基于工业机器人长条形工件冲压系统设计

基于工业机器人长条形工件冲压系统设计摘要：本文针对冲压行业中，对于长条形工件进行冲压往往自动化生产稳点性差、生产效率低、路径规划复杂的问题，提出ABB机器人仿真软件RobotStudio中设计了工业机器人生产线冲压的仿真工作站。该工作站能提高企业生产效率和人工生产成本，给企业带来经济效益，使企业在自动化生产线中有影响力，获取市场份额占有率。本文以工业机器人冲压工作站为研究对象，通过三维建模软件solidworks和ABBRobotStudio软件创建冲压系统的仿真模型，实现动态模拟。通过Smart组件创建了机器人夹具、机床和物流，完成了机器人在数控冲床自动上下料的RAPID程序。基于西门子PLC为基础，设计了由PLC和触摸屏组成的控制系统，通过博途V15.1PLC软件仿真设计其控制系统的电气连接图、触摸屏界面、PLC程序。该仿真为实际长条形工件冲压生产线设计提供了数据参考，可以有效减短实际人工操作的流程及调试运行成本，提高了操作安全性。关键词：RobotStudio；工作站；仿真；PLC；触摸屏

目录TOC\o"1-3"\h\u1绪论 41.1选题背景及研究意义 41.2国内外研究现状 41.2.1.国内机器人发展现状 51.2.2国外机器人发展现状 52长条形工件夹紧设计方案 62.1末端执行器的可行要求 62.2工业机器人的选型与建模 62.3末端执行器的组合与仿真 123工作站软件的设计与实现 133.1ABBRobotStudio6.08软件简介 133.2生产线工作站的技术要求 141掌握产品生产设计流程 142确定自动化生产线的设计方案 143.3工作站布局与实现 151个用于定位物体到位的面传感器。 153.4仿真smart组件搭建 173.4.1输送链的smart组件创建 173.4.2吸盘夹具的Smart组件设计 183.5本章小结 184建立机器人的I/0信号连接 194.1在“仿真”下设置工作站逻辑 194.2机器人程序编写 194.4本章总结 205PLC程序与触摸屏界面设计 215.1控制系统设计 215.2组态界面设计 235.3触摸屏界面设计 275.4控制系统电气连接设计 275.5本章小结 28结论 28参考文献 29

1绪论1.1选题背景及研究意义随着第一台机器人在美国出现，机器人技术正在以超乎一般人预料的速度向前发展，机器人的应用和普及正在改变人类的生产方式、生活方式和作战方式。在非常规和极端制造过程中，工业机器人是不可缺少的自动化装备。冲压机器人可用于汽车、电机、家用电器等工业中，与冲压设备构成单机自动冲压机和多机冲压自动线。在冲压机器人领域，因为冲压机器人要求具有高度的准确性、可靠性和一致性，因此，工业利用冲压机器人作业，不但产品质量高而稳定，且能有效地降低库存，从而降低成本。冲压机器人能通宵达旦地工作，生产率极高，再加上冲压机器人具有可编程功能和工作多样性的特点，因而能适应需求多变的市场。而在生产过程中，高温、高压、低温、低压、有灰尘、噪音、臭味、有放射性以及工作空间狭窄等场合中，用人手直接操作是有危险的或根本不可能的。而应用冲压机器人即可部分或全部代替人安全地完成作业，大大地改善了工人地劳动条件。在过去生产产品较为单一，生产过程复杂不易维护，而冲压机器人可适应各种规格的板料，系统维护非常简单；在产品频繁更新的今天，冲压机器人智能化、标准化、高精化等特点优势更加突出。冲压机器人在冲压领域能解决重复、单调、危险的工作，生产出来的产品质量也会非常好。随着工业水平快速发展，人们对于冲压工件的要求越来越高，以前人工的工件冲压只能应用于工件轻便、精度要求低、环境大的场所，这已经无法满足现代工业化的要求，使用工业机器人取代人们在危险环境下工作，确保了工人的安全，大大的提高生产速度和产品质量。冲压机械手在冲压领域应用十分广泛，主要是应用在高压锅、空调配件、汽车零部件、五金冲压件等的自动化生产，冲压机械手包括单工位冲压机械手和多工位机械手，应用场所包括单线的和双线的，一定程度上，冲压机械手可以代替人工实现自动上下料取料送料等工序，流水线上也能实现机器替代人工。本论文针对工业上难以制造的门合页铰链进行孔定位，因为模具结构为长条形，针对长条形工件进行冲压往往自动化生产稳点性差、生产效率低、路径规划复杂的问题，工业上生产需要投入大量时间和金钱，所以选择对工件进行冲压，易于实现产品自动化，同时也能节省材料的损耗，降低预算成本。1.2国内外研究现状当今世界各国都在大力发展机器人技术，如美国的机器人计划2.0，德国、欧盟的工业4.0计划、中国制造2025以及日本的机器人战略，以推动机器人向着高端制造、智能制造进军，抢占制高点。现在工业机器人技术主要集中在欧洲和日本，德国对于原材料、各类本体零部件有最大的市场；而日本，对于减速器技术具有统治地位，并且实现了技术垄断；相比之下，中国在这方面起步比较晚，虽然近些年迅速发展，但主要还是在系统集成、部件单一化、二次开发和售后服务。目前冲压机器人按驱动方式、坐标形式、控制方法、搬运重量等进行分类。驱动方式包括机械式机械手、气动式机械手、液压式机械手、电动式机械手等；坐标方式包括直角坐标式机械手、圆柱坐标式机械手、多关节式机械手等；控制方法包括可变程序控制机械手、固定程序控制机械手等；运动轨迹包括点位轨迹机械手和连续轨迹机械手等；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。在工业生产中，弧焊机器人、点焊机器人、分配机器人、装配机器人、喷漆机器人及搬运机器人等工业机器人都已被大量采用。机器人正在为提高人类的生活质量发挥着重要的作用。1.2.1.国内机器人发展现状随着中国工业机器人20多年的发展，我国工业机器人越来越完善，各种有影响力的机器人集团涌现出来，目前我国已自主生产出部分机器人关键元器件，开发出点焊、码垛、注塑、冲压、喷漆、弧焊等工业机器人，企业也开始倾向于机器代替人工，提高生产效率，一大批机器人技术的研究工作者参与其中，工业机器人在工业生产线普遍化，在部分关键技术的研究以达到或接近世界最高水平。自1982年4月，我国第一台示教再现工业机器人研制成功，1997年，大众汽车生产线第一条自主研发的机器人冲压自动化线，2000年工业机器人开始产业化，机器人在我国的运用范围越来越广泛，机器人既是先进制造业的关键支撑装备，也是改善人类生活方式的重要切入点。在《中国制造2025》将机器人作为重点发展领域的总体部署，推动机器人产业快速发展。在2021世界机器人大会上，中国的工业机器人市场已八年连续稳居全球第一，2016-2020年中国工业机器人产量从7.2万套迅速增加到21.2万套，年均增长31%，2020年年，机器人带来的产业营业收入突破1000亿，制造业机器人密度达到246台/万人，是全球平均水平近两倍。在全国人大“十四五”提出深入实施智能制造和绿色工程制造，发展服务型制造新模式，推动制造业高端化智能化绿色化，推动机器人创新发展。我国的智能机器人和特种机器人在国家“863”计划的支持下，取得了丰硕的成果。最为突出的是水下机器人，6000米水下无缆机器人的成果居世界领先水平，研发出直接遥控机器人、双臂协调控制机器人、爬壁机器人、管道机器人等机种；在机器人研制生产方面，我国已经具备了初步的规模，生产了部分机器人关键元器件，开发了喷漆、点焊、弧焊、装配等机器人。1.2.2国外机器人发展现状在一些发达国家中，工业机器人技术很成熟，研究开展比较早，工业机器人已经被工业界广泛使用，国际上影响力大，历史悠久的公司有：美国的AdeptTechnology、AmericanRobot、EmersonIndustrialAutomation等；日本的川崎、松下、FANUC.不二越等；德国的KUKA、CLOOS和瑞典的ABB等。目前，日本、瑞士、德国、欧盟、美国等国家产业工人人均拥有工业机器人数量位于世界前列，工业机器人产品质量高和效率高，使得工业机器人在企业中起到了无可替代的作用，全球工业机器人产业都在稳步增长。根据国际机器人联合会数据显示：近十年，工业机器人的保有量在持续上涨。2020年的保有量为3015千台，相比2019年的2731千台增长了10.4%。日本是当前全球工业机器人最大生产商，占据着全球40%左右市场，虽然日本工业机器人的发展比美国晚了4年多的时间，但是由于日本政府的大力支持，本身也有着一定的技术基础，所以已经成为了世界上最先进的工业机器人生产国家，代表着最高的工业机器人生产水平，为日本的经济带来了很大的推动力。2021年，欧洲装机量又迎来8%增长，达到7.3万台。亚洲工业机器人装机量达到31万，在全球总量中占比72%，比上一年增长15%。日本作为全球第二大市场，有36%的机器人和自动化技术出口到中国，在2021年市场增长7%。1.3课题研究内容虚拟仿真技术在工业机器人应用是工业自动化重要途径。使用仿真软件对机器人冲压工作站各设备和模拟搬运工件、冲压取件整个流程仿真设计，既不消耗生产过程中的物料浪费，又可以测试整个流程实际工作效果。工厂流水线的研发更快的实现。主要研究有基于工业机器人工作站设计，通过RobotStudioABB机器人虚拟仿真软件搭建仿真工作站；针对长条形工件尺寸选择及其对应的夹具和冲床设计；以及基于此工作站，设计PLC控制系统对流水线进行自动化控制。2长条形工件夹紧设计方案2.1末端执行器的可行要求机器人末端执行器是根据机器人作业要求来设计的，一个新的末端执行器的出现，就可以增加一种机器人新的应用场所。因此，根据作业的需要和人们的想象力而创造的新的机器人末端执行器，将不断的扩大机器人的应用领域。机器人末端执行器是根据机器人作业要求来设计的，一个新的末端执行器的出现，就可以增加一种机器人新的应用场所.因此，根据作业的需要和人们的想象力而创造的新的机器人末端执行器，将不断的扩大机器人的应用领域机器人末端执行器的重量、被抓取物体的重量及操作力的总和是机器人容许的负荷力。因此，要求机器人末端执行器体积小、重量轻、结构紧凑。机器人末端执行器的万能性与专用性是矛盾的。万能未端执行器在结构上很复杂,甚至很难实现。例如，仿人的万能机器人灵巧手，至今尚未实用化。目前，能用于生产的还是那些结构简单、万能性不强的机器人末端执行器。机器人末端执行器的万能性与专用性是矛盾的。万能末端执行器在结构上很复杂,甚至很难实现。例如，仿人的万能机器人灵巧手，至今尚未实用化。目前，能用于生产的还是那些结构简单、万能性不强的机器人末端执行器。2.2工业机器人的选型与建模人工工件冲压需要确认孔的位置，反复多次冲压产品，安全隐患很大，工作效率慢，而且产品质量难以保证，针对这些问题，为了代替人工，搭建冲压自动化工作站,选用真空吸盘作为夹具，根据工厂选用夹具情况而且安全实用。吸盘式夹具用于薄壁工件时，工件所受作用力均匀，不会造成永久变形。再把夹具与机器人末端进行连接。保证冲压的稳定和效率，避免产生碰撞。本课题选择长条形工件进行冲压，建模出一个长度1.8m、展开宽度50mm，厚度1.2mm，承受范围为80kg，材料类型为不锈钢，零件为非标准件，设计图纸见附录。图2.1工件的solidworks建模通过ABB机器人型号的匹配，最终机器人选用IRB2600-20/1.65型号，其参数如表2-1.因为他有效载荷为20kg，在拾取和包装的应用中其垂直手腕的最高荷重可达到27kg。载荷能力强、工作能力大、采用中空臂技术，所有管线内嵌在上臂和手臂，增强了离线编程的便利性及可靠性。主要应用弧焊，装配物料，搬运.上下料，物料移除，清洁/喷雾，涂胶，包装。表2-1IRB2600-20/1.65主要参数机器人版本(IRB)工作范围(m)负载能力(kg)重复定位精度(mm)重复路径精度(mm)设计方案：每两个吸盘与一条连杆通过焊接方式连接在一起，复制四个相同的连接零件，嵌入到计算好位置的平板上面进行焊接。通过ABB官网下载机器人末端solidworks三维实体模型和CAD尺寸图纸，设计出尺寸对应的连杆装置连接，再把连杆装置与设计好的夹具直接焊接，完成机械手与夹具的连接。根据所选工件的形状，尺寸等，选用一种真空吸盘的缓冲结构，夹具与机器人连接如图，结构由承重框架、吸盘安装支座和真空吸盘三部分组成。图2.2真空吸盘组装图图2.3真空吸盘图纸选用这种气立可行真空吸盘，结构稳定、外观整洁、接口密封。该图纸长度为54.75cm，内部孔长为12cm，外部拉伸切除一个4.4cm圆孔。图2.4吸盘的solidworks建模设计图2.5吸盘的CAD图纸图2.6ABB机器人六轴模型图2.7六轴的CAD图纸打开ABB官网下载的solidworks和CAD图纸，画出一个与末端执行器底端相同尺寸的圆进行拉伸切割，得到外部连接杆的平面，画出对应的装配孔，连接一个杆与夹具那部分连接。末端执行器有6个M6螺母，直径为0.3mm圆包围，角度互为60°和一个正上方H7基准孔，直径为0.05mm，深度为8mm两部分组成，如图2.7所示。图2.8末端执行器连接件设计图2.9连接件的CAD图纸连杆装置负责与机器人末端轴进行连接，同时也负责连接夹具。它与平板固定方式为螺丝拧紧。设计出与末端执行器连接相对应的6个圆孔，连接件长度为1001mm，连接件装配孔尺寸大小与末端执行器尺寸相同，如图2.9所示。图2.10与吸盘连接的连杆建模图2.11平板钻孔的位置图2.12平板钻孔的CAD图纸与吸盘连接的连杆为四个直径15mm的钻孔圆柱体，同时连接到平板钻孔中，每两个孔距离为316mm，杆长与连接件一致，高度为16mm，如图2.12所示。冲床对材料施加压力，使其产生塑性变形，得到需要的形状，需要配合一组上下模模具，将材料放在中间，机器施加压力，使工件冲压变形，加工过程中，施加于材料的力产生反作用力，由冲床本身承受。冲床按照滑块驱动力分为液压式与机械式；按照滑块驱动机构分为曲轴式、无曲轴式、轴节式、摩擦式、连杆式等；按照滑块活动分为单动、复动、三动等。图2.13冲床设计2.3末端执行器的组合与仿真打开robotstudio软件，导入solidworks建模好的吸盘夹具与连接杆；选择ABB模型库中的IRB2600型号机器人，完成机器人与夹具的连接，确定连接处的坐标系和夹具的坐标系重合。图2.14末端执行器组合打开RobotStudio6.08软件导入solidwork建好的模型与ABB模型库中的IRB2600工业机器人，设置好工件的坐标原点，调整夹具位姿，保持与地面平行，选择吸盘，修改好夹具位置。图2.15机器人的工作范围工件旋转角度为360°，IRB2600-12/1.65工作距离内圈半径469mm，外圈半径1653mm的圆，如图2.15所示。2.4本章总结本章分析了人工冲压的危险性和低效性，根据末端执行器的设计原则，学会了如何正确选取和设计末端执行器。基于末端执行器原则，设计了一款选用真空吸盘作为夹具的设计方案，有效地保证取工件的稳定性和安全性，由于材料本身比较长且薄，普通夹具很难平稳上下料，工件产生变形状况。根据夹具设计了与机器人末端轴相应的连接件。打开RobotStudio软件，设置好坐标原点和位姿，使夹具连接件与机器人末端合理安装在一起，具有正确的工件坐标。通过本章的设计与了解，对于仿真软件RobotStudio和solidworks有了更深的理解，机器人末端与夹具不完全是软件内的连接，也可以自行设计实现。软件本身的夹具会为初学者打下基础。3工作站软件的设计与实现3.1ABBRobotStudio6.08软件简介RobotStudio软件是瑞士ABB机器人公司推出的一款机器人离线编程与仿真的计算机应用程序，首次发布在1988年，它通过图形化编程、编辑、调试系统来操作机器人，并模拟优化现有的机器人程序。RobotStudio可以创建工作站，模拟生产真实场景、计算时间，支持多种solidwork、CAD格式的数据导入；能自动生成路径和自动分析工作范围；能对机器人与周边设备碰撞进行检测；实时进行信息修改；方便工作人员二次开发。RobotStudio是一款PC应用程序，用于机器人单元的建模、离线编程与仿真。RobotStudio允许使用离线控制器、虚拟控制器和真实控制器。当robotstudio处于在线模式，表示连接到真实控制器；当处于离线模式，表示未连接到真实控制器或连接到虚拟控制器。RobotStudio软件界面主要分为六个区域：选项卡功能区、命令组区、操作面板区、图形显示窗口区、输出窗口区与指令区。RobotStudio构建仿真工业机器人设计工作站：通过仿真功能软件构建工业机器人工作站平台，导入各种不同的ABB机器人模型的设计，创建工作站建设后还可对机器人进行全手动完全控制，手动肩关节对机器人的六个关节轴进行所有操作，线性运动效果对机械手设定的工具的TCP点地沿X、Y、Z三个方向在空中运动，手动重市场的定位或者使机器人第六轴法兰盘使用工具TCP点绕坐标轴旋转。通过单轴运动，位置和姿态的调整实时记录了解机器人整体状态，可以全方面观察机器人技术运行状况。在robotstudio中对机器人动作进行编程时，需要使用目标点和向目标点移动的指令序列。将robotstudio工作站同步到虚拟控制器时，路径将转换为相应的RAPID程序。工作站为单机器人系统，RobotStudio的工作框与机器人控制器大地坐标系相对应。当工作中有多个控制器，则任务框允许所连接的机器人在不同的坐标系中去工作。即可以通过为每个机器人定义不同的工作框使这些机器人的位置彼此独立。3.2生产线工作站的技术要求随着经济的快速发展，人们对于各类物资需求量不断增加，特别是家电、汽车、五金零件等工业制品尤为突出，传统的低效生产方式正逐步被自动化生产线所取代，不仅提高了生产效率和产品质量，也很大程度上节省了生产成本，提高了公司的利润收益。自动化生产线作为工业生产行业最广泛的生产设备。自动化生产线多采用的是全自动、半自动的形式实现，半自动化与全自动化相比，会把一部分机器难以完成或收益低的操作交给人工完成，最大化提高企业的经济效益。以下为自动化生产线设计做出描述。1掌握产品生产设计流程熟悉产品生产工艺才能设计出自动化生产线，在掌握产品生产工艺的及产品特点的基础上来对自动化生产线进行设计，同时生产工艺流程也是一个产品装配过程的完整体现，生产工艺也会对产品的每一步生产进行详细的要求与说明，制定出合理的设计标准。由此看出掌握生产设计流程才能进行产品设计。2确定自动化生产线的设计方案经过前期的生产设计流程准备工作之后需要对自动化生产线的设计方案进行确定，一般设计方案的确定需要准备多套自动化生产线设计方案，综合实际情况选择最合适的设计方案，方案遵循简单实用，易操作实现，尽量实现全自动化实现，在满足这些功能的前提下再从成本、效率等方面考虑。(1)自动化生产线传送方式取决于产品的结构形式。现今在自动化生产线中使用较多的输送方式主要有：链传送、皮带传送以及转盘输送和机械手供料等方式，还需要对产品自动生成中的分隔和换向等进行确定，普遍是在工位上对零件进行检测或是安装时需要对产品的分隔且脱离传送进行精确的定位，实现产品安装、加工和检测的过程。(2)自动化生产线设计原则：在满足使用功能的前提下，尽量保证操作难度最低化，工艺流程最简化，设计思路最优化，设计成本最小化。自动化生产线的设计使用的零件如PLC、定位销、传感器等标准零部件统一化，方便统一使用、交互。(3)工业生产线对三维软件的使用日益增加，这些软件具有通用性，只需满足其中一款软件设计图纸，关键是在对自动化生产线设计中汲取经验。自动化工业常用的设计软件有UG、CATIA、Solidworks等软件；工程图采用CAD等软件。通过学习及分析，本课题所仿真的工业机器人自动化工作站为中小型工作站，可为长条形工件进行冲压上下料。工作站由两台相同的工业机器人，两台相同传输链和一套西门子PLC组成，实用性强，工作效率高，可满足工厂大规模自动多次冲压工件。3.3工作站布局与实现打开RobotStudio6.08软件，选择“ABB模型库”和“导入几何体”选好的模型，创建自动化工作站。该工作站中包括以下部分组成：四周封闭的围栏，为工业机器人工作站提供一个满足工业生产的场所，起到很好的防护作用。设计该工作站尺寸为3500mm*8500mm。两条相同的皮带运输机，皮带运输机具有运输能力强、稳定损耗低、工作距离长等优点，适用于长条形工件的传送。IRC5P控制柜、PLC电气控制柜、机器人底座、工件组等周边设备。1个用于定位物体到位的面传感器。工件冲压工作流程：图3.1工作流程示意(1)ABB输送链把工件运输到末端面传感器，传输就位I/O信号给工业机器人；(2)工业机器人接收信号，到达A输送链正上方；等待工件到达信号；(3)接收到工件到达末端指令，机器人吸起末端工件，搬运到冲床中；(4)冲床进行冲压；(5)冲压完成，另一侧机器人取出工件，放入B输送链上；(6)到达输送链末端，取下工件。图3.2工作站整体布局俯视图图3.3工作站整体布局侧视图工作站中输送链负责传输工件的功能，设计输送链尺寸为300*1200mm，采用黑色人字纹设计加厚牛津香蕉帆线带，具有防滑，耐磨耐用的效果。冲床具有加工工件的功能，当工件传输到冲床工作台上，冲床自动升降进行冲压，具有性能稳定，精度高等特点。当工件在输送链上传输时，由于工件宽度远小于输送链宽度，可能存在工件跑偏等现象，因此遇到这种受力不平衡引起的轴向偏移，对输送链纠正采用外力装置达到直线运动。工件纠偏思路如下：在输送链下方加上四个相同支座，保证输送链水平，加上光电传感器进行检测，一旦出现跑偏，信息会及时反馈。在实际生产线中，输送链可以有较小的弯矩，调整皮带形状变成两边锥形的结构。根据自身的弹性保证直线移动。第一步导入机器人，首先在RobotStudio软件中创建一个空的工作站，然后导入ABB模具库中的IRB2600机器人，将机器人固定在底座上，修改机器人的本地坐标，固定位置；第二步导入工件和夹具solidworks模型，选中工件拖至IRB2600，选择“是”夹具安装在机器人上，修改连接后的本地原点；第三步导入皮带运输机，控制柜，围栏等周边设备，输送链和工具需要选择传感器不可检测，避免当成物料被检测抓取。第四步建立机器人系统，使用两点法、三点法调整布局并修改模型名称，工作站便初步搭建完成。图3.4工作空间和整体布局3.4仿真smart组件搭建3.4.1输送链的smart组件创建输送链的smart组件直接关系到整个工作站仿真可行性，smart组件类似于事件管理器，负责实现动画效果，同时还能真实的模拟现场设备的I/O接口与控制逻辑。本次输送链的动态效果为:输送链前侧自动生成相同的产品，产品随着输送带的运动前进到达末端，末端传感器会让输送链停止，机器人抓取放入冲床，冲床冲压结束，另台机器人夹取产品放到输送链上，传输到末端取出，之后依次循环该工作流程。(1)设置SimulationEvents脉冲信号，当输出simulationeventsstarted，即为仿真开始时发出的脉冲信号；当输出simulationeventsstopped，即为仿真停止时发出的脉冲信号。(2)用source组件，作用是复制相同的对象。输入Execute信号，设定为high(1)创建一个拷贝.(3)送至输送链末端采用LinearMover组件，保证模型在直线上运动。Object下选queue队列组件。LinearMover组件受控与PlaneSensor组件。除此之外，设置Direction下的Y坐标位置处于输入-1，Speed下设置400mm/s，该组件的使能开关保持激活状态。(4)输送链末端的抓取区域放置PlaneSensor组件，相当于一个感应传感器，检测到工件即可。软件中采用面传感器被检测的物体需要勾选传感器检测，检测到产品会输出信号1，设置面传感器的长、宽、高。(5)配置LogicGate[NOT]组件用于非门计算，Delay设置为8s，部分信号进行电平转换用来连接以上组件。输送链smart组件如图3.5所示。图3.5输送链末端面传感器设计3.4.2吸盘夹具的Smart组件设计吸盘夹具的动态效果是冲压工作站最重要的一环。由于材料尺寸大，需要用多个真空吸盘组件夹取产品。吸盘夹具工作流程为：等待末端传感器感应信号，抓取产品放入冲床中，等待冲压完，取出产品放到输送链上。3.5本章小结本章使用RobotStudio仿真软件搭建出自动化生产线冲压工作站，根据生产线工作站的要求，设计一款IRB2600机器人构成的生产线自动夹取工件的仿真冲压工作站，分析了各设备选取原因，设计出生产线工作站工作流程。我也明白了仿真软件的优势，可以通过虚拟仿真平台解决工业生产线开发测试和机器人布局困难等问题，为工业机器人提供理论数据，帮助实际生产更好的实现工作。通过对工业机器人仿真软件robotstudio使用，掌握smart组件设计和离线编程仿真运行冲压工作站工作过程，设置工作站冲床、夹具和输送链等设备I/O信号通信连接，实现工作站仿真。在离线仿真中，其功能实用性非常强大，可以根据现实需求编写程序框架供现场直接使用。在本次系统设计的机器人冲压工作站中，为了能够体现自动上下料的功能，使用了source组件的transient属性，当产品加工完，产品自动消失，新产品循环之前的流程，避免了手动删除操作的情况。工作站的搭建多维度展示工作站的运行过程，对于工业机器人系统布局各环节进行了检验，为实际生产场景搭建提供了理论依据。通过对产品放置位置的示教，编写机器人离线程序，实现产品的自动上、下料冲压，提高了工作站的运行效率.第四章工作站逻辑本章介绍通过两台IRB2600工业机器人相互协作完成工件冲压上下料，通过对工作站预设运动路径比较，分析机器人运动轨迹与机器人工作空间得到最优的运动路径，规划好运动路径后，需要对是否存在干涉进行检测，确定路径规划的合理性。4建立机器人的I/0信号连接设定Smart组件与机器人端信号接通，从而实现整个冲压工作站的仿真模拟动画。工作站逻辑就是将机器人端输出信号当作Smart组件的输入信号，Smart组建的输出信号当作机器人端输入信号。建立相关I/O信号：do_OK输入信号作为产品就位信号，di_PoseMover输出信号作为机床冲压工作信号，di_Gripper输出信号作为控制夹具工作的信号。4.1在“仿真”下设置工作站逻辑软件中“仿真”功能按键下含有“工作站逻辑”，使用机器人输送链的启动信号操控输送链系统的工作，使用机器人夹具的输出信号操控夹具系统夹取工件，使用工具系统中工件夹取检测信号操控机器人工件真空检测输入信号，使用输送链系统工件就位输出信号操控机器人系统的工件就位输入信号。图4.1工作站逻辑功能设计4.2机器人程序编写示教器是工业机器人现场调试的重要工具。示教程序由按键与触摸屏组成，在ABB机器人给冲床上下料时，进行程序编写，需要获取示教目标点，对相对应的程序进行编写，进行示教编程，保证仿真结果与实际运行一致。观察机器人在工作站中的运动情况，如果超过工作范围或周边物体有干涉，需要检查目标点数据信息，或修改示教点，以达到任务要求。main程序主要包括置位，复位已经连接到Smart组件的I/O信号，机器人的目标点示教。工作站的工作流程为：图4.2取料机器人的工作流程图4.3放料机器人工作流程根据流程图设计程序。机器人运动中，程序指令主要有2个，分别是MoveL(直线移动)和MoveJ(关节移动)，其中MoveL是以工件夹具为坐标，在三维空间内实现X、Y和Z轴方向的移动，主要应用在抓取物料、平行移动抓取的对象和码垛过程中﹔关节移动的以整个大地为坐标系，实现机械臂各个关节的移动，其最大特点是进行机械臂姿态的调整和移动过渡点的设置。MoveL和MoveJ指令格式相同，以MoveJ指令为例，其指令格式为:MoveJpZero,v500,fine,tGripper\WObj:=wobj0;其中，pZero是移动目标点，通过手动示教确定该点位后，点击示教器中的“修改位置”将当前点的位置信息存入pZero点;v500是机械臂移动速度，每秒移动500毫米，根据不同点位的情况，可以设置不同的移动速度，其中空间内的大范围移动，可以提高移动速度，但是在接近目标位置时，要降低移动速度，防止由于惯性过大冲击物料或发生碰撞，以影响整体运行效果,速度也可以用变量表示;fine是立即到达，其位置可用z50等替代，其中数值越大，其运行轨迹越圆滑，如果设置为fine，则移动路径比较生硬，但是运动精准;tGripper1是工具坐标，WObj:=wobj0工件坐标，是可以根据不同的情况设置相应的工具坐标、工件坐标等。4.4本章总结本章通过机器人工作流程，设计了自动化生产线的基本程序，完成了整个仿真工作站搭建，实现了自动化生产线建模仿真全过程。针对现实生产中存在的问题，使用虚拟仿真技术更好的解决路径规划等问题，为IRB2600在实际实际生产线上更好的解决困难提供帮助。本设计按照要求达到了预期的仿真效果，但实际生产线中，涉及的专业技能更多，现实环境更复杂，对整个工作站位置数据和仿真效果要求更加严格。RobotStudio软件中Smart组件可以模拟实际机器人冲压工件的场景，做出动画模拟效果，这是工业机器人工作站仿真设计的可用工具，仿真成功给工业生产线缩短了预期，节约了成本，增加了企业收入。5PLC程序与触摸屏界面设计完成了工作站的所有仿真内容后,还需要对外部控制系统进行设计。前文所提到的各种信号连接在现实中都是由外部控制的,机器人本身的示教器只能基于已经定义完成的信号对其进行操作。各种信号通过连接控制系统,机器人控制柜连接控制系统,机器人的示教器对机器人本身及控制系统进行编程。随着科技的快速发展,越来越多的机器与现场操作都普遍使用人机界面,而PLC控制器强大的功能及复杂的数据处理也需要一种与之对应的易于操作的人机界面。触摸屏的产生便是自动化行业的新革新。触摸屏界面和PLC共同使用成为主流。PLC是一种组成简单、适用性强、功能强大的控制元件,具有强大的抗干扰能力,可以提高系统稳定性和可靠性以及生产效率,普遍应用在工业领域。触摸屏是一种人机界面,它取代了老式的显示器与控制台,可以显示数据和修改参数,用曲线图方式说明控制情况；增强了PLC功能,用专用笔或手进行操作减少了仪器的使用。本章分析该工作站运行内容，通过选用合适型号的PLC及触摸屏，完成对信号梯形图的编程及触摸屏组态的搭建，完成对机器人控制系统的设计。整个系统由上位机触摸屏，下位机PLC控制，工业机器人通过自带的通信板卡与PLC进行I/O连接。5.1控制系统设计图5.1控制系统框图(1)人机交互模块选用西门子TP1500精智面板，可进行触摸操作或按键操作。(2)CPU模块选用西门子S7-1214C。CPU1214CDC/DC/DC，由14个输入点和10个输出点组成，满足设计要求。具有紧凑、高性能等特点。(3)通信模块使用RS485接口的通信板与通讯模块点到点中CB1241完成通信。将机器冲压结束和报警信号通过互联网与后端服务器实现信息反馈。(4)工艺模块有高速计数器(HSC)和脉冲发生器(PTO/PWM).(5)输入模块分为数字量(DI)输入模块和模拟量(AI)输入模块。数字量输入滤波器为6.4millsec，模拟量输入信号积分时间为50Hz(20s),滤波为弱(4个周期)。(6)输出信号也分为数字量(DQ)输出信号和模拟量(AQ)输出信号。该PLC只有数字量输出信号。对CPUSTOP模式的响应为使用替代值。控制器采用西门子s7-1200，西门子s7-1200小型可编程控制器充分满足中小型自动化的系统需求，研发过程中考虑了系统、控制器、人机界面和软件的无缝整合和高效协调的需求。物料冲压系统自动上、下料的控制要求，系统的输入有17个，系统的输出有5个。表5-1输入控制信号地址分配有料检测l%I0.0l%I0.1l%I02l%I0.3lI4l%I0.5l%I0.6l%I0.7l%I1.0l%I11l%I2.0l%I2.1l%I2.2表5-2输出控制信号地址分配l%Q0.0l%Q0.1l%Q02l%Q0.3lQ4表5-3公共M控制信号地址分配l%M100.0l%M100.1l%M1002l%M100.3图5-4报警控制信号地址分配l%M3001.0图5-5手动控制信号地址分配动l%M700.0l%M700.1l%M700.2图5-6自动控制信号地址分配动l%M200.0l%M200.1l%M200.2图5-7手动HMI控制信号地址分配MIl%M600.0l%M600.1l%M600.25.2组态界面设计西门子的博途V15.1软件有强大的组态界面设计和仿真的能力，先创建项目，选择PLC型号和触摸屏HMI型号，用PN/IE_1网线连接，实现CPU与HMI的通信。梯形图程序编程主程序分为两部分，一部分是程序启动、紧急停止、模式切换。(1)启动程序：根据启动按钮地址设计，当系统开始工作，意味着停止和急停按钮关闭。一旦工作结束，就可以按停止按钮结束。图5.10启动程序(2)紧急停止程序：紧急停止有急停和复位，SET和RESET负责开关按钮，保证经常使用。图5.11急停程序图5.12复位程序(3)模式切换：设置好公共地址分配，实现输入信号与公共信号转换。图5.13模式切换程序第二部分为另一部分是上、下料和冲床的交互信号，手动控制程序，输出程序。(1)上、下料和冲床工作程序：冲床需要检测工件是否到达内部，SET和RESET负责开关按钮；上料和下料是个涉及工作顺序问题，常开触点和常闭触点会有部分相反。图5.14冲床工作程序图5.15上料机器人程序图5.16下料机器人程序(2)来料段、下料段和冲床自动控制程序：图5.17来料段自动控制程序图5.18下料段自动控制程序图5.19冲床自动控制程序(3)手动控制程序：手动包括来料段、下料段和冲床以及对应的触摸屏。图5.20手动和自动复位程序图5.21手动控制程序(4)输出程序：图5.22输出程序5.3触摸屏界面设计西门子主要分为HMI按键面板，HMI移动面板，HMI精智面板和HMI精简面板。按键面板接线比常规触摸屏简单，方便安装和预组装，进行简洁明了的操作；移动面板兼容有线操作和无限操作，方便模拟整个工作流程，具有全局监视和移动操作的能力；精智面板一般使用在环境复杂的工业现场，比精简面板高级，能实现能效管理、带集成诊断功能；精简面板是工业生产最常用的面板，可以实现触摸屏不太复杂的功能，同时可以把项目转移到精致面板上面，适用条件广泛。西门子HMI操作面板为用户提供了多种版本，满足不同环境所需的配置。本文选用TP1500精智面板，可进行触摸操作或按键操作。图5.23PLC程序构架图主画面含有在线、离线、工件传送、切换语言、控制面板、停止运行系统的功能；手动操作画面设置有来料、下料皮带运行和冲床冲压的按钮。上下料冲压系统均为手动运行，可以实现工业机器人上下料，手动冲压开关的切换；工件达到目标数量后，系统会出现停止系统运行画面，帮助操作人员更快了解现场进程，确保系统准确无误。电源为工业机器人和冲床提供了220V电压，通过交流转换为24V的直流变压器，为PLC系统提供24V直流电。所有分路电流都并联在PLC主电路。对应的输入信号包括来料段皮带线取料位有料检测、下料段皮带线放料位有料检测，冲压在上限位、冲床内部有料检测、手动/自动、启动按钮、停止按钮、故障复位按钮、来料段皮带线运行中、下料段皮带线运行中、上料机器人在原点、下料机器人在原点、急停按钮分别对应地址I0.0、I0.1、I0.2、I0.3、I0.4、I0.5、I0.6、I0.7、I1.0、I1.1、I2.0、I2.1、I2.2。输出包括来料段皮带线运行、下料段皮带线运行、冲床冲压、上料机器人上料、下料机器人取料分别对应地址Q0.0、Q0.1、Q0.2、Q0.3、Q0.4。5.4控制系统电气连接设计在实际现场实施时，还需要对系统的电气图进行设计，用来表明设备电气的工作原理及各电器元件的作用，相互之间的关系。在本章，电气图分别为主控制电路和PLC的外部端子分布图。PLC的端子根据各自的功能需要，分别连接中间继电器，热继电器，电磁阀，线圈等；如图所示，根据之前做的IO信号图，按照地址数据与信号名称一一对应，可以在平台上看出具体的信号名称和对应地址，方便修改输入输出变量地址数据，为前期组件安装和后期保修提供便利，输入输出的端子分布图如图所示。图5.24动力控制电路如下：首先是380V，50HZ三相交流电的工业配电箱，配电箱内设的螺旋式熔断器，其