【生產(chǎn)側(cè)圍機(jī)器人弧焊工作站設(shè)計(jì)（論文）17000字】

生產(chǎn)側(cè)圍機(jī)器人弧焊工作站設(shè)計(jì)目錄1緒論 11.1課題的研究背景 11.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀 11.2.1國外研究現(xiàn)狀 11.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀 21.3課題的研究意義 21.4課題的主要研究內(nèi)容 31.5本章小結(jié) 32TT-40型轎車汽車產(chǎn)線側(cè)圍機(jī)器人弧焊工作站方案設(shè)計(jì) 42.1設(shè)計(jì)要求 42.2總體方案設(shè)計(jì) 42.2.1功能需求分析 42.2.2機(jī)械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì) 42.2.3控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì) 72.2.4弧焊工作站總體布局 82.3本章小結(jié) 83機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 93.1焊接附件搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計(jì) 93.1.1焊接附件搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器氣缸選型 93.1.2焊接附件搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器氣缸手指延伸部分設(shè)計(jì) 103.2搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計(jì) 123.2.1搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 123.2.2搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器對汽車側(cè)圍的定位 143.2.3搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器焊接負(fù)極連接 143.3其余機(jī)器人末端執(zhí)行器 153.4機(jī)器人選型 153.4.1搬運(yùn)機(jī)器人選型 153.4.2其余機(jī)器人選型 163.5本章小結(jié) 174機(jī)械裝置設(shè)置 184.1搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器機(jī)械裝置設(shè)置 184.2側(cè)圍夾具機(jī)械裝置設(shè)置 194.3本章小結(jié) 195氣動系統(tǒng)設(shè)計(jì) 205.1氣動系統(tǒng)分析 205.2氣動系統(tǒng)工作流程 205.3本章小結(jié) 226控制系統(tǒng)設(shè)計(jì) 236.1控制系統(tǒng)原理 236.2機(jī)器人控制 236.2.1機(jī)器人初始化程序 246.2.2機(jī)器人主程序 246.2.3機(jī)器人作業(yè)程序 246.3PLC控制 256.4工作站邏輯控制 266.4.1仿真組件設(shè)置 276.4.2仿真組件連接 286.4.3工作站邏輯設(shè)置 296.4.4事件管理器設(shè)置 306.5碰撞檢測設(shè)定 306.6檢測設(shè)置 306.7人機(jī)交互設(shè)置 316.8節(jié)拍控制 326.9本章小結(jié) 327總結(jié) 33參考文獻(xiàn) 341緒論1.1課題的研究背景隨著社會的高速發(fā)展，汽車逐漸走進(jìn)了尋常百姓的家庭，各大汽車廠商為了拓展市場開始尋求更低的制造成本。近年來隨著消費(fèi)者的需求日益多樣化，汽車的零件種類隨之增多，而汽車種類和型號本就繁多，工藝變得更為復(fù)雜，對制造設(shè)備的柔性化要求也越來越高[1]。白車身焊接作為汽車制造的四大工藝之一，其焊接質(zhì)量對于提高汽車穩(wěn)定性有至關(guān)的重要性[2]。汽車白皮車身在整個汽車制造中占據(jù)30%-40%的成本，如何將白皮車身的制造成本降低成了各大汽車廠商競相研究的方向。沖壓工藝、焊接工藝、涂裝工藝、總裝工藝為汽車白皮車身的制造的四大工藝，焊接工藝是將若干個沖壓件通過焊接連結(jié)起來，在以往的焊接過程中，工人師傅需要先將零件用工具夾緊再手持焊槍對其進(jìn)行焊接，高強(qiáng)度的勞作使得焊接質(zhì)量難以保證。隨著德國“工業(yè)4.0[3]”這個概念的提出，我國也制定并提出了以工業(yè)信息化為主要方向的“中國制造2025[4,5]”，其目的在于提高我國制造業(yè)的智能化水平[6]，解放勞動力，提高生產(chǎn)效率，降低成本。在國家的正確引導(dǎo)下，自動化焊接在我國也開始得到發(fā)展，國內(nèi)很多企業(yè)開始使用機(jī)器人焊接，提高生產(chǎn)效率。自動化焊接尤其是在汽車焊裝行業(yè)得到迅猛發(fā)展，上汽大眾MEB工廠自動化率超過88%，而且重復(fù)定位精度可達(dá)0.2mm。機(jī)器人焊接作為一種新型的焊接技術(shù)，正逐步將焊接工人從高疲勞、高危險的勞動環(huán)境中解放出來[7]，而且焊接機(jī)器人工作狀態(tài)較為穩(wěn)定，能有效提高焊接效率的同時還能保證焊接質(zhì)量。在自動化焊裝產(chǎn)線，柔性化作為自動化產(chǎn)線發(fā)展的另一個方向。NC（伺服柔性定位裝置）是當(dāng)下使用最多的柔性定位裝置，其原理是采用伺服電機(jī)和滾珠絲杠組合成三坐標(biāo)直角機(jī)器人，可以根據(jù)需求設(shè)定XYZ方向的數(shù)值。1.2國內(nèi)外研究現(xiàn)狀1.2.1國外研究現(xiàn)狀在自動化領(lǐng)域，以歐美、日、韓等國為代表的工業(yè)發(fā)達(dá)國家，在焊接機(jī)器人集成設(shè)備的設(shè)計(jì)與應(yīng)用方面，均有明顯的技術(shù)優(yōu)勢，針對不同的焊接零件均能快速設(shè)計(jì)、制造出相應(yīng)的焊接機(jī)器人工作站[8]。信息技術(shù)在國外汽車焊接設(shè)計(jì)的各個階段都得到了廣泛的應(yīng)用，在汽車新產(chǎn)品開發(fā)階段，采用ProcessDesignerProcessSimulate、RobotStudio等軟件對焊接工藝規(guī)劃和數(shù)字仿真進(jìn)行驗(yàn)證，可以有效地規(guī)避焊接的設(shè)計(jì)風(fēng)險，有效縮短自動焊接的開發(fā)周期。從技術(shù)發(fā)展的角度看，柔性制造、個性化制造等新的生產(chǎn)方式將是制造業(yè)的發(fā)展方向。國際工業(yè)機(jī)器人也正朝著智能化、信息化、人機(jī)安全交互化、簡單易用方向發(fā)展[9]。隨著焊接產(chǎn)線自動化程度的提高，涉及到的設(shè)備類型和數(shù)量也隨之增加。通過網(wǎng)絡(luò)監(jiān)控，可以實(shí)時判斷生產(chǎn)線的生產(chǎn)狀態(tài)，出現(xiàn)故障能快速診斷出缺陷產(chǎn)生的原因，以確保產(chǎn)線能安全可靠的運(yùn)行。同時，采用各種先進(jìn)的在線檢測設(shè)備對產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行實(shí)時在線檢測，可及時發(fā)現(xiàn)產(chǎn)品質(zhì)量問題，對產(chǎn)品質(zhì)量進(jìn)行主動控制[10]。1.2.2國內(nèi)研究現(xiàn)狀20世紀(jì)90年代，一些西方國家和日本已經(jīng)在汽車、橋梁和船舶等領(lǐng)域采用機(jī)器人進(jìn)行焊接[11]。經(jīng)過半個多世紀(jì)的研究和發(fā)展，機(jī)器人焊接技術(shù)已經(jīng)成為一種多學(xué)科融合技術(shù)，能夠保證焊接質(zhì)量的實(shí)時控制和質(zhì)量檢測。我國經(jīng)過幾十年的改革開放和經(jīng)濟(jì)發(fā)展，在焊接領(lǐng)域取得了不錯的發(fā)展?，F(xiàn)今應(yīng)用最多的自動化焊接為弧焊和點(diǎn)焊[12]，機(jī)器人弧焊多采用氣體保護(hù)的焊接方法，主要應(yīng)用于機(jī)器人弧焊技術(shù)，所采用的保護(hù)氣體包括二氧化碳和氬氣混合氣體等；點(diǎn)焊屬于壓力焊的一種，采用加壓的同時瞬間提高接觸點(diǎn)溫度，使接觸點(diǎn)融化冷卻后形成焊點(diǎn)的工藝。在汽車白皮車身焊接中采用最多的弧焊是二保焊(二氧化碳?xì)怏w保護(hù)焊的簡稱)，二保焊因其獨(dú)特的優(yōu)勢在薄板焊接領(lǐng)域得到廣泛應(yīng)用。機(jī)器人焊接可以顯著提高焊接的自動化程度和柔性化程度，提高產(chǎn)品的質(zhì)量和穩(wěn)定性，工業(yè)機(jī)器人在焊裝產(chǎn)線的數(shù)量是衡量焊接自動化程度和柔性的關(guān)鍵指標(biāo)。焊裝產(chǎn)線的設(shè)計(jì)與研究對推動焊接生產(chǎn)線的發(fā)展具有重要意義。由于機(jī)器視覺技術(shù)能夠大幅提高工業(yè)生產(chǎn)的柔性化、自動化程度，因此其在工業(yè)產(chǎn)品檢測、機(jī)器人視覺、自動光學(xué)檢查等許多領(lǐng)域獲得廣泛的應(yīng)用[13]。視覺傳感器的應(yīng)用大大提高了焊接機(jī)器人的自動化與智能化[14]。在實(shí)際應(yīng)用中，視覺傳感器將光信號轉(zhuǎn)化為電信號，通過CCD攝像機(jī)采集圖像信息，將視頻以電信號的方式重現(xiàn)，通過控制算法獲取其參數(shù)，進(jìn)而判斷其質(zhì)量。視覺傳感器不僅僅用于焊縫跟蹤檢測；還可以用于激光焊接，攪拌摩擦焊中[15]。通過對國內(nèi)外現(xiàn)狀的研究可以發(fā)現(xiàn)：國內(nèi)在汽車白皮車身薄板零件的焊接主要依靠人工，而國外已經(jīng)擁有較先進(jìn)的技術(shù)，對焊縫的質(zhì)量檢測已經(jīng)擁有較為成熟的方案?，F(xiàn)針對國內(nèi)現(xiàn)狀需要設(shè)計(jì)汽車白皮側(cè)圍機(jī)器人弧焊工作站，用機(jī)器人替換人工，改善工人作業(yè)環(huán)境同時提高生產(chǎn)效率。1.3課題的研究意義在對國內(nèi)外現(xiàn)狀研究發(fā)現(xiàn)：我國在汽車白皮車身薄板零件的焊接工藝上大部分還依賴于人工焊接，而傳統(tǒng)人工焊裝方式存在著焊接效率低、成本高及焊接質(zhì)量難以保證等缺點(diǎn)[16]，且人工焊接對于工人師傅的焊接水平和勞動強(qiáng)度均有較高要求，在焊接時弧焊所產(chǎn)生的有害氣體和紫外線均對人體有較大危害?，F(xiàn)汽車白皮車身焊接工藝上急需機(jī)器人來替換人工完成汽車側(cè)圍薄板零件的焊接工作。在此設(shè)計(jì)中我主要解決機(jī)器人與外圍設(shè)備的控制和機(jī)器人末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)與校核工作。1.4課題的主要研究內(nèi)容本課題來源于校企合作項(xiàng)目，對于汽車側(cè)圍弧焊工作站提出一種新的解決方案。需要根據(jù)已有汽車側(cè)圍設(shè)計(jì)機(jī)器人末端執(zhí)行器，完成機(jī)器人末端執(zhí)行器的受力分析和強(qiáng)度校核，并在仿真軟件中完成開閉動作；氣路設(shè)計(jì)需要先進(jìn)行氣缸選型再設(shè)計(jì)氣路并進(jìn)行仿真驗(yàn)證；程序設(shè)計(jì)需要結(jié)合機(jī)器人末端執(zhí)行器、機(jī)器人、PLC程序圖和焊接要求在仿真軟件中進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真驗(yàn)證；檢測部分分為外觀檢測和X光探測，以確保焊接質(zhì)量。1.5本章小結(jié)通過查閱文獻(xiàn)發(fā)現(xiàn)，目前在國外的汽車白皮車身生產(chǎn)工藝上基本已經(jīng)實(shí)現(xiàn)自動化生產(chǎn)，焊裝產(chǎn)線自動化率占比較高；國內(nèi)的汽車產(chǎn)線大都還依賴人工生產(chǎn)，急需轉(zhuǎn)變生產(chǎn)方式，需要設(shè)計(jì)一種新型的解決方案，采用機(jī)器替換人工以提高生產(chǎn)效率，降低生產(chǎn)成本。2TT-40型轎車汽車產(chǎn)線側(cè)圍機(jī)器人弧焊工作站方案設(shè)計(jì)2.1設(shè)計(jì)要求通過與導(dǎo)師探討，明確機(jī)器人末端執(zhí)行器應(yīng)滿足：不傷害工件、夾緊力計(jì)算合適、夾緊工件要有緩沖等條件；氣路設(shè)計(jì)應(yīng)加入互鎖信號，防止工件在搬運(yùn)途中掉落；程序設(shè)計(jì)要滿足節(jié)拍要求，機(jī)器人進(jìn)入干涉區(qū)必須互鎖，防止干涉；檢測部分需要對于焊縫狀況進(jìn)行檢測。需對TT-40型轎車汽車產(chǎn)線側(cè)圍機(jī)器人弧焊工作站進(jìn)行設(shè)計(jì)與仿真，通過TT-40型轎車側(cè)圍及其重要附件的焊接工藝，實(shí)現(xiàn)汽車側(cè)圍及附件的搬運(yùn)工作、焊接工作，解決汽車側(cè)圍焊接流水線工作，完成機(jī)器人末端執(zhí)行器整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及優(yōu)化、氣路設(shè)計(jì)與仿真、PLC與機(jī)器人信號交互和整個工作站仿真工作。具體包括：(1)根據(jù)TT-40型轎車側(cè)圍設(shè)計(jì)專用機(jī)器人末端執(zhí)行器和傳送夾具；(2)根據(jù)實(shí)際對設(shè)計(jì)的末端執(zhí)行器進(jìn)行力學(xué)分析并進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化；(3)根據(jù)負(fù)載、作業(yè)半徑、重復(fù)定位精度選擇相應(yīng)的機(jī)器人型號；(4)根據(jù)工作環(huán)境和焊接要求對設(shè)備進(jìn)行合理布局；(5)根據(jù)工作站要求設(shè)計(jì)氣路并進(jìn)行仿真驗(yàn)證；(6)根據(jù)機(jī)器人信號和檢測信號編寫PLC程序；(7)根據(jù)TT-40型轎車側(cè)圍弧焊工藝完成機(jī)器人程序；(8)對機(jī)器人工作站運(yùn)行軌跡進(jìn)行優(yōu)化并檢測焊接質(zhì)量。2.2總體方案設(shè)計(jì)2.2.1功能需求分析本弧焊工作站需實(shí)現(xiàn)流水線生產(chǎn)，并且對于整個焊接過程需要有機(jī)器人參與搬運(yùn)、焊接、檢測環(huán)節(jié)，各個機(jī)器人之間需要協(xié)同工作，還需配合其他外部自動化設(shè)備，同時需要將實(shí)時狀態(tài)顯示在人機(jī)交互界面。為了實(shí)現(xiàn)流水線化生產(chǎn)，需要設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)臺來轉(zhuǎn)換焊接完成零件，搬運(yùn)機(jī)器人應(yīng)添加底座行走軸，增加其工作范圍，汽車側(cè)圍焊接附件需設(shè)計(jì)機(jī)器人專用搬運(yùn)夾具，焊接機(jī)器人應(yīng)考慮焊接負(fù)極搭接方式。整個焊接過程中機(jī)器人與機(jī)器人、機(jī)器人末端執(zhí)行器、外部夾具、其他機(jī)械裝置不得出現(xiàn)干涉，干涉區(qū)內(nèi)作業(yè)必須互鎖。所有設(shè)計(jì)須進(jìn)行仿真驗(yàn)證，同時需要控制節(jié)拍。2.2.2機(jī)械結(jié)構(gòu)方案設(shè)計(jì)如圖2-1所示，為TT-40型轎車汽車產(chǎn)線側(cè)圍焊接附件，由于焊接附件大小不一并且?guī)в锌锥?，綜合考慮焊接附件特征現(xiàn)選用手指氣缸對焊接附件進(jìn)行夾取。圖2-1TT-40型轎車汽車產(chǎn)線側(cè)圍焊接附件手指氣缸選型方案1：支點(diǎn)開閉式手指氣缸如圖2-2所示，支點(diǎn)開閉式手指氣缸的Y形夾爪的活塞桿上有一個環(huán)槽，由于手指耳軸與環(huán)形槽相連，因而手指可同時移動且居中對中，并確保抓取力矩始終恒定[17]。主要有C形開閉氣爪和凸輪式180°開閉氣爪，可以實(shí)現(xiàn)雙向抓取；可自動對中，重復(fù)精度高，在小范圍內(nèi)零件夾取尤為便利[17]。圖2-2支點(diǎn)開閉式手指氣缸手指氣缸選型方案2：平行開閉式手指氣缸如圖2-3所示，平行開閉式手指氣缸原理是通過兩個活塞動作，每一活塞由一個滾輪和一個雙曲柄與氣動手指相連，形成一個特殊的驅(qū)動單元，實(shí)現(xiàn)氣動手指總是軸向?qū)π囊苿?，每個手指是不能單獨(dú)移動的[18]。平行夾爪氣缸如果手指反向移動，則先前受壓的活塞處于排氣狀態(tài)，而另一個活塞處于受壓狀態(tài)[19]。圖2-3平行開閉式手指氣缸綜上兩種手指氣缸，由于焊接附件均屬于小型輕量件，大小不一，且焊接位置空間較狹窄，若采用采用支點(diǎn)開閉式手指氣缸，則三個焊接附件無法公用一個機(jī)器人末端執(zhí)行器，因手指氣缸特點(diǎn)現(xiàn)采用平行開閉式手指氣缸來夾持焊接附件，且此夾緊氣缸采用滾珠導(dǎo)軌設(shè)計(jì)，具有更高的可靠性和更小的摩擦阻尼。如圖2-4所示為TT-40型轎車側(cè)圍，由于轎車側(cè)圍外型不規(guī)則，因此需設(shè)計(jì)機(jī)器人專用末端執(zhí)行器。因?yàn)榇嗽O(shè)計(jì)不包含其他類型汽車側(cè)圍，所以無需考慮柔性定位。搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器還需夾持汽車側(cè)位進(jìn)行焊接工作，故氣缸選擇焊接夾緊氣缸。如圖2-5所示，焊接夾緊氣缸較普通氣缸有夾緊力大、帶自鎖等優(yōu)勢，滿足設(shè)計(jì)氣缸選擇，現(xiàn)提出以下兩種汽車側(cè)圍搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)方案：圖2-4TT-40型轎車側(cè)圍圖2-5焊接夾緊氣缸方案1：焊接件拼裝機(jī)器人末端執(zhí)行器可采用焊接來固定夾緊氣缸，焊接件結(jié)構(gòu)剛度大，整體性好，不削弱截面。焊接還可以將不同形狀及尺寸（板厚、直徑）甚至不同材料連接起來，從而達(dá)到降低重量，節(jié)約材料，資源優(yōu)化等目的[20]。方案2：標(biāo)準(zhǔn)件螺栓連接八角管型材和其連接件連接標(biāo)準(zhǔn)件是工業(yè)上常用的設(shè)計(jì)手段，如圖2-6為工業(yè)常用黑色多空圓管，材質(zhì)為鋼制，常用在工業(yè)機(jī)器人非標(biāo)末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)中；圖2-7為鋼制連接件，用來連接八角鋁管和多孔圓管；圖2-8為八角鋁管，用八角鋁管設(shè)計(jì)機(jī)器人末端執(zhí)行器時通常設(shè)計(jì)為H型框架，以提高穩(wěn)定性和結(jié)構(gòu)剛度。此種設(shè)計(jì)具有結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)簡便，零件連接方便、質(zhì)量輕、剛度好，對于輕載件的框架組合尤其便利，而且方便后期維修和更換。圖2-6多空圓管圖2-7鋼制連接件圖2-8八角鋁管綜上兩種設(shè)計(jì)方案，由于TT-40型轎車側(cè)圍形狀不規(guī)則、重量分布不均勻，而且作業(yè)過程中需要保證外側(cè)不被劃傷，而焊接難度較大，且焊接過程中易出現(xiàn)板材受熱變形，影響后期氣缸安裝精度等難題，故采用八角管型材和其連接件用螺栓連接的方式。2.2.3控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)控制系統(tǒng)作為機(jī)器人工作站的核心部分，需要控制機(jī)器人各個電機(jī)的方向、速度、力矩、溫度等參數(shù)。在此工作站中需要給搬運(yùn)機(jī)器人添加行走軸，增加其自由度，以獲取更大的搬運(yùn)距離。此外，此工作站中的四臺工業(yè)機(jī)器人I/O信號及外部機(jī)械裝置和傳感器信號需要PLC對其進(jìn)行處理，焊接控制原理圖如圖2-9所示。機(jī)器人擁有獨(dú)立的控制系統(tǒng)，但在干涉區(qū)作業(yè)時需要PLC對其進(jìn)行統(tǒng)一調(diào)配。每臺機(jī)器人在干涉區(qū)作業(yè)前都需要向PLC詢問，PLC確認(rèn)機(jī)器人可以進(jìn)入干涉區(qū)作業(yè)時，方可進(jìn)入。機(jī)器人之間的信號交互需要由PLC協(xié)調(diào)處理[21]。圖2-9焊接流程圖2.2.4弧焊工作站總體布局1-焊接附件搬運(yùn)機(jī)器人；2-焊接機(jī)器人；3-搬運(yùn)機(jī)器人；4-檢測機(jī)器人；5-轉(zhuǎn)臺夾具圖2-10TT-40型轎車汽車產(chǎn)線側(cè)圍機(jī)器人弧焊工作站布局圖此工作站總體布局如圖2-10所示，包含2臺搬運(yùn)機(jī)器人、1臺焊接（弧焊）機(jī)器人、1臺檢測機(jī)器人，1組轉(zhuǎn)臺夾具。搬運(yùn)機(jī)器人需要添加行走軸，以增加其工作范圍，搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器和轉(zhuǎn)臺夾具均由多個氣缸組成，轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動由伺服電機(jī)提供動力，由PLC進(jìn)行控制。2.3本章小結(jié)本章根據(jù)TT-40型轎車汽車產(chǎn)線側(cè)圍機(jī)器人弧焊工作站設(shè)計(jì)要求，確定搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器的設(shè)計(jì)方案由標(biāo)準(zhǔn)型材和氣缸通過螺栓連接的方式組成，并確立焊接附件搬運(yùn)機(jī)器人氣缸采用平行開閉式手指氣缸、搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器氣缸采用焊接夾緊氣缸。在控制系統(tǒng)中確立了以PLC為主控，機(jī)器人控制系統(tǒng)為輔的綜合式控制系統(tǒng)，并確立了焊接工作流程和工作站整體布局，為后續(xù)工作站設(shè)計(jì)梳理了思路和方向[22]。3機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)3.1焊接附件搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)結(jié)合第2章選擇焊接附件搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器氣缸選擇平行開閉式手指氣缸，原理圖如圖3-1所示，搬運(yùn)機(jī)器人采用標(biāo)準(zhǔn)件與焊接夾緊氣缸通過螺釘連接組成。圖3-1平行開閉式手指氣缸結(jié)構(gòu)圖3.1.1焊接附件搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器氣缸選型由于焊接附件搬運(yùn)需要依靠摩擦力克服自重故： (3-1) 其中，K為安全系數(shù)，μ為摩擦系數(shù)，n為手指氣缸動手指個數(shù)。由于焊接附件大小不一，質(zhì)量不一，故取安全系數(shù)K為3。三個零件最重的為1.2kg，根據(jù)其表面摩擦力取摩擦系數(shù)為0.45。夾緊力計(jì)算，帶入公式得選取氣缸為雙側(cè)可動，故手指氣缸單側(cè)內(nèi)夾持力不得小于19.6N查閱手指氣缸出力表如表3-1所示，并結(jié)合實(shí)際情況取氣缸直徑16mm，確定氣缸型號為MHZ2-16D。表3-1手指氣缸單可動側(cè)手指出力表缸徑開閉行程外夾持力內(nèi)夾持力開時爪距閉時爪距進(jìn)氣孔64mm0.33kg0.62kg12mm8mmM3104mm1.12kg1.73kg15.2mm11.2mmM3166mm3.46kg4.59kg20.9mm14.9mmM32010mm4.28kg6.73kg26.3mm16.3mmM32514mm6.63kg10.6kg33.3mm19.3mmM33222mm16.1kg19.63kg48mm26mmM34030mm25.9kg32.4kg60mm30mmM33.1.2焊接附件搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器氣缸手指延伸部分設(shè)計(jì)如圖3-2所示，可以得知焊接附件的工藝夾取位置，由于平行開閉式手指氣缸手指部分只預(yù)留了安裝孔，則需要根據(jù)焊接附件的形狀設(shè)計(jì)手指延伸部分。圖3-2焊接附件夾取位置圖由于焊接附件均為薄板型材料，且厚度分布在1mm左右。根據(jù)工件外型應(yīng)設(shè)計(jì)手指末端略帶V型，便于夾取不規(guī)則外形的附件。查閱MHZ2-16D平行開閉式手指氣缸參數(shù)得知，連接處手指寬度W值為12mm，孔為M5x0.8，R值為12mm，Q值為6mm，手指預(yù)留長度C為25mm，手指預(yù)留厚度I為5mm，閉合時H距離為14.9mm，如圖3-3所示。圖3-3MHZ2-16D手指氣缸參數(shù)在手指氣缸延伸部分設(shè)計(jì)時，考慮薄板零件厚度較小，氣缸預(yù)留手指I厚度為5mm，閉合后H距離為14.9mm，根據(jù)強(qiáng)度設(shè)計(jì)要求，與手指氣缸連接處厚度不得小于手指氣缸預(yù)留厚度，即不得小于5mm。根據(jù)參數(shù)計(jì)算延伸手指設(shè)計(jì)厚度L (3-2)式3-2中，hmin為最小連接厚度，最小值為5mm。根據(jù)公式3-2帶入最小厚度計(jì)算得： 經(jīng)計(jì)算最小厚度為17.45，根據(jù)計(jì)算設(shè)計(jì)圖3-4所示手指延伸部分。圖3-4手指延伸部分如圖3-5所示，對設(shè)計(jì)完成的手指延伸部分進(jìn)行受力分析，在末端受力為200N時受力集中部分為兩個螺紋孔，為了減少應(yīng)力集中，在安裝時需要添加墊片以減少應(yīng)力集中。圖3-5夾爪受理分析圖如圖3-6所示，為焊接附件搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器整體裝配圖，其開閉范圍為0-36mm，手指延伸部分與氣缸的連接采用螺釘打膠連接。考慮到焊接附件機(jī)器人末端執(zhí)行器夾取附件后需要在焊接過程中保持位置，則需要在安裝時添加絕緣墊片，通常絕緣墊片安裝在機(jī)器人6軸法蘭盤與末端執(zhí)行器之間，以確保機(jī)器人電機(jī)在焊接過程中安全工作。圖3-6搬運(yùn)附件手抓裝配圖3.2搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)3.2.1搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)工藝要求，汽車側(cè)圍搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器需要對汽車側(cè)位均勻夾緊，防止由于受力不均導(dǎo)致汽車側(cè)圍發(fā)生形變，根據(jù)要求夾緊氣缸不得少于7個。表3-2最大夾緊力矩表最大夾緊力矩缸徑mm0.5MPa0.6MPa0.7MPa0.8MPaN?mIbf?inN?mIbf?inN?mIbf?inN?mIbf?in40118104415413631781575194171750160141619016812201947250221263400354045039825004425550486780880778810409204120010619136012035查閱焊接夾緊氣缸最大夾緊力矩表，如表3-2所示，可知缸徑為40mm的夾緊氣缸在0.7Mpa的氣壓下最大夾緊力為178N?m。根據(jù)40mm缸徑氣缸參數(shù)設(shè)計(jì)夾緊鉗時，由于夾緊位置不同，現(xiàn)取最長夾緊鉗285mm計(jì)算夾緊力。根據(jù)如下公式參考表3-2計(jì)算單個氣缸夾緊力： （3-3）其中：T為氣缸在對應(yīng)氣壓下的最大夾緊力矩，單位N?m；L為夾緊點(diǎn)與氣缸旋轉(zhuǎn)軸中心點(diǎn)的距離，單位mm。暫定氣缸為40mm，氣壓為0.7MPa，將最長距離285mm帶入公式3-1計(jì)算得：當(dāng)七個氣缸同時夾緊時，可產(chǎn)生夾緊力F10：由于單個汽車側(cè)位質(zhì)量為62.8kg，設(shè)計(jì)汽車側(cè)位末端執(zhí)行器夾緊力大于汽車側(cè)圍自重，故夾緊力設(shè)計(jì)符合要求。表3-3最大鎖住力矩表缸徑/mm最大鎖緊力N?mIbf?in4038033635080070806315001327480250022124由于在搬運(yùn)過程中，氣缸一直處于鎖緊狀態(tài)，則需要校驗(yàn)鎖緊力，根據(jù)公式3-1參考最大鎖緊力矩計(jì)算最大鎖緊力F20最大鎖緊力9333.3N大于汽車側(cè)位自重，故鎖緊力符合要求。將八角管型材和多孔圓管型材通過連接件連接成H型，將氣缸按照工藝位置安裝之后需要設(shè)計(jì)L型夾緊板，L型夾緊板設(shè)計(jì)根據(jù)汽車側(cè)圍的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，夾緊位置選擇汽車側(cè)圍焊接處，不會損傷汽車側(cè)圍，L型夾緊板設(shè)計(jì)如圖3-7所示，對于L型夾緊板，連接時采用兩個Φ6的定位銷進(jìn)行定位，確保定位精度，連接采用M6的螺釘打膠連接，如圖3-8所示。圖3-7L型夾緊板二維圖圖3-8L型夾緊板三維圖根據(jù)上述計(jì)算現(xiàn)設(shè)計(jì)搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器裝配圖如圖3-9所示，此設(shè)計(jì)包含7個焊接夾緊氣缸和1個焊接負(fù)極搭接氣缸，兩個定位銷用來確定精度。圖3-9搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器3.2.2搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器對汽車側(cè)圍的定位由于搬運(yùn)機(jī)器人需要夾持側(cè)圍并搬運(yùn)至焊接位置進(jìn)行焊接，焊接完成后還需將汽車側(cè)位搬運(yùn)至檢測位置配合計(jì)測機(jī)器人對焊接質(zhì)量進(jìn)行檢測。因此，搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器需要保證汽車側(cè)圍穩(wěn)定、無滑動、工件不受損等條件。根據(jù)工藝要求，汽車側(cè)位在抓取時需要先定位，再抓取。由于汽車側(cè)圍有專用定位孔，在設(shè)計(jì)末端執(zhí)行器時需要根據(jù)專用定位孔進(jìn)行定位銷位置設(shè)計(jì)，如圖3-10所示。圖3-10機(jī)器人末端執(zhí)行器定位圖3.2.3搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器焊接負(fù)極連接對于搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器而言，需要考慮焊接負(fù)極如何搭接在汽車側(cè)圍?，F(xiàn)在選擇采用氣缸連接銅塊的方式，如圖3-11，3-12所示。在此設(shè)計(jì)中，由于焊接夾緊氣缸固定側(cè)不參與旋轉(zhuǎn)夾緊動作，現(xiàn)將焊接負(fù)極通過連接板連接至夾緊氣缸固定側(cè)，待焊接夾緊氣缸夾緊汽車側(cè)位后，PLC發(fā)送信號使得焊接負(fù)極氣缸動作，焊接負(fù)極即可搭接在汽車側(cè)圍上。圖3-11機(jī)器人末端執(zhí)行器單個氣缸圖3-12焊接負(fù)極搭接3.3其余機(jī)器人末端執(zhí)行器焊槍作為標(biāo)準(zhǔn)件，如圖3-13所示，可以從仿真軟件庫中導(dǎo)入。焊槍擁有獨(dú)立的參數(shù)，可以直接將焊槍的參數(shù)輸入到焊接機(jī)器人的工具參數(shù)中，可以直接得到偏移后的工具坐標(biāo)，只需要校槍即可使用。在校槍時通常采用6點(diǎn)法，即移動機(jī)器人至不同姿態(tài)，而焊槍的末端點(diǎn)未移動，共記錄4個大姿態(tài)改變的點(diǎn)，再加上X和Z方向的移動量，機(jī)器人采用逆運(yùn)算計(jì)算出焊槍的長度和TCP點(diǎn)，再根據(jù)實(shí)際輸入重心或者計(jì)算出重心位置輸入即可。圖3-13弧焊焊槍檢測機(jī)器人由于末端執(zhí)行器外形不規(guī)則，可以直接利用其6軸法蘭盤TCP作為其工具坐標(biāo)，即使用機(jī)器人默認(rèn)工具坐標(biāo)。在采集點(diǎn)時將檢測設(shè)備的外形尺寸大致考慮進(jìn)去即可，檢測裝置如圖3-14所示。圖3-14圖像檢測與X光檢測裝置3.4機(jī)器人選型3.4.1搬運(yùn)機(jī)器人選型在工業(yè)上機(jī)器人選型時要求：工業(yè)機(jī)器人的最大工作范圍不得小于零件最長側(cè)的110%。此工作站焊接的TT-40型轎車側(cè)圍最長側(cè)長度為2.73m，質(zhì)量為62.8kg。搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器理論計(jì)算質(zhì)量為45.7kg，在實(shí)際生產(chǎn)中需要加上氣管、螺栓、電磁閥和線纜的質(zhì)量，故搬運(yùn)機(jī)器人的最大負(fù)載質(zhì)量不得小于130kg。同時需要搬運(yùn)機(jī)器人還需要與其他三臺機(jī)器人協(xié)同工作，故需要適當(dāng)提高機(jī)器人的工作范圍。綜上選擇搬運(yùn)機(jī)器人型號為IRB7600-150/3.5，如圖3-15所示參考理論工作范圍，根據(jù)表3-4，可以查閱機(jī)器人6個軸的工作范圍和軸最大運(yùn)動速度。IRB7600-150/3.5具體參數(shù)如下軸數(shù)：6軸最大負(fù)載：150kg工作范圍：3.5m重復(fù)定位精度：0.2mm重復(fù)路徑精度：0.6mm機(jī)器人本體重量：2450kg手腕扭矩：1880N?m圖3-15IRB7600機(jī)器人工作范圍表3-4IRB7600-150/3.50工作參數(shù)IRB7600-150/3.5軸運(yùn)動工作范圍軸最大速度軸1旋轉(zhuǎn)+180°至-180°100°/s軸2手臂+85°至-60°60°/s軸3手臂+60°至-180°60°/s軸4手腕+300°至-300°100°/s軸5彎曲+100°至-100°100°/s軸6轉(zhuǎn)動+360°至-360°190°/s3.4.2其余機(jī)器人選型由于汽車側(cè)位外形尺寸較大，焊接附件搬運(yùn)機(jī)器人、焊接機(jī)器人和檢測機(jī)器人的工作范圍至少需要在2.73m，選擇ABB機(jī)器人IRB6700-155/2.85。此型號機(jī)器人最大負(fù)載155kg，如圖3-16所示，根據(jù)表3-5可以查閱機(jī)器人各軸最大運(yùn)轉(zhuǎn)角度和速度，綜合考慮滿足設(shè)計(jì)需要。IRB6700-155/2.85具體參數(shù)如下：軸數(shù)：6軸最大負(fù)載：155kg工作范圍：2.85m重復(fù)定位精度：0.1mm重復(fù)路徑精度：0.15mm機(jī)器人本體重量：1260kg手腕扭矩：927N?m圖3-16IRB6700-155/2.85機(jī)器人工作范圍表3-5IRB6700-155/2.85工作參數(shù)IRB6700-155/2.85軸運(yùn)動工作范圍軸最大速度軸1旋轉(zhuǎn)+170°至-170°100°/s軸2手臂+85°至-65°88°/s軸3手臂+70°至-180°90°/s軸4手腕+300°至-300°140°/s軸5彎曲+130°至-130°110°/s軸6轉(zhuǎn)動+360°至-360°180°/s3.5本章小結(jié)本章主要對搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器夾緊力和鎖緊力進(jìn)行計(jì)算和設(shè)計(jì)，對焊接附件搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器氣缸進(jìn)行選型，并對其進(jìn)行受力計(jì)算和力學(xué)性能分析，對焊接負(fù)極的搭接方式進(jìn)行設(shè)計(jì)，對焊接機(jī)器人末端執(zhí)行器和檢測機(jī)器人末端執(zhí)行器進(jìn)行介紹，并根據(jù)需要作業(yè)范圍和末端執(zhí)行器的重量對機(jī)器人型號進(jìn)行選擇，為工作站搭建做好基礎(chǔ)鋪墊工作。在設(shè)計(jì)方面，圖3-17為企業(yè)老師設(shè)計(jì)指導(dǎo)圖，老師根據(jù)現(xiàn)場汽車車門的機(jī)器人末端執(zhí)行器進(jìn)行深刻講解，從受力分析到設(shè)計(jì)，從加工到安裝，讓我對機(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)有了更深刻的了解，也發(fā)現(xiàn)了自己在機(jī)器人末端執(zhí)行器上的設(shè)計(jì)錯誤。圖3-17機(jī)械設(shè)計(jì)指導(dǎo)圖4機(jī)械裝置設(shè)置4.1搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器機(jī)械裝置設(shè)置在完成搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)后，需要將其三維模型導(dǎo)入RobotStudio軟件中對其進(jìn)行機(jī)械裝置設(shè)置，為其添加姿態(tài)，如圖4-1所示。設(shè)置完成后，可以將其作為一個工具安裝在機(jī)器人6軸法蘭盤，作為機(jī)器人末端執(zhí)行器。之后需要給機(jī)器人末端執(zhí)行器創(chuàng)建信號，將其連接至對應(yīng)的姿態(tài)，就可以通過輸出信號來控制機(jī)器人末端執(zhí)行器的開合動作。圖4-1機(jī)械裝置設(shè)置圖導(dǎo)入三維模型首先要創(chuàng)立鏈接，鏈接在設(shè)置時需要將不動的部分整體設(shè)置BaseLink，其余部分都是在BaseLink上進(jìn)行平移或者旋轉(zhuǎn)操作，根據(jù)需要依次添加需要的鏈接。完成鏈接添加后，需要設(shè)置節(jié)點(diǎn)，節(jié)點(diǎn)在類型上分為旋轉(zhuǎn)、往復(fù)和四桿機(jī)構(gòu)，夾緊氣缸在設(shè)置時均設(shè)置為旋轉(zhuǎn)，設(shè)置的最小限制為0度，最大限制為90度，如圖4-2所示。焊接負(fù)極氣缸由于作直線運(yùn)動，故設(shè)置為往復(fù)運(yùn)動。關(guān)節(jié)軸即為參考軸，采用兩點(diǎn)確定一個關(guān)節(jié)軸，此關(guān)節(jié)軸作為節(jié)點(diǎn)類型的參考軸線，即繞著此軸線進(jìn)行旋轉(zhuǎn)或者移動。圖4-2機(jī)械裝置節(jié)點(diǎn)設(shè)置如果存在復(fù)雜的機(jī)械運(yùn)動，則需要根據(jù)數(shù)學(xué)模型計(jì)算函數(shù)關(guān)系，將其添加進(jìn)依賴關(guān)系中，可達(dá)到移動單個關(guān)節(jié)多個軸跟隨運(yùn)動。4.2側(cè)圍夾具機(jī)械裝置設(shè)置由于側(cè)圍夾具氣缸較多，如圖4-1所示，需要逐個設(shè)置氣缸，組合成機(jī)械裝置，設(shè)置同搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器類似，由于側(cè)圍夾具氣缸全部為夾緊氣缸，因此氣缸的運(yùn)動均為旋轉(zhuǎn)運(yùn)動，不存在往復(fù)運(yùn)動。圖4-3汽車側(cè)圍夾具設(shè)置完成后的機(jī)械裝置可以對其進(jìn)行線性操作，如圖4-4所示，可以將多個關(guān)節(jié)的狀態(tài)保持為一個姿態(tài)，在添加多個姿態(tài)后可以選擇對應(yīng)姿態(tài)進(jìn)行轉(zhuǎn)換如圖4-5所示。圖4-4關(guān)節(jié)操作圖4-5姿態(tài)設(shè)置4.3本章小結(jié)在本章中主要介紹了機(jī)械裝置的設(shè)置，從三維模型導(dǎo)入到配置成仿真軟件中可以使用的機(jī)械裝置，同時在機(jī)械裝置設(shè)置中可以設(shè)置其他類型的機(jī)器人，也可以為機(jī)器人添加外軸。5氣動系統(tǒng)設(shè)計(jì)5.1氣動系統(tǒng)分析TT-40型轎車汽車產(chǎn)線側(cè)圍機(jī)器人弧焊工作站氣路要求控制氣缸夾具能準(zhǔn)確開閉，并能為工件提供合適的夾緊力。此氣路設(shè)計(jì)分為搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器氣路、轉(zhuǎn)臺側(cè)圍夾緊氣路和焊接附件搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器氣路共3部分，并且每個氣缸都接有磁性開關(guān)，確保構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)。5.2氣動系統(tǒng)工作流程氣動作為夾具和機(jī)器人末端的執(zhí)行部分，需要對其進(jìn)行邏輯控制和氣路流程控制，如圖5-1所示，為搬運(yùn)機(jī)器人抓取汽車側(cè)圍流程圖，氣缸均裝有磁性開關(guān)，可以從信號獲取當(dāng)前氣缸狀態(tài)，PLC需要對其進(jìn)行控制，當(dāng)完成動作后通過磁性開關(guān)返回工作狀態(tài)，確保指令的正確執(zhí)行。圖5-1RB1機(jī)器人抓取汽車側(cè)圍流程圖如圖5-2，從轉(zhuǎn)臺夾具氣路原理圖可以看到，轉(zhuǎn)臺夾具氣路由二聯(lián)件、三位五通電磁閥、調(diào)速閥、氣缸和控制電路組成。三位五通電磁閥帶有彈簧復(fù)位和電氣互鎖，對于氣缸伸出后，即使誤操作打開信號也不會動作。正常操作時需要先解鎖夾緊信號，再設(shè)置打開信號才有效，從復(fù)雜程度上解決了氣缸誤操作的可能。同時進(jìn)氣路和出氣路的調(diào)速閥可以調(diào)節(jié)氣缸執(zhí)行動作的速度，可以減少由于沖擊帶來的工件損傷和慣性沖擊。當(dāng)PLC發(fā)出信號后使得繼電器X2得電，三位五通電磁閥左位為工作位，氣體經(jīng)油霧器減壓閥通過進(jìn)氣口1進(jìn)入電磁閥，通過出氣口4再經(jīng)調(diào)速閥推動氣缸伸出，此時可以通過調(diào)節(jié)調(diào)速閥來控制氣缸動作速度。當(dāng)Y2得電后，三位五通電磁閥右位為工作位，此時氣體經(jīng)進(jìn)氣口1進(jìn)入，通過出氣口2推動氣缸縮回。圖5-2轉(zhuǎn)臺夾具氣路仿真圖由于轉(zhuǎn)臺夾具氣缸只提供固定汽車側(cè)圍的作用，加之汽車側(cè)圍定位有兩個定位銷提供定位精度，故轉(zhuǎn)臺夾具氣無需提供過大的夾緊力，只需保證汽車側(cè)圍在旋轉(zhuǎn)過程中無側(cè)向滑動和位置偏移即可。TT-40型轎車汽車側(cè)圍較大，為了保證零件在轉(zhuǎn)動過程中均勻受力，同時也防止在少數(shù)氣缸夾持下部分位置受力變形，根據(jù)TT-40型轎車汽車側(cè)圍的特征設(shè)計(jì)15個夾緊氣缸夾緊工件，如圖5-3所示。圖5-3轉(zhuǎn)臺夾具與轉(zhuǎn)臺夾具氣路原理圖不同的是，在搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器氣路中，需要將焊接負(fù)極線在焊接開始前連接到汽車側(cè)圍上，如圖5-4所示。焊接負(fù)極線采用銅塊直接接觸側(cè)圍的方式，采用單作用氣缸，在氣壓的作用下銅塊緊貼工件，在電磁閥關(guān)閉后在彈簧的作用下氣缸復(fù)位，焊接負(fù)極脫離側(cè)圍工件。圖5-4搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器氣路圖5.3本章小結(jié)本章對TT-40型轎車汽車產(chǎn)線側(cè)圍機(jī)器人弧焊工作站氣路進(jìn)行了分析、設(shè)計(jì)和理論驗(yàn)證，主要包括搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器氣路、轉(zhuǎn)臺側(cè)圍夾緊氣路和焊接附件搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器氣路，并且每個氣缸都有信號反饋動作狀態(tài)，形成閉環(huán)控制，提高控制的可靠性。6控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)6.1控制系統(tǒng)原理如圖6-1所示，PLC作為控制核心，統(tǒng)一協(xié)調(diào)外部設(shè)備。四臺機(jī)器人需要通過信號將所在位置反饋給PLC，PLC根據(jù)信號邏輯對進(jìn)入干涉區(qū)的機(jī)器人進(jìn)行控制。同時PLC也肩負(fù)控制轉(zhuǎn)臺和夾具的角色，需要PLC控制電機(jī)的旋轉(zhuǎn)方向和速度，PLC對于氣路電磁閥的控制進(jìn)而通過控制氣體流行控制氣缸動作，動作執(zhí)行過程由磁性開關(guān)反饋給PLC，使得工作站構(gòu)成閉環(huán)系統(tǒng)，提高控制精度。圖6-1控制系統(tǒng)原理圖在編程中，將汽車側(cè)圍搬運(yùn)機(jī)器人命名為RB1，焊接機(jī)器人命名為RB2，焊接附件搬運(yùn)機(jī)器人命名為RB3，檢測機(jī)器人命名為RB4。6.2機(jī)器人控制根據(jù)工作站設(shè)計(jì)要求，四臺工業(yè)機(jī)器人需要執(zhí)行不同的動作，同時搭載不同的末端執(zhí)行器。對于汽車側(cè)圍搬運(yùn)機(jī)器人而言，需要配有行走軸以增加其運(yùn)動范圍，在設(shè)計(jì)中將行走軸作為機(jī)器人的第七軸。由于第七軸對機(jī)器人本體而言作為外部軸，在初次配置時需要設(shè)置電機(jī)的減速比、回轉(zhuǎn)量、脈沖數(shù)、零點(diǎn)、溫度、電流及過載電流等參數(shù)。在仿真軟件中，需要將其創(chuàng)建為搬運(yùn)機(jī)器人的機(jī)械裝置即可，控制添加進(jìn)搬運(yùn)機(jī)器人控制器，作為機(jī)器人的第七軸。在RobotStudio軟件中，機(jī)器人本體可以從庫中根據(jù)需求調(diào)取合適的型號，并為其創(chuàng)建控制系統(tǒng)，由于此設(shè)計(jì)有四臺機(jī)器人，為了示教器統(tǒng)一顯示，在創(chuàng)建機(jī)器人系統(tǒng)之初需要打開軟件中的MultiMove功能，方便調(diào)試。由于RB1機(jī)器人需要與其他三臺機(jī)器人協(xié)同工作，并且RB1機(jī)器人擁有行走軸，需要設(shè)置RB1機(jī)器人行走軸的上下限位，添加的行走導(dǎo)軌長度為4000mm，設(shè)置其下限為0，上限為3700mm。RB1機(jī)器人的程序分為三部分：初始化程序，主程序，作業(yè)程序 。6.2.1機(jī)器人初始化程序初始化程序“Initialize”是將所有信號復(fù)位，機(jī)器人回歸原點(diǎn)，外部軸回歸home點(diǎn)，向PLC輸出home點(diǎn)到位信號，等待PLC的下一步指令信號，如圖6-2所示。圖6-2搬運(yùn)機(jī)器人初始化程序6.2.2機(jī)器人主程序主程序“main”類似與C語言中的主程序，主程序作為程序的核心部分，也是程序開始執(zhí)行的地方，在主程序中根據(jù)PLC的輸入信號調(diào)用不同的作業(yè)程序作業(yè)。在搬運(yùn)機(jī)器人的主程序中，首先調(diào)用初始化程序，然后對輸入信號DI0的狀態(tài)進(jìn)行判斷，若輸入信號DI0的狀態(tài)為1，則證明程序可以進(jìn)入作業(yè)階段；作業(yè)程序根據(jù)PLC輸入的DI10信號數(shù)值進(jìn)行判斷，滿足條件即可執(zhí)行對應(yīng)的作業(yè)程序，如圖6-3所示。圖6-3搬運(yùn)機(jī)器人主程序6.2.3機(jī)器人作業(yè)程序“Cewei_1”、“Cewei_2”為兩個不同的作業(yè)程序，作業(yè)程序可以擁有多個，面對不同類型的工件和機(jī)器人末端執(zhí)行器可以實(shí)現(xiàn)柔性切換，不拘泥于單個大批量生產(chǎn)。在企業(yè)生產(chǎn)中，通常一條產(chǎn)線會生產(chǎn)不同的型號的產(chǎn)品，在程序中使用BCD代碼來代表不同類型的零件。在多程序切換中，程序切換的索引為輸入信號，不同的輸入信號代表不同的BCD代碼，會調(diào)用不同的作業(yè)程序，如圖6-4，6-5所示。圖6-4側(cè)圍2抓取搬運(yùn)程序圖6-5側(cè)圍1抓取程序在此工作站中，側(cè)圍工件1和2分為汽車前驅(qū)側(cè)圍和汽車后驅(qū)側(cè)圍，由于抓取點(diǎn)設(shè)置在零件的公共部分，故可以使用同一臺機(jī)器人末端執(zhí)行器抓取。在抓取程序中，需要對抓取和放置點(diǎn)進(jìn)行采集驗(yàn)證，運(yùn)行軌跡中的過度點(diǎn)可以根據(jù)節(jié)拍要求和干涉規(guī)避進(jìn)行確認(rèn)，抓起預(yù)備點(diǎn)和放置預(yù)備點(diǎn)根據(jù)夾具的實(shí)際狀態(tài)進(jìn)行偏移。偏移采用RAPID語言偏移函數(shù)offs（p1,x,y,z）。其中，“p1”為需要偏置的參考點(diǎn)，“x、y、z”為參考工件坐標(biāo)系x、y、z方向偏移的數(shù)值，單位為mm。偏移之后的新點(diǎn)offs（p1,x,y,z）作為獨(dú)立點(diǎn)，不會更改p1點(diǎn)的數(shù)值。程序語句中的V1000代表速度為1000mm/s，fine代表平滑等級為準(zhǔn)確到達(dá)，tool0代表機(jī)器人工具坐標(biāo)系參考tool0。在RAPID語言中，MoveJ、MoveL、MoveC為三種不同的運(yùn)動命令，MoveJ為非直線命令，機(jī)器人行走的軌跡可能不是直線，但運(yùn)轉(zhuǎn)速度較直線會有所增加；MoveL為嚴(yán)格的直線軌跡；MoveC命令為圓弧命令，在使用MoveC命令時，機(jī)器人會結(jié)合上一行程序的點(diǎn)，三點(diǎn)繪制一個圓弧軌跡。6.3PLC控制PLC作為整個工作站的控制核心，需要控制轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)方向和速度，同時PLC也需要處理機(jī)器人發(fā)送的信號和協(xié)調(diào)機(jī)器人運(yùn)動，協(xié)調(diào)干涉區(qū)內(nèi)的機(jī)器人作業(yè)軌跡。在此工作站中由于搬運(yùn)機(jī)器人與其他三臺機(jī)器人需要協(xié)同工作，因此干涉區(qū)信號在機(jī)器人協(xié)同工作時變得尤為重要，如表6-1所示。表6-1PLC信號I/O分配表輸入端口分配輸出端口分配作用I0.0Fx_okQ0.0-Q0.3fixture_OK轉(zhuǎn)臺的旋轉(zhuǎn)180°Q0.4使能&運(yùn)轉(zhuǎn)指示燈I0.1Fx_1Q0.5fixture_1夾具1的張開與閉合I0.2Fx_2Q0.6fixture_2夾具2的張開與閉合I0.3Grp_OPNQ0.7My_gripper_open末端抓手打開I0.4Grp_GNDQ1.0My_gripper_gnd焊接負(fù)極氣缸動作I0.5Grp_CLSQ1.1My_gripper_close末端抓手的閉合I0.6Jz_CLSQ1.2Jiaziclose末端夾子夾取焊接零件I0.7X_LgtQ1.3X_lightX-ray檢測I1.0P_LgtQ1.4Photo_light拍照檢測I1.1R1_WR_OKQ1.5Rob3_wait_pickready_OKRob3等待夾取信號干涉區(qū)互鎖信號I1.2R1_CR_OKQ1.6Rob4_wait_check_OKRob4等待檢查信號I1.3R2_W_OKQ1.7Rob2_wait_weldready_OKRob3等待焊接完成I1.4R3_P_OKQ2.0Rob3_wait_weld_OKRob2等待開始焊接I1.5R3_CW_OKQ2.1Rob1_wait_cewei_weld_OKRob1等待焊接完成I1.6R4_CH_OKQ2.2Rob1_wait_check_OKRob1等待檢測完成I1.7急停PLC梯形圖中需要添加一組常閉觸電連接急停開關(guān)，當(dāng)有緊急情況時可以按下外部急停開關(guān)，以應(yīng)對意外情況的發(fā)生，如圖6-6。圖6-6PLC梯形圖6.4工作站邏輯控制此仿真工作站需要動畫組件與邏輯信號交互，對于仿真采取Smart組件與事件管理器結(jié)合的方式，工作站邏輯中需要連接各個組件之間的信號。此工作站中共包含五個Smart組件，分別是：SC_mygrippe、SC_effect、SC_fixture、SC_jiazi、SC_turn，分別對應(yīng)搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器動作組件、燈光聲效組件、側(cè)圍夾具組件、焊接附件搬運(yùn)組件、轉(zhuǎn)臺組件。此外，在設(shè)置中還應(yīng)用了事件管理器對零件組合進(jìn)行仿真設(shè)計(jì)，主要應(yīng)用為附加和提取。6.4.1仿真組件設(shè)置在此工作站設(shè)計(jì)中，使用到的組件有PoseMover組件、Attacher組件、Detacher組件、LogicGate組件、LightControl組件、SoundPlayer組件，五個Smart組件分別對其進(jìn)行若干組合，使其分別達(dá)到不同的仿真效果。事件管理器使用了附加和提取功能，其和Smart組件中的Attacher組件和Detacher組件有著相似的作用，但事件管理器的附加和提取功能對零件的組合沒有主次之分，也不需要框架和坐標(biāo)系作為參考，其設(shè)置也是使用數(shù)字信號對其觸發(fā)。在SC_mygripper組件設(shè)置中，添加PoseMover組件、Attacher組件、Detacher組件、LogicGate組件。其中，PoseMover組件用來定義一種姿態(tài)，當(dāng)此組件的執(zhí)行條件為真時，機(jī)械裝置的姿態(tài)在設(shè)定的時間內(nèi)發(fā)生變化，運(yùn)動到已經(jīng)定義的某種狀態(tài)，以此來模擬真實(shí)的運(yùn)動狀態(tài)。如圖6-7所示，設(shè)置時需要在Mechanism中選擇需要設(shè)置的機(jī)械裝置，在Pose中選擇需要到達(dá)的狀態(tài)，如果需要達(dá)到人眼可以看到的效果，在Duration中設(shè)置的時間不得小于0.05s。觸發(fā)時需要將數(shù)字信號連接至Execute并將信號由低電平轉(zhuǎn)化為高電平有效，即高電平有效和保持。圖6-7PoseMover組件屬性Attacher組件用來執(zhí)行安裝動作，將子對象安裝至父對象，即捆綁子對象于父對象，在執(zhí)行安裝之后只需對父對象進(jìn)行操作即可達(dá)到對子對象的相同操作。如圖6-8所示，設(shè)置時需要在Parent欄中選定安裝的父對象，在Flange中需要選定設(shè)置的坐標(biāo)框架，即子對象安裝時需要參考的框架方向，但不重合；Child欄選擇安裝的子對象即可。在Attacher設(shè)置屬性中有Mount選項(xiàng)，此選項(xiàng)的作用是將子對象移至父對象的位置，此選項(xiàng)設(shè)置為打開時，子對象與父對象的框架為重合狀態(tài)。觸發(fā)條件同PoseMover組件類似。圖6-8Attacher組件設(shè)置Detacher組件為拆除組件，用來執(zhí)行與Attacher組件相對的動作，在設(shè)置Detacher組件時只需將Child欄對象選中即可。Detacher組件會首先對Child對象進(jìn)行判斷，如若Child對象已被安裝則對其進(jìn)行拆除動作，否則將不進(jìn)行任何操作，既保持Child對象的原來狀態(tài)。LogicGate組件是對輸入的數(shù)字信號進(jìn)行判斷，在LogicGate組件的設(shè)置屬性中有五種邏輯狀態(tài)，分別是：NOT、AND、OR、XOR、NOP。同時還可以對輸入的信號進(jìn)行延時設(shè)置，即為輸出延時時間。Detacher組件與Attacher組件的狀態(tài)為相對狀態(tài)，此時需要LogicGate組件中的[NOT]功能，對信號取反后連接至Detacher組件。加入LogicGate組件[NOT]狀態(tài)后，可以使用同一個數(shù)字信號對Detacher組件和Attacher組件同時控制，如圖6-9所示。圖6-9LogicGate組件設(shè)置此外，在仿真設(shè)置中可以加入仿真燈光和聲音效果，以達(dá)到逼真焊接的效果。設(shè)置時需要在組件中添加LightControl組件和SoundPlayer組件，設(shè)置完LightControl組件后需要打開圖形工具即可。6.4.2仿真組件連接在所有組件設(shè)置完成后，需要將各個組件連接起來，組件連接需要注意邏輯關(guān)系和先后順序。此外，需要在Smart組件添加I/O信號配置，每個信號在配置時需要注意作為輸入信號還是輸出信號，還需要注意信號的類型是數(shù)字量、模擬量還是組輸入。在配置完成信號后就可以連接組件和信號之間的關(guān)系。此工作站中的五個Smart組件連接方式均不相同，連接時需要依據(jù)需要實(shí)現(xiàn)的功能和配置的組件按照邏輯關(guān)系配置。在設(shè)置SC_mygripper組件時，需要建立4個內(nèi)部數(shù)字輸入信號如圖，這4個內(nèi)部數(shù)字輸入信號分別連接對應(yīng)的組件，其組件觸發(fā)方式均為高電平保持有效，因此需要創(chuàng)建其值為0，如圖6-10所示。圖6-10SC_mygripper組件設(shè)置在完成數(shù)字輸入信號的創(chuàng)建后，需要設(shè)置信號與組件之間的邏輯關(guān)系。四個數(shù)字輸入信號My_gripper_open、My_gripper_gnd、My_gripper_close_2、My_gripper_close_1分別對應(yīng)機(jī)器人末端執(zhí)行器的打開狀態(tài)、焊接負(fù)極動作至工作位狀態(tài)、側(cè)圍零件2抓取后末端執(zhí)行器閉合狀態(tài)、側(cè)圍零件1抓取后末端執(zhí)行器閉合狀態(tài)。在信號連接時，My_gripper_open連接至PoseMover_2[open]、My_gripper_gnd連接至PoseMover_3[gnd]、My_gripper_close_2與My_gripper_close_1均連接至PoseMover[close]。在實(shí)際抓取時，抓手閉合后會夾取的工件夾住，之后作為一個臨時整體一起運(yùn)動。因此，在信號連接時需要添加LogicGate組件[NOT]狀態(tài)，在My_gripper_close信號未置1時不需要安裝側(cè)圍至抓手上。故My_gripper_close信號連接LogicGate組件[NOT]之后連接Detacher組件，同時My_gripper_close信號需要連接Attacher組件，如圖6-11所示。圖6-11SC_mygripper組件信號連結(jié)6.4.3工作站邏輯設(shè)置此工作站站中，工作站邏輯對所有信號統(tǒng)一協(xié)調(diào)管理，處理各個Smart組件之間的信號和機(jī)器人內(nèi)部信號，扮演真實(shí)工作站中PLC的角色。在信號連接時，需要明確信號對于不同的設(shè)備有輸入和輸出兩種角色，每個Smart組件中子組件的信號為輸入信號，需要連接PLC的輸出信號，PLC的輸入信號為Smart組件的輸出信號。在此工作站邏輯連接信號時，需要明確System與其他5個Smart組件的主從關(guān)系，反饋信號屬于組件內(nèi)部信號，無需反饋給System，具體信號連接如圖6-12所示。圖6-12工作站邏輯信號連接6.4.4事件管理器設(shè)置事件管理器設(shè)置作為仿真設(shè)置的一部分，其可以實(shí)現(xiàn)更改I/O、附加對象、提取對象、打開/關(guān)閉TCP跟蹤、將機(jī)械裝置移至姿態(tài)、移動對象、顯示/隱藏對象等操作。在此工作站中需要捆綁零件與零件、安裝零件至機(jī)器人末端執(zhí)行器、解除捆綁、拆除零件的操作。具體在配置時需要選擇信號及信號的變更方式（0跳變1、1跳變0），接著設(shè)置需要實(shí)現(xiàn)的操作，完成之后需要將啟動設(shè)置為打開狀態(tài)，否則在仿真時不會出現(xiàn)對應(yīng)的效果，具體配置如圖6-13所示圖6-13事件管理器設(shè)置6.5碰撞檢測設(shè)定在此工作站中，由于存在干涉區(qū)作業(yè)，則需要在仿真時對其干涉區(qū)進(jìn)行檢測。在RobotStudio6.07軟件中，打開碰撞檢測設(shè)定，如圖6-14所示，可以查看兩個設(shè)備間的干涉距離及位置。在碰撞監(jiān)控中可以對接近距離進(jìn)行設(shè)置，可以修改碰撞顏色便于發(fā)現(xiàn)。在工業(yè)生產(chǎn)中，由于設(shè)備慣性沖擊和設(shè)備形變一般規(guī)定干涉區(qū)作業(yè)時接近距離不得小于50mm。圖6-14碰撞監(jiān)控設(shè)置6.6檢測設(shè)置對于白皮車身弧焊，需要對焊接效果進(jìn)行檢測，現(xiàn)在普遍采用工業(yè)相機(jī)，對其焊接效果進(jìn)行拍照處理，對于照片的參數(shù)進(jìn)行閾值和濾波等一系列處理后與設(shè)定的參數(shù)進(jìn)行對比，若滿足工藝要求則焊接完成，否則作為殘次品從流水線撤下。在此設(shè)計(jì)中，采用拍照檢測和X光同時檢測的手段對焊接質(zhì)量進(jìn)行測定，確保焊接質(zhì)量。拍照檢查外觀焊接是否完成，X光檢測焊縫內(nèi)部有無空洞和虛焊，提高辨識度，如圖6-15所示。1-X光檢測；2-相機(jī)檢測圖6-15檢測裝置對于此工作站而言，相機(jī)和X光檢測設(shè)備作為機(jī)器人末端搭載的設(shè)備，只需完成機(jī)器人與其之間的開始與結(jié)束信號交互即可，具體如何實(shí)現(xiàn)檢測功能本文暫不研究。檢測信號分為拍照檢測和X光檢測，當(dāng)檢測機(jī)器人運(yùn)動到設(shè)定位之后輸出到位信號給PLC，PLC接收到機(jī)器人到位信號后首先進(jìn)行拍照檢測，依次對3個焊接位置進(jìn)行拍照檢測，當(dāng)檢測數(shù)據(jù)合格后繼續(xù)進(jìn)行X光檢測，當(dāng)全部檢查合格后發(fā)送檢測合格信號給PLC，PLC得到檢測完成信號后發(fā)送檢測完成信號給檢測機(jī)器人，檢測機(jī)器人回歸原點(diǎn)，PLC得到檢測機(jī)器人回歸原點(diǎn)后發(fā)送允許運(yùn)動信號給搬運(yùn)機(jī)器人，搬運(yùn)機(jī)器人開始運(yùn)動，搬運(yùn)汽車側(cè)位回歸轉(zhuǎn)臺位置。6.7人機(jī)交互設(shè)置機(jī)器人作為工業(yè)設(shè)備必須擁有人機(jī)交互界面，以便于發(fā)現(xiàn)和排查問題。在此設(shè)計(jì)中由于打開了仿真軟件中的Multimove功能，可以在同一臺示教器上顯示所有設(shè)備的運(yùn)行狀態(tài)。機(jī)器人在運(yùn)行過程中遇到的問題會以錯誤代碼的形式出現(xiàn)，排查問題時可以根據(jù)錯誤代碼手冊查詢問題和對應(yīng)的解決辦法。轉(zhuǎn)臺和夾具的運(yùn)行狀態(tài)也可以通過PLC傳遞給示教器，顯示夾具和轉(zhuǎn)臺的當(dāng)前狀態(tài)，如圖6-16所示。圖6-16人機(jī)交互界面6.8節(jié)拍控制在仿真工作中，為了提高生產(chǎn)效率，需要對機(jī)器人節(jié)拍進(jìn)行控制?？刂乒?jié)拍可以通過提高機(jī)器人運(yùn)行速度、調(diào)節(jié)節(jié)流閥改變氣缸動作速度、優(yōu)化機(jī)器人運(yùn)行軌跡、改變機(jī)器人運(yùn)動方式、改變機(jī)器人到達(dá)精度等方面進(jìn)行設(shè)置。在進(jìn)行節(jié)拍控制后，完成一個側(cè)圍的焊接時間縮短至63.2s，如圖6-17所示，大大提高了生產(chǎn)效率。圖6-17節(jié)拍控制6.9本章小結(jié)在本章中詳細(xì)介紹了機(jī)器人及PLC控制，工作站邏輯控制。在仿真工作站設(shè)置時，仿真組件設(shè)置和仿真組件連接是Smart組件配置中必須有的部分，工作站邏輯設(shè)置是連接機(jī)器人與Smart組件的橋梁，在事件管理器中信號可以直接控制外部器件，工