基于ROBOGUIDE的激光切割系统设计

宁夏理工学院目录绪论1.1课题研究背景当前社会人类对产品的品质需求和多样化需求提升，成为推动激光切割技术发展的内在动力。制造业采用传统的机械切割、火焰切割等方法制造产品已经无法适应当今社会对生产对加工精度和效率要求的不断提高的需求。第一台的激光切割机于1965年应运而生，由西方电气工程研究中心研发制造，被用在金刚石模具上钻孔。激光切割机的诞生推动了激光技术的发展，并在激光切割机的基础上创新出了激光打孔机、激光焊接机、激光雕刻机等其他激光加工设备,推动制造业向着自动化的方向大跨步。由于激光切割适应能力强，可对不同材料实现精确切割，不仅仅是对金属板、金属管、等材料可以精确切割，对于木制品、竹制品、石材、玻璃、陶瓷等非金属材料也能进行按照要求精确控制其切割的厚度和尺寸，所以，激光切割机被广泛应用于各种领域。在面对棘手的复杂形状和图案时，激光切割机也能实现快速精准作业，满足当前制造业个性化定制需求。激光切割技术以其独特的优势，逐渐成为建材加工、汽车制造、航空航天、电子电器、广告等行业的重要加工手段。工业需求正推动着激光切割技术发展。激光切割技术的持续发展为工业提供了更稳定、更高效的生产方式。同时，激光切割器从最初的气体激光器到固体激光器，再到光纤激光器和超快激光器，激光器的功率、稳定性、光束质量等性能不断提升，为激光切割技术的发展提供了坚实的基础。国家调整政策以持续推动环保生产，公众对生态文明建设和绿色发展的认识也不断加深，环保生产将成为社会共识和企业发展的必然趋势。环保生产和生态环境息息相关，减少生产污染还能推动经济的可持续发展，实现经济效益、生态效益和社会效益的共赢。现代制造业也坚守环保和可持续发展的理念对生产工艺进行升级，环保理念的盛行推动激光切割机在各个加工业的应用。激光切割技术作为一种非接触式加工方法，具有热影响区小、材料利用率高等优点，能够有效减少废料和能耗，符合绿色制造的发展趋势。并且在全球化背景下，各国的制造业的竞争日益激烈，制造业中的关键技术激光切割作为的竞争力提升之一，在各国纷纷被加大研究力度，推动相关技术的研发和应用。同时，国际各工业间进行交流合作也促进了激光切割技术的交流与进步。1.2激光行业发展现状激光技术具有高精度、高速度和适应性强等优点，被应用广泛在工业生产领域，成为现代制造业不可小觑的关键技术之一。随着激光技术的不断进步确保激光技术可以稳定运行在工业生产当中，激光技术应用领域也不断拓宽，全球激光加工市场呈现出快速增长的态势。有数据显示，至2029年，全球激光技术市场规模将攀升至295亿美元REF_Ref18886\r\h[1]。激光切割作为激光技术的一大应用，随着工业生产领域向着越来越智能化和精细化的方向发展，对激光切割的需求也将持续增长。激光切割行业发展在当下迎来了好时机，在新能源汽车中，铝合金、碳纤维和高强度钢等轻量化材料被广泛应用，这些材料抗拉强度高，传统模具切边冲孔工艺无法满足加工需求REF_Ref23011\r\h[2]。所以在新能源汽车制造行业广泛使用了激光切割技术来加工抗拉强度高的汽车材料，新能源汽车行业的快速发展，为激光切割技术提供了广阔的市场空间。激光切割产业链包含了多个环节，目前，中国已经形成几个发展较为快速的激光产业集群，从起始端的光学材料、元器件制造到中游的激光器研发、生产和销售再到下游的激光加工设备制造和应用服务等，这些产业集群内的企业之间通过加强交流与合作可以实现资源共享、优势互补。共同推动激光行业的发展。未来，激光切割技术将不断优化，使激光切割作业效率更高且质量更高。同时，随着计算机技术和智能化技术的不断进步，激光切割设备将更加注重与计算机智能连接，将激光切割的生产流程更加智能化，自动化。1.3课题研究的意义1.3.1研究激光切割对行业而言激光切割应用在工业制造方面具有效率更高和可通过自动化程序控制，实现复杂路线的切割的优势。这种激光切割特有的优势为制造业带来了宽阔的发展通道。目前，激光切割机器人在汽车制造、航空航天、电子电气、家居装饰等多个领域得到广泛应用。激光切割技术显著提升了产品质量和生产效率，推动制造业产品向着更加高品质的方向发展，不断满足人们对产品品质把控的需要，从而为制造业的升级增添动力。1.3.2研究激光切割对国家而言科技兴则国家兴，科技强则国家强。在现代科技不断创新的大环境下，制造业正在经历着一场巨大的发展变革，激光切割技术的突破和发展具有重要意义。激光产业是传统产业迈向高端化的有效途径，也是一个国家或地区技术水平、生产装备能力的重要体现REF_Ref29908\r\h[3]。近些年中国激光产业的快速崛起，国产化已经从十年前的激光器渗透至上下游各领域。激光切割技术快速发展将西方国家独导激光切割技术变为过去式。激光切割技术在制造业中使用，提升了我国在国际市场的竞争力。其次，激光切割技术的普及和应用将我国制造业自动化和智能化程度大大提升。随着国家对科技创新的重视，加大对科技创新的投入，为激光切割等高科技领域提供良好的发展环境，为实现中华民族伟大复兴的中国梦提供有力支撑。1.4课题研究的内容随着社会进步，制造业人工成本不断提升，促使工业机器人在制造业中广泛应用REF_Ref13170\r\h[4]。计算机技术和人工智能技术的快速进步，有力的推动着工业机器人朝着数字化、智能化方向发展。本设计对激光切割此课题方面的研究是基于激光切割设备智能化发展的基础之上，通过使用离线编程和仿真实现激光切割工业机器人工作在现。激光切割系统主要内容是完成激光切割完整的生产线设计。设计使用上下料机器人和激光切割机器人协同工作，实现激光切割系统中机器人自主工作替代部分人力的目标。生产线自主作业可以优化企业的人力成本支出并节省人员招聘、培训和管理的时间。本设计的激光切割系统可以ROBOGUIDE仿真平台进行不断调试，方便企业进行生产线布局或工作流程的升级整改。根据上述研究思路，本文共分为六章，相应的研究内容如下：第一章：主要介绍了激光行业的研究背景以及发展现状，说明激光技术发展有很大前景。此外还展开研究激光切割对行业和国家的意义的阐述，体现出激光技术对制造业和国家经济发展的重要性。第二章：对激光切割技术进行分析，深入了解激光切割技术的工作原理和激光切割的切割过程。了解激光切割工作原理和切割过程有助于在设计激光切割系统时合理规划布局，确保激光束能够高效、稳定地传输到切割头，并实现对材料的精确切割。第三章：对系统中工具进行选型和在ROBOGUIDE仿真平台的做出合理布局，工具选型直接影响仿真的准确性和效率，在课题研究中是一项重要内容。布局对仿真结果同样至关重要。在仿真过程中，机器人的布局、工作区域的划分、安全围栏位置摆放等，都会直接影响仿真结果的准确性。第四章：在ROBOGUIDE软件内创建坐标系和外部连接，规划激光切割所需路径，对激光切割生产线进行仿真编程和TP程序的编写并将程序编写入机器人控制柜，通过机器人控制柜对系统内机器人进行控制。第五章：对已经搭建好的激光切割系统进行仿真调试与碰撞检测处理，最终保证仿真能够正常合理运行，达到所需的切割效果。第六章：对本次激光系统设计做出总结与展望，通过回顾设计过程，还可以排查现有设计方案中的不足之处，从而进行优化和改进，提高设计效率。并对后续的激光切割技术研究工作进行展望。

激光切割技术分析1.1激光切割激光又称“镭射”，英文叫LASER，它是大量原子由于受激辐射所产生的发光行为，最早由爱因斯坦在1917年发现其原理REF_Ref13507\r\h[5]。2.1.1工作原理激光切割作业时采用激光作为预热热源，利用高能量密度的激光束照射需被切割材料的表面，其关键在于激光束的能量密度足够高。这个能量会远远大于加工零件反射分散的部分，工件被焦点击中的地方温度会快速升高，从而达到激化，使材料燃烧蒸发构成空心处REF_Ref21740\r\h[6]。从而完成材料的分割动作。被切割材料表面接触到激光束时会发生多种物理现象，包括反射、吸收、散射和热传导等。能够迅速使材料表面达到熔点或沸点，从而实现切割。其激光切割时热力模拟图如REF_Ref24108\h图STYLEREF1\s2.1所示：图STYLEREF1\s2.SEQ图\*ARABIC\s11激光切割热力模拟图REF_Ref23748\r\h[7]2.1.2切割过程使用激光来切割材料，首先需要聚焦激光束，通过使用聚焦透镜或反射镜，将激光束聚焦到一个很小的点，形成高能量密度的激光束。激光束照射到材料表面，使表面温度迅速升高，达到熔点或沸点。切割头沿着预定的轨迹移动，激光束在材料表面形成连续的切割线。激光切割机器人能够高精度的执行重复性工作是可以在多领域广泛应用的关键，所以在切割过程中，通常会使用辅助气体，如氧气、氮气或氩气等，以帮助去除熔化或汽化的材料，提高切割速度和质量。当切割头移动到预定位置，完成整个切割过程。2.2机器人激光切割激光在工业领域中的应用以焊接及切割为主。传统激光切割设备主要分为平板激光切割机、管材型材类激光切割机、三维多轴激光切割机及机器人激光切割单元四大类REF_Ref29393\r\h[8]。机器人激光切割相比较其他切割方式比较灵活，还可以实现多机器协同作业，提高生产效率。本设计为了更好的研究激光切割，采用机器人激光切割来完成激光切割系统设计。将能够适应多种工艺场景的FANUC机器人作为研究对象，以FANUC机器人的三维仿真软件ROBOGUIDE为平台，创建激光切割机器人工作状态的虚拟仿真，提高生产的效率，稳定性和材料的利用率。

工具选型以及布局设计3.1工具选型结合激光切割系统设计的设计需求，本设计采用激光切割机器人和两个上下料机器人协同工作，实现自动上下料。自动上下料可以使激光切割机器人能够持续稳定地执行任务，不受疲劳和工作时间的限制，显著提升了生产效率。并且上下料机器人的精确动作和时间控制能力，确保了加工过程的稳定性和准确性，减少了人为操作误差，与传统人工上下料相比，机器人上下料也减少了不合格品的产生，提高了材料的利用率。为了使焊接和上下料同时进行,还采用了双轴伺服变位机。3.1.1激光切割机器人选型FANUC机器人型号多种多样，为满足激光切割作业时空间灵活穿梭和重复定位精度高的需求，选择合适的机器人至关重要。发那科机器人M-10iA/12机器人是负荷能力为12kg的6轴机器人，空间灵活穿梭。重复定位精度达±0.08mm，装配、焊接精准度高。本设计中激光切割机器人选用M-10iA/12机器人。如REF_Ref9053\h图STYLEREF1\s3.1所示：机器运动全部由各关节的交流伺服电机来驱动，可以满足驱动大惯性力矩负载和快速运动精确定位的要求，且可根据实际作业的需要可以在机器人手腕单元安装所需要的末端执行器，在本设计中末端执行器采用激光切割头。图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s11发那科机器人M-10iA/123.1.2上下料机器人选型发那科机器人M-10iD/8L是负荷能力为8kg级别的小型机器人。M-10iD/8L机器人具有独特的齿轮驱动机构，可以实现高转动惯量的运动特性。机器人内置手臂电缆，J1轴中空结构可以实现外部电缆管路的布线，作业工具控制器可安装于J3轴，J4、J6轴中空手臂结构可以实现工具控制器电缆管路的布线。高刚性手臂实现了高速、高精度的机器人运动性能，进而提升机器人系统的生产效率。并且利用ROBOGUIDE进行脱机示教可以大幅度削减示教时间。具体模型如REF_Ref9099\h图STYLEREF1\s3.2所示：图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s12发那科机器人M-10iD/83.1.3变位机选型发那科机器人的双轴伺服变位机是一款高性能的变位机。并且其具备高速和出色的有效载荷可提供更高的吞吐量和精度和500公斤的有效载荷能力，具有同类产品中最高的扭矩、惯性和速度。发那科的Two-Axes_Servo_Positioner具体模型如REF_Ref9138\h图STYLEREF1\s3.3所示：图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s13Two-Axes_Servo_Positioner模型3.1.4激光切割机器人末端执行器选用BT220切割头BT220是一款中低功率切割头，功率等级为2kW，该设备搭载了QBH和QCS等多款光纤接口，可与各种主流激光器进行适配。且BT220切割头具有重量轻，体积小的特点，可以适用与包括平面切割、三维切割等多场合应用。产品详细如REF_Ref11906\hREF_Ref9177\h图STYLEREF1\s3.4所示：图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s14BT220切割头产品标注说明如REF_Ref7607\h表STYLEREF1\s3.1所示：表STYLEREF1\s3.SEQ表\*ARABIC\s11产品标注说明BT200切割头1：光纤接口5：陶瓷体及喷嘴9：切割气接口(Ф8)2：上保护镜组6：冷却水接口(Ф6)10：传感器(TRA)3：下保护镜组7：冷却水接口(Ф6)11：陶瓷体锁紧螺母4：放大器接口8：冷却水接口(Ф6)3.1.5上下料机器人选用吸盘抓手和吸盘气动夹持器：上下料机器人采用吸盘的优点在于其结构简单、操作方便、灵活多样、不易损坏等特点。与机械夹持装置相比吸盘可以适应各种不同形状和材质的被吸附物体，具有较强的适应性和兼容性且在吸附易碎物料时较为安全，不易损坏物料。吸盘不需要额外的机械传动部件，减少了故障率和维护成本。吸盘抓手和吸盘气动夹持器具体模型如REF_Ref12314\hREF_Ref9396\h图STYLEREF1\s3.5和REF_Ref9458\h图STYLEREF1\s3.6所示：图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s15吸盘抓手模型图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s16吸盘气动夹持器3.1.6切割物料选型目前，使用传统切割的加工方法对玻璃进行加工的效率低且切割质量差。对于大厚度玻璃材料的加工较困难，容易产生爆裂、破碎等问题，严重影响加工质量，降低加工效率，对于高价值的大尺寸光学晶体材料的加工失败还将造成高额的经济损失999。图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s17激光和传统的玻璃加工技术对比1010使用激光切割技术对玻璃进行加工具有切割质量高且速度快的优点，节省了人力打磨切割表面的成本，节省加工时间，提升加工效率。为了使设计能够体现出激光切割技术的优势，避免玻璃爆裂、破碎的问题。所以，本设计切割物料选用玻璃材质。切割物料采用尺寸为300*175*8（mm）的玻璃材质，重量为5KG，其重量在上下料机器人以及变位机的载荷能力内。在仿真中为工件1号。在进行激光切割出一直径为130mm的圆形玻璃作业的后，将工件一号分为两部分，其被切割的废料为工件二号，被切割出直径为130mm的圆形玻璃物料为工件三号。如REF_Ref21142\h图STYLEREF1\s3.7所示：（蓝色部分为切割物料）图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s18切割物料选型3.1.7物料存放区域的选取：真设计中使用了三个盒子模型的工装对未切割物料，废料和已切割的物料进行归纳。三个工装尺寸同样都为500*300*100(mm)，可以轻松存放物料，且方便工人搬运。其中Fixture2为未切割物料的存放区，Fixture21为废料的存放区，Fixture22为已切割物料的存放区。如REF_Ref24496\h图STYLEREF1\s3.8所示：（深灰色部分为存放区工装）图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s19存放区工装选型3.2ROBOGUIDE仿真环境布局仿真系统需要支持对机器人实训生产线的生产过程进行模拟仿真。在完成机器人实训生产线的布局和流程逻辑规划后，系统能够通过动画仿真的方式，向用户展示生产线的运行效果，帮助用户验证生产线布局和流程规划等方案设计的可行性REF_Ref10198\r\h[9]。仿真系统减少了在实际生产中的调试时间和成本,在仿真中进行完整的编程并反复优化，确保机器人工作的准确性和效率。设计中不仅可以进行机械臂的运动路径规划，还可以模拟整个生产线的作业，包括其他机器设备，实现整体布局规划和优化，将设计更加合理、高效。在明确仿真的具体需求后，需要规划仿真的机器人型号、工作台类型、激光切割工具等。机器人仿真中工作站布局体现在确保安全性、增强灵活性和可扩展性以及控制成本等多个方面，一个合理的工作站布局设计对后续的编程与仿真是至关重要的。工作站布局影响生产效率。合理的布局可以将机器人执行任务时发运动路径优化到最短，从而提高整体生产效率。通过ROBOGUIDE软件对布局进行模拟和验证，可以找出机器人、工装夹具和工件等外围设备的最佳布局位置，优化机器人的运动轨迹和周期时间。同时，工作站布局应与现实生产作业紧密联系，注重安全性，在布局设计中，需要严格遵守相关的安全法规，设置了防护围栏、以确保人机协作的安全。使用仿真软件可以在设计阶段多次进行进行安全性的评估，直到安全性达到现实生产作业的标准，避免实际实施时出现安全隐患。其次，工作站布局还影响灵活性和可扩展性。为适应未来生产需求的变化，预留一定的扩展性和升级空间，使生产线具有较高的柔性。通过仿真软件，本设计对不同布局方案进行灵活调整和比较，使用了最具灵活性和可扩展性的布局方案。本设计将变位机作为激光切割机器人和上下料机器人工作交接的链接，将激光切割机器人和上下料机器人位于变位机不同端，将布局进行合理化。图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s110工作站布局前视图图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s111工作站布局等距视图图STYLEREF1\s3.SEQ图\*ARABIC\s112工作站布局俯视图

激光切割系统设计与分析4.1工具坐标系的创建工具坐标系用于定义工具中心点的位置和工具的姿态，也就是机器人末端执行器（如夹具、吸盘，喷头等）相对于机器人六轴法兰面的位置和姿态。工具作为机器人六轴末端的执行设备，会直接作用于机器人的作业任务中，工具坐标系的标定精度影响机器人的轨迹精度REF_Ref13781\r\h[10]。在仿真或实际作业中，通过创建精确的工具坐标系，可以确保仿真中的工具运动轨迹与实际操作中的工具运动轨迹一致，避免在示教仿真中出现运动误差。为提高后续实际操作的准确性和可靠性提供了保障，确保机器人准确无误的完成各种复杂的任务，是机器人仿真与实际操作中的关键点。工具坐标系设定完成后如REF_Ref12670\h图STYLEREF1\s4.1所示：图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s11工具坐标系标定完成界面4.2设置外部设备I/O连接随着智能制造的发展，工业机器人与可编程控制器已广泛应用于不同的生产线上。在生产过程中，工业机器人与可编程控制器的数据共享、信号互传是不可避免的问题。因此，必须要实现二者通信[11-12]。888999IO设备外部联系在ROBOGUIDE仿真中要实现多机器人共同协作起到了至关重要的作用。I/O设备外部联系主要是机器人与外部设备（如传感器、执行器等）进行信号交互的桥梁。在多机器人协作的场景中，I/O设备外部联系允许不同的机器人之间，以及机器人与外部设备之间，通过发送和接收I/O信号来协调工作。具体来说，I/O信号可以用于指示机器人的动作、状态或位置，也可以用于控制外部设备的运行。例如，一个机器人可以通过发送DO（数字输出）信号来触发另一个机器人的动作，或者通过接收DI（数字输入）信号来响应外部事件。这种信号交互使得机器人能够根据需要调整自己的行为，从而实现协同工作。工业机器人与远程I/O的通信只用配置信号即可完成REF_Ref16609\r\h[13]。在ROBOGUIDE软件中，正是通过配置I/O互连设置来实现机器人之间的信号交互。这包括指定IO信号的映射关系、配置信号的类型和地址等。一旦配置完成，就可以在仿真环境中测试机器人之间的协作效果，确保它们能够按照预期的方式协同工作。本次激光切割系统设计分别将RobotController1设置为激光切割机器人，RobotController2设置为上下料机器人，robotController3设置为下料机器人。变位机靠近RobotController1机器人同端为变位机J1，为变位机[1]点位，反之为J2，为变位机[2]点位。使用外部设备I/O连接将激光切割机器人与上下料机器人实现协同工作。规划打开I/O配置表中可以配置机器人I/O信号映射关系，总的外部设备I/O连接设置如REF_Ref13310\hREF_Ref21488\h图STYLEREF1\s4.2所示：图STYLEREF1\s4.SEQ图\*ARABIC\s12总的外部设备I/O连接设置4.3仿真程序的创建在ROBOGUIDE仿真程序中，pickup（拾取）和drop（放置）是两个关键的动作指令，这两个动作指令在机器人仿真中发挥着重要作用，促进工业领域自动化程度加深。pick指令主要用于模拟机器人在执行拾起作业时的行为。在ROBOGUIDE中，通过添加与之相应的被拾起工件，机器人便可以模拟对工件进行快速定位和拾取的动作。这一功能在自动化生产线上应用极其广泛，它确保了机器人在实际生产中能够准确、高效地拾取所需工件。而drop指令则用于模拟机器人在执行放置任务时的行为。机器人可以根据预设的程序，将拾取到的工件放置到指定位置，比如工作台和物料托盘等。在ROBOGUIDE仿真中，通过编写相应的放置程序，可以精确控制机器人的放置动作，从而确保工件在生产线上的准确传递和定位。ROBOGUIDE仿真程序中的pickup和drop指令不仅帮助工业生产提高了生产效率，还降低了对实际机器的依赖和试错成本，提高了实际生产的安全性。pickup和drop指令允许使用者在虚拟环境中对机器人的动作进行精确规划和测试，帮助本设计在虚拟环境中实现工件的分割动作。4.4TP程序的创建TP程序即示教器编程，在实际编程操作时依赖于示教器，是一种交互式的编程方式，可以通过直接移动机器人到指定的位置，并使用示教器上的按钮为机器人编程。在ROBOGUIDE的工程文件中，可以利用虚拟示教器或者轨迹自动规划功能的方法创建并编写机器人程序，实现真实机器人所要求的功能。编程者可以在不接触实际机器人及其工作环境的情况下，通过图形仿真技术模拟机器人的作业过程，验证编程的正确性。在这一过程中，机器人模型、工作环境、作业任务等均被数字化，编程结果通过三维图形动画仿真展示，以检验编程效果REF_Ref13977\r\h[14]。本设计对三个机器人控制器分别创建了能实现各个机器人控制器功能的TP程序，再通过外部设备I/O连接将三个机器人控制器的TP程序相互连接起来,实现整体的激光切割系统的生产操作。RobotController1中TP程序分为记录设备启动前的定位程序HOME，实现激光切割功能程序FPRG1和实现RobotController1完整功能与外部设备相互连接的主程序RSR0001。详细程序见附录。RobotController2程序下的TP程序分为记录设备启动前的定位程序HOME、实现上料功能程序MD1、实现下料功能程序MD2和RobotController2完整功能与外部设备相互连接的主程序RSR0001。详细程序见附录。HOME程序作为程序执行的起点，当机器人开始执行一系列任务时，它会首先从HOME点出发，按照预设的路径和动作进行运动，可以确保机器人在每次启动或重置后都能回到一个预设的、易于管理和控制的初始状态。RobotController3程序下的TP程序分为实现下料功能程序MD1和RobotController3完整功能与外部设备相互连接的主程序RSR0001。详细程序见附录。

激光切割系统调试与运行5.1激光切割系统调试过程本设计需要保证激光切割系统的功能实现在安全环境下，需要同过对机器人的各种测试对系统进行不断调试，其中，碰撞检测是确保机器人安全运行的关键技术之一。碰撞检测算法在仿真、计算机游戏、虚拟现实、图形学中得到广泛的应用，其主要目的是检测物体之间的碰撞或接触情况REF_Ref14013\r\hREF_Ref14013\r\h[15]。通过仿真中的碰撞测试，可以在不危及人员安全的情况下，验证机器人的避障能力和碰撞响应策略，从而在实际应用中减少事故发生的可能性。在实际生产环境中进行碰撞测试可能会导致机器人或设备的损坏，增加维修和更换成本。而仿真测试则可以在虚拟环境中进行多次迭代和优化，以最低的成本实现最佳的安全性能。如REF_Ref32730\h图STYLEREF1\s6.1所示，每个以机器人为中心的圆形区域代表的都是机器人的动作范围，所以在多个圆形区域重叠的部分可能会出现碰撞的情况。图STYLEREF1\s5.SEQ图\*ARABIC\s11机器人动作范围在设计激光切割系统前期，由于未考虑到碰撞问题，RobotController2机器人和RobotController3机器人下料作业时没有规划一个合理的安全距离，导致了RobotController3机器人并未进行对被切割物料的下料动作时RobotController2机器人已经到达对废料的下料工作点，发生了较为严重的碰撞。在经过多次调试后对路径进行了优化，在RobotController3机器人对被切割物料抓取并抬起到安全距离后，发送DO信号，这时，RobotController2机器人再进行上下料作业时就避免了碰撞问题，确保了上下料机器人安全、准确地完成作业。程序调整后如REF_Ref9877\h图STYLEREF1\s6.2所示：图STYLEREF1\s5.SEQ图\*ARABIC\s12RobotController3总程序RobotController3机器人调用Z1抓取程序后并未发送DO信号，而是将RobotController3机器人的末端执行器移动到P[4]点位，为RobotController2机器人和RobotController3机器人留出安全作业距离。图STYLEREF1\s5.SEQ图\*ARABIC\s13P[4]点位的位置信息5.2激光切割系统完整运行RobotController2上下料机器人将未切割物料放置吸附到吸盘抓手，将物料从存放区取出。图STYLEREF1\s5.SEQ图\*ARABIC\s14未切割物料放置吸附到吸盘抓手图STYLEREF1\s5.SEQ图\*ARABIC\s15取出物料RobotController2上下料机器人将未切割物料从吸盘抓手放置变位机，完成上料动作。图STYLEREF1\s5.SEQ图\*ARABIC\s16未切割物料放置变位机RobotController2上下料机器人上料完成后总程序中变位机运送程序开始执行，将未切割物料通过变位机运送到变位机[1]号点位，为RobotController1激光切割机器人的工作做准备。物料到达时，RobotController2上下料机器人会通过I/O信号告知RobotController1激光切割机器人物料已经到达变位机[1]号点位，可以开始作业。RobotController1激光切割机器人开始作业,同时RobotController2上下料机器人继续运行重复程序放置未切割物料，提高工作效率。RobotController1激光切割机器人开始工作：图STYLEREF1\s5.SEQ图\*ARABIC\s17RobotController1在HOME点图STYLEREF1\s5.SEQ图\*ARABIC\s18开始激光切割作业RobotController2上下料机器人同时开始上料：图STYLEREF1\s5.SEQ图\*ARABIC\s19双机器运行当RobotController1激光切割完成作业时，变位机会继续运作，将未切割物料运送到变位机[1]号点位，并且已切割物料运送到变位机[2]号点位，由RobotController2和RobotController3实现下料以及上料工作：变位机将未切割物料与已切割物料互换点位：图STYLEREF1\s5.SEQ图\*ARABIC\s110变位机运行RobotController3开始对已切割物料进行下料作业：图STYLEREF1\s5.SEQ图\*ARABIC\s111RobotController3下料作业RobotController3已切割物料从变位机取走的同时发出DO信号告诉RobotController2已切割物料下料作业结束，RobotController2开始下料作业：图STYLEREF1\s5.SEQ图\*ARABIC\s112RobotController2开始下料作业RobotController3将取下已切割物料放入存放区，且RobotController2取下废料：图STYLEREF1\s5.SEQ图\*ARABIC\s113RobotController3将物料放入存放区图STYLEREF1\s5.SEQ图\*ARABIC\s114RobotController2将废料放入存放区此时激光切割作业即将完成，RobotController2上下料机器人完成对废料的下料工作后继续进行未切割物料的上料工作：图STYLEREF1\s5.SEQ图\*ARABIC\s115RobotController2继续上料作业在RobotController2上下料机器人完成未切割物料上料作业后，变位机继续运作，各机器将重复运行，这是激光切割系统工作流程的完整仿真设计。5.3仿真概览使用ROBOGUIDE来设计激光切割系统过程中，我了解到发那科仿真软件强大的功能。ROBOGUIDE在机器人布局、动作模拟还有离线编程上都具备完整的功能，该软件功能齐全，操作便捷，为本设计带来很大帮助。本设计主要用到了ROBOGUIDE软件的WeldPRO模块。此模块专门用来做焊接、激光切割等工艺的仿真，为本设计提供了一个很精确的模拟环境。在仿真阶段，根据实际机器人做了相对应的虚拟仿真机器人工程文件。同时搭建与现场设备布局一模一样的虚拟工作场景。在ROBOGUIDE的三维模型里，能清楚地看到激光切割机器人和辅助设备的布局，这对后面的编程与调试工作特别有帮助。编程时，本设计使用ROBOGUIDE的虚拟示教器或轨迹自动规划来做激光切割机器人和上下料机器人的程序，让机器人能按需求作业。用ROBOGUIDE做仿真运行，能提前看到运行结果，检查程序的而可行性。检查程序的漏洞并进行及时的更正，对激光切割作业的系统程序进行优化。本次激光切割系统的设计从广泛查阅相关资料，深入学习激光切割技术的原理与应用到工具选型到以及完整的完成该系统的仿真，修改了几次机器人运动路径，选取方案中最合适的路径。不同材料和厚度的材料需要不同的工艺参数，且根据工件的重量应采用不同负荷能力的机器人。对不同方案进行仿真结果的分析和评估，根据评估结果对工艺参数进行调整和优化，通过不断的仿真优化，终于实现仿真可以对物料的快速、精准切割。在完成本次最终的设计后，我对工业机器人的了解和对ROBOGUIDE的掌握有了很大程度的进步。我认为ROBOGUIDE将在激光切割系统领域发挥更大的作用，为激光切割技术行业的发展添砖加瓦。

结语激光切割行业未来的发展目标主要集中在对切割效率的提升和增强智能化水平的方面，行业的需求可以推动激光切割技术创新。通过ROBOGUIDE对激光切割机器人设计一套完整的作业系统，对激光切割技术进行了深入的探索与实践，有助于了解激光切割行业的发展。本文对激光切割技术的研究背景和发展现状做了简要介绍，其次，通过对激光切割技术原理的分析引申出本设计的思路是将激光切割技术和工业机器人融合，设计一套完整的激光切割系统并实现该系统能自主切割的功能。对激光切割生产线的发展以及激光切割机器人作业的工艺流程进行详细了解后，进行被切割物料模型的搭建以及机器人的选型。而后，利用ROBOGUIDE仿真软件完成了对激光切割系统工作站的搭建