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冲压模具设计中运动控制的探讨
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冲压式蜂窝煤成型机的运动方案设计
冲压式蜂窝煤机，主要由机身、传动、转盘、拨转、冲头、滑梁、料斗、扫刷、输送等部分组成。各部分互相配合，协调运转，形成一个整体。 机身有四根立柱，沿梁由偏心齿轮带动，在立柱间上下运行。沿梁下用装有冲头、出煤盘和扫刷装置，机身中间有五孔等分转盘。转盘由拨转部分控制，每拨动一次，转盘转动一等分，料斗对模筒添料一次，冲头对模筒冲压一次，出模一次，扫刷一次。如此不断循环，自动地加科、成型、扫刷、出模。因此，各部分的结构必须完整，各部件的配合必须协调。否则，不仅影响自动循环，而且损坏机件，造成事故。 (一)机身部分 机身部分主要由底座、顶盖、立柱、抉杆等零件组成。它是固定和支撑全部机件的架体。四根立柱垂直于底座和顶盖之间，，形成滑梁运动轨道。立锭两端有螺纹。用螺母将立柱与底座、顶盖固定。扶杆支撑两旁，上端车有螺纹，用螺母与顶盖固定，下端打成扁头、用螺丝与底座固定。底座用四颗地脚螺丝与基础连接，形成坚定稳固的机身。底座面要求平整，一对轴孔的同心度，两对轴孔的平行度，台面与轴孔的平行度，都必须符合要求，才能保持机身稳固，为机密的正常运转创造必要的条件。 (二)传动部分 传动部分主要由电机、皮带轮、减速装置、联轴器(包括安全装置)、主动轴、偏心轴、主动齿轮、偏心对轮等零件组成。它的作用是传递功率，使机器正常运转。 电机的三角带轮通过四根三角带与减速箱的三角带轮相连接，减速箱的三角带轮轴上铣有主动斜齿轮，由它带动箱内被动轴上的大斜齿轮，通过箱外弹性联轴节(包括安全装置)使主动轴旋转。主动轴的两端装有一对主动齿轮，与偏心轴上的偏心对轮相啮合，偏心对轮的拐轴通过连杆使滑梁上下运动，为冲压成型和出模传递功率。滑梁还带动扫刷部分作前后往返摆动；在主轴上装有对开伞齿轮，与料斗大伞齿轮啮合，使料斗轴旋转，为进料传递功率。在偏心轴上装有伞齿轮，与扭转伞齿轮啮合，使拨转轴旋转，带动转盘作间歇性圆周运动，为转盘传递功率。偏心轴上还装有皮带滚筒，为成品输出传递功率。 电机通过三角带和减速箱连接；电机的三角带轮小，减速箱的三角带轮大，形成第一次减速。电机轨道上装有调整螺丝，用来调整三角带的松紧。 各种型号的冲压式蜂窝煤机的传动部分大体相同，只是减速形式不同，如042型用两级皮带轮减速，7071型用蜗轮蜗杆减速，文6型、70型和144型用皮带和齿轮减速，统一型用皮带和减速箱减速。 (三)转盘部分 转盘部分由固定盘、转盘齿轮、模筒、模底、上盘、中心轴、套管、锁紧螺母、螺杆等零部件组成。转盘受拨转部分控制，蜂窝煤由此定量成型。 固定盘是生铁铸成，有模底孔、出煤孔，两孔相距72°，中心有轴孔。
模底有十二个小孔，排成“井”字形，紧固在固定盘的模底孔上。 转盘齿轮用铸钢件加工铣齿。上盘用钢板加工后，沿外圆铣五等分方形槽(供拨转定位用)。两者的中心孔到外圆之间有五个相等分的模孔。模筒用较好的铸铁制成，装在两者之间，两端的子口套在两者的五个模孔上。模孔之间各有一个螺孔，用五根螺拄连接拧固。中心用锁紧螺母和套管连接，形成一组，平放在固定盘上。中心轴插入套管中间，穿越固定盘与底座拧固，使转盘作间歇性运转。 转盘齿轮，模筒、上盘在双冲头蜂窝煤机上为十孔。 (四)拨转部分 拨转部分主要由伞齿轮、拨转立轴、拨转齿轮、凸轮、扇形齿轮、定位把钩、主动撞块、从动撞块、拉簧等零件组成。它主要控制转盘作间歇动作，与其它部位运动相配合。当冲头向下进入模筒时，转盘停止运转，等待压煤成型。冲头上升离开模筒时，转盘开始运转。这样相互配合，自动循环，完成加料、成型、出煤等动作。它们的动力来源是靠偏心轴上的伞齿轮旋转面产生的。
偏心轴上的主动伞齿轮与拨转立轴下端的伞齿轮相啮合，使拨转立轴运转。立轴的上端有扇形齿轮与主动撞块紧固在一起，立轴的顶部有凸轮。 拨转齿轮在扇形齿轮和转盘齿轮之间，与转盘齿轮啮合，它与扇形齿轮啮合是时断时续的。拨转齿轮上端紧固从动按块。主动撞块拨动从动撞块，使齿轮啮合。定位把钩和摇臂安装在拨转齿轮轴顶端，与上盘、凸轮配合工作。 当滑梁上行时，冲头离开转盘，主动撞块和从动撞块先接触，扇形齿轮第一齿和拨转齿轮开始啮合，这时凸轮最高点碰上摇臂，使定位把钩脱离上盘的定位槽；转盘开始运转。
当沿粱下行时，扇形齿轮走完最后一齿，凸轮最高点已经过击，低点到来，定位把钧通过定位弹簧的拉力，进入士盘定位槽(已转72°)。转盘停止运行，冲头进入模简，压煤成型。如此循环运转，完成拨转动作。 双冲头蜂窝煤机的拨转部分，只是扇形齿轮与转盘齿轮啮合，没有拨转齿轮。其它结构与单冲头的相同。 上述结构如调整不当，配合不准，会破坏整部机器的自动蹈环，不能正常生产，甚至造成重大事故。 (五)冲头部分 冲头部分主要由冲针、冲头管、冲针座、冲杆、冲头盖、法兰盘、弹簧、弹簧压帽、出煤杆、出煤盘等零件组成。它随滑梁上下运动，进入模筒压煤成型和出煤。与转盘部分、拨转部分互相配合，协调运转，要求准确无误。
冲头的构造是：冲杆、冲针座、冲针三者紧固在一起。冲头管套在冲针座上，冲头盖套在冲杆上，两者用螺丝连接，可在冲杆上来回活动。弹簧套在冲头盖和弹簧压帽之间。冲杆通过法兰盘与滑梁固定。
(六)滑梁部分
沿梁部分主要由滑梁、滑瓦、滑瓦座、衬套、衬套座、连杆等零件组成。它由偏心对轮的拐轴通过连杆带动，作直线上下运动，传递动力，使冲头压煤成型，成品出模，刷子前后摆动。
(七)进料部分 进料部分主要由料斗轴、伞齿轮、料斗圈、料斗底、料口圈、搅拌翅、搅拌座、搅拌棒等零件组成。它由主动轴上的对开伞齿轮与进料轴上的大伞齿轮啮合，使料斗轴旋转而均匀进料。 (八)扫刷部分 扫刷部分主要由上连杆、上连杆轴承座、上销轴、下销轴、刷子座、通轴吊架、通铀、通轴轴承座、下连杆等零件组成。它由滑梁带动，来回扫刷冲头和出煤盘底面的积煤。 (九)输出部分 成品输出部分主要由主动滚筒、托辊、皮带、张紧架、张紧滚筒、滚筒轴、滑块、滑道、拉紧螺杆等零件组成。它的动力是靠安装在偏心轴上的滚筒旋转而产生的。主动滚筒通过皮带、托辊与张紧滚筒相连，将成型煤输出。 一、冲压式蜂窝煤成型机的功能和设计要求 1、功能 冲压式蜂窝煤成型机是我国城镇蜂窝煤（通常又称煤饼，在圆柱形饼状煤中冲出若干通孔）生产厂的主要生产设备，它将煤粉加入转盘上的模筒内，经冲头冲压成蜂窝煤。 为了实现蜂窝煤冲压成型，冲压式蜂窝煤成型机必须完成以下几个动作： 6） 煤粉加料； 7） 冲头将蜂窝煤压制成型； 8） 清除冲头和出煤盘的积屑的扫屑运动； 9） 将在模筒内的冲压后的蜂窝煤脱模； 10）
将冲压成型的蜂窝煤输送装箱。 2、原是数据及设计要求 1）蜂窝煤成型机的生产能力：30次/min； 2）驱动电机：Y180L－8、功率N＝11 kW、转速n＝730 r/min； 二、工作原理和工艺动作分解 根据上述分析，冲压式蜂窝煤成型机要求完成的工艺动作有以下六个动作： 1）加料：这一动作可利用煤粉的重力打开料斗自动加料； 2）冲压成型：要求冲头上下往复运动，在冲头行程的二分之一进行冲压成型； 3）脱模：要求脱模盘上下往复移动，将已冲压成型的煤饼压下去而脱离模筒。一般可以将它与冲头固结在上下往复移动的滑梁上； 4）扫屑：要求在冲头、脱模盘向上移动过程中用扫屑刷将煤粉扫除； 5）模筒转模间歇运动：以完成冲压、脱模和加料三个工位的转换；
6）输送：将成型的煤饼脱模后落在输送带上送出成品，以便装箱待用。 以上六个动作，加料和输送的动作比较简单，暂时不予考虑，脱模和冲压可以用一个机构完成。因此，冲压式蜂窝煤成型机运动方案设计重点考虑冲压和脱模机构、扫屑机构和模筒转盘间歇转动机构这三个机构的选型和设计问题。 三、根据工艺动作顺序和协调要求拟定运动循环图 对于冲压式蜂窝煤成型机运动循环图主要是确定冲压和脱模盘、扫屑刷、模筒转盘三个执行构件的先后顺序、相位，以利对各执行机构的设计、装配和调试。 四、执行机构的选型 根据冲头和脱模盘、模筒转盘、扫屑刷这三个执行构件动作要求和结构特点，可以选择表1的常用机构，这一表格又称为执行机构的形态学矩阵。 表1
三执行机构的形态学矩阵 冲头和脱模盘机构
对心曲柄滑块机构
偏置曲柄滑块机构
六杆冲压机构
扫屑刷机构
附加滑块摇杆机构
固定移动凸轮移动从动件机构
模筒转盘间歇运动机构
不完全齿轮机构
凸轮式间歇运动机构
五、机械运动方案的选定和评价 根据表1所示的三个执行机构形态学矩阵，可以求出冲压式蜂窝煤成型机的机械运动方案数为：
N=3×2×3＝18 现在，我们可以给定条件、各机构的相容性和尽量使机构简单等等要求来选择方案。由此可选定两个结构比较简单的方案。 方案Ⅰ：冲压机构为对心曲柄滑块机构、模筒转盘为槽轮机构、扫屑机构为固定凸轮移动从动件机构。 方案Ⅱ：冲压机构为偏置曲柄滑块机构、模筒转盘为不完全齿轮机构、扫屑机构为附加滑块摇杆机构。 两个方案我们可以用模糊综合评价方法来进行评估优选，这里从略。最后选择方案Ⅰ为冲压式蜂窝煤成型机的机械运动方案。 六、机械传动系统的传动比和变速机构 根据选定的驱动电机转速和冲压式蜂窝煤成型机的生产能力。它们的机械传动系统的总传动比为：
机械传动系统的第一级采用带传动，其传动比为4.866，第二级采用齿轮传动，其传动比为5。 七、画出机械运动方案简图 按已选定的三个执行机构的型式及机械传动系统，画出冲压式蜂窝煤成型机的机械运动示意图。其中三个执行机构部分也可以称为机械运动方案示意简图。如图4所示，其中包括了机械传动系统、三个执行机构的组合。如果再加上加料机构和输送机构，那就可以完整地表示整台机器的机械运动方案图。 有了机械运动方案图，就可以进行机构的运动尺寸设计计算和机器的总体设计。 八、对机械传动系统和执行机构进行尺寸计算 为了实现具体的移动要求，必须对带传动、齿轮传动、曲柄滑块机构（冲压机构）、槽轮机构（模筒转盘间歇运动机构）和扫屑凸轮机构进行运动学计算，必要时还要进行动力学计算。 1、带传动计算（略，机械设计中有专门讲解）。 2、齿轮传动计算 取Z1=22，Z2＝i×22＝5×22＝110。按钢制齿轮计算，取模数m=5mm.。则
d1＝Z1m＝110 mm.
d2＝Z2m＝550 mm. 其余尺寸，按齿轮机构相关计算表格求出。 3、曲柄滑块机构计算 已知冲压式蜂窝煤成型机的滑梁行程s=300mm，曲柄与连杆长度比，即连杆系数为λ＝0.175，则曲柄半径为： 连杆长度为：
因此，不难求出曲柄滑块机构中滑梁（滑块）的速度和加速度变化。 4、槽轮机构计算 1）槽数
按工位要求选定为6。 2）中心距
按结构情况确定 。 3）圆销半径
按结构情况确定 。 4）槽轮每次转位时主动件的转角
6）主动件圆销中心半径
7） 与 的比值
8）槽轮外圆半径
9）槽轮槽深
取 。 10）运动系数
（ ） 5、扫屑凸轮机构计算 固定凸轮采用斜面形状，其上下方向的长度应大于滑梁的行程s，其左右方向的高度应能使扫屑刷满足扫除粉煤的活动范围。具体按结构情况来设计。 九、冲压式蜂窝煤成型机的飞轮设计 由于希望冲压机构具有增力功能，以减小机器的速度波动和减小原动机的功率，因此必须进行飞轮设计，以便达到功能要求。具体设计过程略。
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3秒自动关闭窗口数控单元冲压模具的快速成形技术
数控单元冲压模具的快速成形技术
发布: | 作者:－－ | 来源: －－ | 查看:152次 | 用户关注：
1 前言&&& 随着经济的快速发展和市场需求的多样化，人们对产品生产周期的要求越来越短，尤其在小批量甚至单件生产方面，要求现代制造技术不仅要有较高的柔性，还要有更新的、更能满足市场要求迅速变化的生产模式。数控单元冲压模具快速成形技术，就是为适应此种状态而产生的。2单元冲模快速成形的数字化编码&&& 饭金件的形状可分割成一些简单的图形元素，
1 前言&&& 随着经济的快速发展和市场需求的多样化，人们对产品生产周期的要求越来越短，尤其在小批量甚至单件生产方面，要求现代制造技术不仅要有较高的柔性，还要有更新的、更能满足市场要求迅速变化的生产模式。数控单元冲压模具快速成形技术，就是为适应此种状态而产生的。2单元冲模快速成形的数字化编码&&& 饭金件的形状可分割成一些简单的图形元素，然后合成所需图形。例如:矩形是4个直角的合成;波浪形是一些曲线的合成等。因此，对于一些精度要求较高的小批量甚至单件生产的饭金件，可以用一些通用件迅速组装成单元冲压模具，采用数控技术，使之快速成形。&&& 将被加工饭金件看成一个可被分割的平面图形，对分割出来的简单图形元素进行数字化处理。即按其方位进行定位编码。如图1所示的非等距简单图形零件的数字化，缺口1,2,3,4的(Δx,Δy)均相等方孔5的(△x,△y)均等于2倍的(△x,△y)设现有通用冲头的宽等于△x长等于△y则按如图1所示进行编号。缺口1由位置((2,0)以及位置((3 ,0)合成缺口2,3,4同样由两个位置合成方孔由8个位置合成。如果采用矩形单元快速成形，可以获得如图2所示的二维编码，由于划分过细使得到的编码较长。如果采用正方形单元快速成形，则可以获得如图3所示的二维编码其编码减小一半。矩形单元二维编码如下：&&& 对于等距简单图形零件如钥匙齿形的快速成形由于齿距相等河以进一步简化编码。钥匙齿形编码示意图，如图2所示。图中采用三角形单元，实际应用采用的是梯形单元编码可以降为一维数组。参数定义:齿数—冲压的次数，现假使为5。齿距—冲压时，Y方向的每次移动的距离。级差值—冲压时X方向移动一个单位时的距离。级差数—冲压时，X方向的移动单位。&&& 当选定齿距和级差值后，钥匙的齿形加工位置可以转换为级差数最后齿形编码为一维数组((2 1 3 2 1)。由以上可知数字化编码是单元冲模快速成形的关键，合适的编码不仅可以提高生产效率，而且可以节省存储内存。3 快速成形的结构设计&&& 目前，大部分中小型企业尚不具备购买高档数控冲床的经济实力，数控单元冲压模具可以直接安装在普通冲床上作为简易数控冲床来使用。&&& 快速成形模具机构示意图如图3所示。上模为凸模机构。光电头安装在上模板下方以检测凸模的起落。坯料的装夹要根据不同的需要进行设计。料板由步进电机控制丝杠分X,Y方向驱动。下模为凹模机构，直接安装在工作台上。4快速成形的控制系统设计4.1电机驱动及选用&&& 步进电机是一种将电脉冲转化为角位移的执行机构。共有3种:永磁式、反应式和混合式。混合式集中了前二种的优点。从性价比方面进行综合考虑，拟选用步进角1.8　　的两相混合式步进电机。&&& 驱动器的型号、种类较多，细分型为考虑对象。因为细分型可消除电机的低频振荡，可提高电机的输出转矩及分辨率。顾及速度和精度细分系数定为4。4.2 系统硬件设计&&& 数控单元冲模是安装在曲轴式压力机上的，机床的冲压原理不变。需要控制的是两方面内容:首先要确定零点以及各工位点的位置;其次在上冲模往复动作的启停间被加工件的按编码所得的X,Y方向的快速进给送料运动以及这两个动作的协调。即实现冲压和送料动作的同步控制。控制系统框图，如图4所示。光电信号检测电路图，如图5所示。&&& 数控系统的人机界面采用键盘输入LED显示键盘具有数字键、设定、修改、查寻、X及Y方向的调整、执行等的功能键，可用来完成加工程序的输入、修改及对控制的操作和调整等。操作人员根据被加工件的形状在计算机上进行编码，自动生成加工程序通过串行口将加工程序下载给单片机并且保存在FLASH ROM中。工模安装后手动调整零位。进入执行后单片机从FLASH ROM中取得加工程序，并计算X,Y方向的步进距离后再将其转换成相应的步进脉冲数控制X,Y方向的步进电机的转动步数。当光电信号检测到上模位于开启位置时数控系统迅速将待加工件定位到加工位置，并且启动冲床上冲模下压，实现一次冲压。在冲床带动上冲模开启时数控系统迅速地将待加工件移动到下一加工位置等待下次冲压，直到完成加工停止冲床运动。4.3 系统软件设计&&& 整个系统由上位机来管理。系统软件语言采用Visual Basic 6.0编制其集成开发环境(IDE)集设计、修改、调试、生成等功能于一体，人机交互界面十分友好。它是功能强大的Windows环境下的编程语言简单易学可视化程度高。&&& 系统软件结构采用模块化结构，共有5个功能模块:系统开机后进入Windows界面双击“数控单元冲模”图标，即弹出应用界面，可选择功能模块。系统软件功能模块图如图6所示。&&& 编辑模块用来完成用户对所设定的参数组进行操作的程序的编辑、修改、生成。&&& 参数设定模块将输入的参数组制成数据表，送入数据库以备程序的调用。&&& 运行管理模块负责程序的运行、中断。&&& 通信模块负责上、下位机之间的通信管理，就是将控制程序段及调用的参数组使用MSCOMM控件，通过RS232串行口送入单片机使单片机执行控制工作。&&& 查询模块。方便用户对已存文件的查看与调用。&&& 单片机的程序也采用模块化结构，与上位机一样共有5个功能模块通过通信接口接受上位机的输入指令，控制X,Y方向步进电机的运动。也可以脱离上位机直接控制运行。上位机通信程序流程图，如图7所示。下位机通信程序流程图，如图8所示。5 结束语&&& 随着数控技术、伺服技术、运动元件的发展，以及市场经济的需要，数控单元冲压模具快速成形技术得到迅速发展。对于中小型传统企业，这种结合传统制造工艺的高新技术无疑是一种投资省，见效快，方便、快捷的技术。随着经济和科学技术的不断发展，实现自动上下料装备、外置模具库自动换模装备等，已经摆在人们的面前。可见，数控冲压的发展是以相关技术和新结构的研制为基础的。单元冲压模具快速成形技术，无疑是先进冲压技术发展的一个新起点。
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I摘要大型机器人冲压线是当今大型冲压装备自动化技术发展的两大趋势之一，也是我国汽车车身冲压装备的主要形式。我国的大型机器人上下料技术与国际先进水平差距明显，对其进行研究具有重要意义。本文源于国家科技重大专项中燕山大学课题组承担的大型伺服压力机冲压线自动化上下料技术研究，以大型机器人冲压线上下料技术为研究对象，研究机器人与压机的协调作业方法，设计了重大专项所涉及的大型机器人冲压线的运动方案，并结合运动方案对该冲压线进行运动仿真针对该生产线的实际工况对一个专用上下料机器人进行本体设计，并规划、仿真其运动轨迹。论文具体研究内容如下研究目前机器人与压机的协调作业的方法，提出时间等分，并阐述其基本原理，展示其应用过程。分析大型机器人冲压线的特点，以运动性能和最小距离为评价因素，提出面向大型机器人冲压线的动作方案评价指标，并展示其计算过程。建立大型机器人冲压线的简化三维模型，对冲压线中的机器人进行轨迹规划，利用时间等分设计冲压线的运动方案，并用评价指标对各方案进行评价，选出最优方案，结合各方案基于冲压线进行运动仿真。根据具体工况，对专用上下料机器人进行构型方案设计、关键杆长参数的设定、运动学分析、静力学分析和驱动装置的选型。依据工作要求，对该专用上下料机器人进行轨迹规划，并在分别采用五次插值与条插值法对其进行轨迹仿真，得到机器人各关节的运动曲线。关键词冲压自动线上下料机器人协调方法评价指标本体设计运动仿真isofofasasofatonofinitisoftoinisaofoninbyofofastoonAonatoofofasAofisasaonofofofastoInaDainofofbytoononofInofatofV目录摘要...................................................................................................................................I......................................................................................................................1章绪论....................................................................................................................1题背景及意义.......................................................................................................1压自动化生产线的现状.......................................................................................2压自动化生产线概述....................................................................................2压自动化生产线国外发展现状....................................................................3压自动化生产线国内发展现状....................................................................4业机器人在冲压自动线中的应用现状........................................................6文主要研究内容...................................................................................................7第2章冲压线中机器人与压机的动作协调方法............................................................8言...........................................................................................................................8时间等分.....................................................................................8器人与压机动作划分的原则........................................................................9器人与压机动作匹配的原则........................................................................9时间等分的示例.......................................................................10例概述..........................................................................................................10器人与压机的动作划分..............................................................................11器人与压机的动作匹配..............................................................................12章小结.................................................................................................................13第3章面向大型机器人冲压线的动作方案评价指标..................................................14言.........................................................................................................................14运动性能为评价因素的指标.............................................................................14最小距离为评价因素的指标.............................................................................17压线的动作顺序图.............................................................................................17作方案的评价.....................................................................................................18章小结.................................................................................................................194章冲压生产线运动仿真..........................................................................................20言.........................................................................................................................20压生产线简介.....................................................................................................20下料机器人轨迹规划.........................................................................................21压线中机器人运动学分析..........................................................................21压线中机器人轨迹规划..............................................................................23压生产线的简化模型.........................................................................................28压生产线动作协调.............................................................................................30准机器人生产线动作协调..........................................................................30产线动作协调........................................................................32压线运动仿真.....................................................................................................38章小结.................................................................................................................44第5章专用上下料机器人本体设计..............................................................................45言.........................................................................................................................45下料机器人构型方案设计.................................................................................45器人关键杆长参数的确定.................................................................................46作要求..........................................................................................................46器人...................................................................................47器人...........................................................................49动学分析.............................................................................................................50动学正解......................................................................................................50动学反解......................................................................................................52作空间分析..................................................................................................53力学分析.............................................................................................................54动装置的选型.....................................................................................................57动方案的设计..............................................................................................57珠丝杠的选择..............................................................................................58机和减速器的选型......................................................................................59章小结.................................................................................................................60第6章专用上下料机器人轨迹规划及仿真..................................................................61言.........................................................................................................................61器人的轨迹规划.................................................................................................61器人虚拟样机轨迹仿真.....................................................................................62拟样机的建立..............................................................................................62拟样机轨迹仿真..........................................................................................62章小结.................................................................................................................69结论...............................................................................................................................考文献............................................................................................................................71攻读硕士学位期间承担的科研任务与主要成果............................................................75致谢...............................................................................................................................者简介............................................................................................................................771第1章绪论题背景及意义汽车产业是国民经济支柱产业之一，涉及机械、钢铁、石油化工、电子信息、玻璃、有色金属等诸多行业，具有产业规模庞大、市场需求旺盛、高度吸纳就业人口和高度融合现代科技成果等特点。这些特点决定了汽车产业对国民经济发展的强势拉动作用1,2。2009年统计数据显示，中国车市的销量为1364万辆，相对于1980年的20万辆翻了近68倍1汽车产量达1379万辆，产销量均居世界首位，中国已超越日、美成为世界最大的汽车生产国和汽车消费市场3,4。2011年，国家统计局统计公报显示，我国生产汽车辆公安部交管局有关资料显示，全国汽车保有量达到而，中国千人汽车保有量只有54辆，相较于世界的120辆水平，中国汽车市场仍有巨大的发展潜力。我国汽车产业的高速发展令举世瞩目，预计未来几年内依然呈增长态势5。据推算，2020年我国将拥有超过辆的汽车保有量6。诺贝尔经济学奖获得者、美联储经济学家测，到2030年中国汽车产销会达到惊人的7500万辆，中国千人汽车保有量将达到800辆。随着汽车行业的快速发展，人们对汽车质量与外观的要求也随之提高。汽车车身作为整车零部件的载体，不仅与汽车的质量息息相关，而且与汽车造型的美感也有着密切的联系7。它具有造型、构成结构整体和控制碰撞三种功能8，其制造质量会对整车的外观质量、各零部件的总装装配误差、密闭性、风噪声、关门力和返修成本，以及新产品的投放周期等产生影响2,9。提高车身的研发能力已成为汽车企业提高自身竞争力的强有力的手段。目前，国内车身冲压生产线的整体水平不高，但我国汽车行业的竞争却日趋激烈。汽车车身的金属件几乎100是冲压件，因而汽车车身冲压生产线成为汽车企业中最核心的生产线10。汽车车身冲压技术作为汽车制造技术的重要组成部分，是提高汽车车身制造水平的关键和基础。如何正确选取和采用新设备、新材料、新工艺，如何提高冲压生产效率、降低生产成本等已成为了冲压技术中的主要课题11。本课题将针对机器人冲压自动化生产线的上下料技术进行研究，以提高冲压生产线的生产效率，并为专用上下料机器人的研发提供参考。2压自动化生产线的现状压自动化生产线概述冲压自动化生产线通常由上料拆垛装置、压力机、尾端工艺设备、冲压线自动化输送系统以及各种配套设施组成2。研究表明，冲压自动化输送系统作为冲压生产线的重要组成设备，其发展有利于促进冲压自动化生产线的生产能力和效率的提高121计数据显示，在冲压生产中，仅有不足10的时间用于对工件进行冲压加工，其余时间均用于工件搬运与等待搬运中2,13。冲压自动化输送系统常见的有以下几种1多工位压力机的自动化送料机构。多工位送料系统是一个类似移动臂的装置，主要用途是完成冲压件在工位之间的输送。多工位送料系统有机械送料、电子送料和组合式送料三种传动方式15,16。依据工件的传送方式，它又可分为三坐标式和真空吸盘式17。近年来，随着工艺需求的提高，真空吸盘式自动送料系统得到更多的应用。例如日本小松公司的新型多工位压力机大部分采用该系统德国舒乐公司广泛采用的横杆式属于这种方式14。2机械手加穿梭小车式自动化输送系统机械手加穿梭小车式自动化输送系统是冲压自动化生产线中最常见的输送系统，主要由数控上料机械手、取料机械手和穿梭小车组成。此外，根据工艺要求，有的冲压生产线在穿梭小车上设置了板料翻转机构。机械手加穿梭小车式自动化输送系统是实现单机联线自动化的一种可行方案，但其有结构复杂、维修工作量大、生产节拍较低的缺点18,19。3快速横杆式输送系统德国米勒万家顿公司基于摆动横杆式输送机发出了快速横杆式输送系统其既兼有柔性冲压线和高效的摆杆式多工位压力机两者的优点，又可应用于单机联线冲压线中18,19。快速横杆式输送系统与机械手加穿梭小车自动化输送系统相比，不仅具有后者的生产柔性，而且由于生产效率的提高和投入的降低，其产品的生产成本也随之下降。快速横杆式输送系统虽然有很多优点，但也有不足之处模具需要具备一定的外形结构对压力机间距有一定的要求，无法直接应用于已有冲压线，只能用于新设计的冲压生产线。为弥补以上不足，针对已有冲压生产线的自动化改造，米勒万家顿公司同步设计出了曲张式横杆自动化输送系统。34冲压机器人冲压机器人是工业机器人在冲压生产线中的应用。由于六自由度关节型机器人可以确定自由空间中任意一点的位姿，而无需对象机器或外围设备的动作来弥补机器人功能的不足2012，所以冲压机器人大部分是六自由度关节型机器人。机器人在冲压生产线中的主要工作是板料拆垛、每台压机的上下料、板料输送与翻转等21。机器人末端安装有端拾器，用于实现抓取板料的功能。板料均为薄壁件，因而适合于真空吸附抓取。真空吸盘安装在端拾器支架上，其个数和布置形式由板料的具体情况而定1922。研究发现，柔性大、应用范广、生产速度高、工件质量好、运动精度高是机器人冲压自动化生产线的显著优点。与机械手冲压自动化生产线相比，机器人冲压自动化生产线还具有维护简单、价格低廉、轨迹柔和与编程快捷等特点22并能够方便地调试工件的顺序和修改轨迹的关键点，还具有工件翻转、自动更换端拾器等功能25。世界上没有一个事物是完美无瑕的，机器人冲压自动化生产线不例外在单臂输送板料的情况下，关节型机器人对需翻转的冲压件以及大件如双件、侧围件等的输送效果较差，由于其在高速时稳定性差，限制了生产效率12,22。为了改善六轴机器人高速搬运的性能，司开发了旋转七轴和柔性技术，可实现工件在相邻工位间的平移搬运，消除了以往板料因180°旋转而产生的抖动和脱落，提高了板料输送速度，并且柔性可实现紧凑型生产线，使机器人具有最佳动力性能。压自动化生产线国外发展现状汽车车身冲压技术起始于单台压力机多品种轮换生产，经历了多台压力机组成冲压流水线阶段，发展到现在，单机联线冲压自动化生产线与大型多工位压力机成为两大主流车身冲压技术26。机器人冲压自动化生产线作为单机联线自动化冲压线中的一种主要形式，由于机器人的运动轨迹可以简便地通过编程的方式改变，其具有较高的柔性，非常适用于品种多、批量小的生产方式。这些特点很好地适应了当今汽车行业汽车车身更新换代速度快的要求。机器人冲压自动化生产线作为冲压技术发展的重要方向，目前依然在被广泛应用。4随着冲压自动化技术的不断发展，20世纪80年代多工位压力机诞生了。由一台多工位压力机、一台双动拉伸压力机和两压机之间的翻转机械组成了一种新的冲压自动化生产线。20世纪90年代，数控液压气垫取代了双动拉伸压机，被安装入大型多工位压力机的第一工位。一台安装有数控液压气垫的大型多工位压力机就是一个柔性冲压生产单元。这种多工位压力机是大型冲压装备自动化技术的发展趋势和方向，具有世界先进技术，是汽车车身冲压技术的最高级的发展阶段121多工位压力机在一些汽车制造业发达的国家应用较多，如日本、美国、欧洲、韩国等26。压自动化生产线国内发展现状机器人冲压自动化生产线与大型多工位压力机是当今大型冲压装备自动化技术发展的两大趋势，也是世界各汽车生产厂家采用的冲压生产线的两种主要形式。大型多工位压力机生产线具有很高的生产效率，适用于大批量的生产方式。虽然随着大型多工位压力机技术与制造工艺的不断完善，大型多工位压力机生产线有将一些中小型冲压生产线挤出历史舞台的趋势，但是受限于模具工位间距、成本、压机的吨位等因素，它还无法加工大型冲压件。而大型压力机组成的冲压自动化生产线却可以完成此任务。与大型多工位压力机相比，机器人冲压自动化生产线具有高柔性、低成本、适应于小批量生产等特点，使其依然在世界范围内被广泛采用27,28。目前，国内还没有大型多工位压力机冲压自动化生产线，冲压自动化生产线主要以配有冲压自动化输送系统的单机联线自动化冲压线为主18。随着汽车产业的快速发展，我国的冲压自动化生产线也有了长足的进步。1997年12月，中科院沈阳自动化研究所机器人工程部与一汽大众公司联合研发了一汽捷达轿车冲压自动化生产线，其组成部分有压力机、上下料机械手、穿梭输送装置、翻转输送装置和磁力分层装置。该生产线适用于轿车车身的自动化生产，其技术达到了90年代的世界先进水平。1999年10月，9第六届中国国际机床展览会展出了一套冲压自动化机器人成套设备，该设备是由新松机器人自动化股份有限公司与江苏金方圆集团扬州锻压机床有限公司共同研制的，适应于中、小型开式压机的自动化生产，以高速上下料机器人为主，由上下料机器人、双料堆自动提升分层装置、工件翻转装置、和二次定位对中工作台组成。52004年，济南二机床集团有限公司与美国器人公司签署了自动化产品设计、制造全套技术及品牌、市场的全球独家授让协议，随后为哈飞汽车公司提供了两条上下料机械手冲压自动化生产线。这是我国首次采用世界先进的制造技术和检验标准来制造冲压自动化生产线，标志着我国冲压自动化技术开始同世界先进水平接轨29。日，济二为泰国萨密特司提供的3200吨大型冲压自动化生产线通过了专家鉴定和用户验收。该生产线是由济二单独攻关的重大技术装备出口项目。标志着具有完全自主知识产权和自主品牌的成线重型锻压设备的出口在我国变成了现实，我国成线重型锻压设备的自主研发、制造能力已并肩国际先进水平30。2007年，一条由济二研制的大型机器人冲压自动化生产线在荣成华泰汽车有限公司正式投产。在当时，该生产线是我国首条自主研发、制造和集成的大型机器人冲压自动化生产线，翻开了我国冲压自动化产品技术新篇章，打破了该领域的国内市场被国外公司垄断的局面。这条生产线由多连杆2000吨压机、1000吨压机和六轴冲压专用机器人组成。这是我国首次采用国际上应用广泛的六自由度关节型机器人作为上下料装置31。2009年，由济二负责的全自动快速柔性冲压生产线的开发研制项目研制成功并通过了国家级验收，标志着中国大型快速柔性冲压技术已经进入世界先进水平。该生产线集成了一系列当时国际先进技术，如整线快速送料技术、压力机多点卸荷技术、长行程八连杆驱动技术等，并且具有高效、智能、柔性等突出特点，生产轿车大型覆盖件的节拍可达12个/分钟，全线自动换模时间不足5分钟与国家标准相比，压机的制造精度提高了20自动完成拆垛、送料、成型、码垛动作，并能够远程通讯、故障诊断集成了机、仪、电、计算机控制，采用了模具识别、人机对话、连网过程监控、自动调整等技术。2011年，由济二攻关的高等数控机床及基础制造装备国家科技重大专项大型快速高效数控全自动冲压生产线子课题研制成功并通过了国家级验收，这是我国在大型快速柔性冲压技术上取得的重大成果，打破了国外企业对冲压自动化装备高端市场的垄断、推动了我国汽车产业冲压自动化装备的自主化。4200吨大型快速高效数控全自动冲压生产线包括一台式四点多连杆压力机、三台式四点压力机和双臂快速送料系统。该冲压线生产汽车大型覆盖件的节6拍可达15件/分钟，全线自动换模时间只需3分钟，并且在国内第一次实现了同步控制连续运行的生产方式。在我国汽车企业所应用的冲压生产线中，该冲压线是迄今为止效率、标准、性能最高和功能最全的冲压自动线在全球范围内，该冲压线也是目前最顶级的高速自动化冲压生产线。从此，我国汽车产业高档冲压设备完全摆脱了其主要依赖进口的尴尬局面，德、日企业在此领域的长期垄断被打破了32。近年来，中国的冲压装备自动化技术发展非常迅速。在不到20年的时间里，以济二为领头羊的一批冲压装备自动化技术研究单位攻关了一个又一个技术难题，一次次填补着国内空白，使我国的冲压自动化生产线技术达到了新的高度。业机器人在冲压自动线中的应用现状由于机器人冲压自动化生产线的特点很好地适应了当今汽车行业车身更新换代速度快的要求，机器人自动化生产线越来越为汽车制造企业所接受，在世界范围内被广泛应用。各大机器人公司抓住了这一重大商机，纷纷研发出了适用于冲压自动化生产线的冲压机器人。比如司的列机器人，图1器人，该机器人最大工作范围达加负荷50司研制的冲压机器人660，参见图1该机器人工作范围为3100承载能力达130图11外的机器人技术已相当成熟33六轴机器人被广泛应用于自动化上下料系统。近年来，器人公司为长安铃木、吉利和长城等国内汽车公司提供了冲压自动化系统，制定了冲压自动化生产线技术方案，应用了其研制的660、600等机器人并配以旋转七轴与柔性先进的技术。7到2007年我国才首次由济南二机床集团有限公司将国际上广泛应用的六轴机器人应用于大型冲压自动化生产线中。我国的机器人上下料技术的研究与国际先进水平差距明显，因此对机器人上下料技术的研究，尤其是对大型柔性重载机器人冲压自动化生产线上下料技术的研究具有重要的实际意义。此外，中国工业机器人在产业化道路上仍然要冲破很多阻碍，其中包括工业机器人与成套装备协调作业技术37，本课题将对工业机器人与压机的协调作业问题进行研究。文主要研究内容本文以大型机器人冲压自动化生产线的上下料技术为研究对象，主要涉及机器人与压机的动作协调方法、动作方案评价指标、冲压线运动仿真和专用上下料机器人设计等内容。论文的主要研究内容如下1深入研究目前机器人与压机的协调作业方法，探讨适用于本课题的新协调方法。2分析大型机器人冲压线的特点，研究面向大型机器人冲压线的动作方案评价指标。3以机器人与压机的协调方法和动作方案评价指标为理论基础，研究冲压线的运动规划，利用件实现冲压线运动仿真。4根据具体工况，研究专用上下料机器人的构型方案设计、关键杆长参数的设定、运动学分析、驱动装置的选型。5根据工作要求，研究专用上下料机器人的轨迹规划和轨迹仿真。8第2章冲压线中机器人与压机的动作协调方法言竞争日益激烈的现代制造业对生产效率的要求越来越高，促进了现代制造业的自动化发展，工业机器人作为自动化生产线的重要装备，也得到了快速发展。自动化冲压生产线广泛应用于航空航天、汽车制造、电子和家用电器等领域，而我国冲压生产线的自动化、机械化程度与世界先进水平差距明显，自动化冲压生产线在我国有着广阔的发展前景38,39。冲压自动线中机器人与压机的动作协调不仅是生产线整线控制的基础，而且是开展机器人工作空间分析和轨迹规划等工作的前提，并且工业机器人与成套装备协调作业技术的研究也是我国工业机器人产业化进程中需要攻克的难题35，因此，研究机器人与压机的动作协调方法具有重要意义。文献40基于机器人控制软件介绍了一种系统自我调节节拍的柔性化设计，以避免相邻设备之间的干涉，优化生产节拍。文献41定性地指出了机器人要在压机滑块上升到一定高度时提前进模。文献42介绍了机器人通过软件跟踪压机的运动和增加机器人第七轴两种方法来加快生产节拍。文献43采用间歇同步方式协调压机与机器人动作，其属于静态配合方式。目前，我国的机器人自动化冲压生产线中，机器人与压机的运动协调关系多为静态配合方式。该配合方式具有简单有效、安全性和可靠性高的优点。但是，在此配合方式下，压机滑块必须在上死点静止时，机器人才能进行上下料操作，导致生产效率低压机必须等待机器人，因而压机的运行时断时续，增加了压机的离合器、抱闸的动作频率，降低了使用寿命40。为克服静态配合的局限性，本章提出一种简便、快捷的新方法时间等分，并阐述其基本原理，展示该方法的应用过程。该方法可充分利用压机滑块在上下料干涉高度简称干涉高度以上的运行时间，可消除压机的等待时间，可提高生产效率。时间等分所谓时间等分，即首先按划分原则将压机和机器人的动作分别9划分成相等的份数，然后按匹配原则将机器人动作与压机动作相匹配，以协调生产线中机器人与压机的动作。器人与压机动作划分的原则原则一木桶原则。虽然每台压机的循环周期和每台机器人的循环周期都是越小越好，但是决定冲压线生产节拍的关键设备是最慢压机和最慢机器人41。将两者中最慢的周期作为整线压机与机器人的共同周期。该周期为生产线所能达到的最快周期。原则二将压机滑块在干涉高度以上的运行时间作为压机动作划分的基准。因该方法中的动作匹配是基于整份动作而言的，按时间均分压机动作时，压机滑块在干涉高度以上的运行时间须为一份时间tT/n，n为总份数的整数倍t1k为正整数。如果k不能恰好取整数，需将干涉高度上方附近某一高度作为划分的界限，使得k为整数。原则三将机器人在压机内动作的时间作为机器人动作划分的基准。机器人在压机内动作包括机器人在上位压机内的取料动作进模、吸料、出模动作和在下位压机内的放料动作进模、放料、出模。因该方法中的动作匹配是基于整份动作而言的，按时间均分机器人动作时，机器人在压机内动作的时间须为一份时间tT/n的整数倍t2m为正整数。如果m不能恰好取整数，需将压机与机器人干涉临界点以外某一接近点作为划分的界限，使得m为整数。机器人的取放料动作至少占一份，并且取料动作与放料动作不能完全重合，因此，可以确定m的取值范围为2≤会产生更多匹配方案。章小结对冲压生产线中机器人与压机的动作协调方法进行了研究，提出时间等分，并阐述了其基本原理，展示了该方法的应用过程。本章所提出的时间等分适用于自动化生产线中压机与机器人的动作协调，该方法降低了压机制动次数，且消除了冲压生产线的等待时间，提高了生产效率，可以为冲压线生产节拍的进一步优化提供参考。表2表14第3章面向大型机器人冲压线的动作方案评价指标言汽车覆盖件的加工是影响汽车生产和开发的关键环节44。随着对汽车造型要求的提高，汽车覆盖件的加工难度也越来越高45大型机器人冲压线作为国内大型汽车覆盖件的主要加工装备，已成为汽车生产企业加强竞争力的关键。近年来，汽车覆盖件冲压技术随着汽车产业的发展有了长足的进步，但是我国的自动化冲压技术与国际先进水平仍有一定的差距47汽车产业在我国具有巨大的发展潜力，作为汽车车身主要加工装备的自动化冲压线在我国有着良好的发展前景39。目前，我国的冲压线中，机器人与压机多为静态配合。该配合方式具有生产效率低、压机使用寿命短等缺点40。为克服静态配合的缺点，前文提出了时间等分。冲压线的动作方案往往不止一种，简便、快速地确定较优的动作方案不仅对冲压线的控制具有重要的参考意义，而且有利于改善冲压装备的运动性能，延长其使用寿命。本文针对大型机器人冲压线的特点，提出了两个动作方案评价指标利用率和重叠率，利用这两个指标可以从多种动作方案中快速选出较优的方案，对提高生产线的工作性能具
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