楊　慧，施云高，馮寶林，呂仙陽，成士華

（1.常州先進(jìn)制造技術(shù)研究所，江蘇常州213164；2.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，安徽合肥230031；3.安徽紅星機(jī)電科技股份有限公司，安徽合肥231135）

非織造汽車內(nèi)飾件智能機(jī)器人水切割系統(tǒng)研制

楊慧1，施云高1，馮寶林2，呂仙陽3，成士華3

（1.常州先進(jìn)制造技術(shù)研究所，江蘇常州213164；2.中國科學(xué)院合肥物質(zhì)科學(xué)研究院，安徽合肥230031；3.安徽紅星機(jī)電科技股份有限公司，安徽合肥231135）

非織造材料汽車內(nèi)飾件由局部平面和不規(guī)則的空間曲面組合而構(gòu)成，在不同的平面和曲面上有定位孔、安裝孔的精準(zhǔn)切割需求。機(jī)器人水切割系統(tǒng)采用6軸機(jī)械臂驅(qū)動(dòng)400MPa的超高壓射流水刀切割內(nèi)飾件，集中除塵、廢水集中回收；內(nèi)飾件參數(shù)采用數(shù)字化錄入系統(tǒng)，切割參數(shù)一致、軌跡精準(zhǔn)、作業(yè)效率高，可以滿足汽車行業(yè)批量化，高效率的要求。

非織造材料；汽車內(nèi)飾件；機(jī)器人；水切割

汽車工業(yè)的快速發(fā)展促進(jìn)了汽車內(nèi)飾材料生產(chǎn)技術(shù)水平的提高，非織造材料的汽車內(nèi)飾零件已超過40種，包括聲、熱絕緣材料、結(jié)構(gòu)件以及模壓成型的非織造門內(nèi)飾、行李艙蓋板、車頂、車廂襯墊、座椅靠背等裝飾件，生產(chǎn)一輛轎車已需20 m2非織造材料（約15～20 kg），而且用量還在繼續(xù)增加。非織造材料所用的纖維［1］（包括聚酯纖維、聚丙烯纖維、玻璃纖維、碳纖維和天然纖維）在加工過程中會(huì)產(chǎn)生大量的纖維粉塵，嚴(yán)重的影響工人的身心健康；材料的各向異性的特點(diǎn)也影響了工件的加工質(zhì)量和參數(shù)一致性，汽車內(nèi)飾件生產(chǎn)技術(shù)需要突破。

1.系統(tǒng)規(guī)劃與布局

為了滿足生產(chǎn)工藝和生產(chǎn)效率要求，機(jī)器人水切割系統(tǒng)主要功能模塊包括：六軸工業(yè)機(jī)器人、水切割系統(tǒng)、雙工位工裝與定位系統(tǒng)、廢水廢渣收集系統(tǒng)、真空吸塵系統(tǒng)、工件數(shù)據(jù)輸入系統(tǒng)、信號(hào)檢測和控制系統(tǒng)?？臻g布局如圖1所示，在工作室內(nèi)，雙工位工裝滿足生產(chǎn)定位和交替上下料的工作需求，根據(jù)工件的設(shè)計(jì)基準(zhǔn)和位姿關(guān)系將工件安裝在定位工裝上；水刀固定于機(jī)器人第六軸末端，機(jī)器人根據(jù)工件的空間曲線和曲面關(guān)系進(jìn)行動(dòng)態(tài)響應(yīng)，執(zhí)行工件的精準(zhǔn)切割，滿足不同工件曲面和曲線的生產(chǎn)切割需求；真空吸附系統(tǒng)對(duì)切割產(chǎn)生的非織造材料的飛塵進(jìn)行吸附收集，廢水廢渣回收系統(tǒng)對(duì)廢水和切割下的廢料進(jìn)行收集，避免亂排亂放而引起的環(huán)境污染；傳感及控制系統(tǒng)對(duì)生產(chǎn)過程的中的工件位姿和人員是否在操控區(qū)間進(jìn)行檢測，確保工件的生產(chǎn)質(zhì)量和操作人員的人身安全。

圖1　機(jī)器人水切割系統(tǒng)空間布置圖

2　水切割系統(tǒng)設(shè)計(jì)

2.1水切割系統(tǒng)規(guī)劃

高壓水射流切割是利用水或水中添加劑的液體經(jīng)水泵至增壓器再經(jīng)儲(chǔ)液蓄能器使高壓液體流動(dòng)平穩(wěn)，最后由人造寶石噴嘴形成300～900米/秒的高速液體流，噴射到工件表面，到達(dá)去除材料的加工目的，水噴射加工系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示，其構(gòu)成包括：供水器、過濾器、高壓泵、增壓器、蓄能器、控制器、液壓裝置、閥、噴嘴等。

圖2　水噴射加工系統(tǒng)示意圖

2.2射流水動(dòng)力計(jì)算

圖3為非淹沒連續(xù)自由射流的水動(dòng)力學(xué)結(jié)構(gòu)，它是由射流初始段和主體段構(gòu)成［2］。初始段包括等速核和混合區(qū)，而主體段則為棍合區(qū)?；旌蠀^(qū)是由不同速度的異種流體介質(zhì)—水和空氣混合而成?？梢?，只有等速核是單一的水介質(zhì)，而且淹沒和消失在混合介質(zhì)之中。等速核是能量密集的主流，混合介質(zhì)則通過動(dòng)量交換，從等速核獲得動(dòng)能，而且占據(jù)射流的主要部分，二者都具有對(duì)靶體材料沖擊加載的破壞作用，而等速核動(dòng)能更大，是切割最有效的射程區(qū)段，因而，切割靶距通常選在這個(gè)范圍內(nèi)。圖4是射流在靶體表面的流動(dòng)圖形，區(qū)段Ⅰ是射流上游，即噴嘴內(nèi)部的流動(dòng)；區(qū)段Ⅱ是圖所表示的射流段區(qū)段則是射流與靶面接觸后的狀態(tài)。

圖3　射流的水動(dòng)力結(jié)構(gòu)

圖4　射流在靶體表面的流動(dòng)圖形

幾何特性：

（1）初始段長度（近似取等速核長度）L0：L0≈（53～106）D0，式中：D0為噴嘴直徑；L0與雷諾數(shù)有關(guān)。

動(dòng)力學(xué)特性

（3）噴嘴出口平均速度v0：v0＝φ（2P0/ρ）1/2，式中：φ為流速系數(shù)，約0.97；ρ為介質(zhì)密度；P0為噴嘴入口壓強(qiáng)。

（5）軸心動(dòng)壓Pm：Pm＝P0（L0/x）0.27+0.0075（x/L0）2.

（6）平均動(dòng)壓PA：PA＝1.14P0（D0/x）0.105

（7）射流的最大打擊力Fm（擴(kuò)散角彎曲處）：

（8）射流基本段內(nèi)的打擊力F：F＝Fm［1.046-3× 10-4（x/D0/）］.

（9）軸向速度分布（見圖1）：ux/um=（1+r2/ 0.016 x2）-2（淹沒射流）

（10）軸心最大速度um：um/u0=1.85［1+0.14（x/ D0）］-1（淹沒射流）式中：u0為噴嘴出口速度。

（11）射流功率N：N=P·Q式中：Q為噴嘴流量。

3　機(jī)器人選型與參數(shù)輸入系統(tǒng)

3.1機(jī)器人選型

汽車頂棚形狀比較復(fù)雜，由不規(guī)則的空間曲線和曲面構(gòu)成，并且在工件上往往有多個(gè)開孔，開孔形狀和孔的分布也不規(guī)則。為了適應(yīng)于水切割高濕度的現(xiàn)場高濕度的環(huán)境要求，選用ABBIR1400六軸防水機(jī)器人進(jìn)行水切割，可以滿足不同的空間型位切割要求。

3.2汽車內(nèi)飾件三維重建

在已有汽車內(nèi)飾件的基礎(chǔ)上重建三維數(shù)字化模型，對(duì)內(nèi)飾件關(guān)鍵尺寸和工位進(jìn)行基準(zhǔn)設(shè)計(jì)與界定，綜合采用三維掃描、數(shù)值擬合、模型重建、數(shù)值優(yōu)化等方法構(gòu)建已有內(nèi)飾件的三維數(shù)字化模型，構(gòu)建成機(jī)器人可操作的參量化的數(shù)字化模型，便于機(jī)器人生成軌跡與切割。

3.3基于三維重建的機(jī)器人切割軌跡規(guī)劃

射流水必須時(shí)刻垂直于切割工位的表面，根據(jù)非織造材料的材料特性，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)對(duì)高壓水系統(tǒng)的資源進(jìn)行設(shè)計(jì)與規(guī)劃，在充分考慮有效切割不留飛邊和毛刺前提下，動(dòng)態(tài)的模擬切割水壓與射流對(duì)效率的影響，借鑒三維數(shù)字化模型生成切割工位的線與面的法線或法面，找出系統(tǒng)方案可能存在的問題，通過修改和調(diào)整參數(shù)、反復(fù)運(yùn)算，對(duì)不同工位進(jìn)行軌跡規(guī)劃，利用干涉分析方法對(duì)整個(gè)生產(chǎn)線運(yùn)動(dòng)部件的執(zhí)行順序以及運(yùn)動(dòng)軌跡進(jìn)行優(yōu)化，進(jìn)而提高生產(chǎn)節(jié)拍。

4　控制系統(tǒng)

4.1控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

系統(tǒng)選用PLC為總控制器，對(duì)水切割機(jī)器人、高壓泵、真空吸附系統(tǒng)、冷水機(jī)、軟水機(jī)和排水系統(tǒng)進(jìn)行控制。通過光電檢測單元和防碰撞傳感器，建立反饋控制，實(shí)現(xiàn)水切割軌跡精確定位?？刂葡到y(tǒng)配置液晶觸摸屏作為人機(jī)交互界面，可以方便快捷地選擇控制模式、設(shè)置和修改各設(shè)備控制參數(shù)、監(jiān)測系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)、實(shí)時(shí)顯示系統(tǒng)故障，系統(tǒng)框圖如圖5所示。

圖5　控制系統(tǒng)框圖

4.2故障與安全

故障處理與安全系統(tǒng)至關(guān)重要，防范措施如下：

（1）系統(tǒng)運(yùn)行前，進(jìn)行設(shè)備自檢并初始化（如圖6），設(shè)備回歸原始狀態(tài)，準(zhǔn)備執(zhí)行相應(yīng)的工藝。

（2）生產(chǎn)線故障處理系統(tǒng)實(shí)時(shí)監(jiān)測高壓泵、機(jī)器人、冷水系統(tǒng)裝置、軟水處理裝置、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)，發(fā)現(xiàn)故障及時(shí)做出響應(yīng)，發(fā)出報(bào)警信號(hào)，使出現(xiàn)故障的設(shè)備及前面正在運(yùn)行工序都停止，以供工程師查詢，后續(xù)工位完成本次操作后，停止等待下次啟動(dòng)；

（3）生產(chǎn)線設(shè)有安全門、安全護(hù)欄等檢測、保護(hù)措施，只有在所有安全門關(guān)閉的情況下，整個(gè)系統(tǒng)才能正常運(yùn)行，以避免操作人員誤入運(yùn)行現(xiàn)場，造成傷害；

（4）故障處理系統(tǒng)同樣對(duì)機(jī)器人移動(dòng)是否到位及水壓進(jìn)行檢測，若未到位或水壓不夠則發(fā)出報(bào)警信號(hào)（如圖6、圖7所示）；

（5）機(jī)器人與高壓泵等其他裝置設(shè)備之間動(dòng)作互鎖以保證設(shè)備安全運(yùn)行。

圖6　初始化模塊

圖7　故障與安全模塊

4.3生產(chǎn)現(xiàn)場

生產(chǎn)現(xiàn)場如圖8所示，根據(jù)工件的尺寸范圍和非織造材料力學(xué)性能，系統(tǒng)最終選用了ABB-IR400機(jī)器人和KMT高壓泵-50HP高壓水系統(tǒng)；最大切割速度可達(dá)200mm/sec，切縫約0.2mm；通過真空吸附系統(tǒng)的吸附，切割時(shí)粉塵得到了有效控制，切割水經(jīng)過過濾即可排放。

圖8　工作現(xiàn)場圖

5　結(jié)束語

根據(jù)某公司非織造汽車內(nèi)飾件的的現(xiàn)場工藝要求，研究設(shè)計(jì)了非織造汽車內(nèi)飾件智能機(jī)器人水切割系統(tǒng)。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)200 mm/sec，切縫只有0.2 mm左右，切割過程安全、環(huán)保、智能，能有效保障操作人員的安全，特別能適合于自動(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)。

［1］張運(yùn)棋.高壓水射流切割原理及其應(yīng)用［J］.武漢工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)，1994，16（4）：13-16

［2］朱派龍，周錦進(jìn)，范曉光，等.高壓水射流切割技術(shù)原理及其應(yīng)用前景［J］.電加工，1997，（6）：1-3.

IntelligentRobot System Developmentof Nonwoven Automotive InteriorWater Cut

YANG Hui1，SHIYun-gao1，F(xiàn)ENG Bao-lin2，LV Xian-yang3，CHENG Shi-hua3
（1.Institute of advanced manufacturing technology，Changzhou Jiangsu 213164，China；2.Chinese Academy of Sciences，Hefei Institute ofmaterials science，Hefei Anhui 230031，China；3.Anhui Red Star Mechanical&Electrical Polytron Technologies Inc，Hefei Anhui231135，China）

The automotive inner decoration which is in material of nonwoven is a combination of plane and irregular space surface.There is precise cutting demand of positioning hole and mounting holes in different planes and surfaces.6-axis robotic arm is used in the water cutting system to drive ultrahigh-pressure water cutter with pressure of 400 MPa to cut the inner decoration.The robot centralized the function of dedusting and wastewater recycling.As the parameters of inner decoration is recorded by digital input system，the robot has the same cutting parameters and can guarantee precise jectory and work efficiency which can meet the requirements of the mass production and high efficiency of automotive industry.

non-woven material；car inner decoration；robots；water cut

TP27

A

1672-545X（2016）05-0243-04

2016-02-03

國家自然科學(xué)基金No.51275505和江蘇省產(chǎn)學(xué)研合作項(xiàng)目（非織造汽車內(nèi)飾件機(jī)器人水切割系統(tǒng)研制）資助。

楊慧（1960-），男，江蘇常州人，高級(jí)工程師，本科，主要從事于智能自動(dòng)化裝備方向的研究工作；馮寶林（1972-），男，博士，副研究員，主要從事于機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)、系統(tǒng)規(guī)劃與非標(biāo)系統(tǒng)設(shè)計(jì)等。