箱體部件自動化裝配工裝夾具設(shè)計

劉卓立，王志輝

(武漢理工大學 機電工程學院，武漢 430070)

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箱體部件自動化裝配工裝夾具設(shè)計

劉卓立，王志輝

(武漢理工大學 機電工程學院，武漢 430070)

摘要：自動化裝配在制造業(yè)中占有重要地位，而箱體部件是裝配作業(yè)中的常見結(jié)構(gòu)。在分析箱體部件結(jié)構(gòu)和裝配特點的基礎(chǔ)上，運用CAD/CAM的參數(shù)化建模功能,設(shè)計以三臺機器人為主體的箱體自動化裝配線，建立了隨行夾具及其工裝快換裝置的三維模型。設(shè)計基于RCC的軟浮動機械手抓取模塊并提出一種激光位移傳感器與PLC結(jié)合使用的孔相位找正方法。實現(xiàn)了箱體零件與裝配工藝的并行設(shè)計,縮短了開發(fā)周期，一定程度上提高了機器人裝配的柔順性，改善了軸孔裝配質(zhì)量，減少復(fù)雜計算，節(jié)約了開發(fā)成本。

關(guān)鍵詞：三維建模；隨行夾具；機械手抓取模塊；孔相位找正

0引言

裝配在制造業(yè)中占有重要地位,而自動化裝配領(lǐng)域?qū)⑹俏磥頇C器人技術(shù)發(fā)展的重點之一[1]。箱體部件，是裝配作業(yè)中常見的部件，解決裝配過程中夾具的快速定位與夾緊、軸孔裝配精度的改善、孔相位找正等問題是保證機器人自動化裝配質(zhì)量的關(guān)鍵。

國內(nèi)對機器人裝配技術(shù)做了大量研究，如韓衛(wèi)軍等分析了機器人裝配質(zhì)量影響因素并且做了基于偏差向量的零件抓取精度分析[2-3]。萬海波設(shè)計了一種自動裝配對中機構(gòu)[4]。楊玲玲等提出了一種全新的模型自動裝配策略[5]。但是目前針對箱體部件裝配工裝夾具的研究并不多。本文在對箱體部件結(jié)構(gòu)與機器人自動化裝配特點進行分析的基礎(chǔ)上，運用并行設(shè)計理念，通過CAD/CAM的參數(shù)化建模功能，設(shè)計以三臺機器人為主體的箱體自動化裝配線。詳細闡述了其關(guān)鍵工裝夾具設(shè)計，提出一種經(jīng)濟便捷的孔相位找正方法，從而減少了自動化裝配線的開發(fā)成本、縮短了開發(fā)周期,對提高裝配質(zhì)量以及改善經(jīng)濟性具有借鑒意義。

1箱體部件裝配工藝設(shè)計

1.1箱體裝配工藝流程規(guī)劃

以圖1所示的箱體部件為例，通過對箱體部件各組成零件外形結(jié)構(gòu)的分析，運用CAD/CAM的參數(shù)化建模功能，對箱體部件各零件進行建模，在此基礎(chǔ)上，運用并行設(shè)計的思想，開展裝配工藝設(shè)計，如圖2所示為三臺機器人為主體的自動化裝配生產(chǎn)線三維裝配效果圖。

裝配工藝流程概述：物流方向如圖2中箭頭所示方向，由前一工序?qū)⑾潴w零件安放在隨行夾具上，按左側(cè)箭頭方向流向搬運機器人正對的工裝臺位置，等待搬運機器人，搬運機器人與隨行夾具對接后將其搬運至減速器裝配工作臺，裝配機器人完成減速器及其螺釘?shù)难b配與涂膠工作，搬運機器人將隨行夾具搬運至支撐套組件裝配工作臺完成軸承、支撐套、法蘭、螺栓的裝配工作，搬運機器人將隨行夾具搬運至右側(cè)流動工裝臺，按箭頭方向流動，等待下一工序。

圖1　箱體部件裝配爆炸圖

1.流動工裝臺 2.隨行夾具 3.減速器裝配工作臺 4.減速器旋轉(zhuǎn)料架(帶氣動分度機構(gòu)) 5.減速器裝配機器人6.搬運機器人 7.機械手工具架(存放減速器抓取機械手、打螺釘機械手) 8.裝配機器人(負責支撐套、軸承、法蘭盤及螺釘裝配) 9.螺釘分檢輸送機 10.機械手工具架(存放支撐套抓取機械手、軸承抓取機械手、法蘭盤抓取機械手及打螺釘機械手) 11.支撐套旋轉(zhuǎn)料架(帶氣動分度機構(gòu)) 12.軸承輸送料架 13.法蘭盤輸送料架 14.支撐套組件裝配工作臺

圖2箱體裝配線三維效果圖

1.2隨行夾具與工裝快換裝置設(shè)計

隨行夾具在各工位之間流轉(zhuǎn)并實現(xiàn)箱體的定位夾緊，以箱體零件三維模型為研究對象，設(shè)計箱體的隨行夾具模塊。隨行夾具與工裝快換裝置結(jié)構(gòu)如圖3所示。機器人工具快換裝置(Robotic Tool Changer)使機器人操作具有柔性，也有助于提高作業(yè)效率[6]，其可以使搬運機器人與隨行夾具實現(xiàn)快速對接和脫離，在對接成功后能夠讓不同的介質(zhì)例如氣體、電信號、等從機器人手臂連通到隨行夾具工具側(cè)的末端執(zhí)行器；隨行夾具置于裝配工作臺定位夾緊后，搬運機器人將與隨行夾具脫離，但仍需給隨行夾具提供氣、電等介質(zhì)保證隨行夾具上氣缸、傳感器等器件的正常工作，帶氣缸的順從介質(zhì)連接器可實現(xiàn)上述功能，其能有效實現(xiàn)氣、電介質(zhì)的連接與斷開，保障隨行夾具在機器人脫離后氣、電等介質(zhì)的持續(xù)供應(yīng)，并在XYZ方向上具有一定的位移順從，可補償隨行夾具定位時的空間位置誤差；隨行夾具到達各個裝配工位后需要準確快速地定位、夾緊，并且承受一定的工作負荷，以上功能由工裝快換裝置實現(xiàn)，其底座安裝于裝配工作臺上，托盤與定位銷安裝于隨行夾具側(cè),底座為氣動夾緊機構(gòu)，托盤下部定位銷穿過底座內(nèi)部，由傳感器(如接近開關(guān))檢測到達合適位置后，底座氣動裝置動作將托盤夾緊，從而實現(xiàn)隨行夾具的定位夾緊，機構(gòu)簡單可靠且重復(fù)定位精度較高。

1.順從介質(zhì)連接器工具側(cè) 2.夾緊氣缸 3.定位塊

1.3基于RCC的機械手抓取模塊設(shè)計

機器人在進行裝配作業(yè)時，由于裝配環(huán)境存在各種不確定性，甚至突發(fā)情況，在常規(guī)位置控制下，機器人與裝配件之間即使出現(xiàn)較小誤差都可能導(dǎo)致裝配失敗甚至機器損壞[7]，因此有必要增強機器人裝配的柔順性以保證裝配質(zhì)量，防止裝配過程中的過硬沖擊對機器人和工件造成損壞。

1.機器人工具快換裝置 2.工具架定位桿 3.RCC裝置

在箱體部件裝配中，軸孔配合是裝配過程中的常見問題，也是自動化裝配技術(shù)研究中的難點，通常采用主動柔順或主—被動柔順方法實現(xiàn)孔口搜索和入口后位姿調(diào)整[8]。被動柔順是利用機器人以及其他柔順環(huán)節(jié)本身的機械、電磁等特性來控制運動誤差，具有快速可靠的優(yōu)點，在修正小范圍運動誤差上效果較好。實際裝配中用得最多的柔順環(huán)節(jié)是柔順手腕。最初的柔順手腕是由Whitney[9]等人首先研制的RCC(Remote Compliance Center)。RCC種類繁多并不斷由被動形態(tài)向主動形態(tài)發(fā)展[10]。RCC可看成是6自由度的彈性系統(tǒng)，一般將其安裝在機器人末端和裝配件之間，通過調(diào)節(jié)彈性構(gòu)件的柔性，獲得一定的裝配柔性

借鑒RCC在被動柔順方面的優(yōu)點，結(jié)合箱體裝配的實際需求，設(shè)計具有軟浮動效果的機械手抓取模塊如圖4所示。

以支撐套裝配為例：支撐套裝配為軸孔裝配，過渡配合，裝配時需要機械手精確定位，并利用一定的壓力將支撐套壓入軸承內(nèi)圈；機械手上采用的RCC裝置可補償機器人的定位精度誤差；采用3個壓緊氣缸將支撐套推進軸承內(nèi)孔并壓緊，壓緊到位時氣缸與RCC裝置均有一定的緩沖作用，避免過硬沖擊對機器人本體造成損傷；采用3爪氣缸抓取外圓實現(xiàn)支撐套抓?。粰C器人工具快換裝置實現(xiàn)不同機械手抓取模塊的快速更換。由3爪氣缸的特點，此機械手抓取模塊適合具有圓形定位面零件的快速抓取，如軸、盤類零件。

2基于激光位移傳感器與PLC的孔相位找

正方法

機器人裝配過程中常會遇到孔的相位找正問題，如兩零件之間螺栓孔、銷軸孔的找正。目前的研究大部分是基于主動柔順控制：利用力學，利用視覺，利用接近覺，如席文明等[11]利用視覺反饋進行位置控制。這些方法使得機器人裝配柔性更大，智能化程度更高，但因計算復(fù)雜、開發(fā)成本高等因素使得在實際生產(chǎn)中推廣運用存在困難。以箱體與法蘭盤的孔相位找正為例，從經(jīng)濟性和縮短設(shè)計周期的角度考慮，結(jié)合實際需求，提出一種經(jīng)濟快捷的孔相位找正方法。

法蘭盤裝配時要求與箱體上的孔相對應(yīng)，而法蘭盤上孔徑的大小與分布并不規(guī)則，其上共有11個孔，10個直徑為5.5mm，一個直徑為8mm，所有孔中心位于同一圓周上但孔間距并不均等。基于以上的結(jié)構(gòu)分析，采用φ8mm的大孔為定位孔，運用激光位移傳感器配合PLC來完成相位找正。原理為：將激光位移傳感器垂直安裝于被測位置上方，傳感器的檢查光點落在所有孔中心經(jīng)過的圓周上，機械手抓取法蘭盤到指定位置后勻速轉(zhuǎn)動法蘭盤。當傳感器的激光由端面照射到孔內(nèi)時，其激光的位移發(fā)生變化，輸出一個下降沿的信號，將該信號與PLC的輸入I/O連接，使得PLC可以監(jiān)控并統(tǒng)計下降沿信號的持續(xù)時間，下降沿信號持續(xù)時間的長短則取決于激光經(jīng)過的孔徑大小，孔徑大者下降沿信號持續(xù)時間長，通過給PLC設(shè)定下降沿信號的下限時長，就可識別出大孔在法蘭盤上的具體位置。大孔定位的穩(wěn)定性，取決于PLC做出判斷到控制機械手轉(zhuǎn)動停止這一過程的響應(yīng)時間，這一響應(yīng)時間的滯后可以通過提前補償?shù)霓k法修正，從而達到穩(wěn)定的重復(fù)定位。圖5為孔相位找正原理圖。

圖5　大孔定位原理圖

3結(jié)束語

本文針對箱體部件自動化裝配特點，運用CAD/CAM進行參數(shù)化建模，設(shè)計了以三臺機器人為主體的箱體自動化裝配線，并對關(guān)鍵工裝夾具與機械手抓取模塊進行結(jié)構(gòu)設(shè)計，并提出一種經(jīng)濟便捷的孔相位找正方法。實現(xiàn)了箱體零件與裝配工藝的并行設(shè)計，從而提高項目開發(fā)效率，縮短開發(fā)周。在一定程度上增加了機器人裝配的柔順性，改善了箱體部件裝配質(zhì)量，減少了復(fù)雜的計算，節(jié)約了開發(fā)成本。對自動化裝配技術(shù)的實際工程應(yīng)用具有一定參考價值。此外，實現(xiàn)產(chǎn)品設(shè)計、裝配工藝、機器人技術(shù)三者協(xié)同發(fā)展、有機融合，是未來機器人自動化裝配技術(shù)推廣應(yīng)用的努力方向。

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(編輯李秀敏)

The Machine Tool and Fixture Design of Box-type Parts in Automatic Assembly

LIU Zhuo-li，WANG Zhi-hui

(School of Mechanical and Electronic Engineering，Wuhan University of Technology，Wuhan 430070，China)

Abstract：Automatic assembly system plays an important role in the Manufacturer Industry，and box-type parts are common structures in automatic assembly. After analyses of feature about box-type parts and their assembly，the parametric modeling function based on CAD/CAM is applied to build an automatic assembly line which mainly includes three robots and set up three-dimensional models of movable fixture and its tool changers. Manipulator module based on RCC is designed and a method to localize hole by using laser displacement sensor and PLC is proposed. Through these methods，concurrent design between parts and assembly process can be realized, and then the development period can be shortened. To a certain extent, the flexibility of robot assembly and the quality of peg-in-hole assembly are improved, the complicated calculations also can be reduced and development cost is saved.

Key words：three-dimensional modeling；movable fixture；manipulator module；hole localization

中圖分類號：TH122;TG65

文獻標識碼：A

作者簡介：劉卓立(1988—)，男，貴州黔西人，武漢理工大學碩士研究生，研究方向為機電一體化技術(shù)、建材裝備及自動化，(E-mail)513479511@qq.com。

收稿日期：2015-05-14；修回日期：2015-06-17

文章編號：1001-2265(2016)03-0120-03

DOI:10.13462/j.cnki.mmtamt.2016.03.033