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天津交通職業(yè)學(xué)院 天津市 300110

隨著近些年來汽車制造的投資力度不斷加大，當(dāng)前在汽車制造和維修過程中，自動化設(shè)備得到了較為廣泛的使用。在這些自動化設(shè)備中，助力機(jī)械手是較常見的一類。助力機(jī)械手基于人機(jī)工程學(xué)設(shè)計，有著較為顯著的人機(jī)互助特點(diǎn)，很適合對汽車儀表板、座椅、蓄電池、天窗、輪胎以及擋風(fēng)玻璃等進(jìn)行安裝，同時在汽車維修中也可使用助力機(jī)械手搬運(yùn)。

1 助力機(jī)械手技術(shù)的基本原理和特點(diǎn)

本文中探討的助力機(jī)械手，是最為普遍使用的氣動助力機(jī)械手。這一助力機(jī)械手使用氣體作為動力源，輔助人力操作。原理是使用恒定大小的氣體壓力對氣體路徑進(jìn)行控制，平衡負(fù)載，依靠連桿結(jié)構(gòu)讓工件在任何位置得到平衡。在操作過程中，工人需要手動移動機(jī)械手臂來操作助力機(jī)械手進(jìn)行上下移動和旋轉(zhuǎn)，并使用裝備有輔助夾緊裝置的機(jī)械手對工件進(jìn)行夾持，通過氣動開關(guān)實現(xiàn)工件的夾緊，并將工件移動到工位上。氣動助力機(jī)械手的結(jié)構(gòu)簡單，操作便捷，很適合對重載工件和零件進(jìn)行搬運(yùn)。同時由于助力機(jī)械手的特點(diǎn)，也能夠?qū)@些工件進(jìn)行較為精確的定位。

2 助力機(jī)械手的設(shè)計

由于本文分析的助理機(jī)械手為助力設(shè)備，也是需要人工進(jìn)行操作的。因此除開人機(jī)交互的部分，其他部位均需要嚴(yán)格按照人體工程學(xué)的規(guī)律進(jìn)行布局，讓工人的操作更加舒適。尤其是在緊急狀態(tài)下能夠更好的辨認(rèn)和做出動作，避免危險事件的出現(xiàn)。例如在機(jī)械手的仿真上，即需要按照圖1進(jìn)行設(shè)計。

圖1 機(jī)械手仿真設(shè)計

2.1 助力機(jī)械手的技術(shù)要求

助力機(jī)械手的動力參數(shù)為三相五線制供電，電源為三相電源，380v，環(huán)境溫度為-10-45攝氏度，環(huán)境相對濕度為≤95%，壓縮空氣0.3-0.6mpa。工藝要求上，需搬運(yùn)的工件名稱為輪胎、驅(qū)動輪軸、后機(jī)罩、座椅、油箱、分動箱以及彎桿支座。助力機(jī)械手設(shè)置有安全誤操作保護(hù)裝置，只有工件被安全安裝到位，或是完全被工作面支撐后，工件才會被卸載。機(jī)械手主關(guān)節(jié)可360度旋轉(zhuǎn)，次關(guān)節(jié)可310度旋轉(zhuǎn)，夾具關(guān)節(jié)可310度旋轉(zhuǎn)。同時助力機(jī)械手有著兩條獨(dú)立氣體回路：第一條可用于對機(jī)械臂以及夾具的重量平衡，第二條可對機(jī)械臂、夾具以及需要搬運(yùn)物體作出重量平衡。兩條氣路可以全自動識別和切換，保證工件在任意時間和位置上的零重力平衡。

2.2 助力機(jī)械手的操作原理

在操作原理上，助力機(jī)械手需要使用平衡氣缸，驅(qū)動一個杠桿結(jié)構(gòu)，對機(jī)械臂的負(fù)載進(jìn)行平衡。而氣缸是可以被調(diào)整的，其作用為簡單的升降運(yùn)動，手動作用到夾具上。在此過程中，有兩條獨(dú)立的氣體回路，可以給氣缸進(jìn)行通氣。第一條氣路的作用是對機(jī)械臂和操作夾具作出重量平衡，此平衡被稱為零負(fù)載平衡。而第二條氣路可以對機(jī)械臂、需要搬運(yùn)的工件以及操作夾具作重量平衡，這一平衡被稱為負(fù)載平衡，兩條氣路可以切換。助力機(jī)械手的主要部件如圖2所示。

2.3 助力機(jī)械手的安全保護(hù)措施

在安全方面，助力機(jī)械手配備有外形結(jié)構(gòu)保護(hù)、靜止?fàn)顟B(tài)保護(hù)、斷氣漏氣保護(hù)、誤操作保護(hù)、行程保護(hù)等。同時在助力機(jī)械手上，也有著安全閥或類似裝置，這一裝置能夠控制助力機(jī)械手的機(jī)械臂以及回轉(zhuǎn)臂的運(yùn)動速度，以免出現(xiàn)誤操作傷害到操作人員的安全。另外機(jī)械手也需要考慮到現(xiàn)場外界壓縮空氣壓力出現(xiàn)波動的可能性。而為了減輕這一情況對助力機(jī)械手的正常施工造成影響，需要在助力機(jī)械手上裝備增強(qiáng)動力性能的裝置，例如增壓器等。同時也需要設(shè)置空氣過濾裝置，保證到助力機(jī)械手在實際的工作中不會受到影響。

圖2 助力機(jī)械手的設(shè)備總成

3 助力機(jī)械手的建模和仿真

3.1 建模和仿真計劃

在對助力機(jī)械手進(jìn)行建模和仿真過程中，本文需使用CATIA軟件進(jìn)行仿真，即實施運(yùn)動仿真。仿真的虛擬樣機(jī)在建立起運(yùn)動機(jī)構(gòu)之前，需要完成靜態(tài)裝備，保證完整的靜態(tài)約束，從而讓虛擬樣機(jī)上的所有零部件均有著唯一位置。在完成了靜態(tài)裝備后，可建立起運(yùn)動機(jī)構(gòu)，而運(yùn)動機(jī)構(gòu)的建立也是運(yùn)動仿真過程中最為核心的工作。本研究中，需要在CATIA軟件中的DMU運(yùn)動機(jī)構(gòu)中，建立起相應(yīng)的運(yùn)動副。而運(yùn)動副可被分為基礎(chǔ)以及關(guān)聯(lián)運(yùn)動副兩種類型。兩個零部件之間關(guān)系相關(guān)運(yùn)動副即為基礎(chǔ)運(yùn)動副。

在三維空間中，每一個零部件均有著6個自由度。只有在自由度的數(shù)值為0時，才能夠讓機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動模擬。

3.2 助力機(jī)械手的運(yùn)動仿真方法

本研究中，建模分析的主要目標(biāo)即分析助力機(jī)械手的工作原理。由于助力機(jī)械手中的內(nèi)部結(jié)構(gòu)對于助力機(jī)械手本身的工作原理以及工作行為并不會造成較大影響，因此在實際的仿真分析過程中，可將其簡化成為零件進(jìn)行表示。建模主要表現(xiàn)為助力機(jī)械手從汽車生產(chǎn)線上抓取汽車工件，并將工件放置在箱子中。箱子有3個自由度和機(jī)械手進(jìn)行配合，幫助每一個工件均能夠被放置在合適的位置。同時由于助力機(jī)械手的虛擬樣機(jī)是一個一體化的模型，而這一模型需要使用力傳遞的方式來進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，因而需要盡可能的減少零件上驅(qū)動力數(shù)量。若可保證到模擬相關(guān)條件，可盡量將驅(qū)動力限制為每個部分1個。在此過程中，可通過設(shè)置接合命令的方式，下達(dá)運(yùn)動副的驅(qū)動力具體數(shù)值，從而達(dá)到最佳的仿真條件。在實際的仿真過程中，界面如圖3所示。

圖3 仿真模擬界面圖

在仿真時，工件通過生產(chǎn)線流出，通過助力機(jī)械手的抓取動作，將工件拿下，轉(zhuǎn)入到3個自由移動的箱子中。

3.3 仿真結(jié)果分析

通過本研究使用助力機(jī)械手進(jìn)行仿真后顯示，助力機(jī)械手的結(jié)構(gòu)較為緊湊，其操作也比較靈活。通過使用機(jī)械手的旋轉(zhuǎn)，能夠很好的和箱子前后左右以及升降運(yùn)動進(jìn)行配合，準(zhǔn)確快速的把工件放置到箱子中，能夠很好的滿足設(shè)計精度相關(guān)要求。因此，使用助力機(jī)械手能夠滿足汽車制造和維修的工件抓取相關(guān)要求，尤其是助力機(jī)械手上裝備有各類安全設(shè)備。因此在實際的應(yīng)用過程中，不僅能夠較好的滿足汽車制造和維修要求，也能夠滿足安全要求，在實際的汽車制造和維修中，有較高使用價值。

4 結(jié)語

綜上所述，助力機(jī)械手這一設(shè)備能夠在汽車維修和制造過程中取得較好效果。通過助力機(jī)械手的方式，能夠幫助工人省時省力并安全可靠的抓取各類工件，同時將工件放置在準(zhǔn)確的位置上，滿足汽車制造和維修要求，這對汽車工業(yè)的發(fā)展有重要意義。尤其是通過CATIA軟件進(jìn)行仿真后，可顯示出助力機(jī)械手的實際工作中的效果，值得推廣使用。