一種柔性車(chē)門(mén)抓手的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

何軍蔚 彭羿 石鵬

摘要：車(chē)門(mén)抓手是車(chē)門(mén)自動(dòng)化線必備的一種搬運(yùn)工裝，本文針對(duì)車(chē)門(mén)自動(dòng)化線機(jī)器人抓手柔性化的問(wèn)題進(jìn)行分析和解決，主要講述了現(xiàn)有抓手存在的問(wèn)題及技術(shù)缺點(diǎn)，新型抓手的技術(shù)理論依據(jù)、結(jié)構(gòu)原理及應(yīng)用案例。新型抓手具有柔性高、數(shù)字化和智能化的特點(diǎn)。

關(guān)鍵詞：車(chē)門(mén);抓手;柔性

中圖分類號(hào)：U468文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

0前言車(chē)門(mén)自動(dòng)化線內(nèi)板焊接總成的搬運(yùn)是由機(jī)器人抓手完成，機(jī)器人搬運(yùn)零件到自動(dòng)化線上不同的工位中。為了實(shí)現(xiàn)搬運(yùn)功能，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)的抓手。不同車(chē)型不同零件都有與其對(duì)應(yīng)的抓手及放置架，導(dǎo)入的車(chē)型越多，抓手及放置架的數(shù)量也越多。因此如何實(shí)現(xiàn)抓手的柔性功能日趨迫切。

常見(jiàn)的抓手按材質(zhì)可分為八角管組裝的鋁質(zhì)抓手（圖1），及鋼管焊接的抓手（圖2）。按抓件方式可分為吸盤(pán)式和氣缸夾緊式。

目前2種形式的抓手都是通過(guò)內(nèi)板主定位銷(xiāo)使抓手定位在車(chē)門(mén)上，保證抓取精度。然后通過(guò)吸盤(pán)吸緊車(chē)門(mén)或通過(guò)定位塊和壓頭將車(chē)門(mén)夾緊，夾緊點(diǎn)通常為6～8個(gè)，保證抓取穩(wěn)定。由于抓手機(jī)構(gòu)定位銷(xiāo)位置和夾緊位置在車(chē)門(mén)內(nèi)板型面上，因此想要現(xiàn)有抓手進(jìn)行柔性生產(chǎn)，就需要零件定位孔和夾緊點(diǎn)型面的位置在X、Y和Z方向上保持一致。但由于每個(gè)車(chē)門(mén)造型各異，定位孔和夾緊點(diǎn)型面的位置很難保持一致，尤其是不同平臺(tái)的車(chē)門(mén)差異更大，因此現(xiàn)有形式的抓手無(wú)法實(shí)現(xiàn)車(chē)門(mén)抓手柔性功能[1]。

1柔性抓手的原理

為了實(shí)現(xiàn)車(chē)門(mén)內(nèi)板總成抓手的柔性，新型的柔性抓手針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)分析。通過(guò)對(duì)比3個(gè)不同平臺(tái)車(chē)型共6種車(chē)門(mén)內(nèi)板總成的結(jié)構(gòu)分析（表1），我們發(fā)現(xiàn)，雖然各車(chē)型車(chē)門(mén)內(nèi)板總成結(jié)構(gòu)差異大，但質(zhì)量均在11～13kg，且內(nèi)板總成結(jié)構(gòu)剛性穩(wěn)定，不易變形。

因此，新型柔性抓手的設(shè)計(jì)采用三點(diǎn)成面原理，使用三孔定位兼抓緊的定位策略來(lái)實(shí)現(xiàn)零件的抓取。柔性抓手在車(chē)門(mén)內(nèi)板范圍內(nèi)選取3個(gè)點(diǎn)來(lái)定位抓緊（圖3），這3個(gè)位置沒(méi)有外板加強(qiáng)板遮擋，各個(gè)焊接工位內(nèi)板總成零件不會(huì)與抓手干涉，零件在內(nèi)板焊接拼臺(tái)工位之間轉(zhuǎn)運(yùn)都可以使用相同的抓手。為使抓手能夠?qū)崿F(xiàn)不同內(nèi)板總成零件的抓取功能，且兼顧零件的精確定位和可靠抓取，抓手設(shè)計(jì)需要解決兩個(gè)問(wèn)題：第一，抓手上3個(gè)定位抓緊點(diǎn)能夠改變它們之間的距離，即圖3所示前側(cè)門(mén)和后側(cè)門(mén)上3個(gè)定位抓緊點(diǎn)位置變化情況;第二，抓手能夠兼容不同零件上3個(gè)定位抓緊點(diǎn)Y向不同的距離[2]。

2柔性抓手的設(shè)計(jì)

在柔性抓手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)中，為解決上述問(wèn)題，通過(guò)對(duì)比現(xiàn)有成熟產(chǎn)品的性能及精度，我們采用PMI線性模組，通過(guò)伺服控制系統(tǒng)可實(shí)現(xiàn)改變定位抓緊點(diǎn)的位置距離，其位置精度能達(dá)到±0.06mm。通過(guò)使用機(jī)器人第六軸旋轉(zhuǎn)改變抓手抓取零件的角度，改變線性模組的停止位置來(lái)實(shí)現(xiàn)不同車(chē)門(mén)抓手X向和Z向柔性。采用一個(gè)勾銷(xiāo)機(jī)構(gòu)和兩個(gè)氣爪階梯機(jī)構(gòu)（如圖4）實(shí)現(xiàn)不同零件抓緊點(diǎn)Y向距離柔性。其中，如圖3所示，位置1是內(nèi)板主定位孔，采用勾銷(xiāo)機(jī)構(gòu)，作用是主定位和夾緊，與焊接拼臺(tái)主基準(zhǔn)保持統(tǒng)一;位置2和位置3是抓手專用孔，采用氣爪機(jī)構(gòu)，作用是輔助定位和夾緊。

為實(shí)現(xiàn)抓手柔性功能，車(chē)門(mén)產(chǎn)品零件在設(shè)計(jì)時(shí)，需要按以下要求設(shè)計(jì)抓手專用的零件定位孔和夾緊面。

首先，3個(gè)定位孔開(kāi)孔位置不能造成抓手與外板加強(qiáng)板干涉，如圖3中1、2、3區(qū)域。

其次，抓手專用孔所在平面與主定位銷(xiāo)平面的Y向距離為氣爪卡槽距離的整數(shù)倍[3]。

3柔性抓手的結(jié)構(gòu)

內(nèi)板焊接總成柔性抓手結(jié)構(gòu)如圖5所示。抓手主框架為焊接結(jié)構(gòu)，為滿足抓手重心位置及機(jī)器人配重要求，3個(gè)抓緊點(diǎn)滑移機(jī)構(gòu)呈120°均勻分布。抓手共有3個(gè)PMI線性模組，根據(jù)內(nèi)板總成結(jié)構(gòu)尺寸，線性模組的行程選用300mm，柔性抓手可達(dá)性能夠滿足目前所有車(chē)型車(chē)門(mén)的抓取。3個(gè)PMI線性模組分別配有3個(gè)伺服電機(jī)和3個(gè)控制箱，伺服電機(jī)的線束接到控制箱上，抓手上裝有氣控閥控制氣爪和勾銷(xiāo)的開(kāi)關(guān)。另外還有BK模塊來(lái)連接伺服電機(jī)控制箱和PLC間的通信。3個(gè)伺服電機(jī)控制箱自帶電池，能夠離線儲(chǔ)存線性模組的停止位置，共能儲(chǔ)存7組數(shù)據(jù)，包括一個(gè)零位和6個(gè)車(chē)型停止位置信息。升級(jí)儲(chǔ)存硬件還可以儲(chǔ)存更多組信息。

氣爪插入抓手孔（圖3中的位置2和位置3）后氣爪手指平行張開(kāi)，車(chē)門(mén)內(nèi)板就會(huì)牢牢卡在手指的卡槽之內(nèi)。氣爪選用50缸徑的三爪式氣爪，理論抓力為200N，確保氣爪卡緊零件。為滿足氣爪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和柔性要求，氣爪手指上設(shè)計(jì)有7個(gè)間距為7mm的卡槽，如此，氣爪的兼容行程為49mm。內(nèi)板產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，要求抓手孔平面與主定位銷(xiāo)平面的Y向距離為7mm的整數(shù)倍（即抓手孔平面與主定位銷(xiāo)孔平面之間的距離差H=7×Nmm，其中0≦N≦7）。

抓手通過(guò)一個(gè)勾銷(xiāo)和兩個(gè)氣爪來(lái)抓緊車(chē)門(mén)，氣爪和勾銷(xiāo)缸裝在PMI線性模組上，線性模組由伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)。通過(guò)改變3個(gè)線性模組的停止位置和抓手的姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)抓手抓緊點(diǎn)X向和Z向的柔性;使用氣爪上不同的卡槽位置，實(shí)現(xiàn)抓手抓緊點(diǎn)Y向的柔性。同一個(gè)抓手通過(guò)改變線性模組的停止位置和抓手的姿態(tài)，即可柔性抓取不同結(jié)構(gòu)的車(chē)門(mén)內(nèi)板（圖6）。

4抓手的調(diào)試與使用

抓手裝配好機(jī)械零件和電氣管線后，首先通過(guò)伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)線性模組回到機(jī)械零位，進(jìn)行三坐標(biāo)檢測(cè)和調(diào)整，使抓手能夠達(dá)到設(shè)計(jì)的狀態(tài)，并將機(jī)械零位存儲(chǔ)在伺服電機(jī)控制箱內(nèi)，作為車(chē)型變換基準(zhǔn)零位。然后，通過(guò)USB數(shù)據(jù)線將伺服電機(jī)控制箱與計(jì)算機(jī)連接，將設(shè)計(jì)時(shí)算好的車(chē)型位置，通過(guò)控制界面（圖7）輸入伺服電機(jī)控制箱內(nèi)儲(chǔ)存好，即可完成車(chē)型的信息錄入，實(shí)現(xiàn)了數(shù)字化的車(chē)型導(dǎo)入。3個(gè)控制箱相互獨(dú)立，需要分3次輸入。在導(dǎo)入下一個(gè)車(chē)型時(shí)，需將線性模組回到初始狀態(tài)的基準(zhǔn)零位，再通過(guò)輸入車(chē)型信息，由伺服電機(jī)控制線性模組滑移到該車(chē)型設(shè)計(jì)位置。

抓手軌跡線如圖8所示，每一根軌跡線代表線性模組上的勾銷(xiāo)或氣爪的可達(dá)范圍，只要定位孔開(kāi)在線上，勾銷(xiāo)或氣爪就能夠進(jìn)入孔內(nèi)。第二個(gè)車(chē)型導(dǎo)入時(shí)，只需整體平移和旋轉(zhuǎn)軌跡線，并注意使抓手避讓加強(qiáng)板和焊點(diǎn)，即可快速找到合適的開(kāi)孔位置?，F(xiàn)場(chǎng)調(diào)試時(shí)調(diào)好機(jī)器人的姿態(tài)并保存。

抓手上儲(chǔ)存2個(gè)以上的車(chē)型定位信息后，進(jìn)行車(chē)型切換時(shí)，按下電控按鈕，PLC就會(huì)將所要生產(chǎn)的車(chē)型信息發(fā)給搬運(yùn)機(jī)器人。機(jī)器人就會(huì)發(fā)出信號(hào)給伺服電機(jī)控制箱，調(diào)取所需的車(chē)型定位信息，伺服電機(jī)就會(huì)自動(dòng)到達(dá)定位位置。最后，機(jī)器人調(diào)取自身對(duì)應(yīng)車(chē)型的動(dòng)作軌跡，數(shù)秒內(nèi)即可完成抓手狀態(tài)切換，無(wú)需人工參與，快速且智能完成抓手車(chē)型切換[4]。

5結(jié)束語(yǔ)

柔性抓手設(shè)計(jì)通過(guò)簡(jiǎn)單的三點(diǎn)成面定位原理，結(jié)合自動(dòng)化控制技術(shù)，充分利用機(jī)器人靈活的動(dòng)作姿態(tài)，實(shí)現(xiàn)了車(chē)門(mén)內(nèi)板焊接總成抓取搬運(yùn)功能。Y型柔性抓手結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)器人抓取零件穩(wěn)定，放置零件位置精度高，重復(fù)精度高。該抓手具有柔性高、數(shù)字化和智能化的特點(diǎn)，車(chē)型導(dǎo)入過(guò)程中無(wú)需切換抓手，只需增加伺服控制程序，減少導(dǎo)入車(chē)型的抓手制造成本和加工時(shí)間，減少車(chē)型切換時(shí)間，減少車(chē)型切換人員，大大提高綜合效益。

【參考文獻(xiàn)】

[1]成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007.

[2]鄧仕珍，范淼海.汽車(chē)車(chē)身制造工藝學(xué)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1997.

[3]楊握銓.汽車(chē)焊接技術(shù)及夾具設(shè)計(jì)[M].北京：北京理工大學(xué)出版社，1996.

[4]機(jī)械工程師手冊(cè)編委會(huì).機(jī)械工程師手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

作者簡(jiǎn)介：

何軍蔚，本科，工程師，主要從事工裝設(shè)備的研究。