林巨廣，李體振，陳立松，成子文

(1.合肥工業(yè)大學(xué) 機(jī)械與汽車(chē)工程學(xué)院，合肥 230009;2.安徽巨一自動(dòng)化裝備有限公司，合肥230051)

0 引言

近年來(lái)，隨著汽車(chē)裝備業(yè)的競(jìng)爭(zhēng)日益激烈，機(jī)器人抓具在高節(jié)拍、高柔性的汽車(chē)生產(chǎn)線中的用量急劇增加［1］。鋁型材在機(jī)器人抓具中的應(yīng)用實(shí)現(xiàn)了抓具的輕量化、模塊化要求。目前國(guó)內(nèi)市場(chǎng)上的模塊化抓具大都為國(guó)外品牌，國(guó)內(nèi)缺乏有競(jìng)爭(zhēng)力的自主品牌抓具。通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外抓具的研究分析，模塊化抓具的關(guān)鍵在于其有著靈活連接方式和較高性能要求的型材。選用好的型材不僅保證了抓具的精度，也給安裝調(diào)整提供了方便。本文介紹了一種新型鋁型材在模塊化抓具設(shè)計(jì)中的應(yīng)用，從基礎(chǔ)性研究出發(fā)，通過(guò)對(duì)此型材的力學(xué)性能試驗(yàn)，得出應(yīng)變系數(shù)Kb和扭轉(zhuǎn)系數(shù)Kt，并用此系數(shù)來(lái)計(jì)算模塊化抓具實(shí)際負(fù)載下的變形量，驗(yàn)證其精度滿(mǎn)足情況，保證了型材在抓具中應(yīng)用的可靠性。

1 模塊化抓具設(shè)計(jì)及型材要求

1.1 模塊化抓具的介紹

模塊化抓具設(shè)計(jì)具有減少產(chǎn)品開(kāi)發(fā)時(shí)間、便于產(chǎn)品升級(jí)、提高設(shè)計(jì)制造效率等諸多優(yōu)點(diǎn)［2］。模塊化抓具比傳統(tǒng)的焊接抓具具有著明顯的優(yōu)勢(shì)，其模塊化搭拼方式降低了裝配要求，可根據(jù)板件進(jìn)行調(diào)整。而傳統(tǒng)焊接式抓具為整體結(jié)構(gòu)，需要較高的加工安裝精度，且無(wú)重復(fù)利用性。模塊化抓具在板件發(fā)生變化仍可通過(guò)重新搭拼的方式適應(yīng)新的要求，極大的提高了焊裝線的柔性程度［3］。模塊化抓具主要有框架、基板、鋁型材連接輔件、功能組件、閥島或其他氣動(dòng)元件安裝板、傳感單元和機(jī)器人安裝法蘭如圖1 所示。

圖1 模塊化抓具實(shí)物

1.2 模塊化抓具的設(shè)計(jì)要求

模塊化抓具設(shè)計(jì)中最主要的是主框架的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，不同場(chǎng)合下抓具需要不同的結(jié)構(gòu)框架，其結(jié)構(gòu)框架的優(yōu)劣，直接決定著抓具的性能。綜合分析得出抓具設(shè)計(jì)的兩個(gè)要點(diǎn)如下:

(1)結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)要點(diǎn):根據(jù)應(yīng)用情況選擇主框架結(jié)構(gòu)形式，主要有有單管型、雙管型和H 型三種形式;選用靈活、小巧的連接件，以簡(jiǎn)化設(shè)計(jì);在能達(dá)到要求的前提下，連接件、管道的數(shù)量盡量的少;抓具的功能單元在打開(kāi)和關(guān)閉狀態(tài)時(shí)不能與板件、板件置臺(tái)和板件抓具自身產(chǎn)生干涉;抓具和板件的重量和不允許超過(guò)該抓具采用的機(jī)器人任意軸負(fù)載能力［4］。

(2)型材要求:新型模塊化抓具對(duì)鋁型材的結(jié)構(gòu)、性能都有不同的要求。型材彎曲扭轉(zhuǎn)性能保證了抓具受負(fù)載時(shí)的精度要求。結(jié)構(gòu)上要求連接簡(jiǎn)單可靠、裝配時(shí)便于調(diào)整。截面為圓形的型材雖然保證有較好的抗彎扭性能，但其與連接件裝配時(shí)角度不易定位，調(diào)整工作量繁瑣。型材連接件用于連接型材之間，型材與連接板、氣缸、吸盤(pán)及傳感器等［5］。(如圖2 所示)

圖2 抓具形式

2 截面設(shè)計(jì)與分析

2.1 截面的設(shè)計(jì)

根據(jù)上述模塊化抓具要求，結(jié)合抓具設(shè)計(jì)連接安裝形式及其在實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合力學(xué)性能，設(shè)計(jì)出了不同截面的幾種規(guī)格鋁型材。80 和60 的型材作為模塊化抓具的主框架，32 的型材用來(lái)連接其終端執(zhí)行裝置(如氣缸、吸盤(pán)等)，如圖3 所示。連接槽內(nèi)采用10-M8 的方形螺母塊。

圖3 型材規(guī)格

其截面慣性矩和極慣性矩見(jiàn)表1 所列。

表1 截面慣性矩和極慣性矩

2.2 理論分析

抓具型材的性能分為:鋁型材本身的力學(xué)性能和型材之間的連接強(qiáng)度。本次分析以作為主框架結(jié)構(gòu)的TUBE-80 型號(hào)的鋁型材為分析對(duì)象，運(yùn)用彎曲、扭轉(zhuǎn)變形知識(shí)分析其形變量。參數(shù):規(guī)格為T(mén)UBE-80 八面體鋁型材，抗拉強(qiáng)度350MPa，采用分級(jí)加載方式，共六級(jí)，每級(jí)加載重量為10Kg。

根據(jù)材料力學(xué)繞度計(jì)算公式［7］，由負(fù)載大小F和作用點(diǎn)距固定端距離l 計(jì)算得:

式中E=71.7GPa，I =1.21e－6，l =800mm。載荷和撓度見(jiàn)表2 所列。

表2 載荷和撓度

并用CATIA 有限元分析模塊［6］分析型材與臺(tái)架連接時(shí)的受力變形情況，下圖4a 為末端負(fù)載30kg 時(shí)的變形圖，其距固定端800mm 處的形變值為1.05mm，因?yàn)樵谑芰r(shí)臺(tái)架也發(fā)生變形，此形變值大于上式計(jì)算的繞度值。此試驗(yàn)中的臺(tái)架變形為試驗(yàn)系統(tǒng)誤差。

由于其為非圓截面，變形后截面會(huì)發(fā)生翹曲，其扭轉(zhuǎn)計(jì)算較為復(fù)雜［7］。因此，這種型材的扭轉(zhuǎn)變形就以有限元分析的結(jié)果作為理論參考。如圖4b 所示(L=800mm，T=60N·m)。加載截面變形發(fā)生扭轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度(rad)見(jiàn)表3 所列。

圖4 CAE 分析變形圖

表3 扭矩和扭轉(zhuǎn)角

3 靜載試驗(yàn)

本次試驗(yàn)設(shè)備有實(shí)驗(yàn)臺(tái)架、百分表及磁力表座、砝碼、掛鉤和支座等，裝置示意圖如圖5 所示。在鋁型材靜載試驗(yàn)中，上圖4a 所示的試驗(yàn)臺(tái)架以及連接件的變形，造成了實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)誤差。

圖5 試驗(yàn)裝置示意圖

3.1 彎曲變形實(shí)驗(yàn)

上述試驗(yàn)中的系統(tǒng)誤差對(duì)測(cè)量值有較大的影響，本試驗(yàn)采用在非受力端測(cè)量?jī)牲c(diǎn)的變形量，利用相似三角形原理來(lái)測(cè)量因系統(tǒng)誤差在末端引起的變形量。其方法示意如圖6a 所示。

圖6 型材變形示意圖

由公式:

得:

則鋁型材應(yīng)變值為:

即:

式中M:鋁型材無(wú)受力一段的兩點(diǎn)測(cè)量距離;N:鋁型材的跨度;A:連接件受力遠(yuǎn)端的應(yīng)變量;B:連接件近端的應(yīng)變量;X:由于試驗(yàn)臺(tái)架受力變形對(duì)鋁型材產(chǎn)生的系統(tǒng)誤差值;Y:鋁型材受力最終測(cè)量的應(yīng)變值;

為了使AB 兩處的百分表的讀數(shù)有較大差異，選取較大的M 值;由于安裝方式的差異化也會(huì)導(dǎo)致試驗(yàn)精度測(cè)量的不同，經(jīng)過(guò)多次重復(fù)試驗(yàn)，選擇出合理的數(shù)值進(jìn)行計(jì)算，并用6σ 法則［8］剔除壞值，減少隨機(jī)誤差的影響，最終獲得在不同負(fù)載下?lián)隙鹊钠骄?/p>

值如下表4 所列:

表4 實(shí)測(cè)撓度

整理出理論應(yīng)變值和實(shí)際測(cè)量應(yīng)變值隨負(fù)載的變化如圖7a 所示。x 軸-負(fù)載(kg)，y 軸-應(yīng)變值(mm)。最終得出TUBE-80 實(shí)際彎曲應(yīng)變的公式:

ΔZ=F×l3×K

求得Kb=0.0043，利用此應(yīng)變系數(shù)Kb便可算出型材實(shí)際應(yīng)用時(shí)在負(fù)載處的應(yīng)變值。

圖7 彎曲和扭轉(zhuǎn)曲線圖

3.2 彎曲變形實(shí)驗(yàn)

受臺(tái)架本身剛度和鋁型材安裝方式的影響，扭轉(zhuǎn)試驗(yàn)也利用間接測(cè)量方式，測(cè)量出鋁型材對(duì)應(yīng)不同位置的應(yīng)變，示意圖如圖6b 所示。在型材不受扭轉(zhuǎn)的地方安裝一桿，通過(guò)測(cè)量桿上C、D 兩點(diǎn)的變形量來(lái)計(jì)算因系統(tǒng)誤差產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)角度。AB 端扭轉(zhuǎn)角:

CD 端扭轉(zhuǎn)角:

受扭端扭轉(zhuǎn)角:

理論公式:

所以:

同彎曲試驗(yàn)類(lèi)似，多次測(cè)量后用6σ 法則剔除壞值后求得不同扭矩下彎曲扭轉(zhuǎn)角(rad)見(jiàn)表5 所列。

表5 實(shí)測(cè)扭轉(zhuǎn)角

整理出理論扭轉(zhuǎn)角和實(shí)測(cè)扭轉(zhuǎn)角應(yīng)變值隨負(fù)載的變化如下圖7b 所示?？傻肨UBE-80 在受扭處的扭轉(zhuǎn)角度公式:

式中:T——施加扭矩(N·m);

L——施加扭矩處離固定端的距離(m);

Kt——扭轉(zhuǎn)系數(shù)。最終由實(shí)驗(yàn)得:

4 結(jié)論

新型模塊化抓具的研發(fā)和設(shè)計(jì)，可以提高我國(guó)自主品牌的模塊化抓具的競(jìng)爭(zhēng)力，促進(jìn)白車(chē)身焊接生產(chǎn)線向著高節(jié)拍、高柔性的趨勢(shì)過(guò)渡發(fā)展。本文就機(jī)器人模塊化抓具中的型材進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)出一種新型的型材，通過(guò)理論分析和試驗(yàn)驗(yàn)證分析，得出其實(shí)際應(yīng)用時(shí)的應(yīng)變系數(shù)和扭轉(zhuǎn)系數(shù)，在抓具設(shè)計(jì)階段有利于獲取抓具實(shí)際應(yīng)用場(chǎng)合的受力應(yīng)變值和扭轉(zhuǎn)值，能較方便驗(yàn)證其精度要求，為模塊化抓具的設(shè)計(jì)提供了理論依據(jù)。

［1］廖志環(huán). 白車(chē)身試制柔性焊裝線及夾具設(shè)計(jì)研究［D］.湖南:湖南大學(xué)，2010.

［2］張世華，楊曉光. 一種新的模塊化設(shè)計(jì)方法及其應(yīng)用［J］. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2009(4):36－38.

［3］張展生，楊成曄.由機(jī)器人調(diào)整的可重構(gòu)汽車(chē)車(chē)身焊接夾具的設(shè)計(jì)研究［J］.制造技術(shù)與機(jī)床，2005(10):103－104.

［4］莫澤文，劉俊華，池源，等. 柔性焊裝夾具的設(shè)計(jì)及制造［J］. 汽車(chē)工藝與材料，2009(5):43－49.

［5］王健強(qiáng)，王瑋. 焊裝自動(dòng)線機(jī)器人頂蓋抓具的設(shè)計(jì)研究［J］. 組合機(jī)床與自動(dòng)化加工技術(shù)，2010(4):96－99.

［6］盛選禹. CATIA V5 R17 有限元分析實(shí)例教程［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.

［7］楊伯源. 材料力學(xué)［M］. 北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2008.

［8］何曉群. 六西格瑪數(shù)據(jù)分析技術(shù)［M］. 北京:中國(guó)人民大學(xué)出版社，2003.