摘要 本文针对现代制造工业行业中，汽车加工制造业等企业进行大规模大批量生产钣金冲压加工零件方面应用人力进行加工是效率极其低下且需要大量生产劳动力的行业，为此设计一个基于工业机器人的钣金冲压自动化上下料系统，能高效提升企业生产效率和节省企业用人成本，这为市场化竞争激烈的当下，提升的生产效率和节约下来的人工成本，将转换成该公司的价格优势，从而该企业在市场化竞争中脱颖而出，收获市场大量的占有率。在robotstudio上设计一套基于ABB工业机器人采用PLC控制的自动上下料系统，robotstudio是一款由ABB集团研发生产的计算机仿真软件，其强大的离线编辑功能使得工程师不在现场也能编辑和调试机器人程序，这也是其优点，可以避免现场操作失误从而产生不必要的后果。本文针对机械手的设计，选型了直线导轨以及气缸。再机械机器人的选型，然后在robotstudio上搭建工作站以及机器人的示教编程，再进行PLC设计和触摸屏的选择。最终完成了一套基于ABB工业机器人自动上下料系统的设计。

关键词：robotstudio；钣金冲压；ABB工业机器人；自动上下料系统；PLC

目录

1 绪论

1.1研究背景

1.2研究意义

1.3研究方法与技术路线路线

2 末端执行器方案设计

2.1末端执行器的作业背景及分析

2.2末端执行器零部件的选择

2.2.1直线导轨的选择

2.2.2夹具气缸的选择

2.3末端执行器的设计

3 钣金冲压自动上下料工作站控制系统的设计

3.1自动上下料工业机器人的选型

3.2自动上下料工业机器人工作站的搭建

3.2.1Robotstudio介绍

3.2.2自动上下料工作站结构

3.2.3工作站的搭建

3.2.4Smart组件的设置与机器人I/0信号的规划

4 自动上下料工作站程序设计

4.1自动化上下料系统程序初步设计

4.2自动化上下料系统程序设计

5 工作站控制系统的搭建

5.1博图V15.1软件简介

5.2自动上下料系统PLC控制程序设计

5.3自动上下料系统触摸屏界面的搭建

5.4控制系统电气连接设计

6 自动上料工作站控制仿真

6.1在robotstudio上对工作站流程仿真

6.2PLC进行自动上料控制仿真

总结

参考文献

1 绪论

1.1研究背景

工业机器人的钣金冲压自动上下料系统是集机电液为一体的自动化机械设备，其涵盖了机械、液压技术，而且还囊括了电气控制技术，其应用领域广泛，是现代工厂机械加工生产的主要技术和现代工业生产发展的新产业，在未来发展生产加工和社会方面发展中越来越扮演着重要的角色。工业自动化生产技术包含了机械原理、机械制造原理、控制原理、人工智能、计算机技术原理、传感器原理、电机技术原理等多门学科的现代化技术，是现代工业研究最为广泛的新产业，其采用自动上下料系统进行工件输送，这也使得其可以使工件准确定位，减低工件之间产生的定位误差，这可以大大能降低劳动工人的劳动强度，改善劳动工人的劳动环境，保障劳动工人的人身安全，降低劳动力产生的经济成本，并且可以节省工业加工原料，使得加工产品的质量和效率有着显著的提高，这对市场竞争中的企业来说起着不可或缺的重要作用。自动上下料系统跟计算机刚刚诞生时候一样，正日益广泛的影响着人类的生产、工作和生活方式，相信在以后人类社会产生生活中将成为不可或缺的存在。

1.2研究意义

工业自动化上下料系统是工业生产自动化生产线的基础，也是工业自动化生产线最为核心的一部分，其自动化程度决定着整条自动化生产线的自动化程度，为多台单工序加工机床自动化生产线研究与开发做好了基础工作，在整个工业自动化生产中充当着人类手臂的作用，即可以替代人类劳动力的手臂，让工业生产朝着更加自动化，智能化以及安全化的方向去发展。针对我国工厂现阶段普遍存在的招工难、效率低，劳工工资上涨，安全生产事故频发等问题，在基础零件的加工上，研发设计一款工业机器人自动上下料系统，实现对某些单一工序的加工零件进行自动化生产，实现高效快速自动化的生产。从根本上解决上述工厂招工难，效率低，劳工工资上涨，安全事故频发等问题，也可以解决国外对于一些基础零部件垄断的局面，提高我国在相关领域的技术高度。这个课题具有显著的经济效益以及社会效益，对企业，对社会，对国家都有很大的帮助。

1.3研究方法与技术路线路线

钣金冲压上下料控制系统是一项多学科交叉的综合性课题，它涉及到机床工艺学、上下料机械技术、液压技术，传感器技术、信息理论和控制理论、计算机技术和测试技术，需要学习多门基础知识从而配合本门课程的完成。除了对一些专业课的学习，为了能够顺利完成本课题的设计，这段时间还进行了以下一些方面的准备：

（1）进行实际生产调研，深入了解观察上下料系统和铣床的工作过程，了解生产工艺和加工过程，并记录实际上下料系统相关的信息；

（2）查阅浏览有关的技术文献，了解上下料工艺、原理、实际工况，找出现有上下料系统中存在的问题及需要改进的部分；

（3）确定上下料系统控制方案，为搭建上下料模拟试验台的设计做准备；

（4）上下料机械系统和液压系统的研究；

（5）上下料控制系统的设计；

（6）上下料控制系统硬件设计和调试；

（7）上下料控制系统软件设计和调试；

（8）通过实验的方法验证上下料控制系统的性能和控制系统的合理性，提出改进意见；

（9）进行生产实验，并进一步改进，最后投入生产使用。

2 末端执行器方案设计

2.1末端执行器的作业背景及分析

通常的机械手可分为三种，其分别为夹持式，吸附式和托持式，由于所夹持的为不规则形状，其大致尺寸为25*10*30且质量为5kg的半成品工件，3D图如图2.1。

图2.1半成品工件

上料工业机器人中所应用的机械夹持式末端执行器多为双指头爪式，如果按手指的运动来分可以分为平移型和回转型。若按照机械夹持方式来分可以分为外夹式和内撑式，若按照机械结构特性来进行分类的话，可以分为电动（电磁）式、液压式与气动式，以及他们相互的组合。气吸式机器人末端执行器利用吸盘内产的负压产生的吸力来吸住并移动工件。吸盘就是用的软橡胶或者是塑料制成的皮碗中形成的负压来吸住工件。此种机器人末端执行器适用于吸取大而薄、刚性差的金属或木质板材、纸张、玻璃和弧形壳体等作业零件。根据应用场合不同，末端执行器可以做成单吸盘、双吸盘、多吸盘或特殊形状的吸盘。按形成负压的方法有以下几种方式：挤压式吸盘、气流负压式吸盘、真空泵排气式吸盘。

（1）挤压式吸盘

挤压排气式吸盘靠向下挤压力将吸盘中的空气全部排出，使其内部形成负压状态然后将工件吸住。有结构简单、重量轻、成本低等优点。但是吸力不大，多用于序曲尺寸不太大，薄而轻的工件。

（2）气流负压式吸盘

气流控制阀将来自气泵中的压缩空气自喷嘴喷入，形成高速射流，将吸盘内腔中的空气带走从而使腔内形成负压，然后吸盘吸住物体，如若作业现场有压缩空气供应使用这种吸盘比较方便，且成本低。

（3）真空泵排气式吸盘

真空泵排气式吸盘利用电磁控制阀将真空泵与吸盘相联，当控制阀抽气时，吸盘腔内的空气被抽走时，形成腔内负压从而吸住物体。反之，控制阀将吸盘与大气联接时，吸盘会失去吸力从而松开工件。真空泵式吸盘的吸力主要取决于吸盘吸附面积的大小以及吸盘内墙的真空度（指内q腔空气的稀薄程度）。这种吸盘的工作可靠，吸力较大，但是需要配备真空本泵以及气流控制系统，费用较高。机械夹持式直杆式双气缸平移夹持器的结构夹持器指端安装在装有指端安装座的直杆上，当压力气体进入单作用式双气缸的两个有杆腔时，两活塞向中间移动，工件被夹紧；当没有压力气体进入时，弹簧推动两个活塞向外伸出，工件被松开。为保证两活塞同步运动，在气缸的进气路上安装分流阀。上下料装配工作站采用的是此种末端执行器。下图2.2为末端执行器的俯视图，

图2.2 末端执行器俯视图

①夹具的夹持板、②夹具的盖板、③滑动导轨、④气泵安放位置

夹具主要有驱动部分跟导向部分，驱动部分采用气泵驱动，由于采用导轨作为导向部分，所以夹持板的运动方式为直线运动，所以采用气缸作为动力源在做功效率上比电机驱动做功效率更高。本设计中抓取的产品是半成品零部件，从零部件的外形特点出发，展开机器人末端部件的设计工作，充分涉及到启动、传感器以及机械部件等。此类型夹具要求底板与机器人端部达到稳定的连接状态，两个气缸同步运行分别实现对手爪的控制，在气缸上增设了一个传感器装置，以便实现对抓手状态的检测，看其是松开还是夹紧。在两只手爪的辅助下，可以完成对半成品抓取操作，整个运行过程中效率高，所需的时间较短。

2.2末端执行器零部件的选择

2.2.1直线导轨的选择

（1）直线导轨选择的要求

①可靠性高，保证在恶劣的工作环境中也能保持良好的工作性能。对安装面要求低，更简单的安装以及适应面更多的安装面。受力方向较多要承受三个方向的负荷以及两个方向的转矩。成本低、使用寿命长，每个产品想要在投入市场，基本上都要求成本足够低，使用寿命足够长。

（2）直线导轨安装在机械夹具中，要求可靠性高，且寿命长，从而使得整个夹具的使用寿命增加，我们使用时可以根据负荷大小来选择导轨的具体型号，直线导轨受力方向：主要受到工件向下的力矩以及夹具本身向下的重力。直线导轨选择选用LSH20HN2X200S0AN-M6其三视图图下：

图2.3 直线导轨主视图

图2.4 直线导轨俯视图

图2.5 直线导轨左视图

表2.1 直线导轨尺寸参数表

H	H1	F	Y	C	C1	A	B
30.0mm	4.3mm	44.0mm	12.0mm	76.5mm	52.1mm	36.0mm	32.0mm
K	D	M	N	T	T1	G	H2
6.5mm	12.6mm	M5x0.8	6.0mm	0.0mm	0.0mm	20.0mm	17.5mm
P	Q	U	H3
60.0mm	9.5mm	5.8mm	8.5mm

2.2.2夹具气缸的选择

（1）气缸的选择基本要求

①可靠性高，保证在恶劣的工作环境中也能保持良好的工作性能。

②价格低且寿命高，在高强度的工作环境中，要求气缸的使用寿命长，才能保证工厂车间的高强度生产需求。

③结构气密性良好，避免出现漏气等气密性不好的情况

④耐高温性，在高强度的工作条件下，气缸因为摩擦出现发热等现象，就要求气缸要有较高的工作温度。工件重力为5kg，气缸在夹具中为水平安放，固气缸受到的径向力几乎可以忽略不记，因此可将气缸受力简化成仅受到轴向力的作用，只需要求得气缸受到轴向力的大小既可以确定气缸的参数型号。

轴向力的计算：F=μG（2-1）

μ：工件与夹板间的摩擦系数，取0.2G:工件的重力

工件的重力G为50N，则通过计算可知F=0.2*50N=10N，由于实际工作中，气缸输出值要比计算值大，所以气缸理论输出力F0=20N.气缸的缸径的确定。根据网上的实际的气缸我们选择内径为32mm的单杆单作用标准气缸，其型号为SC50x25(000)+()，下图为分别气缸的主视图跟左视图：

图2.6气缸主视图

图2.7 气缸的左视图

表2.2 气缸尺寸参数表

A	B	C	D	E	F	G	H
150.0mm	57.0mm	93.0mm	38.0mm	42.0mm	15.0mm	27.5mm	32.0m’m
I	J	K	L	M	N	O	P
23.0mm	8.0mm	M16x1.5	M6x1	9.5mm	17.0mm	1/4	8.5mm
Q	R	S	T	V	W	Z
2.5mm	10.0mm	62.0mm	47.0mm	20.0mm	17.0mm	-

2.3末端执行器的设计

经过前面的设计与分析，机器人末端执行器主要用到的一些零部件已经选型好了，剩下的还有设计夹具的外壳以及能装直线导轨和末端执行器的气缸的零件，因此需要为夹具出一整套的外壳等零部件。为了让气缸能带动夹具动作，还要给给气缸设计了一套底座与夹具的夹爪进行连接，如下图所示：

图2.8 气缸限位支座

图2.9 限位支座与导轨之间的板

图2.10 导轨与支座配合

设计限位支座与气缸进行连接，起到固定气缸的作用，再让限位支座与直线导轨进行连接，从而达到可以直线位移的效果，可以让气缸进行来回进行活塞运动，从而可以将气缸的提供的能量转换成夹具来回运动的动力能，再用来夹紧物体，这样就可以达到抓取物品的效果。夹具其他部分如图所示：

图2.11 整个夹具的固定安装板

图2.12 夹具盖板

图2.13 夹具效果图

末端执行器的模型已经建立完成，需要建末端执行器的模型导入软件中。打开robotstudio6.08，点击【导入几何体】将已经在solidworks建模好的夹具导入robotstudio6.08中，建立工具坐标，让系统感知到夹具所在位置，随后将夹具安装到机器人中，下图为夹具安装到机器人的效果图。

图2.14 夹具与机械手配合图

3 钣金冲压自动上下料工作站控制系统的设计

3.1自动上下料工业机器人的选型

这里选用IRB2600机器人来当整个自动化工作站动力机器人，虽然要加工的目标工件质量只有5kg，而IRB2600的有效载荷区间为12-20kg，但是要考虑到夹具本体也是有一定质量，也需要机器人提供动力，也算是机器人的载荷之中，所以综合考虑选型IRB2600。IRB2600是一款专用的高性能机器人，适用于精度要求非常苛刻的加工应用工艺，它有一系列不同配置，能够贴合各类应用需求，尽可能提高弧焊、加工、上下料等应用的生产效率。该系列所有型号均可采用倒置安装。IRB2600采用紧凑型设计，易于安装。结构坚固耐用，零部件数量已减至最少，可靠性高、维护间隔时间长。IRB2600机器人有效载荷选项在12-20千克之间，最大可达1.65米，路径精度和位置可重复性（RP=0.06mm），ABB独特的机器人运动控制优化了加速和减速，从而缩短了循环时间耐高压蒸汽清洗，环境适应性极强，防护等级达到IP67标准。ABBIRB2600机器人的控制器称为IRC5控制器，IRC5控制器包含一下部件：主电源、计算机供电单元、计算机控制模块（计算机主体）、输入/输出板、Customerconnections(用户连接端口)、FlexP