机器人装配工作站仿真设计毕业设计

绪论1.1引言进入到新世纪以来，我国的现代工业也得到了十分快速的发展，自动化生产线是能实现产品生产过程自动化的一种机器体系，通过采用一套能自动进行检测、上下料、视觉分拣、装卸、运输的设备，组成高度连续的、完全自动化的生产线，来实现产品的生产。自动化生产线实现了无需人工操作，生产过程几乎无差错，节省了劳力，财力，大大降低了危险系数。装配生产线中人工装配占用的手工劳动量大，装配费用高，装配的生产率低。而机器人的自动装配可以完成大量且复杂的装配操作，实现机器人自动化装配，能够大大提高生产效率，降低成本，保障安全。为了进一步安全且低成本的了解自动装配过程，我们可以将自动化装配生产线工作站模型导入到虚拟仿真软件中，进行一系列的编程，将生产过程完美的呈现在软件中。自动化生产线实现了无需人工操作，提高了生产效率、安全系数、降低了成本。已然成为工业发展的必经之路。人工装配往往在长时间内重复单纯、强度比较大的工作，而机器人自动化装配能够保证产品质量，提高生产率，降低成本，改善劳动条件。基于DELMIA的机器人装配工作站仿真设计，将生产过程在软件中呈现，可以大大减少设备的损坏，降低操作者的风险，使操作者可以更放心的模拟生产过程，找出其中的错误。在教学上也会更加方便，更加安全。1.2国内外研究现状国内：自动生产线是由工件传送系统和控制系统，将一组自动机床和辅助设备按照工艺顺序联结起来，自动完成产品全部或部分制造过程的生产系统，简称自动线。目前，我国能够生产完整的自动化生产线产品企业数量很少，天奇物流系统工程股份有限公司、三丰智能输送装备股份有限公司等是我国自动化生产线产品龙头企业。我国自动装配技术起步的比较晚，现在已经取得了一定的成果。在现在制造业中，20%的工作量是装配，有些产品的装配工作量甚至可以占到整个生产过程的70%左右，同时，在现实的机械制造过程中，有些企业仍然采用手工劳动的方式来完成产品的装配。近年来，国内外许多大中型企业都装备了自动化加工设备和计算机辅助设备与系统。比如：RobotArt、RobotMaster、Robotworks、ROBCAD、DELMIA、RobotStudio、Robomove。这些设备与系统为计算机编程技术的推广提供了基本的条件，使离线编程的实用化成为研究的重点。国外：目前，国外已大量应用机器人技术，机器人自动化生产线成套装备已成为自动化成套装备的主流以及未来自动化生产线的发展方向。国外汽车行业、电子和电器行业、物流与仓储行业（企业级）等已大量使用机器人自动化生产线，从而保证了其产品的质量和生产的高效。当前，国外将机器人自动化生产线成套装备的共性技术作为重点开发内容。国外从20世纪50年代开始发展装配自动化，现在技术已经相当成熟，国外已将自动化装配应用到各个行业中，实现了高效率。国外的虚拟仿真软件相对于我国来说起步比较早，下面是国外的各个软件：Robotworks是来自以色列的机器人离线编程仿真软件，ROBCAD是西门子旗下的软件,DELMIA是达索旗下的CAM软件,Robomove来自意大利。2.自动化生产线功能介绍自动化生产线是能实现产品生产过程自动化的一种机器体系，通过采用一套能自动进行检测、上下料、视觉分拣、装卸、运输的设备，组成高度连续的、完全自动化的生产线，来实现产品的生产。自动化生产线在大批量生产中更能突显出它的作用，提高劳动生产率，提高产品质量，提高安全系数，改善劳动条件，减少生产成本，缩小生产占地面积，有显著的经济效益。自动化生产线在没有人干预的工作环境下，按照人工编程的程序进行一系列的工作，其目标是“快”，“准”，“稳”。自动化生产线应用于工业、农业、军事、科学研究、交通运输、医疗等领域。已经成为了社会发展的必经之路。图1自动化生产线我们可以用流程图来了解整个生产线的运行：工件在自动上下料 工件进入视觉分拣 工件进入自动化装配工作站进行加工 工作站进行分拣 工作站进行装配3.自动化装配工作站功能介绍自动化装配生产线由传送带、机器人、给料盘、控制柜组成。装配工作站的功能：将给料盘内的工件装配到已经加工的工件上。传统人工装配占用的手工劳动量大，装配费用高，装配的生产率低。而自动化装配可以完成大量且复杂的装配操作，实现机器人自动化装配，够大大提高生产效率，降低成本，保障安全。如图2：图2装配站示意图工件进入传送带 扫码器扫描记录 工件到达指定位置 工件进入下一道工序 机器人从给料盘抓取工件进行装配第一步：工件进入传送带，在工件经过传感器时，传感器发出信号，装配机器人接收到信号，做好装配准备。第二步：工件到达扫码器的扫描位置，扫码器自动进行扫描，将工件的信息记录在数据控制器。第三步：工件即将到达指定装配位置，经过传感器，传感器发出信号，装配机器人和气缸接受到信号，气缸打开，将工件阻拦在指定装配位置。第四步：机器人接受到传感器传出的信号，随后机器人抓取旁边料盘的工件，料盘上的传感器接收到工件被抓取的信号，料盘顺时针旋转30°，同时机器人将在料盘抓取的工件与传送带上的工件进行装配。装配完成后，传感器发出信号，气缸关闭，工件进入到下一道工序。4.自动化装配站结构组成自动化装配站主要由机器人、给料盘、控制柜、传送带四大部分组成，要想实现工作站的自动装配，还需要末端执行器、传感器、气缸、电机等。5.传送带的分析5.1传送带的选型传送带根据工作原理不同分为摩擦型和啮合型两种类型，啮合型一般也称为同步带。摩擦型根据挠性带界面形状的不同，可以分为平带传动、V带传动、多楔带传动、圆带传动等形式。平带传动：截面形状为矩形，与带轮轮面接触的内表面为工作面，平带的挠性较好，制造也比较方便，适用于两轴平行、转向相同的较远距离的传动。广泛应用于高速传动，或中心距较大等场合。考虑到生产成本和各方面的因素，我们选择了平带传动。5.2传送带受力分析我们可以定重物的重量为M=30kg，在主动轮未工作之前，传动带的任何一个截面上受一个相同的初拉力F图3拉力示意图在工作时，主动轮转动，在带与带轮接触面产生出摩擦力，带的两边不再受相同的初拉力，一边被拉紧伸长，拉力由F0增大为F1，称为紧边拉力。一边被放松，拉力由F0图4F1、F2示意图而F2F2摩擦系数表如下：表2摩擦系数表材料名称静摩擦系数动摩擦系数无润滑有润滑无润滑有润滑钢-钢0.150.1～5～0.1钢-软钢0.20.1～0.2钢-铸铁5～0.15钢-青铜0.150.15～0.180.1～0.15软钢-铸铁5～0.15软钢-青铜7～0.15铸铁-铸铁7～0.12铸铁-青铜0.15～0.20.07～0.15青铜-青铜7～0.1皮革-铸铁0.3～0.15传送带材料属于皮革，所以选用了0.5的摩擦系数，那么由公式（1）可得：F在带和带轮表面产生一个摩擦力，这个摩擦力也是带传动的有效拉力：Ff可以认为，紧边的伸长量和松边的收缩量相同，那么：F2由公式（3）和公式（2）可以得出：F1有效拉力F（N）和带传动的功率P(KW)、带速v（m/s）之间的关系为：F=1000P/v（5）带速一定时，有效拉力F和功率P成正比例关系，但是由公式（2）可知有效拉力就是摩擦力，摩擦力终究会出现一个极限值，那么这个时候就有相对应的最大有效拉力Fmax，当F超过了Fmax时，会出现打滑现象。Fmax和初拉力FF1我们在前面已经知道了F2、μ，因为我们是平带传动，没有倾斜角度，所以α1F由公式（2）可以算出：F=F将公式（6）带入到公式（4）中，得到：Fmax由公式（3）可以算出：F由公式（7）可以算出：F由于97.5N＜134.3N，所以传送带符合力学。通常，我们都想最大限度提高有效拉力，我们根据公式（6）可以得到以下三个方法：（1）增大初拉力F（2）增大包角α1（3）摩擦系数越大，也有助于提高F图5传送带5.3电机的选择由传送带受力分析可以知道传送带的工作拉力为150N，设定传送带的速度为0.25m/s、卷筒直径为70mm。5.3.1选择依据功率P、转速n5.3.2确定运输机功率传送带的功率P（8）由公式（8）可得：P已知：F=150N、V=0.25m/s。确定电机功率电机所需功率：Pd总效率：η=η效率表如下：表3机械传动效率概略值类别传动效率蜗杆传动自锁0.40～0.45单头0.70～0.75双头0.75～0.82三头和四头0.80～0.92带传动平带0.95～0.98V带0.94～0.97链传动闭式：0.94～0.97开式：0.90～0.93由表中我们可以知道：平带效率：η1=0.95、滚子链传动效率：由公式（10）可以得到：η由公式（9）可以得到：P5.3.3确定转速υ=已知：D=70mm、v=0.25m/s。由公式（11）可以计算出：nw电机的转速：nd传动比如表4：表4常用机械传动的单级传动比类型V带传动平带传动圆柱齿轮传动圆锥齿轮传动蜗杆传动链传动推荐值2～42～43～6直齿2～310～402～5最大值5710直齿6807可以从表中知道平带传动、链传动的传动比分别为2～4、2～5i总由公式（13）可以算出：i那么可算出转速范围：nd所以我们可以选100YT200GV22的电机。图8100YT200GV22调速电机100YT200GV22内装失电电磁制动器，配套调速器，可以实现闭环速度控制。调速范围广，可以实现缓慢加速、缓慢减速以及快速停止。他的参数表如下：表5电机参数型号100YT200GV22最大输出功率（W）200电压（V）单相220电流（A）1.45频率（hz）50调速范围（r/min）90-1400起动转矩（N·m）1.00额定转矩（N·m）1.45运行电容10μF/450V6.传感器的选择6.1传感器的发展传感器在工业农业、科学研究、日常生活、军事等方面发挥着至关重要的作用。人们的应用需求和生活需求对传感器技术也有了更高的要求，随之，传感器技术也发展得越来越好。传感器的发展趋势主要在这六个方面：1.提高并改良传感器技术。2.开展理论研究，探索新原理、开发新材料。3.传感器的集成化。4.传感器的智能化。5.传感器的网络化。6.传感器的微型化。传感器也被人们称为位于研究对象与测控系统之间的接口位置，是感知、获取与检测信息的窗口。6.2传感器的分类和选用传感器按原理分类通常分为电阻式传感器、电感式传感器、电容式传感器、压电式传感器、磁敏式传感器、热电式传感器和光电式传感器。电阻式传感器是将被测量的变化转化为传感器电阻值的变化，再经过一定的测量电路实现对测量结果的输出。结构简单、价格便宜、寿命长。但是信号较弱，一般应用于自动检测场合。电感式传感器把输入的物理量转换为线圈额自感系数和互感系数的变化，通过检测电路将自感和互感系数的变化转化为电压或电流的变化，将非电量转为电信号。电感式传感器无活动触电，因而工作可靠，使用寿命长。灵敏度和分辨率高。重复性好。在一定范围内线性度好。频率响应较低，快速动态场合不适用。必须经过转换电路，才能输出电量。电容式传感器利用将非电量的变化转换为电容量的变化来实现对目标的测量。电容式传感器具有结构简单、体积小、分辨率高、动态响应好、温度稳定性好等优点，但负载能力差、比较容易受到外界干扰。一般应用于位移、振动等的测量。压电式传感器是一种自发电式传感器，他是以某些晶体受力后在其表面产生电荷的压电效应为转换原理的传感器。它的优点是灵敏度高、信噪比高、结构简单、工作可靠和重量轻等。缺点是某些压电材料需要防潮措施，而且输出的直流响应差。它广泛应用于工程力学、生物医学、电声学等技术领域。磁敏式传感器对磁场参量敏感、通过磁电作用将被测量转化为电信号的器件或装置。电路相对来说比较简单、性能稳定，它具有双向装换特性，既能把运动信号转换为电信号也能把电信号转换为运动信号，主要用来测恒磁式角速度。热电式传感器是一种将温度变化转化为电量变化的元件。他电阻温度系数小、导电率高、材料复制性好、制造简单、热电性质稳定、热电势大。光电式传感器也称为光敏传感器，利用光电器件把光信号转化为电信号。：检测距离长，对检测物体的限制少，响应时间短，可实现非接触的检测，可进行颜色判别，方便调整。

优点：价格便宜，使用寿命长。通过对以上的了解，综合各个优缺点，结合生产成本，考虑现实情况和性价比，我们最终选择了光电式传感器。图10光电式传感器7.气缸选型7.1气缸运动原理引导活塞在缸体内进行直线往复运动的圆筒形金属元件。空气在发动机气缸中通过膨胀将热能转换为机械能，气体在压缩机气缸中接受活塞压缩从而提高压力。从而实现工作。7.2气缸的分类普通气缸的结构如图11，主要由前盖、后盖、活塞、活塞杆、缸筒和一些其他零件组成。图11普通气缸结构图1—组合防尘圈；—前端盖；3—轴用YX密封圈；4—活塞杆；5—缸筒；6—活塞；7—孔用YX密封圈；8—缓冲调节阀；9—后端盖本次毕业设计需要直线往复运动的气缸。能直线往复运动的气缸气缸一般分为单作用气缸、双作用气缸、膜片式气缸和冲击式缸四大类。他们的特点如下：单作用气缸：只有一端有气缸，从活塞杆一边进行聚能从而产生气压，气压会推出活塞杆。双作用气缸：从活塞两边交叉供气聚能，从一侧或者两侧输出力。膜片式气缸：在一根活塞杆上串联多个活塞，因为各个活塞的有效面积总和比较大，所以大大增加了输出推力。冲击式气缸：利用突然大量供气和快速排使活塞杆快速冲击运动，一般用于冲孔。我们可以根据现场需求以及考虑各个因素，选用单作用气缸。单作用气缸又分为了以下几种：柱塞式气缸：压缩空气驱动柱塞向一个方向运动，使用外力进行复位。输出力比较小，稳定性好，主要用于小直径气缸。活塞式气缸：压缩空气使活塞向一个方向运动，借助弹簧力复位，结构简单，耗气量也小，输出力和驱动距离成正比关系。适用于比较短的行程。薄膜式气缸：以膜片代替活塞的气缸，弹簧力复位，结构简单，密封性良好，缸体不需要进行加工。但是仅仅只适用于短行程。考虑各个因素以及各个气缸的特点，我们选用柱塞式气缸最为合适。图12柱塞式气缸实物图8.虚拟仿真8.1虚拟仿真工作站虚拟仿真是在电脑上虚拟出工作的情形，可以降低直接实际操作损坏机器的风险。虚拟仿真装配工作站如图13：图13虚拟仿真中的装配工作站8.2虚拟仿真步骤我们可以用流程图来表示出仿真的步骤：创建机械装置 建立信号 编程8.2.1创建机械装置创建机械装置是为了后面的信号建立做铺垫，创建机械装置可以手动操纵气缸、卡爪和料盘的运动，设置运动的范围以及定义打开和关闭的姿态。气缸的机械装置图如下：图14气缸机械装置图给料盘机械装置图如下：图15给料盘机械装置图卡爪机械装置图如下：图16卡爪机械装置图8.2.2信号的建立卡爪的信号设计图如下：图17卡爪信号设计图 这个信号是控制卡爪的打开和关闭。卡爪I/O信号表如下：表6卡爪I/O信号表名称信号类型值di2DigitalInput0卡爪I/O连接表如下：表7卡爪I/O连接表源对象源信号目标对象目标信号或属性SmartCompent_1di2LogicGate_2[NOT]InputALogicGate_2[NOT]OutputPoseMover_5[close]ExecuteSmartCompent_1di2PoseMover_4[open]Execute气缸的信号设计图如下：图18气缸信号设计图这个信号是控制气缸的打开和关闭的。气缸I/O信号如下：表8气缸I/O信号表名称信号类型值di1DigitalInput0气缸I/O信号连接表如下：表9气缸I/O信号连接表源对象源信号目标对象目标信号或属性SmartCompent_2di1PoseMover_2[open]ExecuteSmartCompent_2di1PoseMover[open]ExecuteSmartCompent_2di1LogicSRLatchSetLogicSRLatchOutputPlaneSensorActivePlaneSensorSensorOutLogicGate[NOT]InputALogicGate[NOT]OutputLinearMoverExecuteSmartCompent_2di1LogicGate[NOT]InputALogicGate[NOT]OutputLogicSRLatchResetLogicGate[NOT]OutputPoseMover_4[close]ExecuteLogicGate[NOT]OutputPoseMover_5[close]Execute给料盘的信号设计图如下：图19给料盘信号设计图这个信号是控制给料盘旋转的。给料盘I/O信号如下：表10给料盘I/O信号表名称信号类型值di3DigitalInput0给料盘I/O信号连接表如下：表11给料盘I/O信号连接表源对象源信号目标对象目标信号或属性SmartCompent_5di3PoseMover[30]ExecuteSmartCompent_5di3LogicGate[NOT]InputALogicGate[NOT]OutputPoseMover[HomePose]Execute工件的抓取和释放信号设计图如下：图20抓取和释放信号设计图这个信号是控制工件的抓取和释放的。工件抓取和释放I/O信号表如下：表12工件抓取和释放I/O信号表名称信号类型值diDigitalInput0doDigitalOutput0工件抓取和释放I/O信号连接表如下：表13工件抓取和释放I/O信号连接表源对象源信号目标对象目标信号或属性SmartCompent_3diLineSenorActiveLineSenorSenorOutAttacherExecuteSmartCompent_3diLogicGate[NOT]InputALogicGate[NOT]OutputDetacherExecuteAttacherExecuteLogicSRLatchSetDetacherExecuteLogicSRLatchResetLogicSRLatchOutputSmartCompent_3do工件抓取和释放属性连接表如下：表14工件抓取和释放属性连接表源对象源属性目标对象目标属性或信号LineSenorSensedPartAttacherChildAttacherChildDetacherChild整个工作站信号设计图如下：图21工作站逻辑信号设计这个信号是控制工作站的。工作站I/O信号连接表如下：表15工作站I/O信号连接表源对象源信号目标对象目标信号或属性System1do1SmartCompent_3diSmartCompent_3doSystem1di1System1do2SmartCompent_2di1System1do3SmartCompent_1di2System1do4SmartCompent_5di38.2.3编程MODULEMainModule VARrobtargetp10:=[[47.44,675.37,758.60],[0.340942,-0.633463,-0.590529,-0.36573],[0,0,0,0],[9E+9,9E+9,9E+9,9E+9,9E+9,9E+9]]; VARrobtargetp20:=[[37.80,538.14,662.74],[0.431582,-0.566306,-0.527923,-0.46296],[0,0,0,1],[9E+9,9E+9,9E+9,9E+9,9E+9,9E+9]]; VARrobtargetp30:=[[38.55,548.86,640.74],[0.452267,-0.547416,-0.510314,-0.485149],[0,0,0,1],[9E+9,9E+9,9E+9,9E+9,9E+9,9E+9]]; VARrobtargetp40:=[[-3.31,711.73,877.32],[0.489717,-0.509973,-0.512347,-0.487448],[1,0,0,0],[9E+9,9E+9,9E+9,9E+9,9E+9,9E+9]]; VARrobtargetp50:=[[695.62,150.59,877.32],[0.0735151,-0.718789,-0.0769123,-0.687039],[0,0,0,0],[9E+9,9E+9,9E+9,9E+9,9E+9,9E+9]]; VARrobtargetp60:=[[686.51,148.62,680.21],[0.0736794,-0.717318,-0.0767549,-0.688575],[0,0,0,1],[9E+9,9E+9,9E+9,9E+9,9E+9,9E+9]]; VARrobtargetp70:=[[696.94,150.88,651.91],[0.0721305,-0.730938,-0.0782123,-0.6741],[0,0,0,1],[9E+9,9E+9,9E+9,9E+9,9E+9,9E+9]]; VARrobtargetp80:=[[727.44,157.48,793.63],[0.0761755,-0.694172,-0.0742783,-0.711902],[0,0,0,1],[9E+9,9E+9,9E+9,9E+9,9E+9,9E+9]]; VARrobtargetp90:=[[718.59,206.20,831.10],[0.0997821,-0.690801,-0.0971515,-0.709506],[0,0,-1,1],[9E+9,9E+9,9E+9,9E+9,9E+9,9E+9]]; PROCmain() WHILETRUEDO Routine1; ENDWHILE ENDPROC PROCRoutine1() Setdo2;(工件运动，气缸打开) MoveJp10,v100,z50,kazhua_1; MoveJp20,v100,z50,kazhua_1; Setdo3;（卡爪打开） MoveJp30,v100,z50,kazhua_1; Resetdo3;（卡爪关闭） Setdo1;（抓取工件） MoveJp40,v100,z50,kazhua_1; Setdo4;（给料盘旋转） MoveJp50,v100,z50,kazhua_1; MoveJp60,v100,z50,kazhua_1; MoveJp70,v100,z50,kazhua_1; Setdo3;（卡爪打开） Resetdo1;（释放工件） MoveJp80,v100,z50,kazhua_1; Resetdo3;（卡爪关闭） Resetdo2;（工件运动，气缸关闭） MoveJp90,v30,z50,kazhua_1; ENDPROCENDMODULE总结2019年11月，我的毕业设计和毕业论文开始了，最开始一头雾水，非常茫然，在张涛老师的耐心指导下慢慢的摸索有了方向，在完成毕业设计和论文的过程中，也碰到了许多的麻烦和困难，比如软件有些功能不太熟悉，需要花时间去熟悉，有些地方不知道怎么操作，在我们上网和张涛老师的帮助下，我们最终解决了问题，刚开始写论文的时候也是一头雾水，没有思路，不知道该从哪里开始写，张涛老师在办公室给我们梳理了一下午的思路和细节，我们豁然开朗，有了很清