长玻纤增强反应注射成型生产线工艺系统试验设计

南 京 理 工 大 学毕业设计说明书(论文)详细摘要作 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系统试验设计指导者： (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IRB2400 2400L 2400/10 2400/16工作范围 1810mm 1550mm 1550mmIRB4400 4400/45 4400/60 4400/L10 4400/L30 4450S工作范围 1955mm 1955mm 2547mm 2532mm 2400mmIRB6400R 6400R/2.5-120 6400R/2.5-150 6400R/2.5-200 6400R/2.8-150 6400R/2.8-200 6400R/3.0-100工作范围 2469mm 2469mm 2469mm 2800mm 2800mm 2999mmIRB6600 6600-175/2.55 6600-225/2.55 6600-175/2.8 6650-200/2.75 6650-125/3.2工作范围 2550mm 2550mm 2800mm 2755mm 3200mm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: (5.1)()= 12222(5.2)()= 12（ )222两者之间的关系如图 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 IRB6