L型板抓取柔性機(jī)械手的設(shè)計(jì)

劉興德，周海宇，靳 曦

(1.吉林化工學(xué)院 機(jī)電工程學(xué)院，吉林 吉林 132021；2.吉林化工學(xué)院 信息與控制工程學(xué)院，吉林 吉林 132022；3.北京工業(yè)大學(xué) 材料與制造學(xué)部，北京 100124)

L型板是汽車裝備夾具中安裝在基板上的連接定位塊、夾緊塊等的支撐部件，其制造工藝包括：板材下料、焊接、熱處理和切削加工.L型板的焊接質(zhì)量直接影響之后的熱處理和切削加工工藝.

當(dāng)前L型板焊接工藝存在的問題：

(1)固定抓具只能裝夾單一尺寸工件，且更換夾具成本高，效率低；

(2)手工焊居多，焊接精度不達(dá)標(biāo)，作業(yè)環(huán)境差；

(3)焊接一致性差、外觀成型不良、焊接時(shí)變形大，易出現(xiàn)未焊透、焊接后工件內(nèi)部應(yīng)力分布不均等現(xiàn)象；

(4)工件裝夾時(shí)間長，焊接效率低.

為此，開發(fā)基于工業(yè)機(jī)器人的L型板智能焊接平臺，在工業(yè)機(jī)器人上裝備柔性抓手[1-2]，可抓取一定尺寸范圍的L型板零件.在焊接過程中，可使每道角焊縫保持在船型位姿，實(shí)現(xiàn)L型板的自動船形焊接，可大幅度保證和提高焊接質(zhì)量，提高焊接速度，降低勞動強(qiáng)度.

1 智能焊接平臺整體結(jié)構(gòu)介紹

1.1 L型板

L型板結(jié)構(gòu)如圖1所示，由立板1、肋板2、底板3三部分組成，立板上有定位孔、安裝孔用于同定位塊、連接塊固定連接；肋板起加強(qiáng)支撐的作用；底板同base板固定連接起連接支撐的作用.材質(zhì)為Q235板材[3-4]，通過線切、火切等下料，具備一定規(guī)模的機(jī)加廠均有數(shù)控切割設(shè)備，預(yù)焊接件尺寸較為精準(zhǔn).

圖1 L型板結(jié)構(gòu)圖

1.2 焊接平臺總體結(jié)構(gòu)

L型板焊接平臺總體結(jié)構(gòu)，如圖2所示.

圖2 焊接平臺整體結(jié)構(gòu)

柔性機(jī)械手由六軸工業(yè)機(jī)器人、快換盤以及柔性抓手3部分組成，六軸機(jī)器人具有運(yùn)作靈活性好、轉(zhuǎn)角精度高[5]，可做到快速啟停等優(yōu)點(diǎn)；快換盤可實(shí)現(xiàn)工業(yè)機(jī)器人與柔性抓手快速拆卸，提升工作效率.

柔性抓手通過快換盤安裝在六軸機(jī)器人上，六軸機(jī)器人可通過調(diào)節(jié)自身姿態(tài)，使柔性抓手夾持的工件在焊接時(shí)處于船型位置，實(shí)現(xiàn)船形焊接，保證焊接質(zhì)量.

1.3 柔性抓手

柔性抓手由一系列標(biāo)準(zhǔn)件與非標(biāo)件通過螺栓、銷固定連接而成，各部件結(jié)構(gòu)簡單、成本低.柔性抓手結(jié)構(gòu)如圖3所示，虛線部位為抓件前柔性機(jī)械手的打開狀態(tài)，相同部位的實(shí)線部分為柔性抓手的夾緊狀態(tài).

此柔性抓手是根據(jù)實(shí)際工況經(jīng)多次優(yōu)化的最終結(jié)果.

根據(jù)圖3，抓件流程如下：

圖3 柔性抓手結(jié)構(gòu)圖

L型板由3個(gè)尺寸、重量均不同的部件碳鋼焊接而成.在夾具單元中，L型板各部件分別上件、裝夾完成后，夾具單元上的壓力傳感器發(fā)出信號，工業(yè)機(jī)器人帶動柔性抓手緩慢駛?cè)電A具單元中，加緊氣缸1、5、8工作，帶動定位壓爪2、4、7夾緊并抓取工件，完成抓件流程.

六軸工業(yè)機(jī)器人運(yùn)轉(zhuǎn)，帶動柔性抓手，到達(dá)焊接指定位置，完成六點(diǎn)定位點(diǎn)焊、船型滿焊的焊接過程[6-7].壓力傳感器采用FSR402，是一款重量輕、體積小、感測精度高的超薄型電阻式壓力傳感器，可精確反映出各部件是否到達(dá)指定位置.

計(jì)算分析：

本設(shè)計(jì)中應(yīng)用的L型板變動的工件尺寸為立板長度：150～300 mm，材質(zhì)為Q235的L型板部件間的摩擦系數(shù)為0.45.底板受力分析如圖4所示.

圖4 底板受力分析圖

單獨(dú)對工件底板(約重1.8 kg)受力分析可知：

F摩1=m底g=μFN1=μF1，

(1)

F1=40N，

(2)

肋板受力分析如圖5所示.

圖5 肋板受力分析圖

單獨(dú)對工件肋板(約重1 kg)受力分析可知：

F摩2=m肋g=μFN2=μF2，

(3)

F2=23N，

(4)

工件整體受力分析如圖6所示.

圖6 整體受力分析

對工件整體(約重6.8 kg)受力分析可知：

F摩3=m整g=μF夾，

(5)

F夾=152N，

(6)

氣缸選型：柔性抓手上的SMC手指氣缸根據(jù)立板的寬度來選擇,氣缸閉時(shí)行寬度應(yīng)至少大于100 mm，SMC氣缸的夾持力根據(jù)圖6工件整體受力分析得氣缸夾緊力的大小，由此選擇SMC氣缸的規(guī)格為TJ-MHL2-32D；為保證德國TUNKERS氣缸打開時(shí)氣缸壓臂不與夾具單元發(fā)生干涉，TUNKERS氣缸打開角度為90°；亞德客氣缸按照立板上件過程中所測的長度來選擇氣缸量程為200 mm，根據(jù)夾緊力的大小所選氣缸型號為TR12×200,如表1所示.

表1 氣缸型號

2 結(jié) 論

計(jì)算機(jī)虛擬焊接流程，只需一人輔助即可完成上料，隨后柔性機(jī)械手即可自動完成焊接、下料等一系列工序，節(jié)省大量人力物力.為驗(yàn)證方案可行性，采用德國西門子工業(yè)機(jī)器人仿真軟件Process Designer和Process Simulate，對其工作位置、路徑、工作節(jié)拍進(jìn)行仿真優(yōu)化，保證焊接可行性.

智能焊接平臺的優(yōu)點(diǎn)：

(1)組件多為標(biāo)準(zhǔn)件，結(jié)構(gòu)簡單，設(shè)計(jì)制造成本低；

(2)六自由度機(jī)器人工作范圍大，轉(zhuǎn)角精度高運(yùn)作靈活，可快速啟停；

(3)該裝置可適用于抓取一定尺寸范圍內(nèi)的L型板，快換盤的配用可快速更換柔性夾具部件，抓取更大尺寸范圍內(nèi)的L型板；

(4)該裝置可用PDPS模擬仿真抓件焊接路徑，抓件效率高、精度高；

(5)該設(shè)計(jì)所用材料經(jīng)濟(jì)性高、對環(huán)境無污染.

本文對L型板的焊接裝置進(jìn)行改進(jìn)，新的生產(chǎn)流水線將徹底取代傳統(tǒng)的L型板焊接模式，使L型板焊接的效率、質(zhì)量均大大提升，并且可以讓使用L型板作支撐的工裝夾具的精度大大提升.