长玻纤增强反应注射成型设计说明书

毕业设计说明书(论文)作 者 : 学号 ：学院 (系 ): 机械工程学院专 业 : 机械工程及自动化题 目 : 长玻纤增强反应注射成型生产线工艺试验系统设计指导者：（姓 名） （专业技术职务）评阅者：（姓 名） （专业技术职务）毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 中 文 摘 要聚氨酯反应注射成型（PU-RIM）是目前注塑成型工艺中应用非常广泛的一项热门技术，而长玻纤增强反应注射成型（LFI）又是其中的一项新工艺。该技术目前已经被实际应用到工业生产的许多领域中。课题以汽车内饰生产应用为背景，首先介绍了反应注射成型的基本原理和工艺过程，再通过分析实际情况，设计了反应注射成型的生产线的组成结构和总体布局方案。在此基础上，主要讨论了生产线总体结构中的机器人单元的内容，包括机器人型号的选择过程，机器人的操作方式，机器人编程以及初步的轨迹优化。关键词 反应注射成型 ABB 机器人 编程 轨迹优化毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 外 文 摘 要Title Design of the Technology Experimentation System for the LFI-RRIM Production Line AbstractPolyurethane Reaction Injection Molding(PU-RIM) ,which is widely used，is a pop technology of Plastic Injection currently. The Long Fibre Injection(LFI) is a new technology of RIM.This technology has been introduced to many fields of the manufacture industry.Under the background of its application in motor decoration manufacture,we introduce the fundamental and the technics process of RIM, then work out the structure and collectivity allocation of RIM production line by analyzing the actual situation. In this foundation,it emphasizes the issue of the ABB Robot of the entire project,including the selection of the Robot type,operation ,programming and the elementary optimization of the route. Keywords RIM ABB Robot Programming Optimization of the route 本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 页 共 页目 次1 绪论 11.1 课题研究背景11.2 反应注射成型 11.3 工业机器人 51.4 课题研究主要内容 62 系统总体设计 72.1 系统的组成 72.2 系统的功能要求 82.3 系统的基本布局 93 机器人选型 113.1 机器人工作范围 113.2 机器人运行速度163.3 机器人负载能力173.4 机器人选型结论184 机器人操作194.1 机器人操作前期参数设置194.2 机器人操作方式255 轨迹优化275.1 优化要求275.2 轨迹路线275.3 轨迹优化的数学模型和优化过程285.4 优化结果326 机器人编程336.1 浇注件模型336.2 程序实例34结论 37致谢 39参考文献40本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 1 页 共 42 页1 绪论1.1 课题研究背景随着汽车工业的迅速发展，注塑工艺已发展为汽车用塑料件生产的最重要的技术之一。在众多的注塑工艺产品中，聚氨酯（PU）发泡制品在汽车行业中的应用得到越来越广泛。聚氨酯泡沫制品可用于生产汽车的顶篷、地毯、方向盘、仪表板、座椅、保险杠等产品。同时，汽车用聚氨酯发泡制品产量的增加，对聚氨酯发泡工艺提出了更高的要求 1 。在聚氨酯发泡工艺中，反应注射成型（RIM）成为近年来颇受关注的一个焦点，并且被广泛应用到工业生产中。1989 年全世界耗用聚氨酯基 RIM 约 131000t，其中美国约占 42.75%，日本约 19.82%，欧洲占 17.6%；1992 年美国用量为 89000t，1993年为 96000t，1994 年为 105000t。美国聚氨酯 RIM 在非运输部门的应用比例已达到36%以上。 2在市场不断扩大的形势下，聚氨酯 RIM 工艺的发展和更新也得到了极大的推动。一种在聚氨酯模塑成型中加入长纤维增强的加工工艺已由 Krauss-Maffei 公司开发成功, 称作 LFI-PUR 体系, 并已作为商标登记。本次的课题就是在使用 LFI 工艺的汽车内饰生产的实际工程项目的背景下完成的。1.2 反应注射成型1.2.1 反应注射成型的定义反应注射成型（Reaction Injection Molding）简称 RIM，是直接从低粘度的单体或齐聚物快速大批量制造复杂制件成品的一种工艺技术。这些单体或齐聚物在进入模腔前的瞬间碰撞混合，在模腔中通过交联或相分离形成固体聚合物。制件成型周期极短，一般几分钟，最快的体系如聚脲 RIM 的成型周期不足 1 分钟。 21.2.2 反应注射成型的发展史RIM 技术是在制备聚氨酯硬质泡沫塑料工艺的基础上发展起来的。50 年代人们用低压机使料液回转混合制备聚氨酯弹性体和聚氨酯泡沫塑料。1967 年德国 Bayer公司的 Baydur 问世。1969 年首次报导用高压碰撞混合生产聚氨酯泡沫塑料，出现第一台具有自清净和循环混合头的 RIM 设备。1974 年美国大量采用 RIM 工艺生产大型聚氨酯制件。1979 年用玻璃纤维增强的聚氨酯 RIM 生产汽车挡泥板和车体板。1980本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 2 页 共 42 页年玻璃纤维增强的 SRIM 问世。1983 年尼龙 RIM 开始小量生产。1984 年聚脲 RIM 开发成功。80 年代初先后报导了聚双环戊二烯 RIM、丙烯酸酯 RIM、环氧 RIM、酚醛RIM 和不饱和聚酯 RIM 等的开发工作。我国在 80 年代初引进 RIM 设备和原料生产方向盘、聚氨酯泡沫塑料，开始应用RIM 技术。较系统进行 RIM 材料的开发工作开始于 1986 年，国家将聚氨酯 RIM 的开发列入“七五”公关课题。1991 年国家组建 RIM 工程技术研究中心，将进一步推动我过 RIM 高新材料的开发和应用。1.2.3 反应注射成型技术的特点RIM 技术对比早期的塑料成型技术，具有下列优点：a）RIM 是能耗最低的工艺技术之一，由于反应料液粘度低、模腔压力小、模温不高，反应释放热，因此耗能少。图 1.1 金属与 RIM 等聚合物在合成和加工中的能耗比较（单位：J/cm 364.384）b）RIM 的模腔压力小，约为 0.3-1.0Mpa。载模设备及模所需要的投资少。大型制件所需的锁模设备投资一般比热塑性树脂注射成型的低。c）RIM 所用的体系多种多样，如聚氨酯、聚脲、尼龙、双环戊二烯等。即使在同一体系例如聚氨酯体系，其原料品种众多，选择的自由度大，可设计成不同结构，本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 3 页 共 42 页制成物理性能范围极为宽广的聚氨酯 RIM 材料。弯曲模量从 200Mpa 至1400Mpa，耐温从 90至200，从韧性好耐冲击的弹性体到刚性大耐冲击的SRIM 结构材料，密度从约 300kg/m3至 1400kg/m3材料，以满足不同要求。d）易于制作薄壁、性能符合需要的制件，RIM 制件与很好的涂饰性。能制作出符合汽车面要求的 A 级表面，表面没有漩纹。e）反应料液粘度低，发泡制备微孔芯时同复杂形状模腔面及表面图案、花纹等接触好，所得制件表面图案、花纹清晰，重现性好。f）RIM 制件在有加强筋和插入件处的表面凹槽比 TIM 制件少。g）RIM 成型过程中嵌入件及增强材料紧密结合，反应后形成整体件，减少制件的装配费用。h）RIM 工艺生产率高，生产大批量、大尺寸的制件尤为经济。i）可用厚的加强筋，RIM 可制造壁厚和加强筋厚之比达 1:0.8，而 TIM 仅能达1:0.3。j）可用模内涂漆（IMC） ，漆层以化学粘附于制件表面，涂饰层有极好耐破损性能。21.2.4 反应注射成型的工艺步骤反应注射成型工艺主要由原料准备、料液循环、高压计量、混合、浇注入模腔及修饰等工序组成。原料液一般配制成两组即 A 和 B 组分，A 组分常为异氰酸酯，B 组分常为多元醇（含扩链剂、催化剂及其他助剂） 。将 A、B 组分分别加到 A、B 贮槽中。反应料液在进入混合之前，分别循环。将料液温度调至规定的数值后，分别经高压泵计量后进入混合室，在混合室通过高速碰撞混合，迅速进入模腔，一边充模一边聚合，在很短时间内固化成具有脱模要求的强度后脱模，或经后固化或直接送修饰工序。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 4 页 共 42 页图 1.2 反应注射成型示意图图 1.3 反应注射成型工艺简图1.2.5 玻纤增强反应注射成型增强反应注射成型（RRIM）聚氨酯，是在 RIM 聚氨酯基础上完善并发展起来的，它是在 RIM 聚氨酯中加入增强剂，使之在保持 RIM 工艺的基本优点基础上，又赋予RIM-PU 制品更多的优异性能 8。RRIM-PU 制品具有模量高、耐热性能好、线膨胀系数小等特点，因而特别适合替代钢材做汽车车体和各种结构部件。RRIM-PU 所用增强剂一般有玻璃纤维、碳纤维、尼龙纤维及不锈钢纤维等，而用量最大的是玻璃纤维。玻纤 RRIM-PU 增强材料是在RIM-PU 基础体系中添加玻璃纤维，以提高和改善复合材料的刚性和热稳定性能，同时亦可降低制品成本。本文中所讨论的目前扬子内饰公司采用的 RIM 方式是为长玻纤增强反应注射成型。Krauss-Maffei 公司开发了一种在聚氨酯模塑成型中加入长玻纤增强的加工工艺，称为 LFI-PUR 体系。在反应模塑中添加纤维增强, 基本方法有两种。一种方法是，使纤维能与反应性组分其中一种相混合，在这种情况纤维被切短通常长度约 400Lm，因此其增强效果有限，这就是增强反应性注射成型法（RRIM） 。另一种方法是，长纤维预先被放本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 5 页 共 42 页置在模具中，加入反应混合物，此法即结构反应注射成型（SRIM）或树脂传递模塑（RTM） ，因需要预先加工增强物并把它放入模具中，就增加了操作复杂性。LFI 是这种加工方法的折衷。在此法中，长纤维能以粗纱状与反应性混合物一起注射，改进 RRIM 可得到的强度，却没有 SRIM 的另外加工步骤（指预制玻纤毡） 。这种新方法与 SRIM 相比，还改善了产品性能。LFI 体系能添加长达 100mm 的纤维，并且不同长度纤维能被结合在同一成型过程中，在整个成型厚度，纤维均匀而无规律地分布着，Krauss-Maffei 称这是它优于SRIM 之处，SRIM 法中玻纤毡能被此法泡沫的作用代替。但是，SRIM/RIM 方法还允许使用许多更长甚至连续的纤维，并明确定向，以获得沿一特定轴向的最大强度。LFI 体系可被看作基于一个相当老的工艺，即聚酯的喷出成型，关键差别是混合物是以一种受控制的方式倾入而不是被喷射。此法采用 Krauss-Maffei 公司生产的循环混合头与一台纤维切碎机相结合，纤维与出料管终端的反应性混合物一起喷出，进入模具。此出料管包括一个从切碎机“吃”进纤维的向下的中心管。出料管的顶部位于混合头内，反应混合物向下泵入此出料管，围绕着中心管的四周，纤维在出料口处被物料浸渍、混合。可控因素是混合头的移动速度、纤维加入速率以及可采用第二台切碎机生产不同长度的纤维。这种控制可使混合料含不同的纤维长度、不同的纤维浓度, 进行模塑成型，以满足制品某特殊部位的力学性能要求 3。1.3 工业机器人1.3.1 工业机器人的发展与使用现状从1959 年美国第一台工业机器人到本世纪80 年代初，机器人技术经历了一个长期缓慢的发展过程。到了90 年代,随着计算机技术、微电子技术、网络技术等快速发展，机器人技术也得到了飞速发展。制造价格不断降低，而其质量与性能却在迅速提高。开拓了机器人行业的新进展。机器人广泛应用于各行各业。主要进行焊接、装配、搬运、加工、喷涂、码垛等复杂作业。目前，全球现役工业机器人83万台。过去10年，机器人的价格降低约80%，现在继续下降，而欧美劳动力成本上涨了40%。现役机器人的平均寿命在10年以上，可能高达15年，它们还易于重新使用。由于机器人及自动化成套装备对提高制造业自动化水平，提高产品质量和生产效率、增强企业市场竞争力、改善劳动条件等起到了重大的作用，加之成本大幅度降低和性能的迅速提高，其增长速度较快。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 6 页 共 42 页机器人的应用主要有两种方式，一种是机器人工作单元，另一种是带机器人的生产线，并且后者在国外已经成为机器人应用的主要方式。以机器人为核心的自动化生产线适应了现代制造业多品种、少批量的柔性生产发展方向，具有广阔的市场发展前景和强劲生命力，已开发出多种面向汽车、电气机械等行业的自动化成套装备和生产线产品。在发达国家，机器人自动化生产线已形成一个巨大的产业，年市场容量约为1000亿美元。像国际上著名公司ABB、Comau、KUKA、BOSCH、NDC、SWISSLOG、村田等都是机器人自动化生产线及物流与仓储自动化设备的集成供应商。1.3.2 工业机器人的未来发展趋势21 世纪,机器人可能会成为与我们朝夕相处的伙伴,各国都在加大力度,进行机器人共性技术的研究,并朝着智能化和多样化方向发展。a) 工业机器人性能不断提高（高速度、高精度、高可靠性、便于操作和维修） ，而单机价格不断下降。b) 机械结构向模块化、可重构化发展。c) 工业机器人控制系统向基于PC机的开放型控制器方向发展，便于标准化、网络化；这是目前研究的热点。d) 机器人中的多传感器系统日益重要。为进一步提高机器人的智能和适应性，多种传感器的使用是其问题解决的关键,其研究热点在于有效可行的多传感融合算法，特别是在非线性及非平稳、非正态分布的情形下的多传感器融合算法。e) 虚拟现实技术在机器人中的作用已从仿真、预演发展到用于过程控制，如使遥控机器人操作者产生置身于远端作业环境中的感觉来操纵机器人。f) 微型和微小机器人技术是机器人研究的一个新的领域和重点发展方向。g) 当代遥控机器人系统的发展特点不是追求全自治系统，而是致力于操作者与机器人的人机交互控制，即遥控加局部自主系统构成完整的监控遥控操作系统，使智能机器人走出实验室进入实用化阶段 10-12。 1.4 课题研究主要内容本课题为实际工程课题，整体部分分解为多个部分的任务，本文所讨论的内容为其中的一个部分，包括以下几个部分：a) 总体设计部分：在对整个LFI-RRIM工艺过程有了基本了解之后，根据工艺特点，本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 7 页 共 42 页拟订出合适的生产工艺流程，再做出合理的系统总体设计来满足工艺过程的需要。该部分主要的任务是对总体设计方案进行分析，阐述其系统所要达到的功能要求、系统的单元构成以及各单元的职能、空间总体布局设计；b) 机器人部分：在整个工程中，整体被划分为多个部分由多名同学分别参与其中。本次参与的部分是机器人单元，因此机器人部分的内容是本文讨论的重点。主要讨论的问题为根据分析比对总体设计方案，在满足生产和布局要求的前提下，完成对ABB机器人的选型任务。之后深入介绍ABB机器人的操作以及操作前的一些重要的准备工作，在介绍的两种操作方式中主要对机器人编程自动操作进行介绍，先对机器人轨迹间距进行初步的优化，再根据优化结果来进行程序的编制，以此来介绍机器人操作的程序部分。2 系统总体设计使用Krauss-Maffei的LFI工艺设备的主要过程是，主机储料罐中的A、B料通过过滤器进入到各自的计量泵中，通过计量泵后按照设定的比例由管路输送到机器人手臂上的混合头处准备注射。在生产时，机器人应该以一定的方式能够进入到生产工位的指定操作区域，在正确落位之后可以进行开模浇注过程，浇注完成后模腔闭合并加压，进入发泡阶段。待发泡完成后开模取出制件。在了解了整个生产工艺过程的主要程序的基础上，我们结合项目实际情况，来进行以下的设计。2.1 系统的基本布局2.1.1 系统布局形式的确定a) 转台式环行发泡生产线图2.1为转台式模塑发泡生产线。从图中可以看出，转台式环形布局的生产线，在工作时浇注设备是固定的，通过转台的旋转来实现对不同工位的浇注。这样布局的优点在于，这样可以省去移动单元的机构，简化了浇注设备的控制流程，使其接收到外部浇注请求信号时，只需要去完成浇注任务，而将定位问题交给了转台的传动部分。但是，转台式环形布局生产线也有在此次实际生产布局条件下的致命缺点，即总体尺寸过于庞大。根据总体设计图纸，厂房的宽度为大约14.5m。若要进行环形布本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 8 页 共 42 页局，考虑每个工位的压力机宽度大概为3.2m，工位之间要保持一定的周向距离（一共为10个工位） ，再加上工人进行浇注前准备工作和开模取模的操作台的布置，径向尺寸大约要在1.5至2m，整体尺寸应当超过20m。从实际角度来看，采用这种布局方式不合理。图2.1 转台式发泡生产线示意图b) 直线式发泡生产线经过上述分析，排除了转台式环形生产线布局的方案。根据实际设备条件以及空间条件，系统采用直线排列的方式。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 9 页 共 42 页图2.2 直线生产线布局尺寸示意16/40型LFI长玻纤增强反应注射成套设备（不包括ABB机械手机混合头等注射设备）自成一体可以根据车间的工作空间灵活设置。该成套设备与其他单元的连接仅仅是原料的通道、控制信号线及电源线等。负责机械手直线移动的小车及轨道位于本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 10 页 共 42 页中间，压力机分两列布置在轨道的两侧。由沿导轨移动的小车搭载机械手及注射装置（混合头、玻纤输送、高压换热等）根据各模架单元的服务要求完成长玻纤增强树脂的注射。2.1.2 系统布局尺寸目前生产系统的总体是按照十个工位进行规划的，实施时小车单元部分一步到位；模架单元先按照八个工位建设，剩余的两个工位目前用于小车单元的维护、保养及玻纤输送装置的调整等，若生产任务需要，再将剩余两个工位用于生产(如图2.2)。2.2 系统的组成确定了生产线的布局方式根据长玻纤增强反应注射成型的需要，系统的基本构成包括以下三个单元。2.2.1 主机单元a) 结构组成16/40型LFI长玻纤增强反应注射成套设备（包括原料罐系统、泵前低压抽吸管路、计量系统、高压管路系统、混合头系统、电器控制系统、液压系统、ABB机器人以及玻纤储存与输送装置） 。b) 功能要求1) 双组分原料的低压温度控制、搅拌、液位控制、自动补料、过滤、混合比例计量、高压温度控制； 2) 反应注射的激光定位； 3) 混合头的温度控制； 4) 混合头的自动清洗； 5) 反应注射轨迹的编程控制； 6) 与小车单元的通信。2.2.2 模架单元a) 结构组成压力机及模具（包括压力机及控制系统、模架移动装置及控制系统、成型模具以及模具的温度控制系统） ；b) 功能要求1) 为产品的反应注射成型提供混合头的浇注空间；本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 11 页 共 42 页2) 为产品的反应注射成型提供模具安装、开合模动作、锁模、模具温度调节等保证；3) 与小车单元的通信。2.2.3 小车单元a) 结构组成直线移动轨道及小车部分。b) 功能要求1) 根据模架单元的服务需求，按照先申请先服务的原则将主机单元的机器人运送到指定部位；2) 作为主机单元与模架单元之间的桥梁，负责有关作业信息的传输；3) 与主机单元、框架单元的通信控制。2.3 系统的控制要求根据总体生产要求，以及上述的各单元的功能要求，将构成系统的三个独立部分分别设置控制系统。以下为三部分控制系统信息交互关系简图。图2.3 控制系统信息交互关系小车单元控制系统作为主机单元与模架单元之间的桥梁，实际上起着系统控制的功能：接收模架单元的浇注服务请求、反馈浇注结束信息、控制小车单元自主运行；根据模架单元的服务请求向主机单元发送模架单元服务申请信息、小车单元到位信息、接受主机单元反馈的浇注服务状态信息等。主机单元接收小车单元传达来的模架单元服务信息，控制反应注射成套设备完成对指定单元的浇注服务，并向小车单元反馈浇注服务状态信息。模架单元通过浇注服务申请按钮向小车单元发送服务请求信息，等待浇注服务；在接收到小车单元反馈的浇注结束信息后，控制压力机完成模具闭合、锁模、保压、开模、脱件等动作。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 12 页 共 42 页3 机器人选型3.1 机器人工作范围3.1.1 机器人工作范围的确定根据机器人工作要求，其工作范围应该能够满足在整个反应注射工位进行喷料作业。参照图 3.1，即其工作范围应该达到 E-E 边界。E-E 边界为整个生产线中的十个工位中的 1、2、9、10 号工位的外边界，由于该 4 个工位的加工尺寸为26001170，是最大加工尺寸的工位，其发泡成型工位的尺寸也相应的为最大（36001200） 。因此，只要能够满足这 4 个工位的加工范围要求，就能满足全部的加工要求。如图 3.1 所示，导轨中心线所在位置标记为 A-A，由于机器人安装在移动小车上来回移动，故机器人的中心位置可以当作在 A-A 位置上。根据图中已标注的尺寸，可以确定出位置 A-A 与 E-E 之间的距离为：670023801200100=3020（mm） 。因此，选择机器人的工作范围应该要能够满足该尺寸要求。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 13 页 共 42 页图 3.1 生产线布局图（局部）3.1.2 几种 ABB 机器人工作范围技术参数表 3.1 IRB 2400 机器人技术参数规格 IRB2400L92/85 mm 1.8m IRB2400/10100/100mm 1.5m IRB2400/16100/100mm 1.5m轴运动工作范围定位轴 1，旋转 360 360 360轴 2，臂 200 200 200轴 3，臂 125 125 125再定位轴 4，腕 370 400 400轴 4，选配 - 无限制 无限制轴 5，弯曲 240 240 240轴 6，旋转 800 800 800轴 6，选配 无限制 无限制 无限制图 3.2 IRB 2400 系列工作范围示意图表 3.2 IRB 4400 机器人技术参数规格 IRB 4400/45 IRB 4400/60 IRB4400/L10 IRB4400/L30 IRB 4450S到达距离 1.96m 1.96m 2.55m 2.43m 2.40m本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 14 页 共 42 页表 3.2 IRB 4400 机器人技术参数（续）轴运动工作范围轴运动 工作范围轴 1，旋转 330轴 2，臂 165轴 3，臂 125轴 4，腕 400轴 4，选配 无限制轴 5，弯曲 240轴 6，翻转 800轴 6，选配 无限制图 3.3 IRB 4400 系列工作范围示意图本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 15 页 共 42 页表 3.3 IRB 6400 机器人技术参数规格 IRB 6400R/2.5-120 IRB 6400R/2.5-150 IRB 6400R/2.5-200 IRB 6400R2.8-150 IRB 6400R/2.8-200 IRB 6400R/3.0-100到达距离 2.5m 2.5m 2.5m 2.8m 2.8m 3.0m轴运动工作范围轴运动 工作范围轴 1，旋转 +180-180轴 2，臂 +85-70轴 3，臂 +110-28轴 4，腕 +300-300轴 5，弯曲 +120-120轴 6，翻转 +300-300图 3.4 IRB 6400R 系列工作范围示意图表 3.4 IRB 6600/IRB 6650 机器人技术参数规格 IRB6600 -175/2.55 IRB6600 -225/2.55 IRB6600 -175/2.8 IRB6650 -200/2.75 IRB6650 -125/3.2到达距离 2.55m 2.55m 2.8m 2.75m 3.2m轴运动工作范围轴运动 工作范围轴 1，旋转 +180-180轴 2，臂 +85-65本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 16 页 共 42 页表 3.4 IRB 6600/IRB 6650 机器人技术参数（续）轴 3，臂 +60-180轴 4，腕 +300-300轴 5，弯曲 +120-120轴 6，翻转 +300-300图 3.5 IRB 6600/IRB 6650 系列工作范围示意图3.1.3 工作范围选型结果对比以上 IRB 2400 系列、IRB 4400 系列、IRB 6400R 系列以及IRB6600/IRB6650 系列的机器人的技术参数，可以发现要满足机器人工作极限位置的距离需要，IRB2400 系列、IRB4400 系列和 IRB6400 系列的机器人的工作范围显然不能胜任。由于极限位置的距离要求为上述计算出的 3020mm，所以在 IRB 6650 系列中选择尺寸最大的 IRB 6650-125/3.2 型号的机器人，其最大工作范围为 3200mm，大于极限距离 3020mm。故从机器人的工作范围方面来进行机器人的选型，初步确定采用IRB 6650-125/3.2 型号的 ABB 机器人。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 17 页 共 42 页3.2 机器人运行速度由于反应注射成型的整个工艺过程分别在两个工位上进行：反应注射工位和发泡成型工位。机器人先在反应注射工位上对模具进行注射，完成之后模具回到发泡成型工位上合模，在压力机加压的情况下进行发泡成型。在机器人对模具进行浇注的过程中，如果时间过长，则会导致在模具未回到发泡成型工位上，就已经开始发泡反应。因此，需要严格控制机器人浇注时间。3.2.1 系统注射能力的确定所使用的注射装置是混合头单元（Mixinghead） ，该部分为 Krauss Maffei 公司提供的 Mixinghead unit Rim-Star E。以下为混合头的部分技术数据。驱动能力： 5.5KW motor 注射能力： 23L/min工作压力： 160bar3.2.2 机器人工具坐标位置（TCP）移动速度技术参数下表为机器人各轴的运动参数表 3.5 IRB6600/6650 系列机器人各轴运动参数IRB 6600/6650 型号 IRB6600/6650-200 IRB6650-125轴序号轴 1，旋转 100/s 110/s轴 2，臂 90/s 90/s轴 3，臂 90/s 90/s轴 4，腕 150/s 150/s轴 5，弯曲 120/s 120/s轴 6，翻转 190/s 235/s图 3.6 IRB6650 各轴运动示意以及工作坐标系本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 18 页 共 42 页ABB 机器人的运动方式有两种：Linear 直线运动方式在该运动方式下，机器人工具的姿态保持不变，机器人 TCP 沿着坐标轴线性移动。Reorient 姿态运动方式在该运动方式下，机器人 TCP 位置不变，机器人工具沿坐标轴转动，变化姿态。根据 ABB 操作指南中的关于速度的介绍，用户可以选择的最大速度为5000mm/s，虽然用户自定义最大速度可以达到 7000mm/s，但是机器人却不一定能够实现以该速度运行，故保守将 5000mm/s 作为机器人的最大移动速度。该速度为在Linear 运动方式下的 TCP 速度。一般浇注时，主要以 Linear 运行方式来进行模具的大范围浇注，仅在一些细节方面，当工具保持同样姿态不能提供浇注角度时，采用 Reorient 方式进行小 TCP 定点的浇注。此时的运动是以第 6 轴的翻转运动为主，其翻转速度为 235/s。3.2.3 速度选择的结果由于 Reorient 运动方式在实际操作中的使用较少，主要还是以 Linear 方式为主，因此在此假设仅用 Linear 方式运行，来考虑机器人的速度问题。在机器人浇注时，不论浇注制件的形状具体如何，基本都是采用直线或者圆弧轨迹来进行的。在轨迹间距的安排上，选择 60mm 来进行操作（详见下文 5.3.2 轨迹优化部分的分析） 。这样，在 1 分钟（正如前文所述，在反应注射工位上的时间不宜太长，否则在还未回到发泡成型工位时就可能已经大量发泡，AB 料在混合后大概 1分钟之后开始大量发泡）的浇注时间内，理论上可以扫过的最大面域为 18m2或者是最大浇注量为 23L。这远远大于实际加工中的制件的尺寸参数。因此，从速度方面来考虑，IRB 6650-125/3.2 型号的 ABB 机器人也是完全可以胜任的。3.3 机器人负载能力ABB 机器人在工作运行时，是负载着混合头单元（Mixinghead unit RimStar E）对模具进行浇注。因此，在校核机器人负载能力时，主要是校核混合头单元的重量是否在机器人的负载能力之内。该生产线中所购买的 Krauss-Maffei 公司的设备中的混合头单元 RimStar E，实际重量为 96Kg,其余一些原料输送软管，重量较轻，而且大部分是固定在机器人的坦克链拖架上。因此机器人手臂载荷以混合头重量来计算。根据下表中所列举的数据，本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 19 页 共 42 页可以看出 IRB6650-125/3.2 型号的机器人的承载能力为 125Kg，可以满足生产需要。图 3.7 混合头单元 RimStar E各型号机器人手臂的最大负载。表 3.6 IRB6600/IRB6650 机器人载重技术参数规格 承重能力 重心 手腕扭矩IRB6600-175/2.55 175kg 360mm 961NmIRB6000-225/2.55 225kg 305mm 1324NmIRB6600-175/2.8 175kg 392mm 1206NmIRB6650-125/3.2 125kg 360mm 715NmIRB6650-200/2.75 200kg 365mm 1135Nm3.4 机器人选型结论从工作范围要求来考虑，ABB 机器人操作时的最大工作范围要求是 3020mm；IRB 6650-125/3.2 机器人的最大工作范围为 3.2m，故该型号机器人在工作范围上满足生产需要；从移动速度要求来考虑，ABB IRB 6650-125/3 型机器人的最大工作速度为5000mm/s，在此速度下 1 分钟内能扫过的面域约为 18m2，而实际生产中的制件面域不超过 3m2，故在移动速度方面该型号机器人也能胜任；从负载能力要求来考虑，该型号机器人的最大负载重量为 125Kg，而其工作时的主要负载就是 RimStar E 型的混合头，其重量为 96Kg，在负载方面也能足够应付。综合上述三方面的实际要求，最终选定 ABB IRB 6650-125/3.2 型机器人。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 20 页 共 42 页4 机器人操作4.1 机器人操作的前期参数设置无论是在何种操作方式下，在机器人操作之前，必须先对一些机器人的参数进行设定。在开始操作前定义工具、有效载荷、工件以及坐标系。4.1.1 机器人坐标系ABB 机器人的运动坐标系包括 world 坐标系（大地坐标系） 、base 坐标系（基坐标系） 、tool 坐标系（工具坐标系）和 wobj 坐标系（工件坐标系） 。在四个坐标系当中，由于 ABB 机器人末端可安装不同的工具，并且在对不同的工位之间的移动浇注，因此工具坐标系（tool coordinate）和工位坐标系（wobj coordinate）要在操作准备过程中预先设定。而在机器人系统的安装过程中就必须确保将基坐标系（base coordinate）和大地坐标系（world coordinate）设定完成。a) 基坐标系（Base Coordinate）：基坐标系位于机器人基座，它是最便于机器人从一个位置移动到另一个位置的坐标系。基坐标系在机器人基座中有相应的零点，这使固定安装的机器人的移动具有可预测性。图 4.1 基坐标系本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 21 页 共 42 页b) 大地坐标系（World Coordinate）：大地坐标系可以定义机器人单元，所有其它的坐标系均与大地坐标系直接或间接相关。大地坐标系在工作单元或工作站中的固定位置有其相应的零点。这有助于处理若干个机器人或由外轴移动的机器人。图 4.2 大地坐标系A、基坐标系 B、大地坐标系 C、基坐标系c) 工具坐标系（Tool Coordinate）：工具坐标系定义机器人达到预设目标所使用工具的位置。工具坐标系将工具中心点设为零点。它会由此定义工具的位置和方向。微动控制机器人时，如果不想在移动时改变工具方向，工具坐标系就显得非常有用。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 22 页 共 42 页图 4.3 工具坐标系d) 工件坐标系（Wobj Coordinate）：工件坐标系与工件相关，通常是最适合于机器人进行编程的坐标系。图 4.4 工件坐标系A、用户坐标系 B、大地坐标系 C、工件坐标系 D、工件坐标系4.1.2 工具坐标系ABB 机器人的工具坐标系是由工具中心点 TCP 与坐标方向组成的。在操作之前，必须对所选择的工具定义出工具坐标系。工具坐标系是将工具中心点设为零位。它会由此定义工具的位置和方向。以下介绍关于操作前需要对工具坐标系进行的一些本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 23 页 共 42 页定义操作。4.1.2.1 创建工具（Tooldata）工具的定义是机器人操作的前期准备工作中的一个重要部分，定义工具数据包括工具的 TCP 坐标、坐标轴方向以及负载重量等方面，只有在这些数据都已经定义之后才能够被使用。默认工具(tool0)的工具中心点位于机器人安装凸缘的中心点，与安装凸缘方向一致。在 ABB 菜单中创建工具，并输入每个字段的数值（名称、范围、存储类型、模块、例行程序、维数、大小） ，确定创建工具。4.1.2.2 定义工具框（Tool Frame）在创建了一个工具数据之后，需要对其进行更进一步的高级定义，来完成定义工具坐标系的工作。这时需要定义工具框。在定义工具框时，有两项非常重要的设置。一个是在方法菜单中定义出后面用于定义工具坐标系所使用的定义方法（通常使用的是 4 点 TCP 方法） ，进一步要定义的是选择的定义方法中所使用的接近点的个数。只有这两方面的参数都设置好了，才能进行下面的坐标系定义。4.1.2.3 定义工具坐标系图 4.5 4 点 TCP 方法要定义工具坐标系，首先需要在大地坐标系中建立一个参照点。如果要建立工具中心定向，还需要在工具上附加延伸器。以下以 4 点 TCP 方法为例来定义工具中心的笛卡尔坐标。4 点 TCP 方法定义工具中心的笛卡尔坐标步骤：本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 24 页 共 42 页 将机器人移至合适的位置，取得第一个接近点（A 位置） ； 选择“修改位置”选项，定义该点； 重复前两步骤，定义其它的接近点，得到位置 B、C、D（定义时移动机器人以远离固定的大地坐标点，以便获得最佳的效果。仅修改工具方向不会获得良好的效果） 。正如前面所说的，ABB 机器人的工具坐标系是由工具中心点 TCP 与坐标方位组成的。因此，在定义了工具中心 TCP 的坐标之后，需要进一步定义坐标轴的方向。在“方法”菜单中选择的是定义了 TCP 坐标之后进行工具中心笛卡尔坐标的方法。根据需要的不同可以有不同的定义方法。但所有的方法都需要定义出工具中心的笛卡尔坐标。不同的方法对应不同的方向设定和方向定义方式。要定义工具坐标系的 Z 轴方向，选择“方法”菜单中的“5 点 TCPZ”选项。具体步骤如下： 首先完成对 TCP 坐标的定义； 在不改变工具方向的情况下，沿所要定义的 Z 轴的方向移动机器人； 点击“修正位置”来定义此点完成对该轴方向的定义。如果要对其他的轴进行定义，也以此类推可以完成。4.1.2.4 定义工具重量在定义工具时，除了定义工具中心的坐标之外，还有一个重要参数设定就是定义工具的重量。定义工具的重量有两种方式，一种是手动输入数据，另一种是利用载荷测定服务来进行载荷测定。a) 手动输入手动输入数据来定义工具重量，必须知道工具的实际重量。在 ABB 菜单中，在打开的工具列表中，选择需要定义重量的工具，在编辑页面中可以进行工具重量的有关定义（如：工具重量 Mass、工具重心位置 cog：x，y，z、工具轴转动惯量aom：ix，iy，iz） 。b) 载荷测定服务 LoadIdentify虽然可以进行手动修改来完成对工具重量有关参数的设定，但是这些信息通常情况下可能难以计算。所以，在确保工具得到了正确定义的前提下，可以运行工具的 LoadIdentify 来完成这项工作。LoadIdentify 可以测定工具质量、中心和转动惯量。本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 25 页 共 42 页4.1.3 工件坐标系机器人工件坐标系是由工件原点与坐标方位组成。通过机器人寻找指令（Search）与 Wobj 联合使用，可以使机器人工作位置更加柔性。4.1.3.1 创建工件（wobjdata）工件的定义也是在机器人操作前的准备工作中的又一个重要部分。定义工件数据必须定义于两个框架：用户框架（与大地基座相关）和工件框架（与用户框架相关） 。在 ABB 菜单中打开工件列表，创建新的工件。4.1.3.2 定义工件坐标系由于工件定义必须定义于用户框架和工件框架，因此在定义出坐标系之前，必须要先选择定义方法。这和定义工具坐标系时的操作类似。在菜单中打开工件列表，为想要编辑的工件选择“用户方法”或“工件方法”选项中的具体方法（通常选择3 点法定义坐标系） 。4.1.3.3 定义用户框架3 点法定义用户框架步骤：X 轴将通过点 X1-X2，Y 轴将通过 Y1 并垂直于 X 轴。 按下使动装置，将机器人移动到所要定义的第一个点（X1） ； 选择列表中的点，点击“修改位置”来定义该点； 重复步骤 2 和 4，定义另外两点。X1 和 X2 之间的距离越大，定义精度越高。图 4.6 3 点定义用户框架4.1.3.4 定义工件框架本 科 毕 业 设 计 说 明 书 （ 论 文 ） 第 26 页 共 42 页该部分的定义过程的操作和上述的定义用户过程操作相同。在此就不再进行重复叙述。图 4.7 3 点法定义工件框架4.1.4 有效载荷在定义了机器人坐标系之后，还需要对机器人的有效载荷（Loaddata）进行设置。有效载荷坐标必须建立在大地坐标系上。在 ABB 菜单中打开有效载荷的列表，创建新的有效载荷。设置有效载荷的方式也有两种：手动修改和 LoadIdentify 服务。a) 手动修改有效载荷设置使用有效载荷数据，需要设置有效载荷的物理属性（如：重量和重心） 。当已知机器人的有效载荷的具体值时，可以使用手动修改方式。以下为手动修改有效载荷的步骤。b) LoadIdentify 服务通常情况下，机器人的有效载荷不能够直接得到，所以可以通过有效载荷测定LoadIdentify 来进行有效载荷的测定。具体操作与上述工具载荷的 LoadIdentify 服务测定基本相同，本节不再具体说明。4.2 机器人操作方式在完成了机器人操作的前期必要准备工作之后，可以对机器人进行具体的操作了。机器人操作方式主要有两种：一种是利用 FlexPendant 进行微动控制；另一种是通过 Robot