝做準(zhǔn)備。

（3）高壓水泵和機(jī)器人，以及其他設(shè)備之間的動(dòng)作能可靠互鎖，以確保設(shè)備安全運(yùn)行。

（4）故障處理報(bào)警器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)機(jī)械手是否移動(dòng)到位，檢測(cè)水壓是否正常，若有異常情況立即發(fā)出報(bào)警信號(hào)。

（5）生產(chǎn)線故障處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)水泵增壓器、機(jī)械手、冷水系統(tǒng)裝置、水軟化處理裝置、廢水處理系統(tǒng)裝置、定位及滑動(dòng)工作臺(tái)等設(shè)備的工作狀態(tài)，如有故障快速響應(yīng)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，及時(shí)停止故障設(shè)備以及正在運(yùn)行的工序，工程師查詢現(xiàn)場(chǎng)情況后，后續(xù)工位完成此次操作后，停止，等待下次運(yùn)行啟動(dòng)；

6 結(jié)語(yǔ)

通過系統(tǒng)的智能設(shè)計(jì)與參數(shù)智能輸入，規(guī)劃了機(jī)械手的運(yùn)動(dòng)空間和運(yùn)行軌跡，最大切割速度可達(dá) 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(tǒng)穩(wěn)定性好，響應(yīng)速度快，人機(jī)交互性好。操作過程安全、環(huán)保、智能，能有效保障操作人員的安全，特別適合自動(dòng)化流水切割，是非織造汽車內(nèi)飾件生產(chǎn)技術(shù)的一次有效提升和改進(jìn)。

綠色環(huán)保是這個(gè)時(shí)代的主旋律，順應(yīng)時(shí)代潮流的水切割技術(shù)的應(yīng)用范圍將不斷擴(kuò)大。智能機(jī)器人技術(shù)也在不斷完善，水切割技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)的有機(jī)結(jié)合將會(huì)有更大的發(fā)展空間。隨著水切割機(jī)器人的智能化、模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化程度的提高，在消防、防爆、采掘業(yè)等領(lǐng)域中，水切割的優(yōu)勢(shì)將會(huì)更加凸顯。

參考文獻(xiàn)：

[1]楊志，陳世明，張毅軍，李滿.高壓水射流技術(shù)的發(fā)展及應(yīng)用[J].機(jī)械管理開發(fā)，2009，5（24）：87-90.

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