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工業機器人打磨清理剎車片支架的方案構建

時間:2020-01-10 來源:沈陽工業大學 作者:鄭博濤 本文字數:4414字
  摘要
  
  近年來汽車銷量逐年增長,人們對汽車零部件的要求也越來越嚴格,剎車片支架作為汽車的零部件之一,其主要是采用鑄造的方式成型的,由于工藝特點,鑄造后表面會出現粗糙不平和毛刺等現象,這些缺陷會影響工件的使用性能及外觀質量,同時工人搬運工件時也會存在安全隱患。目前大部分企業還是通過人工的方式打磨剎車片支架,但是在打磨過程中會產生大量的粉塵并伴隨著噪音使得加工車間的工作環境污染極其嚴重,長時間在這種加工環境下會對工人身體造成極大的傷害。本文以工業機器人為主體,設計了一套打磨清理剎車片支架方案,提升了生產線自動化程度,降低了工人的勞動強度。

工業機器人打磨清理剎車片支架的方案構建
  
  主要研究工作如下:
  
  分析各個打磨影響因素對打磨質量與打磨效率的影響,實現在打磨過程中磨頭壓力的穩定控制,并求解出打磨功率作為確定打磨工具型號的依據。
  
  搭建一套剎車片支架打磨系統,確定打磨方式,選擇工業機器人型號,通過設計工件夾具和工作臺,實現工件的定位與夾緊。
  
  由D-H參數法建立機器人運動學,實現機器人末端定位,使用MATLAB中的機器人工具箱建立機器人模型,并對運動學做仿真驗證,基于運動學求解機器人工作空間確保所有打磨軌跡點都包含在機器人三維工作空間內。
  
  最后使用Robot Art對打磨軌跡進行規劃,通過導入機器人、工具、零件、夾具、工作臺等模型,規劃打磨軌跡后進行干涉檢查和打磨仿真,驗證軌跡規劃的合理性,通過后置功能導出離線打磨程序。
  
  關鍵詞: 打磨機器人,剎車片支架,機器人運動學,軌跡規劃,離線仿真 。
  
  Abstract
  
  In recent  years, automobile sales have increased year by year, and people's requirements for automobile parts  are  becoming more and more stringent.  Brake pad bracket  is  formed by casting.  Because  of  its  technological  characteristics,  surface  roughness  and  burr  will  appear after  casting.  These  defects  affect  the  performance  and  appearance  quality  of  the  workpiece, and there will also be potential safety hazards when workers move the workpiece. At present, most enterprises still grind the burrs by artificial, but in the grinding process, a large amount of dust  and  noise  will  be  produced,  which  will  cause  serious  environmental  pollution  in  the processing  workshop.  Taking  industrial  robots  as  the  main  body,  a  set  of  grinding  and deburring scheme for brake pad brake support was designed, which improves the automationof production line and reduces the labor intensity of workers.
  
  The main research contents are as follows; The influence of various grinding factors on grinding quality and efficiency is analyzed. The  stable  control  of  grinding  head  pressure  is  realized  in  the  grinding  process,  and  the grinding power is calculated as the basis for determining the type of grinding tool.
  
  A set of grinding system was built. The type of industrial robot was selected. Through the design of workpiece fixture and worktable, the positioning and clamping of workpiece can be realized.
  
  The kinematics of the robot is established by D-H parameter method, and the positioning of the end of the robot is realized. The robot model is established by using the robot toolbox in MATLAB,  and  the  kinematics  is  verified  by  simulation.  Solving  the  workspace  of  the  robot ensures that all grinding trajectory points are included in the three-dimensional workspace.
  
  Finally,  the  grinding  trajectory  is  planned  by  Robot Art.  The  interference  checking  and grinding simulation are carried out  after the grinding trajectory is planned by introducing the model of robot, tool, parts, fixture and worktable. The rationality of the trajectory planning is verified and the off-line grinding program is derived through the post-function.
  
  Key Words:    Grinding robot, Brake pad bracket, Robot kinematics, Trajectory planning, Off-line simulation。
  
  第 1 章 緒論
 
  
  1.1 課題研究背景、目的及意義 。
  
  1.1.1 課題研究背景 。

  
  現今,用鑄造的方式來得到機械產品毛坯已經成為主要的方式之一,在很多的機械裝置中鑄件的質量占據總體質量的較大部分,其中汽車行業尤為明顯,如組成汽車發動機中的曲軸、缸體、缸蓋、進排氣管等關鍵零件基本都是通過鑄造的方式生產的。鑄件是通過將冶煉好的液態金屬注入鑄型內,經過冷卻成型的,這會在鑄模的澆口根部和接縫處多出一部分金屬,多出的金屬則被稱為毛刺,毛刺的存在會影響鑄件表面質量,因此就需要對這些缺陷進行專門的處理。處理毛刺的方法大體可分為人工法、熱能法、噴射法、振動光飾法、磁力研磨法、化學法、電化學法、電弧放電法、電熱絲法、超聲波法、激光法、機器人打磨法。隨著機器人技術的發展,已經可以通過編程實現用工業機器人自動地對工件表面進行處理,將生產力解放出來,因此使用機器人打磨法也越來越被人們所關注。
  
  工業機器人從90年代開始迅速發展,在一些發達的歐美國家,工業機器人已經被應用在部分工業生產領域中[1]。工業機器人具有持續作業時間長、反應迅速、精度高等一系列優點,使得將工業機器人應用在工件表面處理領域尤為適合。此外,對機器人編程可以實現不同的工件打磨,這更加體現了機器人的優勢。
  
  本課題的研究對象剎車片支架就是使用鑄造的方式生產的,因此本文結合工業機器人的優勢來實現自動地對工件進行打磨。
  
  1.1.2 課題研究目的及意義 。
  

  剎車片支架如圖1.1所示,主要是采用模具澆鑄的方式鑄造成型的,鑄造后存在毛刺飛邊等現象,這些缺陷會影響工件的使用性能及外觀質量,同時工人搬運工件時也會存在安全隱患。剎車片支架的作用是支撐剎車片,剎車片的作用是與剎車盤通過摩擦實現減速、停止的目的,優良的剎車性能對安全性至關重要。因此,為了保障剎車系統的靈敏性和獲得更佳的外觀質量對鑄造后的剎車片支架表面的進一步處理是不可或缺的一道加工工序。
  
  
  
  目前剎車片支架的打磨主要還是依靠人工打磨,如圖 1.2 所示,雖然這種打磨方式所使用的設備價格較低,但打磨效率低,打磨后表面一致性較差,另外在打磨過程中會產生大量的粉塵并伴隨著噪音使得加工車間的工作環境污染極其嚴重,長時間在這種加工環境下會對工人身體造成極大的傷害[2]!吨袊圃2025》中提出的綠色發展、以人為本的理念也體現國家對工人生產環境的要求逐漸嚴格,以及近年來由于裝備技術水平不斷的進步,使用人工來打磨的這種方式最終會被智能表面處理的加工方式所取代[3]。因此本文分析與研究了能夠代替人工作業的工業機器人鑄件表面處理技術,這對日后鑄件表面清理的研究具有重要的實際意義。
  
   
  
  隨著工業機器人技術的不斷發展使得工業機器人在應用上更加成熟,同時國內也在大力發展制造業的升級轉型,很多機器人學專家都認為到2020年以后機器人市場前景更加美好,使得工業機器人代替人類完成生產加工的工作任務成為可能[4]。
  
  表面處理機器人在工業機器人中占據了很重要的地位,工業機器人處理鑄件表面具有以下優勢[5]:
  
 。1)全自動打磨毛刺,可以大幅度提高產量,提升企業競爭力。
  
 。2)機器人打磨系統可以配置多種刀具且可以實現自動更換刀具。
  
 。3)通過設計雙工位工作臺,利用托盤回轉可以在雙工位之間進行轉換,可以自動裝載和卸載打磨的工件。
  
 。4)工業機器人具有多個自由度,可以像人的手臂一樣靈活到達三維空間的任意點,并且定位精度高。
  
 。5)可以通過電腦對機器人進行離線編程,將編好的程序輸入到機器人的控制模塊中即可實現讓工業機器人按照人們預定的設計在空間中進行運動。
  
 。6)工業機器人處理鑄件表面具有較高的柔性,針對不同的需要表面處理的工件選用不同的加工程序。
  
 。7)可在嚴峻的生產環境下進行作業,將操作工人從危險環境中解放出來。
  
  通過編程實現工業機器人在空間中的復雜曲線運動,大大降低了在表面處理這道工序的成本,提高了加工效率和產品的質量。機器人加工已經廣泛引起了機械加工領域的重視,使用工業機器人進行表面處理必然會成為未來的主流趨勢。
  
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  1.2、打磨工業機器人國內外研究現狀.

  1.2.1、國外工業機器人打磨研究現狀
  1.2.2、國內工業機器人打磨研究現狀
  
  1.3、打磨關鍵技術
  
  1.4、論文主要研究內容
  
  第2章  打磨工藝分析
  
  2.1、打磨需求及打磨機理.

  2.2、打磨影響因素
  2.3、磨頭壓力穩定性控制
  2.4、打磨功率計算
  2.5、砂輪打磨要素的確定.
  
  第3章  剎車片支架打磨系統.
  
  3.1、打磨設備及打磨方式

  3.2、打磨工具
  3.3、工件夾具設計.
  3.3.1、 夾具定位
  3.3.2、夾具夾緊
  
  3.4、工作臺設計.
  3.5、多軸工業機器人及輔助設備.
  3.6、本章小結.
  
  第4章  打磨機器人的定位運動分析與仿真
  
  4.1、機器人連桿位姿描述與坐標變換

  4.1.1、位置描述
  4.1.2、方位描述
  4.1.3、坐標變換
  
  4.2、機器人連桿坐標系與連桿參數.
  
  4.3、機器人運動學模型建立

  4.3.1、機器人正運動學
  4.3.2、機器人逆運動學
  
  4.4、運動學仿真及結果分析.
  4.4.1、基于機器人工具箱齊次坐標變換
  4.4.2、在Robotics Toolbox環境下的IBR2600機器人建模
  4.4.3、正逆運動學仿真
  
  4.5、基于運動學的工作空間求解及工作臺位置的確定
  4.5.1、工作空間求解.
  4.5.2、工作臺位置的確定
  
  4.6、本章小結
  
  第5章  基于RobotArt的打磨軌跡規劃及離線編程
  
  5.1、環境搭建.

  5.1.1、工業機器人導入
  5.1.2 、打磨工具導入
  5.1.3、打磨工件、夾具及工作臺的
  5.1.4、周邊設備導入
  
  5.2、工件的定位與夾緊.
  
  5.3、工作臺的定位
  
  5.4、零件上半部打磨軌跡的規劃及打磨仿真

  5.4.1、生成軌跡
  5.4.2、 Z軸固定與生成出入刀點
  5.4.3、軌跡優化.
  5.4.4、其余加工軌跡的生成
  5.4.5、干涉檢查
  5.4.6、打磨仿真
  5.4.7、后置
  
  5.5、零件下半部打磨軌跡的規劃及打磨仿真
  
  5.6、本章小結

  第 6 章 結論

  本文對機器人打磨剎車片支架進行了相關研究,首先,設計了工件夾具及工作臺,再通過對其他設備的選型構成了一套打磨工作站。然后,通過對機器人運動學的研究,實現了機器人末端的空間定位。最后,基于Robot Art軟件對打磨路徑進行規劃,并對打磨過程進行了仿真驗證。本文主要的研究成果如下:

 。1)完成工件夾具及工作臺的設計,建立了一套剎車片打磨系統,實現了剎車片支架的自動打磨。

 。2)采用D-H法建立IRB-2600型機器人連桿坐標系及運動學方程,實現機器人末端的定位。調用Robotics Toolbox函數,對機器人正逆運動學進行仿真分析,驗證所建立的運動學方程的正確性,并求解機器人工作空間,確保所有打磨點均在此工作空間內。

 。3)基于Robot Art軟件規劃出打磨路徑并進行干涉檢查,通過仿真驗證了打磨軌跡規劃的合理性,同時生成了最終的機器人加工程序。

  參考文獻

    鄭博濤. 鑄件表面處理的工業機器人關鍵技術研究[D]. 沈陽工業大學 2019
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