商用車輪胎裝配機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)介與應(yīng)用

摘 ?要：本文主要介紹了商用車輪胎裝配機(jī)械臂的設(shè)計(jì)及應(yīng)用，通過機(jī)械臂的人機(jī)交互模式，采用氣動(dòng)平衡控制系統(tǒng)、自動(dòng)隨行技術(shù)及電動(dòng)夾鉗等技術(shù)，解決了輪胎裝配過程中的問題，提升了輪胎裝配效率和汽車裝配線的自動(dòng)化水平，具有推廣價(jià)值。

關(guān)鍵詞：機(jī)械臂;氣動(dòng)平衡;電動(dòng)夾鉗;自動(dòng)隨行

中圖分類號(hào)：U463.34 ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A ? ? ?文章編號(hào)：1005-2550（2022）02-0029-04

Structure Introduction And Application Of Tire Assembly

Manipulator For Commercial Vehicle

LI Bi-dong

（Dongfeng Commercial Vehicles Co.， LTD vehicle factory， Shiyan 442000， China）

Abstract： Commercial vehicle tire assembly is mainly introduced in this paper the design and application of mechanical arm， through the mechanical arm of the man-machine interaction pattern， using pneumatic balance control system， automatic accompanying technology and electric technology， such as clamp solves the problems in the process of tire assembly， improve the efficiency of tire assembly and automobile assembly line level of automation， the value for popularization.

Key Words： Mechanical Arm; ?Pneumatic Balance; ?Electric Clamp; ?Automatic Accompanying

1 ? ?背景

輪胎是在各種車輛或機(jī)械上裝配的接地滾動(dòng)的圓環(huán)形彈性橡膠制品。通常安裝在金屬輪輞上，能支承車身，緩沖外界沖擊，實(shí)現(xiàn)與路面的接觸并保證車輛的行駛性能。

商用車輪胎裝配：人工通過手拉天車用簡(jiǎn)易吊具把輪胎從輪胎輸送線下料點(diǎn)吊運(yùn)輪胎上裝配線裝配，輪胎裝配作業(yè)主要是輪胎安裝孔與輪轂的長(zhǎng)螺栓對(duì)穿（一般對(duì)穿螺栓為6～10個(gè)螺栓），然后輪胎與輪轂貼合安裝。見圖1：

輪胎裝配作業(yè)中存在以下幾點(diǎn)問題：

1.1 ?手拉天車吊運(yùn)輪胎，輪胎晃動(dòng)大，運(yùn)動(dòng)精度低，輪胎對(duì)輪轂作業(yè)磕碰嚴(yán)重，造成輪胎、輪轂表面油漆劃傷質(zhì)量缺陷。

1.2 ?輪胎對(duì)輪轂困難，輪胎吊運(yùn)晃動(dòng)大，作業(yè)強(qiáng)度大。

1.3 ?輪胎對(duì)輪轂作業(yè)需要把輪胎孔安裝至車輪轂的螺栓上，由于輪胎吊運(yùn)晃動(dòng)大及吊運(yùn)的輪胎不能隨意旋轉(zhuǎn)，輪胎裝配作業(yè)輪胎的螺栓孔與輪轂長(zhǎng)螺栓對(duì)穿作業(yè)困難。見圖2：

1.4 ?輪胎與輪轂貼合度不好，使輪胎螺栓擰緊力矩失真，造成汽車輪胎在行駛中輪胎跑掉現(xiàn)象，危險(xiǎn)性大。

2 ? ?輪胎裝配機(jī)械臂設(shè)計(jì)實(shí)施

商用車輪胎外形尺寸范圍∮780mm×260mm ～∮1260mm×400mm，重量不大于300kg。

輪胎裝配工藝流程：從輪胎輸送線上拿取汽車輪胎，然后把輪胎移至汽車裝配線與汽車輪轂進(jìn)行裝配。

輪胎裝配機(jī)械臂的組成和結(jié)構(gòu)

設(shè)計(jì)一個(gè)機(jī)械臂，機(jī)械臂采用人機(jī)交互使用模式，機(jī)械臂由本體、輪胎電動(dòng)夾鉗、縱向行走裝置、氣動(dòng)平衡控制系統(tǒng)、自動(dòng)隨行系統(tǒng)組成，采用懸掛移動(dòng)式安裝結(jié)構(gòu)，懸掛系統(tǒng)可沿汽車裝配線長(zhǎng)度方向來回自動(dòng)移動(dòng)。見圖3：

工作原理：

人工手持機(jī)械臂打開電動(dòng)夾鉗從輪胎輸送線下料點(diǎn)夾持輪胎，夾持好輪胎運(yùn)送至輪胎裝配工位處，然后開啟自動(dòng)隨行功能，保持機(jī)械臂與裝配線自行同步隨行模式進(jìn)行輪胎裝配作業(yè)，然后調(diào)整氣動(dòng)平衡系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)輪胎與輪轂貼合，然后使用夾鉗旋轉(zhuǎn)輪胎，實(shí)現(xiàn)輪胎安裝孔與汽車輪轂螺栓對(duì)穿，最后松開夾鉗，機(jī)械臂自動(dòng)歸位至輪胎取料位置。

2.1 ? 本體

本體由硬臂、關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸、平行四連桿臂、工藝臂、調(diào)整臂組成， 本體上端與縱向行走裝置連接，下端與輪胎電動(dòng)夾鉗連接，可實(shí)現(xiàn)輪胎裝配過程需要的上下移動(dòng)和旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

機(jī)械臂本體為硬臂旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)型式，由兩個(gè)關(guān)節(jié)回轉(zhuǎn)軸組成，可旋轉(zhuǎn)360℃，并任意角度可調(diào)。平行四連桿臂為平行四連桿結(jié)構(gòu)，通過平衡氣缸的作用實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的上下升降，工藝臂通過回轉(zhuǎn)連通與調(diào)整臂末端連接，下端通過法蘭盤與電動(dòng)夾鉗相連接，剛性手臂可使機(jī)械臂帶輪胎越過障礙，滿足輪胎裝配作業(yè)。

2.2 ? ?輪胎電動(dòng)夾鉗

輪胎電動(dòng)夾鉗有鉗體、夾持裝置、電動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置三部分組成，夾持裝置夾持輪胎，通過旋轉(zhuǎn)裝置使夾持的輪胎隨意旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)了輪胎孔與汽車輪胎螺栓快速對(duì)穿。見圖4：

2.2.1 夾持裝置

采用氣動(dòng)夾持輪胎，由氣缸和鉗爪組成。

夾鉗設(shè)計(jì)：根據(jù)輪胎的尺寸和重量，設(shè)計(jì)夾鉗

夾持范圍∮780mm×260mm～∮1260mm ×400mm輪胎夾持，采用直徑60氣缸，行程600mm。

夾持力F夾=氣壓×缸徑=187Kgf>輪胎歪斜傾倒力F傾 最大150Kgf。

2.2.2 電動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置

由電機(jī)減速器、電控、鉗爪、傳動(dòng)系統(tǒng)組成，采用電機(jī)驅(qū)動(dòng)，能360度旋轉(zhuǎn)，即控即停。

電動(dòng)旋轉(zhuǎn)裝置設(shè)計(jì)：其負(fù)載按照單個(gè)輪胎重量（系數(shù)f=1.5倍）240kg計(jì)算選型電機(jī)減速器：

驅(qū)動(dòng)功率P=T×n/9550=0.113Kw

根據(jù)計(jì)算結(jié)果對(duì)照SEW減速器規(guī)格型號(hào)選用0.12Kw電機(jī)減速器可滿足設(shè)計(jì)要求。

2.3 ? 縱向行走裝置

縱向行走裝置由驅(qū)動(dòng)電機(jī)減速器、摩擦輪、軌道、壓緊裝置組成。機(jī)械臂行走時(shí)，接到信號(hào)壓緊裝置壓住電機(jī)減速器上的摩擦輪與軌道接觸進(jìn)行移動(dòng)，到位后壓緊裝置松開，摩擦輪與軌道脫開，機(jī)械臂運(yùn)動(dòng)停止。

2.4 ? 氣動(dòng)平衡控制系統(tǒng)

氣動(dòng)平衡控制系統(tǒng)：具有全行程自動(dòng)“漂浮”功能，可實(shí)現(xiàn)不同重量物料的重力平衡狀態(tài)，適用于物料的精確移載操作，空載、滿載及處理不同工件時(shí)，系統(tǒng)可感知其重量變化，并實(shí)現(xiàn)載荷在三維空間中的浮動(dòng)狀態(tài)，便于精確定位，全程平衡便捷地實(shí)現(xiàn)工件的搬運(yùn)、定位、裝配等操作。

氣動(dòng)平衡控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)：

負(fù)載設(shè)計(jì)：根據(jù)輪胎的重量和機(jī)械臂本體自重，合計(jì)重量600kg。

工廠條件：供氣氣壓6～7kgf/cm2，氣缸選型：缸徑D，行程L。

F=S氣缸面積×f供氣壓力 根據(jù)負(fù)載計(jì)算得出氣缸缸徑D=106mm

根據(jù)氣缸規(guī)格選用缸徑D120mm氣缸，行程L400mm滿足負(fù)載。

氣路平衡系統(tǒng)設(shè)計(jì)：采用氣動(dòng)平衡閥、換向閥、邏輯閥、壓力調(diào)節(jié)閥等組成平衡系統(tǒng)，空載、滿載及處理不同工件時(shí)，系統(tǒng)可感知其重量變化，并實(shí)現(xiàn)載荷在三維空間中的浮動(dòng)狀態(tài)，自動(dòng)“漂浮”功能，保證機(jī)械臂在空間任意位置平衡靜態(tài)。見圖5：

2.5 ? 自動(dòng)隨行系統(tǒng)

自動(dòng)隨行系統(tǒng)主要使機(jī)械臂工作時(shí)移動(dòng)速度與裝配線主線運(yùn)行速度保持同步，分別由各自PLC+變頻器控制機(jī)械臂和裝配線的運(yùn)行速度，兩者之間通過4G無線通訊技術(shù)實(shí)現(xiàn)數(shù)據(jù)互聯(lián)、程序互控。見圖6：

該隨行系統(tǒng)控制方式以裝配線主線運(yùn)行速度為主，機(jī)械臂通過4G無線通訊技術(shù)采集裝配線主線運(yùn)行速度（并有線速校準(zhǔn)系數(shù)），然后機(jī)械臂PLC讀取裝配線主線運(yùn)行數(shù)據(jù)，同步控制機(jī)械臂運(yùn)行速度，當(dāng)PLC計(jì)數(shù)差超過2圈（位移差為0.1m）時(shí)，機(jī)械臂便自動(dòng)提高或降低自身速度對(duì)裝配線主線位移差進(jìn)行補(bǔ)償，同時(shí)在控制柜主頻上顯示機(jī)械臂和裝配主線的瞬時(shí)速度。見圖7：

3 ? ?實(shí)施后的效果

汽車輪胎機(jī)械臂的設(shè)計(jì)應(yīng)用，消除了輪胎在裝配中的晃動(dòng)，通過氣動(dòng)平衡控制系統(tǒng)、自動(dòng)隨行技術(shù)及輪胎電動(dòng)夾鉗的應(yīng)用，實(shí)現(xiàn)了輪胎精確走位，解決了輪胎裝配作業(yè)輪胎的螺栓孔與輪轂長(zhǎng)螺栓對(duì)穿困難作業(yè)和輪胎對(duì)輪轂作業(yè)磕碰問題，減少了汽車行駛中輪胎跑掉的現(xiàn)象，提升了汽車產(chǎn)品質(zhì)量，輪胎部位的車次賠償率下降了34%，降低了員工作業(yè)強(qiáng)度，輪胎裝配效率提升了41%，同時(shí)使汽車裝配線的自動(dòng)化程度也得到了提升。見圖8：

4 ? ?結(jié)束語

通過輪胎機(jī)械臂的設(shè)計(jì)應(yīng)用，代替了人工輪胎裝配作業(yè)，操作簡(jiǎn)便，裝配快捷、定位準(zhǔn)確，大幅減輕了員工的作業(yè)強(qiáng)度，提升了汽車裝配效率。隨著汽車制造業(yè)的快速發(fā)展，汽車裝配線自動(dòng)化程度越來越高，機(jī)械臂的應(yīng)用越來越廣泛。

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李必冬

畢業(yè)于湖北汽車工業(yè)學(xué)院，學(xué)士學(xué)位，現(xiàn)就職于東風(fēng)商用車有限公司車輛工廠，任技術(shù)主任工程師，高級(jí)工程師，已發(fā)表論文7篇，主要研究方向：混流、柔性汽車裝配線的發(fā)展趨勢(shì)及應(yīng)用。

專家推薦語

王銀明

東風(fēng)設(shè)計(jì)研究院工藝院院長(zhǎng)

研究員級(jí)高級(jí)工程師

論文主要論述裝配機(jī)械臂作為典型裝配助力機(jī)械，技術(shù)是成熟的，但在“自動(dòng)隨行系統(tǒng)”設(shè)計(jì)中運(yùn)用4G網(wǎng)絡(luò)技術(shù)跟蹤主線運(yùn)行速度達(dá)到同步運(yùn)行，有一定的創(chuàng)新意義。本論文條理較為清晰，對(duì)于提升商用車輪胎裝配質(zhì)量、提高裝配效率、改善人機(jī)工程均有較大幫助，有較好的使用價(jià)值。