汽車白車身新型柔性定位單元設(shè)計(jì)及運(yùn)動(dòng)仿真

彭少峰，徐 雷，王 強(qiáng)，陳 沛

PENG Shao-feng, XU Lei, WANG Qiang, CHEN Pei

（四川大學(xué) 制造科學(xué)與工程學(xué)院，成都 610065）

0 引言

柔性定位單元是柔性制造技術(shù)在自動(dòng)生產(chǎn)線的應(yīng)用之一，主要突出產(chǎn)品柔性和運(yùn)行柔性，應(yīng)用于汽車白車身底板定位的生產(chǎn)線，其特有的高速、精確特性，可以與標(biāo)準(zhǔn)機(jī)器人配合使用，實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線的柔性化，以實(shí)現(xiàn)精確、快速、的車身底板定位以及同一生產(chǎn)線上不同車型間定位的切換，大幅加快汽車生產(chǎn)節(jié)拍，提高生產(chǎn)效率，節(jié)約成本[1]。以往柔性定位單元大多采用的是實(shí)現(xiàn)直線運(yùn)動(dòng)的立柱式三坐標(biāo)機(jī)器人，特別是同一生產(chǎn)線上不同車型間切換的時(shí)候，占用車身輸送系統(tǒng)空間，只能適用于部分車型，不具備廣泛使用性，影響生產(chǎn)節(jié)拍。針對這種情況，本文提出了一種新型柔性定位單元的設(shè)計(jì)，能節(jié)省生產(chǎn)線中間車身輸送系統(tǒng)空間的定位單元來實(shí)現(xiàn)定位，在很大程度上能解決定位過程中空間干涉的問題。

1 柔性定位單元的構(gòu)成

柔性定位單元是基于三坐標(biāo)軸運(yùn)動(dòng)機(jī)器人原理設(shè)計(jì)而成，一般由6～8個(gè)柔性單元分布在白車身生產(chǎn)線的1個(gè)工位。其控制系統(tǒng)部分是圍繞工控機(jī)和運(yùn)動(dòng)控制器構(gòu)建的開放式多軸運(yùn)動(dòng)控制系統(tǒng)，核心部件是工業(yè)控制計(jì)算機(jī)（IPC）、運(yùn)動(dòng)控制器和交流伺服系統(tǒng)。通過對伺服電機(jī)進(jìn)行快速、精確、同步調(diào)整，來實(shí)現(xiàn)對不同規(guī)格尺寸的白車身進(jìn)行支撐與定位，實(shí)現(xiàn)降低工裝成本、提高生產(chǎn)效率、減少占地面積、適于多種車型的“柔性”生產(chǎn)模式[1]。

2 新型柔性定位單元的構(gòu)成

2.1 新方案設(shè)計(jì)

柔性定位單元定位過程中，為了節(jié)省車身輸送系統(tǒng)空間，提出在Z軸方向（即垂直高度方向）要能實(shí)現(xiàn)收縮運(yùn)動(dòng)，Y軸（即水平方向且垂直于生產(chǎn)線方向）實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，X軸（即水平方向且平行生產(chǎn)線方向）仍采用滾珠絲桿傳動(dòng)方式的方案。定位過程中，Z軸處于收縮狀態(tài)，Y軸與生產(chǎn)線平行，或者處于生產(chǎn)線外側(cè)空間，節(jié)省了生產(chǎn)線車身運(yùn)輸?shù)目臻g，防止空間干涉，從而可以適用更多車型的生產(chǎn)活動(dòng)。根據(jù)實(shí)際需求，提出一些參數(shù)，具體如下：

最大負(fù)荷重量：100kg；

動(dòng)作范圍：X、Y為300mm，Z軸為250mm；

重復(fù)定位精度：±0.05mm；

最大速度：X、Y軸為300mm/s，Z軸為250mm/s。

新方案中Z軸采用伸縮型機(jī)構(gòu)，Y軸（即水平方向且垂直于生產(chǎn)線方向）采用SCARA機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)臂方式，X軸（即水平方向且平行生產(chǎn)線方向）仍采用滾珠絲桿傳動(dòng)。新方案示意圖如圖1所示。

圖1 新方案示意圖

2.2 軸體傳動(dòng)方案及選型

X軸采用線性模組，根據(jù)實(shí)際承受載荷和扭矩來選取對應(yīng)的模組，從而實(shí)現(xiàn)X軸方向的直線運(yùn)動(dòng)。由于進(jìn)口絲杠模組價(jià)格較貴，在滿足使用條件情況下，優(yōu)先選用國產(chǎn)產(chǎn)品。新方案選用的是海特傳動(dòng)的滾珠絲杠導(dǎo)程為10mm的HTB180型模組，選取有效行程為500mm（得滿足大于X軸方向行程425mm要求）即可。其最快速度為500mm/sec，水平使用最大載荷為100kg，滿足使用要求。可根據(jù)使用場地空間決定伺服電機(jī)安裝位置，有馬達(dá)左折、馬達(dá)右折和馬達(dá)直聯(lián)三種方式。

Y軸的采用是SCARA機(jī)器人的旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)，以實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。伺服電機(jī)與行星減速器連接后，通過底座連接體安裝在機(jī)器人底座機(jī)箱內(nèi)部，其輸出扭矩通過行星減速器來驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)臂轉(zhuǎn)動(dòng)。將其安裝在機(jī)座上，就可減少臂部慣量、增強(qiáng)機(jī)身剛性。采用了一對圓錐滾子軸承的設(shè)計(jì)，承受機(jī)器人本體對關(guān)節(jié)的壓力和彎矩，保護(hù)了減速器[2]。Y軸旋轉(zhuǎn)臂采用鋁合金材料加工成型，重量輕強(qiáng)度高，使得關(guān)節(jié)控制軸可以取得較高的控制速度和加速度。Y軸的旋轉(zhuǎn)臂桿端旋轉(zhuǎn)中心與升降機(jī)跨距為300mm（近似值425mm），所計(jì)算出來實(shí)現(xiàn)頂端定位立體空間所需要X軸方向的滾珠絲杠工作臺(tái)運(yùn)動(dòng)距離最短。

Z軸采用JWB滾珠絲杠升降機(jī)，絲杠軸伸縮運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)頂端伸縮和定位，主要由精密滾珠絲桿副與高精度蝸輪蝸桿副構(gòu)成。根據(jù)其實(shí)際載荷，選用JWB010型行程為250mm的升降機(jī)即可滿足要求。

3 旋轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)及其靜力學(xué)分析

旋轉(zhuǎn)臂采用的是類似SCARA機(jī)器人的大臂,臂寬160mm，臂長610mm，臂旋轉(zhuǎn)厚40mm，并對臂遠(yuǎn)端部分加厚10mm進(jìn)行強(qiáng)化結(jié)構(gòu)，以減少其彎曲變形量。桿端旋轉(zhuǎn)中心與升降機(jī)絲杠軸中心跨距為300。

對旋轉(zhuǎn)臂用ANSYS Workbench進(jìn)行靜力學(xué)分析。模型材料選為鋁合金，密度為2700kg/m2，彈性模量為71GPa，泊松比為0.31。網(wǎng)格設(shè)定所需的參數(shù)，將決定網(wǎng)格的大小、形狀，這一步非常重要，將影響分析時(shí)的正確性和經(jīng)濟(jì)性[3]。本文采用尺寸控制（Sizing）方式設(shè)置單元尺寸為5mm來網(wǎng)格劃分，得到277218個(gè)單元，395783個(gè)節(jié)點(diǎn)。

載荷與約束在有限元分析中起到至關(guān)重要的作用，決定著分析結(jié)果的準(zhǔn)確性[4,5]。整套定位單元最大承重100kg，考慮到承重不均勻的情況，單個(gè)載重?cái)U(kuò)大1.5倍，為25kg，升降機(jī)自重為7.4kg，伺服電機(jī)自重4.1kg。所以旋轉(zhuǎn)臂末端所受升降機(jī)載荷最大為（100/6×1.5+7.4）×9.8=317.52N，取其集中載荷為320N，伺服電機(jī)載荷為4.1×9.8=40.18N，取其集中載荷為41N。伺服電機(jī)旋轉(zhuǎn)臂約束為旋轉(zhuǎn)中心端固定。旋轉(zhuǎn)臂載所受載荷及約束如圖2所示。

圖2 旋轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)載荷及約束

根據(jù)實(shí)際情況對模型添加約束，利用Workbench自身強(qiáng)大功能，設(shè)置求解類型，將旋轉(zhuǎn)臂的總形變和等效應(yīng)力作為計(jì)算結(jié)果[6]。經(jīng)過求解每一個(gè)定義節(jié)點(diǎn)的等效應(yīng)力及形變，最終得到旋轉(zhuǎn)臂形變位移分布圖和等效應(yīng)力分布圖，如圖3、圖4所示。

圖3 旋轉(zhuǎn)臂形變位移分布圖

圖4 旋轉(zhuǎn)臂等效應(yīng)力分布圖

旋轉(zhuǎn)臂使用的是鋁合金材料，取安全系數(shù)n=2，許用應(yīng)力[δ]=96MPa。從圖3位移分布圖看出最大變形量發(fā)生在臂末端，為0.0989mm，變形量較小，剛度性能也較好，能夠保證最大承載條件下的使用。從圖4應(yīng)力圖中可以看出，小臂的大部分等效應(yīng)力值在0.22731MPa～7.7801MPa之間，最大值為7.7801MPa，從應(yīng)力角度分析，小臂的最大工作應(yīng)力遠(yuǎn)小于鋁合金材料的許用應(yīng)力值，說明材料的屈服能力很強(qiáng)。這也進(jìn)一步證明了旋轉(zhuǎn)臂結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的有效性。

4 三軸運(yùn)動(dòng)軌跡模擬和分析

CATIA V5中的“DMU運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)”工作臺(tái)提供了逼真地模擬機(jī)構(gòu)在特定的環(huán)境中的工作狀況，分析其運(yùn)動(dòng)規(guī)律，并對其作出動(dòng)態(tài)的分析和判斷的功能。按規(guī)定，進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真應(yīng)執(zhí)行以下五個(gè)主要步驟[7]：

1）要?jiǎng)?chuàng)建一個(gè)機(jī)構(gòu)首先需要選擇主菜單上的“開始”→“數(shù)字化裝配”→“DMU運(yùn)動(dòng)仿真”進(jìn)入運(yùn)動(dòng)仿真工作環(huán)境。

2）接著打開一個(gè)已經(jīng)在裝配環(huán)境下創(chuàng)建或者裝配體文檔。

3）要?jiǎng)?chuàng)建運(yùn)動(dòng)副和驅(qū)動(dòng)指令，還要對每個(gè)零件的自由度進(jìn)行定義。

4）要對機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，至少需要有一個(gè)零件被固定。

5）設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)構(gòu)時(shí)，必須在各零件之間建立不同的連接關(guān)系。

定位單元X軸運(yùn)動(dòng)形式為電機(jī)驅(qū)動(dòng)滾珠絲杠作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，滾珠絲杠的旋轉(zhuǎn)推動(dòng)螺母作直線運(yùn)動(dòng)，從而帶動(dòng)平臺(tái)在導(dǎo)軌上進(jìn)行平移運(yùn)動(dòng)。Y軸為伺服電機(jī)通過絲杠實(shí)現(xiàn)伸縮運(yùn)動(dòng)為本次裝配體是簡化的三維模型。在運(yùn)動(dòng)模擬中，X軸直接添加運(yùn)動(dòng)命令于驅(qū)動(dòng)滑塊與導(dǎo)軌之間，為棱形結(jié)合，設(shè)置驅(qū)動(dòng)長度。Y軸直接添加運(yùn)動(dòng)命令于旋轉(zhuǎn)臂與旋轉(zhuǎn)底座之間，為旋轉(zhuǎn)結(jié)合，設(shè)置驅(qū)動(dòng)角度。Z軸直接添加運(yùn)動(dòng)命令于滾珠絲杠與升降機(jī)之間，為圓柱結(jié)合，設(shè)置驅(qū)動(dòng)長度和驅(qū)動(dòng)角度。

設(shè)置好固定零件后，單擊工具欄中的公式按鈕，給各軸添加運(yùn)動(dòng)公式，單擊規(guī)則運(yùn)動(dòng)模擬圖標(biāo)，進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬，可以看到定位單元各個(gè)軸之間的聯(lián)動(dòng)動(dòng)畫，實(shí)現(xiàn)坐標(biāo)位置的定位。也可以對某個(gè)或某幾個(gè)公式對象取消激活，實(shí)現(xiàn)單軸或某幾個(gè)軸運(yùn)動(dòng)。如圖5、圖6所示。

圖5 初始位置運(yùn)動(dòng)模擬

圖6 極限位置運(yùn)動(dòng)模擬

使用工具欄中的“Trace（軌跡）”按鈕，選取各軸上的某些點(diǎn)，再選擇對應(yīng)的參考件，這樣對各軸進(jìn)行軌跡生成，依次模擬各個(gè)軸的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)生成的軌跡，如圖7所示，從中可以看到XYZ三軸的運(yùn)動(dòng)軌跡（圖中白色線條部分）。

圖7 各軸獨(dú)立運(yùn)動(dòng)軌跡生成

設(shè)置的運(yùn)動(dòng)時(shí)間為1s，圖中各軸獨(dú)立運(yùn)動(dòng)時(shí)，X軸方向滾珠絲杠工作平臺(tái)移動(dòng)了425mm，旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)45deg，X-Y平面可以實(shí)現(xiàn)邊長為300mm的正方形工作區(qū)域，Z軸方向上升250mm。實(shí)現(xiàn)了方案所需要的工作空間，這也證明了該運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)的合理性。

5 結(jié)束語

文中針對以往柔性定位單元的弊端，提出能有效節(jié)省車身輸送裝置的空間的新型設(shè)計(jì)。該設(shè)計(jì)中多采用已有的產(chǎn)品和機(jī)構(gòu)，只需對部分零件進(jìn)行設(shè)計(jì)。對旋轉(zhuǎn)臂的靜力學(xué)分析證明了該結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，并對各運(yùn)動(dòng)軸利用CATIA的DUM運(yùn)動(dòng)仿真功能進(jìn)行運(yùn)動(dòng)模擬，完成設(shè)計(jì)要求的運(yùn)動(dòng)動(dòng)作，生成運(yùn)動(dòng)軌跡，軌跡生成符合設(shè)計(jì)之初要求，進(jìn)一步證明該設(shè)計(jì)的合理性。

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