轎車白車身頂蓋前橫梁柔性抓具結(jié)構(gòu)設(shè)計與分析

張邦成，范質(zhì)允*，楊 磊，李 磊

(1.長春工業(yè)大學 機電工程學院，吉林 長春 130012;2.一汽模具制造有限公司，吉林 長春 130013)

0 引 言

隨著社會經(jīng)濟的發(fā)展，中國作為世界汽車第一產(chǎn)銷國，汽車工業(yè)發(fā)展勢頭持續(xù)強勁。轎車焊接生產(chǎn)線過去采用的大批量單車型專用線的生產(chǎn)模式已經(jīng)不適應當前行業(yè)生產(chǎn)的需求，多車型小批量生產(chǎn)模式逐漸被引進到轎車焊接生產(chǎn)線當中。焊接生產(chǎn)線原有的單車型專機抓具已不適用于現(xiàn)有的汽車焊裝生產(chǎn)線，為降本增率，對多車型白車身頂蓋前橫梁的柔性抓具設(shè)計與開發(fā)已成為轎車焊裝生產(chǎn)線柔性化發(fā)展的必然趨勢[1]。

轎車頂蓋前橫梁作為車身的關(guān)鍵部件，抓取是轎車白車身頂蓋前橫梁焊接生產(chǎn)線工藝流程的關(guān)鍵步驟，在抓取過程中，面臨多種不同型號的轎車白車身頂蓋前橫梁需頻繁切換相對應抓具的問題，導致整個加工流程的速度緩慢,甚至停止，最終影響轎車生產(chǎn)效率[2-4]。目前，中國第一汽車制造有限公司研制的汽車前后風擋玻璃全自動裝配用機器人柔性抓具可以兼容多種車型、多種曲率的前后擋玻璃，也可以兼容不同車型的角窗玻璃，但是針對轎車白車身頂蓋前橫梁柔性抓具的研究還不成熟[5]。安徽獵豹汽車有限公司開發(fā)的汽車白車身柔性焊接工裝包括切換滑臺、搬運部件、夾具儲存機構(gòu)等，其抓具的柔性還是體現(xiàn)在可切換抓具上，并未設(shè)計柔性抓具[6]。陸春偉[7]在一種轎車頂蓋機器人柔性焊裝工藝的研究中實現(xiàn)了在一個工位上對兩種車型進行頂蓋柔性焊裝。

通過對以上轎車白車身抓具的了解與參考分析后，結(jié)合柔性抓具特性和轎車白車身焊接生產(chǎn)線需求，設(shè)計轎車前橫梁柔性抓具結(jié)構(gòu)，從而滿足汽車生產(chǎn)線中多車型轎車白車身頂蓋前梁抓取、升降的需求，同時可達到提高設(shè)備使用率，降低生產(chǎn)線成本的目的。

1 轎車白車身頂蓋前橫梁分析

轎車白車身頂蓋前橫梁結(jié)構(gòu)位于上車身前部上端，在前擋風玻璃的上邊界處，是車身頂部結(jié)構(gòu)的第一根橫梁。大部分車型僅有頂蓋前橫梁本體，部分強調(diào)結(jié)構(gòu)性能的車型由頂蓋前橫梁上板和頂蓋前橫梁下板構(gòu)成。文中以某車型為研究對象，其頂蓋前橫梁為加強結(jié)構(gòu)，由頂蓋外板、頂蓋橫梁上板、頂蓋橫梁加強板和頂蓋橫梁下板組成。

頂蓋前橫梁結(jié)構(gòu)是車身結(jié)構(gòu)中的關(guān)鍵部件之一，在頂蓋前橫梁結(jié)構(gòu)上布置有飾件(頂棚、遮陽板等)、電器(前頂燈等)、車身附件(前風擋、風擋條等)。就白車身整體而言，頂蓋前橫梁連接著白車身側(cè)圍上邊梁和頂蓋本體。頂蓋前橫梁上有頂棚固定點、前頂燈固定點、頂棚內(nèi)襯卡扣、焊槍通過孔等預留位置，如圖1所示。

1.頂蓋前橫梁; 2.頂棚固定點; 3.前頂燈固定點;4.線束固定點。

不同車型的預留孔位置會有相應的變化，但是頂棚固定點位置相對固定，所以可取頂棚固定點為抓具定位點。

2 轎車白車身頂蓋前橫梁柔性抓具設(shè)計

2.1 柔性抓具工作特點

目前，柔性抓具機構(gòu)一般分為普通抓具、多功能抓具以及可變伺服抓具。從應用上看，可變伺服抓具使用最為廣泛。抓具機器人在白車身的焊接制造中起到的作用是不可替代的，與現(xiàn)在迅速、準確、高效的生產(chǎn)節(jié)拍所需的工作要求相符。當前大多數(shù)轎車生產(chǎn)廠商所追求的都是可在同一條生產(chǎn)線上進行多車型的生產(chǎn)制造[8]。這時就應用到柔性化抓具機構(gòu)，在對應多車型的不同零部件時，設(shè)計的柔性抓具可以減少抓具的切換，進一步提高生產(chǎn)效率、降低生產(chǎn)成本。

2.2 柔性抓具設(shè)計

柔性化抓具一般包含框架、抓取單元、保護單元、定位單元、夾緊單元、感應單元、控制單元[9]。文中主要對其中的框架和抓取單元進行設(shè)計。抓具的抓取主要由部件的外形面、裝配孔、工藝孔等進行定位，在這里取前橫梁的頂棚固定點作為抓具的定位點。

一般柔性化抓具多為單車型定制專用抓具，為實現(xiàn)抓具的柔性，抓具的末端執(zhí)行器選擇由卡具和吸盤的組合形式，其中左末端執(zhí)行器組合是位置固定的，右末端執(zhí)行器組合多了可以移動的氣缸裝置，以應對不同車型的轎車白車身頂蓋前橫梁，其結(jié)構(gòu)如圖2所示。

(a) 右末端執(zhí)行器組合

工作時，采用兩組末端執(zhí)行器對工件定位吸附，其中卡具穿過頂棚固定點進行定位與卡位，真空吸盤吸附在頂蓋前橫梁表面進行抓取。抓具的抓緊力由前端真空吸盤吸力提供，吸盤中有彈簧緩沖，且裝有感應器，在距離誤差2～3 mm內(nèi)可進行自動補償。在應對不同車型的頂蓋前橫梁時，通過氣缸驅(qū)動調(diào)整右末端執(zhí)行器的位置，氣缸工作行程為210 mm，兩組真空吸盤的工作區(qū)間為280～490 mm，兩組卡具的工作區(qū)間為670～880 mm，滿足了柔性抓具的生產(chǎn)需求。這樣組合形式的抓具更加靈活，可迅速準確定位，工作效率得到提升。

抓具框架由所抓取物件的形狀決定，并在抓具兩端根據(jù)框架結(jié)構(gòu)設(shè)計出可供抓具切換時停放的夾持結(jié)構(gòu)。抓具的整體結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.連接盤; 2.連接架; 3.關(guān)鍵梁; 4.末端執(zhí)行器。

抓具上方接有連接架，連接架由連接盤和連接臂組成，連接盤與機械臂相連，下方是左右兩組末端執(zhí)行器。整個機器人通過機械臂控制，機械臂將抓具整體移動至頂蓋前橫梁上方，并進行初步位置矯正，調(diào)整右末端執(zhí)行器的位置，隨后柔性抓具通過兩組末端執(zhí)行器夾持住頂蓋前橫梁，對零部件進行抓取動作。在末端執(zhí)行器抓取并夾持住頂蓋前橫梁后，機械臂再控制柔性抓具進行整體移動。

3 柔性抓具有限元分析

3.1 有限元模型建立

該柔性抓具主要由鋼材與鑄件組成，其主體框架結(jié)構(gòu)主要由鋼板焊接而成，所以抓具的有限元模型采用殼單元建模組成。抓具的各個部件之間是通過其他連接件固定在一起的，而不是固接的，因此在建立有限元模型時，要考慮抓具各個結(jié)合面的接觸剛度對整體結(jié)構(gòu)的影響[10]。文中選用Hypermesh工作臺劃分網(wǎng)格，建立有限元模型。

在有限元模型中，連接各個結(jié)合面相對應的節(jié)點就構(gòu)成相應的用戶自定義單元。各個結(jié)合面的用戶自定義單元矩陣中的各個元素的值是不同的。通過對剛度矩陣單元中的元素取不同的值，就能描述兩節(jié)點間的各種連接情況[11]。

螺栓連接結(jié)合面處的剛度及阻尼與結(jié)合面的壓力有關(guān)，在這里結(jié)合面的壓力主要由結(jié)構(gòu)的重力、螺栓的預緊力以及加工時刀具所受的力來確定。在接觸面很大時，由于接觸面的各個部分壓力并不一致，這就需要在各個結(jié)合面處設(shè)置一系列具有不同實常數(shù)的用戶自定義單元[12-13]。

主體橫梁是由螺栓固定在連接架上的，在有限元模型中，把抓具的邊界約束簡化為約束與固定螺栓位置相對應的節(jié)點各個方向的自由度。

轎車白車身頂蓋前橫梁的有限元模型如圖4所示。

3.2 關(guān)鍵梁測試

柔性抓具橫梁是整個結(jié)構(gòu)的關(guān)鍵梁，是決定柔性抓具機構(gòu)安全可靠的重要因素。為了保障柔性抓具運行的穩(wěn)定性、安全性，有必要對關(guān)鍵梁的結(jié)構(gòu)強度進行分析與校核。

抓具關(guān)鍵梁所用材料為鋼材Q235B，其材料參數(shù)見表1。

圖4 頂蓋前橫梁有限元模型

表1 橫梁材料參數(shù)

根據(jù)實際需求，對頂蓋前橫梁柔性抓具模型的夾持點負重300 kg，用來測試柔性抓具模型的關(guān)鍵梁是否可靠。

頂蓋前橫梁柔性抓具模型有限元分析結(jié)果如圖5所示。

(a) 頂蓋前橫梁抓具位移圖

圖中，模型總重量245.2 kg，在對關(guān)鍵梁進行有限元分析時，負載的重量為150 kg，故總載荷約為3 872.96 N。在極限載荷下，頂蓋前橫梁柔性抓具的位移圖見圖5(a)，其最大位移為1.988 mm，應力圖見圖5(b)，其所受最大應力為74.034 MPa。關(guān)鍵梁的最大位移應力與最大位移量均在材料的安全彈性模量內(nèi)，基本滿足了轎車前橫梁柔性抓具的設(shè)計要求。

3.3 轎車前橫梁有限元分析

傳統(tǒng)轎車白車身抓具的夾持點較多，造成抓具整體質(zhì)量過重，為實現(xiàn)柔性抓具的柔性化，所設(shè)計的頂蓋前橫梁柔性抓具的夾持點減少到4個，大大減少了夾持點的數(shù)量。但是夾持點數(shù)量的減少造成了夾持點應力急劇增大，為確保頂蓋前橫梁抓具設(shè)計的合理性，需要對轎車頂蓋前橫梁的強度進行分析與校核。轎車頂蓋前橫梁材料參數(shù)見表2。

表2 頂蓋前橫梁材料參數(shù)

為實現(xiàn)抓具的高柔性化，考慮到抓具也可用于白車身整體的夾持工作，施加于轎車頂蓋前橫梁柔性抓具的重量仍為150 kg，故其載荷應為1 470 N。

頂蓋前橫梁模型的有限元分析如圖6所示。

(a) 頂蓋前橫梁位移圖

在極限載荷下，頂蓋前橫梁最大位移為15.785 mm，應力圖最大應力為533.316 MPa。頂蓋前橫梁的最大位移與所受最大應力均在材料的彈性模量內(nèi)，故在極限載荷下，轎車頂蓋前橫梁安全有效。轎車頂蓋前橫梁柔性抓具的設(shè)計在滿足柔性化要求的同時，安全性和可靠性也同樣達標。

4 結(jié) 語

結(jié)合轎車白車身頂蓋前橫梁的結(jié)構(gòu)特征，考慮對頂蓋前橫梁抓具柔性化的設(shè)計要求，最終設(shè)計了一種轎車頂蓋前橫梁柔性抓具，實現(xiàn)了轎車頂蓋前橫梁的抓取、升降工作。同時對轎車白車身頂蓋前橫梁柔性抓具的關(guān)鍵梁和轎車白車身頂蓋前橫梁進行了有限元分析。結(jié)果表明，轎車白車身頂蓋前橫梁柔性抓具最大位移為1.988 mm，所受最大應力為74.034 MPa，轎車白車身頂蓋前橫梁最大位移為15.785 mm，所受最大應力為533.316 MPa，均在材料的彈性模量內(nèi)，所設(shè)計的轎車白車身頂蓋前橫梁柔性抓具結(jié)構(gòu)安全性和可靠性滿足生產(chǎn)需求。