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1、激光切割工业机器人分拣系统1 目录摘要： 4关键词： 42 概述 52.1 激光切割简述 52.1.1定义 52.1.2简介 52.1.3原理 52.1.4分类 52.1.5特点 62.2机器视觉引导与定位 72.2.1 什么是机器视觉 72.2.2 什么是视觉引导 72.2.3定位 73 机器人分拣系统在激光切割设备上的应用 83.1自动化系统的组成 83.1.1工业机器人 83.1.2相机 83.1.3 磁铁矩阵夹爪 93.2 自动化系统的工作原理 103.2.1 3D 扫描相机的工作原理 103.2.2 机器人的工作原理 103.3 工业机器人在该系统中的调试技巧 113.3.1 工具中
2、心点的设定(tool center point) 113.3.2 机器人路径规划113.3.3 机器人 IO 设定 113.4 总结 11摘要：中国劳动力价格优势已经逐渐失去，劳动密集型企业升级迫在眉睫。随着技术改革步伐的加快，自动化的水平不断提到，机器人换人的呼声也越来越高。激光切割在金属板材切割领域受到了越来越广泛的关注，是一种利用激光束聚焦后 的高能量密度实现板材切割的加工方式，在电气制造、汽车、仪表开关、纺织机械、输 机械、家电制造、电梯设备制造、食品工业等多个领域都具有较大的市场需求。高能量密度的激光束使得板材迅速汽化蒸发形成孔洞、随着光束与材料相对线性移 动、使孔洞连续形成宽度很窄
3、的切缝，具备热变形小、切口整齐、加工精度高等特点。 通过计算机编程，激光切割专机或机器人能够实现复杂曲线的数控切割，具备较高的精 确度和柔性，且切割过程自动化程度高，通过计算机程序的优化，能够对复杂切割图形 进行排版，尽可能利用材料，节约成本。关键词：激光切割、机器人换人、自动化生产线2 概述2.1 激光切割简述2.1.1 定义利用高功率密度激光束照射被切割材料，使材料很快被加热至汽化温度，蒸发形成孔洞，随着光束对 材料的移动，孔洞连续形成宽度很窄的（如0 1mm左右）切缝，完成对材料的切割。2.1.2 简介激光切割设备的价格相当贵，约150万元以上。随着眼前储罐行业的不断发展，越来越多的行业
4、和企 业运用到了储罐，越来越多的企业进入到了储罐行业。但是，由于降低了后续工艺处理的成本，所以在大 生产中采用这种设备还是可行的。由于没有刀具加工成本，所以激光切割设备也适用生产小批量的原先不能加工的各种尺寸的部件。激 光切割设备通常采用计算机化数字控制技术（CNC ）装置。采用该装置后，就可以利用电话线从计算机辅 助设计（CAD ）工作站来接受切割数据。2.1.3 原理激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到 燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现将工件割开。激光切割属于热切割方法之一。2.1.4 分类2丄激光汽化切割禾I用高
5、能量密度的激光束加热工件，使温度迅速上升，在非常短的时间内达到材料的沸点，材料开 始汽化，形成蒸气。这些蒸气的喷出速度很大，在蒸气喷出的同时，在材料上形成切口。材料的汽化热一 般很大，所以激光汽化切割时需要很大的功率和功率密度。激光汽化切割多用于极薄金属材料和非金属材料（如纸、布、木材、塑料和橡皮等）的切割。2.1.4.2 激光融化切割激光熔化切割时，用激光加热使金属材料熔化，然后通过与光束同轴的喷嘴喷吹非氧化性气体（ Ar、 He、N等），依靠气体的强大压力使液态金属排出，形成切口。激光熔化切割不需要使金属完全汽化，所 需能量只有汽化切割的1/10。激光熔化切割主要用于一些不易氧化的材料或活
6、性金属的切割，如不锈钢、钛、铝及其合金等。2.1.4.3 激光氧气切割激光氧气切割原理类似于氧乙炔切割。它是用激光作为预热热源，用氧气等活性气体作为切割气体。喷吹出的气体一方面与切割金属作用，发生氧化反应，放出大量的氧化热；另一方面把熔融的氧化物和熔 化物从反应区吹出，在金属中形成切口。由于切割过程中的氧化反应产生了大量的热，所以激光氧气切割 所需要的能量只是熔化切割的1/2，而切割速度远远大于激光汽化切割和熔化切割。激光氧气切割主要用于 碳钢、钛钢以及热处理钢等易氧化的金属材料。2.1.4.4激光划片与控制断裂激光划片是利用高能量密度的激光在脆性材料的表面进行扫描，使材料受热蒸发出一条小槽，
7、然后 施加一定的压力，脆性材料就会沿小槽处裂开。激光划片用的激光器一般为Q开关激光器和C02激光器。控制断裂是利用激光刻槽时所产生的陡峭的温度分布，在脆性材料中产生局部热应力，使材料沿小槽断开。2.1.5 特点2151切割质量好由于激光光斑小、能量密度高、切割速度快，因此激光切割能够获得较好的切割质量。 激光切割切口细窄，切缝两边平行并且与表面垂直，切割零件的尺寸精度可达0.05mm。 切割表面光洁美观，表面粗糙度只有几十微米，甚至激光切割可以作为最后一道工序，无需机械 加工，零部件可直接使用。 材料经过激光切割后，热影响区宽度很小，切缝附近材料的性能也几乎不受影响，并且工件变形 小，切割精度
8、高，切缝的几何形状好，切缝横截面形状呈现较为规则的长方形。激光切割、氧乙炔切割和 等离子切割方法的比较见表1，切割材料为6.2mm厚的低碳钢板。2152切割效率高由于激光的传输特性，激光切割机上一般配有多台数控工作台，整个切割过程可以全部实现数控。操作时，只需改变数控程序，就可适用不同形状零件的切割，既可进行二维切割，又可实现三维切割。2153切割速度快用功率为1200W的激光切割2mm厚的低碳钢板，切割速度可达600cm/min ;切割5mm厚的聚 丙烯树脂板，切割速度可达1200cm/min。材料在激光切割时不需要装夹固定，既可节省工装夹具，又节 省了上、下料的辅助时间。2154非接触式切
9、割激光切割时割炬与工件无接触，不存在工具的磨损。加工不同形状的零件，不需要更换刀具，只需改变激光器的输出参数。激光切割过程噪声低，振动小，无污染。2.1.5.5 切割材料的种类多与氧乙炔切割和等离子切割比较，激光切割材料的种类多，包括金属、非金属、金属基和非金属基 复合材料、皮革、木材及纤维等。但是对于不同的材料，由于自身的热物理性能及对激光的吸收率不同， 表现出不同的激光切割适应性。2.2 机器视觉引导与定位2.2.1 什么是机器视觉机器视觉是人工智能正在快速发展的一个分支。简单说来，机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和 判断。机器视觉系统是通过机器视觉产品（即图像摄取装置，分CMOS和CC
10、D两种）将被摄取目标转换成图 像信号，传送给专用的图像处理系统，得到被摄目标的形态信息，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转 变成数字化信号;图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的 设备动作。2.2.2 什么是视觉引导 机器视觉是人工智能正在快速发展的一个分支。简单说来，机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和 判断。机器视觉系统是通过机器视觉产品（即图像摄取装置，分CMOS和CCD两种）将被摄取目标转换成图 像信号，传送给专用的图像处理系统，得到被摄目标的形态信息，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转 变成数字化信号;图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的
11、特征，进而根据判别的结果来控制现场的 设备动作。2.2.3 定位 机器视觉是人工智能正在快速发展的一个分支。简单说来，机器视觉就是用机器代替人眼来做测量和 判断。机器视觉系统是通过机器视觉产品（即图像摄取装置，分CMOS和CCD两种）将被摄取目标转换成图 像信号，传送给专用的图像处理系统，得到被摄目标的形态信息，根据像素分布和亮度、颜色等信息，转 变成数字化信号;图像系统对这些信号进行各种运算来抽取目标的特征，进而根据判别的结果来控制现场的 设备动作。3 机器人分拣系统在激光切割设备上的应用3.1 自动化系统的组成3.1.1 工业机器人3.1.2 相机3.1.3 磁铁矩阵夹爪3.2 自动化系统
12、的工作原理3.2.1 3D 扫描相机的工作原理机器人手持相机从工件的左侧向右侧以1m/s的速度沿Y轴直线扫描3.2.2 机器人的工作原理1) 相机扫面完成后会进行图像处理并运算得出工件的空间坐标系的位置值2) 相机通过TCP/IP通信，将位置值发送给机器人3) 机器人接收到位置值之后进行工件坐标系偏移并到达准确位置3.3 工业机器人在该系统中的调试技巧331 工具中心点的设定(tool center point)1 ：根据夹爪形态，需要设定TCP，该系统分别定义为tool_cam ;2 : TCP校准方法选择六点法，即3+原点+XY3 : TCP设定误差为0.050.03mm4 : TCP-X
13、方向为夹爪前进方向5 : TCP-Y方向为夹爪前进方向的左侧方向332 机器人路径规划1 ：机器人路径规划需按照PLC运行的逻辑进行设定；2 :根据PLC给机器人的路径跳转指令，机器人乍十对不同的指令对路径进行组合以满足特定工序的扫 描、吸料、放料；3.3.2.1 路径的具体划分1:相机扫描2:吸取工件3:放工件333机器人IO设定本系统机器人IO通讯按ethernet-IP协议，通过DSQC 1030模块，默认16DO、16DI ;3.4 总结本系统可提供一种用于激光切割零件分拣的方法，在激光切割排版图纸确定后即可自动生成分拣策略，结合视觉系统对激光切割零件的识别与定位，实现无需人工干预的零件分拣 参考文档百度百科一轮毂发那科机器人手册 西门子 PLC 手册
