毕业设计机器人应用于去打磨毕业设计论文.docx

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毕业设计机器人应用于去打磨毕业设计论文

摘要

本文主要介绍了自动去毛刺系统以及六自由度机器人去毛刺的编程，可应用与当今工业各类汽车轮毂设备的去毛刺，在现实制造加工可以得到广泛，达到解放生产工人的目的，具有很好的发展前景。

根据自动去毛刺系统的设计和机器人编程设计两个方面，本课题可分为加工平台设计部分、控制系统规划部分、以及机器人编程三个部分进行设计和控制。

首先，整体介绍加工工作站的设计方案，通过分析比较确定工作站的具体安排。

其次，设计加工平台的运动控制系统，用step7绘制出系统控制的梯形图，完成机械及电路的装配。

最后，研究ABB工业机器人的编程原理，利用示教编程器Flexpendant和离线编程软件RobotStudio对机器人路径进行编程。

同时，对汽车轮毂去毛刺工艺与轨迹进行研究，并对轮毂局部位置打磨进行编程举例。

关键词：

工业机器人，去毛刺，控制系统，离线编程

Abstract

Thispapermainlyintroducestheautomaticdeburringsystemandsixdegreeoffreedomroboticdeburringprogramming,applicationandindustrytodayofallkindsofautomobilehubequipmentofdeburring,inrealmanufacturingandprocessingcanbewidely,toliberatethepurposeofproductionworkers,haveverygooddevelopmentprospect. Accordingtoautomaticdeburringsystemdesignofrobotprogrammingdesignintwoaspects,thispaperisdividedintotheprocessingplatformdesign,controlsystemplanning,androbotprogrammingthreepartdesignandcontrol. First,theoverallintroductionofthedesignoftheworkstationdesign,throughtheanalysisofthespecificarrangementsfortheworkstation. Secondly,themotioncontrolsystemofthedesignplatformisdesigned,andtheladderdiagramofthesystemcontrolledbystep7isplotted,andtheassemblyofthemachineandcircuitisfinished..Finally,programmingprincipleofABBindustrialrobots,usingteachingprogrammerFlexpendantandoff-lineprogrammingsoftwarerobotstudiotoprogramtherobot'spath. Atthesametime,theresearchontheburrprocessandtrackofthewheelhubiscarriedout,andthelocalpositionofwheelhubisalsoprogrammedforexample..

Keywords:

industrialrobot,goburr,controlsystem,off-lineprogramming

1绪论1

1.1引言1

1.2工业机器人应用概述2

1.2.1工业机器人在国外的运用现状2

1.2.2工业机器人在国内的运用现状3

1.2.3工业机器人的应用前景4

1.3开发汽车轮毂工业机器人自动化加工系统的意义5

1.3.1汽车轮毂加工发展历史5

1.3.2本课题的研究意义6

1.4论文构成及研究内容7

2汽车轮毂去毛刺系统的总体设计8

2.1系统整体任务8

2.2机器人工作站的方案设计9

2.2.1汽车轮毂的生产过程10

2.2.2机器人工作站的组成和配置11

2.2.3机器人的选型及其功能介绍12

2.3主控系统的方案设计14

2.3.1PLC控制器的概述及选型15

2.3.2PLC控制器编程语言16

2.3.3PLC工作程序及说明18

3机器人加工程序设计18

3.1工业机器人的控制程序19

3.1.1机器人的编程方式20

3.1.2ABB机器人的编程语言RAPID21

3.2机器人去毛刺系统工作程序22

3.2.1机器人加工主程序24

3.2.2机器人加工子程序25

3.2.3机器人调速程序26

4轮毂加工系统中力控制方案运用27

4.1力控制技术在工业机器人系统中运用的目的27

4.2力控制方案在本系统中的选择27

4.3力控制在本系统中的具体运用27

4.3.1力传感器的功能及其选型28

4.3.2机器人加与力传感器的配合29

4.3.3加工过程力控制的程序实现30

5总结48

参考文献49

致谢50

1绪论

1.1引言

自工业革命以来，人力劳动已经逐渐被机械所取代，而这种变革为人类社会创造出巨大的财富，极大地推动了人类社会的进步。

工业机器人的出现则是人类在利用机械进行社会生产史上的一个里程碑。

在发达国家中，工业机器人自动化生产线成套设备已成为自动化装备的主流及未来的发展方向。

工业机器人是集机械、电子、控制、计算机、传感器、人工智能等多学科先进技术于一体的现代制造业重要的自动化装备，它涉及机械工程学、电气工程学、微电子工程学、计算机工程学、控制工程学、信息传感工程学、声学工程学、仿生学以及人工智能工程学等多门尖端学科。

工业机器人是机器人学的一个分支，可以说它代表了机电一体化的最高成就。

近年来，为了跟上市场越来越快的变化速度，增强市场竞争力，产品的规格和品种不断变化，更新速度不断加快，这都需要有能达到更高要求自动化程度和柔性化程度的生产设备。

想要提高工厂的生产率、产品质量、可靠性、加工柔性和制造精度就需要开发适合工厂生产的机器人柔性工作站。

本课题就是针对以上现状，结合工厂实际需求，以ABB机器人为基础，运用简单的力控制技术开发柔性机加工系统。

1.2工业机器人应用概述

1.2.1工业机器人在国外的应用现状

在国外，工业机器人技术日趋成熟，已经成为一种标准设备被工业界广泛应用。

从而，相继形成了一批具有影响力的、著名的工业机器人公司，它们包括：

瑞典的ABB Robotics，日本的FANUC、Yaskawa，德国的KUKA Roboter，美国的AdeptTechnology、AmericanRobot、EmersonIndustrialAutomation、S-TRobotics，意大利COMAU，英国的AutoTechRobotics，加拿大的JcdInternationalRobotics，以色列的RobogroupTek公司，这些公司已经成为其所在地区的支柱性产业。

纵观世界各国在发展工业机器人产业过程，可归纳为三种不同的发展模式，即日本模式、欧洲模式和美国模式：

1、日本模式

此种模式的特点是：

各司其职，分层面完成交钥匙工程。

即机器人制造厂商以开发新型机器人和批量生产优质产品为主要目标，并由其子公司或社会上的工程公司来设计制造各行业所需要的机器人成套系统，并完成交钥匙工程；

2、欧洲模式

此种模式的特点是：

一揽子交钥匙工程。

即机器人的生产和用户所需要的系统设计制造，全部由机器人制造厂商自己完成；

3、美国模式

此种模式的特点是：

采购与成套设计相结合。

美国国内基本上不生产普通的工业机器人，企业需要时机器人通常由工程公司进口，再自行设计、制造配套的外围设备，完成交钥匙工程。

1.2.2工业机器人在国内的应用现状

目前，我国人口红利正在逐渐消失，机器人技术开发和实现人工替代将是大势所趋。

长期以来，由于机器人成本较高而劳动力价格相对低廉，我国大部分制造业主要是劳动密集型企业。

随着经济的持续快速发展，我国正从劳动密集型向现代化制造业方向转型，振兴制造业、实现工业化是我国经济发展的重要任务。

作为先进制造业中不可替代的重要装备和手段，工业机器人的应用和普及自然成为企业较理想的选择。

　　工业机器人已广泛应用于汽车及汽车零部件制造业、机械加工行业、电子电气行业、橡胶及塑料工业、食品工业、木材与家具制造业等领域中;并开始扩大到国防军事、医疗卫生、生活服务等领域，如无人侦察机、警备机器人、医疗机器人、家政服务机器人等均有应用实例，当前我国工业机器人产业已初具规模。

　　随着人工成本的上涨、工作环境的改变、人口老龄化和多元化的市场竞争，各企业面临着重重压力。

工业机器人产业是一个快速成长中的新兴产业，将对未来生产和社会发展起越来越重要的作用。

我国工业机器人市场规模正在不断增长，已成为世界上增长最快的市场。

具体看来，中国则保持着35%的高增长率，远高于德国的9%、韩国的8%和日本的6%。

其中，汽车、电子产品、冶金、化工塑料、橡胶等行业是中国使用机器人最多的几个行业，未来几年，随着行业的需要和劳动力成本的不断提高，中国机器人市场增长潜力会非常巨大。

然而，值得提出的是，我国工业机器人发展应用依然面临诸多挑战，与发达国家相比，整体产业水平仍存在较大差距，具体表现在一下两方面：

首先是尽管我国已基本掌握了工业机器人相关知识，如本体设计制造技术、控制系统硬件和软件设计技术、运动学和轨迹规划技术等，但工业机器人的生产规模仍然不大，多数是单件小批生产，质量和可靠性也不稳定，仅相当于国外上世纪90年代中期水平，产品性价比低。

然后是在伺服电机、精密减速器、伺服驱动器、控制器等关键核心部件上长期依赖于国外进口。

因此，机器人核心零部件国产化迫在眉睫。

一旦这些关键零部件实现国产化，平均成本可降低30%，则机器人单机制造成本至少降低20%。

1.2.3工业机器人的应用前景

工业机器人在许多生产领域的使用实践证明，它在提高生产自动化水平，提高劳动生产率和产品质量以及经济效益，改善工人劳动条件等方面，有着令世人瞩目的作用，引起了世界各国和社会各层人士的广泛关注。

在新的世纪，机器人工业必将得到更加快速的发展和更加广泛的应用。

　　随着工业机器人向更深更广方向的发展以及机器人智能化水平的提高，机器人的应用范周还在不断地扩大，已从汽车制造业推广到其他制造业，进而推广到诸如采矿机器人、建筑业机器人以及水电系统维护维修机器人等各种非制造行业。

此外，在国防军事、医疗卫生、生活服务等领域机器人的应用也越来越多，如无人侦察机（飞行器）、警备机器人、医疗机器人、家政服务机器人等均有应用实例。

机器人正在为提高人类的生活质量发挥着重要的作用。

鉴于此，工业机器人可以说是节约劳动生产力，提高产量的尤物，是人类机械化提高的一个重要标志，工业机器人的未来发展是十分乐观的。

1.3开发汽车轮毂工业机器人自动化加工系统的意义

1.3.1汽车轮毂加工发展史

轮毂，其字面含义是指车轮的中心装轴部分，俗称“轴头”，通过轮毂轴承而安装在车桥套管外面的壳形回转件。

它是通过半轴螺栓（对于驱动桥而言）和车轮轮辋法兰螺母将半轴的转动力矩传给车轮的零件。

而现代意义的轮毂是指车轮除轮胎之外所有的部分，包括了轮辋、轮辐及附属装饰件等等。

虽然现在的车轮是由轮毂和轮胎组成，两者互不可缺，但实际上，轮毂的发展历史要比轮胎要早的多。

在制作轮胎的必须材料：

橡胶没有诞生之前，轮毂早已经诞生。

早期的马车车轮由于没有轮胎，其车轮一般有三大部分组成：

轮毂、轮辋和轮辐。

此时的轮毂还只是车轮中的一个部件，和轮辋和轮辐并列。

而世界上第一辆汽车得车轮继承了马车车轮的结构形式，采用了密密麻麻的辐条。

此时的汽车车轮镇南关，车轮轮毂、轮辋和轮辐的概念都是非常明确的，并不像现在我们所说的轮毂这样包括了轮胎和车轴之间的整个部分。

其中，轮辋是指紧贴胎唇的部分，轮毂是指套在车轴外层的部分，而轮辐辐条呈放射状由轮毂发散到轮辋，将轮毂和轮辋连接在一起。

此时的轮辋，轮毂，辐条，三者是可分离的，并不是一体的。

随着科技进步、工业发展，汽车轮胎开始出现，而到了19世纪末20世纪初，轮辋、轮毂、辐条开始通过铸造工艺，已经合为一体。

此时，虽然轮毂、轮辋和轮辐在形式上还是很明显的存在，但在结构上已经合为一体，不可分割了。

此后不久，我们非常熟悉的钢（铁）轮毂出现，最先的钢轮毂是全裸的，看起来非常的沉重和朴实，样子也有点丑。

而到了20世纪30年代，德国人将钢制辐条与铝质轧制轮辋相结合的车轮装载气车上，铝制轮毂开始出现，也为铝合金车轮的发展奠定了基础。

二战后，铝合金轮毂开始在普通汽车上得到应用。

随着机械加工工业的发展，1958年，出现了整体铸造的铝合金轮毂，此后不久又有了锻造的铝合金轮毂。

同时，随着汽车工业蓬勃发展，铝合金轮毂越来越普及。

而伴随着机械成型技术的发展以及人们对汽车的外观的要求越来越高，在80年代，极纤细网眼的轮毂极为流行。

而现在汽车轮毂所追求的三维立体造型的轮毂在90年代开始浮出水面。

到现在，汽车轮毂越做越轻，款式越来越多，越来越美观，人们对轮毂的款型的不断追求达到了完美的极致。

现在，轮毂也已经成为区别车型高低的一个很明显的客观指标。

高端车或者高配车型一般全部用铝合金轮毂，低档或者低配车型的则大都使用钢制轮毂。

1.3.2本课题的研究意义

随着汽车产业的高速发展，扮演汽车双脚角色的汽车轮毂也得到有力的进步，铝合金轮毂渐渐成为了汽车轮毂的主流，而这一切又要归功于制造工艺的进步。

目前整体式汽车铝轮毂的成形工艺分为金属型重力铸造、低压铸造、挤压铸造、锻造工艺、旋压工艺。

其中的低压铸造是近年来国际上的主流工艺，据统计，汽车铝轮毂总产量的大部分是用A356铝合金低压永久模铸造的，其余采用金属型重力铸造、挤压铸造和锻造工艺技术生产。

低压铸造具有生产效率高、铸件组织致密、自动化程度高等特点，可满足汽车铝轮毂的严格的性能要求。

虽然铝合金低压铸造轮毂有很多优点,但在生产中由于铝合金低压铸造轮毂的生产特点,它是采用模具一次性压铸而成。

产品的体积比较大,相对来说模具也很大,另外由于铝合金溶液在模具中冷却成固体,模具在生产过程中需要不停地承受很大的温度变化及压力。

在目前的模具材料及模具加工生产水平下,生产出来的产品不可避免的会有各种毛刺。

由于汽车轮毂产品毛坯形状相对比较复杂,而且毛刺分布的部位也很广。

目前,很多轮毂生产厂家采用人工加一些手动工具来去除,工人的劳动强度大,动作单一。

另外,由于加工时会产生铝粉尘，由呼吸道以及皮肤渗入工人的身体会对工人的健康产生很大伤害，甚至久而久之恶化为尘肺病。

而如果采用工业机器人来代替人工的劳动,明显有很多的好处。

因此，本课题针对实际应用的要求，对工业机器人自动化加工系统做了深入的研究，为加工系统的总体设计方案及应用工程的实施细节提供较为详实的资料。

1.4论文构成及研究内容

本课题是在结合实际生产要求的基础上进行的，需要解决很多现实生产中遇到的问题，因此课题研究的大部分内容都是有关于工业机器人在实际生产中应用方面的。

其中主要的内容有以下几点：

一、自动化机器人加工系统总体方案的确立：

根据实际的生产环境及对自动化程度的要求和目标进行综合考虑，确定一套最合适及最完整的解决方案。

二、自动化机器人加工系统的外部硬件设计：

外部硬件设计主要是在配合机器人已有的控制箱和设备的基础上，对附加部分的硬件进行选型及其外围电路的常规设计，其中包括系统周边设备的选型和设计、各设备间通讯的接口设计、机器人简单力控制的设计等等。

三、自动化机器人加工系统的软件设计：

软件设计涉及两个部分，其一是整个机器人加工系统的PLC控制程序设计，用以完成机器人与周边设备的逻辑控制。

其二是工业机器人加工路径程序化设计，使其能够依据工件的外形进行加工。

四、为标准的机器人控制箱添加组件：

增加机器人的数字输入输出卡，用于控制电动锉刀的加工力。

2汽车轮毂去毛刺系统的总体设计

2.1系统整体任务

本系统的任务是使用一台工业机器人，再与相应的周边设备相配合，设计一套用于汽车轮毂去毛刺的自动化加工系统。

其目标是在保证产品质量和生产效率的基础上减轻工人的劳动强度。

据了解，目前我国在汽车轮毂去毛刺生产中很多都采用熟练工人通过电、气动研磨工具手工进行抛光，如图2.1所示。

人工去毛刺工作过程中工人的劳动强度大，加工效率低，每个熟练工人给一个轮毂去毛刺大概需要20分钟，轮毂的生产企业不得不雇佣大量的劳动力专门用于轮毂的抛光加工，月产两万支轮毂的生产企业，在轮毂的去毛刺这道工序上就需雇佣约30个工人，而近两年出现的“用工荒”，使企业越来越难招到足够的加工工人。

图2.1人工汽车轮毂去毛刺

本系统以月产两万支轮毂的生产企业为依据，按每月工作24天，每天三班工作制，每班工作8小时来算，则系统的生产节拍需满足公式（2-1）的时间要求。

这是加工系统周边设备配置方式及选型的一个重要依据。

（2-1）

因此，本系统将生产的节拍要求确定为2分钟/个。

2.2机器人工作站的方案设计

2.2.1汽车轮毂生产过程

汽车铝轮毂的最主要的生产工艺流程是：

熔化→精炼→材料检验→低压铸造→X射线探伤→热处理→机械加工→动平衡检验→气密性检验→涂装，而轮毂的去毛刺加工工序属于其中的机械加工流程。

在进入本系统加工流程之前，轮毂需先进行材料融化、精炼、低压铸造、热处理等主要加工流程：

1、熔化

根据客户的需求准备铝合金，如A356.2等；用油炉或者电炉熔化，如图2.2所示，铝液温度780～800℃左右。

使用油炉的优点是投资少、能耗低，缺点是速度慢，金属烧损严重；而选用电炉（中频炉）的优点是电磁搅拌成分与温度均匀，熔体暴露面小，熔化速度快，缺点是投资高、能耗大。

2、精炼

铝液到达一定温度后，添加Al-Ti-B和Al-Sr变质剂进行变质处理，再用Ar气或者N2气除气。

除气后对铝液进行化学分析和含气量分析，到达要求后倒入铸造机保温炉，保温炉中铝液温度一般为680～750℃左右。

3、低压铸造

先用石油液化气对模具进行预热，预热温度为350℃左右，再将保温炉中铝液倒入模具中。

冲型-保压-卸压过程是PLC控制的，过程参数没个厂家根据自身配方而定。

模具的冷却一般有三种方法：

一是空冷；二是水冷；三是复合（水、气）冷，冷却水量、水温等的调节也是根据各厂而定的。

4、热处理

轮毂毛坯一般是在隧道式热处理炉中进行热处理，热处理过程可以分为以下几个步骤:

①固熔处理：

温度528～535℃左右，时间6.5小时；

②淬火：

从固熔炉出来后在20秒内淬火，淬火介质为水，温度为70℃；

③析出：

淬火后的轮毂进行人工析出（人工时效），温度155～179℃左右，时间5小时左右。

通过检查抗拉强度、延伸率、硬度和组织状态确认热处理的效果。

图2.2铸造生产现场

如下图2.3和2.4是两种不同规格的汽车轮毂压铸毛坯图片：

图2.3汽车轮毂毛坯照片1

图2.4汽车轮毂毛坯照片2

2.2.2机器人工作站的组成和配置

由于铝合金压铸汽车轮毂的生产特点，它通常是采用模具一次性压铸而成。

产品的体积相对比较大，因此说模具也相对较大，另外因为铝合金溶液在模具中冷凝成固体，模具在轮毂的生产过程中需要不断地承受很大的温度变化和很大的压力。

在目前的模具材料和模具加工生产水平下，生产出来的轮毂不可避免的会出现各种毛刺。

除了一些毛刺是为了确保产品不会有气孔等而在模具设计时故意留的，另外一些则完是因为模具的加工水平或模具的使用一段时间后材料表面损坏而产生的。

以下是梯级毛坯各个位置上的需要加工的的一些毛刺照片。

图2.5轮毂毛刺照片1图2.6轮毂毛刺照片2

图2.7轮毂毛刺照片3图2.8轮毂毛刺照片4

从上图汽车轮毂上的毛刺分布可以看出，本工作站需要对轮毂的大部分边缘进行去毛刺，因此本工作站除了工业机器人本体及机器人控制柜外还需要一个可以180°可控制旋转的工作台，另外本工作站还需要一个用于控制工作流程及用于力控制的PLC控制柜。

本工作站的具体配置如下图2.9：

图2.9机器人工作站

2.2.3机器人的选型及其功能介绍

机器人是机器人去毛刺工作站的核心,机器人应尽可能选用标准通用机器人。

目前国内使用数量比较多的是德国的库卡机器人及欧洲ABB公司的机器人,经多方比较,最终决定采用ABB公司的IRB4600系列机器人,其机器人控制器为IRC5,属于可编程示教再现式通用机器人。

IRB4600系列机器人是采用交流伺服电机驱动的6自由度通用型机器人，根据其有效载荷的大小可以分为四种不同型号，从IRB4600-60/2.05到IRB4600-20/2.50。

我们需要加工的各种规格的汽车轮毂过程中,还需要在机器人的法兰盘上装上毛刺打磨机,按照我们的设计,打磨机重量约为10KG。

这样一来,我们就需要选择一台机器人的最大有效负荷必须大于10KG。

当然,考虑到这个载荷是静载荷,而在实际的加工中,会有冲击、震动等因素存在,因此还需要考虑一些安全余量,本系统中我们选3倍的安全系数,因此系统中选择的工业机器人的有效载荷要大于30KG。

综合考虑机器人的有效荷载和工作扭矩，对照ABB公司IRB4600系列机器人的参数，我们最终选择了IRB4600-40/2.55这个版本的机器人。

IRB4600系列机器人是由六个转轴组成的空间六杆开链机构，理论上可达到运动范围内空间任何一点。

机器人的六个转轴均由AC伺服电机驱动，每个电机后均有编码器。

每个转轴均带有一个齿轮箱，机械臂运动精度（综合）达正负0.05mm至正负0.2mm。

此外，机械臂上带有串口测试板（SMB），测试板带有六节充电的镍镉电池，起保存数据作用。

机器人六个关节中的上部三个关节组成了类似手腕的结构,而下部三个关节主要确定手腕的位置。

该机器人在实际工作中首先需要测量出运动的轴线,在工作程序中,可以设定各种轴线,再需要的时候,就可以选择合适的轴线来进行点或线的运动。

即位姿控制。

机器人进行直线或圆弧运动就是控制点的运动轨迹。

实际上为了实现位姿控制,甚至只是姿态变化,也往往要求机器人的6个轴同时协调动作。

此外,对机器人的动作还有速度控制。

这几方面的综合控制就满足了搬运的动作要求。

该机器人的每个轴都由伺服电机驱动谐波减速器或RV减速器来驱动,伺服电机可分别按指令要求的速度、加速度、转角进行运动。

下面是IRB4600系列工业机器人的一些基本参数图表：

表2.1IRB4600系列机器人参数

图2.8IRB4600系列机器人实物图

图2.9IRB4600系列机器人六轴分布

图2.10IRB4600-20/2.50型机器人工作范围

IRC5控制器主要由主控、伺服驱动、输入/输出接口、内置逻