基于六轴工业机器人的焊接工作站设计-毕业论文

AbstractThisgraduationprojectisbasedonthedesignofsix-axisindustrialrobotweldingworkstation，includingtheanalysisofrobotweldingtechnology.TheweldingworkstationsystemofindustrialrobotconsistsofABBrobotbody，IRC5robotcontroller，PanasonicfullydigitalcontrolCO2/MAGweldingmachineandapneumaticweldingfixture.Inthesystemdesign，theworkingprogramofweldingrobotiscompiled.RobotStudioistheRobotsimulationsoftwareofABBCompany.ItusesRobotStudiotobuildavirtualworkstationandmakesimulationvalidationfortheworkstation.Mastertheknowledgerelatedtoindustrialrobots，suchasthree-dimensionalmodeling，off-lineprogramming，programtuning.Keywords:Weldingworkstation；Six-axisrobot；Pneumaticweldingfixture；RobotStudiosimulation目录摘要 IAbstract II第一章绪论 11.1课题的选题背景与意义 11.2国内外发展概况 21.3本文主要研究内容 3第二章六轴机器人焊接工作站的整体设计 42.1机器人焊接工作站的大体概述 42.2基于RobotStudio工业机器人焊接的虚拟工作站 42.2.1RobotStudio仿真软件概述 52.2.2机器人工作站的虚拟建立过程 52.3焊接的对象 62.3.1焊接的分类 62.3.2焊接的工件与工作台 62.4焊接工艺分析 72.5焊接电压与电流 82.6焊接的夹具 92.7夹具气缸的选型与计算 112.8机器人的焊接工作站的组成 122.9本章小结 12第三章焊接控制系统的设计 143.1ABB机器人系统的简介 143.2机器人焊接系统的硬件设计 143.3机器人焊接工作站系统软件设计 183.3.1ABB机器人焊接工作站与PLC通讯设计 183.3.2PLC控制系统程序 193.3.3ABB机器人焊接工作站的程序 213.4章节小结 24第四章焊接工作站仿真与测试 254.1焊接工作站的建立 254.1.1夹具、工作台的结构设计 264.1.2虚拟工作站建立 274.2工作站仿真 304.3工作站测试 324.4章节小结 33结论 34参考文献 35致谢 36第一章绪论华南理工大学广州学院本科毕业设计（论文）绪论1.1课题的选题背景与意义因为现代化工业的发展迅速，工业4.0的呼声也越来越大，工业机器人在也逐渐的进入人们的生活，而且涉及的领域较多，譬如服务业、重工业、生产业等行业，而且就目前而言，涉及的范围只会越来越广，而人们也只会更离不开工业机器人，而工业机器人之所以可以如此快的渗入人们的生活，主要因为其有着许多的优势：工业机器人的引入能够增加工业生产的自动化能力，在工厂的生产过程里面，工业机器人可以代替人工从而高效地完成各项工作流程，而且完成的质量并不亚于手工完成，甚至还可以做许多人工无法完成的工作，这样可以提高工作效率。工业机器人的引入还能够改善人民的工作条件，可以避免在高危的工作环境下进行工作，让这些工作全部让工业机器人代替，从而减小高危事故的发生，使得工作更为人性化。工业机器人的技术的不断发展进步，也使得其在各项领域已经发挥了不可替代的作用，可以实现智能无人化的生产管理工作。现在的企业转型上寻找新的出路，实现了从纯人工转变为半自动化发展，再从半自动化转变为全自动化的一个发展过程。而工业机器人的应用正好迎合了企业的需求，解决了问题的同时还提升了经济效益和社会效益。当下来说，工业机器人上应用较多的就是六轴工业机器人，因为它的自由度较多，使用起来比较灵活，在工业上使用比较方便，常用的有用于焊接的机器人、用于打磨的机器人、用于搬运的机器人等。焊接是高强度复杂的体力劳动，并且在精度和准确度上要求比较高，焊接机器人的应用，对工人和生产得到解放和提升，越来越多的机械企业都采用焊接机器人来代替人工进行焊接加工提高生产率压缩生产成本的同时也大大提高了产品的质量，获得良好的经济社会效益。利用六轴机器人的特点配合成熟的焊接技术，将成为现代先进自动化发展的方向之一。1.2国内外发展概况现在，自动化已经成为工业发展方向标，六轴机器人在自动化设备上应用是重要的一环，市场上对于六轴工业机器人的需求更是日渐增长，在这样的情况下，六轴机器人的投资前景可期，在焊接上的应用不断增加。随着工业机器人技术的提升，在各个领域的实际应用上六轴机器人也可以做到比较小的误差，而且完成效果较好。这样一来，便可以代替了许多人为的劳动力，并提高了工作的效率，也提高了生产过程中的无人化程度，也减小了许多高危情况的发生。汽车行业、五金加工、食品行业、电子行业等行业上的应用不断增加提高。当今社会上的顶尖六轴机器人程序化动作的实现可以通过人工智能技术来支撑。六轴机器人的智能化领域涵盖了很多方面，包括智能焊接的实现、程序式喷涂的应用、自动化搬运的使用、零件的自动装配等等，它们的工作都具备着同样的特点：快速准确与有效持久。在使用六轴机器人可以带来一系列改进的好处，因为它除了可以保证产品的质量以及提升在日常加工生产中的工作效率，还可以把设计成本相对降低，减少人工操作导致不良品的风险。机器人有能力去执行并完成各项任务，在面对高风险的任务时能力尤为突出，相比传统的自动化过程要更加领先。六轴关节机器人相关技术的拓展与发展为下游应用给予具有可靠稳定性的机器人产品，极大地满足标准化下游的加工生产。六轴关节机器人的应用是如今六轴机器人技术的研究发明程度以及我国产业结构所决定，我国的产业结构也影响了人文应用和工业的发展程度。眼看着欧美科技先进地区对智能化生产的改革与技术提升，自动化生产线的自动化程度越来越高，所以在近些年来我国在发展中时刻继续提倡产业结构调整和推进优化升级，其中在投资自动化设备方面不断上涨，在很大程度上满足了产业线的需要。但在机器人发展研究方面，中国比起欧美发达国家确实是起步比较晚，在机器人方面的人才也是相对比较缺乏，这些原因是约束着我国机器人产业发展的最重要的原因之一。所以我国在《中国制造2025计划》中将机器人产业技术作为先进的课题，期望着中国在机器人研究方面能够在世界的机器人技术平台上一展拳脚。查找相关资料得知在世界机器人研讨大会中国际联盟的主席发表说到，到达2015年时，工业机器人的年供应量会逐年递增，早在2014年的年增长就达到了2300万，并在机械的行业中以两位数的百分比稳定增加。在相关报告中也了解到亚洲使用机器人的广泛程度，多达百分之五十六，是世界上使用机器人最多的地区，我国也不例外。但由于相对使用密度比较小，因此在发展和运用机器人技术方面有着很大的提升空间。根据报道，在2018年，在全国已成功建立三十多个机器人产业园，分布在自治区、沿海省、直辖市等，全面展开国产化代替方案，在工业机器人的销售销量方面也大大提高，成为世界最大的工业机器人市场。1.3本文主要研究内容随着工业机器人技术的提升，在各个领域的实际应用上六轴机器人也可以做到比较小的误差，而且完成效果较好。工业机器人主要是可以模拟类似于人类手部动作，从而完成一系列的工作，实现生产过程中的自动化和智能无人化。工业机器人在生产中的普遍应用，很大程度上解放了工人劳动力，越来越多的机械企业都采用焊接机器人来代替人工进行焊接加工提高生产率压缩生产成本的同时也大大提高了产品的质量，获得良好的经济社会效益。利用六轴机器人的特点配合成熟的焊接技术，将成为现代先进自动化发展的方向之一。1.利用RobotStudio完成焊接工作站的总体方案设计；2.利用SLDWORKS完成工业机器人焊接夹具的设计；3.利用RobotStudio完成工业机器人焊接工作站控制系统的设计；4.利用RobotStudio完成焊接工作的的仿真设计软件进行模拟测试。

第二章六轴机器人焊接工作站的整体设计2.1机器人焊接工作站的大体概述机器人焊接是当下很普及的一种技术，而要做到机器人焊接，还需要设计对应的焊接工作台，从而完成一系列的焊接工作。假如我们采用普通的手工焊接，不但成本很高，而且效率不高，质量也难以保证，而机器人焊接可以完美解决这些问题，是工厂长远发展方向。机器人焊接对于产品焊接质量的保证有质的提高，次品少了相应的成本就提高了，最重要的是能够改善工人的工作环境，提高工作质量。毫不夸张的说，机器人焊接技术的体现一个国家机器人技术好坏重要指标，因此如今无论是国内外都开售大量的使用焊接机器人，并不断的被接受采纳，也在工厂的改造方案上机械人焊接被工厂作为首选。六轴机器人末端法兰上安装上各种焊枪或者焊钳的工业机器人叫作焊接机器人。六轴机器人的控制运动系统触及很大内容，如自动控制理论、运动学、数学等。六轴机器人焊接，只有一台机器人是不能实现的，还需要必要的外围设备共同组成焊接的工作台。常见的焊接机器人工作台主要由以五个部分组合而成：1、机器人的本体，机器人一共有六条轴，每个轴就像是一个关节，由伺服电机连接驱动，组成类似于人类机械手臂、关节的形状，此外还有传动机构带动各个关节的运动；2、机器人的控制柜，控制柜类似于人类的大脑，是机器人整个系统的控制中枢，由系统硬件、软件和电路组成，主要对机器人运动的算法进行编写，并且搭建各个模块的电路，使得机器人能够按照程序正常运行；3、焊接机器人的电源模块，主要由电源、焊枪组成；4、焊接传感器及系统安全保护设施；5、焊接工装夹具。2.2基于RobotStudio工业机器人焊接的虚拟工作站2.2.1RobotStudio仿真软件概述RobotStudio是ABB公司推出的一款高效的仿真软件，主要用于机器人仿真。而虚拟工作站则可以在这个软件中实现虚拟仿真，可以使人们在设计过程中在线不断调试发展，以便及时发现问题，不断的修改，从而降低设计时间和成本。此外，该软件还可以对机器人的运动轨迹进行离线脱机的编程，效率极高，对于设计整体的效率以及降低总成本来说是有着很好的优势，可以给人们更好的解决方案。在设计过程中，该软件操作也十分方便，可以自动在界面上创建文本，用来编辑机器人运动轨迹的程序，进行仿真测试，此外还能够编辑各种数据的文件，用来完成示教的功能。2.2.2机器人工作站的虚拟建立过程虚拟机器人工作站主要包括选择合适的工业机器人和对机器人参数进行正确的设定；其次则是要对工业机器人需要用到的工具进行选择，主要有焊枪、工作台、工件等工具。因为RobotStudio没有自带夹具模型，夹具要使用SolidWorks建模软件建模。虚拟焊接机器人工作站如图2-1所示。图2-1虚拟焊接机器人工作站2.3焊接的对象2.3.1焊接的分类在分类焊接类型时候，主要是从加热方式和熔炼的方式两个方面来区别，大致可以分为以下三种类型：一、气焊两种气体混合燃烧产生高温火焰，用高温的火焰来熔化焊件和焊条。二、电弧焊在生产应用当中，电弧焊是使用较多的一种焊接技术。通常，电弧可通过两种方法产生。一、在金属电焊条和金属材料之间产生电弧，焊接过程中焊条逐渐熔化，焊条提供填充材料从而将金属结合部分填满。二、在工件材料和一个非消耗性的钨极之间产生电弧，因为钨极的熔点比电弧温度要高，所以填充材料需要另行提供。三、电渣焊电渣焊是利用电阻热来熔化金属，电阻热由电流通过熔渣所产生的。2.3.2焊接的工件与工作台本次设计采用二氧化碳气体保护焊。二氧化碳气体保护焊适用使用范围：大多数的钢材料，而资料上也有标准严格规定了这些材料的在使用二氧化碳气体保护焊时的基本操作要求，在使用过程中要严格按照该标准来操作。如表2-1。表2-1常用气体保护焊钢材与焊丝的选用钢材类别钢号焊接材料的选用保护气体焊丝碳钢及低合金钢Q235CO2ER49-1Q255ER50-1Q275ER50-415#YJ502-120#YJ502-1中碳钢35#YJ501-145#YJ501Ni-1从表2-1选择本设计的焊接工件材料是Q235，焊丝是ER49-1。工件的形状设计成长方形，使用SOLIDWORKS建模软件建模。模型如图2-2所示。图2-2焊接工件模型焊接工作台的模型，使用SOLIDWORKS建模软件建模。模型如图2-3所示。图2-3工作台的模型2.4焊接工艺分析一、焊接接头情况及焊缝技术要求首先从焊接的接头来说，主要有对接接头、搭接接头以及角接接头等，当然并不只是有这些，还有其他很多形式的接头，综合因素考虑，此次设计中采用了稳定性较好的搭接接头；而焊缝形式也有很多种，本次则采用了较为普遍的角焊缝的形式，规格上也有6mm-15mm不等；母材方面则采用了常用的碳素钢Q235；最重要的就是对于焊缝的外观来说，需要做到焊接之后的焊缝以及热影响区没有夹渣、气孔等缺陷，否则会影响焊接效果以及使用体验。二、焊接工艺焊接之前需要的准备以下工作：1）焊件表面存在油迹等杂物，在焊接部分10~20毫米范围内的需要清理。因为焊接过程会出现枪嘴堵塞，所以要使用防堵剂涂到枪嘴，飞溅防粘剂涂到工件表面；2）焊机KRII350焊丝ER49-1直径1.0毫米和直径1.2毫米；3）采用左焊法。2.5焊接电压与电流本课题采用焊条电弧焊来计算机器人本体所需要的电压，焊接材料是Q235,按《二氧化碳气体保护焊焊接工艺规范》选择中，可得焊接所需要的电流根据经验值取值180A，焊接速度可取值0.2cm/s,焊接热输入24kj/cm。根据热输入计算公式：q=ηUI来计算焊接所需要的电流，公式2-1通过转换可得：U=qv式中：q为热输入，单位是（J/mm）U为电弧电压，单位是（V）I为焊接电流，单位是(A)V焊接速度，单位是(mm/s)η为热效率，焊条焊接一般取值0.8。把已知数值代入公式2-2，可计算出电压I=2400×2所以在进行焊条焊接时，在24V电压的情况下，电流一般选择250A。根据焊接的要求，一般也需了解焊机的连续负载时间，根据负载持续率公式：DYN可推导出焊机的连续负载时间为：t=TD在焊机的额定工作电流为300A，负载持续率为60%的，工作周期为10Min情况下，根据公式2-4求得连续负载时间为：t=则在焊机的额定工作电流为300A，负载持续率为60%的，工作周期为10Min情况，连续负载时间为6分钟。在焊接过程当中，考虑最多的是电压与电流的取值，一般都可根据经验值如下表进行设定。如表2-2。表2-2电压与电流的取值表焊接方法焊接参数熔池长度L（cm）焊缝横截面积熔池质量熔池表面积熔池平均存在时间熔池比表面积极性I（A）U（V）V（cm/s）光焊丝正140~23017~190.251.09~1.880.106~3.2740.71~2.50.7~1.71~2.16.3~11.3焊条电弧焊氧化铁型焊条正140~230260.251.51~3.070.118~0.3351.28~7.21.05~3.652.1~4.77.1~8.2埋弧焊不锈钢焊丝HJ431、H18CrMoA反200~37027~280.592~3.980.085~0.361.9~11.51.25~3.651.9~3.53.2~6.6氩弧焊不锈钢反200~30023~24.50.741.8~2.80.099~0.1731.4~4.350.87~1.91~1.634.4~62.6焊接的夹具焊接的夹具主要是根据焊接工件尺寸大小，工装快速定位，焊接精度的提高和防止工件焊接过程变形的专用夹具。现在，焊接夹具的分类有三种：1）手动夹具：由人手推动夹具作为动力，使夹具达到夹紧加工工件的作用的夹紧机构；2）气动夹具：推力是由压缩空气提供的夹紧机构，推到夹紧位置夹紧工件；3）电动夹具：由电磁吸引力或者电机来提供推力的夹紧机构，推到夹紧位置夹持工件。本设计最初采用的是一种手动的夹具，手动夹具运用在工作站时的使用和操作方面比较简单，我们对手动夹具的维护也相对容易，采用纯机构利用人给予它推力或压力来实现夹具对工件的松开或夹紧的作用过程。设计初步是将使用SOLIDWORKS建模软件设计出两部份的夹具，一部份夹具提供给工件向下的压力，另一部分夹具提供给工件向里的推力，使工件达到平衡受力状态并能让工件能够固定在工作台上。手动夹具的模型如图2-4所示。图2-4手动夹具的模型但随着自动化的程度的越来越高，焊接工件厚度的增加，工件体积大小的改变，工件批量生产的提高，手动夹具面对以上情况会不能完全达到机械人加工的夹紧要求，它有一定的局限性。所以最终选择气动夹具作为本设计的夹具部分。此次选用市面上普遍应用的肘节夹具来作为夹具模块，肘节夹具工作原理如下：当连杆与连架杆的两铰接点B、C和其中一连架杆与机架的铰接点D，B、C、D三点一线时，肘节处于死点位置。这样工件就会压得很紧实，这是即使再大的反作用力作用到夹具，都没有办法将夹具变动。这个就是机械力学上的死点夹紧原理。肘节夹具机构简图如图2-5所示。图2-5机构简图1、设计时，要避免使用过程中负载和外力变化、机械产生振动等影响。把中间铰点偏向其它两铰接点连线的内侧，这样则可以；2、要使得夹具处于固定的位置，并且锁紧，就需要有夹具的夹紧力作为支撑，而且还要保证夹具受到外力作用之后不能发生变形而破坏了夹具材料，当压紧力的位置在力臂最小时，工件此时受到的压紧力是最大的，工件所受到的外力作用也是随着力臂的改变而不断变化的。本肘节夹具动力源选用气动，气动肘节夹具的工作原理：气动肘节夹具推力是由压缩空气提供，通过气缸执行件把空气压力能转变成机械能。从而实现工件定位和夹紧效果。气动肘节夹具具有以下优点：1）不想要人力操作，只需按下按钮，操作简单，实现自动化控制。b:气缸的响应速度快，重复度高试验稳定，所以在生产使用过程中提高生产效率。通过SOLIDWORKS建模软件建模。气动肘节夹具模型如图2-6所示。图2-6气动肘节夹具模型气动肘节夹具模型与工作台的装配展示图，如图2-7、图2-8所示。图2-7整体图图2-8局部图2.7夹具气缸的选型与计算本设计的气缸的选型与计算:普通的双作用气缸的理论推力，单位为（N），公式是：F0其中D代表缸径，单位为（mm）；P代表气缸的工作压力单位为MPa。理论拉力，单位为N，公式是：F=π其中d代表活塞杆的直径，单位为（mm），在估算的时候可以令d=0.3D。气缸的负载率：指的是选用气缸的实际负载力F与理论输出力F0负载力是挑选气缸型号的关键因素。在不同的负载下，作用在活塞轴上的实际负载力也不同。气缸的实际负载是由工况决定的，若决定了负载率η也就能确定气缸的理论出力，负载率η的选取与气缸的负载性能及气缸的速度有关，见表2-3。表2-3负载率选取表负载的运动状态动载荷静负载气缸速度>500mm/s气缸速度100~500mm/s气缸速度<100mm/s夹紧、底速压铆负载率η≤30%≤50%≤65%≤80%所以可根据夹具的工作情况，气缸的行程需要达到30mm，推力需要达到402N，设工件与工作台的摩擦系数为0.4，工作气压为0.5MPa，气缸的动作时间为1S，下面是缸径的计算：轴向负载力F=μmg=0.4×402=160.8N气缸的平均速度v=st=理论输出力F由式可得到双作用气缸的缸径D=故选取双作用缸的缸径为32mm，可选用气缸型号是QGY32x30，这种气缸是薄型气缸，是标准气缸一种，比拉杆气缸短，体积小，可以选用。2.8机器人的焊接工作站的组成根据上述各部件分析确定机器人的焊接工作站的组成：机器人本体选用ABB公司的IRB1410机器人，这个机器人能达到工作半径范围内的任何位置，定位精度可以达到0.02ram；本次的弧焊机采用了CO2/MAG的焊机，对于碳钢来说有着更好的焊接性能，而且工作过程是小电流的，可以更平稳的进行焊接，此外，这款焊机还拥有深透壶的功能，这个功能在厚板大熔深穿透焊工艺和厚板打底焊工艺上使用。弧焊机内置有有IOT模块和模拟通讯接口，用于扩展数字接口；一套工作台、夹具和电器元件。2.9本章小结本章先对机器人的焊接工作站做了概述，对机器人在焊接工艺上的特点做了分析。利用ABB的RobotStudio仿真软件做了简单介绍，并且建立简单的虚拟焊接机器人工作站。在焊接的种类和工艺上做了分析简述，选定本设计使用CO2气体保护焊，焊接工件材料是Q235，焊丝是ER49-1。最后对于焊接夹具的设计，为了实现快捷、自动化等功能，设计出

第三章焊接控制系统的设计3.1ABB机器人系统的简介IRB型系列的机器人是ABB公司生产的一款广泛应用的工业机器人，ABB标准系列机器人IRB。这款工业机器人目前应用在焊接、喷涂、搬运与切割等工种上。IRB最常用的型号有：IRB1400、IRB2400、IRB4400、IRB6400等。ABB机器人系统由两部分组成：机器人本体和控制器。工人操作控制器来控制机器人本体。机器人本体一共有六个自由度，这六个转轴的组合则组成了三维孔家你上的六杆开链机构，可以在三维空间上的任意点上运动。展示了机器人本体的工作空间如图3-2所示。每个自由转轴都有一个谐波齿轮箱，机器人本体运动重复精度很高，能够达到±0.05毫米~±0.2毫米。除此之外，采用了6个伺服电机去控制每个轴关节的运动，串口测量板是每个机器人本体上都具有的，通过该串口测量板可以把伺服电机编码器读取到的模拟量转换成简单的数字量，串口测量板的供电方式也也能简单，主要是通过充电式的电池去供电，一旦供电电源断电，此时的电池也可以维持一段时间，保证工作的机器人可以记录当下的位置，继续工作而不出错。图3-1机器手臂的工作空间3.2机器人焊接系统的硬件设计封闭式是此次机器人焊接工作站系统的主要模式，组成主要含有五部分：机器人本体、IRC5机器人控制器、松下全数字控制CO2/MAG焊机、气动式焊接夹具以及电器元件。机器人:机器人选用型号为IRB1410，将焊枪安装在机器人的第6轴的法兰上，定义焊枪的导电喷嘴为机器人的工具中间位置，称它为中心点。在机器人工作能够到达的距离之内的所有位置都可以将工具的中心点送至目的地。IRC5控制器:控制核心部件，包括控制系统、驱动系统、电源系统等主要部件。控制系统控制运动和通信的输入和输出。CO2模拟量1：AoWeldingCurrent(Ao):地址0～15控制焊接电流模拟量2：AoWeldingVoltage(Ao):地址16～31控制焊接电压DoWeldOn(数字输出)：地址32起弧控制DoGasOn(数字输出)：地址33送气控制DoFeed(数字输出)：地址34点动送丝控制DiArcEst（数字输入）地址0起弧建立信号在自动焊接系统中，只需要在机器人的PROC中配置个5各焊接参数：DoFeed、DoGasOn、DoWeldOn、DiArcEst；不同焊接参数的焊接设置，机器人做出相对应的AoWeldingCurrent和AoWeldingVoltage两个模拟信号的控制，从而来控制焊接电流和电压的大小。气动式焊接夹具：在气阀的控制上，采用同一块支持DeviceNet现场总线DSQ651对气阀控制。设置DSQC651板子的地址，设置好控制器中的虚拟地址实际地址相对应起来，地址不能和焊机信号重复。DoSolenoidvalve(数字输出)：地址35气阀控制通信连线如下图3-2所示。图3-2通信连线图电器元件二位四通电磁阀：有两个工作工位，其中一个工位是实现气缸向前推进实现夹具的夹紧动作，另一个工位是改变气压的方向使气缸回缩达到夹具的回复原来的位置松开工件。二位四通电磁阀适合本次课题的需要，二位四通简图如图3—3所示。图3—3二位四通简图夹具的夹紧是采用气动作为动力源，所用的元器件有二位四通电磁阀，气缸，夹具，气泵，他们的工作原理图如图3—4所示。图3—4电磁阀工作原理图原理：气泵提供气压，电磁阀控制气缸的伸和缩，电磁阀是通过PLC来控制它的两个工位，其中左工位为推进气缸实现夹紧动作，右工位为回缩气缸实现放开工件。考虑设计的控制系统的控制要求，在本设计需要使用到的输入/输出的接口比较少，因此可以选择信号是FX1S-1MR-001的三菱PLC。由于学校有可以提供给我学生使用的PLC，所以可使用FX1S-30MR-001,如图3-5、表3-1所示。图3-5FX1S-30MR-001表3-1参数表产品FX1S-30MR-001适合工作电压AC100~240V允许电压空间AC85~264V额定频率50/60HZ电压保险丝250V1A5φx20mm冲击电流最大15A5ms以下/AC100V最大25A5ms以下/AC200V传感器电源DC24V400mA功耗21W交流接触器:可让电流在通了电的线圈中产生磁场，在这种情况下，磁场可以令静铁芯与动铁芯吸引，使触头闭合，以完成控制负载电器的目的，可选CJX2-3210，线圈220V，用于保护PLC以防烧坏。如图3-6所示。空气开关:为了能够保证用电的安全，可以加一个空气开关，它能完成接触和分断地电路，用在使用不频繁的气动电动机上，其还有过压，过载，短路和欠压保护功能。如图3-7所示。图3-6交流接触器图3-7空气开关变压器：它原理简单但在不同的环境下，有隔离，稳压，电压变换，阻抗变换和相位变换的作用，变压器的作用也会对应不同。型号用到S-200-24，输出电压直DC24V输出电流8.3A输出功率200W,如图3-8所示。图3-8变压器红外线传感器:利用红外线传感器的红外线照射，当传感器的红外线被需要测的物体遮挡或者反射的时候，可以通过同步回路选通电路，因而知道是否检测到物体。本设计用到信号E3F-DS10C4，输出方式直流三线NPN常开，如图3-9所示。按钮：启动按钮和急停按钮，如图3-10、3-11所示。图3-9红外线传感器图3-10启动按钮图3-11急停按钮3.3机器人焊接工作站系统软件设计3.3.1ABB机器人焊接工作站与PLC通讯设计ABB机器人焊接工作站与PLC实现通讯，通过PLC来控制ABB机器人实现焊接的功能，PLC的存在大大简化人工的任务，提高ABB机器人的工作效率。PLC主要是接收ABB反馈回来的信号，然后对夹具做出反应，夹好工件后，反馈回信息给ABB进行下一步工作。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口对应信号I/O口Y端I/O口对应信号X1接收ABB归零信号Y1夹具加紧完成反馈信号X2电磁阀1已夹紧Y2驱动电磁阀1加紧工件X3电磁阀2已夹紧Y3驱动电磁阀2加紧工件X4电磁阀3已夹紧Y4驱动电磁阀3加紧工件X5电磁阀4已夹紧Y5驱动电磁阀4加紧工件ABB与PLC是可以相互通讯的，PLC可以通过X1的端口接受来自ABB的回归零点信号，接收ABB的回归零点信号主要是为了焊接的准备，给夹具进行夹紧的工作时间，也是减少人工夹紧存在的时间浪费，可以实现ABB焊接的自动化。ABB也可以接收PLC的Y1端发送的信号，Y1端发送1，代表夹具的四个工位夹具已完成加紧动作。I/O口X端的X1,X2,X3端分别安装红外传感器，红外传感器可以检测到夹具的夹头是否到达相应位置，到达位置则认为夹具已完成加紧动作。采用四个夹具主要是工件摆放位置所要求，这样加紧的工件较牢固，更有利于ABB机器人进行作业。I/O口Y端的Y1,Y2,Y3端分别控制气缸的电磁阀，通过电磁阀的控制来实现气缸的伸缩，从而实现夹具的加紧和不加紧动作。I/O口分配图如图3-12、图3-13所示。图3-12I/O口X端接线图图3-13I/O口Y端接线图3.3.2PLC控制系统程序PLC控制系统硬件主要包括交流接触器，控制开关，PLC，红外线传感器，二位四通电磁阀和ABB机器人共同组成。各元器件通过相互传递信息，达到控制夹具夹紧，ABB机器人进行焊接流程。程序列表如表3-3所示：表3-3PLC程序指令表步号指令I/O(软元件)0LDX0011SETM3002LDIX0073ANDM3004ANDX0065OUTY0026OUTY0037OUTY004表3-3PLC程序指令表（续）步号指令I/O(软元件)8OUTY0059ANDM802910SETM20011RSTM30012LDM20013ORX00214ORX00315ORX00416ORX00517OUTY00118RSTM20019END其中各I/O口代表可参考表格3-2，其中的X6代表启动开关，X7代表急停开关，M8029代表当前指令完成后，才能执行下一条指令，这里运用这条指令可大大简化程序的复杂性，也提高PLC的程序读取速度，加快PLC的工作效率。硬件搭建电气图下图3-14、3-15所示。图3-14PLC控制主电路图图3-15PLC24V供电图在硬件搭建电气图当中，PLC是主要的控制单元，PLC接通220v电压提供电源，其中变压器也需要把220V电源电压转化成支流24V电压给PLC提供电压，形成漏型，方便PLC给红外传感器提供电源，也能够接受并且识别ABB机器人发送的信号。控制开关在主电路当中起到保护主电路作用，保护各元器件。3.3.3ABB机器人焊接工作站的程序利用RobotStudio焊接工业机器人虚拟工作站，并且写出程序。ABB机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程序的说明：MODULEModule1 PERStooldata…….…….PROCMain()此段是系统对各点坐标在执行的RAPID程序中各坐标点进行赋值保存操作。AW_Gun：=[TRUE，[[119.5，0，352]，[0.890213743，0，0.455543074，0]]，[1，[0，0，100]，[1，0，0，0]，0，0，0]]；是工具坐标，其它是工作坐标点。GripAction 0，1；夹具气缸夹紧。WaitTime2；延时2S。夹具气缸动作之后延时2S保证工件夹紧。MoveLTarget_60，v1000，z100，AW_Gun\WObj：=wobj0；使机器人的工具中心点移动到Target_60点，速度1000，转角半径100，使用的工具坐标系为“AW_Gun”。为了机器人运动流畅设置转角半径一般不使用fine，根据工具中心点到达Target_60点之前的距离来调整转角半径。工具坐标系“AW_Gun”提前定义，设置到焊枪的未端地方，Z轴正方向是从焊枪指向外面。ArcLStartTarget_70，v1000，seam1，weld1\weave：=weave1，fine，AW_Gun\WObj：=wobj0；在Target_70点开始焊接，速度1000，seam1为焊缝参数，weld1为焊接参数，weave1为摆弧参数，转角半径为“fine”。指令ArcLStart能机器人能得到快速开始的效果。清气、前气等准备工作在距离Target_70点一段距离时就开始了，到达Target_70点时立即引燃电弧开始焊接。，指令ArcL的清气、前气等焊接前的准备工作是工具中心点到达Target_70点时才开始的，这样做会使工具中心点在Target_70点停留较长时间，一方面影响工作节拍；另一方面，电弧点燃后机器人对其检测时间一般只有1秒左右，这样有可能引发引弧失败的报警。因此指令ArcL不能代替ArcLStart指令，转角半径为“fine”，这是保证焊接开始时在准确点。因此，即便使用ArcLStart指令，工具中心点也会在Target_70点有短暂的停留。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；此三段是对点“Target_80”、“Target_90”、“Target_100”之间作直线焊接。ArcLEndTarget_110，v1000，seam1，weld1\weave：=weave1，fine，AW_Gun\WObj：=wobj0焊接在Target_110点结束，速度1000，seam1为焊缝参数，weld1为焊接参数，weave1为摆弧参数，转角半径为“fine”。在执行到ArcLEnd指令时，焊接的收尾工作进行收尾工作电弧并不会立即熄灭，这些工作包括画圈收尾、焊丝回收、电流衰减等。完成以上工作后电弧熄灭，进入尾气保护时间，保护气体会持续吹出一段时间，在焊机或者机器人里可以对尾气保护时间的长短进行设置。WaitTime2；延时2S。在ArcLEnd焊接完成后，MoveJ离开之前必须要做延时，这样能避免焊丝黏连到工件上。特别是使用“近控模式”时，焊机内设置的熄弧回收时间以及衰减时间的长短焊接机器人并不知道，这会导致机器人在执行完ArcLEnd焊接以后快速就进行MoveJ移动，在这个时候焊枪的焊丝还没有来得及回抽，导致焊丝黏连到工件上。MoveLTarget_120，v1000，z100，AW_Gun\WObj：=wobj0；移动到Target_120点，离开焊接轨迹，速度1000，转角半径100，使用的工具坐标系为“AW_Gun”。GripAction 0，0；夹具气缸打开，方便更换工件。3.4章节小结本章对工作站系统设计，首先对硬件系统设计，机器人焊接工作站系统采用封闭式，由五部分组成：机器人本体、IRC5机器人控制器、松下全数字控制CO2/MAG焊机、气动式焊接夹具以及电器原件。之后对工作站进行软件设计，利用RobotStudio焊接工业机器人虚拟工作站，写出程序并对程序进行分析。

第四章焊接工作站仿真与测试4.1焊接工作站的建立RobotStudio是ABB公司的机器人仿真软件，使用这个软件可以构建工业机器人虚拟工作站，还有工业机器人的运动轨迹离线编程、仿真测试等。有助于提高生产率，降低总成本，实施合理的机器人解决方案的。RobotStudio机器人仿真：1）方案设计阶段验证可实施性；如可达性测试、产线布局等；2）验证生产节拍，程序优化，提高生产效率；3）碰撞检测功能，避免碰撞造成的设备损坏风险；4）强大的离线编程功能，减少因编程造成的设备调试时间；5）真实模拟动画的效果，可以模拟工作台工作的整个过程；6）丰富的二次开发插件，引入图形化编程功能，让编程更简单；7）监控机器人运行状态可在在线联机功能上实现；如信号变化、电机性能等；8）虚拟仿真技术可以用于在线教学，虚拟仿真功能对于当下的机器人来说是非常重要的，可以在实际教学过程中并不需要实物，可以在软件上进行仿真，节约成本。RobotStudio主要功能：1）CAD导入RobotStudio与主要CAD格式中的STEP、VDAFS、VRML、IGES、CATIA、ACIS的导入可完全兼容。利用该导入全面性的功能，设计师可以根据实际需要情况选择所需的机器人，编写准确的程序，提高工作的效率和加工的品质。2）自动路径生成可以自动路径生成是RobotStudio集省时、方便、快捷的功能，利用待加工工件和机器人的CAD模型，可以在几分钟内自动生成与机器人位置相应的工件的跟踪曲线轨迹。3）可达性测试AutoReach的自动分析伸展能力，这个功能可以在操作过程中随意的放置工件和机器人的位置，而且任何位置都可以放置，这样的功能便可以让人们在操作过程了减少了许多布局时间，简短了设计时间周期。4）路径优化RobotStudio可自动检测和警告某些程序，例如逼近单调规则的运动等，以便测量并避免此类现象。5）冲突检测冲突检测这个是非常有效的功能，能防止机器人和其他设备相撞，对设备造成损坏。通过选择关注的设备对象，RobotStudio在机器人执行调试程序时，自动监示并提示程序是否出现冲突。6）虚拟示教器这是真正flexpendant的图形演示，由VirtualRobot驱动。基本而言，可在真正flexpendant上完成的每项工作均可在虚拟flexpendant完成，使之成为一种优秀的教学和培训工具。7）真实与虚拟机器人无缝对接编写好的程序可以直接下载到机器人的实际操作系统上，并不需要作额外的工作去转换，从而节省了调试的时间。4.1.1夹具、工作台的结构设计SolidWorks装配过程是在装配中建立部件之间的链接关系。它通过相关条件在组件之间建立约束，以确定产品中组件的位置。在此次毕业设计的研究过程中，主要是通过SolidWorks软件将工作台以及夹具的大体结构设计出来，在三维软件上进行在线仿真，发现结构异常或者存在冲突的情况，也可以在没有实物的情况下提前对整体的机器人系统结构有大致的了解，可以更为直观的显示出机器人系统的结构。而在用SolidWorks进行机械结构设计过程中，这样可以检验此次设计的机械模型是否存在异常缺陷，能够及时发现干涉等问题，可以及时的去更改，否则当进入实物制作时才发现则会浪费大量的时间和金钱。这样就可以在设备生产制造的前期将存在的问题解决，避免在后期多次修改，浪费时间和金钱，便于快速有效地对设计方案做出适当的调整。在绘制三维模型的时候，将装配体分拆成各个主要的零部件，这些零部件主要包括一些标准件以及非标准件，在选用标准件的时候，一些生产厂家的产品目录中会带有三维的选型系统，这就可以根据计算的结果对其进行选型，极大地提高了设计的效率，像本文中的液压马达以及轴承座，都是根据这种方法进行选型。最初要对零件的主体部分进行分析，确定设备的形状特征在哪一个视图中表达最为方便，这一点非常重要，因为可以影响到后期的二维图纸的表达效果，因此，在设计中，需要选择一个合适的绘图平面，考虑到刀库最终的效果。在此平面上，绘制出各个形体在该坐标平面上的主要形状，可以根据需要进行拉伸、放样或者切除的操作。本设计利用SolidWorks作出各零件三维图和总装图。图4-1工作台建模图图4-2气动夹具建模图4.1.2虚拟工作站建立RobotStudio建立工作站，建立步骤如下：一、新建空工作站图4-3新建空工作站二、导入机器人、焊枪、控制器和工作台图4-4导入IRB1410机器人图4-5导入IRC5控制柜图4-6导入焊枪图4-7导入SolidWorks文件工作台三、焊枪安装到机器人法兰上图4-8焊枪安装到机器人法兰上四、创建机器人系统图4-9创建机器人系统五、虚拟工作站完成图4-10虚拟工作站4.2工作站仿真一、创建目标点并生成轨迹图4-11示教器图4-12建立目标示教点图4-13添加到路径图4-14配置参数生成路径图4-15生成程序同步到RAPID主程序图4-16仿真模拟4.3工作站测试在本课题的设计中，我有在外校的机器人进行自主的学习和研究，并在学习期间利用机器人进行实际的焊接测试，在通过多次学习和操作后，拍摄的焊接过程图与实际焊接效果图，如图4-17、4-18所示。图4-17焊接过程图图4-18实际焊接效果图在此学习过程可以了解到焊接机器人的优势：1、能够实现无人自动的焊接(1)在焊接过程中焊枪稳定性较好，比较少抖动的现象出现，焊接速度匀速运动，可以做到均匀、漂亮的焊缝；(2)工人可以远离噪音和高温工作环境；(3)能提