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硕士论文基于c a d 产品模型的浇注程序设计 摘要 本文以扬子汽车内饰有限公司的实际工程项目“1 6 4 0 型l f i 长玻纤增强反应注 射成型生产线建设”为背景，针对在生产线中使用机器人进行模具浇注的问题，研究 了基于c a d 产品模型的浇注程序设计方法及浇注机器人的离线编程技术。 首先，根据浇注的应用环境和浇注成型工艺的特点建立了浇注喷炬模型，在此 基础上构建了静止浇注时的混合料厚度模型，并利用m a t l a b 对其进行数值模拟验 证。 然后，在上述静止浇注时的混合料喷炬模型研究的基础上，建立了移动浇注时 ，的混合料厚度模型，并对混合头浇注时相邻两条直线轨迹的间距进行了优化，得到 了最佳的轨迹间距范围。 最后，利用u g 软件为浇注环境中的产品、设备和工具建立了c a d 模型，并将 模型进行格式转换以使其能够导入到a b br o b o ts t u d i o 离线编程环境中。在该编程 环境下，完成了基于c a d 产品模型的浇注轨迹规划、浇注程序编制和浇注现场仿真 等工作。此外，本文还将已编制的浇注程序转换为a b bs h o t w a r e 可识别的程序并添 加了相应的浇注控制命令，为将浇注程序加载到现场控制柜中进行浇注作业做好准 备。 本文的研究为l f i 生产线等类似系统的设计、分析和控制研究提供了重要依据， 为l f i 长玻纤增强反应注射成型生产线中的浇注机器人离线编程系统的研究奠定了 基础。 关键词：长玻纤反应注射成型，喷炬模型，c a d 模型，轨迹优化，离线编程 a b s t r a c t 基于c a d 产品模型的浇注程序设计 a b s t r a c t ， t h et h e s i si sb a s e do nt h ea c t u a lp r o j e c t y a n g t z ea u t o m o b i l ei n t e r i o rt r i m c o r p o r a t i o n1 6 4 0l f ip r o d u c t i o nl i n ec o n s t r u c t i o n ”a i m i n ga tt h ep r o b l e m sa p p e a r e d w h e nu s i n gr o b o tt op o u rt h em o u l di nt h ep r o d u c t i o nl i n e ，t h ed e s i g nm e t h o do fp o u r i n g p r o g r a mb a s e d o nc a dp r o d u c tm o d e la n dp o u r i n gr o b o to f f - l i n ep r o g r a m m i n g t e c h n o l o g ya r es t u d i e d f i r s t l y ，b a s e do np o u t i n ge n v i r o n m e n ta n dt h et r a i to fp o u r i n gm o u l d i n gt e c h n i c s ，t h e p o u r i n gs p r a yc o n em o d e lw a sd e v e l o p e d ，a n dt h ep o u r i n gm i x t u r et h i c k n e s sm o d e l w a s c r e a t e dw h i l er o b o tp o u r si m m o v a b l y t h e n , n u m e r i c a ls i m u l a t i o nw a sf i n i s h e dt ov a l i d a t e t h ed e v e l o p e dt h i c k n e s sm o d e lb ym a t l a bs o f t w a r e s e c o n d l y ，b a s e do nt h es t u d yo fp o u r i n gm i x t u r et h i c k n e s sm o d e lw h i l er o b o tp o u r e d i m m o v a b l y ，t h ep o u r i n gm i x t u r et h i c k n e s s m o d e lw a sd e s i g n e dw h e nr o b o tp o u r e d m o v a b l y f u r t h e r m o r e ，t h es p a c eb e t w e e nt w ob e e l i n et r a c k sw a so p t i m i z e d ，a n dt h eb e s t a r e ao ft r a j e c t o r yd i s t a n c ew a so b t a i n e d f i n a l l y ，c a dm o d e l so fp r o d u c t s ，e q u i p m e n t sa n dt o o l si np o u r i n g e n v i r o n m e n tw e r e b u i l tw i t hu g a n dt h ec a dm o d e l sw e r ec o n v e r t e dt o t h ef o r m a tw h i c hc o u l db e i m p o r t e di n t oa b br o b o ts t u d i o o f f - l i n ep r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n t i nt h i so f f - l i n e p r o g r a m m i n ge n v i r o n m e n t ，s e v e r a l t a s k sw e r ea c c o m p l i s h e d ，s u c ha sp o u t i n gt r a c k p r o g r a m m i n gb a s e d o nc a d p r o d u c tm o d e l ，p o u r i n gp r o g r a md e s i g n ，p o u r i n gs i m u l a t i o n i na d d i t i o n ，i nt h i sp a p e r ，t h ed e s i g n e dp o u r i n gp r o g r a mw a sc o n v e r t e dt ot h ep r o g r a mt h a t a b bs h o t w a r ew a sa b l et oi d e n t i f y ，a n ds o m ec o r r e s p o n d i n gp o u r i n gc o n t r o lo r d e r sw a s a d d e dt ot h ep r o g r a mi no r d e rt om a k ei tt ol o a dt h ec o n t r o lc a b i n e ti nt h es c e n e t h i sp a p e rs e r v e sf o rd e s i g n ，a n a l y s i sa n dc o n t r o ls t u d yo fl f ip r o d u c t i o nl i n e so r s o m es i m i l a rs y s t e m s a n di tl a y sa l li m p o r t a n tf o u n d a t i o nf o rt h er e s e a r c ho np o u r i n g r o b o to f f - l i n ep r o g r a m m i n gs y s t e m k e y w o r d s ：l o n gf i b r er e a c t i o ni n j e c t i o nm o u l d ，s p r a yc o n em o d e l ，c a dm o d e l ，t r a c k o p t i m i z a t i o n ，o f f - l i n ep r o g r a m m i n g l l 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本 学位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或 公布过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使 用过的材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文 中作了明确的说明。 研究生签名：蓝釜塞加。8 年否月日日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或 上网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并 授权其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密 论文，按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名：端象宏珈8 年6 月刁日 硕士论文基于c a d 产品模型的浇注程序设计 1 绪论 1 1 选题的目的和意义 当今汽车内饰件的生产多数使用聚氨酯反应注射成型技术，所谓聚氨酯反应注射成 型( r m 卜p u ) 【l 】技术就是由低粘度、高活性的异氰酸酯、聚醚多元醇及扩链剂等混合 后，通过化学、物理等变化，反应和成型同步完成的新兴聚合物加工成型技术。德国 k r a u s s m a f f e i ( 克劳斯玛菲) 公司近年推出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l f i r i m 技术【2 】。并利用该技术设计了使用机器人浇注成型的聚氨酯 高压发泡生产线，进一步推动了该技术的发展和应用【2 】【3 】。 机器人浇注成型方法近几年才在一些先进的l f i 高压发泡生产线中得到应用。其机 一器人浇注程序的设计过程普遍为：首先由操作人员根据生产经验对模具表面的浇注区域 进行浇注轨迹规划，然后利用机械手示教面板按照预先规划的轨迹路线进行示教编程， 编程结束后进行程序调试及试生产，通过观察生产后的试验品缺陷来反复修改轨迹和程 序，以获得满意的生产线浇注程序【3 】。这种程序设计方法虽然简单且易于操作，但存在 一些缺点：浇注精度不高；浇注轨迹很难符合模具的复杂结构要求，导致原料浪 费大；工人劳动强度大；生产效率极低。 基于上述存在的问题，本文主要研究了基于c a d 产品模型的浇注程序设计方法。 首先建立浇注时的混合料空间分布模型，并利用此模型对浇注轨迹进行优化，在此基础 上应用离线编程技术对浇注程序进行设计。使用该方法设计浇注程序，不需要车间停产， 在办公室的电脑上就可以完成浇注程序的设计，不仅提高了生产效率，而且使喷涂轨迹 精度显著提高，降低废品率，加快了整个内饰件从设计到生产的进程，提高了工厂集成 化制造的水平。 1 2 机器人离线编程技术 工业机器人( i n d u s t r i a lr o b o t ) 作为机械制造业和信息产业相结合的产物，正越来 越广泛地应用于机械、汽车、军工、航空航天、造船、计算机、光学仪器、通信设备等 行业，在很大程度上替代了人们的体力劳动，如制造、搬运、焊接、喷涂、浇注以及其 它各种危险、恶劣环境下的工作。由于工业机器人是一种需要事先进行编程才能使用的 设备，机器人的程序编制是机器人运动和控制的结合点，是实现人与机器人通讯的主要 方式。可以说工业机器人编程技术的发展对工业机器人的推广应用及其应用效率的发挥 起着越来越重要的作用，如l f 卜一r i m 中，机械手载着混合头对模具型腔按着某个路径 进行喷涂动作。从某种意义上说编程技术已是工业机器人应用的“瓶颈问题 【4 】。 1 绪论硕士论文 目前工业机器人的编程主要分为在线编程和离线编程两种方法。在线编程即示教编 程( o n l i n ep r o g r a m m i n g ) ，该方法是工业机器人中使用最广泛的一种。其示教方式有 手把手示教( w a l k t h r o u g h ) 和示教盒示教( l e a d t h r o u g h ) 两种【5 】。所谓手把手示教编 程，就是由操作者直接搬动机器手的末端根据任务要求按照一定位姿运动，实现示教过 程。示教盒示教就是编程人员通过示教盒操纵机器手的末端，使之移动到需要的位姿上， 把每一个位姿信息存储起来，经过编辑并再现示教过的动作。虽然示教的每过位姿都是 离散的，但机器人控制柜内的控制模块可以对示教点进行曲线拟合，从而连续再现工作 过程。示教编程在实际生产应用中的优点是操作简单、容易实现，比较成功的应用在一 些只需要简单运动轨迹的场合，但也存在很多技术问题，如：机器人的在线示教编 程过程繁琐、效率低；示教的精度完全靠示教者的经验目测决定，对于复杂路径难 以取得令人满意的示教效果；对于一些需要根据外部信息进行实时决策的应用无能 为力。为了克服上述缺点，出现了离线编程方法。所谓机器人离线编程就是利用计算机 图形学的成果，建立起机器人及其工作环境的模型，再利用一些规划算法与运动学、动 力学知识，通过对图形的控制和操作在离线的情况下进行轨迹规划与运动仿真，最终将 程序通过转换传送到机器人控制柜中控制机器人的运动。 离线编程系统一般应具有：一定的实体造型功能，能满足用来构造机器人工作 单元及环境的要求，同时也可以从其它的几何造型系统导入文件；机器人仿真系统 是一个交互式的系统，要使用户能方便地进行图形编辑，应有丰富的造型功能，有功能 较强的方便的机器人语言编程接口；丰富的运动学知识和轨迹规划算法，能对多种 构型的机器人进行运动学分析及轨迹规划；能进行传感器仿真，传感器仿真被认为 是离线编程能否实用化的关键，没有此功能则难于对复杂工艺进行仿真；误差校正 功能。在建模过程中，模型与实际系统会有一定的偏差，不进行校正无法使用；通 信功能。离线编辑的程序要通过通信接口及软件下装到生产线上的机器人中去，。同时也 要有上装功能，可在仿真环境下进行程序调试 6 】 【1 7 1 。 与示教编程相比，离线编程具有如下优点：减少机器人停机的时间，当对下一 个任务进行编程时，机器人可仍在生产线上工作；使编程者远离危险的工作环境， 改善了编程环境；离线编程系统使用范围广，可以对各种机器人进行编程，并能方 便地实现优化编程；便于和c a d c a m 系统结合，做到c a d c a m i 的b o t i c s 一体 化；可使用高级计算机编程语言对复杂任务进行编程；便于修改机器人程序。 1 3 机器人离线编程技术在国内外的发展 在机器人离线编程领域，人们已经进行了各种不同的实验研究，取得了一定的成果。 德、美、日、法等工业发达国家从上世纪8 0 年代中后期开始，对工业机器人离线编程 技术进行研究。德国于1 9 8 6 年在a r c h e n 大学机床实验室建立了交互式工业机器人离线 2 硕士论文基于c a d 产品模型的浇注程序设计 编程和运动模拟工作站。日本东京大学为了适应不同的机械产品和工作环境以及不同类 型的机器人，提出了一种基于c a d c a m 模型的机器人离线编程系统。利用该系统可以 实现产品的建模和装配，形成了“c a d 建模一产品建模一作业规划一离线编程一机器 人产生运动 一个相对完整的系统。h o r n i c k 等研制的计算辅助离线规划和编程系统 s t a r 8 】能对机器人进行运动规划、任务描述和图形仿真。它对几何模型的任何修改不 是直接的，只能通过修改描述机器人和环境物几何模型的输入语言来实现。s p e e d t 9 】报道 了在c i n c i n n a f i m i l a c r o n 公司研制的工业机器人离线编程系统，具有强大的造型功能， 已成功地用于t 3 7 6 6 机器人进行复杂表面的编程。不过它仍存在着一些不足之处：没 有提供高层的编程语言；无碰撞检测功能；无法实现自动编程。b u e h a l 1 0 】等在 s i l i c o n 图形工作站上开发的焊接机器人离线编程系统a u t o w e l d 具有对凸体的碰撞 检测和无碰路径规划的功能，能够对机器人焊接工作站进行自动编程。日本m o t o m a n 公司的机器人离线编程系统具有较强的c a d 建模工具以及碰撞检测功能，但是无法实 现自动编程，也没有提供高层的编程语言。c o m p u t e r v i s i o n 公司开发了软件包 r o b o g r a p h i x ，它具有产生机器人工作路径、仿真机器人运动及碰撞检测等多种功能。 a u t o s i m u l a t i o n s 公司研制了两个机器人仿真软件包a u t o m o d 和a u t o g - r a m ，a u t o g r a m 是利用g p s s 仿真语言的建模软件，a u t om o d 是图形显示软件。d e n e b 公司开发了i - g r i p 软件，它主要用于工作站设计和离线编程】 【l2 1 。随着传感器在机器人作业中起着越来 越重要的作用，对传感器的仿真己成为机器人离线编程系统必不可少的一部分，并且也 是离线编程系统能够实用化的关键所在。瑞典a b b 3 】公司开发了用于机器人离线编程和 虚拟仿真的r o b o ts t u d i o 软件，主要功能包括简单的三维造型、机器人编程语言、路径 规划及碰撞检测等，并将经检验后的程序自动生成实际机器人控制程序( 相应的语言格 式) ，并下装到机器人控制器内，不足之处是只能生成自己公司的各型号机器人的控制 程序，且目前仅支持焊接和喷涂任务的传感器仿真。 在国内，自二十世纪八十年代中期以来，我国的一些大学和研究所开始从事机器人 仿真与离线编程技术的研究【l3 】剞8 1 。根据开发方式不同，机器人仿真与离线编程技术的 研究主要分为两类：完全自主开发和基于某个通用c a d 系统的二次开发。国内主要有 华中科技大学、上海交大和哈尔滨工业大学在做这方面的工作。华中科技大学在此方面 造诣较深，现在主要用面向对象的方法在微机上开发离线编程系统。以往的系统都是基 于面向过程的方法开发的( 包括i g r i p ) ，采用这种方法存在一些不足：如系统的维护 和扩充，可交互性，任务级语言的开发等。而面向对象的方法可以克服上述不足。如华 中科技大学自主开发的机器人仿真模块h o l p s s 【1 9 1 ，它包括机器人语言处理模块、运动 学及规划模块、机器人及环境的三维构形模块、通信模块、主控模块和传感器仿真模块 等，采用了面向对象技术来开发【2 0 1 。该系统采用机器人语言进行编程，没有充分结合 c a d 图形的特点来编程。上海交大在a u t o c a d 上做二次开发构成离线编程系统。哈 1 绪论 硕士论文 尔滨工业大学的付宜利【2 1 】研究了基于动态图形仿真的机器人离线编程技术，此工作是在 s g i 工作站上进行的，主要内容包括：机器人通用几何建模器的开发、机器人运动学建 模与逆运动学求解、机器人离线编程语言及编译器实现、机器人工作单元碰撞检测技术 研究等。此外还有国内其它大学和研究所也对该项技术做了研究。 由于国内机器人离线编程技术的研究起步较晚，与国外相比，我国在该技术上还有 很大的差距，主要体现在以下几点 捌， 2 3 】，【2 4 】： 1 ) 几何建模 国外系统的几何建模功能比较强，且与其他外部c a d 系统具有数据交换接口。这 是因为国外部分系统在几何建模上投入比较大，如r o b o ts t u d i o 和i g r i p 等，也有部分 系统通过购买现有几何建模核心如a c i s 等而进行开发，如w o r k s p a c e 。国内自主开发 的系统都是完全自己开发几何建模功能，由于投入小而功能不完善，且不具备与其他外 部c a d 系统的数据交换接口，从而导致系统实用化较差。而二次开发方式因缺少好的 c a d 系统和开发工具，导致系统人机界面不友好、功能差以及图形效果差等问题。 2 ) 专业化 国外系统除提供通用性的功能之外，为了提高编程效率，往往在通用系统之上开发 专业化的模块，如r o b o ts t u d i o 中的点焊、弧焊等。而国内的通用系统则无专业化模块。 3 ) 机器人程序下载 国外商品化系统都有多种机器人的接口，可以方便地上下载这些机器人的程序。而 国内系统还主要停留在仿真阶段，缺少与实际机器人的接口，很少有关于机器人程序下 载与执行的报道。 1 4 机器人浇注成型所遇到的主要问题 近年来，国内许多大、中型企业都装配了自动化加工设备和计算机辅助设备与系统。 如扬子汽车内饰有限公司的实际工程项目“1 6 4 0 型l f i 长玻纤增强反应注射成型生产 线建设”。该项目是扬子汽车内饰有限公司在引进德国克劳斯玛菲公司( k r a u s s m a f f e i ) 的1 6 4 0 型l f i 长玻纤增强反应注射成套关键设备( 包括一套a b b 机械手及附件) 的 基础上，加上公司在国内采购、制造的物料输送、压力机及模具等配套设备，组成长玻 纤增强反应注射成型汽车内饰产品的生产系统，旨在提高公司的制造工艺水平，为赢得 国内汽车内饰产品市场打下坚实的基础。 目前国内的内饰件生产企业的现有生产工艺条件以及公司车间操作人员的文化素 质都比较低，不能完全满足进口设备的要求，从而造成引进系统不能正常工作或者不能 工作在其理想状态。从扬子汽车内饰有限公司的“1 6 4 0 型l f i 长玻纤增强反应注射成 形生产线建设 中遇到的困难，可以发现以下几点普遍性的问题： 1 ) 没有机器人浇注时的喷炬数学模型。目前国内外主要是定性的研究l f i 长玻纤 4 硕士论文基于c a d 产品模型的浇注程序设计 增强反应注射成形技术，通过大量的试验来研究影响发泡工艺的参数，很多工艺参数都 不是很准确。很少有人对l f i 长玻纤增强反应注射成形技术进行定量的研究，浇注工艺 的定量研究更是少之又少。 2 ) 难以进行机器人浇注轨迹规划。以前在聚氨酯反应注射成型工艺中是使用异氰 酸酯和聚醚多元醇混合，混合料的流动性很好，一般使用手工浇注成型就能生产出符合 要求的制品，而不需要对模具进行轨迹规划。现在是l f i 长玻纤增强反应注射成形生产 线，由于混合料中加入了玻纤，导致混合料的流动性减小，运用手工浇注发泡成型方法 会导致混合料分布不均及缺料等缺陷问题，影响制品质量，不适用于l f i 工艺，因此必 须对浇注轨迹进行规划才能减少缺陷。而目前国内内饰件生产企业缺乏对机器人浇注轨 迹的规划的研究，一般都是技术人员根据熟练的操作工人的以往生产经验进行轨迹规 划，然后利用a b b 机械手控制面板按照预先规划的轨迹路线进行示教编程，编程结束 后进行试生产，通过观察试验品的缺陷来反复修改轨迹，以达到满意的浇注轨迹。这种 方法非常虽然简单，但是非常浪费时间和原料，如何研究出一种浇注轨迹规划方法是亟 待解决的问题。 3 ) 国内的技术人员技能普遍偏低。目前国内的内饰件企业仍然是劳动密集型企业， 企业的高级技工很少，一般都是中低级技工，而且技工的再学习能力有限。采用自动化 生产线的企业，一般是把熟练的操作工人安排在生产线上，而实际的效果并不好。机器 人浇注与人工浇注对工人的要求是很不相同的。其中很重要的一点是操作工人不懂机器 人技术，会对机器人示教编程，这远超出了工人先前所掌握的技能，加之工人的再学习 能力不高，因而生产线设计好后难以实现正常生产就不难理解了。因此必须研究机器人 浇注的离线编程技术，设法实现脱离现场来设计浇注程序，尽量减少机器人示教编程， 减少生产线操作工人对机器人技术的学习要求。 1 5 本文主要工作 基于上述原因，本文拟在扬子汽车内饰有限公司的实际工程项目“1 6 4 0 型l f i 长 玻纤增强反应注射成型生产线建设”的背景下，针对生产线中机器人进行浇注模具作业 时出现的问题，主要完成如下几方面的工作： 1 ) 建立混合头浇注时的混合料的空间分布模型：根据浇注的应用环境和浇注工艺 建立了混合料喷炬模型，进而建立混合头静止浇注时的混合料厚度模型，并用m a t l a b 对其进行数值模拟验证。 2 ) 混合头浇注时相邻两条直线轨迹的间距优化。基于前面建立的混合头静止浇注 时的混合料厚度模型，建立混合头移动浇注时的混合料厚度模型，并在模型基础上应用 m a t l a b 软件对混合头浇注时的相邻两条直线轨迹间距进行优化。 3 ) 浇注机器人离线编程研究。利用三维u g 软件对浇注环境进行建模，建立内饰 s 1 绪论。硕士论文 件模具模型、混合头模型、模架模型，并将模型转换成a b br o b o ts t u d i o 软件识别的 格式后导入离线编程环境以及设置碰撞检测；利用r o b o ts t u d i o 根据模具形状确定浇注 目标点的位姿，配置目标点处的机器人关节参数，然后利用目标点编制路径程序；对编 制的程序进行仿真并对发现的问题进行处理；将在r o b o ts t u d i o 中编制的程序转换为 a b bs h o t w a r c 可以识别的程序并添加相应的控制信号命令；最后讨论了加载程序模块 到现场控制柜的方式。 6 硕士论文基于c a d 产品模型的浇注程序设计 2 浇注机器人系统的应用环境及浇注成型工艺 2 1 长玻纤增强反应注射成型生产线 该生产线是扬子汽车内饰有限公司的实际工程项目，其主要是用于生产汽车的仪表 台和下挂等内饰件，如图2 1 1 所示，它由主机单元、小车单元和模架单元组成。主机 单元指1 6 4 0 型l f i 长玻纤增强反应注射成套设备。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、a b b 机 器人以及玻纤储存与输送装置。模架单元由压力机及控制系统、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组成。小车单元由直线导轨和小车组成。主机单 元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 械手及浇注装置( 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 玻纤增强聚氨酯的浇注任务。目前该生产线处于半自动化生产模式下，工作流程如下 【2 5 】， 2 6 2 7 】： 1 ) 操作人员按下模架启动按钮，模架动作，移动模具到浇注工位，然后进行清除 模具中的杂质，刷脱模剂，贴内饰件表皮等一系列前处理工作。 2 ) 待前处理工作完成后，手动按下模架旁的信号按钮，发出浇注申请信号给小车 控制柜，小车开始工作，同时发送浇注服务信号给主机单元。 3 ) 小车载着机械手和混合头等装置向指定工位移动，主机单元开始由周末循环状 态进入浇注状态，由低压循环进入高压循环，进行浇注前处理工作。 4 ) 待小车到达指定浇注工位，发送到达工位反馈信号给主机单元，主机的计量泵， 增压泵，玻纤切割装置，玻纤输送装置等设备开始按照主机控制柜中的浇注程序运转， a 料、b 料和玻纤按照比例进入高压混合腔，进行高压碰撞混合。载有混合头机械手在 模具上方按照机器人浇注轨迹进行浇注。 5 ) 待浇注完成后，主机进入周末循环状态和低压状态，控制压力机完成模具闭合、 锁模、保压、开模、脱件等动作，待到发泡成型时间过后，脱模取出制品，准备下一次 浇注任务。 7 2 浇注机器人系统的应用环境及浇注成型工艺 硕士论文 2 2 浇注成型工艺参数 8 图2 1 1l f i 生产线布局图 该公司的l f i 生产线采用k r a u s s m a f f e i 公司的高压机生产，如图2 2 1 所示。高压 硕士论文 基于c a d 产品模型的浇注程序设计 机的工作原理是把原料的压力能转化为动能，使其在极小的空间内高速混合。在进行低 压循环时，原料从料罐内流入计量泵，经过分流阀、热交换器，再回流入料罐，全线的 管道都是大管径，没有阻力所以压力很低。在进行高压循环或灌注时，分流阀关闭了， 原料在灌注头内经过一个可调的喷嘴后浇入模具中的。由于通道缩小，强行把压力提升， 同时流速增加，两种原料及玻纤在从喷嘴喷出时高速碰撞，混合比较充分障6 , 2 7 1 。 e 臻羔“ 图221 高压发泡机工作示意图 影响长玻纤增强反应注射成型工艺的环节较多，主要有储料、搅拌、计量、输送、 混合、浇注、反应成型等。多元醇和异氰酸酯混台后在常温下一定时间内就。发生化台 反应生成聚氨酯。不同的原料在相同的环境温度下反应的时间也是不一样的。例如巴斯 夫的多元醇和异氰酸酯在环境温度3 8 摄氏度时的反应时间是4 5 秒左右，因此必须在发 生发泡反应之前完成浇注，合模保压。多元醇具有亲水性，容易结晶，不但消耗几倍质 量的异氰酸酯，而且影响产品质量，所以多元醇应储存在阴暗干燥的地方，高压机中流 通的气体都必须空气干燥机处理。除了环境温度、发泡时间和空气中水份含量外，涉及 到的工艺参数还有大气压力以及管道中双组分的流量等。 生产线的浇注工序容易产生的缺陷一般为玻纤分布不均匀、制品厚度不均及有气泡 等。抛开原料的性能因素，就浇注工序本身来说，造成这些缺陷的原因主要有混合压力、 浇注量、均匀度、浇注距离与角度、振荡风大小( 振荡风是用来改变玻纤分布方向和距 离的，通常振荡风装置装在混合头口旁边) 、混合头浇注口角度大小与散射面和浇注轨 迹等。应该从这些方面去加以研究和调整。 发泡工艺参数的设定决定了浇注的质量，如制品厚度、制品有无气泡和裂纹等。这 些可设定的参数包括模具温度、多元醇和异氰酸酯的混合配比、粘度、浇注动作速度、 混合压力、混合料流量等。而其它一些参数如环境温度、空气湿度、空气酸碱度、原料 的性能参数和单遍浇注的混合料的厚度等是难以控制和设定的，且参数问的相互作用是 2 浇注机器人系统的应用环境及浇注成型工艺硕士论文 高度复杂的。 因而，实际生产中通常忽略对发泡质量影响较小的参数，尽量固定一些难以把握的 参数，而仅仅调节一些易于控制的参数。一般调节浇注距离、角度、速度，而预先设定 好混合料流量、混合压力、料温、储料罐压力、玻纤含量、混合料总量及配比。这些参 数都是相互关联影响的，所以，保证这些参数稳定十分重要，必须对它们进行实时监控 或者实时监测。 2 3 浇注关键设备 浇注设备的特性对于喷炬特性影响很大，其中最为关键的影响因素就是混合头。反 应物料在混合头处汇集并经由混合头注入模具成型，所以通常把混合头看作是机械的心 脏，聚氨酯发泡工艺的大量研究工作主要致力于混合头技术的开发。 在高压混合系统中，具有高压势能的物料，在通过喷嘴进入混合头之后急速泄压， 势能转换成动能，两组分物料的高速液流急速交汇，充分地分散、混合。根据料流交汇 形式的不同，高压混合头主要可分为撞击式和平行流两种形式，其中大部分属于撞击式。 由于对于模塑制品要求的日渐提高，高压设备的物料系统已由直接系统转化为循环系 统。 一般来说，高压混合头由物料转向元件、物料喷嘴、混合室和混合头清洗元件等若 干部分组成。混合头物料转向元件通常是一个液压控制换向的柱塞，用以把物料从循环 状态切换到混合状态，完成浇注后再切换回循环状态。在只有一个液压控制柱塞的混合 头中，这个柱塞也兼具有混合头清洗元件的作用，在把料液切换成循环状态时，同时完 成对混合室自清洁工作。 k r a u s s m a f f e i c z 7 j 公司的l f i 高压发泡机采用最新的l 型循环混合头( 见图2 3 1 ) ， 此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。这种操作可以使混合料含不同的纤维长度、不同的纤维浓度，以满足制品某些部 分的特殊力学性能要求。由于纤维是在到模腔的途中而不是在进入模腔后才被反应物料 湿润，因此即使加入的纤维长度大( 可达到1 2 5 1 0 0 m m ) ，却能使纤维均匀分布在反 应物料中，可以大大提高原料的充模性能， 械性能的提高为减少原料的用量提供可能， 1 0 同时可以显著提高材料的机械性能。材料机 尤其是一些大型薄壁制件。 硕士论文基于c a d 产品模型的浇注程序设计 2 4 小结 图2 3 1k r a u s s - m a f f e ii 。f i 工艺r i m s t a r 型混合头 本章首先介绍了扬子汽车内饰有限公司的长玻纤增强反应注射成型生产线，其中包 括生产线的组成和工作流程的介绍，然后介绍了生产线的浇注成型工艺以及影响浇注质 量的工艺参数，最后还提到了浇注关键设备。本章的内容是下面进行浇注机器人喷炬建 模的基础。 3 浇注机器人喷炬建模 硕士论文 3 浇注机器人喷炬建模 使用机器人进行浇注必须要解决的关键问题是：如何完成浇注程序的编制。目前国 内外普遍使用示教编程，由技术员靠自己的生产经验来编程。这种方法缺陷很多，第一 章中已说明其缺点。如何进行浇注轨迹规划对编程进行有效指导就显得特别重要。而浇 注轨迹规划要解决的前提问题是：研究机器人在其工作空间按照一定轨迹浇注时，其浇 注目标工件表面的混合料的堆积分布情况。这就需要建立机器人浇注时的喷炬空间分布 模型，以便指导机器人的浇注轨迹规划。 3 1 混合料空间分布模型 3 1 1 混合料混合过程 如上章所述，多元醇和异氰酸酯在高压势能下，沿各自管道按混合比例进入混合腔， 同时牵引玻纤经过玻纤切割机，切割成一定长度的玻纤并送入混合口。多元醇和异氰酸 酯在通过喷嘴进入混合头之后急速泄压，势能转换成动能，两组分物料的高速液流急速 交汇，充分地分散、混合。两组分混合后连同混合口的玻纤一起喷出。整个浇注过程是 很复杂的，这里只是简要描述其过程。 混合料从混合头喷口喷出以后在空气中形成的射流叫做喷炬，它的性能和特点直接 关系到制品厚度的性能。在混合料总量一定的情况下，喷炬形态取决于混合头的两组分 的喷嘴口径大小和振荡空气孔喷射出来的空气流速和方向。从经验上讲，在混合料喷出 量恒定时，口径越小，喷炬张角越小，振荡空气流速越大，玻纤分布越大。 当混合压力增大时，喷出的混合料的流速就很大，宏观上可以认为喷炬中的物料是 连续分布的。因此，在计算中假设喷炬内的混合料是连续分布的，且混合料的浓度取决 于它的空间分布函数。提出这样的假设是符合实际情况的，而且能够帮助简化模型建立 过程。 3 1 2 空间分布模型 确定混合料的空间分布是建模的重点问题。由于是高压混合浇注，且是气体、液体、 固体三种形态混合，它们之间的相互作用使这个问题变得十分复杂，所以混合料的空间 分布问题很难从数学上进行准确地描述。一些理论和实验【1 】 2 1 ，【2 5 1 已经对这一问题进行了 探讨，认为对于混合料空间分布的影响因素主要是：混合头、空气、喷嘴和混合口大小。 此外改变泵的压力、振荡空气压力和组分流速也可能影响混合料的空间分布模型。 目前国内外很少有人对高压发泡成型中混合料的空间分布进行过研究，但有不少人 研究过相似的漆料空间分布模型，也提出了使用曲线或者高斯曲线来模拟漆料空间分 1 2 硕士论文基于c a d 产品模型的浇注程序设计 布函数曲线，但是效果并不很令人满意口。本文从混合头的浇注实验现场图出发进行研 究，如图3 1 2 1 所示，此时系统参数设定如下：混合比例1 ：i 8 ，玻纤长度1 2 5 m m ， 混合头压力1 6 0i b m ，多元醇和异氰酸酯流量11 3 7 譬，s 和2 0 4 6 9 s ，混合头处多元醇和 异氰酸酯的温度分别是2 25 c 和2 6 54 c 。根据实验测量的结果，在混合头运转良好且玻 纤切割正常的情况下，混合料分布如图312 2 所示，其中中间为等厚度分布，两侧过渡 段的截面形状比较复杂，为曲线形状口。 图3 12 1 浇注实验现场图 迥台科厚度 - i 射角度 图3 12 2 混台料分布囤 根据喷射过程中的物理特性，可以认为是混合料的流动性造成的，虽然玻纤有阻碍 混合料流动的作用，但是实际上浇注时混合料还是流动的，特别是在模具的倾斜表面上 尤为明显。为了使计算简化，可以使用初等函数曲线对喷炬的过渡部分的函数曲线进行 近似。如图3i 2 3 所示，为幂函数y = 1 4 i z t - x 的图像。 3 浇注机器人喷炬建模硕士论文 幂函数图像 1 n ：鹾二耋拿主篓一 g ( r ) = 0 r r o r o r 墨 r 1 r ( 3 1 ) 其中q ( r ) 表示喷炬内距离轴线距离为r 的混合料厚度与目标厚度的比值；冠为混 合料保持均匀的范围；r 为混合料覆盖范围。如图3 1 2 。4 所示。 设定r l = z t a n 0 1 ，岛需要经过实验测定，一般在1 0 到1 2 度之间。其意义就是，在 喷射锥内部的一点与浇注口连线和浇注口方向矢量夹角在鼠以内时，混合料的分布均 匀。 设定r = z t a n 8 0 ，o o 就是喷射锥的半射角，也就是说空间上一点与浇注1 3 方向矢 量的夹角大于砩时，混合料浓度为o 。 1 4 硕士论文基于c a d 产品模型的浇注程序设计 3 2 混合料厚度模型 图3 1 2 4 喷射锥定义 头 在机器人对工件表面浇注时，经常考虑的一个关键问题就是局部缺料，造成这种问 题的一个重要因素是混合料厚度不均匀，为此就需要研究一定时间内浇注到工件表面的 混合料，可以采用一种简化的建模方式，主要考虑r 和c 这两个物理量来描述喷炬， 其中碌是工件表面一点距离混合头浇注口z 时的喷炬截面半径，即 r = r ( z ) = zt a n ( 8 0 ) ，e o 就是喷射锥的半射角，c 是截面上任意一点处的流量面密度， 即单位面积上的流量，假设喷炬各向同性，则有c = c ( r ，厂) ，其中r 是截面上任意点 到截面圆心的半径，如图3 2 1 所示 3 0 】， 3 1 】， 3 2 】 【3 3 1 。 d 图3 2 1 计算示意图 根据上一节得到的喷炬空间分布函数，可以获得r 和c ( r ，r ) 的变化关系。因此就 3 浇注机器人喷炬建模 硕士论文 可以确定混合料在出混合头浇注口的喷炬各点性质。考虑到喷炬各向同性， 流量q 为： 2 u q = ，i c r d r d 8 0 0 由c = q d ( d 是截面中心的混合料厚度) ，则推出： q = 2 j j l d r d r d o + 吼晤1 3 r d r d 0 0 0 0 q = 川一筹 局li 、l 解此积分式，得： q ：4 一属)一了4万d(ro-手rrrod(ro b ) 2 + 砰d t rq = 一属) 一= 万一b ) 2 + 群 因此z 1 0 ： 胪荪i 霸o 磊i 丽 可以推出： c ( r ) = d q ( r ) = 詈碱( r 一墨) 一詈万( r 一蜀) 2 + 砰万 导线( 民一墨) 一；万( r 一墨) 2 + 砰万 r 1 r 整个截面的 r r 曩 ( 3 2 ) ( 3 3 ) ( 3 4 ) ( 3 5 ) ( 3 6 ) 因为混合头移动速度相对射流速度很慢，所以可以假设在一个很小时段& 内混合头 位置保持不动。则在此时间段内垂直浇注到工件表面任意点s ( f ) 上的混合料总量是 d ( a t ) = c ( s ( ) ) a t 。但垂直浇注到工件表面和倾斜浇注的效果不同。所以，实际上 在缸时间内浇注到s ( f ) 上的混合料总量如下式表示： 口：。- c ( s ( 喇& d ( t ) 水0( 3 7 ) ，= _1 1 ， 0 d ( t ) n o 其中d ( t ) 是混合头方向矢量，而n 是工件表面点的法向矢量最。两者的点积代表了 这两个矢量的方向关系。上式的意义是：当浇注目标点位于混合头可浇注到的一面时， 浇注的厚度与混合头方向和目标点法线有关，而浇注目标点位于混合头不可浇注到的一 面时，浇注厚度为o 。 因此，在时间段0 到l 中，浇注到工件上此点的混合料总厚度为： z t a o ，弓) = i 皿( f ) 出 ( 3 8 ) 1 6 硕士论文基于c a d 产品模型的浇注程序设计 3 3 混合料厚度模型模拟 3 3 1 参数设置 以上混合料厚度模型是浇注机器人静止的情况下混合头对工件表面中任意一点浇 注的模型。对其进行m a t l a b 数值模拟可得到混合头的浇注厚度分布图。混合头参数 设置如表3 3 1 1 所示： 表3 3 1 1 参数设置 喷射半锥角o o 混合料质量流量u每点浇注时间础 1 5 。 4 0 0 s o 1 s 实际生产中，各组分的密度大小是根据产品的性能要求来设定的。比如生产汽车下 挂时，聚氨酯密度在1 l o o g l 在左右，异氰酸酯在1 2 0 0 9 l 左右，玻纤密度在9 0 0 0 9 k m 左右，混合后的密度系统无法测定，一般都是试验测量得到。 混合料的密度主要随着玻纤含量的变化而变化，根据现场跟踪了解到，混合后料的 密度一般在1 2 0 0 9 l 18 0 0 9 l 之间。 这里取混合料密度p 为1 5 0 0 9 l 。则： d ：一u ：兰q q 星尘：兰q q 星! 兰：塑m l j ( 3 9 ) 一p1 5 0 0 9 l1 5 9 m l 3 3 3 2 混合料厚度模型模拟过程 目标点为图中黑色线段，从点( - 8 ，0 ，o ) 到点( 8 ，0 ，o ) 的一条线段。目标法线方向均为 ( o ，0 ，1 ) ，指向z 轴正向；混合头在点( o ，0 ，3 0 ) 位置；混合头方向：足= 1 8 0 。，b = o 。，疋= 0 。， 指向z 轴反向；8 取