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南 京 理 工 大 学毕业设计（论文）任务书学 院（系）：机械工程学院专 业：机械工程及自动化学 生 姓 名：曾梁彬学 号：03303502设计(论文)题目：长玻纤增强反应注射成型生产线工艺试验系统设计起 迄 日 期:2007年 3 月 5 日 7月6日设计(论文)地点:南京理工大学指 导 教 师:孙宇专业负责人:发任务书日期: 2007年 3 月 5 日毕 业 设 计（论 文）任 务 书1本毕业设计（论文）课题应达到的目的：1、通过本课题的研究，锻炼学生的创新设计能力、外文阅读能力、自己查阅资料的能力与独立思考问题的能力和发现并解决问题的能力。2、针对该具体课题，希望学生能了解国内当前该领域的现状，在此基础上做出一些成果，使大学学到的知识得到综合应用，为进一步深造或走向工作岗位打下良好的基础。2本毕业设计（论文）课题任务的内容和要求（包括原始数据、技术要求、工作要求等）：长玻纤增强反应注射生产线总体设计；机器人控制系统接口设计；制品生产工艺及试验研究、设计；影响制品质量因素分析；要求独立完成系统设计，工艺试验等，并提供齐全、正确、统一的技术文件和毕业设计说明书毕 业 设 计（论 文）任 务 书3对本毕业设计（论文）课题成果的要求包括毕业设计论文、图表、实物样品等：1、 毕业设计论文。要求书写规范、结构严谨、图表清晰，研究内容的表述要言简意赅，得出的结论要证据确凿。2、 机器人控制系统研究及具体编程实例。3、 生产线总体设计图。4、 系统集成，现场运行试验和调试。 4主要参考文献：1 袁伟，高密度结构反应注射成型聚氨酯材料的开发，化学推进剂与高分子材料，2005，10（8）：18212 赵菲等，RIRIM机在聚氨酯弹性体加工中的工艺探索，聚氨酯工业，2002，22（3）：24263 曹长兴等.反应注射成型设备混合系统的类型与性能，塑料科技，2004，21（5）：30344 John J. Craig. 机器人学导论.北京：机械工业出版社.20065 F. Yacoub, J.F. MacGregor.Analysis and optimization of a polyurethane reaction injection molding (RIM) process using multivariate projection methods. Chemometrics and Intelligent Laboratory Systems.2003,65:,1733毕 业 设 计（论 文）任 务 书5本毕业设计（论文）课题工作进度计划：起 迄 日 期工 作 内 容2007年3月05日3月17日3月18日4月05日4月06日4月29日4月30日5月13日5月14日6月10日6月11日6月20日6月 26日7月6日熟悉毕业设计要求。查阅资料，完成外文资料翻译工作撰写开题报告及文献综述生产线总体设计机器人的控制系统方案设计系统集成及现场试验文档整理、撰写毕业设计说明书论文答辩所在专业审查意见：负责人： 2007年 月 日学院（系）意见：院（系）领导： 2007年 月 日 南 京 理 工 大 学毕业设计(论文)开题报告学 生 姓 名：曾梁彬学 号：03303502专 业：机械工程及自动化设计(论文)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 教 师:孙 宇 2007年4月6日 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告1结合毕业设计（论文）课题情况，根据所查阅的文献资料，每人撰写2000字左右的文献综述：文 献 综 述摘要：本文中概述了反应注射成型（RIM）的原理、特点、工艺过程和发展，介绍了工业中常用的聚氨酯反应注射成型（RIM-PU）的生产线设计方案，并对部分影响RIM制品质量的因素进行了简单阐述。关键词：反应注射成型、质量因素一、反应注射成型（RIM）工艺概述反应注射成型(reaction injection molding，RIM)，是直接从低黏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的瞬间碰撞混合，在模腔中通过交联或想分离形成固体聚合物。制件成型的周期极短，通常几分钟，最快的如聚脲RIM成型周期不足1分钟。它同传统的热塑性树脂注射成型（TIM）完全不同，RIM是在模腔中进行聚合反应，不是借助冷却形成固体聚合物。它同其他反应成型工艺如单体浇注或热固注射成型不同，虽然这些工艺也用聚合反应形成制件形状，但他们是利用热的模壁活化反应，而RIM的单体温度和模壁温度相差不多，反应是借助单体之间的相互碰撞而活化。聚氨酯反应注射成型（RIM-PU）是工业生产中所广泛使用的一种反应注射成型工艺。它主要是由低黏度、高活性的异氰酸酯、聚醚多元醇等为反应原料。RIM-PU本身指无增强材料的工艺过程，而RRIM-PU（reinforced reaction injection molding）聚氨酯增强反应注射成型是在RIM-PU的基础上完善发展起来的。它是在RIM聚氨酯中加入增强剂，不仅保留了RIM 成型的优点, 而且可大幅度增加弯曲强度, 减少热膨胀系数。RRIM-PU所用的增强剂一般有玻璃纤维、碳纤维、尼龙纤维及不锈钢纤维等。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，以提高改善复合材料的刚性和热稳定性能，同时也可降低制品的成本。二、工艺过程概述反应注射成型用两种主液体, 使用不同的催化剂、发泡剂和改性剂, 可得到硬质或软质、密度不同的发泡体制品。反应注射设备一般都包括两组液料的供给系统和液料泵出、混合及注射系统。目前大多数RIM材料皆以聚氨酯树脂为基础, 还常加入填料和其它添加剂。其成型过程通常由成型物料准备、充模造型和固化定型三个阶段组成。首先将异氰酸酯和多元醇两种原料分别放入两只容器内, 精确控制桶内物料的温度, 两种原料分别通过各自的加热系统及定量泵进入混合注射器内混合, 材料混合后发生化学反应, 然后迅速、完全被注射入模具型腔内, 待固化后即可启模。反应注射成型工艺流程见下图。三、聚氨酯模塑发泡生产线设计根据制品特点和生产批量大小,相应的生产线配置也有所区别,一般按工艺要求分为转台式模塑发泡生产线和椭圆环形式模塑发泡生产线。3.1 转台式模塑发泡生产线右图为转台式模塑发泡生产线。从图中可以看出,该生产线主要由回转转台、模架、温控装置及开泡输送部分组成。转台回转速度根据生产节拍自动调节,模架根据制品不同,有气动式、液压式,分别采用气囊和液压锁模。该类生产线由于占地面积小,工艺布局简单,适合于大批量、同品种制品生产,如生产高回弹汽车坐垫、靠垫及头枕、方向盘、仪表盘、保险扛、摩托车坐垫等冷熟化工艺制品。3. 2 椭圆环形式模塑发泡生产线下图为椭圆环形式模塑发泡生产线。椭圆环形式模塑发泡生产线采用椭圆轨道布局,模架沿环形轨道连续运行,生产线采用电机传动,链条牵引模架移动,线速度根据生产节拍自动调节,采用机器人(Robat)带动混合头,自动识别模具号移动轨迹浇注。该类生产线结构复杂,控制先进,自动化程度高,多用于单硬度和多硬度汽车坐垫的批量生产。生产线根据需要可配置远程监控系统,进行生产现场实时监控,并将生产线当前运行状态按顺序记录,将相关工艺参数,如发泡料温度、压力、组分流量、原料用量等保存和输出。四、影响产品质量的因素在RIM的生产中，一些注塑过程工艺参数及原料的使用情况都会影响RIM制品的质量。4.1 过程工艺参数对RIM制品的力学性能的影响4.1.1 混合温度对聚氨酯弹性体性能的影响随着反应进一步进行,体系粘度会进一步增加,混合会变得更加困难,因此,混合前应该为体系提供良好混合的条件。温度会明显地影响体系组分的粘度。两组分的粘度均随着温度的升高而降低。只有在两组分的粘度较为接近时,混合效果才会好,由此得到的弹性体的性能较佳。但是考虑到如果温度过高,两组分反应速度过快,同样会影响混合效果。4.1.2 两组分质量比对聚氨酯弹性体性能的影响即使配方相同,如果A、B 组分的比例不同,得到的弹性体的性能也会有所不同。实验证明,相互混合的两个组分体积相差不是很大时,弹性体的性能最好。4.1.3 成型压力对聚氨酯弹性体性能的影响注射压力也是影响弹性体性能的一个重要参数。成型压力增加,各项性能均有所增加,这是因为压力增加,弹性体的致密程度增加。但是增加的幅度不大。在实际应用中,一般采取的注射压力为4. 05. 0 MPa 。4.2 反应原料对RIM-PU工艺质量的影响4.2.1 催化剂 RIM-PU要求快速反应，常采用催化剂来加速体系反应速度。选用催化剂的时候，应注意催化剂对反应混合物在模腔中流动性、脱模时间和制品力学性能的影响。4.2.2 发泡剂发泡剂的用量和类型的选择同制品的性能要求相关。发泡剂用量过多，则会由于其扩散，导致RIM制件产生大的收缩。使用水作发泡剂时，RIM使用的传统多元醇活性下降，不易获得皮层密实的整皮泡沫，故多选用低不饱和度的多元醇或锡胺混合催化剂等。4.2.3 增强材料RIM用增强材料的目的是改善制品刚性，提高耐热性能，降低热膨胀系数和降低成本等。可用的增强材料类型很多。增强材料对RRIM材料性能有以下影响。(1) 密度：RRIM材料的密度随材料的用量增加而增加。(2) 硬度：RRIM材料的邵氏硬度同增强材料的用量无关或变化极少。(3) 拉伸强度：纤维类增强材料几乎不影响拉伸强度。(4) 断裂伸长率：纤维状增强材料的加入引起RRIM材料断裂伸长率的锐减；片状增强材料引起断裂伸长率下降程度更大，但导致抗冲击性能下降。(5) 撕裂强度：玻纤材料的加入使RRIM材料的抗撕裂性能略有改善。(6) 弯曲模量：增强材料的加入引起的变化难于简单描述，但总的倾向是增强材料的用量增加RRIM的弯曲模量增加。(7) 冲击强度：增强材料的用量增加RRIM材料的抗冲击性能下降。(8) 线膨胀系数：添加增强材料后RRIM材料的线膨胀系数随添加量的增加显著下降。(9) 收缩率：RRIM-PU材料脱模后收缩率因添加玻纤增强材料而下降。此外，模具、执行情况、环境、操作人员的实际水平都影响制品的质量。尤其是模具直接影响着制品的成品率，模具的精度高，浇口位置、气孔位置工艺参数更是关系重大。五、RIM的应用和发展5.1 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Bayer -Bauydur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年玻璃纤维增强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。5.2 应用现状如今，聚氨酯已成为开发较成熟、应用范围最广泛的体系，约占全部RIM材料的90%，其应用领域具有代表性。主要用作汽车内外制件，翼子板（fascia）约占72%（1989年），其次是内饰件如方向盘、仪表板、臂靠*约13%），模塑窗用量约6%。建材、体育娱乐行业、机电工业也广泛使用聚氨酯RIM材料。1989年全世界耗用聚氨酯基RIM约131000t，其中美国约站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。聚氨酯RIM弹性体用量远远多于聚氨酯浇铸弹性体，后者用量1993年31000t，约为RIM弹性体的32%。5.3 发展趋势聚氨酯RIM发展迅速，特别是在80年代初相继获得三次大的突破，使脱模时间从约60s缩短至约10s，成型周期从约320s降至约45s。虽然如此，今年来聚氨酯RIM面临着许多挑战，如改性热塑性聚烯烃、SMC等材料的强劲竞争；环境保护提出了越来越严格的要求，迫使聚氨酯RIM在进一步改进工业、提高材料性能、降低成本、减少污染等方面进行了大量的工作，初步取得一些进展。现正扩大应用这些成果并沿着这些方面继续进行工作。参考文献：1 反应注射成型法，产业资讯，20062 刘远中等，低密度纤维增强反应注射成型聚氨酯材料，聚氨酯工业，20023 姜志国等，PUU_RRIM制品中玻璃纤维的取向，中国塑料，20004 阎宝瑞，可编程控制器在反应注射成型机中的应用，自动化仪表，20035 吴壮利，RIM聚氨酯加工设备及其在汽车内饰件生产中的应用，聚氨酯工业，20066 王士才等，玻璃纤维增强聚氨酯反应注射成型，现代塑料加工应用，19977 李爱平等，低压灌注设备配比调节方法的改进研究，工程塑料应用，20058 曹长兴等，反应注射成型设备混合系统的类型与性能，塑料科技，20049 胡海青，热固性塑料注射成型（四）反应注射成型（RIM）与增强反映注射成型（RRIM），热固性树脂，200110 李俊贤，反应注射成型技术及材料，聚氨酯工业，199511 影响反应注射成型产品质量的因素，面向快速模具的反应注射成型计算机仿真与实验研究12 赵菲等，RIRIM机在聚氨酯弹性体加工中的工艺探索，聚氨酯工业，200213 申长雨等，反应注射成型技术，塑料成型加工讲座，200214 袁伟，高密度结构反应注射成型聚氨酯材料的开发，化学推进剂与高分子材料，200515 吴张永，汽车用塑料注塑新技术的进展，现代塑料加工应用，200216 Mapleston P. PUR Processing Goes an Natural with Fibers. Plastics Technology , 199917 吴舜英等，泡沫塑料成型，化学工业出版社，1999 毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告本课题要研究或解决的问题和拟采用的研究手段（途径）：一、需要研究和解决的问题：通过查阅文献以及对文献的学习和分析，对即将开展的工作中的主要需要解决的问题进行了汇总。1、了解反应注射成型的工艺，设计生产工艺试验方案，研究影响制品质量的因素2、长玻纤反应注射成型生产线的总体设计方案的拟订，画出生产线总体设计图；3、ABB机器人控制系统研究以及接口设计；二、拟采用的研究手段（途径）：针对课题中出现的以上几个问题，将在接下来的时间里通过以下途径来解决。1、查阅相关书籍资料，了解关于反应注射成型的基本原理。(1)了解反应注射成型的工艺过程 反应注射成型的工艺过程包括两个工位的操作：反应注射过程和发泡成型过程。反应注射过程包括：原材料的配制、双组分混合比例的计量、反应物的混合、注射。发泡成型过程包括：模架归位、闭模、发泡成型和定型、开模、制品脱模。(2)了解影响反应注射成型制品质量的主要因素影响反应注射成型制品质量和产量的主要因素有三方面：原材料、成型工艺和设备。原材料对工艺质量的影响因素主要有反应组分、混合比例、催化剂、发泡剂、增强材料；成型工艺中的主要工艺参数有压力（包括注射压力、贮料筒的背压、模腔压力）、温度（混合温度、模具温度）、注射时间和注射速度；设备为固定条件，故不做考虑。(3)制品质量衡量标准参考成熟的工艺分析，并结合实际应用，选定制品的一些主要实用性能作为衡量其工业质量的标准，如：力学性能、表面质量、工业产量等。(4)工艺试验设计根据上述对反应注射成型工艺的进一步了解，在仅某一因素改变的情况下进行试验，记录不同因素对反应注射成型制品质量的影响。将记录下的试验数据进行比较分析，并做出最终的工艺试验报告。2、 总体生产线系统布局设计根据实际情况，查阅有关工业物流方面书籍资料，设计总体的生产线系统布局。(1)系统组成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：l 长玻纤增强反应注射成套设备（包括一套ABB机械手及附件；另有一套两年单班的零备件包）（主机单元）l 压力机及模具（模架单元）l 机械手直线移动轨道及小车部分（小车单元）(2)系统布局根据实际情况，系统采用直线型排列方式。小车单元：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。主机单元：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。模架单元：按照实际需要，安排十个工位，沿导轨长度方向的两侧各设计五个模架工位进行规划，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、保养以及玻纤输送装置的调整等。根据工艺需要，每个模架单元包括两个工位：反应注射工位和发泡成型工位，此外还包括压力机的布置。对于三个单元的布局安排，主要根据空间条件进行，对三单元进行控制接口和物料输送设备的连接。最终用CAD软件绘出平面布局图。3、ABB机器人的控制(1)ABB机器人控制系统的学习参阅ABB机器人的有关说明书和操作资料，掌握操作和编程技术。(2)工艺编程由于在反应注射过程中，不同尺寸的制件的注射过程所需的时间也不相同，为了保证在反应注射工位时注射到模具上的混合物在回到发泡成型工位闭模发泡成型之前不会产生发泡，应该尽可能缩短机器人注射的时间。这样就要求对机器人喷嘴的行程轨迹的安排进行优化。另外，对一些复杂制件的一些特殊位置的注射，是否要特别注意或进行特别注射，这些问题在实际操作中也需要进行确认。 针对这些工艺中的要求，必须对不同制件的注射过程设计不同的合适的行程轨迹并编程。时间安排： 3月5日3月18日 初步熟悉毕业设计内容及相关要求； 3月19日3月25日 完成外文翻译任务； 3月26日4月8日 完成文献综述和开题报告任务； 4月9日4月29日 实地参观并完成生产线总体设计方案，学习RIM工艺相关基 础内容； 4月30日5月13日 学习ABB机器人的控制与编程； 5月14日6月3日 完成工艺试验设计方案并做出分析报告； 6月4日6月17日 整理文件资料，撰写毕业设计说明，准备答辩。附件1：总体布局示意图附件2：机器人模块布局图毕 业 设 计（论 文）开 题 报 告指导教师意见：1对“文献综述”的评语：2对本课题的深度、广度及工作量的意见和对设计（论文）结果的预测： 指导教师： 年 月 日所在专业审查意见： 负责人： 年 月 日南 京 理 工 大 学毕业设计说明书(论文)详细摘要作 者:曾梁彬学 号：03303502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系统试验设计教授孙宇指导者： (姓 名) (专业技术职务)评阅者： (姓 名) (专业技术职务) 2007年 7 月长玻纤增强反应注射成型生产线工艺系统试验设计毕业设计作者 曾梁彬指 导 老 师 孙 宇摘要 论文以长玻纤增强反应注射成型（LFI）在汽车内饰件中的实际应用为背景，首先LFI工艺的一些基本状况，之后根据这项工艺的特点和企业的实际情况，讨论了LFI生产线的总体布局设计方案，以及系统的组成和各个单元的功能。接下来进一步开始切入在本次工程中的主要参与的内容机器人部分。先从工艺特点和总体布局设计方面提出具体要求，以此为标准完成对机器人型号的选择。选定了机器人型号之后，对机器人的操作方式进行了简单的阐述，之后重点介绍了机器人操作方式之一的编程操作，并进行了初步的轨迹优化设计。关键字 长玻纤增强反应注射成型 总体布局 机器人 轨迹优化1 引言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1。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2。 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3。LFI是增强在增强反应注射成型（RRIM）和结构反应注射成型（SRIM）的基础上发展而来的。它是在浇注时将长玻纤同物料一起被注射到模腔内达到添加增强材料的过程。它即能够改善RRIM的增强效果，又能够简化SRIM的工艺过程4,5。2 系统基本布局2.1 生产线布局方案在目前的实际生产应用中，通常采用的布局方式有两种：一种是环行旋转式发泡生产线；另一种是直线式发泡生产线。图2.1 环行旋转式发泡生产线示意图1,6从图2.1中我们可以看到，环行生产线中浇注设备的位置是固定的，通过旋转台来实现对不同工位的浇注。它的优点就在于，浇注设备的位置是不变的，因此省去了浇注设备的移动机构，简化了控制关系和总体组成。但是也存在致命的问题，即空间尺寸庞大。为了能够提供足够的浇注空间和避免人机混合操作的危险，每个模架单元均采用移动式模架并具有两个工位反应注射工位和发泡成型工位。考虑每台压力机的平均宽度为3.2m，再加上工人的操作空间，环行布置十个工位，整体直径将超过20m，实际车间的宽度仅为14.5m，显然使用这种生产线布局方式不合理。排除了环行旋转式生产线布局方案之后，我们来分析直线式发泡生产线布局方案。参照图2.2，我们可以看到生产线中的十个工位分别排列在导轨的两侧，通过导轨小车的移动，将浇注设备移动到各个工位上。这样的好处很显然是排除了空间上的障碍，但是由于浇注设备的位置不是固定的，因此在系统组成和控制上都增加了难度。2.2 系统组成及功能系统由三个单元组成：主机单元、小车单元和模架单元。主机单元主要就是包括了Krauss-Maffei的一套LFI设备、机器人和控制系统。主要负责的是浇注主体过程的控制、机器人的控制，以及与小车单元的通信。模架单元主包括了压力机、移动模架和模具。主要是为浇注提供空间，为模具的安装、开合模动作、锁模、调节模温提供保障，以及与小车单元的通信。小车单元主要包括移动小车和导轨。主要用于将浇注机器人运送到指定的工位进行工作，此外，还担负着主机单元和模架单元之间的通信桥梁的工作。图2.2 直线式发泡生产线示意图浇注时由模架单元发出申请信号，小车移动到发出申请信号的工位后，小车向主机单元发出请求浇注信号，主机单元开始浇注；浇注完成后，主机单元通过小车向模架单元发出浇注完成信号，指示模架移动到发泡成型工位合模发泡。3 机器人选型机器人的选型主要从工作范围、运行速度和负载能力三个方面的要求进行。3.1 工作范围从图3.1中我们可以看出，A-A位置为导轨中轴线，即机器人基座位置。浇注时所需要达到的极限位置在尺寸最大的工作（1、2、9、10）的E-E位置，通过尺寸计算，A-A到E-E的距离为3020mm，对照各种型号机器人的工作范围的参数，可以看出只有IRB 6650-125/3.2的工作范围3.2m能够满足范围要求。表3.1 各系列机器人工作范围参数IRB24002400L2400/102400/16工作范围1810mm1550mm1550mmIRB44004400/454400/604400/L104400/L304450S工作范围1955mm1955mm2547mm2532mm2400mmIRB6400R6400R/2.5-1206400R/2.5-1506400R/2.5-2006400R/2.8-1506400R/2.8-2006400R/3.0-100工作范围2469mm2469mm2469mm2800mm2800mm2999mmIRB66006600-175/2.556600-225/2.556600-175/2.86650-200/2.756650-125/3.2工作范围2550mm2550mm2800mm2755mm3200mm图3.1 生产线布局图（局部）3.2 运行速度机器人速度方面的要求主要是由工艺的需要而提出的。在模架单元中存在两个工位，一个是反应注射工位，一个是发泡成型工位。浇注时在反应注射工位的时间不宜太长，如果时间过长，在移动模架还未回到发泡成型工位时就会开始发泡反应，这样会导致压力机合模压力不足，影响制件质量。因此，必须严格控制在浇注工位的时间。通常情况下为在1分钟之内。在下面轨迹优化章节，我们可以得出轨迹间距为60mm，IRB 6650-125/3.2机器人的直线移动最大速度为5000mm/s，这样计算在1分钟时间内能够浇注的面域为18m2，而实际浇注的模具尺寸不会超过3m2，因此也能满足浇注速度要求。3.3 负载能力机器人实际工作中的负载为RimStar E型混合头，混合头的重量为96Kg，其它的软管均在坦克链托架上，重量可以不计。而IRB 6650-125/3.2机器人的负载能力为125Kg，故也能满足要求。3.4 选型结论综合三方面的要求，选定IRB 6650-125/3.2机器人，完全可以满足工业生产要求。4 机器人操作ABB机器人的操作方式有两种：利用FlexPendant教导器进行微动操作和在PC上用RobotStudio进行编程操作。4.1 参数设定无论是在何种操作方式下，首先必须对一些操作前的必要参数进行设定。主要是对工具坐标系、工件坐标系和载荷进行设定。机器人存在4个坐标系，其中大地坐标系和基坐标系在机器人安装时就已经被设定完成；在具体加工时，工具和工件有所不同，因此工具坐标系和工件坐标系必须在操作前进行人为设定。定义工具坐标系，主要使用的是4点TCP（工具中心位置）法。就是让工具以四种不同的姿态接触一个已设定好的点，这个远离机器人时效果会比较好。这样就能让机器人自动记录出这个TCP的坐标位置。然后定义坐标轴的方向，在保持工具姿态不变的情况下，将机器人沿所要定义的轴的方向进行微动，定义出轴方向。如图4.1。 图4.1 定义工具坐标系（左）和工件坐标系（右）定义工件坐标系的方式为3点法，主要是定义一个工位操作平面。先选定1个点X1，记录下之后分别让机器人手臂沿直线走到在需要定义的X轴上的一点X2和Y轴上的一点Y1，通过这三点的定位机器人自动记录后确定出坐标系。如图4.1。定义载荷参数时（如载荷重量、重心坐标、扭矩和转动惯量等），可以使用两种方法：一种是手动输入数据，这种方式必须要求预先测定出载荷。然而在实际中有些时候不方便直接测出载荷，这时可以使用一个载荷测定服务LoadIdentify来进行自动测定。4.2 FlexPendant微动操作使用FlexPendant进行微动操作时，首先需要在机械单元列表中选择操作的机械单元。在单一机器人且无附加轴时，可以不用设定；其次再选择运动模式。运动模式包括两种：线性移动和逐轴移动，线形模式就是保持工具空间姿态不变进行移动，而逐轴移动是控制单一的轴进行的旋转。这种方式的操作定位不直观，很难预测TCP的运动，所以通常不使用。通常使用FlexPendant上的操纵杆进行线性微动。4.3 RobotStudio编程由于在FlexPendant上有些特定的功能无法实现，这就需要利用编程软件RobotStudio进行编程控制。在学习了机器人编程语言RAPID之后，针对一个具体设定的零件进行浇注指令的分析。 图4.3 浇注零件模型上图为设定的编程浇注模型，包括孔、凹槽和翘边三个浇注特征。浇注时针对这三个特征进行特殊的处理。在孔上浇注时必须用一个输出信号来控制混合头的浇注开关；在凹槽处浇注时可以提高机器人的移动速度来减少单位面积的浇注量；在翘边处浇注时，需将混合头的姿态转变后在进行浇注。以下为程序。CONST robtarget p1 :=-30.00,30.00,0.00; 定义p1点（左上角点）CONST robtarget p2 :=50.00,-30.00,3.00; 定义p2点（右下角点）PERS wobjdata wobj1 :=TRUE,; 选择当前工件坐标系，具体数据测定PERS tooldata tool1 :=TRUE,; 选择当前工具坐标系，具体数据测定PROC main()MovL p1,v200,fine,tool1;MovL Offs(p1,0,-3,0),v100,fine,tool1;Set do1; 输出浇注信号MovL Offs(p1,80,-3,0),v100,z3,tool1;MovL Offs(p1,80,-9,0),v100,z3,tool1;MovL Offs(p1,0,-9,0),v100,z3,tool1;MovL Offs(p1,0,-15,0),v100,z3,tool1;MovL Offs(p1,80,-15,0),v100,z3,tool1;MovL Offs(p1,0,-15,0),v100,z3,tool1;MovL Offs(p1,0,-21,0),v100,fine,tool1;Reset do1; 输出停止浇注信号MovL Offs(p1,-20,-21,0),v100,z3,tool1;Set do1; 输出浇注信号MovL Offs(p1,-20,-27,0),v100,z3,tool1;MovL Offs(p1,15,-27,0),v100,fine,tool1;Reset do1; 输出停止浇注信号MovL Offs(p1,45,-27,0),v200,fine,tool1;Set do1; 输出浇注信号MovL Offs(p1,80,-27,0),v100,z3,tool1;MovL Offs(p1,80,-33,0),v100,z3,tool1;MovL Offs(p1,45,-33,0),v100,fine,tool1;Reset do1; 输出停止浇注信号MovL Offs(p1,15,-33,0),v200,fine,tool1;Set do1; 输出浇注信号MovL Offs(p1,-20,-33,0),v100,z3,tool1;MovL Offs(p1,-20,39,0),v100,z3,tool1;MovL Offs(p1,80,39,0),v100,z3,tool1;MovL Offs(p1,80,45,0),v100,z3,tool1;MovL Offs(p1,60,45,0),v100,fine,tool1;MovL Offs(p1,0,45,0),v200,fine,too1;MovL Offs(p1,-20,45,0),v100,z3,tool1;MovL Offs(p1,-20,51,0),v100,z3,tool1;MovL Offs(p1,0,51,0),v100,fine,tool1;MovL Offs(p1,60,51,0),v200,fine,tool1;MovL Offs(p1,80,51,0),v100,z3,tool1;MovL Offs(p1,80,57,0),v100,z3,tool1;MovL Offs(p1,-20,57,0),v100,z3,tool1;MovL Offs(p1,-20,60,0),v100,z3,tool1;MovL Offs(p1,80,60,0),v200,z3,tool1;MovJ p2,v100,fine,tool1; 调整混合头姿态，适应翘边浇注MovL Offs(p2,-100,0,0),v50,fine,tool1;MovL Offs(p2,-100,0,6),v50,fine,tool1;MovL Offs(p2,0,0,6),v50,fine,tool1;Reset do1输出停止浇注信号RETURN 返回Stop 停止 ENDPROC5 轨迹间距优化轨迹间距的优化，主要有两方面的要求。一是反应浇注时间的控制；另一方面是玻纤分布的均匀性。首先是混合头浇注的模型建立。混合头的喷口外有个直径56mm的短圆环，在浇注时，物料主要覆盖在其正对的直径56mm的范围内，在此范围之外还有一些溅射覆盖，因此，在整体来看，浇注物料在中心的覆盖密度最大，沿径向减少。这样的分布特点与正态分布类似，因此用正态分布的模型来模拟径向分布密度。假设第一条轨迹的玻纤分布函数为f(x)，当做第二条轨迹函数g(x)时，实际上就是一个偏移函数:fx=12e-x222 (5.1)gx=12e-（x-u)222 (5.2)两者之间的关系如图5.1。为保证玻纤覆盖均匀，就是保证r(x)=f(x)+g(x)在整个区域内函数值近似相等。从数学处理角度来分析，就是让函数波动最小，就是去求当间距u为何值时r(x)的均方差最小。图5.1 两条轨迹之间的叠加关系 通过计算来确定轨迹间距u和叠加函数r(x)的均方差之间的关系，发现在u=61时最小。 图5.2 Matlab模拟的u=61（左）与u=57（右）时的叠加情况图5.2是用Matlab模拟的当u=61和u=57两种情况下的函数叠加效果，可以看出在u=57时的叠加效果较好。图5.3 Matlab模拟的u=61时的三次轨迹叠加情况但是在实际当中，存在第三次的轨迹叠加。图5.3中模拟出在u=61时的三次轨迹叠加的情况，从中可以看出，此时的玻纤分布比较均匀。因此，在此的优化结果为间距在57-61mm范围内。6 结论 a) 生产线的布局方式必须采用直线式，才能满足车间实际尺寸。总体系统组成有主机单元、模架单元和小车单元三部分； b) 从工作范围、运行速度和负载能力三方面审核，选择IRB6650-125/3.2型号的ABB机器人； c) 机器人操作方式有两种，分别是FlexPendant的微动操作和RobotStudio的编程操作； d) 为保证浇注时间和玻纤分布均匀性，轨迹间距应该在57-61mm范围内。参 考 文 献1 吴壮利.RIM聚氨酯加工设备及其在汽车内饰件生产中的应用J.聚氨酯工业.湘潭：湖南湘潭精正设备制造有限公司.2006,21(4)：36-39.2 刘益军.长玻纤增强聚氨酯的新方法J.国外塑料.1996,11(4)：27.3 李俊贤.反应注射成型技术及材料（连载一）J.聚氨酯工业.洛阳：化工部黎明化工研究院.1995,15(4)：41-45.4 胡海青.热固性塑料注射成型J.热固性树脂.青岛：青岛化工学院.2006, 16(4):45-48.5 唐红艳，王继辉.结构反应注射成型技术及其研究进展J.工程塑料应用.武汉：武汉理工大学材料与工程学院.2006,34(5):72-73.6 毛孟进.PU生产车间自控方案设计及应用J.宁波化工.2006,1(1):23-26.7 吴舜英等.泡沫塑料成型M.北京:化学工业出版社.1999.8 3HAC 16590-1，Operating manual IRC5 with FlexPendantS.ABB Automation Technologies.2004.9 3HAC 18581-1，Technical reference manual RAPID InstructionsS.ABB Automation Technologies.2004.10 朱吕明,刘益军等.聚氨酯塑料泡沫M.北京:化学工业出版社.2005.南京理工大学毕业设计说明书(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42 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/cm364.384）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，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。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。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，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。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；l 2) 反应注射的激光定位；l 3) 混合头的温度控制；l 4) 混合头的自动清洗；l 5) 反应注射轨迹的编程控制；l 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；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。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。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 1.8mIRB2400/10100/100mm 1.5mIRB2400/16100/100mm 1.5m轴运动工作范围定位 轴1，旋转360360360 轴2，臂200200200 轴3，臂125125125 再定位 轴4，腕370400400 轴4，选配-无限制无限制 轴5，弯曲240240240 轴6，旋转800800800 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 4400/45IRB 4400/60IRB4400/L10IRB4400/L30IRB 4450S到达距离1.96m1.96m2.55m2.43m2.40m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表3.3 IRB 6400机器人技术参数规格IRB 6400R/2.5-120IRB 6400R/2.5-150IRB 6400R/2.5-200IRB 6400R2.8-150IRB 6400R/2.8-200IRB 6400R/3.0-100到达距离2.5m2.5m2.5m2.8m2.8m3.0m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 -175/2.55IRB6600 -225/2.55IRB6600 -175/2.8IRB6650 -200/2.75IRB6650 -125/3.2到达距离2.55m2.55m2.8m2.75m3.2m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。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IRB6600/6650-200IRB6650-125轴序号轴1，旋转100/s110/s轴2，臂90/s90/s轴3，臂90/s90/s轴4，腕150/s150/s轴5，弯曲120/s120/s轴6，翻转190/s235/s 图3.6 IRB6650各轴运动示意以及工作坐标系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，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 961Nm IRB6000-225/2.55 225kg 305mm 1324Nm IRB6600-175/2.8 175kg 392mm 1206Nm IRB6650-125/3.2 125kg 360mm 715Nm IRB6650-200/2.75 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。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。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：l 将机器人移至合适的位置，取得第一个接近点（A位置）；l 选择“修改位置”选项，定义该点；l 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：l 首先完成对TCP坐标的定义；l 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；l 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。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。l 按下使动装置，将机器人移动到所要定义的第一个点（X1）；l 选择列表中的点，点击“修改位置”来定义该点；l 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 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RobotStudio进行程序自动控制。4.2.1 FlexPendant微动控制微动控制就是使用FlexPendant控制杆受动定位或移动机器人或外轴。FlexPendant设备也称为TPU或教导器单元，用于处理与机器人系统操作相关的许多功能：运行程序、微动控制操纵器、生成和编辑程序。FlexPendant由硬件和软件组成，通过继承电缆和连接器与控制器模块连接。图4.8 FlexPendant主要部件A、连接器 B、触摸屏 C、紧急停止按钮 D、使能装置 E、控制杆微动控制时需要进行一些基本设置。首先，在微动菜单中打开机械单元的列表，在里面选择需要进行控制的机器人单元。在多个机器人组成的机器人系统中，这项设置显得十分必要，而如果是只有一个无附加轴的机器人，则无需选择机械单元。其次，在选定的机械单元的动作属性中，为其选择动作模式。在动作模式中，有以下几种控制杆动作模式的选项：线性：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逐轴模式轴1-3：仅控制机器人的1-3轴进行转动轴4-6：仅控制机器人的4-6轴进行转动在线性模式下，工具中心沿空间内的直线移动。工具中心点按选顶的坐标轴的方向移动。在逐轴模式下，一次只能移动一根机器人轴，因此很难预测工具中心点将如何移动。在选择了动作模式之后，还需要选择合适的工具、工件或有效载荷。当通过移动到目标位置来创建程序时，这显得尤为关键。如果没有选择合适的工具、工件或有效载荷，当进行微动控制或在生产过程中运行时，很可能会出现过载错误或定位错误。因此，在进行微动操作之前，根据上述的关于定义工具、工件和有效载荷的步骤，完成该部分的定义。进行完上述的设置之后，只要选定好相应的坐标系，按住使能装置，移动控制杆，就可以利用FlexPendant在基坐标系、大地坐标系、工具坐标系或工件坐标系中进行微动控制。4.2.2 利用RobotStudio进行编程控制由于在FlexPendant上某些特定的功能无法执行，因此，就只能利用ABB机器人提供的PC在线编程软件RobotStudio在PC机上进行编程来实现自动控制。在利用RobotStudio编写完程序之后，利用FlexPendant在程序菜单中调用出来。在操作前，和微动控制类似的，除了控制动作模式不需要选择之外，也需要对工作状态进行一些上述操作参数的设置，在此就不再重复叙述。以下章节将着重介绍关于编程操作方面的内容。5 轨迹优化 无论是利用FlexPendant上的操纵杆对机器人进行微动操作，还是在PC上利用RobotStudio来进行编程操作，对任何制件的浇注，都必须首先根据模具的尺寸、形状和加工要求，将浇注的轨迹安排出来。尤其是在编程操作时，首先需要拟订出对制件浇注的机器人行动轨迹的精确规划。为了达到最好的注射效果，在反应注射时，必须对机器人的浇注轨迹进行一定的优化。这也是本篇当中的一个重要讨论点。5.1 优化要求在实际工业生产中，对工艺有着多种的要求，根据这些要求，才构成了工艺优化的目标已经优化的约束条件。以下是主要的两点工艺要求：a) 反应注射时间在上述的机器人选型的速度选择部分，我们已经陈述过了，由于在反应注射工位进行浇注时，A、B料混合之后会逐渐开始产生发泡。这就意味着，如果浇注的时间过长，在移动模架还没回到发泡成型工位时，混合料就开始了大量发泡。这样当回到了发泡成型工位时，由于混合料的大量发泡，导致了模腔内部的压力增大，使得压力机负荷变大甚至无法完成闭模动作。因此，在反应注射工作的机器人浇注时间不宜过长。通常来说，移动模架在反应注射工位的浇注时间要控制在1分钟以内，才能保证混合料在闭模之前不至于会大量发泡。b) 玻纤覆盖密度玻纤作为RRIM中的增强剂，是在混合头中被切断的，并且在注射前才与A、B料混合喷射出去的。由于实际操作中，玻纤的喷射覆盖密度是由中心向四周逐渐减少的，因此，必须安排好相邻轨迹的距离，来保证在整个浇注件上的玻纤覆盖密度基本保持均匀，从而确保了制件的质量。5.2 轨迹路线在实际生产中，加工的制件模具形状是不同的，而且是不规则的几何形状。但是，在机器人的实际操作中，不论制件的形状如何，轨迹的基本构成都是直线和圆弧。在这里，我们主要研究的是轨迹优化是两条相邻的平行轨迹之间的间距问题。方便起见，以下部分的讨论以两条直线轨迹之间的距离研究为例进行分析。5.3 轨迹优化的数学模型和优化过程5.3.1 数学模型混合头（Mixing Head）的喷射理论范围为56mm的圆形范围，在实际浇注时，理论上的浇注位置应该是正对着喷口的56mm的区域范围，并且也是覆盖密度最大的集中区域。而在56mm范围之外的区域的混合料和玻纤主要是由于溅射效果覆盖的，其覆盖密度就向四周逐渐减少。在这种情况下，混合料和玻纤的区域覆盖密度分布类似于正态分布（当然，实际上并不是严格的正态分布）。因此，为了方便分析，我们作出假设，将其作为正态分布来进行分析。以下为在Matlab中近似模拟建立的区域径向覆盖密度的数学模型。图5.1 径向覆盖密度的数学模型假设在径向分布的覆盖密度函数为，根据正态分布的函数 （5.1）图5.1中的0点为56mm的圆心位置。横轴为直径方向。参数应该为56mm区域的半径值，即=28。根据正态分布的原理，在3范围之内的分布应该为99.97%，在此就近似认为混合料和玻纤的覆盖范围就是在半径3的范围之内。第一条机器人浇注直线轨迹函数： （5.2）再做与其平行的第二条直线浇注轨迹。设其覆盖密度函数为，它与第一条直线浇注轨迹之间的平行距离设为u。 （5.3）二者的关系即如下图所示。图5.2 两条直线浇注轨迹的覆盖密度函数位置关系在实际生产中，为保证浇注过程中制件各部分的混合料和玻纤覆盖密度保持均匀，即在上述的数学模型中，要做到在整个区域内的函数值相等。实际当中，和的叠加不可能使值达到完全的相等，只能作到在一个小范围内波动。从数学角度上来分析，就是要让rmaxrmin的值最小。5.3.2 优化过程在数学处理中，在以u为变量的前提下，使用等间距采集多个点的函数r(x)的值进行均方差处理的方法，来选择出函数值波动最小（均方差最小）时的变量u的值。在此之前，先做一个u的取值范围的界定。由于需要满足上述的两个工艺生产的要求，所以为了保证浇注速度，应当是轨迹间距越大越好；而为了保证混合料和玻纤覆盖密度的均匀性，这又要求轨迹间距不能太大。因此，我们在这里约定，尽量让每个区域的轨迹覆盖为2-3次，这样可以在上述两个方面做出个折中方案。从数学模型上来说，也就是在到（既4270mm）范围附近。在这样的范围之内，每片区域的轨迹覆盖次数在2次或者3次，而就算是有3次轨迹覆盖，第三次覆盖的轨迹函数值已经非常小了，可以近似忽略。因此，在计算过程中，只要近似进行相邻两轨迹函数值的叠加就可以了，而不用再进行第三次的叠加。以下是在VB程序中做出的一个间距u和函数r(x)的均方差之间的关系计算程序。在程序中，我们在0-u的范围内进行等间距的10次采样，再根据这10个数据计算出方差。具体数据如下。表5.1 间距u和函数r(x)的均方差之间的关系序号u(mm)(10-4mm)序号u(mm)(10-4mm)1429.772516573.67452439.605117583.09603449.399518592.55144459.156119602.09455468.875220611.82246478.557621621.84707488.204022632.17968497.815323642.72489507.392824653.392610516.937925664.132411526.452426674.917812535.938427685.734613545.398928696.574514554.837529707.431815564.2599再用VB将上表中的数据拟合成u-的关系曲线。图5.3 拟合u-关系曲线 从上图表中可以看出，当u=61时，函数r(x)的均方差最小，为1.822410-4。在Matlab中进行两条轨迹函数的叠加r(x)的模拟，如下图：图5.4 r(x)的两次轨迹叠加模拟（u=61）在图5.4中可以看出，在u=61时的两次叠加的曲线，在两个独立轨迹曲线的峰值之间的叠加函数值波动较小，基本上保持平均。然而，在Matlab中的模拟曲线中，从两次叠加的曲线来看，当u=57时的叠加效果更好。图5.5 r(x)的两次轨迹叠加模拟（u=57）当u=57时，在两个独立轨迹曲线的峰值之间的叠加函数值几乎相等。当然，实际当中，在这两种情况下还存在着轨迹的第三次叠加。在Matlab中将3次叠加的情况也模拟出来。图5.6 r(x)的三次轨迹叠加模拟（u=61）从上图中可以看出，在考虑了三次的轨迹叠加之后，叠加过后的r(x)也能保持较小范围的波动。5.4 优化结果通过上述分析，我们可以看出，在以正态分布曲线来近似拟合混合头浇注密度分布模型时，在综合考虑了缩短浇注时间和改善浇注件玻纤覆盖密度的均匀性两方面的问题之后，在进行两次到三次的轨迹叠加的情况分析之后，发现将轨迹间距调整在57-61mm范围之内时，浇注件玻纤覆盖密度较为均匀。在以下的机器人编程中，为了方便安排，我们选择u=60mm进行以下的分析和轨迹布置。6 机器人编程在进行了编程的前期准备工作（设定坐标、载荷等参数），以及优化计算出机器人行动轨迹间距之后，在本章，简要的介绍ABB机器人工作时的浇注程序方面的内容。为了更好的对使用RobotStudioOnline软件进行编程方面的说明，在此针对一个具体的浇注件进行程序编制的分析。6.1 浇注件模型 实际生产过程中，模具形状多种多样，并且具有大量的复杂曲面。关于轨迹制订的内容，在此不做具体讨论。这里为了进行程序编制的说明，假定以下的简单的CAD模型为浇注件模型。在图中可以看出，该模型为薄壁浇注件，虽然模型较简单，但是其中包含了几个典型的特征形状：孔、凹槽和翘边。在进行编程的时候，应该针对这3个特征来合理安排机器人行动轨迹。图6.1 浇注件模型图6.2 浇注件尺寸图6.2 程序实例编程使用工位坐标系，坐标原点在几何工件中心处正上方。在程序语句中，第一部分MovL或MovJ表示机器人的保持工具姿态不变执行直线移动或者是机器人的轴转动。第二部分为设定目的点的坐标，可以直接给出目标点（如：p1）也可以使用Offs语句以某一定点做参照进行相对坐标移动。第三部分为速度设置，单位为mm/s。第四部分为轨迹到达目标点的方式，其中fine方式下TCP直接到达目标点位置，而在z方式下，可以设置圆弧过渡，即TCP实际到达点与目标点坐标之间有一定的圆弧过渡的距离，该距离由z后面的数值确定。第五部分为所选择的工具编号。编程时，轨迹的安排由上至下（如图），依次对三个主要的特征进行浇注。首先设置关键的两个重要的参照点p1和p2。p1点为工件的左上角点，其坐标为（-30,30,0），p2点为工件右下角点，其坐标为（50，-30，6）。之后将当前使用的工件和工具坐标系也定义上去。对孔特征的浇注，主要考虑的是在通过其上方时必须能够停止浇注，这时用到一个控制信号do1。do1为浇注输出信号，用来控制混合头的浇注动作。在机器人通过孔上方时，可以利用输出信号do1来进行控制浇注的开始与停止，以此来完成对孔特征的浇注过程。在对凹槽处进行浇注时，主要考虑因素为凹槽处需要的浇注料少，因此在不改变注射量的情况下通过提高移动速度，来完成对凹槽处的浇注过程。而在对翘边进行浇注时，考虑的第一点是改变机器人的运动方式，由于浇注面与先前的浇注面垂直，所以首先用轴转动运行方式MovJ来改变工具的姿态以适应垂直面的浇注；其次，由于原料在重力作用下会下滑，因此浇注时的移动速度要降低，来增加这部分的浇注量。以下为程序：CONST robtarget p1 :=-30.00,30.00,0.00; 定义p1点数据CONST robtarget p2 :=50.00,-30.00,3.00; 定义p2点数据PERS wobjdata wobj1 :=TRUE,; 选择当前工件坐标系，具体数据测定PERS tooldata tool1 :=TRUE,; 选择当前工具坐标系，具体数据测定PROC main()MovL p1,v200,fine,tool1;MovL Offs(p1,0,-3,0),v100,fine,tool1;Set do1; 输出浇注信号MovL Offs(p1,80,-3,0),v100,z3,tool1;MovL Offs(p1,80,-9,0),v100,z3,tool1;MovL Offs(p1,0,-9,0),v100,z3,tool1;MovL Offs(p1,0,-15,0),v100,z3,tool1;MovL Offs(p1,80,-15,0),v100,z3,tool1;MovL Offs(p1,0,-15,0),v100,z3,tool1;MovL Offs(p1,0,-21,0),v100,fine,tool1;Reset do1; 输出停止浇注信号MovL Offs(p1,-20,-21,0),v100,z3,tool1;Set do1; 输出浇注信号MovL Offs(p1,-20,-27,0),v100,z3,tool1;MovL Offs(p1,15,-27,0),v100,fine,tool1;Reset do1; 输出停止浇注信号MovL Offs(p1,45,-27,0),v200,fine,tool1;Set do1; 输出浇注信号MovL Offs(p1,80,-27,0),v100,z3,tool1;MovL Offs(p1,80,-33,0),v100,z3,tool1;MovL Offs(p1,45,-33