簡析車身焊裝機器人抓手的輕量化

阮宜進(jìn) 王康 張佳勇

摘 要：在汽車制造領(lǐng)域，車身焊裝車間工序間廣泛應(yīng)用機器人搬運的方式，由于機器人存在負(fù)載及轉(zhuǎn)動慣量限制，當(dāng)機器人抓手偏心或超重的情況下，就必須升級機器人型號，降低運行速率，由此增加了投資及工藝節(jié)拍。文章介紹車身車間機器人抓手類別、結(jié)構(gòu)，在此基礎(chǔ)上，分別從組件材質(zhì)輕量化應(yīng)用、結(jié)構(gòu)優(yōu)化角度討論機器人抓手輕量化方向，為輕量化抓手設(shè)計的深入研究和應(yīng)用提供參考。

關(guān)鍵詞：車身;抓手;輕量化

中圖分類號：TP242.2 ?文獻(xiàn)標(biāo)識碼：B ?文章編號：1671-7988（2020）04-167-03

Overview of Robot Gripper Lightweight Proposal In Body shop

Ruan Yijin，?Wang Kang，?Zhang Jiayong

（?Vehicle Manufacturing Engineering， Shanghai General Motor limited company， Shanghai 201201?）

Abstract：?Robot handling is widely used in body shop in the field of automobile manufacturing. Due to the limitation of robot's payload and moment of inertia， when the robot's gripper is eccentric or overweight， it is necessary to upgrade the robot's model and reduce running speed. Therefore increasing the investment and cycle time. Based on the background， body-shop gripper structure is introduced. Different gripper lightweight concept are discussed in two aspects including material and component lightweight proposal， which provide a reference for deep study and application.

Keywords： Body; Gripper; Lightweight

CLC NO.： TP242.2 ?Document Code： B??Article ID： 1671-7988（2020）04-167-03

引言

為實現(xiàn)更好的產(chǎn)能配比，目前主機廠的車身工藝規(guī)劃主流方向為共用工藝線體，不同車型共用相同的焊接單元，而不同車型零件上料及分總成的搬運依靠機器人切換抓手實現(xiàn)，通過負(fù)載與機器人Payload進(jìn)行校核，以此作為選取機器人型號的依據(jù)，當(dāng)機器人抓手偏心或超重的情況下，就需要升級機器人型號、降低運行速率，由此增加了投資及工藝節(jié)拍。因此，優(yōu)化抓手重量是解決該問題的主要方向。本文通過介紹機器人抓手應(yīng)用現(xiàn)狀，從抓手材質(zhì)和結(jié)構(gòu)兩方面探討抓手重量優(yōu)化可行性，為優(yōu)化機器人payload 、降低機器人型號、節(jié)省投資、提升機器人性能及使用壽命、降低工藝CT提供參考。

1 機器人抓手概述

1.1?機器人抓手應(yīng)用

在車身焊裝線上，由于工藝流及節(jié)拍要求，地板及側(cè)圍總成一般由多工序完成，而機器人抓手就應(yīng)用在工序之間的傳遞以及工藝要求完成的上料、涂膠及焊接過程中，所以按應(yīng)用范圍，車身車間機器人抓手主要區(qū)分為3種：

搬運抓手：純零件搬運助應(yīng)用于分總成工位間傳遞及零件上料;

工藝抓手：具備零件補焊及涂膠等工藝，不具備零件精確定位能力;

GEO抓手：作為上料GEO工位定位抓手，對本工位上料零件具有定位作用。

同時，按照機器人抓手的結(jié)構(gòu)區(qū)分主要為焊接框架式以及標(biāo)準(zhǔn)裝配式等。

1.2 標(biāo)準(zhǔn)裝配式抓手的主要結(jié)構(gòu)包括

主框架（包含base板及機器人連接法蘭）、定位單元連接支架、定位單元、電氣管線，如圖1所示^[1]。焊接框架式與裝配式的區(qū)別在于主框架采用非標(biāo)鐵質(zhì)管件焊接完成，整體強度高但重量大，且可回用性差。

2?機器人抓手輕量化

基于機器人抓手的組成及結(jié)構(gòu)形式，特征為主框架布置成組定位夾緊單元，主框架及定位單元自重、分布情況，抓手重心與機器人連接點的間距都會影響機器人末端的負(fù)載。所以從降低抓手自重及改善偏心方面考慮，可歸納為材質(zhì)輕量化以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化兩方面。

2.1?材質(zhì)輕量化

（1）輕量化氣缸的使用

輕量化氣缸主要更改氣缸壓臂為鋁合金材料，使用采用鋁制壓臂的輕量化氣缸與常規(guī)氣缸相比單個重量減輕約0.4-0.7KG。

（2）在保證連接強度的基礎(chǔ)上可以將非定位單元的連接板材質(zhì)更換為鋁合金材料。鋁合金在自身密度只有高強度鋼30%的前提下，具有與高強度鋼相近的比模量及更高的比強度，是較為理想的替代材料。

（3）采取標(biāo)準(zhǔn)模塊化八角管取代整體焊接式框架結(jié)構(gòu)。

八角管抓手與普通焊接式框架抓手的主要區(qū)別在于，主框架及定位二次延伸件采用標(biāo)準(zhǔn)合金管材，使用標(biāo)準(zhǔn)連接件可以實現(xiàn)不同形式框架管材的連接。

八角管抓手應(yīng)用大量輕質(zhì)金屬管材及連接件，在抓手重量方面相較焊接框架式抓手具有明顯優(yōu)勢，且由于應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)模塊化組件，采購周期短、成本低、維修方便快捷，已經(jīng)成為非定位焊接抓手的主流應(yīng)用方向。

目前八角管抓手應(yīng)用主要是鋁合金材質(zhì)，鎂合金相比鋁合金在材料本身力學(xué)性能屬性方面，密度低，抗拉強度較低，屈服強度相當(dāng)，同時具有更好的抗疲勞和抗沖擊性能。如表1所示，在已知案例中，整體外形尺寸及安裝方式不變的前提下，通過結(jié)構(gòu)優(yōu)化和增加壁厚的前提下，能實現(xiàn)與鋁合金八角管標(biāo)準(zhǔn)件接近的力學(xué)性能，同時減重高達(dá)30%，在對重量要求更為敏感的區(qū)域，在滿足強度要求的前提下可考慮使用鎂合金替代鋁合金標(biāo)準(zhǔn)件。

在一個實例中，如表2所示，除主體框架由鎂合金管替換鋁合金管之外，其余部件相同，鎂合金抓手框架重量為33.7Kg，鋁合金抓手框架重量為48.5Kg，抓手減重12%，框架減重達(dá)到30.5%。

（4）主框架應(yīng)用碳纖維復(fù)合材質(zhì)

碳纖維復(fù)合材料具備優(yōu)異的綜合力學(xué)性能，如表3所示，碳纖維復(fù)合材料與鋁、鐵材質(zhì)性能相比，在密度較低的前提下：抗拉強度、彈性模量、阻抗、硬度和動載承受能力、耐高壓、耐腐蝕、熱膨脹系數(shù)、斷裂極限等多項性能均優(yōu)于鋁鎂材質(zhì)。

在等剛度或等強度設(shè)計原則下，碳纖維復(fù)合結(jié)構(gòu)比低碳鋼結(jié)構(gòu)減重達(dá)到50%以上，比鎂/鋁合金結(jié)構(gòu)減重高達(dá)30%^[3]。

2.2?結(jié)構(gòu)優(yōu)化

（1）對于普通焊接框架式抓手，在保證強度的基礎(chǔ)上，可以選擇開減重孔，如圖2所示。

（2）合理合并機加工單元，如圖3所示，將定位銷基座與夾緊單元基座合并在一起，可減少連接件、八角管等部件。

（3）合理減少非必要夾持單元，對于非GEO 焊接的搬運及工藝抓手，在保證功能性的前提下，可以減少部分夾持定位單元，如圖4所示，優(yōu)化結(jié)構(gòu)后把兩個氣缸減為一個氣缸，相應(yīng)的連接件也取消。

2.2.1 應(yīng)用窄基準(zhǔn)

普通抓手及工裝基準(zhǔn)寬度為19-21mm，特定條件下，可以將正?；鶞?zhǔn)修改為16mm窄基準(zhǔn)，如圖5所示。

2.2.2 定位單元分布均勻

機器人連接位盡量靠近抓手重心，可降低機器人轉(zhuǎn)動慣量。

3?小結(jié)

通過上文總結(jié)，機器人抓手的輕量化主要從材質(zhì)組件輕量化以及結(jié)構(gòu)優(yōu)化兩個方面考慮。

組件的輕量化主要考慮：

應(yīng)用輕量化氣缸、應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)八角管抓手、其他輕量化非標(biāo)組件。

結(jié)構(gòu)優(yōu)化考慮：

框架式焊接抓手開減重孔、合理布局定位單元、機器人連接位、降低機器人轉(zhuǎn)動慣量、優(yōu)化單元及管線包等布置、合理合并機加單元、合理應(yīng)用窄基準(zhǔn)、合理減少夾持單元。

4?展望

在工廠共用線體要求的前提下，對于機器人抓手所要實現(xiàn)的功能要求越來越高，要實現(xiàn)不同零件不同工藝流的應(yīng)用，這就對機器人抓手的結(jié)構(gòu)形式提出了更高的要求^[2]。與此同時，基于共用線體的節(jié)拍及工藝要求，抓手機器人需要實現(xiàn)抓取零件焊接及涂膠功能，負(fù)載過重會導(dǎo)致線體節(jié)拍上的瓶頸。所以，抓手的輕量化研究，能在保證抓手機器人實現(xiàn)多種實現(xiàn)工藝流功能的前提下，不降低單元節(jié)拍，實現(xiàn)共用線體的多種要求。而且對于系統(tǒng)的日常維護(hù)保養(yǎng)，以及機器人壽命都有積極的影響。

碳纖維抓手在輕量化方面具有明顯的優(yōu)勢，然而碳纖維的高成本以及復(fù)雜的制造工藝極大地制約了碳纖維復(fù)合材料的發(fā)展。未來在規(guī)模量產(chǎn)，成本降低前提下，有望成為車身車間主流抓手形式。

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