汽車排氣管焊接夾具的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

潘志奎，陳 雪，陳 成

(北華大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，吉林 吉林 132021)

目前市面上的汽車排氣管焊接夾具主要分為專用焊接夾具和模塊化組合焊接夾具，排氣管焊接夾具是提升汽車排氣管焊接質(zhì)量的重要裝置[1-2].排氣管焊接夾具還未能實(shí)現(xiàn)根據(jù)焊縫位置自動(dòng)調(diào)整角度和位置，以滿足焊接機(jī)器人快速定位焊縫進(jìn)行焊接任務(wù).在汽車排氣管焊接過程中，由于焊接夾具的夾持機(jī)構(gòu)工作周期選擇不合理，使得夾爪與排氣管發(fā)生碰撞和磨損，造成夾持機(jī)構(gòu)失效或者排氣管碰撞變形.另外排氣管與焊接夾具之間發(fā)生運(yùn)動(dòng)干涉，使得焊接機(jī)器人沒法按最佳的角度與距離進(jìn)行焊接，造成了排氣管焊接質(zhì)量不佳的情況.

本文以一種四爪型汽車排氣管焊接為例，模擬焊接夾具在實(shí)際生產(chǎn)環(huán)境中的工作情況，通過添加機(jī)械翻轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)焊接夾具角度調(diào)整和直線位移調(diào)整，使得焊接夾具與焊接機(jī)器人更好配合，提高排氣管焊接夾具的生產(chǎn)效率和工作穩(wěn)定性，縮短排氣管的生產(chǎn)周期.

1 排氣管焊接夾具機(jī)構(gòu)組成及工作原理

1.1 排氣管焊接夾具機(jī)構(gòu)組成

圖1是四爪型排氣管焊接夾具三維示意圖.四爪型排氣管焊接夾具主要由夾持機(jī)構(gòu)和分度機(jī)構(gòu)兩大部分組成.

(a)夾持機(jī)構(gòu)示意圖

(b)分度機(jī)構(gòu)示意圖 圖1 焊接夾具三維模型圖

夾持機(jī)構(gòu)主要由氣缸(橫向氣缸、軸向氣缸)、活塞桿、弧形夾爪、連桿等組成，夾持機(jī)構(gòu)主要負(fù)責(zé)排氣管在焊接過程中完成定位和夾緊的作用.夾持機(jī)構(gòu)通過控制橫向氣缸或者軸向氣缸使4個(gè)夾爪可以在合理的工作周期內(nèi)根據(jù)排氣管直徑大小自由伸縮，也可在排氣管為不規(guī)則形狀時(shí)根據(jù)排氣管形狀做出相應(yīng)的調(diào)整.這樣就解決了夾持機(jī)構(gòu)因工作周期選擇不合理導(dǎo)致夾爪與排氣管發(fā)生碰撞和磨損，進(jìn)而造成夾持機(jī)構(gòu)失效或者排氣管碰撞變形的問題.分度機(jī)構(gòu)主要由步進(jìn)電機(jī)、傳感器、分度盤、齒條、夾具體等組成，分度機(jī)構(gòu)主要負(fù)責(zé)排氣管焊接過程中焊縫角度的調(diào)整.分度機(jī)構(gòu)根據(jù)排氣管形狀和焊縫位置上的差異，通過控制步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)分度盤對排氣管做出相應(yīng)角度和位置上的調(diào)整，解決了排氣管與焊接夾具之間由于運(yùn)動(dòng)上干涉使得焊接機(jī)器人沒法按最佳的角度與距離進(jìn)行焊接，造成排氣管焊接質(zhì)量不佳的情況.實(shí)現(xiàn)了焊接機(jī)器人快速定位排氣管焊縫位置進(jìn)行焊接的要求，提高排氣管焊接的效率和焊接質(zhì)量[3].

1.2 排氣管焊接夾具的工作原理

圖2是排氣管焊接夾具工作原理圖.以排氣管薄片放入排氣管焊接夾具中作為初始位置，首先是焊接夾具底板上的夾具體會在氣缸推力作用下做左、右移動(dòng)以滿足排氣管橫向尺寸要求，與此同時(shí)4個(gè)夾爪會根據(jù)不同排氣管的形狀和尺寸大小，在氣缸的推力作用下沿X方向或Z方向上移動(dòng)一定的距離以達(dá)到弧形夾爪對排氣管定位和夾緊的目的.等完成第1個(gè)工位焊縫焊接任務(wù)后，分度機(jī)構(gòu)會根據(jù)焊縫的位置調(diào)整一定的角度進(jìn)行下一次的焊接任務(wù)，直到完成整個(gè)排氣管的焊接.

圖2 排氣管焊接夾具工作原理圖

2 ADAMS運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2.1 虛擬樣機(jī)的建立

將在CATIA軟件中建立的焊接夾具三維模型導(dǎo)入到ADAMS中(如圖3所示).進(jìn)入ADAMS后，首先設(shè)置重力的方向?yàn)樨?fù)Z方向，用Modify命令定義各個(gè)構(gòu)件的材料和質(zhì)量.ADAMS軟件會自動(dòng)生成所選材料的密度、彈性模量，本模型所選的材料為鋼.然后定義各個(gè)構(gòu)件之間的約束關(guān)系[4].

圖3 焊接夾具ADAMS模型

2.2 驅(qū)動(dòng)的添加

焊接夾具在真實(shí)的工作情況下是間歇運(yùn)動(dòng)，并不是連續(xù)性運(yùn)動(dòng)[5-6].然而ADAMS提供簡單仿真是連續(xù)性運(yùn)動(dòng)，為了更加真實(shí)地模擬焊接夾具焊接時(shí)運(yùn)動(dòng)狀況，在ADAMS中采用如下兩種方式實(shí)現(xiàn)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)以達(dá)到需要的模擬效果.

(1)用ADAMS軟件中提供的IF和STEP函數(shù)來構(gòu)造驅(qū)動(dòng)函數(shù)[7]，即Motion+if( )，Motion+step( )，通常Motion+if( )+Motion+step( )混合使用.

(2)通過開發(fā)用戶子程序來控制驅(qū)動(dòng).

本模型選用了更適合周期性運(yùn)動(dòng)的STEP驅(qū)動(dòng)力函數(shù),右夾爪的驅(qū)動(dòng)函數(shù)為f(time)=step(time，0，0，5，150)+step(time,10,150,15,0).左夾爪的驅(qū)動(dòng)函數(shù)為f(time)=step(time，0，0，5，150)+step(time,10,150,15,0).

分度機(jī)構(gòu)的驅(qū)動(dòng)函數(shù)f(time)=step(time，5，0d，7.5，30d)+step(time,8.5,30d,10,-60d).

2.3 運(yùn)動(dòng)仿真和結(jié)果分析

模型添加完約束和驅(qū)動(dòng)之后，可以對焊接夾具的夾持機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真[8].焊接夾具的4個(gè)夾爪是可以單獨(dú)運(yùn)動(dòng)的，為了便于研究，將夾爪左1和夾爪左2兩個(gè)夾爪視為一個(gè)整體(Jiazhua-1)，夾爪右1和夾爪右2兩個(gè)夾爪視為一個(gè)整體(Jiazhua-2)，對左、右兩夾爪在不同運(yùn)動(dòng)周期下平移運(yùn)動(dòng)狀態(tài)進(jìn)行仿真研究，得到左、右兩夾爪在X軸方向上的位移曲線如圖4所示.

圖4中實(shí)線代表Jiazhua-1，虛線代表Jiazhua-2.在0～5 s是夾爪抓取過程，當(dāng)t=0s時(shí)夾持機(jī)構(gòu)完全處于張開狀態(tài)的，左、右夾爪的距離的絕對值為450 mm,當(dāng)t=5 s時(shí)夾持機(jī)構(gòu)完全處于收縮狀態(tài)，左、右夾爪分別移動(dòng)了150 mm,夾爪之間的距離絕對值變?yōu)榱?50 mm.在5～10 s中夾爪始終處于夾緊狀態(tài)，此時(shí)為排氣管焊接過程，夾爪要提供持續(xù)穩(wěn)定的夾緊力.10～15 s是夾爪的釋放過程，當(dāng)t=15 s時(shí)夾爪回到了最初始狀態(tài)，夾持機(jī)構(gòu)從抓取到釋放完成了排氣管焊接的整個(gè)過程.圖4反映的兩夾爪之間的距離與設(shè)計(jì)的夾持機(jī)構(gòu)完全一致，這說明此次對焊接夾具夾持機(jī)構(gòu)施加的約束和STEP驅(qū)動(dòng)函數(shù)完全正確，能夠真實(shí)的反應(yīng)了夾持機(jī)構(gòu)施加的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，驗(yàn)證了運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真的可行性.

Time/s圖4 Jiazhua-1和Jiazhua-2夾爪在X軸方向上的位移曲線

針對夾持機(jī)構(gòu)工作周期選擇不合理，使得夾爪與排氣管發(fā)生碰撞和磨損的問題，對夾持機(jī)構(gòu),選取10、15、20、25 s 4個(gè)運(yùn)動(dòng)周期來研究不同運(yùn)動(dòng)狀態(tài)下夾爪的速度和加速度的變化情況如圖5所示.

圖5為不同工作周期下夾爪的速度和加速度運(yùn)動(dòng)曲線，其中實(shí)線代表的是速度，虛線代表的是加速度.根據(jù)以上四個(gè)圖片可以清晰的看出在不同的工作周期下夾爪的速度和加速度的最大值，如表1所示.

Time/s(a) 10 s時(shí)的速度和加速度曲線

Time/s(b) 15 s時(shí)的速度和加速度曲線

Time/s(c) 20 s時(shí)的速度和加速度曲線

Time/s(d)25 s時(shí)的速度和加速度曲線圖5 不同工作周期下夾爪的速度、加速度曲線圖

表1 不同周期內(nèi)速度與加速度的最大值

通過表1可以看出，當(dāng)夾具的工作周期定為10 s時(shí)，夾爪速度的最大值為90 mm·s-1，加速度最大值為140 mm·s-2，都要遠(yuǎn)遠(yuǎn)的大于其他3組的數(shù)據(jù).這么大的加速度很容易造成夾爪與排氣管之間的碰撞和磨損，導(dǎo)致夾持機(jī)構(gòu)失效或者排氣管碰撞變形[9].隨著夾持機(jī)構(gòu)工作周期的變長，夾爪產(chǎn)生速度和加速度的最大值也在逐漸的降低，另外3組的速度和加速度的最大值變得相對的平緩.這樣的速度和加速度不會對夾持機(jī)構(gòu)造成較大的影響和損壞[10]，綜上分析將工作周期定為15～25 s.

為了研究排氣管焊接夾具是否存在運(yùn)動(dòng)干涉問題，將夾爪左1和夾爪左2兩個(gè)作為一個(gè)整體(Jiazhua-1)，將夾爪右1和夾爪右2兩個(gè)夾爪作為一個(gè)整體(Jiazhua-2)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，得到真實(shí)工作情況下夾爪位移和分度機(jī)構(gòu)角度情況.

通過圖6可知，夾持機(jī)構(gòu)的4個(gè)夾爪完成了對排氣管的夾緊和釋放過程，同時(shí)分度機(jī)構(gòu)也完成對排氣管焊縫角度的調(diào)整.焊接夾具的兩個(gè)機(jī)構(gòu)共同完成整個(gè)的排氣管焊接過程，兩者之間沒有發(fā)生機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)上的干涉.分度機(jī)構(gòu)在0～5 s這段時(shí)間處于停滯狀態(tài)，夾爪處于收縮過程，夾爪之間的距離在不斷的縮小.從第5 s時(shí)分度機(jī)構(gòu)開始運(yùn)轉(zhuǎn)，在5～7.5 s這段時(shí)間內(nèi)分度機(jī)構(gòu)順時(shí)針轉(zhuǎn)了30°.從7.5～8.5 s這段時(shí)間內(nèi)分度機(jī)構(gòu)處于停滯狀態(tài)，夾爪此時(shí)也處于收縮狀態(tài)，整個(gè)焊接夾具處于焊接工作中.從8.5～10 s這段時(shí)間內(nèi)分度機(jī)構(gòu)又反向轉(zhuǎn)動(dòng)了60°對焊縫角度做了一個(gè)調(diào)整.10～15 s內(nèi)分度機(jī)構(gòu)停轉(zhuǎn)，夾爪開始釋放完成整個(gè)焊接過程.

Time/s圖6 夾爪位移和分度盤轉(zhuǎn)角曲線

3 結(jié) 論

(1)運(yùn)用CATIA和ADAMS軟件，可以將汽車排氣管焊接夾具機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真和參數(shù)化設(shè)計(jì)有機(jī)地結(jié)合起來.充分展現(xiàn)了虛擬樣機(jī)技術(shù)的先進(jìn)性，大大降低了焊接夾具的開發(fā)成本，為新型汽車排氣管焊接夾具的一次性設(shè)計(jì)和開發(fā)提供了可靠的保證.

(2)對虛擬機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，可以更加直觀地看到各種工況下焊接夾具夾持機(jī)構(gòu)的工作過程和整個(gè)排氣管焊接過程中各機(jī)構(gòu)的協(xié)調(diào)關(guān)系，得到實(shí)驗(yàn)無法得到的精確數(shù)據(jù)結(jié)果.為夾持機(jī)構(gòu)的各種狀態(tài)提供理論依據(jù)，也避免了因機(jī)構(gòu)干涉導(dǎo)致排氣管焊接質(zhì)量不佳的問題.