（机械制造及其自动化专业论文）机器人滚边技术及其应用研究.pdf

机器人滚边技术及其应用研究摘要本文结合汽车门盖的总成结构及工艺流程，概述手工包边、液压机模压包边、专机包边等传统包边工艺；通过分析包边过程及包边类型，研究机器人柔性滚边技术，并对板件在不同直径滚轮作用下受力弯曲变形进行有限元分析；概述滚边工具、滚边胎模夹具等机器人柔性滚边系统关键设备的系统构成及技术要求，并阐述机器人滚边系统的控制方法；通过三维建模与仿真技术对机器人滚边工艺方案进行设计，完成了r o b c a d 中的系统仿真数据建模、运动仿真及机器人滚边o l p ；研究包边质量缺陷及其成因，结合对实际应用中的机器人滚边质量缺陷的分析，提出有效解决措施。关键词：滚边工艺机器人仿真滚边质量r e s e a r c ho nt h et e c h n o l o g ya n da p p l i c a t i o no fr o b o t i cr o l l e rh e m m i n ga b s t r a c th e m m i n gi sam e c h a n i c a lj o i n i n gm e t h o dt h a tt y p i c a l l ym e t a ls h e e t sc o m p o n e n t s ，s u c ha st h ei n n e ra n do u t e rp a n e l sh o o d a n dt r u n kl i d t h el o c a lk e yt e c h n o l o g yi sl a i ds o p h i s t i c a t e di np l a n n i n g ，d e s i g na n dp r o c e s s u s e dt oc o n n e c tt w oo fa u t o m o b i l ed o o r ，b e h i n dt h eo v e r s e ar o l l e rh e m m i n gp r o c e s sa n dt r a d i t i o n a lh e m m i n gt e c h n o l o g yw a sd i s c u s s e d ，a n db e n d i n gd e f o r m a t i o no ft h ep r o d u c tw a sa n a l y z e d ，w i t hd o o ra n dh o o ds t r u c t u r e sb e i n ga n a l y z e d t h ek e ye q u i p m e n ta n dc o n t r o ls y s t e mo fr o b o t i cr o l l e rh e m m i n gs y s t e mw a si n t r o d u c e d s i m u l a t i o no nr o b c a dp l a t f o r mw a ss t u d i e dt od e s i g na n dv a l i d a t et h ep l a n to fr o b o t i cr o l l e rh e m m i n gp r o c e s s i nt h ee n d ，q u a l i t yd e f e c t sw h i c ha p p e a r i n gi nt h ep r a c t i c a la p p l i c a t i o nw a sd i s c u s s e d ，a n dt h ef e a s i b l em e a s u r e sw e r ea d v a n c e d o n ep r o je c tw a st a k e na sa ni n s t a n c ef o ri m p l e m e n t a t i o no fp l a n n i n g ，s i m u l a t i o na n da u d i t k e y w o r d s - r o l l e rh e m m i n gp r o c e s s ；r o b o ts i m u l a t i o n ；q u a l i t y插图目录图2 1 发舱盖组成图一6图2 2 门盖总成工艺流程图7图2 3 包边工艺过程8图2 - 4 压力机模压包边9图2 。5 专机包边原理图1 0图2 - 6 机器人滚边路径顺序一ll图2 7 机器入滚边压力1l图2 。8 常见包边方式l3图2 - 9 弯曲变形过程中纤维的伸张1 4图2 一l o 有限元仿真模型1 7图3 1 滚边工其示意图1 9图3 2 胎模的三维设计图一2 0图3 。3 消失模2 l图3 。4 胎模上夹具定位夹紧2 2图3 5 六轴机器入的本体结构2 3图3 - 6 机器人的工作范围2 3图3 7 坐标复合交换。2 5图3 8 枧器入连杆坐标系2 6图3 9 网络控制架构图2 8图3 。1 0 基本工作流程分析图一2 9图4 。1r o b c a d 界蘧图。3 3图霹。2 数模转换3 4图4 3 夹具的建模：夹爪的开闭3 4图4 4 滚边工具坐标设定3 5图4 。5 滚边工作站的2 d l a y o u t 规划图。3 6图4 。6 滚边任务路径3 7图4 7p a t h 信息指派图3 7圈4 8k u k al o a d 校验。3 9图4 9 滚边工作站布局3 9图4 1 0 离线编程的参数设置4 l图5 1 缩进与胀大4 2图5 。2 门盖装聚间隙4 2图5 3 表面质量区域4 3图图图图34564444测检陷具弯缺检变翘角舱与上圆机回角边动弹尖包发表格清单表2 1 包边方式对比一1 2表2 2 依据包边几何形状的分类1 3表2 3 不同材料性能和应力应变状态下的屈服指数1 5表2 4s p c e n 材料属性1 7表2 5 不同滚轮的应变分析1 7表2 6 不同滚轮的应力分析1 8表2 7 不同滚轮的包边示意图18表3 1 六自由度机器人连杆参数2 6独创性声明本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得垒8 墨工些厶堂或其他教育机构的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任俩贡献均已在论文中作了明确的说明并表示谢意。学位论文作者签名：羰碣磐签字日期：加加年9 月谚日学位论文版权使用授权书本学位论文作者完全了解佥g 墨王些盔堂有关保留、使用学位论文的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘，允许论文被奄阅和借阅。本人授权金8 巴王些盍堂可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编学位论文。( 保密的学位论文在解密后适用本授权书)日学位论文作者签名：硎蓼签字日期：“年p 月二，日学位论文作者毕业后去向：工作单位：通讯地址：导师签名：弘钐鸣签字日期：7 dp 年牛月电话：邮编：致谢本文是在尊敬的导师王健强教授的精心指导下完成的。近三年来，无论是在学习上，还是在生活上，王老师都给予我很多的关怀和帮助。王老师为学生提供了很好的学习机会，并且精心指导，使学生充分了解和学习了工业机器人技术及自动化解决方案，并使学生参与了多个工业机器人项目。与王老师共同工作的经历，更是学生一生中宝贵的财富。学生所取得的所有成绩和进步，都包含着恩师的心血。王老师渊博的学识、开阔的视野、严谨的治学态度、求实创新的工作作风，永远引导和激励着学生在科学技术的殿堂里探索和前进。在此论文完成之际，谨向王老师致以最崇高的敬意和衷心的感谢。同时感谢巨一自动化装备有限公司为我提供的实习机会和一切便利，感谢诸位公司领导及同事对我学习和生活上的关怀。特别感谢张克林、韩慧、崔鹏、李彩杰、王建中、黄飙、牛兆龙、王庆华、杨明文等领导同事在我论文撰写过程中给予的支持与帮助。另外感谢王华国、李斌、童育华、刘宝柱、王玮、季焓、时晓蕾、乔依南、汤东华等同学在生活和学业上给我提供的支持和帮助。感谢我的家人，他们的支持和理解是我完成学业的前提和动力。我的学业及论文中凝结了他们许多的心血。最后向在百忙之中评审本文的各位专家老师表示衷心的感谢。作者：张婧慧2 0 10 年4 月第一章绪论汽车工业可促进一个国家的工业化进程，促进产业结构升级。世界发达国家都把汽车工业作为重要的战略性产业发展，都是国民经济的重要组成部分。汽车工业水平是一个国家现代化水平的重要标志【1 1 。焊装线是车身生产四大工艺冲压、焊接、涂装、总装的重要组成部分【2 】1 3 】，焊装线主要由发动机舱线、前围线、后围线、左右侧围线、地板线、顶盖线及门盖线组成，门盖线【4 j 是焊装线中相对独立的单元，门盖线主要由内外板的分总成焊合、内外板包边、涂胶、打标、补焊等组成。内外板包边是整个门盖线中的关键技术，包边的质量直接影响到车身的质量和外观。目前在汽车制造行业，机器人滚压包边技术是近年来产生并得到迅速发展的一项新型技术，具有成型美观、柔性化制造、调试周期短、设备一次性投入小及维护成本低、作业面积小等显著特点，在国内外各大汽车制造厂中己逐步得到运用。随着汽车市场竞争的愈演愈烈，车型更新日新月异，以低成本、高速度、高质量的更新车型是当今汽车发展的趋势，机器人滚压包边技术正是适应这种潮流，是今后白车身四门两盖及翼子板成形技术的一个方向。但是，多年来这项技术一直被国外机器人集成制造商所垄断，国内汽车厂商需花大量外汇购买此装备。目前，国内对机器人滚边关键技术的研究还很薄弱，几乎空白，尚无提供门盖线机器人自动化岛的能力，这严重影响了我国汽车制造关键核心装备的国产化进程。因此，对机器人滚边柔性系统的应用研究已经成为了汽车制造行业重要的研究课题之一。1 1 机器人滚边技术研究的背景和意义中国汽车工业规模在迅速增长，据中国汽车工业协会提供数据显示【5j ，2 0 0 9年汽车产销1 3 7 9 1 0 万辆和1 3 6 4 4 8 万辆，同比增长4 8 3 0 和4 6 1 5 。已经超过美国、日本成为世界第一汽车生产和消费国。汽车工业的发展主要是轿车工业的发展，而轿车市场的容量取决于人口总数和轿车普及率。根据社会经济的发展趋势，发达国家要继续发展，发展中国家要迎头赶上发达国家的经济生活水平，全世界的轿车普及率必然会不断提高，尤其是中国等发展中国家。根据美国麻省理工学院的预测，全世界2 0 10 年人均轿车占有率将由19 9 9 年的每11 2人有一辆上升到每8 - 9 人有一辆，它相当于全世界到2 0 1 0 年尚需要新增年产约1 5 0 0 万辆汽车的生产能力。由此可以看出，汽车工业有远大的发展前景。中国随着十六大提出的全面建设小康社会战略目标的实施，未来的1 0 - 2 0 年，必将是中国汽车产业获得较快发展的时期，无论是汽车市场销售量还是汽车产量，每年都会有较多增长，汽车工业必将成为国民经济发展的支柱产业。尽管近年来我国汽车行业总体形势不错，但用建立科学发展观、大力推进经济增长方式根本转变的要求衡壁，我国汽车工激仍存在着一些闯题。汽车装备业整体上大而不强，自主创新能力薄弱，部分关键技术过分依赖国外，缺乏国际竞争力，制约了我国汽车行业的快速发展。因此，发展我国汽车工业是十分重要和紧迫的。在汽车工业生产中，传统的门盖线的包边方式【6 】”【1 0 l 主要有压力机模压包边和车门折边机包边，机器人滚边方式是新型的包边技术。( 1 ) 压力机模压包边是将模雁包边设备装在大型压机上，一次成形，生产效率高，包边覆量和外观均很好。对于不同的产品，模压包边可以通过更换不同模具来实现。但是；压力机模压包边的设备维护成本高，作业谢积大，模具开发与制造不仅投入成本商，而且生产周期长，不利于降低汽车产品的生产成本和缩短开发周期，从而产品的竞争力大大降低。( 2 ) 车门折边机是采用油缸驱动杠杆翻转的预包边和包边技术，设备的一次投资小，但设备维护复杂，且包边闵期长，每台折边机都是专用的，只能生产一种产品，无法实现柔性化生产。3 ) 新型的机器入滚边技术，不仅设备的一次性投入小成本低，丽显成型美观、柔性化制造、调试周期短、作业面积小，最重要的是研发和制造周期短，提高了产晶竞争力，适应汽车工业的快速发展，符合汽车制造业中车身柔性化生产线的发展趋势。随着汽车进入家庭比例的大幅度上升，汽车制造业问的竞争网益激烈，为了抢占尽可能大的市场份额，汽车生产企盏在提嵩产量的同时，不断推出新车型来迎合广大消赞者对汽车外观、价格等方面的个性化需求。美国近几年做的个关予消费者偏好的调查显示，在以往的二十年里，绝大多数的消费者偏好的是汽车的款式而不是性能。每年日本生产的汽车中2 4 3 的汽车有一个较大款式的变化。快速多变丽庞大的市场需求决定了多品种小批量正在成为未来汽车的主要生产方式。生产模式的改变，车身生产线上原来的一些设备就成7 降低产品开发成本、缩短开发周期的瓶颈。如何降低混线生产成本，提高生产效率和产燕质量，已经戒为国杰汽车生产厂家亟待解决的共同闻题。机器入门盖线柔性自动化系统为门盖线的多车型混线生产提供了解决方案。自上世纪九十年代以来，机器人滚压包边技术引起了汽车制造业的广泛关注。它能够针对不同几何形状的零件，采用不同的包边路径，因此对不同零件具有柔性，大大降低了模具费用，节省成本和产品研发周期。世界各大汽车公司对机器入滚压包边设备的开发都给予极大的重视。近死年，在这一领域基出现不少专利，如德国k u k a 、e d a g 、瑞典a b b 等国外实力雄厚的大型企业。机器入应用水平是个国家工业叁动化水平的重要标志1 1 1 1 。机器人的使用将变得普遍，品种可变的柔性生产线将全面取代过去品种单一、限定性大的刚性生产线。随着我国制造业的迅猛发展，我国机器人的市场需求不断增加，机器人的销售量持续增长。专家预测，中国机器人到2 0 1 0 年拥有量将达到1 7 3 0 0台，到2 0 15 年，市场容量将达十几万台( 套) 。汽车制造、工程机械及电机、电子等行业的企业是中国今后对机器人需求最大的部门，其中所需机器人的品种以弧焊、点焊、喷漆、装配、搬运、冲压、滚边等为主。自动化的实施可以改善工艺性和提高可操作性，大量使用工业机器人和自动化系统是提高自动化水平的重要途径。本课题的实施将带动汽车工业与制造装备业的发展，并在形成该领域的技术标准上做出必要的技术积累与贡献，拥有自己的知识产权和发明专利从而进一步加快装备制造业发展速度，促使装备制造业产值以每年平均不低于1 5 的速度增长，促进车身焊接技术与装备集成应用系统的产业化，带动上游产业的发展，形成汽车工业自动化装备的产业链，极大地提升汽车制造业的发展水平。对机器人门盖滚边柔性系统的应用研究，掌握机器人滚边核心技术并进行产业化应用，必须坚持自主技术创新，集成创新和引进、消化、吸收、再创新的结合。实现上述目标，对中国的汽车装备业具有重大意义。( 1 ) 可促进国内汽车企业生产装备的升级。工业机器人集成应用技术是门盖线滚边的高端核心技术，为此开展的产品研发与生产技术研究，可提高汽车车身柔性化生产能力，实现我国汽车生产的车身工艺优化与技术升级，推动汽车产品向高品质、多样化发展，加快其他汽车相关技术的进步，促进我国汽车工业持续快速发展。( 2 ) 可促进国内汽车装备业的进步。满足当前国内汽车工业发展需求的高性能门盖自动线的应用，可提高生产线的可靠性、生产效率和精度，降低生产成本，有利于改变目前国内汽车装备业普遍存在的技术含量低、柔性差的局面，适应多车型混线生产的发展要求。作为国内门盖柔性自动线新技术、新装备成套技术的应用研究，将极大促进国内汽车装备业的产业化发展，填补国内相关领域的空白，达到发达国家的水平。( 3 ) 可提升企业的核心竞争力。引进适用技术消化吸收、自主创新实现技术独立：积极塑造良好的品牌形象。只有具备了核心竞争力的企业，才能在激烈的国际竞争中获得竞争优势，才能真正发展中国的汽车企业。( 4 ) 研发高水平具有自主知识产权的门盖线柔性自动化岛先进技术并进行产业化应用，对打破长期以来国外企业对我国汽车门盖线滚边成套装备的垄断现状具有重大意义。1 2 机器人滚边技术的发展现状与趋势门盖线机器人柔性自动化系统涉及板件冲压成形、自动装配、焊接、涂胶、包边及检测等多个领域，其制造质量直接影响到整车性能和安全，并直接关系到汽车产品的市场竞争力，在很大程度上代表了一个国家的制造业技术水平。国外基于门盖线机器人柔性自动化岛的发展趋势主要是利用系统仿真技术、虚拟制造技术、计算机和信息技术等多种高新技术进行大型自动化生产线的设计开发、控制协调和管理，自动化生产线的在线检测及监控技术以及生产线的模块化和可重构技术也是各大汽车装备集成制造商在大力研究发展的新技术。而在汽车门盖线生产方面，国内汽车门盖生产主要是以压力机模压包边和车门折边机两种方式为主。随着改革开放的进行，2 0 世纪8 0 年代中期，使我国的部分汽车生产厂家有机会了解到国外先进的门盖线机器人柔性自动化生产技术【l 引，由于当前国内的自动化装备综合技术实力还不足，不具备设计制造高水平的成套门盖线的能力。整套技术完全掌握在少数几家国外自动化公司手中，面对汽车行业的激烈竞争又不允许国内的汽车生产厂家用国产的装备进行试验，只好成套引进，使得国内汽车厂家近年来与国外水平的差距越来越大。国外的白车身门盖生产已经普遍采用机器人大型自动化生产线。国外一批具有影响力的、著名的工业机器人公司、自动化公司，如瑞典的a b br o b o t i c s 、日本的f a n u c 、德国的k u k ar o b o t e r 、e d a g 、t h y s s e n k r u p p 、意大利c o m a u公司等，它们的机器人本体制造技术稳定、先进，但其所提供集成技术解决方案才是它们真正的核心竞争力。国外各机器人系统集成解决方案提供商，在工业机器人系统集成技术领域正向着规范化和系列化发展，如通用、宝马、奔驰等汽车巨头，用于门盖线生产的机器人都己在万台套以上，而且这种方法基本已经成为中高档汽车门盖生产的主流。国内汽车生产数量已超过国外，而国内汽车门盖线生产基本还停留在原来的压机或专机包边生产上，只有国内几家合资汽车厂家刚刚开始引进门盖机器人柔性自动化系统，与国外差距很大，随着国内自主品牌汽车品质的提升和生产自动化程度的提高，如何更好更快的缩小这种差距具有重大的现实意义。综上所述，我国在白车身门盖生产线及关键技术方面的研究应用现状与趋势主要表现在以下四点：( 1 ) 整体上起步较晚，应用领域窄，生产线系统技术与国外相比有着较大差距，特别是关键核心技术基本完全掌握在国外厂家手里，严重制约了我国自动化装备的发展步伐：( 2 ) 在机器人自动化系统控制技术方面，在生产线的多级、多总线控制及联网水平方面和国际一流水平相比有着一定的差距；( 3 ) 在车身焊装自动线、物流输送设备设计技术方面，已取得了长足进步，掌握了相应的设计和制造技术，但高端轿车生产线的设计制造水平和世界水平比仍有很大的差距；( 4 ) 不能提供门盖机器人自动生产线系统集成解决方案，国内汽车巨头现有的焊装线多由国外公司负责规划系统解决方案。1 3 本文的研究内容本文以先进的包边工艺为基础，进行机器人柔性滚边工艺及板件弯曲变形受力的分析，并对机器人柔性滚边系统的关键设备进行研究，运用r o b c a d平台对机器人滚边方案进行优化设计及验证，最后对实际应用中的滚边质量缺陷进行分析，提出有效解决措施。本课题研究的具体内容如下：( 1 ) 机器人滚边工艺及折边受力的研究通过对传统滚边方法和机器人柔性滚边工艺的对比分析，研究机器人柔性滚边工艺及滚边过程中的力学分析：( 2 ) 机器人滚边系统设备研究对机器人滚边系统进行设计分析和优化研究，包括滚边工具、滚边胎模夹具、机器人控制系统；( 3 ) 基于r o b c a d 的机器人滚边系统方案设计及验证研究通过r o b c a d 虚拟仿真平台，对机器人滚边工作站进行方案设计及其可行性验证。( 4 ) 机器人滚边质量研究分析机器人的包边质量，并对实际应用中的质量缺陷进行分析。1 4 本章小结本章详细地分析了机器人柔性滚边技术研究的背景和重要意义，阐述了机器人滚边技术在国内外的应用情况与发展趋势，最后对本课题研究的主要内容进行了论述。第二章机器人滚边工艺研究2 1 门盖产品总成的结构汽车左右前门、左右后门、发动机舱盖和行李箱盖( 后背门) ，即四门两盖，是汽车车身总成制造的重要组成部分，它以其制造中的普遍性和工艺上的特殊性在行业内引起越来越多的重视。汽车门盖类产品主要由门盖内板总成和门盖外板总成组成。内外板总成又由各自的小件装焊而成，其中，门盖内板总成主要由内板、加强板、凸焊螺母或螺柱等焊接而成，外板总成一般为冲压件，有的外板总成在外板上焊接门把手加强板或铰链加强板而形成总成件( 见图2 1 ) 。因车型不同，构成门盖产品的零件也有所差异，但是各种车型门盖总成的结构基本相似，故门盖的装配、焊接生产工艺也基本相同，其生产工艺流程如图2 2 。图2 1 发舱盖组成图发动机舱盖外扳h o o do u t e r铰链加强扳总成r e i n f h i n g ea s s y内加凸外门铰焊把链螺手强母加或加螺强强板板柱板板板1fr内板总成外板总成i、r内外叛装配涂胶1i t包补胶成品豳检边烬耽测图2 - 2 门盖总成工艺流程图2 2 包边工艺2 2 1 包边概念及工艺过程包边是指两个钣金件装配( 主要是门盖类开闭件的内外板合装) 时采用一个零件折边包裹住另一个零件周边的连接方式【1 3 15 1 。即将外板翻折包裹住内板，使之压合成为一体，实现装配，戮增加门盖总成的整体强度和刚性。包边一般分以下三个状态：( 1 待包边。门盖钋板冲压成型后，其周边有一圈长度为1 0 m m 1 2 m m的待包边，与外板法向平面的夹角通常为9 0 0 ，某些特殊要求的待包边件，如发动机舱盖、前门等曲率变化较大处，包边角度会有所不同，但尽量设计在9 0。左右，有利于保证包边质量。( 2 ) 预包边。理论和试验表明，很难做到将待包边从9 0 0 一步翻折至o o并包实肉板边缘。因此将包边分成预包边和终包边两个阶段，一般有l 2 步预包边，每步包边角度为4 5 0 或3 0 0 。( 3 终包边。将翻边完全压合至0 0 ，使翻边与被包边件外形箍完全贴合，完成包边工艺。如图2 - 3 所示。待包边预包边：左圈为4 5 。预包边，右图为3 0 。、6 0 。预包边终包边图2 - 3 包边工艺过程2 。2 。2 传统门盖包边工艺包边工艺通常有手工包边和压力枫摸具压合包边两种形式1 6 l “【1 翻。其中手工包边一般不采用。压力机模具压合包边工艺根据包边设备的不同又分为两种，一种是采用通用压力机模压工艺，另一种是采用专用包边机包边工艺。2 2 2 。l 手工包边工艺手工包边通常适用于小批量或试制生产。该工艺采用一个简翁的胎县支撑待包边件，工人手工完成包边。根据使用工具的不同，手工包边又分为两种类嚣。：( 1 ) 工人使用木榔头等工具逐点、逐段敲砸成形，完成门盖产品的包边工作，实现装配。( 2 ) 工人使用液压或风动折边工其逐段压合箍成。该工具目前国内应用较少。手工毽边设备简单，投入低、占地面积小。缺点是工作效率低、包边质量差、工人劳动强度大，车间噪声大。只适用于试制或小批量生产，在各类汽车生产中应用极少。2222 通用址力机模压包边t 艺该工艺是在通用大台面压力机上安装包边模其，通过上下模具压合进行包边，包边质量优，效率高。轿车门盖包边一般采用公称压力为1 5 0 0 2 0 0 0 k n 的液压机载重 车的门盖包边采用公称压力为2 0 0 0 3 5 0 0 k n 的液压机。包边压合模具一般分为两套，印4 5 。和9 0 0 包边模各一套，分别完成4 5 0 和9 0 。包边。目前多采用复合包边模具，将4 5 0 和9 0 。包边模具设计为一套复合模具，使压力机一次行程完成整个包边工艺。工作时，将工件的内、外板总成分别放八模腔内，压料器压紧内外板总成，通过压力机带动上模向下运动，斜楔向下运动首先带动4 5 。包边模工作，完成4 5 。包边。然后斜楔继续向下运动，带动4 5 。包边模向外撤出，9 0 。包边模向下运动进入工作状态完成9 0 。包边。最后压力机向上移动回位，带动上模卜行，恢复到初始状态，完成整个包边工艺。图2 - 4 压力机模压包边一台压力机可以带有前后或左右移动工作台( 图2 - 4 ) ，同时满足两个门盖的包边工作，或者配置换模台车进行模具更换，就可以适应不同车型的不同门盖包边，这种方式具有一定的柔性，生产效率高，适合各种批量、各种车型门盖的包边工作，并能满足产品更新换代的需求，但是该方式仍存在一定的缺点：( 1 ) 模具的设计与制造较复杂，调试周期长。( 2 ) 压力机本身尺寸较大，国产压力机的地面高度尺寸一般在5 m 以上，要求厂房建设不能太低，且维修复杂。( 3 ) 批量生产时，由于需要更换模具轮番生产，要求车间有足够的门盖总成存放面积，才能与车间其他生产线节拍相匹配，因此，轮番生产时对车间的组织和管理水平要求极高。2 2 2 3 专用包边机包边工艺门盏专用包边机疆o l 是将设备和包边模块设计为一体，是专门为一种工件设计的。霹前，专用包边机主要有三部分组戒：主机、液压泵站和可编程控制器。主机由机架、气动夹紧装置、气动拜降机构、4 5 0 包边模块和9 0 0 包边模块等组成。同时可以设计带自动上料和自动出料等传送机构。工作时，将工件放到传送装置运送到包边专机内，包边机的推顶器升起接件，通过搬运导轨的左右开合，将工件扶正；推顶器落下，工件准确落入下模内的工件夹具上，由气动夹紧器将工件定位夹紧；启动压力机，压头带动滑动框架和圆定在其上的上模向下运动，上模罔边的4 5 0 包边模块工作，包边模块向肉收至垂直状态，完成4 5 0 包边；然后4 5 0 包边模块向终退出，9 0 0 包边模块开始工作，包边模下降，压合包边部位，完成9 0 0 包边工艺；最后压头上升回到初始状态，至此完成整个包边过程，见图2 5 。9 0 。包边4 5 。包迩内援外板图2 5 专帮包边原理圈专用包边机只能适用于一个门或盖的包边，不能互换。，产品变更时，必须整个包边机全部更换，造成设备的浪费，柔性差。专用包边机价格便宜成本较低，生产效率高，单台设备占地面积小、生产中可与车间其他生产线节拍相匹配，实现同步生产。因此，专机包边机适用于单一晶种大批量流水生产线。2 。3 机器人滚边工艺滚边是包边的一种，枫器入滚边工艺【2 。】【2 2 】是巍机器人按预定的程穿和辘迹控制滚边工具的运动，将部件按相应程序进行折边处理。其包边过程同传统包边形式相同，分为三个步骤：翻边。预包边，终包边，将经过冲压翻边的板料折叠到1 8 0 。提高零件的外观，保证外表面的光整平槽，没有压痕、凹陷、凸包、褶皱等质量缺陷，提高汽车的整体外观和密封性能，同时增强整体的强度和剐性。根据不同的板件材料和板件的内外部几何结构，综合考虑生产节拍，机器人滚边将采用一次或多次预包边每次的翻折角度为3 0 。或4 5 0 。另外，滚边工艺的路径设置采用正反交叉式，即上一次滚边的终点，作为下一妆滚边的起点( 图2 - 6 ) ，以避免误差累积。根据板件结构的复杂程度、材料，保证翻边质量，避免滚边过程巾出现压痕，褶皱等包边缺陷，包边时机器人压力视具体情况进行调整，包边压力过小，可能导致内板包不住。而压力过大，则会引起板件表面出现压痕等缺陷，影响包边质量。参奠易上一次下一次图2 - 6 机器 滚边路径顺序一般情况下，对于钢材，预包边力为4 0 0 7 0 0 n ，蝽包边力为1 0 0 0 1 5 0 0 n对于铝材，预包边力为3 0 0 6 5 0 n ，终包边力为9 0 0 1 2 5 0 n ，如图2 7 所示：圈2 7 机器人滚边压力机器人滚边系统主要由滚边工具系统、胎模夹具系统和机器人控制系统三部分组成，具有较高的柔性。同一机器人可以通过调用不同的程序对多个产品进行包边，大大降低生产成本，单台设备占地面积小，噪声小且、世备维修简单，维护成本低。当车型更换时，只需要更换胎模和夹具，修改滚轮即可，降低汽车产品的生产成本并缩短开发周期，提高产品竞争力。综上分析，圆种包边工艺对比觅表2 1 ：表2 1 包边方式对比包边方式手工氢边压力机摸压包边专用包边规包边梳器人滚边生产效率生产效率最低生产效率高生产效率离生产效率较低包边质爱包边质鼍差包边质量好包边质量较好包边质量好占地面积占地面积小占地面积较大占地面积小占地面积小成本投入最少成本赢，单令f j 包成本很祗，交季亍设成本低，单个边线约2 6 0 3 0 0计的单个门包边门包边线约万元线约7 0 万元2 0 0 万元系统柔性无柔性专用模具，柔性差定制专机设备，柔机器人适应性差多种门盖，柔性高维护成本成本低定期维护，成本低维护相对较小维护简单，维护成本低噪音噪音大噪音大噪音大噪音小通过分析上表可得，手工包边工艺、压力誊l 模具压合包边工艺、门盖专用包边机包边工艺以及机器人滚边工艺，都具有各融的优缺点，在实际生产中综合考虑产品、生产规模、车间面积、维护成本及投资情况等来进行包边方式的选择。2 4 包边类型包边主要用予汽车外覆盖件中的四门两盖，另外，翼子板、轮罩、顶盖天窗、c 柱等也逐渐采用包边工艺f 2 7 1 。这些工件大都为空间曲面结构，形状复杂。俺从其断面分析，包边主要类型有四种【2 8 l ：普通包边( s t a n d a r dh e m ) 、永滴包边( d r o p s h a p e dh e m ) 、楔边包边( w e d g e s h a p e dh e m ) 和特殊包边( s p e c i a lh e m ) ，见黧2 8 ，其中，普透包边应周最为广泛，是基前最常用的类型；水漓包边疆瑚主要用于发动机舱盖后部轮廓的包边。普通包边( s t a n d a r dh e m )水滴 g 2 ( d r o p s h a p e dh e m )楔边包边( w e d g e - s h a p e dh e m )特殊包边( s p e c i a lh e m )图2 8 常见包边方式根据待包边边缘线和所要包边曲面的几何形状，包边方式又可分为【3 0 】：平面直边( f l a ts u r f a c e s t r a i g h te d g eh e m m i n g ) ，平面曲边( f l a ts u r f a c e c u r v e de d g eh e m m i n g ) ，曲面直边c u r v e ds u r f a c e - s t r a i g h te d g eh e m m i n g ) ，曲面曲边( c u r v es u r f a c e c u r v e dh e m m i n g ) 见表2 2 。表2 2 依据包边几何形状的分类棱线凸棱直棱凹棱凸一面包一一一平边面面凹一而乓则是弯曲( 2 3 )图2 9 弯曲变形过程中纤维的伸张最大弯益应变可由下式计算得到：，= l n ( 1 + 警)( 2 - 4 )、式中，也为中性面的半径。对于服从t e s c a 屈服方程的刚塑性材料，中性面半径可计算为：r 一r r o = r ( 足+ f )( 2 5 )式中，鼍为弯曲内径，也为弯蓝外径，该算式是适用于两个半径都已知的情况；因此，该算式应用的前提为，板厚可以通过体积不变的假定进行迭代计算或直接假定板厚不变。多数情况下，实际的弯曲过程中的r t 比值都较低。根据h o o k e 定律和s w i f t 定律( 又称为k r u p k o w s k y 定律) ，材料性能可描述如下：o e = e s( 2 6 )o e = k ( e - o + s ) ”( 2 - 7 )式中，巧和s 为材料单向拉伸时的流动应力和流动应变。k 为硬化因子( h a r d e n i n gc o e f f i c i e n t ) ，e o 为预应变，n 为参考应变率下的硬化指数，e 为杨氏模量。“p 和“e ”分别表示塑性和弹性。依据材料属性的不同，选择合适的屈服准则。按照v o nm i s e s 准则，屈服条件可描述如下：占= f s( 2 8 )盯= f 仃式中，f 为各向异性和应力应变状态的因子。f 值在不同情况下的变化总结如表2 3 。表2 3 不同材料性能和应力应变状态下的屈服指数( 2 9 )各向异性和戍力、应变状态f各向同性，平面应力状态1各向同性，平面应变状态2 矗法向各向同性，平面应变状态【h i l l ，1 9 5 0 】l + 尺鬲i法向各向同性，平面应变状态 h i l l ，1 9 7 9 】口。笋m + 2 _ ) l ，卅y m弹性区域沿着厚度方向的应力分布为：盯：j s ：二0 上( 1 - - v 2 )( 1 一v 2 ) 兄弹性区域沿着厚度方向的应力分布为：盯= 胪1 ( 孚删= 胪1 ( 孚圳+ 印每单位长度或宽度上弯曲力矩为：o s 乞。( 2 - 1 0 )邑。 三个单位主矢量、y b 、z b 分别相对于 a 的方向余弦组成的3 3 矩阵雪r = 一彳儿4 来表示刚体b 相对于坐标系 a ) 的方位。其中；尺称为旋转矩阵，式中上标a 代表参考坐标系 a ，下表b 代表被描述的坐标系 b 。因此，物体b 相对于参考系 a 的位置和坐标系方位可以用坐标系 b ) 的原点在坐标系 a ) 中的位置矢量和一r b 。旋转矩阵雪r 描述，即组成的矩阵p ：p = i ：rr 肋i坐标系 b ) 相对 a ) 的变换可以经过坐标系 a ) 旋转和平移的复合变换得到( 如图3 7 所示) ，即如下变化关系式：4 p = ：rb p + 4 ( 3 一1 )图3 7 坐标复合变换由于上式为非齐次变换式，为了便于进行齐次变换，空间点p 可用一四维向量表示，即：p =p lc o p yp z国称为点的齐次坐标( c o 为非零常数) 。则可以用齐次变换阵t 来表示坐标的变换关系，即：丁：卜尸if 缈lt 是4 x 4 维齐次变换阵，式中，r 、p 、f 和国分别为旋转矩阵、位置向量、透视变换向量和齐次坐标表达式的比例系数；p 表示活动系原点相对参考系的位置；在机器人学中取= 【o00 】；c o = 1 。因此复合变换式( 3 1 ) 可以用齐次变换矩阵进行表示：月p = b p = 笞 _ c3 - 2 ，该式又可分解如下：锣= t r a n s ( 爿尼。) r o t ( k ，臼)( 3 - 3 )t r a n s ( 爿驴陪爿p 。b ol4 ，r 。，c 七，口，= i 冒r 箸p ：lc3 5 )式中，t r a n s ( 一e o ) 为平移变换矩阵，r o t ( k ，乡) 为旋转变换矩阵，即绕过原点的k 轴转动0 角。对于给定的坐标系 a ) ， b ) ， c ) ，若 b ) 相对 a ) 的变换矩阵为， c ) 相对 b ) 的变换矩阵为f ，则：名p = 锣口p = a 矗jc b r c p嚣p = 留c p从而可以得到 c ) 相对 a ) 的变换矩阵为：7 = 7( 2 ) 运动学正解( 3 6 )( 3 7 )( 3 8 )为了研究相邻杆件平移和转动的关系，确定机器人各轴之间的运动关系，建立6 自由度关节型机器入各连杆的坐标系( 如图3 。8 ) ，在各连杆土分别建立附加坐标系，与基座相连的坐标系标记为 o ，与连杆相连的坐标系标记为 i ) ，通过已知六个关节变量2 ，( i = l ，2 ，6 ) 进行正向关节求解，求解出机器人末端的位姿矢量n , o ，a 和p 的运算。在求解过程中，某连杆坐标系相对于前一连杆坐标系的变换用齐次变化矩阵扣7 来描述：卜妒= 4 4 + 卜。4 =c o ,s 谚c 一is o , s a , 一lo- s o ,c o , c a , 一1e 9 i s a i to弼。一a , s a , 一ld t c 瑾| tl( 3 9 )式中，4 为两连杆距离，谚为两连杆夹角，呸为连杆长度，嚷为连杆扭角，胡为c o s 0 ，s o 为s i n o 。圈3 一s 考遥器人连秆坐标系表3 。1 六自由度机器人连杆参数l嚷一iq h i包变量范围loo 。o鼠( 9 0 0 )。1 6 0 。一1 6 0 。209 0 。畋0 2 ( 0 0 )2 2 5 。4 5 。3如0 。00 3 ( - 9 0 0 )4 5 。2 2 5 。4吗一9 0 。以包( 0 0 )1 l o 。一1 7 0 。500 。0焦( q o )1 0 。1 0 0 。6o9 0 。00 6 ( 0 0 )2 6 6 。2 6 6 。利用连杆变通公式( 3 9 ) 和连杼参数可以得到各连杆的变换矩阵：o峨o叫c：t =一媚c o ,oo哪幺oc o ,oo 00 0l0ol0a 41aa00l2 =：t =吖岛0o1一e 岛0oos 9 s0olc o , 000将各个连杆变换矩阵相乘，得到：= 0 fk 唾，2 j lk 吃2 咚歹4 3 h 啄，4 k 魄，6 5 f ( 嚷)= ? =2 ，2n xo xn y0p悠吃00a tp xa yp ya ：p zo1=0a 300loolooloo09l( 3 ，1 0 )( 3 _ l1 )可以看出，在鳞i = 1 ，2 6 ) 已知的情况下就可以求出末端连秆坐标系 6 对于基坐标系 o 的位姿。式中，a 为机器人手部接近矢量，o 为首部姿态矢量，n 为手都法向矢量，p 用来表示手部位置，其中热、p ，、热表示在基准参考坐标系中的坐标。( 3 ) 运动学反解如果给定末端连孝手的像姿矢量，即n , o ，a 和p 是己知的，则反向求解各个关节变量q 、0 2 、皖的值的过程称为运动学反解。运动学反解也有许多方法，如反变换法，几何法和p i e p e r 解法等，下文中将利用反变换法求解。将运动方程( 3 1 0 ) 改写成留=n eo ln y09n ：0 zo0a p a yp yn zp ol= ：丁( q ) 扩( 见) ( 岛) ；r ( 馥) 4 5 l j5 ( 皖) ( 3 1 2 )将方程的两边同时左乘未知的连杆的逆变换，把关节变量分离出来，从而求解，步骤如下：t - 1 ( 醴) ：丁= ：r ( 岛) j r ( 岛) ：丁( 包) ：r ( 岛) ( 纯)? 。( 嫉，琏，毽) o r = ( 坟) 芗( g ) ( 壤)穿1 ( 研，岛，岛，戗) 字= ：r ( 岛) 5 。丁( 伎)罗_ ( 最，岛，岛，哦，危) o r 一留( 绣)一一研，0 3一一毪，坟一一岛一一统( 3 _ 1 3 )( 3 1 4 )( 3 _ 1 5 )( 3 1 6 依次求解出倪，0 3 ，0 2 ，致，0 5 ，皖，在求解的过程中，由于涉及大量反三角的计算，使有些解在其工作范围内具有不确定性，可能存在8 种解，即机器人达到同一吗唱oo趣。鸭。坞咀oo媳。艰oo畋o，羽刚州d岛o蛾。o缺o岛oc一。ej蝎蚂oo哦。啦o工作位置和姿态可以通过不同的运行轨迹来实现。在可能的解中，由于结构和工作空间的限制，例如备关节变量一般不能在3 6 09 范围内运动，有些解甚至不能实现。在存在多解的情况下，应通过适当的算法，选择一组最优的解，以满足机器人的工作要求。从工程应用的角度而言，机器人的运动学反解往往比正解更为重要，它是实现机器人运动规划和轨迹控制的基础。3 33 机器人控制系统机器人控制系统用于控制机器人、滚边夹具和转动架台的动作匕上及机器人与滚边夹具、换枪架台、安全光栅和安全门等系统之间的通信，控制协调整个滚边工作站系统中所有工作单元间的动作及顺序并对整个系统进行故障检测及报警监视。机器人控制程序是整个机器人滚边系统的核心。在滚边的轨迹线卜根据板件的变形复杂程度设置坐标点，然后用样条线将所有坐标点连接起柬，拟合成机器人的滚边路径。必须合理设置坐标点的位置和密度，机器人的轨迹才能满足设计要求。在设计过程中，利用仿真平台对机器人滚边系统进行模拟仿真，并生成离线程序，在现场调试阶段只需要根据具体的冲压板件的外形尺寸及状态进行微调，并对离线程序修改完善，缩短现场调试时间，提高工作效率，降低工作人员的劳动强度，改善示教人员的工作环境远离危险。圈3 - 9 同络控制颦构图根据现场需要及仿真模拟，选择k u k ak r 2 1 0 l 1 8 0 2 型号机器入，采用a b 的c o m p a e t l o g i x 控制器，使用d e v i c e n e t 4 3 j 和e t h e r n e t i p 网络，完成a b平台下的控制方案，阏络架掏如图3 - 9 所示。该套控制技术，引入先遴豹控制理念和a b 风格的控制思想，注重整体构架中包含严谨。本套控制系统是基于汽车行业的电控标准定制的，其中包含网络的构架形式，触摸屏的界面要求，按键的数量，实现的功能和安全网络的组成形式等等。采用a bp l c 控制单元( c o m p a c t l o g i xl 3 5 e ) ，通过d e i v c e n e t 总线控制远端的阀岛，直接控制胎膜上的兴具实现预定动作。并采用d e v i c e n e t 通过a bp o w e r f l e x4 0 的变频器控制s e w 电机对转台进行操作，实现转台的正反转。同时采用a b 的p a n e l v i e wp l u s1 0 0 0 触摸屏显示实时信息。安全在控制中具有最高优先级，采用p i l z 的安全继电器对安全信号进行硬件互锁，包括转台电机、机器人、安全光栅和安全门之间的硬件互锁，确保转台转动和机器人王作时的安全性。同时在操作上充分考虑人机工程，触摸屏上的按钮键一般不起执行作用，作为显示和选择用，操作盒上的按钮才起到执行作用。其基本工作流程图如3 。1 0 所示。图3 1 0 基本工箨流糕分析图3 4 本章小结本章根据机器人柔性滚边系统的构成，阐述了机器人柔性滚边系统的主要设备，详细论述了滚边工具、滚边胎模夹具和祝器入控制系统的关键技术，最后对机器人运动学进行分析，阐述机器人运动控制理论。第四章基于r o b c a d 的机器人柔性滚边系统仿真4 1 虚拟仿真系统概述1 1 机器入仿真技术发震现状机器人仿真系统f 4 4 1 【4 5 1 可以通过交互式计算机图形技术和机器入学理论，制造单机与工作环境的近似真实的模拟。主要应用于机器人运动学与动力学分析、各种规划与控制方法研究、机器入与工作环境的相互作用、离线编程和碰撞检测等。囱上世纪八十年代，国外已建成许多用于机器人及其应用的仿真系统。如美国m c a u t o 公司的i