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工业机器人运用于激光切割的研究

2017/8/24    来源:互联网    作者:冯丰      
关键字:工业机器人  工艺激光切割  应用  
随着生产工业的需要,激光加工机器人是国际上面向21世纪的先进制造技术。本文从工业机器人出发,综述了机器人对于激光切割技术的作用、应用及体系构建。生产制造工业企业对于智能化机器人的要求也越来越高。而工业机器人在工艺激光切割应用中的实用性也越来越强。因此,本文从工艺激光切割工业智能化的角度出发,结合相关理论对工业的生产工艺进行研究,如PLC 激光信号的应用及切割工艺的应用等,本文的研究具备长远意义,可为日后的生产应用作参考。

    0 引言

    几乎在激光诞生的同时,1962 年美国Unimation 公司推出首台工业机器人。此后,机器人技术经历了一系列不断的发展过程。直到 20世纪 90 年代全球信息化浪潮风起云涌,计算机技术、微电子技术、网络技术和先进制造技术等快速进步,工业机器人技术也得到了飞速发展。它具有重复性精确生产特征,适应制造业中规模化批量生产要求,装配在生产线上代替人工作业,不仅解除了工人的繁复劳动,而且提高了生产质量。它可以流动作业,适应个性化生产需求。目前工业机器人技术日趋成熟,已经成为一种标准设备而广泛应用于工业界,国内外形成了一批著名的工业机器人公司。当社会经济结构遭遇工业智能化信息结构的影响,各个经济产业都会应势而转型。产业与产业之间开始对专业化人才的要求越来越高,而工业智能化应用作为现代应用的代表作,在我国各个行业的工业生产中都有其意义所在。其中,制造工业企业所需的专业化人才也越来越多,相关科研所为了摒弃脱离现代化制造产业的传统应用模式,开始对工业机器人进行有效的应用与管理,信息技术能够加强高科技工业企业的生产应用能力。因此,本文以工业机器人在工艺激光切割的应用为研究对象,探索社会所需的专业工业智能化应用模式,进而提高生产工业能力,促进经济发展。

    1 工业机器人在工艺激光切割工业生产中的作用

    近年来激光技术飞速发展,涌现出可与机器人柔性耦合的光纤传输的高功率工业型激光器。先进制造领域在智能化、自动化和信息化技术方面的不断进步促进了机器人技术与激光技术的结合,特别是汽车产业的发展需求,带动了激光加工机器人产业的形成与发展。从20世纪90年代开始,德国、美国、日本等发达国家投入大量人力物力进行研发激光加工机器人。进入 2000 年,德国 KUKA,瑞士的ABB,日本 FA NUC 等机器人公司均研制激光焊接机器人和激光切割机器人的系列产品。目前在国内外汽车产业中,激光焊接机器人和激光切割机器人已成为最先进的制造技术,获得了广泛应用。德国大众汽车、美国通用汽车、日本丰田汽车等汽车装配生产线上,已大量采用激光焊接机器人代替传统的电阻点焊设备,不仅提高了产品质量和档次,而且减轻了汽车车身重量,节约了大量材料,使企业获得很高的经济效益,提高了企业市场竞争能力。在中国,一汽大众、上海大众汽车公司也引进了激光机器人焊接生产线。目前有沈阳新松机器人公司涉足激光切割和焊接机器人制造领域。对于工业机器人在激光切割中的应用,主要归结为三点作用:一是工业机器人能够通过现代信息化制造技术为生产工人提供更前沿的学习内容。工艺激光切割所应用的行业涉及到金工、电子、数控等产业。在制造工艺的应用中,传统的应用模式俨然跟不上社会发展节奏。因此,工业机器人加强了生产工人对于信息、材料、通信、控制、环保等生产要素的应用,并实时为生产工人提供更前沿、更创新的新技术和新制造工艺;二是工业机器人还能为生产工人创造更全面的工业企业生产支持,帮助生产工人更好的掌握制造产业的生产流程。工艺激光切割应用在光纤激光器,此项应用在于体现工业机器人的生产优势,尤其是在生产波束范围广及效果良好、工作功率与效率稳定、光斑小及切割速度快精准等;三是提升了激光接线信号,激光接线信号由激光占空比、激光频率、激光功率、氧气压力、激光开关、随动开关、氧气开关、开始生产、暂停生产、停止生产、回零位等组成,这些激光信号来源主要以模拟量与数字量的方式输出,端口分别以软信号无需接线、PLC-2AO-1、PLC-2AO-2、PLC-CPU1-DQa0.2、PLC-CPU1-DQa0.3、PLC-CPU1-DQa0.4、PLC-CPU1-DIa0.1、PLC-CPU1-DIa0.2、PLC-CPU1-DIa0.3、PLC-CPU1-DIa0.4 等为主。PLC 激光信号的输出分为CPU 模块和模拟量模块,而工业机器人在这两个模块的应用性是比较好的。

    2 工业机器人的应用

    2.1 生产应用

    基于PLC激光信号,工业智能化设计与制造产业对机器人应用进行创新性研究,而工艺激光切割的工智能化应用模式应以工业智能化机器人现代制造应用为主。然而,在生产中,机器人需要四点信息整合:一是机器人信息;二是工业信息;三是PLC 激光信息;四是生产工人信息。工业信息主要是生产工艺、制造和管理等。而激光机器人信息则是以符合国家生产标准的机器人在工作原理、原则及激光处理等工作内容的信息录入。PLC 激光信息则是以激光信号发射出来的工作,包括设备、工装、原材料、耗材等信息的录入。生产工人信息是以工人的生产权限划分为主。机器人在生产激光应用中,应遵循工业智能化生产标准,整合专业应用内容,进行高效应用。而完善工业智能化设计与制造一体化应用平台,实现在机械工程学科应用中的应用与推广,对于工艺激光切割应用模式的创新有促进作用。在通过工业智能化设计制造一体化的研究中,机器人科研所需实现与工业企业的对接,为工业企业提供设计制造一体化原型系统和人员培训,打造一个机器人高效稳定的工作平台。

    2.2 切割工艺应用

    工艺激光切割机器人的工艺应用主要是以火焰切割原理、等离子切割原理、激光切割原理出发,以数控切割技术和机器人切割技术为主。火焰切割原理是以火焰实现切割过程的,在金属燃烧过程中效率更高。火焰切割工艺具备燃点低于熔点、热量足及热性低、熔点低及流动性好等特点。等离子切割较于火焰切割熔点更低,等离子切割用其气压、电压及磁场的共同物理切割流程,让自由弧迅速化成极小的离子弧。激光切割工艺的切割密度更高,工业机器人用机械数据处理技术和机器人辅助工程,运用逆向工程技术进行激光熔化切割、激光汽化切割、激光氧化切割和激光划片与控制断裂等。火焰切割运用材料是低合金钢,切割板厚是中、大厚度钢板,切割速度慢,切割精度是0.7-1.0mm,切割表面Ra 值是50um,切缝大小是0.9-1.2mm,切割断面垂直度好,热影响区是大(0.6-1.2mm),切割板材变形大,设备费用低,维护方式简单。等离子切割运用材料是碳钢、不锈钢、铝铜、铸铁等导电金属,切割板厚是中厚1-38mm,切割速度快,切割精度是较高的0.5mm-1.0mm,切割表面Ra 值是30-100um,切缝大小是1.0mm,切割断面垂直度是0.5 度-1.5 度倾斜,热影响区是较小的(0.5-1.0mm),切割板材变形较小,设备费用中高,维护方式需要许多组件维护。激光切割运用材料是( 特种) 金属材料、非金属材料、复合材料,切割板厚是中薄,切割速度快(<=6mm 以下),切割精度是高的0.05mm-0.1mm,切割表面Ra 值是20-100um,切缝大小是0.2mm-0.3mm,切割断面垂直度好,热影响区是很小的(<=0.1mm),切割板材变形很小,设备费用高,维护方式需要专业人员及维护复杂。因此,对比之下,激光切割的优势更好。另外,这帮助了生产工人更好的切割应用。

    2.3 激光应用

    PLC激光切割的应用帮助生产工人拥有更好的生产能力,Pro/E等软件的组合应用也能加强机器人的有效应用以及加强生产工人对于数控自动编程的操作能力。在工艺激光切割中,生产工人需以机器人辅助设计与制造为主。产品设计、装备设计以及反求设计共同组成机器人生产环节,而工艺设计与制造环节、质检环节需融合工业活动的具体需求,巧妙应用PLC 激光切割的软硬件。工业智能化工业制造可关联到三点:一是工业智能化设计;二是工业智能化制造;三是工业智能化管理。工业智能化制造主要针对机器人辅助离线切割,工艺以激光随动、数控技术NC 以及快速原型技术RP 等的应用为主,用有限元法对于离线切割进行更好的应用。而工业机器人辅助工艺过程中,注重激光随动系统中零件信息的描述与输入、派生式激光随动系统和创成式激光随动系统等。工业机器人辅助数控加工编程,并用工业机器人与Pro/E 软件加工组合使用。其中,工业机器人的激光应用需要逆向工程技术、虚拟制造技术、网络化制造和快速响应制造等技术的整合使用。在工业机器人的支撑下,机械系统集成在产品数据交换标准的应用应用中也是难题之一。

    3 工业机器人激光切割体系的构建

    按照工业生产制造产业链的结构需要,工业激光切割体系拟提供工业智能化激光切割与设计、工业机器人与技术研发、工业智能激光科研成果转化等。

    3.1 工业智能化激光切割、设计与咨询

    工业智能化激光切割与设计:包括工业智能化现场切割、数据处理与分析、机器人激光方案设计、机器人激光规划、机器人激光技术咨询等。采用智能化切割设备对工业制造进行自动化切割,通过激光专家系统对切割数据进行处理和分析,诊断制造类型和产生机理,为客户提供激光规划、激光方案设计、激光技术咨询、激光工程量及投资预算等决策信息。

    3.2 激光技术与材料研发

    随着“资源节约型、环境友好型”社会建设的持续深入发展,低碳环保的要求不断提高,工业机器人激光切割技术需会在工业建设中得到广泛应用。随着工业生产高峰的纷至沓来,未来工业产业切割材料及相关技术等的市场规模需会飞速发展。

    工业机器人一直奉行“抢占技术制高点,制造社会大生产”的发展理念,为加快产业转型升级,走可持续发展之路,自2006 年以来,投入了大量资金和人力开展相关技术研究,并取得了一系列国内领先和国际先进的研究成果,部分成果已在工业建设和激光上得到应用,为需来机器人发展打下了坚实的技术基础。工业激光切割体系组建后,需固定科技研发队伍,保证研发资金可持续投入,继续开展工业智能绿色机器人激光技术、“高精尖”难点技术、激光新材料、新工艺的研发,抢占技术制高点,以技术培育和主导市场。

    3.3 工业智能机器人激光科研成果转化

    相关研究所需研发相关机器人激光切割材料,促进其大规模推广应用,主营材料生产与销售、应用技术咨询等。同时,机器人还应实现废物利用和节能减排。研究工业机器人激光切割的成套技术,从事相关材料生产与销售、应用技术咨询等,并研发再生剂及应用成套技术。未来可以从事工业面切割生产技术咨询与制造、生产质量控制与监测等业务。

    4 结论与展望

    未来的发展中,工业产业需与机器人科研单位按照现金出资的方式,以独立法人形式共同组建机器人工业激光切割体系。机器人工业激光切割体系出资只收购激光切割方案的设计资产及资质,并购买常规试验检测设备。涉及大型的智能化激光切割项目,工业激光切割体系可与工业生产中心合作完成,共享项目利润。在工业机器人激光切割中,工业激光切割体系需以激光技术和高精尖难点技术研发与推广应用为产业发展方向。工业机器人是专业工业生产的现代化平台,工艺激光切割专业应用后,生产工人的专业应用性更强,工业的生产效率也会增高。同时,工业机器人的应用内容涉及到生产制造工业的生产环境,工业机器人的应用加大了生产工人对于工业生产制造工艺的优化。本文的研究对于工艺激光切割的应用主要归结于生产应用,切割工艺应用及激光应用。本文的研究总结的内容比较多,涉及到工业机器人的作用,专业化工业生产的应用内容及发展情况,文章的研究在通信、制造、工艺等具备可塑性,可为此领域下的相关研究做参考依据。

责任编辑:张纯子
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