论文总字数：27599字

摘 要

车身电阻点焊过程中，会产生随机飞溅的点焊焊渣。飞溅到车身表面的焊渣既影响车身的美观性，同时又影响后续涂覆性能。目前国内汽车生产企业主要采用人工打磨方式去除焊渣，普遍存在作业环境恶劣、人工劳动强度大、质量稳定性差、打磨效率低等问题。

本文采用工业机器人自动化打磨方式去除车身点焊焊渣。但考虑到车门框加工面多为曲面并且空间狭窄，因此需要专门选择符合车门框焊渣打磨的打磨工具。参考了目前一些国内外先进的打磨方案，最终选择一款具有柔性的旋风磨碟作为打磨工具。结合目前比较成熟的打磨技术，本文提出了能有效完成焊渣打磨的末端执行器设计方案。该方案包括末端执行器的结构设计、打磨工具的转速与力控方案设计、加工路径的规划与仿真。末端执行器通过加入转速与力的控制，可以有效提高打磨效果与效率。末端执行器的结构设计发面主要包括机械结构与电气系统。

机械结构方面，结合车门框焊渣的加工特点，末端执行器要有质量轻、轴向距离短、形体小等要求。因此，选用了体型小、性能高的电主轴作为驱动电机。除此以外，机构设计方面还包含传动轴、夹具底板、法兰连接件等部分。

电气系统设计方面，使用了基于PLC、旋转编码器、触摸屏、变频器和电主轴的转速控制方案。该方案通过触摸屏实现人机交互功能，调整电主轴的运转状态；旋转编码器对电主轴转速进行实际测量并反馈给PLC，通过PLC再控制变频器的频率输出，从而实现转速控制。该设计主要包括主电路与控制电路绘制、PLC控制程序、触摸屏的组态设计等。

加工路径的规划主要通过ABB的软件RobotStudio来实现。先是建立车门框焊渣机器人打磨的工作站，然后将末端执行器的三维模型导入并安装到机器人法兰上，利用Machining PowerPac插件完成初步路径，再导入工作站进行运动路径与位置参数的调整，完成最终路径。

考虑到柔性的打磨工具，力控方面采用主被动柔顺综合控制的方案。被动柔顺通过打磨工具的柔性特性来实现。主动柔顺则通过恒力控制方案来实现。该方案通过ATI六维力/力矩传感器进行打磨法向力监测，并通过RAPID中的力控指令进行调整，从而实现打磨法向力的恒定控制。

关键词：点焊焊渣；机器人打磨；末端执行器；恒力控制；路径规划

Abstract

In the process of car body resistance spot welding, there will be randomly spattered welding slags. The welding slags splashed on the body surface affect not only the beauty of the car body, but also the subsequent painting performance. At present, domestic automobile manufacturers mainly use manual grinding to remove welding slags, in which there exist many problems such as bad working environment, high labor intensity, poor quality stability and low grinding efficiency.

In this thesis, the industrial robotic automatic grinding method is used to remove the car body spot welding slags. However, considering the facts that the machining surface of the door frame is mostly curved and the space is narrow, it is necessary to select a special grinding tool which is suitable for grinding the welding slags of the door frame. With reference to some advanced grinding schemes, a flexible cyclone disc is selected as grinding tool. Combined with the mature grinding technology, this thesis designs the scheme of end-effector which can finish welding slag grinding effectively. The scheme includes the structure design of the end-effector, the design of the rotational speed and force control of the grinding tool, and the planning and simulation of the machining path. The end-effector can effectively improve the grinding effect and efficiency by adding the control of rotational speed and force.

The structure design of end-effector mainly includes mechanical structure and electrical system.

In the aspect of mechanical structure design, combined with the processing characteristics of door frame welding slags, the end effector should have light mass, short axial distance, small shape and so on. Therefore, the small and high performance of the motorized spindle is selected as the driving motor. In addition, the mechanism design also includes the drive shaft, fixture base, flange connectors and other parts.

In the aspect of electrical system design, the speed control scheme based on PLC, rotary encoder, touch screen, frequency converter and electric motorized spindle is used. The scheme realizes the function of man-machine interaction through touch screen, which adjusts the running state of the motorized spindle. The rotary encoder actually measures the rotating speed of the motorized spindle and feedback to the PLC, through the PLC to control the frequency output of the frequency converter, so as to realize the speed control. Design mainly includes main circuit and control circuit drawing, PLC control program, touch screen configuration design and so on.

The planning of processing path is mainly realized by ABB software RobotStudio. Firstly, the work station of door frame welding slag grinding is established, then the 3D model of the end actuator is imported and installed on the robot flange, the initial path is completed by using the Machining PowerPac plug-in, and then the motion path and position parameters are adjusted to complete the final path.

Considering the flexible grinding tools, the active and passive compliant integrated control scheme is adopted in force control. Passive compliance is achieved by the flexible characteristics of the grinding tool, and active compliance is achieved by constant force control scheme. In this scheme, the grinding normal force is monitored by ATI six dimensional force / moment sensor, and adjusted by the force control command in RAPID, so as to realize the constant control of grinding normal force..

Key Words：Spot welding slag; Robotic grinding; End effector; Constant force control; Path planning

目 录

摘 要 I

Abstract II

第1章 绪论 1

1.1 课题来源 1

1.2 课题背景及意义 1

1.3 国内外研究概况 2

1.3.1 机器人末端执行器设计开发 2

1.3.2 机器人加工力控制 3

1.3.3 机器人加工路径智能规划 3

1.4 存在的问题和解决方案 4

1.5 设计的基本内容 4

第2章 末端执行器机械结构设计 6

2.1 末端执行器功能需求分析以及打磨参数的确定 6

2.1.1 末端执行器功能需求分析 6

2.1.2 打磨参数的确定 6

2.2 末端执行器核心部件选型 7

2.2.1 旋风磨碟的选型 7

2.2.2 驱动电机的选型 8

2.3 末端执行器传动部分与支承部分设计 9

2.3.1 末端执行器传动部分 9

2.3.2 末端执行器支承部分设计 9

2.4 末端执行器整体机械结构设计 10

2.5 末端执行器结构的静力学分析 12

2.6 本章小结 13

第3章 末端执行器电气系统和转速控制方案设计 14

3.1 末端执行器电气功能 14

3.2 打磨工具转速控制方案 14

3.3 主电路设计 16

3.4 控制电路设计 17

3.4.1 PLC控制单元选型 17

3.4.2 变频器工作模式及参数设计 18

3.4.3 PLC I/O端口的设置与接线 20

3.4.4 触摸屏设计 21

3.4.5 PLC控制程序设计 23

3.5 本章小节 27

第4章 机器人离线编程以及力控方案设计 28

4.1 机器人工作站的建立 28

4.2 基于RobotStudio的路径规划 29

4.3 机器人力控方案设计 31

4.4 机器人打磨运动仿真 33

4.5 本章小结 34

第5章 总结与工作展望 35

5.1 总结 35

5.2 工作展望 35

参考文献 37

附录 39

附录A PLC控制梯形图程序 39

附录B 机器人RAPID程序(部分) 45

致谢 46

第1章 绪论

1.1 课题来源

本课题来源于国家自然科学基金，视觉引导下基于深度学习的车身点焊焊渣精准检测与自适应磨抛加工技术研究，项目编号：51975443。

1.2 课题背景及意义

车身点焊焊接过程中，极易在焊接贴合面或电极与焊件表面喷出微细熔化金属颗粒，俗称“点焊飞溅”。焊渣的随机飞溅影响车身表面质量，进而影响后续涂覆性能。

图1.1 车身点焊时焊渣随机飞溅

现有的方法主要是通过人工去除这些焊渣缺陷。但人工作业环境恶劣，劳动强度大，并且去除效果与工人经验手感有关，甚至会出现漏打、打磨不均匀等问题。这些问题对以机器人为代表的自动化加工方式提出了迫切需求。

图1.2 人工打磨（左图），机器人打磨（右图）

采用工业机器人打磨的方式，在大批量生产的条件下，具有成本低、质量高、操作空间大、对环境的适应性强等优点。汽车白车身多部件打磨加工方面，已经普遍采用工业机器人。若车门框的表面焊渣采用工业机器人打磨，使得白车身加工更加智能化、自动化，实现完整的自动化工艺流程。由于车门框加工曲面比较狭窄，若采用市面上普遍的打磨工具，比如砂带、砂轮、磨盘、普通磨碟，其加工时往往会出现结构干涉、加工死角等问题，因此此次设计参照了FerRobotics的ACF柔性自动化解决方案，选用了一种旋风磨碟作为打磨工具。旋风磨碟是最新研制出的热门打磨工具，具有使用寿命长、无需更换打磨砂纸、对门框等类型的加工表面适应性好、打磨效率高等优点。而由柔性材料制成的旋风磨碟在车门框打磨方面，具有不伤车门框表面的特点。近些年来，有部分汽车制造企业已经开始将旋风磨碟选作为车门框打磨工具。

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