机器人打磨工作站集成与调试
本文主要介绍了自动去毛刺系统以及六自由度机器人去毛刺的编程，可应用与当今工业各类汽车轮毂设备的去毛刺。根据自动去毛刺系统的设计和机器人编程设计两个方面，本课题可分为加工平台设计部分、控制系统规划部分、以及机器人编程三个部分进行设计和控制。首先，整体介绍加工工作站的设计方案，通过分析比较确定工作站的具体安排。其次，设计加工平台的运动控制系统，绘制出系统控制的梯形图，完成机械及电路的装配。最后，研究ABB工业机器人的编程原理，利用示教编程器Flexpendant和离线编程软件RobotStudio对机器人路径进行编程。同时，对汽车轮毂去毛刺工艺与轨迹进行研究，并对轮毂局部位置打磨进行编程举例。
Keywords: Industrial robot; Off line programming; Wheel hub; Path planning 目录
引言 1
一、机器人工作站控制系统设计 3
（一）汽车轮毂生产过程 3
（二）机器人工作站的组成和配置 4
（三）机器人的选型 5
（四）PLC控制器选型 7
（五） PLC工作程序及说明 7
二、机器人加工程序设计 9
（一）工业机器人的控制程序 9
（二）机器人的编程方式 9
（三）机器人去毛刺系统的工作程序 10
三、轮毂加工系统中力控制 15
（一）力控制方案设计 15
（二）力传感器的功能及其选型 16
（三）机器人加与力传感器的配合 17
（四）加工过程力控制的程序实现 18
总结 15
参考文献 16
谢辞 17
引 言
本系统的任务是使用一台工业机器人，再与相应的周边设备相配合，设计一套用于汽车轮毂去毛刺的自动化加工系统。其目标是在保证产品质量和生产效率的基础上减轻工人的劳动强度。 据了解，目前我国在汽车轮毂去毛刺生产中很多都采用熟练工人通过电、气动研磨工具手工进行抛光，如图2.1所示。人工去毛刺工作过程中工人的劳动强度大，加工效率低，每个熟练工人给一个轮毂去毛刺大概需要20分钟，轮毂的生产企业不得 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
不雇佣大量的劳动力专门用于轮毂的抛光加工，月产两万支轮毂的生产企业，在轮毂的去毛刺这道工序上就需雇佣约30个工人，而近两年出现的“用工荒”，使企业越来越难招到足够的加工工人。
本系统以月产两万支轮毂的生产企业为依据，按每月工作24天，每天三班工作制，每班工作8小时来算，本系统将生产的节拍要求确定为2分钟/个。
一、机器人工作站控制系统设计
汽车轮毂生产过程
汽车铝轮毂的最主要的生产工艺流程是：熔化→精炼→材料检验→低压铸造→X射线探伤→热处理→机械加工→动平衡检验→气密性检验→涂装，而轮毂的去毛刺加工工序属于其中的机械加工流程。在进入本系统加工流程之前，轮毂需先进行材料融化、精炼、低压铸造、热处理等主要加工流程：
① 熔化。根据客户的需求准备铝合金，如A356.2等；用油炉或者电炉熔化，如图2.2所示，铝液温度780～800℃左右。使用油炉的优点是投资少、能耗低，缺点是速度慢，金属烧损严重；而选用电炉 （中频炉）的优点是电磁搅拌成分与温度均匀，熔体暴露面小，熔化速度快，缺点是投资高、能耗大。
② 精炼。铝液到达一定温度后，添加AlTiB和AlSr变质剂进行变质处理，再用Ar气或者N2气除气。除气后对铝液进行化学分析和含气量分析，到达要求后倒入铸造机保温炉，保温炉中铝液温度一般为680～750℃左右。
③ 低压铸造。先用石油液化气对模具进行预热，预热温度为350℃左右，再将保温炉中铝液倒入模具中。冲型保压卸压过程是PLC控制的，过程参数没个厂家根据自身配方而定。模具的冷却一般有三种方法：一是空冷；二是水冷；三是复合（水、气）冷，冷却水量、水温等的调节也是根据各厂而定的。
图11 铸造生产现场 图12 铸造生产现场
④ 热处理。轮毂毛坯一般是在隧道式热处理炉中进行热处理，热处理过程可以分为以下几个步骤：温度528～535℃左右固熔处理；从固熔炉出来后在20秒内淬火，淬火介质为水，温度为70℃；淬火后的轮毂进行人工析出（人工时效），温度155～179℃左右，时间5小时左右；通过检查抗拉强度、延伸率、硬度和组织状态确认热处理的效果。
（二）机器人工作站的组成和配置
由于铝合金压铸汽车轮毂的生产特点，它通常是采用模具一次性压铸而成。产品的体积相对比较大，因此说模具也相对较大，另外因为铝合金溶液在模具中冷凝成固体，模具在轮毂的生产过程中需要不断地承受很大的温度变化和很大的压力。在目前的模具材料和模具加工生产水平下，生产出来的轮毂不可避免的会出现各种毛刺。除了一些毛刺是为了确保产品不会有气孔等而在模具设计时故意留的，另外一些则完是因为模具的加工水平或模具的使用一段时间后材料表面损坏而产生的。以下是梯级毛坯各个位置上的需要加工的的一些毛刺照片。
图13 轮毂毛刺照片1 图14 轮毂毛刺照片2
图15 轮毂毛刺照片3 图16 轮毂毛刺照片4
从上图汽车轮毂上的毛刺分布可以看出，本工作站需要对轮毂的大部分边缘进行去毛刺，因此本工作站除了工业机器人本体及机器人控制柜外还需要一个可以180°可控制旋转的工作台，另外本工作站还需要一个用于控制工作流程及用于力控制的PLC控制柜。本工作站的具体配置如下图。
图17 机器人工作站
（三）机器人的选型
机器人是机器人去毛刺工作站的核心,机器人应尽可能选用标准通用机器人。目前国内使用数量比较多的是德国的库卡机器人及欧洲ABB公司的机器人,经多方比较,最终决定采用ABB公司的IRB 4600系列机器人,其机器人控制器为IRC5,属于可编程示教再现式通用机器人。 IRB4600系列机器人是采用交流伺服电机驱动的6自由度通用型机器人，根据其有效载荷的大小可以分为四种不同型号，从IRB460060/2.05到IRB460020/2.50。
Keywords: Industrial robot; Off line programming; Wheel hub; Path planning 目录
引言 1
一、机器人工作站控制系统设计 3
（一）汽车轮毂生产过程 3
（二）机器人工作站的组成和配置 4
（三）机器人的选型 5
（四）PLC控制器选型 7
（五） PLC工作程序及说明 7
二、机器人加工程序设计 9
（一）工业机器人的控制程序 9
（二）机器人的编程方式 9
（三）机器人去毛刺系统的工作程序 10
三、轮毂加工系统中力控制 15
（一）力控制方案设计 15
（二）力传感器的功能及其选型 16
（三）机器人加与力传感器的配合 17
（四）加工过程力控制的程序实现 18
总结 15
参考文献 16
谢辞 17
引 言
本系统的任务是使用一台工业机器人，再与相应的周边设备相配合，设计一套用于汽车轮毂去毛刺的自动化加工系统。其目标是在保证产品质量和生产效率的基础上减轻工人的劳动强度。 据了解，目前我国在汽车轮毂去毛刺生产中很多都采用熟练工人通过电、气动研磨工具手工进行抛光，如图2.1所示。人工去毛刺工作过程中工人的劳动强度大，加工效率低，每个熟练工人给一个轮毂去毛刺大概需要20分钟，轮毂的生产企业不得 *好棒文|www.hbsrm.com +Q: @351916072@
不雇佣大量的劳动力专门用于轮毂的抛光加工，月产两万支轮毂的生产企业，在轮毂的去毛刺这道工序上就需雇佣约30个工人，而近两年出现的“用工荒”，使企业越来越难招到足够的加工工人。
本系统以月产两万支轮毂的生产企业为依据，按每月工作24天，每天三班工作制，每班工作8小时来算，本系统将生产的节拍要求确定为2分钟/个。
一、机器人工作站控制系统设计
汽车轮毂生产过程
汽车铝轮毂的最主要的生产工艺流程是：熔化→精炼→材料检验→低压铸造→X射线探伤→热处理→机械加工→动平衡检验→气密性检验→涂装，而轮毂的去毛刺加工工序属于其中的机械加工流程。在进入本系统加工流程之前，轮毂需先进行材料融化、精炼、低压铸造、热处理等主要加工流程：
① 熔化。根据客户的需求准备铝合金，如A356.2等；用油炉或者电炉熔化，如图2.2所示，铝液温度780～800℃左右。使用油炉的优点是投资少、能耗低，缺点是速度慢，金属烧损严重；而选用电炉 （中频炉）的优点是电磁搅拌成分与温度均匀，熔体暴露面小，熔化速度快，缺点是投资高、能耗大。
② 精炼。铝液到达一定温度后，添加AlTiB和AlSr变质剂进行变质处理，再用Ar气或者N2气除气。除气后对铝液进行化学分析和含气量分析，到达要求后倒入铸造机保温炉，保温炉中铝液温度一般为680～750℃左右。
③ 低压铸造。先用石油液化气对模具进行预热，预热温度为350℃左右，再将保温炉中铝液倒入模具中。冲型保压卸压过程是PLC控制的，过程参数没个厂家根据自身配方而定。模具的冷却一般有三种方法：一是空冷；二是水冷；三是复合（水、气）冷，冷却水量、水温等的调节也是根据各厂而定的。
图11 铸造生产现场 图12 铸造生产现场
④ 热处理。轮毂毛坯一般是在隧道式热处理炉中进行热处理，热处理过程可以分为以下几个步骤：温度528～535℃左右固熔处理；从固熔炉出来后在20秒内淬火，淬火介质为水，温度为70℃；淬火后的轮毂进行人工析出（人工时效），温度155～179℃左右，时间5小时左右；通过检查抗拉强度、延伸率、硬度和组织状态确认热处理的效果。
（二）机器人工作站的组成和配置
由于铝合金压铸汽车轮毂的生产特点，它通常是采用模具一次性压铸而成。产品的体积相对比较大，因此说模具也相对较大，另外因为铝合金溶液在模具中冷凝成固体，模具在轮毂的生产过程中需要不断地承受很大的温度变化和很大的压力。在目前的模具材料和模具加工生产水平下，生产出来的轮毂不可避免的会出现各种毛刺。除了一些毛刺是为了确保产品不会有气孔等而在模具设计时故意留的，另外一些则完是因为模具的加工水平或模具的使用一段时间后材料表面损坏而产生的。以下是梯级毛坯各个位置上的需要加工的的一些毛刺照片。
图13 轮毂毛刺照片1 图14 轮毂毛刺照片2
图15 轮毂毛刺照片3 图16 轮毂毛刺照片4
从上图汽车轮毂上的毛刺分布可以看出，本工作站需要对轮毂的大部分边缘进行去毛刺，因此本工作站除了工业机器人本体及机器人控制柜外还需要一个可以180°可控制旋转的工作台，另外本工作站还需要一个用于控制工作流程及用于力控制的PLC控制柜。本工作站的具体配置如下图。
图17 机器人工作站
（三）机器人的选型
机器人是机器人去毛刺工作站的核心,机器人应尽可能选用标准通用机器人。目前国内使用数量比较多的是德国的库卡机器人及欧洲ABB公司的机器人,经多方比较,最终决定采用ABB公司的IRB 4600系列机器人,其机器人控制器为IRC5,属于可编程示教再现式通用机器人。 IRB4600系列机器人是采用交流伺服电机驱动的6自由度通用型机器人，根据其有效载荷的大小可以分为四种不同型号，从IRB460060/2.05到IRB460020/2.50。
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