隨著中國(guó)制造2025和工業(yè)4.0的推進(jìn),很多農(nóng)機(jī)企業(yè)在收割機(jī)前車橋的生產(chǎn)中,已使用機(jī)器人焊接代替人工焊接,雖然焊接機(jī)器人擁有較高的焊接效率[1],但是焊接之前仍需要對(duì)前車橋組件進(jìn)行人工上料和工裝定位,這使得焊接機(jī)器人的待焊時(shí)間過(guò)長(zhǎng),降低了整個(gè)前車橋生產(chǎn)線自動(dòng)化程度。
上料機(jī)器人在現(xiàn)代智能化生產(chǎn)中憑借其高效的上料能力得到很多生產(chǎn)企業(yè)的青睞,而農(nóng)機(jī)企業(yè)卻未能在收割機(jī)前車橋的焊接生產(chǎn)中使用上料機(jī)器人,究其原因,是前車橋焊接組件多,形態(tài)差異大,在沒有專用手爪和輔助裝置的情況下,上料機(jī)器人很難對(duì)這些組件進(jìn)行抓取定位[2,3]。
因此若使用上料機(jī)器人代替人工進(jìn)行組件上料作業(yè),同時(shí)讓焊接機(jī)器人進(jìn)行焊接加工則可有效縮短前車橋的焊前準(zhǔn)備時(shí)間,提高生產(chǎn)線的生產(chǎn)效率。為達(dá)到這一目標(biāo),本文根據(jù)前車橋組件的形態(tài)類型,設(shè)計(jì)了用于抓取定位前車橋組件的專用機(jī)器人手爪和用于將組件分類固定的上料輔助裝置。
圖1 收割機(jī)前車橋工件與結(jié)構(gòu)示意圖
前車橋焊前準(zhǔn)備的主要任務(wù)是對(duì)除管體外的8種前車橋焊接組件進(jìn)行上料和工裝定位,圖1中的組件已由8個(gè)標(biāo)號(hào)分別標(biāo)出。這些組件的制作材料均位10mm的Q235鋼板,其中最小組件的長(zhǎng)寬為100mm×20mm,最大組件的長(zhǎng)寬為300mm×200mm。這些組件不僅在大小上相差較大,而且在形態(tài)上也不完全相似,從外形上看,有些呈簡(jiǎn)單的長(zhǎng)方形板件,有些是類似于梯形的殼體(如圖2所示),每種組件均有一個(gè)與管體配合的弧面。根據(jù)組件的整體幾何形狀可將其分為兩類:1)兩側(cè)面有一定夾角的梯形組件,如1號(hào)、3號(hào)、6號(hào)和7號(hào)組件。2)兩側(cè)面相互平行長(zhǎng)方形組件,如2號(hào)、4號(hào)、5號(hào)和8號(hào)組件。
圖2 組件結(jié)構(gòu)圖
機(jī)器人手抓在抓取焊接組件的同時(shí),必須準(zhǔn)確的確定組件的位置和姿態(tài),即要求組件相對(duì)于手爪的六個(gè)自由度被完全定位,因此手爪需具備以下功能:
1)上料時(shí)能夠穩(wěn)定抓取組件。
2)焊接作業(yè)時(shí)可起到對(duì)組件的工裝定位作用。
手爪結(jié)構(gòu)如圖3所示。手爪的驅(qū)動(dòng)部件是MHZ2系列的氣動(dòng)手指,缸徑40mm,最大行程30mm,夾緊保持力254N。安裝法蘭上焊接有兩個(gè)用于引導(dǎo)氣缸支座運(yùn)動(dòng)的導(dǎo)向桿。
圖3 手爪結(jié)構(gòu)示意圖
為了使手爪能夠抓取前車橋所有組件并使?jié)M足組件的焊接定位要求,手指在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)上可實(shí)現(xiàn)三種抓取作業(yè)方法(如圖4所示)。
圖4 爪齒作業(yè)示意圖
1)以銷面結(jié)合的方式實(shí)現(xiàn)對(duì)1號(hào)、3號(hào)、5號(hào)和6號(hào)組件的抓取定位,此4種組件重量大,長(zhǎng)度長(zhǎng),采用銷面定位方法較為合適,因此在手指平面上設(shè)計(jì)了長(zhǎng)度小于組件板材厚度的圓形銷和棱形銷,用手爪銷釘配合組件的預(yù)留定位孔可達(dá)到該類組件的抓取定位要求,如圖4(a)所示。
2)使用手指頂端的矩形凸臺(tái)抓取定位8號(hào)組件,矩形凸臺(tái)的設(shè)計(jì)優(yōu)點(diǎn)在于它增大了手指與組件的接觸面積,使手爪對(duì)組件的抓取定位更為可靠。此外從圖1可以看出8號(hào)組件整體貼合于管體,若抓取其側(cè)面則需要較大行程的氣缸,不利于手爪的輕巧化。因此在該組件的上表面預(yù)留兩個(gè)矩形孔與手指凸臺(tái)的配合是較好的抓取定位方式,如圖4(b)所示。
3)依靠手指平面抓取定位2號(hào)、4號(hào)和7號(hào)組件,此3種組件重量輕,長(zhǎng)度短,依靠手指與組件間的壓力和摩擦力即可滿足抓取定位要求,如圖4(c)所示。
由于上料機(jī)器人存在重復(fù)定位誤差以及同種組件間存在著形態(tài)誤差,為引導(dǎo)手爪與組件的順利配合,組件上的預(yù)留定位孔,手指的定位銷和凸臺(tái)均需倒角處理,此外8號(hào)組件的矩形孔的長(zhǎng)寬也要略大于手指上的矩形凸臺(tái)。
為避免組件在與管體接觸的瞬間因受力過(guò)大而產(chǎn)生位移,氣缸支座與安裝法蘭之間加裝了彈簧機(jī)構(gòu)以做緩沖之用。生產(chǎn)中上料機(jī)器人和焊接機(jī)器人被分別布置在一臺(tái)變位機(jī)的兩側(cè),上料機(jī)器人抓取組件后,會(huì)將組件運(yùn)送到變位機(jī)正上方,然后垂直向下減速將組件拼接至管體的相應(yīng)位置以方便焊接機(jī)器人焊接。因此手爪只需在垂直方向上具備緩沖功能。
輔助裝置是為了固定組件,使組件相對(duì)機(jī)器人擁有固定的坐標(biāo)并將其傳遞至抓取位置,因此輔助裝置須具備以下功能:
1)方便工人分類放置組件。
2)自動(dòng)固定組件并將其以正確位姿傳遞至上料機(jī)器人的抓取位置。
該裝置整體結(jié)構(gòu)如圖5所示,雙桿氣缸1用于推動(dòng)組件,使組件在一個(gè)方向上到達(dá)預(yù)定位置,旋轉(zhuǎn)配氣裝置用于給盤面上的雙桿氣缸供應(yīng)壓縮氣源,轉(zhuǎn)臺(tái)盤面由一臺(tái)數(shù)控分度機(jī)驅(qū)動(dòng)。
圖5 上料輔助裝置示意圖
如圖6所示盤面呈正8邊形結(jié)構(gòu),分為8個(gè)工位,前車橋的8種組件被分別放置于這8個(gè)工位中,盤面上的定位塊根據(jù)組件種類以兩種方式布置:
1)對(duì)于梯形組件,依照組件兩側(cè)面的夾角布置兩長(zhǎng)方體定位塊。
2)對(duì)于長(zhǎng)方形組件,以相互垂直方式布置兩個(gè)長(zhǎng)方形定位塊,并額外加裝一個(gè)雙桿氣缸2。
在雙桿氣缸1的推動(dòng)下,梯形組件借助其兩側(cè)面夾角實(shí)現(xiàn)自定位;長(zhǎng)方形組件則需要雙桿氣缸1和2來(lái)實(shí)現(xiàn)其在兩個(gè)相互垂直方向上與定位塊接觸。所有組件在完成定位后均會(huì)超出盤面邊緣一段距離以供手爪抓取。
圖6 上料輔助裝置示意圖
從圖1可以看出2號(hào)和7號(hào)組件焊接數(shù)量較多,由于其體積不大,可一次定位多個(gè),其實(shí)現(xiàn)方法是借助兩種同步助推機(jī)構(gòu)使雙桿氣缸2能夠同時(shí)推動(dòng)多個(gè)并列組件。兩種同步助推機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)如圖7和圖8所示。
圖7 同步組推裝置1
圖8 同步組推裝置2
雙桿氣缸2可推動(dòng)圖7中的推板和圖8中連桿來(lái)實(shí)現(xiàn)多個(gè)并列組件的定位并使裝置中的彈簧壓縮,氣缸回程時(shí),彈簧釋放勢(shì)使推板和連桿復(fù)位。
1)工人將組件以正確的位姿擺放到上料輔助裝置上,隨著分度機(jī)的轉(zhuǎn)動(dòng)雙桿氣缸1逐次推動(dòng)8種組件最終使組件到達(dá)與定位塊貼合的預(yù)定位置,雙桿氣缸2負(fù)責(zé)相關(guān)組件另外一個(gè)方向的推動(dòng)作業(yè),完成后裝置將第一個(gè)焊接組件轉(zhuǎn)向上料機(jī)器人。
2)上料機(jī)器人開始上料作業(yè),機(jī)械手抓取組件后將其拼接至管體的相應(yīng)位置并保持固定姿態(tài),隨后與變位機(jī)及焊接機(jī)器人協(xié)同完成該組件的焊接作業(yè)[4],焊接完成后上料機(jī)器人進(jìn)行一個(gè)組件的上料。
3)完成所有組件的上料任務(wù)后,機(jī)械手與上料輔助裝置位姿回零,等待工人擺放下一批次的組件。
轉(zhuǎn)臺(tái)盤面上的組件被完全定位后,可通過(guò)人工示教的方法采集每種組件的抓取坐標(biāo)。但該坐標(biāo)會(huì)受到一些因素的影響而產(chǎn)生偏移,如果偏移量影響到手指銷釘與組件預(yù)留孔的配合,將會(huì)導(dǎo)致該套裝置無(wú)法順利運(yùn)行。
影響因素主要來(lái)自三個(gè)方面:1)機(jī)器人的重復(fù)定位誤差[5];2)分度機(jī)的角分度誤差[6];3)同種組件間的形狀誤差[7]。
為了引導(dǎo)手指銷釘與組件定位孔的配合,孔銷均做了倒角處理。假設(shè)倒角長(zhǎng)度為d,則孔與銷的截面圓心在同一平面上偏差距離不能超過(guò)2d,否則孔銷將不能順利配合。
該偏差由多種因素引起,計(jì)算時(shí)需采用多因素定位誤差微分法[6],其數(shù)學(xué)表達(dá)式為:
式中,x1,x2,x3,··是多種獨(dú)立的影響因素。其造成的尺寸L的總偏差為:
由于所求誤差是孔銷中心的最大偏差量,而每種因素都會(huì)造成正負(fù)兩種影響,因此改進(jìn)后的公式為[8,9]:
如圖9所示,OXY是轉(zhuǎn)臺(tái)平面,圓O1是7號(hào)組件一個(gè)處于理想位置的定位孔截面,由于因素(1)和(3),某時(shí)刻圓心O1的位置偏移至O2,x1和y1是理想狀態(tài)下定位孔到轉(zhuǎn)臺(tái)中心的水平和垂直距離,由于同種組件之間存在形狀誤差,x1和y1分別有的變動(dòng)量。L是O1與O2的實(shí)際偏差距離。
圖9 孔銷中心偏差示意圖
O1與O2的坐標(biāo)位置關(guān)系為:
根據(jù)公式可求O2相對(duì)理想坐標(biāo)O1的變動(dòng)量的:
當(dāng)θ=90°時(shí),Δθ=0°,此時(shí):
計(jì)算結(jié)果與實(shí)際相符。
設(shè)機(jī)器人最大重復(fù)定位誤差為L(zhǎng)1,當(dāng)L1與L共線時(shí)會(huì)造成孔銷中心偏差距離最大化。因此要使銷釘與孔順利配合,必須滿足條件:
目前一般分度機(jī)轉(zhuǎn)角誤差已經(jīng)達(dá)到0.004°,本文中點(diǎn)O1距離盤面中心的理想水平距離為590mm,由于Δθ很?。?/p>
將式(8)代入式(3)、式(4)得:
角分度誤差造成定位孔在Y軸方向上的距離偏差為:
角分度誤差造成定位孔在X軸方向上的偏差因過(guò)小而忽略不計(jì)。
設(shè)孔銷倒角d=1mm,上料機(jī)器人選用庫(kù)卡KR30-3,其最大重復(fù)定位誤差L1=0.06mm。
根據(jù)式(7)組件形態(tài)誤差造成定位孔在XY兩方向上的變動(dòng)量須滿足條件:
【】【】
本文通過(guò)對(duì)前車橋組件形態(tài)的分析,借助三維建模軟件設(shè)計(jì)了前車橋上料機(jī)器人的專用手爪和上料輔助裝置,并詳細(xì)介紹了其工作原理,在輔助裝置的配合下手爪能夠以三種抓取方式完成對(duì)前車橋所有組件的抓取定位工作。而該套裝置能否順利工作的關(guān)鍵在于手爪上的銷釘能否快速準(zhǔn)確地插入組件定位孔,經(jīng)過(guò)對(duì)孔銷配合誤差的分析得出其最大影響因素是組件形態(tài)誤差,且孔銷中心誤差在滿足條件式(9)的情況下該套裝置可以順利工作。
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