II基于ABB4600型號六軸工業(yè)機器人的汽車沖壓噴涂工作站設(shè)計目錄TOC\o"1-2"\h\u85321緒論 4118171.1引言 4174211.2噴涂機器人應(yīng)用現(xiàn)狀 4321611.3沖壓技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀 5305242總體設(shè)計方案 5240982.1方案概述 6292652.2軟件應(yīng)用說明 9225432.3硬件應(yīng)用說明 11232163機器人工作站設(shè)計 13240463.1建模設(shè)計 13324473.2主要電氣設(shè)備及外圍部件布局 17309453.3機器人工作站布局 1782374機器人編程設(shè)計 1899514.1新建機器人系統(tǒng) 1892114.2新建機器人系統(tǒng) 1992834.3smart組件 20314914.4編寫機器人程序 21298624.5機器人部分程序 22163874.6I/O通訊 2213248總結(jié) 25摘要：工業(yè)機器人技術(shù)于上世紀六七十年代在歐美國家興起，后漸漸在我國掀起新一輪的發(fā)展浪潮。起初工業(yè)機器人的主要作用是通過擬人的機械手臂來執(zhí)行各種不合適人類進行的工作任務(wù)，從而減少安全事故和提升生產(chǎn)效率，但慢慢的隨著生產(chǎn)需求的不斷增加，緊跟著發(fā)展出了在各細分領(lǐng)域的作業(yè)機器人，例如在產(chǎn)品噴涂領(lǐng)域，已經(jīng)可以實現(xiàn)工業(yè)機器人全自動化噴涂以及沖壓工作，大大的提高了產(chǎn)品的優(yōu)良率，但目前的市場普及率還不是很高。綜上所述，本課題就是汽車制造廠在人工成本不斷攀升的今天，如何利用更好的技術(shù)，來解決企業(yè)的難題。本設(shè)計打算采用一批工業(yè)機器人協(xié)同作業(yè)，去除和替代人工環(huán)節(jié)，來達到全自動化生產(chǎn)的目的，以滿足企業(yè)的生產(chǎn)需求。關(guān)鍵詞：工業(yè)機器人沖壓噴涂1緒論1.1引言隨著全球制造業(yè)用工成本的逐步攀升，一些勞動密集型企業(yè)例如汽車生產(chǎn)加工企業(yè)正面臨著兩個選擇：要么緊跟著全球工業(yè)4.0的發(fā)展進程，實現(xiàn)設(shè)備升級換代，踏入自動化生產(chǎn)的浪潮；要么進一步死磕成本，進行產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移，將企業(yè)遷移至三四線以下的城鎮(zhèn)、縣市或者東南亞一些新興的發(fā)展中國家，這些國家、地區(qū)的低端人工成本仍可以控制在人民幣2000元/月以下甚至更低。但顯然，如果企業(yè)同時擁有兩種選擇權(quán)的話，還是第一種方案比較適應(yīng)長遠的發(fā)展。本設(shè)計就是針對汽車生產(chǎn)廠對于汽車車門的噴涂產(chǎn)線進行一系列的自動化噴涂的研究，根據(jù)現(xiàn)有汽車車門噴涂技術(shù)的的特點，利用工業(yè)機器人、自動噴涂等技術(shù)來達到提高自動化程度與產(chǎn)品良率的的目的。1.2噴涂機器人應(yīng)用現(xiàn)狀隨著社會的進步與發(fā)展，應(yīng)用噴涂機器人進行噴涂工作的企業(yè)越來越多，尤其是在汽車行業(yè)中，比如說車門車身等都需要進行表面噴漆處理。由于噴涂所使用油漆含有對人身體有害物質(zhì)，長期接觸可能會誘發(fā)癌癥。這些問題極大的促進了噴漆機器人的發(fā)展和普及。就目前的噴漆機器人發(fā)展水平來講，噴涂機器人相比人工噴涂有以下優(yōu)點：一是噴涂機器人噴涂品質(zhì)更高，噴涂機器人能夠精確地按照車門形狀軌跡進行噴涂，噴涂精度高并且可以根據(jù)需要及時啟動或者關(guān)閉噴槍，有效避免油漆的浪費和淌流現(xiàn)象，確保指定的噴涂厚度，保證了良品率，而達到這種噴漆水平的人才稀少且成本較高；二是使用噴涂機器人進行噴涂速度快、漆面均勻，產(chǎn)生的殘次品較少，基本不用人工進行二次補漆。即使根據(jù)車門所需油漆厚度及時做出調(diào)整也不會發(fā)生噴涂厚度不一等問題；三是噴涂機器人穩(wěn)定性好，操作方便，可在電腦端進行離線編程，進行仿真測試，減少現(xiàn)場調(diào)試時間，避免噴涂錯誤造成經(jīng)濟損失。1.3沖壓技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)狀在本次設(shè)計中，需要進行噴涂的主體產(chǎn)品是沖壓成形過后的汽車車門，而市面上幾乎所有的包括車門在內(nèi)的汽車殼體部分都是使用的鋼材料或者鋁合金材料，這些材料的優(yōu)勢在于易鍛造成形，并且輕便，材料的選擇可以大大減輕整車的重量。但是任何材料都不可能完美無缺，這些輕型材料的硬度和強度都不如傳統(tǒng)金屬材料的系數(shù)高。因此，在生產(chǎn)中需要使用柔性技術(shù)等方式來保持殼體的平整性，比如在本次設(shè)計中，如果沖壓完成后的車門在進行搬運的過程中收到了磕碰，造成了表面的凹陷或刻痕，就會導致在之后的上色等工序中發(fā)生涂色不均勻等現(xiàn)象，最終影響汽車的美觀質(zhì)感與質(zhì)量。1.4設(shè)計思路概述在具體的設(shè)計中，針對汽車車門沖壓加工與噴涂這一生產(chǎn)環(huán)節(jié)，進行了相應(yīng)的調(diào)查研究，了解到該生產(chǎn)環(huán)節(jié)目前存在的劣勢與不足，并結(jié)合目前的生產(chǎn)線現(xiàn)狀，發(fā)現(xiàn)人工在進行車門原材料上下料工作時具有一定的危險，并且物料放置需要一定位置精度要求，所以在這里我使用ABB型工業(yè)機器人進行工作，這樣不僅降低了工人發(fā)生安全事故概率，也縮短了上下料時間。車門沖壓成型后需要進行噴涂工作，該工作對人身健康危害較大且對技術(shù)要求較高，而使用ABB型噴涂機器人進行工作不僅可以避免油漆對人身健康造成危害，噴涂機器人能夠精確地按照車門形狀軌跡進行噴涂，噴涂精度高并且可以根據(jù)需要及時啟動或者關(guān)閉噴槍，有效避免油漆的浪費和淌流現(xiàn)象，確保指定的噴涂厚度，保證了工件的良品率。在該過程中，我使用了與現(xiàn)實完全一致的參數(shù)數(shù)據(jù)，比如說車門原材料尺寸大小、重量，以及車門沖壓成型后運輸?shù)絿娡寇囬g時的運輸鏈，并盡可能的推演實際生產(chǎn)中會碰到的一些問題，進行設(shè)計可行性的驗證。最終，通過對工業(yè)機器人工作進行仿真，我驗證了設(shè)計方案，實現(xiàn)了仿真效果，一旦應(yīng)用于企業(yè)，在實際生產(chǎn)中可以有效提高汽車車門沖壓加工與噴涂生產(chǎn)線的產(chǎn)量、進一步降低人工成本，增強企業(yè)效益。2總體設(shè)計方案2.1方案概述使用ABBIRB4600型號六軸工業(yè)機器人，配套自動噴涂工具與沖壓工序，將其組合應(yīng)用在汽車行業(yè)自動化生產(chǎn)線的噴涂環(huán)節(jié)中?；诠I(yè)機器人的噴涂技術(shù)可以有效避免染料對傳統(tǒng)噴涂工人的傷害，并提高生產(chǎn)效率，減少人工成本。設(shè)計過程中需要涉及涉及方案的整理、工業(yè)機器人的研究選型、工業(yè)機器人離線編程技術(shù)及編程軟件應(yīng)用、三維建模軟件應(yīng)用、smart組件設(shè)計、機器人工作站通訊配置、在線示教編程、機器人工作站仿真調(diào)試與輸出等技術(shù)與知識。2.1.1總體流程 總體流程：車門原材料經(jīng)過傳送帶1運送到?jīng)_壓車間，物料到達傳送帶末端時，傳感器釋放信號；上料機器人接收到傳感器發(fā)出的信號進行物料抓取吸附動作、將物料放置到?jīng)_壓機；圖2-2上料機器人進行上料上料機器人退回到安全位置發(fā)出信號給沖壓機，沖壓機收到信號進行沖壓工作，沖壓完畢后發(fā)出信號傳遞給上料機器人和下料機器人；下料機器人收到信號抓取吸附車門放置到傳送鏈上，傳送鏈傳感器感應(yīng)到車門到位以后運往噴涂車間；圖2-5下料機器人車門到達噴涂地點后傳感器發(fā)出信號給噴涂機器人，噴涂機器人收到信號進行噴涂工作，噴涂完成后經(jīng)傳送鏈運送出噴涂車間，再由人工進行晾干處理。當下料機器人第一次抓取物料離開后，傳送帶開始傳送第二塊物料。沖壓機第一次沖壓完畢傳遞信號后，上料機器人抓取第二塊物料進行上料。圖2-7噴涂機器人進行噴涂圖2-8噴涂完畢車門2.1.2流程圖圖2-9流程圖2.2軟件應(yīng)用說明采用工業(yè)機器人編程的軟件是Robotstudio，版本選擇為6.08。采用的三維建模軟件是Solidworks，版本為2016。2.2.1Robotstudio介紹RobotStudio是一款能夠?qū)BB型機器人進行仿真工作的軟件，它能夠盡可能真實的反應(yīng)機器人在工作中的狀態(tài)，能夠在離線狀態(tài)下進行機器人編程。在ABB模型庫中可以根據(jù)需要選用不同型號的機器人。然后就是添加機器人系統(tǒng)，在從布局、選項中可根據(jù)自己需要選擇不同語言、系統(tǒng)。導入幾何體，將外部模型導入到虛擬工作站中，注意需要使用與工作站兼容的格式文件。RobotStudio可以讓用戶對自己想要規(guī)劃的設(shè)計進行高程度的、貼合實際的進行仿真模擬，對新編的機器人運行軌跡程序進行虛擬仿真，能夠讓用戶及時發(fā)現(xiàn)問題，能夠避免在現(xiàn)實中實踐所造成的損失，降低研發(fā)成本。并且在RobotStudio軟件上所編寫的軌跡程序經(jīng)過虛擬仿真試驗確認無誤后可以直接用優(yōu)盤拷貝到具有相同機器人系統(tǒng)的ABB型機器人上進行使用，這也極大地方便了用戶的使用以及避免了輸入到機器人過程中出現(xiàn)錯誤的問題。示教器操作和機器人軌跡仿真與實際情況并無不同，這使得新用戶能夠在軟件上提前熟悉操作，避免實際操作中出現(xiàn)錯誤造成經(jīng)濟損失。圖2-10Robotstudio詳細功能2.2.2Solidworks介紹Solidworks是一款三維CAD軟件，它相比其他三維軟件學習起來比較容易上手，且功能一樣強大。SolidWorks軟件在三個方面體現(xiàn)出它的功能強大，一是3D繪圖設(shè)計功能，二是數(shù)據(jù)分析與管理功能，三是基于物理學的仿真分析功能。在這里我主要使用了三維建模功能，Solidworks的本功能具有設(shè)計糾錯功能，可以找出設(shè)計的不合理之處。這使得Solidworks軟件用戶越來越多。 Solidworks軟件對于我來講，并沒有系統(tǒng)的進行學習過，我在本設(shè)計中使用的沖壓機模型和車門模型借鑒于他人模型，在他人指導下完成模型的創(chuàng)建和應(yīng)用。經(jīng)過這一次應(yīng)用Solidworks軟件進行三維模型創(chuàng)建的嘗試，讓我對Solidworks軟件有了進一步了解。2.3硬件應(yīng)用說明2.3.1上下料機器人介紹由于在沖壓工序中原材料放置有一定的位置精度要求，提高一定的精度要求可提高原材料的利用率，降低成本。所以此次設(shè)計我選擇了ABBIRB4600型號機器人用來作業(yè)，機器人參數(shù)如圖所示。IRB4600在本工作中多個方面都擁有其他型號機器人不能比擬的優(yōu)勢。在精度方面，IRB4600的精度達到了0.5mm以下，運行時快、準、穩(wěn)，極大提高生產(chǎn)效率，降低次品率。在工作范圍方面，IRB4600的工作范圍可達2.05米，能適應(yīng)在多設(shè)備、長距離的工作環(huán)境下進行作業(yè)，縮短了周期作業(yè)時間。在機身體積方面，雖然IRB4600擁有較大的工作范圍與機體負重，但在同類參數(shù)的機器人中，體積、占地面積偏小，在規(guī)劃工作站布局時，可以有效縮短機器人與設(shè)備之間的距離，從而提高產(chǎn)能。圖2-11機器人詳細參數(shù)圖2-12IRB46002.3.2噴涂機器人介紹 噴涂車間噴涂必須使用專用防爆型機器人，由于車門噴涂體積大小以及噴涂角度問題，沒有選用小型和大型噴涂機器人，而是選用了一款高度靈活，精確度較高的這款ABBIRB5510型中型噴涂機器人。IRB5510型中型噴涂機器人靈活度很高，它到達某些姿態(tài)所花時間更短，工作效率更高。配備了直板設(shè)計的高精度中空腕部技術(shù)，減輕了對供漆、供氣軟管的磨損，使機器人工作更加可靠。此外，這款I(lǐng)RB5510型噴涂機器人腕部能夠在任何方向進行140度旋轉(zhuǎn)。IRB5510型噴涂機器人采用了ABB獨特的集成過程系統(tǒng)，具有閉環(huán)調(diào)節(jié)和氣流控制以及高速油漆。ABB獨特的集成過程系統(tǒng)可以延長過程響應(yīng)時間并減少油漆和溶劑的浪費。使涂料流與噴涂機器人手臂的運動同步，提高轉(zhuǎn)移效率，最大限度的減少過噴，從而減少涂料浪費、降低生產(chǎn)成本。圖2-13IRB55103機器人工作站設(shè)計3.1建模設(shè)計3.1.1建模思路1、使用solidworks軟件創(chuàng)建沖壓機、汽車車門、工具以及各部件的3D模型。2、將創(chuàng)建好的工具與產(chǎn)品部件導入到機器人系統(tǒng)里面，進行工具的創(chuàng)建與安裝以及產(chǎn)品的布局。3、進行自定義機器人工具，將導入的模型合并整體裝配件、重定義工具中心點、新建工具原點、創(chuàng)建工具坐標系。最后將工具安裝至機器人法蘭盤末端，更新位置后完成安裝。3.1.2產(chǎn)品模型 一塊普通車門外板原材料加工之前大小約為1.2米×1.8米，厚度一般為0.7毫米到1.2毫米左右，質(zhì)量約為20斤到40斤左右的冷軋鋼板。圖3-1汽車車門沖壓前三維模型圖3-2汽車車門沖壓后三維模型3.1.3工具模型 噴涂工具的選用根據(jù)涂料流量、噴涂距離以及工作量大小來判斷，有大、中、小三種型號噴槍，根據(jù)每分鐘出漆量判斷，小型出漆量小于100g，中型180g左右，大型大于200g。因為車門需要噴漆面積不是很大而要求精度較高，所以選用了小口徑噴槍。3.1.4噴涂要求一是噴涂時應(yīng)保證噴槍無論如何移動，噴槍與車門表面保持九十度，否則得不到均勻涂層；二是噴槍距離，噴槍出漆口到車門表面的距離應(yīng)保持為250毫米到350毫米。三是移動速度，噴槍噴涂時移動速度不同，噴涂效果不同，應(yīng)根據(jù)涂料特性和需要涂層厚度調(diào)整噴槍移動速度。一般控制在在30厘米每秒到60厘米每秒之間做調(diào)整。四是物化面寬度，噴涂時要調(diào)整好霧化面的寬度，一般控制在300毫米到450毫米之間。五是噴涂的搭接，噴涂時行與行之間的搭接寬度要控制相同，搭接處噴涂移動速度要快于中間，避免涂層厚薄不一產(chǎn)生流掛。六是噴涂順序，一般是從高到低、從左到右、從上到下、從里到外。圖3-3機器人噴涂工具3.1.5上下料工具 由于制作車門外板物料的表面光潔度較高，體積較大，采用手爪式工具進行抓取需要手爪體積較大，抓取車門物料后有滑落風險，易造成墜物安全事故，損壞物料，造成經(jīng)濟損失。因此采用了吸盤吸附式工具進行車門加工過程中進行搬運、上下料。吸附式工具具有吸附力分布均勻、抓取力穩(wěn)定、抓取后不易脫落等優(yōu)點。吸附式工具可根據(jù)待抓取物料體積大小調(diào)節(jié)吸盤位置，使抓取物料保證均勻受力，防止因受力不均勻發(fā)生脫落墜物安全事故。圖3-4機器人吸附工具3.1.6吸盤大小計算根據(jù)所選機器人負載大小確定吸盤所需最大吸力為60Kg，吸盤個數(shù)為8個，計算公式如下：F=F:吸盤吸力；S:總面積；P:真空度；μ:安全系數(shù)；s=s:單個吸盤面積；r:吸盤半徑；表3-1F（N）S(cm2)P(MPa)μs(cm2)r6004800.054604.37謹慎起見，吸盤選用8個半徑為5cm吸盤。3.2主要電氣設(shè)備及外圍部件布局本次設(shè)計大多采用的是Robotstudio軟件中自帶的模型資源，只有少部分工具從外界導入到該軟件中。因此在工作站的創(chuàng)建中，例如機器人本體、控制柜、傳送帶、機器人基座等電氣設(shè)備與外圍部件均使用的是Robotstudio軟件中自帶的模型資源，這些模型的功參數(shù)與實際工作站基本一致，保證了仿真工作站的合理性。3.3機器人工作站布局確定了軟硬件的選型以及創(chuàng)建完成三維模型之后，我們就可以開始進行機器人系統(tǒng)的工作站布局了，根據(jù)加工流程，遵循效率化、合理化、安全第一的原則，將工業(yè)機器人、電氣設(shè)備以及外圍部件擺放至合適的位置，就完成了工作站的整體布局。上料機器人位置的確定我是根據(jù)車門原材料送料傳送帶位置以及沖壓機位置進行確定，避免超出機器人的工作范圍，避免機器人到達奇異點，考慮到車門原材料有一定的體積，應(yīng)避免在運輸過程中碰到機器手臂。其次在把原材料放置到?jīng)_壓機上過程中，應(yīng)盡可能保證機械手臂的靈活性，便于沖壓機換模具后進行機器人放置位置的調(diào)整。對于上下料機器人工具的選用考慮到車門材料表面光潔度較高，因此采用了吸附式吸盤。下料機器人同理。噴涂機器人考慮到噴涂環(huán)境要求以及安全要求，選用了噴涂專用的機器人IRB5510，具有防爆性能。噴涂車間環(huán)境要求一是通風好，空氣流通量大；二是潔凈度高，無塵土、雜物。車門成型后的運輸考慮到需要進入噴涂車間進行噴涂處理，因此使用了懸掛式運輸鏈，可直接進入噴涂車間完成噴涂。圖3-5機器人工作站整體布局4機器人編程設(shè)計4.1新建機器人系統(tǒng)仿真軟件并不是只為了展示模型與視圖，它能夠使虛擬工作站實現(xiàn)與現(xiàn)實中的機器人工作站完全一樣的功能，能夠?qū)C器人進行操控、使其按照程序進行軌跡仿真，還可以進行電氣設(shè)備與機器人之間的通信達到控制吸盤等工具的吸附動作等。要使用這些功能必須在Robotstudio軟件中添加機器人模型，添加相應(yīng)的的機器人系統(tǒng)，這個系統(tǒng)是控制機器人完成仿真模擬的基礎(chǔ)，它會占用計算機一部分內(nèi)存與存儲，來模擬出一個虛擬控制器，它擁有著與控制柜一樣的特性，依托這個虛擬控制器可以完成一系列現(xiàn)實中復雜的操作。新建機器人系統(tǒng)的步驟相對不難，只需要選擇合適的機器人型號添加進工作站，例如我選擇了IRB4600工業(yè)機器人，然后選擇新建系統(tǒng)的保存位置與RobotWare版本，在這里我選擇的是6.08版本，在編輯選項中可以選擇語言和系統(tǒng)，點擊完成就可以創(chuàng)建一個完整的機器人系統(tǒng)，控制器也會隨之啟動，不過需要注意一點，所創(chuàng)建系統(tǒng)的路徑名稱最好以英文字母的形式保存，否則容易引起系統(tǒng)混亂。圖4-1新建機器人系統(tǒng)4.2新建機器人系統(tǒng)使用solidworks軟件創(chuàng)建而成的工具三維模型可以導入進Robotstudio軟件中，但是導入之后的工具僅僅是一個幾何體模型，不具備工具的框架，不具備工具的特性。因此，我們需要對工具進行框架的創(chuàng)建以及工具的創(chuàng)建，使其擁有工具的特性，能夠正確的安裝在法蘭盤中心。Robotstudio軟件中包含的工具可以直接進行工具的安裝，不需要進行調(diào)試。圖4-2創(chuàng)建工具4.3smart組件smart組件是使用Robotstudio軟件進行離線編程時非常重要的一環(huán)，它可以針對各種不同的部件添加相應(yīng)的子組件，并通過控制器的通信將具有各種特性的子組件連接在一起，再通過機器人與部件之間信號的通信，來設(shè)計各種編程任務(wù)。Smart組件在編程中也起到了設(shè)計、連接、觸發(fā)、反饋等多方面的作用。子組件主要分為八種類別，分別是：信號和屬性、參數(shù)建模、傳感器、動作、本體、控制器、物理以及其他。這八類子組件代表了邏輯運算、安裝拆除、傳感器噴涂、拷貝刪除、移動運動等多種信號的觸發(fā)，是機器人仿真設(shè)計中必不可少的一環(huán)。常用的smart子組件有PlaneSensor（平面?zhèn)鞲衅鳎ource（拷貝）、LinearMover（線性移動）、Queue（隊列）、LinearSensor（線性傳感器）、Detacher（拆除一個對象）、Attacher（安裝一個對象）、LogicGate（邏輯運算）等，其中包含了感應(yīng)、拷貝、移動、隊列、安裝拆除等等的效果。圖4-3smart組件設(shè)計連接圖4.4編寫機器人程序在ABB工業(yè)機器人控制器示教器中對其進行編程，需要使用RAPID編程語言命令，以及ABB機器人專用的編程環(huán)境。RAPID編程語言中具有許多機器人控制指令和數(shù)據(jù)運算指令，這些指令在一段程序語句中起主導作用，是相應(yīng)數(shù)據(jù)和函數(shù)按照某種方式運算的特殊符號或字符。比如說改變舵機的空間位置、手動線性、手動關(guān)節(jié)、查看機器人目標、示教目標點等，可以完成運動路徑規(guī)劃、空間建模、仿真設(shè)定、邏輯判別、添加時間管理器等任務(wù)。ABB工業(yè)機器人的數(shù)據(jù)是在編程環(huán)境中的程序模塊或系統(tǒng)模塊中建立的。數(shù)據(jù)由用戶創(chuàng)建和聲明，并可任意命名。對機器人進行工業(yè)應(yīng)用編程，首先需要對編程環(huán)境進行搭建做準備工作，完成工具中心點（ToolCenterPoint）和工具的重心、質(zhì)量等數(shù)據(jù)的確定。進行機器人編程的前提是設(shè)定工具坐標，針對不同行業(yè)及工業(yè)機器人所需要完成的工作不同，機器人所使用的工具也不同，而噴槍就是噴涂機器人的工具。其次對噴涂機器人進行編程時需要在工件坐標中建立需要的目標點和運動軌跡。編輯完成的程序?qū)ぜM行重新定位時，需要調(diào)整和修改工件坐標，便可以自動生成新的路徑。4.5機器人部分程序 4.6I/O通訊在工業(yè)機器人應(yīng)用過程中