基于实训室数控机床上下料机器人工作站仿真设计.pdf

2目 录一、设计的背景和意义.1(一)设计的背景.1（二）设计的意义.1二、设计方案的论证和确定.2(一)设计要求分析.2（二）设计方案的确定.2三、设计过程.2（一）设计原理.2（二）机器人的选型和 3D 模型设计.3（三）工作站布局.6（四）信号连接.7（四）程序设计.11四、工作站运行与调试.18五、毕业设计总结.20六、参考文献.21七、致谢.221基于实训室数控机床上下料机器人工作站基于实训室数控机床上下料机器人工作站仿真设计仿真设计一、设计的背景和意义(一)设计的背景随着技术的发展，机床行业日趋自动化、智能化。以工业机器人来执行危险度与重复性较高的工作，不仅可以解放人力，提升效率及产能，更能够实现与机床的完美配合，进而提升加工品质。正因为此，机床自动上下料机器人也收到越来越多企业的青睐。机床自动上下料机器人是加工中心上下料环节取代人工完成工件的自动装卸功能，可以替代人工实现镗铣加工单元的生产线上的立式、卧式、龙门加工中心、数控镗铣床在加工过程中工件搬运、取件、装卸等上下料作业，以及工件翻转和工序转换。主要适用对象为大批量、小型零部件的加工、重复性强或是工件重量较大以及工作环境具有高温、高压、多粉尘、易燃、易爆、放射性等恶劣环境中使用.具有定位经确、生产质量稳定、减少机床及刀具损耗、工作节拍可调、运行平稳可靠、维修方便等特点。工业机器人能替代目前越来越昂贵的劳动力，同时能提升工作效率和产品品质。可以长期工作，可以工作于有毒有害的场合，机器人具有执行各种任务特别是高危任务的能力，平均故障间隔期达 60000 小时以上，比传统的自动化工艺更加先进。工业机器人是面向工业领域的多关节机械手或多自由度的机器装置，它能自动执行工作，是靠自身动力和控制能力来实现各种功能的一种机器。它可以接受人类指挥，也可以按照预先编写好的程序运行，现代的工业机器人还可以根据人工智能技术制定的原则纲领行动。（二）设计的意义数控机床上下料机器人工作站，可以实现所有工艺过程的工件自动抓取、上料、下料、装卡等，能够节约人工成本，提高生产效率。特别适用于大批量、小型零部件的加工，如汽车变速箱齿轮、轴承套(座)、刹车盘、金属冲压结构件等。这项设计可以解决学校设备不足的问题。基于学校实训室，有利于学生对于工业机器人技术与数控机床的认识，有利于学校培养培育出更优秀的专业人才，有利于学生的专业技能能力的提高，及专业素质的提高，为以后就业打好基础，为社会输入高素质的人才。2二、设计方案的论证和确定(一)设计要求分析设计要求：1.设计出机床、吸盘装配体、传输带、成品架和装配零件；2.设计出基于实训室数控机床上下料机器人工作站；3.设计出所需要的 smart组件；4.使用 RobotStudio 软件实现上下料机器人工作仿真效果。分析：使用 SOLIDWORKS软件设计出数控机床、传输带、吸盘装配体、成品架和装配零件等模型，使用 RobotStudio 软件把设计出的吸盘装配体、机床、成品架及装配零件导入工作站中，根据需求搭建好工作站，然后创建出相应的smart 组件，再通过示教器完成程序的设计，最终实现工作站工作运行的仿真效果。（二）设计方案的确定1.首先我们要创建出传送带的 smart 组件、吸盘 smart 组件并于机器人关联起来并能在程序中调用出来。2.配置好相应的 I/O 信号。3.使用 smart 组件使零件可以在传输带上可以无限制的复制出来。4.当零件从传送带出来到达相应的位置，由传感器感应到，并反馈给机器人，然后机器人在调用上下料的程序做出相应的动作。5.当上下料结束后，调用放置程序将装配好的工件放在成品架上。6.整个程序可以循环工作。三、设计过程（一）设计原理图 1 工作站工作原理图3工作站工作原理：通过组件模拟实现传送带的运动控制，使工件不断从供料装置起始位置传送出工件，传输带将工件输送到待抓区域，在输送过程中零件接触到传感器将其信号传输给机器人；执行示教器编写程序控制机器人进行抓取完成上料动作，当零件到达机床先完成机床加工，待加工完成后机器人执行下料程序，机器人将成品放在成品架上，这样根据设计要求不断循环执行程序，控制机器人完成所有工作任务。（二）机器人的选型和 3D 模型设计表 1 工作站主要组成工作站组成数量型号说明机器人1IRB6650S完成工件上下料任务吸盘1XP001吸取工具工件1GJ1被加工的工件机床1KDX800L工件加工设备成品架1CPJ111放置成品传输带1ZSD11运输工件1、机器人（1）机器人工作范围图 2 IRB6650 机器人工作范围4（2）机器人的选项及特点IRB 6650S 是大功率机器人系列中的一种支架安装型机器人，具有独特的工作空间。IRB 6650S 机器人可作垂直或水平直线运动，向前和向下的到达距离也有所增加，使得这种机器人具有非常广的应用范围。特点：A.可靠性强正常运行时间长；B.安全性高安全的投资；C.速度快操作周期时间短；D.精度高零件生产质量稳定；E.功率大适用范围广；F.坚固耐用适合恶劣生产环境；G.通用性柔性化集成和生产。2、吸盘图 3 吸盘工具宽 400mm，长 600mm 的长方体吸盘，用来吸取零件，不会出现零件脱落的现象，将吸盘移动到要吸附工件的上方示教出吸点进行吸取。3、数控机床图 4 数控机床5长 2500mm，宽 1600 的长方体，进行零件加工的主要设备。4、传输带图 5传输带5、成品架图 6 成品架6成品架是一个三架层高，每层有三个空间，长 2300mm，宽 500mm，高 1200mm专门放置装配成品的地方。6、工件图 7 加工零件工件为长方体，一个长 600mm，宽 500mm，高 1500mm。（三）工作站布局1、工作站平面示意图图 8 工作站布局示意图工作站示意图前右侧为供料区，是用来运输零件的场所，等待零件被传感器检测，传感器检测到零件，零件被抓取放到装配台凹槽上。7工作站前左侧为成品架和装配台，该区域进行装配零件与成品工件放置的地方，是核心位置。工作站中心位置为工业机器人，该位置是启动和执行程序的地方。2、工作站实际效果图图 9 工作站效果图（四）信号连接1、smart 组件图 10 传输带 smat 组件8图 11 吸盘 smat 组件图 12 工件复制 smart 创建图source 为了要复制对象物料 1 就是零件也就是我们需要复制的对象每当我们触发一次 source 执行流水线上就会生成一个零件的复制品。图 13运动属性创建图9将复制出来的工件以直线的运动方式，在流水线上运行并且运动的方向为 y轴的负方向-1000mm，运行速度为 300mm/s,将 Execute 设置为 1，则该运动为一直运动的状态。图 14队列排序创建图Queue 可以将复制出的工件做队列处理，这样就工件就能一排一排的向抓取区域过来。图 15 虚拟传感器创建图当复制出来的工件接触到虚拟传感器时，SensorOut 会有一个输出信号来告10诉我们零件已经到达抓取区域，这样我们就可以触发其他的程序运行。表 2 工件动态流水线 smart 组件属性结构表建立连接 source 的复制对象为进入为 Queue 阵列对象。表 3 工件动态流水线 smart 组件 I/O 表建立信号 di kaishi，信号类型为 DigitalInput 的输入信号，初始值为 0，当 dikaishi 信号置为 1 时开始生成零件。建立信号 do jieshu，信号类型为 DigitalOnput 的输入信号，初始值为 0，当工件到达虚拟传感器时 do jieshu 置为 1。表 4工件动态流水线 smart 组件 I/O 连接表具体流程如下：当信号 di kaisshi 为 1 时，Source 变为激活，复制出一个零件的总体，复制完成后将零件总体变为阵列的目标，一旦进入阵列就将阵列的零件往一个方向移动。当碰到面与面虚拟传感器，面与面相交的传感器SensorOut 信号输出为 1 时，将零件推出阵列这个组件。同时连接一个取反信号，当面与面传感器信号消失，取反信号变为一，这样只要复制出的零件被夹走，供料装置上就会再次生成一个零件总体。如上图 3 所示圆柱部分就是吸盘的传感器，当有工件接触到传感器SensorOut 会有信号显示。11表 5 吸盘 smart 的属性连接表吸盘传感器检测到的工件就是吸盘安装组件的子对象，吸盘安装的子对象就是吸盘拆除组件的子对象。表 6 吸盘 smart 的 I/O 信号表建立信号 di kx，信号类型为 DigitalInput 的输入信号，初始值为 0，当 di kx 信号置为 1 时吸盘吸紧。建立信号 do xhl，信号类型为 DigitalOutput 的输入信号，初始值为 0，当工件到达虚拟传感器时 do xhl 置为 1。表 7 吸盘 smart 的 I/O 连接表具体流程如下：当信号 di kx 为 1 时，Source 变为激活，复制出一个零件的总体，复制完成后将零件总体变为阵列的目标，一旦进入阵列就将阵列的部件往一个方向移动。当碰到面与面虚拟传感器，面与面相交的传感器 SensorOut 信号输出为 1 时，将零件推出阵列这个组件。同时连接一个取反信号，当面与面传感器信号消失，取反信号变为一，这样只要复制出的零件被吸走，供料装置上就会再次生成一个零件总体。（四）程序设计1、流程图12图 16 程序流程图设计2、程序（1）第一次编写MODULE Module1VAR robtargetpxi:=2472.10,205.59,1143.94,0.025907,-0.00410071,0.999652,-0.00265075,0,-1,0,0,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09;VAR robtargetpfgd:=1908.66,1950.60,2016.74,0.0241256,0.276231,0.960738,-0.00980537,0,-1,0,0,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09;VAR robtargetpfgd10:=-11.21,3738.70,1308.00,0.038168,-0.0112808,0.999202,0.00323167,1,-1,0,0,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09;VAR robtargetpf:=-66.73,3725.75,1309.56,0.0492705,0.00720145,0.998759,-0.00035133253,1,-1,1,0,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09;VAR robtargetpf10:=-11.21,3738.70,1308.00,0.038168,-0.0112808,0.999202,0.00323167,1,-1,0,0,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09;VAR robtargetpf20:=-11.21,1939.99,1518.31,0.0381678,-0.0112808,0.999202,0.00323174,1,-1,0,0,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09;CONST robtargetpyuan:=2815.21,0.00,2010.00,0.5,0,0.866025,0,0,0,0,0,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09;CONST robtargetpfhg:=1495.90,-1368.73,1828.42,0.00658714,0.934951,0.35382,-0.0251948,-1,-1,1,0,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09;CONST robtargetpfhg10:=730.70,-3076.78,1153.73,0.0300187,6.43679E-07,0.999549,-7.81589E-07,-1,0,-1,0,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09;VAR robtargetpfh:=822.21,-3013.53,970.71,0.0259069,-0.0040994,0.999652,-0.002651,-1,0,-1,0,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09;VAR num js:=0;VAR robtargetpfgd20:=84.39,1984.28,2016.74,0.0258749,0.00748078,0.999633,-0.00295054,0,-1,0,0,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09;VAR robtargetpfgd30:=-255.05,2288.85,1683.94,0.025875,0.00748094,0.999633,-0.00295137,1,-1,1,0,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09;CONST robtargetpfhg20:=1949.80,-1662.06,1655.47,0.00152331,0.98615,0.163799,-0.0259968,-1,-1,1,0,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09;VAR robtargetpf30:=1949.80,-1662.06,1655.47,0.00152331,0.98615,0.163799,-0.0259968,-1,-1,1,0,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09;VAR robtarget14pf40:=751.79,2146.17,1281.38,0.00152385,0.98615,0.1638,-0.0259956,0,0,2,0,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09;CONST robtargetpgd1:=1218.79,-1584.37,1833.79,0.477745,0.364825,0.754059,-0.264684,-1,-1,0,0,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09;CONST robtargetpgd11:=482.15,-2178.98,1286.20,0.00858775,-0.128889,0.891006,-0.435226,-1,-1,-1,0,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09;CONST robtargetpg:=141.03,-1963.29,1658.67,0.303473,0.487403,0.798757,-0.179804,-1,0,-1,0,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09,9E+09;VAR 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DIV 3*675),v1000,fine,tool0;MoveL Offs(pfh,js MOD 3*(-700),0,js DIV 3*675),v1000,fine,tool0;16WaitTime 1;Reset do1;WaitTime 1;MoveJ Offs(pfh,js MOD 3*(-700),800,js DIV 3*675),v1000,fine,tool0;js:=js+1;ENDPROCPROC rc()js:=0;Reset do1;Reset do0;MoveJ pyuan,v1000,z150,tool0;ENDPROCENDMODULE（2）第二次编写PROC main()rc;WHILE js=9 THENrc;Stop;ENDIFENDPROCPROC rfan()MoveJ pfgd,v1000,z50,tool0;MoveJ pfgd20,v1000,z50,tool0;MoveJ pfgd30,v1000,z50,tool0;MoveJ pfgd40,v1000,z50,tool0;MoveL Offs(pf,0,0,-150),v1000,fine,tool0;17WaitTime 1;Reset do1;WaitTime 1;MoveJ pfgd40,v1000,z50,tool0;MoveJ Offs(pf,-200,-1500,0),v1000,fine,tool0;WaitTime 10;MoveL Offs(pf,0,0,-150),v1000,fine,tool0;WaitTime 1;Set do1;WaitTime 1;MoveJ pfgd40,v1000,z50,tool0;MoveJ pfgd30,v1000,z50,tool0;MoveJ Offs(pf,-200,-1500,0),v1000,fine,tool0;MoveJ Offs(pf,0,-1500,1000),v1000,z50,tool0;MoveJ pyuan,v1000,fine,tool0;ENDPROCPROC rxi()MoveJ Offs(pxi,0,0,100),v1000,fine,tool0;MoveL Offs(pxi,0,0,-150),v1000,fine,tool0;if js=0 thenWaitTime 6;ELSEWaitTime 0.5;ENDIFSet do1;WaitTime 1;MoveJ Offs(pxi,0,0,100),v1000,z50,tool0;ENDPROCPROC rfanhuo()MoveJ pg,v1000,fine,tool0;MoveL Offs(pfh,js MOD 3*(-700),500,js DIV 3*675),v1000,fine,tool0;MoveL Offs(pfh,js MOD 3*(-700),0,js DIV 3*675),v1000,fine,18tool0;WaitTime 1;Reset do1;WaitTime 1;MoveJ Offs(pfh,js MOD 3*(-700),800,js DIV 3*675),v1000,fine,tool0;js:=js+1;ENDPROCPROC rc()js:=0;Reset do1;Reset do0;MoveJ pyuan,v1000,z150,tool0;ENDPROCENDMODULE四、工作站运行与调试（一）调试与运行图 17 取工件19图 18 上料图 19 下料后再取工件（二）系统制作过程中出现的问题及解决方法1.在创建输送链 smart 时，复制不出来工件，如图 12 所示逐一排查最终发现是 smart 组件的复制没有创建好，经过重新创建就没有出20现问题。2.在关联 smart 时出现关联上没反应现象在经过自己的网上搜索资料，查看书籍之后反复尝试终于解决这个问题。五、毕业设计总结在大学剩余的日子中，仅仅剩下了毕业答辩，这么多年的学习生涯即将画上句号。在这次毕业设计中，不仅回顾了已经学习过的知识，还培养了我的自学与独立思考的能力。毕业设计可以看作是一次课程，但与传统的课程不同，不再是跟随老师的思维行事，也没有老师在身边一步步地指导和查错，而是需要我们独立地思考并考虑方案的可行性和具体的实施方案等。因为需要考虑的东西多，不仅要思考得更加细致、更加严格地要求自己还要有更加高效的执行力，因为这些不仅可以让我们做好毕业设计，更能使我们在日后的工作中表现得更加优秀和突出。社会是不断进步的，科学技术也是不断创新的，相应地对我们的要求也越来越高，我们要想跟上社会进步的脚步，就要不断地学习，不断的适应社会的需要，在走出校园之际，我明白了，只有坚持学习，才能走向成功。21六、参考文献1李洁.工业码垛机器人的机构设计与运动学分析J.南方农机,2019,50(06):136+144.2李洁.工业码垛机器人的机构设计与运动学分析J.南方农机,2019,50(06):136+144.3陈惠清.工业机器人下数控加工的应用与探索J.南方农机,2020,51(08):175+189.4秦旭.机床上下料自动化系统的电气设计J.南方农机,2020,51(04):145.5金爱民,王锦波,李翔,王啸.锻压机床上下料工业机器人P.安徽省：CN108907063B,2020-04-07.6何恒德.压铸机机器人自动上料系统设计J.现代制造技术与装备,2020(01):56-58.7宋星亮.一种全自动仓储货架上下料机器人P.浙江省：CN110900564A,2020-03-24.8沈晓斌,夏艳秋,李梅红.从学生实训要求出发推进智能制造柔性生产线的机床改造设计J.中国培训,2020(04):50-52.9亚晓丹.桁架式机床上下料机器人分析与改进设计D.东北大学,2014.10顾寄南,樊帆,关号兵,陈艳,沈巍.上下料机器人视觉控制系统的研究J.机械设计与制造,2013(08):149-151.22七、致谢毕业设计的完成，也标志这我的大学三年的结束，在这里我需要感谢的人有很多，首先我要感谢学校给了我一个学习知识、为人处世的平台，然后要感谢我的毕业设计指导老师，在这次的毕业设计中给我提供了很多的宝贵意见与建议，还有感谢各科的老师和辅导员，没有他们授予的知识我也完不成这次的设计，也对我踏入社会提供了生存技能和与人交往的能力，还要感谢我的同学、朋友们，他们在我完成毕业设计任务过程中提出了宝贵的意见。最后，我将牢记长职的校训“立德精技，尚学笃行”，满载着知识，走出校门。