韓 曉，王紅軍，康運江

（1.北京信息科技大學(xué)機電工程學(xué)院，北京 100192；2.機械科學(xué)研究總院機科發(fā)展科技股份有限公司，北京 100044）

0 引言

隨著社會發(fā)展，能源成為關(guān)鍵性問題，新能源汽車得到發(fā)展契機。新能源汽車需求量的增加，帶動了新能源汽車產(chǎn)品配件、產(chǎn)品維修等相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展。以往新能源汽車的換擋機構(gòu)一直由人工裝配完成，顯然已跟不上市場需求。換擋機構(gòu)的自動化裝配呼之欲出。自動化生產(chǎn)線抓手種類較多，結(jié)構(gòu)簡單或復(fù)雜都有。本次裝配，需要抓取換擋機構(gòu)殼體并在其內(nèi)部安裝所需軸承、軸套等零部件，抓取零部件的尺寸相差較大，零部件種類較多。而且換擋機構(gòu)對定位尺寸等有一定要求，對安裝位置、安裝姿態(tài)的調(diào)整尤為重要。為實現(xiàn)換擋機構(gòu)自動化裝配功能，提高生產(chǎn)效率和自動化水平，解放勞動力。本文對換擋機構(gòu)自動化裝配抓手進行設(shè)計分析。

1 總體方案設(shè)計

本生產(chǎn)線加工對象是HT500 和HT600 換擋機構(gòu)，主要抓取部件為殼體和內(nèi)部蝸桿、軸承、渦輪、電機支撐架、電機等。

1 號線進行裝配前殼體外形如圖1 所示，分析殼體外形，最容易實現(xiàn)抓取的部位為后端的短圓柱型結(jié)構(gòu)，且抓取該部位不會與激光打標(biāo)和標(biāo)簽打印發(fā)生干涉。根據(jù)圖1，確定抓取部分圓柱直徑為53 mm，厚度為14 mm，質(zhì)量約為1.5 kg。蝸桿抓取部分直徑為12 mm，抓取部分和厚度為6 mm，蝸桿質(zhì)量約為92 g。其他需要抓取的零部件依次為軸承、電機，軸承外形尺寸分別為16 mm 和19 mm，電機尺寸為44 mm。

圖1 換擋機構(gòu)殼體

抓手整體的結(jié)構(gòu)方案如圖2 所示，在支撐架上安裝一快換機構(gòu)，快換機構(gòu)上安裝一法蘭盤。使得快換機構(gòu)母頭與支撐架相連，公頭與六軸機器人末端相連。在支撐架兩端分別安裝兩個不同型號尺寸的亞德客氣動手指，可以完成兩種型號零件的安裝。氣動手指上可以設(shè)計安裝不同尺寸、形狀的夾片，具有一定互換性。

圖2 蝸桿電機末端執(zhí)行器設(shè)計

兩套夾爪分布在支撐架兩側(cè)，采用板形結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單且可承受較大拉力。每套夾爪上安裝有上擋塊、下?lián)鯄K、滑臺、氣動手指連接板、氣動手指、夾片。夾片和氣動手指通過螺釘連接到一起。更換不同夾片可以用于安裝不同尺寸的零件。氣動手指進氣口與氣壓缸相連，可以控制氣動手指的進氣和出氣，從而控制夾片開合，實現(xiàn)零件的夾取和釋放?？鞊Q機構(gòu)安裝在機器人和工具端之間，可以實現(xiàn)工具端的快速更換。一個母頭可以對應(yīng)多個同尺寸公頭，從而一次可以更換兩個夾片，提高生產(chǎn)效率。安裝的滑軌結(jié)構(gòu)，使得機器人進行裝配時始終保持順暢和緊致，不會因過緊導(dǎo)致安裝困難，也不會因安裝過松導(dǎo)致安裝失敗。

2 主要零件結(jié)構(gòu)設(shè)計

對總體方案進行簡單設(shè)計后，開始單個零件的選型設(shè)計及原理分析。

2.1 夾爪支撐架

夾爪支撐架是整個抓手設(shè)計的關(guān)鍵部分，兩套滑軌、氣動手指等都安裝在夾爪支撐架上。如圖2 所示，夾爪支撐架采用板型結(jié)構(gòu)，M4 螺釘安裝滑軌，為防止螺釘脫落，至少旋入5 個螺距，還需涉及凹槽結(jié)構(gòu)，因此夾爪支撐架厚度最終定為10 mm。經(jīng)過計算，將夾爪支撐架傾斜角度定為45°，夾爪支撐架結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3 夾爪支撐架

2.2 夾片結(jié)構(gòu)設(shè)計及有限元分析

夾片是實現(xiàn)抓取的主要部分，夾片構(gòu)造合理可以大幅度提高夾取和安裝精度。該抓手的夾片采用整體式結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡單，安裝較為方便。

夾片安裝在氣動手指上，因此安裝尺寸要滿足氣動手指的選型要求。根據(jù)裝配需求，一個夾片用來夾取殼體進行涂膠封裝，另一個夾片負責(zé)小型零件的夾取。經(jīng)過夾持力的計算，選取HFZ40 和HFZ20 兩種型號的氣動手指。夾片材料選用鋁合金，鋁合金質(zhì)地較軟、密度小，可以減輕機器人末端工作載荷，同時不會對夾取零件造成壓痕。

由于抓取的殼體上端部分為短圓柱形結(jié)構(gòu)，平面抓取，摩擦面小，受力集中于一點，會造成較大壓痕。因此抓手也采用圓弧結(jié)構(gòu)，增大抓取面面積，分散受力。夾片結(jié)構(gòu)如圖4 所示。

圖4 夾片結(jié)構(gòu)三維設(shè)計

抓手材料摩擦因數(shù)約為0.1，合金鋼的屈服極限為600 MPa。對兩抓手分別施加相應(yīng)載荷，大抓手抓取物體質(zhì)量為1.5 kg，壓力為150 N，每一抓手承受壓力為75 N，假定載荷均勻分布在夾爪上。小抓手抓取物體質(zhì)量為200 g，壓力為2 N，每一抓手承受壓力為10 N，假定載荷平均分布在抓手上。對兩抓手進行網(wǎng)格劃分，然后進行應(yīng)力和位移分析，殼體抓手應(yīng)力和位移分析結(jié)果如圖5 所示，蝸桿軸承抓手應(yīng)力和位移分析結(jié)果如圖6 所示。

圖5 殼體抓手應(yīng)力分析和形變量分析

圖6 蝸桿軸承抓手應(yīng)力分析與形變量分析

2.3 快換機構(gòu)原理分析及選型

在滿足零部件安裝精度情況下，選擇成本較低、結(jié)構(gòu)較為簡單的快換裝置。美國ATI 公司的快換裝置利用氣動活塞缸工作，如圖7 所示，當(dāng)機器人手臂接近并對準(zhǔn)工具盤時，空氣流過空氣鎖緊端口并推動主盤中的滾珠，滾珠被精確地推進鎖緊環(huán)并被緊緊鎖住，直到解鎖端口有空氣壓力供給時，滾珠才會被松開。

圖7 ATI 快換裝置

快換機構(gòu)包括公頭和母頭，一個公頭配備多個母頭，從而提高產(chǎn)品裝配效率，順應(yīng)工業(yè)生產(chǎn)柔性化的發(fā)展趨勢。機器人抓取零件總質(zhì)量不超過15 kg，且抓取環(huán)境簡單，故快換裝置采用Qc21 系列產(chǎn)品即可。在快換裝置中綜合比較價格、尺寸以及抓取質(zhì)量。選取9120-021M-K19-000 母頭，9120-021T-K19-000 公頭。

3 機器人路徑規(guī)劃

3.1 機器人工作內(nèi)容

新能源汽車換擋機構(gòu)自動化裝配生產(chǎn)線選用新松20 kg 六軸機器人，可用于搬運、碼垛和分裝等工藝環(huán)節(jié)。機器人首先進行工件掃碼識別，匹配后抓取殼體到打標(biāo)機處打標(biāo)。打標(biāo)完成后抓取殼體到標(biāo)簽打印機打印標(biāo)簽，打印完畢后將殼體放至固定安裝工位進行卡緊。夾爪支撐架旋轉(zhuǎn)180°，更換為HFZ20 氣動手指，抓取軸承至相機位置，進行姿態(tài)調(diào)整，直到與相機中零件姿態(tài)重合，即可直線移動進行安裝。抓取蝸桿進行姿態(tài)調(diào)整，姿態(tài)正確后進行蝸桿的安裝，抓取頂部軸承進行安裝。伺服壓裝機壓裝，抓取電機安裝架進行安裝。電機檢測、檢測合格后，抓取電機進行安裝。安裝完成進行扭矩檢測，若檢測合格，1 號線裝配完成，進入2 號線裝配，否則產(chǎn)品下線。安裝H600 時需要換用另外一個夾爪支撐架，需要控制快換裝置氣腔排氣，將機器人端和工具端分開。檢測到另一夾爪支撐架位置正確后再進行安裝，提高了產(chǎn)品通用性。

3.2 機器人編程

選用ABB 機器人編程，首先要進行機器人姿態(tài)調(diào)整，設(shè)定原始位置，簡單搭建工作臺。其次是設(shè)定機器人工具偏差和載荷，然后編制機器人程序。

編程時要注意加入姿態(tài)調(diào)整指令，當(dāng)姿態(tài)位置不滿足原始設(shè)定位置要求時，需要測定偏移量，并對偏移量進行處理，形成反饋信號，將信號傳達至機器人程序端口進行姿態(tài)調(diào)整。

4 視覺系統(tǒng)設(shè)計

機器人視覺系統(tǒng)的引入可以縮短識別和對比所用時間，在最快的生產(chǎn)線上對產(chǎn)品進行測量、引導(dǎo)、檢測和識別，保質(zhì)保量完成生產(chǎn)任務(wù)。關(guān)于機器人視覺系統(tǒng)的選擇，最重要的是三大模塊，即相機的選型、光源的選擇和鏡頭的選擇。相機、光源、物體三者相對位置的安排也影響視覺系統(tǒng)的質(zhì)量，相機光源布置如圖8 所示。

圖8 相機光源布置

5 裝配功能的實現(xiàn)

將夾爪支撐架安裝在快換裝置母頭上，并與公頭連接安裝在機器人端，將兩夾片末端中心點定義為抓手的執(zhí)行點。通過測量各執(zhí)行點到機器人端的偏移距離并在機器人系統(tǒng)中進行設(shè)定。轉(zhuǎn)動一個角度使用其中一個夾片進行夾取，并將其移動到相機位置。通過與相機中存儲圖片外形比對進行姿態(tài)偏差反饋調(diào)整，進行安裝姿態(tài)調(diào)整安裝。該零件裝配后回到原點轉(zhuǎn)動180°并調(diào)整姿態(tài)，即可使用另一夾片進行夾取。兩夾片均不滿足使用要求時可回原點將快換公頭換下，安裝另一夾爪支撐架進行裝配。

6 結(jié)束語

隨著新能源汽車的廣泛使用，換擋機構(gòu)自動化裝配生產(chǎn)線的需求越來越迫切。本文分析研究對象的抓取特征及尺寸，給出換擋機構(gòu)蝸桿電機裝配生產(chǎn)線末端執(zhí)行器的設(shè)計方案，對方案中的夾片結(jié)構(gòu)和支撐架結(jié)構(gòu)進行設(shè)計，同時對機器人裝配流程以及視覺系統(tǒng)的布置進行設(shè)計，進行有限元分析，證明本方案的可行性。

本文摒棄以往一個機器人末端執(zhí)行器只能抓取一個零件的傳統(tǒng)思想，節(jié)省了裝配空間，節(jié)約了生產(chǎn)時間，提高了工具的互換性，為以后多抓手末端執(zhí)行器設(shè)計提供參考。