基于六軸工業(yè)機器人的焊接工作站設計-畢業(yè)論文

AbstractThisgraduationprojectisbasedonthedesignofsix-axisindustrialrobotweldingworkstation，includingtheanalysisofrobotweldingtechnology.TheweldingworkstationsystemofindustrialrobotconsistsofABBrobotbody，IRC5robotcontroller，PanasonicfullydigitalcontrolCO2/MAGweldingmachineandapneumaticweldingfixture.Inthesystemdesign，theworkingprogramofweldingrobotiscompiled.RobotStudioistheRobotsimulationsoftwareofABBCompany.ItusesRobotStudiotobuildavirtualworkstationandmakesimulationvalidationfortheworkstation.Mastertheknowledgerelatedtoindustrialrobots，suchasthree-dimensionalmodeling，off-lineprogramming，programtuning.Keywords:Weldingworkstation；Six-axisrobot；Pneumaticweldingfixture；RobotStudiosimulation目錄摘要 IAbstract II第一章緒論 11.1課題的選題背景與意義 11.2國內外發(fā)展概況 21.3本文主要研究內容 3第二章六軸機器人焊接工作站的整體設計 42.1機器人焊接工作站的大體概述 42.2基于RobotStudio工業(yè)機器人焊接的虛擬工作站 42.2.1RobotStudio仿真軟件概述 52.2.2機器人工作站的虛擬建立過程 52.3焊接的對象 62.3.1焊接的分類 62.3.2焊接的工件與工作臺 62.4焊接工藝分析 72.5焊接電壓與電流 82.6焊接的夾具 92.7夾具氣缸的選型與計算 112.8機器人的焊接工作站的組成 122.9本章小結 12第三章焊接控制系統(tǒng)的設計 143.1ABB機器人系統(tǒng)的簡介 143.2機器人焊接系統(tǒng)的硬件設計 143.3機器人焊接工作站系統(tǒng)軟件設計 183.3.1ABB機器人焊接工作站與PLC通訊設計 183.3.2PLC控制系統(tǒng)程序 193.3.3ABB機器人焊接工作站的程序 213.4章節(jié)小結 24第四章焊接工作站仿真與測試 254.1焊接工作站的建立 254.1.1夾具、工作臺的結構設計 264.1.2虛擬工作站建立 274.2工作站仿真 304.3工作站測試 324.4章節(jié)小結 33結論 34參考文獻 35致謝 36第一章緒論華南理工大學廣州學院本科畢業(yè)設計（論文）緒論1.1課題的選題背景與意義因為現(xiàn)代化工業(yè)的發(fā)展迅速，工業(yè)4.0的呼聲也越來越大，工業(yè)機器人在也逐漸的進入人們的生活，而且涉及的領域較多，譬如服務業(yè)、重工業(yè)、生產業(yè)等行業(yè)，而且就目前而言，涉及的范圍只會越來越廣，而人們也只會更離不開工業(yè)機器人，而工業(yè)機器人之所以可以如此快的滲入人們的生活，主要因為其有著許多的優(yōu)勢：工業(yè)機器人的引入能夠增加工業(yè)生產的自動化能力，在工廠的生產過程里面，工業(yè)機器人可以代替人工從而高效地完成各項工作流程，而且完成的質量并不亞于手工完成，甚至還可以做許多人工無法完成的工作，這樣可以提高工作效率。工業(yè)機器人的引入還能夠改善人民的工作條件，可以避免在高危的工作環(huán)境下進行工作，讓這些工作全部讓工業(yè)機器人代替，從而減小高危事故的發(fā)生，使得工作更為人性化。工業(yè)機器人的技術的不斷發(fā)展進步，也使得其在各項領域已經發(fā)揮了不可替代的作用，可以實現(xiàn)智能無人化的生產管理工作?，F(xiàn)在的企業(yè)轉型上尋找新的出路，實現(xiàn)了從純人工轉變?yōu)榘胱詣踊l(fā)展，再從半自動化轉變?yōu)槿詣踊囊粋€發(fā)展過程。而工業(yè)機器人的應用正好迎合了企業(yè)的需求，解決了問題的同時還提升了經濟效益和社會效益。當下來說，工業(yè)機器人上應用較多的就是六軸工業(yè)機器人，因為它的自由度較多，使用起來比較靈活，在工業(yè)上使用比較方便，常用的有用于焊接的機器人、用于打磨的機器人、用于搬運的機器人等。焊接是高強度復雜的體力勞動，并且在精度和準確度上要求比較高，焊接機器人的應用，對工人和生產得到解放和提升，越來越多的機械企業(yè)都采用焊接機器人來代替人工進行焊接加工提高生產率壓縮生產成本的同時也大大提高了產品的質量，獲得良好的經濟社會效益。利用六軸機器人的特點配合成熟的焊接技術，將成為現(xiàn)代先進自動化發(fā)展的方向之一。1.2國內外發(fā)展概況現(xiàn)在，自動化已經成為工業(yè)發(fā)展方向標，六軸機器人在自動化設備上應用是重要的一環(huán)，市場上對于六軸工業(yè)機器人的需求更是日漸增長，在這樣的情況下，六軸機器人的投資前景可期，在焊接上的應用不斷增加。隨著工業(yè)機器人技術的提升，在各個領域的實際應用上六軸機器人也可以做到比較小的誤差，而且完成效果較好。這樣一來，便可以代替了許多人為的勞動力，并提高了工作的效率，也提高了生產過程中的無人化程度，也減小了許多高危情況的發(fā)生。汽車行業(yè)、五金加工、食品行業(yè)、電子行業(yè)等行業(yè)上的應用不斷增加提高。當今社會上的頂尖六軸機器人程序化動作的實現(xiàn)可以通過人工智能技術來支撐。六軸機器人的智能化領域涵蓋了很多方面，包括智能焊接的實現(xiàn)、程序式噴涂的應用、自動化搬運的使用、零件的自動裝配等等，它們的工作都具備著同樣的特點：快速準確與有效持久。在使用六軸機器人可以帶來一系列改進的好處，因為它除了可以保證產品的質量以及提升在日常加工生產中的工作效率，還可以把設計成本相對降低，減少人工操作導致不良品的風險。機器人有能力去執(zhí)行并完成各項任務，在面對高風險的任務時能力尤為突出，相比傳統(tǒng)的自動化過程要更加領先。六軸關節(jié)機器人相關技術的拓展與發(fā)展為下游應用給予具有可靠穩(wěn)定性的機器人產品，極大地滿足標準化下游的加工生產。六軸關節(jié)機器人的應用是如今六軸機器人技術的研究發(fā)明程度以及我國產業(yè)結構所決定，我國的產業(yè)結構也影響了人文應用和工業(yè)的發(fā)展程度。眼看著歐美科技先進地區(qū)對智能化生產的改革與技術提升，自動化生產線的自動化程度越來越高，所以在近些年來我國在發(fā)展中時刻繼續(xù)提倡產業(yè)結構調整和推進優(yōu)化升級，其中在投資自動化設備方面不斷上漲，在很大程度上滿足了產業(yè)線的需要。但在機器人發(fā)展研究方面，中國比起歐美發(fā)達國家確實是起步比較晚，在機器人方面的人才也是相對比較缺乏，這些原因是約束著我國機器人產業(yè)發(fā)展的最重要的原因之一。所以我國在《中國制造2025計劃》中將機器人產業(yè)技術作為先進的課題，期望著中國在機器人研究方面能夠在世界的機器人技術平臺上一展拳腳。查找相關資料得知在世界機器人研討大會中國際聯(lián)盟的主席發(fā)表說到，到達2015年時，工業(yè)機器人的年供應量會逐年遞增，早在2014年的年增長就達到了2300萬，并在機械的行業(yè)中以兩位數的百分比穩(wěn)定增加。在相關報告中也了解到亞洲使用機器人的廣泛程度，多達百分之五十六，是世界上使用機器人最多的地區(qū)，我國也不例外。但由于相對使用密度比較小，因此在發(fā)展和運用機器人技術方面有著很大的提升空間。根據報道，在2018年，在全國已成功建立三十多個機器人產業(yè)園，分布在自治區(qū)、沿海省、直轄市等，全面展開國產化代替方案，在工業(yè)機器人的銷售銷量方面也大大提高，成為世界最大的工業(yè)機器人市場。1.3本文主要研究內容隨著工業(yè)機器人技術的提升，在各個領域的實際應用上六軸機器人也可以做到比較小的誤差，而且完成效果較好。工業(yè)機器人主要是可以模擬類似于人類手部動作，從而完成一系列的工作，實現(xiàn)生產過程中的自動化和智能無人化。工業(yè)機器人在生產中的普遍應用，很大程度上解放了工人勞動力，越來越多的機械企業(yè)都采用焊接機器人來代替人工進行焊接加工提高生產率壓縮生產成本的同時也大大提高了產品的質量，獲得良好的經濟社會效益。利用六軸機器人的特點配合成熟的焊接技術，將成為現(xiàn)代先進自動化發(fā)展的方向之一。1.利用RobotStudio完成焊接工作站的總體方案設計；2.利用SLDWORKS完成工業(yè)機器人焊接夾具的設計；3.利用RobotStudio完成工業(yè)機器人焊接工作站控制系統(tǒng)的設計；4.利用RobotStudio完成焊接工作的的仿真設計軟件進行模擬測試。

第二章六軸機器人焊接工作站的整體設計2.1機器人焊接工作站的大體概述機器人焊接是當下很普及的一種技術，而要做到機器人焊接，還需要設計對應的焊接工作臺，從而完成一系列的焊接工作。假如我們采用普通的手工焊接，不但成本很高，而且效率不高，質量也難以保證，而機器人焊接可以完美解決這些問題，是工廠長遠發(fā)展方向。機器人焊接對于產品焊接質量的保證有質的提高，次品少了相應的成本就提高了，最重要的是能夠改善工人的工作環(huán)境，提高工作質量。毫不夸張的說，機器人焊接技術的體現(xiàn)一個國家機器人技術好壞重要指標，因此如今無論是國內外都開售大量的使用焊接機器人，并不斷的被接受采納，也在工廠的改造方案上機械人焊接被工廠作為首選。六軸機器人末端法蘭上安裝上各種焊槍或者焊鉗的工業(yè)機器人叫作焊接機器人。六軸機器人的控制運動系統(tǒng)觸及很大內容，如自動控制理論、運動學、數學等。六軸機器人焊接，只有一臺機器人是不能實現(xiàn)的，還需要必要的外圍設備共同組成焊接的工作臺。常見的焊接機器人工作臺主要由以五個部分組合而成：1、機器人的本體，機器人一共有六條軸，每個軸就像是一個關節(jié)，由伺服電機連接驅動，組成類似于人類機械手臂、關節(jié)的形狀，此外還有傳動機構帶動各個關節(jié)的運動；2、機器人的控制柜，控制柜類似于人類的大腦，是機器人整個系統(tǒng)的控制中樞，由系統(tǒng)硬件、軟件和電路組成，主要對機器人運動的算法進行編寫，并且搭建各個模塊的電路，使得機器人能夠按照程序正常運行；3、焊接機器人的電源模塊，主要由電源、焊槍組成；4、焊接傳感器及系統(tǒng)安全保護設施；5、焊接工裝夾具。2.2基于RobotStudio工業(yè)機器人焊接的虛擬工作站2.2.1RobotStudio仿真軟件概述RobotStudio是ABB公司推出的一款高效的仿真軟件，主要用于機器人仿真。而虛擬工作站則可以在這個軟件中實現(xiàn)虛擬仿真，可以使人們在設計過程中在線不斷調試發(fā)展，以便及時發(fā)現(xiàn)問題，不斷的修改，從而降低設計時間和成本。此外，該軟件還可以對機器人的運動軌跡進行離線脫機的編程，效率極高，對于設計整體的效率以及降低總成本來說是有著很好的優(yōu)勢，可以給人們更好的解決方案。在設計過程中，該軟件操作也十分方便，可以自動在界面上創(chuàng)建文本，用來編輯機器人運動軌跡的程序，進行仿真測試，此外還能夠編輯各種數據的文件，用來完成示教的功能。2.2.2機器人工作站的虛擬建立過程虛擬機器人工作站主要包括選擇合適的工業(yè)機器人和對機器人參數進行正確的設定；其次則是要對工業(yè)機器人需要用到的工具進行選擇，主要有焊槍、工作臺、工件等工具。因為RobotStudio沒有自帶夾具模型，夾具要使用SolidWorks建模軟件建模。虛擬焊接機器人工作站如圖2-1所示。圖2-1虛擬焊接機器人工作站2.3焊接的對象2.3.1焊接的分類在分類焊接類型時候，主要是從加熱方式和熔煉的方式兩個方面來區(qū)別，大致可以分為以下三種類型：一、氣焊兩種氣體混合燃燒產生高溫火焰，用高溫的火焰來熔化焊件和焊條。二、電弧焊在生產應用當中，電弧焊是使用較多的一種焊接技術。通常，電弧可通過兩種方法產生。一、在金屬電焊條和金屬材料之間產生電弧，焊接過程中焊條逐漸熔化，焊條提供填充材料從而將金屬結合部分填滿。二、在工件材料和一個非消耗性的鎢極之間產生電弧，因為鎢極的熔點比電弧溫度要高，所以填充材料需要另行提供。三、電渣焊電渣焊是利用電阻熱來熔化金屬，電阻熱由電流通過熔渣所產生的。2.3.2焊接的工件與工作臺本次設計采用二氧化碳氣體保護焊。二氧化碳氣體保護焊適用使用范圍：大多數的鋼材料，而資料上也有標準嚴格規(guī)定了這些材料的在使用二氧化碳氣體保護焊時的基本操作要求，在使用過程中要嚴格按照該標準來操作。如表2-1。表2-1常用氣體保護焊鋼材與焊絲的選用鋼材類別鋼號焊接材料的選用保護氣體焊絲碳鋼及低合金鋼Q235CO2ER49-1Q255ER50-1Q275ER50-415#YJ502-120#YJ502-1中碳鋼35#YJ501-145#YJ501Ni-1從表2-1選擇本設計的焊接工件材料是Q235，焊絲是ER49-1。工件的形狀設計成長方形，使用SOLIDWORKS建模軟件建模。模型如圖2-2所示。圖2-2焊接工件模型焊接工作臺的模型，使用SOLIDWORKS建模軟件建模。模型如圖2-3所示。圖2-3工作臺的模型2.4焊接工藝分析一、焊接接頭情況及焊縫技術要求首先從焊接的接頭來說，主要有對接接頭、搭接接頭以及角接接頭等，當然并不只是有這些，還有其他很多形式的接頭，綜合因素考慮，此次設計中采用了穩(wěn)定性較好的搭接接頭；而焊縫形式也有很多種，本次則采用了較為普遍的角焊縫的形式，規(guī)格上也有6mm-15mm不等；母材方面則采用了常用的碳素鋼Q235；最重要的就是對于焊縫的外觀來說，需要做到焊接之后的焊縫以及熱影響區(qū)沒有夾渣、氣孔等缺陷，否則會影響焊接效果以及使用體驗。二、焊接工藝焊接之前需要的準備以下工作：1）焊件表面存在油跡等雜物，在焊接部分10~20毫米范圍內的需要清理。因為焊接過程會出現(xiàn)槍嘴堵塞，所以要使用防堵劑涂到槍嘴，飛濺防粘劑涂到工件表面；2）焊機KRII350焊絲ER49-1直徑1.0毫米和直徑1.2毫米；3）采用左焊法。2.5焊接電壓與電流本課題采用焊條電弧焊來計算機器人本體所需要的電壓，焊接材料是Q235,按《二氧化碳氣體保護焊焊接工藝規(guī)范》選擇中，可得焊接所需要的電流根據經驗值取值180A，焊接速度可取值0.2cm/s,焊接熱輸入24kj/cm。根據熱輸入計算公式：q=ηUI來計算焊接所需要的電流，公式2-1通過轉換可得：U=qv式中：q為熱輸入，單位是（J/mm）U為電弧電壓，單位是（V）I為焊接電流，單位是(A)V焊接速度，單位是(mm/s)η為熱效率，焊條焊接一般取值0.8。把已知數值代入公式2-2，可計算出電壓I=2400×2所以在進行焊條焊接時，在24V電壓的情況下，電流一般選擇250A。根據焊接的要求，一般也需了解焊機的連續(xù)負載時間，根據負載持續(xù)率公式：DYN可推導出焊機的連續(xù)負載時間為：t=TD在焊機的額定工作電流為300A，負載持續(xù)率為60%的，工作周期為10Min情況下，根據公式2-4求得連續(xù)負載時間為：t=則在焊機的額定工作電流為300A，負載持續(xù)率為60%的，工作周期為10Min情況，連續(xù)負載時間為6分鐘。在焊接過程當中，考慮最多的是電壓與電流的取值，一般都可根據經驗值如下表進行設定。如表2-2。表2-2電壓與電流的取值表焊接方法焊接參數熔池長度L（cm）焊縫橫截面積熔池質量熔池表面積熔池平均存在時間熔池比表面積極性I（A）U（V）V（cm/s）光焊絲正140~23017~190.251.09~1.880.106~3.2740.71~2.50.7~1.71~2.16.3~11.3焊條電弧焊氧化鐵型焊條正140~230260.251.51~3.070.118~0.3351.28~7.21.05~3.652.1~4.77.1~8.2埋弧焊不銹鋼焊絲HJ431、H18CrMoA反200~37027~280.592~3.980.085~0.361.9~11.51.25~3.651.9~3.53.2~6.6氬弧焊不銹鋼反200~30023~24.50.741.8~2.80.099~0.1731.4~4.350.87~1.91~1.634.4~62.6焊接的夾具焊接的夾具主要是根據焊接工件尺寸大小，工裝快速定位，焊接精度的提高和防止工件焊接過程變形的專用夾具?，F(xiàn)在，焊接夾具的分類有三種：1）手動夾具：由人手推動夾具作為動力，使夾具達到夾緊加工工件的作用的夾緊機構；2）氣動夾具：推力是由壓縮空氣提供的夾緊機構，推到夾緊位置夾緊工件；3）電動夾具：由電磁吸引力或者電機來提供推力的夾緊機構，推到夾緊位置夾持工件。本設計最初采用的是一種手動的夾具，手動夾具運用在工作站時的使用和操作方面比較簡單，我們對手動夾具的維護也相對容易，采用純機構利用人給予它推力或壓力來實現(xiàn)夾具對工件的松開或夾緊的作用過程。設計初步是將使用SOLIDWORKS建模軟件設計出兩部份的夾具，一部份夾具提供給工件向下的壓力，另一部分夾具提供給工件向里的推力，使工件達到平衡受力狀態(tài)并能讓工件能夠固定在工作臺上。手動夾具的模型如圖2-4所示。圖2-4手動夾具的模型但隨著自動化的程度的越來越高，焊接工件厚度的增加，工件體積大小的改變，工件批量生產的提高，手動夾具面對以上情況會不能完全達到機械人加工的夾緊要求，它有一定的局限性。所以最終選擇氣動夾具作為本設計的夾具部分。此次選用市面上普遍應用的肘節(jié)夾具來作為夾具模塊，肘節(jié)夾具工作原理如下：當連桿與連架桿的兩鉸接點B、C和其中一連架桿與機架的鉸接點D，B、C、D三點一線時，肘節(jié)處于死點位置。這樣工件就會壓得很緊實，這是即使再大的反作用力作用到夾具，都沒有辦法將夾具變動。這個就是機械力學上的死點夾緊原理。肘節(jié)夾具機構簡圖如圖2-5所示。圖2-5機構簡圖1、設計時，要避免使用過程中負載和外力變化、機械產生振動等影響。把中間鉸點偏向其它兩鉸接點連線的內側，這樣則可以；2、要使得夾具處于固定的位置，并且鎖緊，就需要有夾具的夾緊力作為支撐，而且還要保證夾具受到外力作用之后不能發(fā)生變形而破壞了夾具材料，當壓緊力的位置在力臂最小時，工件此時受到的壓緊力是最大的，工件所受到的外力作用也是隨著力臂的改變而不斷變化的。本肘節(jié)夾具動力源選用氣動，氣動肘節(jié)夾具的工作原理：氣動肘節(jié)夾具推力是由壓縮空氣提供，通過氣缸執(zhí)行件把空氣壓力能轉變成機械能。從而實現(xiàn)工件定位和夾緊效果。氣動肘節(jié)夾具具有以下優(yōu)點：1）不想要人力操作，只需按下按鈕，操作簡單，實現(xiàn)自動化控制。b:氣缸的響應速度快，重復度高試驗穩(wěn)定，所以在生產使用過程中提高生產效率。通過SOLIDWORKS建模軟件建模。氣動肘節(jié)夾具模型如圖2-6所示。圖2-6氣動肘節(jié)夾具模型氣動肘節(jié)夾具模型與工作臺的裝配展示圖，如圖2-7、圖2-8所示。圖2-7整體圖圖2-8局部圖2.7夾具氣缸的選型與計算本設計的氣缸的選型與計算:普通的雙作用氣缸的理論推力，單位為（N），公式是：F0其中D代表缸徑，單位為（mm）；P代表氣缸的工作壓力單位為MPa。理論拉力，單位為N，公式是：F=π其中d代表活塞桿的直徑，單位為（mm），在估算的時候可以令d=0.3D。氣缸的負載率：指的是選用氣缸的實際負載力F與理論輸出力F0負載力是挑選氣缸型號的關鍵因素。在不同的負載下，作用在活塞軸上的實際負載力也不同。氣缸的實際負載是由工況決定的，若決定了負載率η也就能確定氣缸的理論出力，負載率η的選取與氣缸的負載性能及氣缸的速度有關，見表2-3。表2-3負載率選取表負載的運動狀態(tài)動載荷靜負載氣缸速度>500mm/s氣缸速度100~500mm/s氣缸速度<100mm/s夾緊、底速壓鉚負載率η≤30%≤50%≤65%≤80%所以可根據夾具的工作情況，氣缸的行程需要達到30mm，推力需要達到402N，設工件與工作臺的摩擦系數為0.4，工作氣壓為0.5MPa，氣缸的動作時間為1S，下面是缸徑的計算：軸向負載力F=μmg=0.4×402=160.8N氣缸的平均速度v=st=理論輸出力F由式可得到雙作用氣缸的缸徑D=故選取雙作用缸的缸徑為32mm，可選用氣缸型號是QGY32x30，這種氣缸是薄型氣缸，是標準氣缸一種，比拉桿氣缸短，體積小，可以選用。2.8機器人的焊接工作站的組成根據上述各部件分析確定機器人的焊接工作站的組成：機器人本體選用ABB公司的IRB1410機器人，這個機器人能達到工作半徑范圍內的任何位置，定位精度可以達到0.02ram；本次的弧焊機采用了CO2/MAG的焊機，對于碳鋼來說有著更好的焊接性能，而且工作過程是小電流的，可以更平穩(wěn)的進行焊接，此外，這款焊機還擁有深透壺的功能，這個功能在厚板大熔深穿透焊工藝和厚板打底焊工藝上使用。弧焊機內置有有IOT模塊和模擬通訊接口，用于擴展數字接口；一套工作臺、夾具和電器元件。2.9本章小結本章先對機器人的焊接工作站做了概述，對機器人在焊接工藝上的特點做了分析。利用ABB的RobotStudio仿真軟件做了簡單介紹，并且建立簡單的虛擬焊接機器人工作站。在焊接的種類和工藝上做了分析簡述，選定本設計使用CO2氣體保護焊，焊接工件材料是Q235，焊絲是ER49-1。最后對于焊接夾具的設計，為了實現(xiàn)快捷、自動化等功能，設計出

第三章焊接控制系統(tǒng)的設計3.1ABB機器人系統(tǒng)的簡介IRB型系列的機器人是ABB公司生產的一款廣泛應用的工業(yè)機器人，ABB標準系列機器人IRB。這款工業(yè)機器人目前應用在焊接、噴涂、搬運與切割等工種上。IRB最常用的型號有：IRB1400、IRB2400、IRB4400、IRB6400等。ABB機器人系統(tǒng)由兩部分組成：機器人本體和控制器。工人操作控制器來控制機器人本體。機器人本體一共有六個自由度，這六個轉軸的組合則組成了三維孔家你上的六桿開鏈機構，可以在三維空間上的任意點上運動。展示了機器人本體的工作空間如圖3-2所示。每個自由轉軸都有一個諧波齒輪箱，機器人本體運動重復精度很高，能夠達到±0.05毫米~±0.2毫米。除此之外，采用了6個伺服電機去控制每個軸關節(jié)的運動，串口測量板是每個機器人本體上都具有的，通過該串口測量板可以把伺服電機編碼器讀取到的模擬量轉換成簡單的數字量，串口測量板的供電方式也也能簡單，主要是通過充電式的電池去供電，一旦供電電源斷電，此時的電池也可以維持一段時間，保證工作的機器人可以記錄當下的位置，繼續(xù)工作而不出錯。圖3-1機器手臂的工作空間3.2機器人焊接系統(tǒng)的硬件設計封閉式是此次機器人焊接工作站系統(tǒng)的主要模式，組成主要含有五部分：機器人本體、IRC5機器人控制器、松下全數字控制CO2/MAG焊機、氣動式焊接夾具以及電器元件。機器人:機器人選用型號為IRB1410，將焊槍安裝在機器人的第6軸的法蘭上，定義焊槍的導電噴嘴為機器人的工具中間位置，稱它為中心點。在機器人工作能夠到達的距離之內的所有位置都可以將工具的中心點送至目的地。IRC5控制器:控制核心部件，包括控制系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、電源系統(tǒng)等主要部件?？刂葡到y(tǒng)控制運動和通信的輸入和輸出。CO2模擬量1：AoWeldingCurrent(Ao):地址0～15控制焊接電流模擬量2：AoWeldingVoltage(Ao):地址16～31控制焊接電壓DoWeldOn(數字輸出)：地址32起弧控制DoGasOn(數字輸出)：地址33送氣控制DoFeed(數字輸出)：地址34點動送絲控制DiArcEst（數字輸入）地址0起弧建立信號在自動焊接系統(tǒng)中，只需要在機器人的PROC中配置個5各焊接參數：DoFeed、DoGasOn、DoWeldOn、DiArcEst；不同焊接參數的焊接設置，機器人做出相對應的AoWeldingCurrent和AoWeldingVoltage兩個模擬信號的控制，從而來控制焊接電流和電壓的大小。氣動式焊接夾具：在氣閥的控制上，采用同一塊支持DeviceNet現(xiàn)場總線DSQ651對氣閥控制。設置DSQC651板子的地址，設置好控制器中的虛擬地址實際地址相對應起來，地址不能和焊機信號重復。DoSolenoidvalve(數字輸出)：地址35氣閥控制通信連線如下圖3-2所示。圖3-2通信連線圖電器元件二位四通電磁閥：有兩個工作工位，其中一個工位是實現(xiàn)氣缸向前推進實現(xiàn)夾具的夾緊動作，另一個工位是改變氣壓的方向使氣缸回縮達到夾具的回復原來的位置松開工件。二位四通電磁閥適合本次課題的需要，二位四通簡圖如圖3—3所示。圖3—3二位四通簡圖夾具的夾緊是采用氣動作為動力源，所用的元器件有二位四通電磁閥，氣缸，夾具，氣泵，他們的工作原理圖如圖3—4所示。圖3—4電磁閥工作原理圖原理：氣泵提供氣壓，電磁閥控制氣缸的伸和縮，電磁閥是通過PLC來控制它的兩個工位，其中左工位為推進氣缸實現(xiàn)夾緊動作，右工位為回縮氣缸實現(xiàn)放開工件。考慮設計的控制系統(tǒng)的控制要求，在本設計需要使用到的輸入/輸出的接口比較少，因此可以選擇信號是FX1S-1MR-001的三菱PLC。由于學校有可以提供給我學生使用的PLC，所以可使用FX1S-30MR-001,如圖3-5、表3-1所示。圖3-5FX1S-30MR-001表3-1參數表產品FX1S-30MR-001適合工作電壓AC100~240V允許電壓空間AC85~264V額定頻率50/60HZ電壓保險絲250V1A5φx20mm沖擊電流最大15A5ms以下/AC100V最大25A5ms以下/AC200V傳感器電源DC24V400mA功耗21W交流接觸器:可讓電流在通了電的線圈中產生磁場，在這種情況下，磁場可以令靜鐵芯與動鐵芯吸引，使觸頭閉合，以完成控制負載電器的目的，可選CJX2-3210，線圈220V，用于保護PLC以防燒壞。如圖3-6所示?？諝忾_關:為了能夠保證用電的安全，可以加一個空氣開關，它能完成接觸和分斷地電路，用在使用不頻繁的氣動電動機上，其還有過壓，過載，短路和欠壓保護功能。如圖3-7所示。圖3-6交流接觸器圖3-7空氣開關變壓器：它原理簡單但在不同的環(huán)境下，有隔離，穩(wěn)壓，電壓變換，阻抗變換和相位變換的作用，變壓器的作用也會對應不同。型號用到S-200-24，輸出電壓直DC24V輸出電流8.3A輸出功率200W,如圖3-8所示。圖3-8變壓器紅外線傳感器:利用紅外線傳感器的紅外線照射，當傳感器的紅外線被需要測的物體遮擋或者反射的時候，可以通過同步回路選通電路，因而知道是否檢測到物體。本設計用到信號E3F-DS10C4，輸出方式直流三線NPN常開，如圖3-9所示。按鈕：啟動按鈕和急停按鈕，如圖3-10、3-11所示。圖3-9紅外線傳感器圖3-10啟動按鈕圖3-11急停按鈕3.3機器人焊接工作站系統(tǒng)軟件設計3.3.1ABB機器人焊接工作站與PLC通訊設計ABB機器人焊接工作站與PLC實現(xiàn)通訊，通過PLC來控制ABB機器人實現(xiàn)焊接的功能，PLC的存在大大簡化人工的任務，提高ABB機器人的工作效率。PLC主要是接收ABB反饋回來的信號，然后對夾具做出反應，夾好工件后，反饋回信息給ABB進行下一步工作。下面是PLC的I/O口分配如表3-2所示：表3-2PLC的I/O口分配I/O口X端I/O口對應信號I/O口Y端I/O口對應信號X1接收ABB歸零信號Y1夾具加緊完成反饋信號X2電磁閥1已夾緊Y2驅動電磁閥1加緊工件X3電磁閥2已夾緊Y3驅動電磁閥2加緊工件X4電磁閥3已夾緊Y4驅動電磁閥3加緊工件X5電磁閥4已夾緊Y5驅動電磁閥4加緊工件ABB與PLC是可以相互通訊的，PLC可以通過X1的端口接受來自ABB的回歸零點信號，接收ABB的回歸零點信號主要是為了焊接的準備，給夾具進行夾緊的工作時間，也是減少人工夾緊存在的時間浪費，可以實現(xiàn)ABB焊接的自動化。ABB也可以接收PLC的Y1端發(fā)送的信號，Y1端發(fā)送1，代表夾具的四個工位夾具已完成加緊動作。I/O口X端的X1,X2,X3端分別安裝紅外傳感器，紅外傳感器可以檢測到夾具的夾頭是否到達相應位置，到達位置則認為夾具已完成加緊動作。采用四個夾具主要是工件擺放位置所要求，這樣加緊的工件較牢固，更有利于ABB機器人進行作業(yè)。I/O口Y端的Y1,Y2,Y3端分別控制氣缸的電磁閥，通過電磁閥的控制來實現(xiàn)氣缸的伸縮，從而實現(xiàn)夾具的加緊和不加緊動作。I/O口分配圖如圖3-12、圖3-13所示。圖3-12I/O口X端接線圖圖3-13I/O口Y端接線圖3.3.2PLC控制系統(tǒng)程序PLC控制系統(tǒng)硬件主要包括交流接觸器，控制開關，PLC，紅外線傳感器，二位四通電磁閥和ABB機器人共同組成。各元器件通過相互傳遞信息，達到控制夾具夾緊，ABB機器人進行焊接流程。程序列表如表3-3所示：表3-3PLC程序指令表步號指令I/O(軟元件)0LDX0011SETM3002LDIX0073ANDM3004ANDX0065OUTY0026OUTY0037OUTY004表3-3PLC程序指令表（續(xù)）步號指令I/O(軟元件)8OUTY0059ANDM802910SETM20011RSTM30012LDM20013ORX00214ORX00315ORX00416ORX00517OUTY00118RSTM20019END其中各I/O口代表可參考表格3-2，其中的X6代表啟動開關，X7代表急停開關，M8029代表當前指令完成后，才能執(zhí)行下一條指令，這里運用這條指令可大大簡化程序的復雜性，也提高PLC的程序讀取速度，加快PLC的工作效率。硬件搭建電氣圖下圖3-14、3-15所示。圖3-14PLC控制主電路圖圖3-15PLC24V供電圖在硬件搭建電氣圖當中，PLC是主要的控制單元，PLC接通220v電壓提供電源，其中變壓器也需要把220V電源電壓轉化成支流24V電壓給PLC提供電壓，形成漏型，方便PLC給紅外傳感器提供電源，也能夠接受并且識別ABB機器人發(fā)送的信號?？刂崎_關在主電路當中起到保護主電路作用，保護各元器件。3.3.3ABB機器人焊接工作站的程序利用RobotStudio焊接工業(yè)機器人虛擬工作站，并且寫出程序。ABB機器人焊接工作站的程序：MODULEModule1 PERStooldataAW_Gun：=[TRUE，[[119.5，0，352]，[0.890213743，0，0.455543074，0]]，[1，[0，0，100]，[1，0，0，0]，0，0，0]]； CONSTrobtargetTarget_110：=[[1134.217582261，-51.519113172，912.161121779]，[0.050594999，-0.000000175，0.998719253，-0.00000006]，[-1，0，-1，0]，[9E+09，9E+09，9E+09，9E+09，9E+09，9E+09]]； CONSTrobtargetTarget_120：=[[1173.703019994，0，1133.009883619]，[0.050594871，0，0.998719259，0]，[-1，0，-1，0]，[9E+09，9E+09，9E+09，9E+09，9E+09，9E+09]]； CONSTrobtargetTarget_100：=[[906.347358301，-49.626117638，912.161222414]，[0.05059521，0.000000287，0.998719242，-0.00000007]，[-1，0，-1，0]，[9E+09，9E+09，9E+09，9E+09，9E+09，9E+09]]； CONSTrobtargetTarget_90：=[[906.347613155，61.962600256，912.160751778]，[0.050595059，-0.000000096，0.99871925，0.000000039]，[0，-1，0，0]，[9E+09，9E+09，9E+09，9E+09，9E+09，9E+09]]； CONSTrobtargetTarget_70：=[[1132.600649033，-48.484404613，912.160536958]，[0.050595014，0.000000195，0.998719252，-0.000000227]，[-1，0，-1，0]，[9E+09，9E+09，9E+09，9E+09，9E+09，9E+09]]； CONSTrobtargetTarget_60：=[[1173.703019994，0，1133.009883619]，[0.050594871，0，0.998719259，0]，[0，0，0，0]，[9E+09，9E+09，9E+09，9E+09，9E+09，9E+09]]； CONSTrobtargetTarget_80：=[[1132.601099175，61.96241965，912.161189945]，[0.050595119，-0.000000052，0.998719247，-0.000000187]，[0，-1，0，0]，[9E+09，9E+09，9E+09，9E+09，9E+09，9E+09]]； PROCMain() GripAction?0，1；WaitTime2；MoveLTarget_60，v1000，z100，AW_Gun\WObj：=wobj0； ArcLStartTarget_70，v1000，seam1，weld1\weave：=weave1，fine，AW_Gun\WObj：=wobj0； ArcLTarget_80，v1000，seam1，weld1\weave：=weave1，fine，AW_Gun\WObj：=wobj0； ArcLTarget_90，v1000，seam1，weld1\weave：=weave1，fine，AW_Gun\WObj：=wobj0； ArcLTarget_100，v1000，seam1，weld1\weave：=weave1，fine，AW_Gun\WObj：=wobj0； ArcLEndTarget_110，v1000，seam1，weld1\weave：=weave1，fine，AW_Gun\WObj：=wobj0；WaitTime2； MoveLTarget_120，v1000，z100，AW_Gun\WObj：=wobj0；GripAction?0，0； ENDPROCENDMODULE程序的說明：MODULEModule1 PERStooldata…….…….PROCMain()此段是系統(tǒng)對各點坐標在執(zhí)行的RAPID程序中各坐標點進行賦值保存操作。AW_Gun：=[TRUE，[[119.5，0，352]，[0.890213743，0，0.455543074，0]]，[1，[0，0，100]，[1，0，0，0]，0，0，0]]；是工具坐標，其它是工作坐標點。GripAction?0，1；夾具氣缸夾緊。WaitTime2；延時2S。夾具氣缸動作之后延時2S保證工件夾緊。MoveLTarget_60，v1000，z100，AW_Gun\WObj：=wobj0；使機器人的工具中心點移動到Target_60點，速度1000，轉角半徑100，使用的工具坐標系為“AW_Gun”。為了機器人運動流暢設置轉角半徑一般不使用fine，根據工具中心點到達Target_60點之前的距離來調整轉角半徑。工具坐標系“AW_Gun”提前定義，設置到焊槍的未端地方，Z軸正方向是從焊槍指向外面。ArcLStartTarget_70，v1000，seam1，weld1\weave：=weave1，fine，AW_Gun\WObj：=wobj0；在Target_70點開始焊接，速度1000，seam1為焊縫參數，weld1為焊接參數，weave1為擺弧參數，轉角半徑為“fine”。指令ArcLStart能機器人能得到快速開始的效果。清氣、前氣等準備工作在距離Target_70點一段距離時就開始了，到達Target_70點時立即引燃電弧開始焊接。，指令ArcL的清氣、前氣等焊接前的準備工作是工具中心點到達Target_70點時才開始的，這樣做會使工具中心點在Target_70點停留較長時間，一方面影響工作節(jié)拍；另一方面，電弧點燃后機器人對其檢測時間一般只有1秒左右，這樣有可能引發(fā)引弧失敗的報警。因此指令ArcL不能代替ArcLStart指令，轉角半徑為“fine”，這是保證焊接開始時在準確點。因此，即便使用ArcLStart指令，工具中心點也會在Target_70點有短暫的停留。ArcLTarget_80，v1000，seam1，weld1\weave：=weave1，fine，AW_Gun\WObj：=wobj0；ArcLTarget_90，v1000，seam1，weld1\weave：=weave1，fine，AW_Gun\WObj：=wobj0；ArcLTarget_100，v1000，seam1，weld1\weave：=weave1，fine，AW_Gun\WObj：=wobj0；此三段是對點“Target_80”、“Target_90”、“Target_100”之間作直線焊接。ArcLEndTarget_110，v1000，seam1，weld1\weave：=weave1，fine，AW_Gun\WObj：=wobj0焊接在Target_110點結束，速度1000，seam1為焊縫參數，weld1為焊接參數，weave1為擺弧參數，轉角半徑為“fine”。在執(zhí)行到ArcLEnd指令時，焊接的收尾工作進行收尾工作電弧并不會立即熄滅，這些工作包括畫圈收尾、焊絲回收、電流衰減等。完成以上工作后電弧熄滅，進入尾氣保護時間，保護氣體會持續(xù)吹出一段時間，在焊機或者機器人里可以對尾氣保護時間的長短進行設置。WaitTime2；延時2S。在ArcLEnd焊接完成后，MoveJ離開之前必須要做延時，這樣能避免焊絲黏連到工件上。特別是使用“近控模式”時，焊機內設置的熄弧回收時間以及衰減時間的長短焊接機器人并不知道，這會導致機器人在執(zhí)行完ArcLEnd焊接以后快速就進行MoveJ移動，在這個時候焊槍的焊絲還沒有來得及回抽，導致焊絲黏連到工件上。MoveLTarget_120，v1000，z100，AW_Gun\WObj：=wobj0；移動到Target_120點，離開焊接軌跡，速度1000，轉角半徑100，使用的工具坐標系為“AW_Gun”。GripAction?0，0；夾具氣缸打開，方便更換工件。3.4章節(jié)小結本章對工作站系統(tǒng)設計，首先對硬件系統(tǒng)設計，機器人焊接工作站系統(tǒng)采用封閉式，由五部分組成：機器人本體、IRC5機器人控制器、松下全數字控制CO2/MAG焊機、氣動式焊接夾具以及電器原件。之后對工作站進行軟件設計，利用RobotStudio焊接工業(yè)機器人虛擬工作站，寫出程序并對程序進行分析。

第四章焊接工作站仿真與測試4.1焊接工作站的建立RobotStudio是ABB公司的機器人仿真軟件，使用這個軟件可以構建工業(yè)機器人虛擬工作站，還有工業(yè)機器人的運動軌跡離線編程、仿真測試等。有助于提高生產率，降低總成本，實施合理的機器人解決方案的。RobotStudio機器人仿真：1）方案設計階段驗證可實施性；如可達性測試、產線布局等；2）驗證生產節(jié)拍，程序優(yōu)化，提高生產效率；3）碰撞檢測功能，避免碰撞造成的設備損壞風險；4）強大的離線編程功能，減少因編程造成的設備調試時間；5）真實模擬動畫的效果，可以模擬工作臺工作的整個過程；6）豐富的二次開發(fā)插件，引入圖形化編程功能，讓編程更簡單；7）監(jiān)控機器人運行狀態(tài)可在在線聯(lián)機功能上實現(xiàn)；如信號變化、電機性能等；8）虛擬仿真技術可以用于在線教學，虛擬仿真功能對于當下的機器人來說是非常重要的，可以在實際教學過程中并不需要實物，可以在軟件上進行仿真，節(jié)約成本。RobotStudio主要功能：1）CAD導入RobotStudio與主要CAD格式中的STEP、VDAFS、VRML、IGES、CATIA、ACIS的導入可完全兼容。利用該導入全面性的功能，設計師可以根據實際需要情況選擇所需的機器人，編寫準確的程序，提高工作的效率和加工的品質。2）自動路徑生成可以自動路徑生成是RobotStudio集省時、方便、快捷的功能，利用待加工工件和機器人的CAD模型，可以在幾分鐘內自動生成與機器人位置相應的工件的跟蹤曲線軌跡。3）可達性測試AutoReach的自動分析伸展能力，這個功能可以在操作過程中隨意的放置工件和機器人的位置，而且任何位置都可以放置，這樣的功能便可以讓人們在操作過程了減少了許多布局時間，簡短了設計時間周期。4）路徑優(yōu)化RobotStudio可自動檢測和警告某些程序，例如逼近單調規(guī)則的運動等，以便測量并避免此類現(xiàn)象。5）沖突檢測沖突檢測這個是非常有效的功能，能防止機器人和其他設備相撞，對設備造成損壞。通過選擇關注的設備對象，RobotStudio在機器人執(zhí)行調試程序時，自動監(jiān)示并提示程序是否出現(xiàn)沖突。6）虛擬示教器這是真正flexpendant的圖形演示，由VirtualRobot驅動?；径?，可在真正flexpendant上完成的每項工作均可在虛擬flexpendant完成，使之成為一種優(yōu)秀的教學和培訓工具。7）真實與虛擬機器人無縫對接編寫好的程序可以直接下載到機器人的實際操作系統(tǒng)上，并不需要作額外的工作去轉換，從而節(jié)省了調試的時間。4.1.1夾具、工作臺的結構設計SolidWorks裝配過程是在裝配中建立部件之間的鏈接關系。它通過相關條件在組件之間建立約束，以確定產品中組件的位置。在此次畢業(yè)設計的研究過程中，主要是通過SolidWorks軟件將工作臺以及夾具的大體結構設計出來，在三維軟件上進行在線仿真，發(fā)現(xiàn)結構異常或者存在沖突的情況，也可以在沒有實物的情況下提前對整體的機器人系統(tǒng)結構有大致的了解，可以更為直觀的顯示出機器人系統(tǒng)的結構。而在用SolidWorks進行機械結構設計過程中，這樣可以檢驗此次設計的機械模型是否存在異常缺陷，能夠及時發(fā)現(xiàn)干涉等問題，可以及時的去更改，否則當進入實物制作時才發(fā)現(xiàn)則會浪費大量的時間和金錢。這樣就可以在設備生產制造的前期將存在的問題解決，避免在后期多次修改，浪費時間和金錢，便于快速有效地對設計方案做出適當的調整。在繪制三維模型的時候，將裝配體分拆成各個主要的零部件，這些零部件主要包括一些標準件以及非標準件，在選用標準件的時候，一些生產廠家的產品目錄中會帶有三維的選型系統(tǒng)，這就可以根據計算的結果對其進行選型，極大地提高了設計的效率，像本文中的液壓馬達以及軸承座，都是根據這種方法進行選型。最初要對零件的主體部分進行分析，確定設備的形狀特征在哪一個視圖中表達最為方便，這一點非常重要，因為可以影響到后期的二維圖紙的表達效果，因此，在設計中，需要選擇一個合適的繪圖平面，考慮到刀庫最終的效果。在此平面上，繪制出各個形體在該坐標平面上的主要形狀，可以根據需要進行拉伸、放樣或者切除的操作。本設計利用SolidWorks作出各零件三維圖和總裝圖。圖4-1工作臺建模圖圖4-2氣動夾具建模圖4.1.2虛擬工作站建立RobotStudio建立工作站，建立步驟如下：一、新建空工作站圖4-3新建空工作站二、導入機器人、焊槍、控制器和工作臺圖4-4導入IRB1410機器人圖4-5導入IRC5控制柜圖4-6導入焊槍圖4-7導入SolidWorks文件工作臺三、焊槍安裝到機器人法蘭上圖4-8焊槍安裝到機器人法蘭上四、創(chuàng)建機器人系統(tǒng)圖4-9創(chuàng)建機器人系統(tǒng)五、虛擬工作站完成圖4-10虛擬工作站4.2工作站仿真一、創(chuàng)建目標點并生成軌跡圖4-11示教器圖4-12建立目標示教點圖4-13添加到路徑圖4-14配置參數生成路徑圖4-15生成程序同步到RAPID主程序圖4-16仿真模擬4.3工作站測試在本課題的設計中，我有在外校的機器人進行自主的學習和研究，并在學習期間利用機器人進行實際的焊接測試，在通過多次學習和操作后，拍攝的焊接過程圖與實際焊接效果圖，如圖4-17、4-18所示。圖4-17焊接過程圖圖4-18實際焊接效果圖在此學習過程可以了解到焊接機器人的優(yōu)勢：1、能夠實現(xiàn)無人自動的焊接(1)在焊接過程中焊槍穩(wěn)定性較好，比較少抖動的現(xiàn)象出現(xiàn)，焊接速度勻速運動，可以做到均勻、漂亮的焊縫；(2)工人可以遠離噪音和高溫工作環(huán)境；(3)能提