叉形抓手框架設(shè)計(jì)及結(jié)構(gòu)改進(jìn)

洪俊 呂高光 楊林

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西 柳州 545007

目前大多數(shù)主機(jī)廠焊裝線采用機(jī)器人+抓手的方案實(shí)現(xiàn)自動(dòng)搬運(yùn)或定位白車身焊接以替代原來人工操作或者Pick Up小車吊裝方案。采用機(jī)器人+抓手的方案有著諸多優(yōu)點(diǎn)，如快速、安全、穩(wěn)定、更好的滿足生產(chǎn)。因此對機(jī)器人+抓手方案的應(yīng)用也就越來越廣泛；然而抓手是非標(biāo)產(chǎn)品，需根據(jù)不同的工況來設(shè)計(jì)滿足實(shí)際生產(chǎn)需要的抓手，而抓手框架則是抓手設(shè)計(jì)的重中之重。機(jī)器人抓手框架的設(shè)計(jì)不僅需要考慮結(jié)構(gòu)、重量、放置條件、工作狀態(tài)及需避讓空間，還要考慮兼容性、切換方式、傳感器、氣動(dòng)執(zhí)行器及氣動(dòng)元件的排布及可靠性。本文僅從減重方面出發(fā)，降低新設(shè)計(jì)抓手結(jié)構(gòu)在達(dá)到減重目標(biāo)后，其是否滿足剛度要求。

本文主要探討白車身叉形抓手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)、改進(jìn)并借助于CAE做抓手結(jié)構(gòu)靜態(tài)對比分析校核，確認(rèn)改進(jìn)后的方案在強(qiáng)度及剛度上優(yōu)于改進(jìn)前的方案，并且滿足改進(jìn)后的抓手方案在重量減輕15%及抓手最遠(yuǎn)端形變不超過23mm的目標(biāo)（測量出來的目標(biāo)值）。最后以此優(yōu)化設(shè)計(jì)方案為基礎(chǔ)，給出以后相關(guān)抓手結(jié)構(gòu)減重的方向及經(jīng)驗(yàn)依據(jù)。

圖1 原叉形焊接式抓手等軸視圖

1 原叉形抓手方案主要組成說明及分析

1.1 原叉形抓手結(jié)構(gòu)說明

原叉型焊接式抓手等軸視圖如圖1所示，結(jié)構(gòu)主要由以下幾大系統(tǒng)組成：1.換槍盤（抓手端）；2.換槍盤（工具端）；3.換槍盤工具端安裝板；4.叉形抓手框架；5.夾緊（白車身）氣缸；6.白車身托舉塊；7.叉形抓手固定裝置。就一般而言，抓手從構(gòu)造方面可以分為組裝式和焊接式，從材料方面可以分為普通鋼材和鋁合金式。本文也就集中從結(jié)構(gòu)、材料這兩方面做改進(jìn)，滿足實(shí)際現(xiàn)場目標(biāo)。

1.2 原叉形焊接式抓手框架結(jié)構(gòu)CAE分析過程

原叉形焊接式抓手框架結(jié)構(gòu)在現(xiàn)有的生產(chǎn)線上已經(jīng)驗(yàn)證使用，但是已經(jīng)達(dá)到極限的使用狀態(tài)，原叉形焊接式抓手框架材料力學(xué)特性為：1.材料為Q235-A（力學(xué)參數(shù)：彈性模量：210GPa，密度：7800Kg/m3，屈服強(qiáng)度：220MPa；）；2.抓手上有氣缸、抓手換槍盤、換槍盤工具端安裝板及不影響結(jié)構(gòu)分析的零件重量共等效80Kg；3.氣管、閥島、電纜、螺釘、電控接頭及電控元件等效為15Kg；4.鋼構(gòu)130Kg，簡化后的叉形焊接式抓手框架模型如圖2所示：

對模型進(jìn)行有限元分析，分析步驟及過程如下：1.修改與簡化模型（見下圖2所示）；2.加載邊界條件，運(yùn)動(dòng)加速度為1m/s2、選擇固定邊界，總外載荷力420Kg；3.劃分網(wǎng)格并計(jì)算；4.讀取最大變形量；計(jì)算結(jié)果如圖3所示。圖3中A、B、C三處受力平面最大位置分別14.6mm，8.2mm，6.7mm；對應(yīng)的應(yīng)力值分別為146MPa、82MPa、65MPa；

圖2 原叉形焊接式抓手框架簡化后等軸視圖

圖3 原叉形焊接式抓手框架位移云圖

2 改進(jìn)后的叉形管式抓手框架方案主要組成及分析

2.1 經(jīng)過多輪更改設(shè)計(jì)后的抓手框架：叉形管式抓手方案組成說明

改進(jìn)后叉形管式抓手等軸視圖如圖4所示，結(jié)構(gòu)主要由以下幾個(gè)系統(tǒng)組成：

1.換槍盤（抓手端）；2.換槍盤（工具端）；3.換槍盤工具端安裝板；4.叉形管式抓手框架；

5.夾緊氣缸；6.白車身托舉塊；7.叉形抓手固定裝置；8.框架加強(qiáng)框；

圖4 改進(jìn)后叉形管式抓手等軸視圖

圖5 八角管材料使用實(shí)驗(yàn)參數(shù)圖

2.2 叉形焊接式抓手框架結(jié)構(gòu)CAE分析過程

a）要對改進(jìn)后的叉型管式抓手框架做校核驗(yàn)證計(jì)算，就必須得到叉形管式抓手框架主材八角管的各項(xiàng)力學(xué)屬性參數(shù)，但是由于叉型管式抓手采用的是進(jìn)口八角管鋁型材，而此材料參數(shù)廠家不提供，故只能想辦法先得到等效八角管力學(xué)屬性參數(shù)。在八角管鋁型材選用樣本《八角管抓具》中有八角管實(shí)驗(yàn)偏移數(shù)據(jù)，這樣可以通過選用樣本中給出的材料偏移數(shù)據(jù)來算出等效八角管鋁型材的力學(xué)參數(shù)；并通過多組八角管鋁型材提供的試驗(yàn)數(shù)據(jù)算出的八角管鋁型材材料力學(xué)性能平均值，做為八角管鋁型材最終的力學(xué)性能值。

從《八角管抓具》中的八角管材料使用實(shí)驗(yàn)參數(shù)圖（見圖5)中選取中間3組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)（20/30/40Kg的3條曲線）做為已知條件，求出此八角管材料的彈性模量（見表1），并由此材料的斷面形狀推出其采用擠壓-人工失效的加工工藝；再由于此材料使用工況及特性，發(fā)現(xiàn)在國標(biāo)中的4A11鋁合金參數(shù)與此材料各項(xiàng)性能、要求最為接近，故以下計(jì)算都將以4A11的鋁合金參數(shù)來等效替換。

表1 八角管力學(xué)材料性能驗(yàn)證計(jì)算表

b）簡化后叉型管式抓手框架如圖6所示。改進(jìn)后的叉型管式抓手等效載荷與原抓手同樣為290Kg，叉型管式抓手框架自重95Kg；分析步驟及過程如下：1.修改與簡化模型；2.加載邊界條件，所受總外載荷力385Kg，運(yùn)動(dòng)加速度為1m/s2，選擇固定邊界，輸入八角管鋁型材力學(xué)參數(shù)：彈性模量：79GPa，密度：2680Kg/m3，屈服強(qiáng)度：315MPa；由于此叉形管式框架結(jié)構(gòu)是采用大量螺栓連接的方式，故邊界條件要多出互相接觸的邊界條件分析和等效處理；3.劃分網(wǎng)格并對部分細(xì)小部件進(jìn)行局部精細(xì)網(wǎng)格劃；4.算出最后形變結(jié)果；5.讀取最大變形量，并確認(rèn)屈服強(qiáng)度；6.計(jì)算結(jié)果對應(yīng)于在圖7中a、b、c三處受力平面最大位置分別21.55mm，16.8mm，15.5mm，均滿足抓手末端形變小于24mm；且應(yīng)力分別為239MPa，107MPa，174MPa也均小于此鋁合金的屈服強(qiáng)度。

圖6 改進(jìn)后的叉形管式抓手框架簡化圖

圖7 改進(jìn)后的叉形管式抓手框架位移云圖

3 改進(jìn)后叉形管式抓手框架結(jié)果

由分析出的云圖可以看出，叉型管式抓手框架最遠(yuǎn)末端位移值小于要求的23mm值，并且均沒有超過材料自身的屈服；叉型焊接抓手總重225Kg，叉型管式抓手總重190Kg，改進(jìn)后的叉式管式抓手重量比原焊接式抓手減輕了35Kg即減輕重量15.5%，達(dá)到減重15%目標(biāo)。為未來此抓手能兼容其他更大的車型留了余量。

4 結(jié)束語

本文主要對機(jī)器人上的較大型的抓手框架結(jié)構(gòu)進(jìn)行校核，對新設(shè)計(jì)抓手框架與原抓手框架CAE校核結(jié)果對比，最終確定達(dá)到減重目標(biāo)的方案。具體步驟是首先通過建立簡化數(shù)模、采用等效替換的思路完成抓手方案模型的前處理，滿足CAE的校核需求；在滿足撓度設(shè)計(jì)條件下，得出最佳減重方案。

從原先在現(xiàn)場使用的叉型焊接式抓手情況來看，雖然此抓手沒有超過材料的屈服強(qiáng)度并且在許用值內(nèi)，但抓手與其負(fù)載重量總和已經(jīng)達(dá)到機(jī)器人能力的上限不能再兼容后期導(dǎo)入更重的零件，故為了兼容未來新車型零件必須在抓手不損失強(qiáng)度、剛度的條件下減重。采用全新減重后的抓手框架設(shè)計(jì)方案在沒有得到驗(yàn)證前，新設(shè)計(jì)后會(huì)存在一個(gè)巨大的風(fēng)險(xiǎn)，傳統(tǒng)應(yīng)對此風(fēng)險(xiǎn)的方式是靠有經(jīng)驗(yàn)的工程師做出樣品并安裝到生產(chǎn)線上做試驗(yàn)；這樣生產(chǎn)線必須停產(chǎn)并調(diào)用相當(dāng)?shù)娜肆Φ浆F(xiàn)場做驗(yàn)證，不僅浪費(fèi)人力、物力、時(shí)間，還不能確保設(shè)計(jì)出來的方案有效；故在設(shè)計(jì)過程中引入CAE校核方法是有著巨大的優(yōu)勢，不僅快捷、準(zhǔn)確還能提前知道結(jié)果是否滿足使用要求，并預(yù)估可能出現(xiàn)的問題，提前做出應(yīng)對策略。

經(jīng)過此次減重設(shè)計(jì)、校核驗(yàn)證，為后續(xù)類似抓手減重結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及改進(jìn)提供了較好的理論依據(jù)及實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)。