可翻轉(zhuǎn)座艙模塊機(jī)械手設(shè)計(jì)

何偉東 韋震海 覃海揮 李瓊

摘? 要：隨著汽車平臺(tái)化、模塊化的高度發(fā)展，汽車零部件集成度越來(lái)越高，各類模塊化總成的尺寸及重量也越來(lái)越不可控，導(dǎo)致助力機(jī)械手在汽車裝配中得到大量應(yīng)用。座艙模塊作為最典型的模塊化產(chǎn)品，其輔助裝配機(jī)械手的設(shè)計(jì)及運(yùn)用將極大影響生產(chǎn)節(jié)拍和裝配效率。文章結(jié)合總裝車間現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際工況及車輛產(chǎn)品特性，系統(tǒng)地闡述座艙模塊機(jī)械手的設(shè)計(jì)思路和方法，旨在設(shè)計(jì)一款操作簡(jiǎn)單、安全可靠、兼容性好、操縱輕便、成本低的座艙模塊助力機(jī)械手。

關(guān)鍵詞：模塊化;機(jī)械手;設(shè)計(jì)

中圖分類號(hào)：U463? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A? ? ? ? ?文章編號(hào)：2095-2945（2019）11-0093-04

Abstract： The fast development of automobile platform and modularization has led to the integration of automobile parts， and the size and weight of all kinds of modular assemblies are becoming more and more uncontrollable， has which contributed to the extensive application of booster manipulator in automobile assembly. Cockpit module， as the most typical modular product， its auxiliary assembly manipulator design and application will greatly respond to the production beat and assembly efficiency. Based on the actual working conditions of the assembly workshop and the characteristics of the vehicle products， this paper systematically expounds the design ideas and methods of the cockpit module manipulator. The purpose of this paper is to design a cockpit module booster manipulator with simple operation， safety and reliability， good compatibility， light manipulation and low cost.

Keywords： modularization; manipulator; design

1 座艙模塊機(jī)械手的設(shè)計(jì)背景

汽車儀表板已有100多年的發(fā)展歷史了，最初的儀表板造型及結(jié)構(gòu)單一，尺寸及重量問(wèn)題還沒(méi)凸顯。[1]隨著汽車技術(shù)的不斷進(jìn)步及人車交互越來(lái)越復(fù)雜，汽車儀表板的也變得越來(lái)越“擁擠”，[2]不僅集成了儀表板、儀表板支架、空調(diào)箱、組合儀表、轉(zhuǎn)向柱等的散件裝配，而且還加入了更多時(shí)尚的造型設(shè)計(jì)和智能功能，如抬頭顯示，多功能復(fù)合控制系統(tǒng)，聲音控制、警報(bào)及識(shí)別系統(tǒng)，駕駛員氣囊、副駕駛員氣囊、膝部氣囊等，形成了座艙模塊大總成。座艙模塊化裝配可以減少員工在車內(nèi)裝配時(shí)間及彎腰動(dòng)作、減少主線操作時(shí)間及工位數(shù)，減少總裝廠房占地面積和人員投資?；谧撃K的優(yōu)越性，越來(lái)越多的汽車生產(chǎn)商都青睞于采用座艙模塊化。

2 座艙模塊機(jī)械手的運(yùn)用

座艙模塊大總成不僅尺寸大，而且質(zhì)量重，單人無(wú)法將座艙模塊總成搬運(yùn)到車身進(jìn)行裝配。這就需要一種安全高效的搬運(yùn)工具輔助搬運(yùn)及裝配。座艙模塊輔助搬運(yùn)工具主要有助力機(jī)械手及工業(yè)機(jī)器人。因采用工業(yè)機(jī)器人集成夾具輔助裝配造價(jià)太高，使得普通助力機(jī)械手的應(yīng)用有廣闊的發(fā)展前景。本文將探討座艙模塊機(jī)械手的設(shè)計(jì)及運(yùn)用。國(guó)內(nèi)常見的座艙助力機(jī)械手主要有以下多連桿多關(guān)節(jié)（如圖1）及單垂直升降兩種形式（如圖2）。

多連桿機(jī)械手因關(guān)節(jié)多，臂桿長(zhǎng)，負(fù)載偏心大，裝配時(shí)人員推動(dòng)機(jī)械手前進(jìn)后退都很困難。單垂直升降的形式，人員使力點(diǎn)在運(yùn)動(dòng)主體中心，相比多連桿形式更省力，操縱更方便。本文將主要對(duì)單垂直升降助力機(jī)械手的設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述。

3 可翻轉(zhuǎn)的座艙機(jī)械手設(shè)計(jì)

基于汽車多樣造型帶來(lái)的門框大小不同及座艙模塊總成尺寸越來(lái)越大等影響，座艙模塊總成水平進(jìn)入門框往往發(fā)生與門框干涉現(xiàn)象，這時(shí)就需要將座艙模塊翻轉(zhuǎn)一定角度送入車身。為提高不同車型不同座艙模塊總成的可兼容性，可翻轉(zhuǎn)式座艙機(jī)械手的設(shè)計(jì)尤其重要。本文以我司某車間X生產(chǎn)線為例，簡(jiǎn)述可翻轉(zhuǎn)式座艙機(jī)械手的設(shè)計(jì)。

3.1 可翻轉(zhuǎn)座艙機(jī)械手設(shè)計(jì)思路及準(zhǔn)備

3.1.1 可翻轉(zhuǎn)座艙機(jī)械手設(shè)計(jì)思路

座艙在內(nèi)飾線裝配，車身在滑板鏈運(yùn)行，以內(nèi)飾線主線運(yùn)行方向?yàn)閄向，垂直主線運(yùn)行方向?yàn)閅向，則座艙能實(shí)現(xiàn)順利裝入車身需要X、Y兩個(gè)方向的運(yùn)動(dòng)軌跡，垂直升降機(jī)械手在Y向不可延長(zhǎng)，故上層軌道的布局必須采用雙軌“#”字形布置。座艙模塊在高度Z方向運(yùn)動(dòng)的實(shí)現(xiàn)，有氣驅(qū)動(dòng)及電驅(qū)動(dòng)。電驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)較為復(fù)雜，成本高，故在高度方向上，升降系統(tǒng)采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單成本較低的升降主機(jī)（滑軌滑塊結(jié)構(gòu)）及氣缸組合，采用壓縮空氣驅(qū)動(dòng)。

座艙模塊放置在料架上由人工推送至工位線旁，因地面不可設(shè)置料架的導(dǎo)向及定位，無(wú)法實(shí)現(xiàn)機(jī)械手對(duì)座艙模塊的自動(dòng)夾取。本次座艙機(jī)械手則采用最傳統(tǒng)的人工手動(dòng)對(duì)孔，點(diǎn)按按鈕夾緊及上升。不同車型、不同座艙模塊，進(jìn)車高度的不確定性需要人工能手動(dòng)快速地微調(diào)進(jìn)車高度，則機(jī)械手抬起后座艙模塊后通過(guò)點(diǎn)按按鈕實(shí)現(xiàn)負(fù)載平衡。裝配中需要座艙模塊實(shí)現(xiàn)前后俯仰平衡以便可前后微調(diào)裝入前圍上板對(duì)應(yīng)的安裝板。負(fù)載平衡及夾具的俯仰平衡通過(guò)氣缸在氣路系統(tǒng)設(shè)計(jì)中實(shí)現(xiàn)。

為適應(yīng)員工操作不及時(shí)的情況，座艙機(jī)械手可設(shè)置在X方向的快進(jìn)、快退及自動(dòng)返回功能以提高工作效率和降低部分勞動(dòng)強(qiáng)度。機(jī)械手的快進(jìn)、快退及自動(dòng)返回功能可通過(guò)電機(jī)、變頻器、PLC、按鈕構(gòu)成系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)。

3.1.2 可翻轉(zhuǎn)座艙機(jī)械手設(shè)計(jì)準(zhǔn)備

座艙機(jī)械手設(shè)計(jì)的準(zhǔn)備工作主要是前期的數(shù)據(jù)搜集，主要搜集的數(shù)據(jù)及用途如下：

各車型座艙模塊數(shù)模、左右側(cè)圍數(shù)模、前車體數(shù)模——用于機(jī)械手夾具設(shè)計(jì)、進(jìn)車空間、安裝及退出全過(guò)程的校核。

各車型座艙模塊重量——用于升降主機(jī)及氣缸、伺服電機(jī)、軌道等計(jì)算選型依據(jù)。

各車型座艙模塊夾持孔間距——用于計(jì)算夾持孔間距差提供夾緊氣缸行程選型依據(jù)。

各車型料架夾持孔離地高度、各車型進(jìn)車高度——用于計(jì)算升降主機(jī)及氣缸行程及型號(hào)選定。

取料區(qū)域及作業(yè)范圍——用于軌道系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)。

3.2 可翻轉(zhuǎn)座艙模塊機(jī)械手詳細(xì)設(shè)計(jì)

一套完整的座艙模塊機(jī)械手主要包含有軌道系統(tǒng)、升降系統(tǒng)、夾具、電氣系統(tǒng)。

3.2.1 軌道系統(tǒng)設(shè)計(jì)

軌道品牌的選擇。軌道的主要作用是實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的水平移動(dòng)。國(guó)內(nèi)常用軌道品牌主要有EEPOS、AMB、KBK等，EEPOS軌道摩擦系數(shù)小，250kg負(fù)載啟動(dòng)推力僅為1.2～1.9kg，運(yùn)行推力僅為1.0～1.9kg，在軌道行業(yè)中有出色表現(xiàn)并得到廣大用戶認(rèn)可。為減輕操作人員移動(dòng)機(jī)械手的推力，提高設(shè)備使用舒適度，本設(shè)計(jì)直接選定EEPOS品牌軌道系統(tǒng)。

軌道型號(hào)的選擇。根據(jù)計(jì)算，夾具、升降系統(tǒng)、滑動(dòng)平臺(tái)、坦克鏈及其附屬件、電控柜等零部件總重量約200kg，儀表板模塊重量約45kg，則滑軌的載重要求大于250kg，預(yù)留一些未來(lái)儀表板的重量，最大總負(fù)載按300kg來(lái)設(shè)計(jì)軌道系統(tǒng)。根據(jù)EEPOS鋁合金軌道各型號(hào)參數(shù)，選擇M型鋁合金軌道作為沿生產(chǎn)線運(yùn)行方向的固定軌，吊點(diǎn)距離3.5m。垂直生產(chǎn)線的移動(dòng)軌，根據(jù)夾具取件區(qū)域及座艙模塊安裝到位距離，跨度為5.5m，選擇5.5m的L型軌道，加設(shè)加強(qiáng)軌確保軌道強(qiáng)度。選擇與相應(yīng)軌道的行走滑車即可。如圖3所示。

3.2.2 升降系統(tǒng)選型

升降系統(tǒng)主要包含升降主機(jī)及升降氣缸。根據(jù)負(fù)載重量及裝配行程來(lái)選型。

座艙模塊為料架來(lái)料形式，各車型座艙模塊上夾持孔離地最低高度725mm，進(jìn)車最高離地高度1493mm，升降行程需達(dá)到768mm，考慮其他因素影響，升降行程需做預(yù)留，故升降主機(jī)及升降氣缸按900mm的行程來(lái)選型。工廠氣壓一般為0.5～0.7MPa，負(fù)載重量按最大總重量300kg來(lái)選擇對(duì)應(yīng)的氣缸及EEPOS標(biāo)準(zhǔn)型號(hào)中的中號(hào)兩級(jí)升降主機(jī)。選用標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品可以縮短設(shè)備設(shè)計(jì)和制造時(shí)間，快速實(shí)現(xiàn)設(shè)備投放;同時(shí)標(biāo)準(zhǔn)設(shè)備結(jié)構(gòu)經(jīng)過(guò)長(zhǎng)期驗(yàn)證、非?？煽?在維修方面，備品備件易購(gòu)買，維修便利。

3.2.3 夾具設(shè)計(jì)

夾具設(shè)計(jì)總體要求：

（1）結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可靠夾緊且不與座艙模塊總成任何部位干涉。

（2）夾具左右兩側(cè)可小幅度擺動(dòng)，以便夾取座艙模塊和實(shí)車裝配。

（3）夾具前后可小幅度俯仰，以便夾取座艙模塊和方便座艙模塊對(duì)位安裝至車身。

主夾具設(shè)計(jì)簡(jiǎn)介。如圖4，夾持銷固定在夾爪上，夾爪固定在滑塊上，滑塊裝套入滑軌，滑軌固定在擺動(dòng)橫梁上，夾爪端部與夾緊氣缸連接，實(shí)現(xiàn)對(duì)座艙模塊的有效夾緊。擺動(dòng)橫梁通過(guò)軸承與主橫梁連接。在軸承組件下端兩側(cè)設(shè)計(jì)從主橫梁延伸出來(lái)兩個(gè)支撐板，支撐板與擺動(dòng)橫梁留有一定間隙，支撐板上開有螺栓孔，裝入螺栓后調(diào)整螺栓端面與擺動(dòng)橫梁的距離就可以調(diào)整擺動(dòng)橫梁的擺動(dòng)幅度。主橫梁通過(guò)軸承與擺動(dòng)構(gòu)件相連接，擺動(dòng)構(gòu)件一端與擺動(dòng)氣缸連接，實(shí)現(xiàn)主夾具的旋轉(zhuǎn)及小幅度俯仰擺動(dòng)功能。擺動(dòng)氣缸固定在連接桿上，連接桿法蘭與升降系統(tǒng)連接。伺服電機(jī)及減速器固定在連接桿延伸桿上，減速器輸出構(gòu)件與擺動(dòng)構(gòu)件位于同一平面上，用于推動(dòng)擺動(dòng)構(gòu)件進(jìn)行翻轉(zhuǎn)一定角度。

（1）夾具氣缸行程選擇：統(tǒng)計(jì)各車型座艙模塊兩端夾持孔距離，最小距離1280mm，最大距離1380mm，單邊行程差50mm?？紤]夾具取料時(shí)避免劃碰傷零部件，夾爪打開寬度必須與座艙模塊總成留有一定的安全距離，氣缸行程可選擇150mm，按氣缸夾緊狀態(tài)夾爪距離1200mm，以擺動(dòng)橫梁軸承位置為中心對(duì)稱安裝夾緊氣缸。

（2）夾持銷設(shè)計(jì)：各車型座艙模塊夾持孔徑均為Φ13.5mm，為方便進(jìn)孔提高準(zhǔn)確率，夾持銷頭設(shè)計(jì)為Φ13mm，端面設(shè)錐形導(dǎo)向，銷身設(shè)Φ22mm用于擋孔。

（3）翻轉(zhuǎn)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)：翻轉(zhuǎn)動(dòng)力來(lái)源于伺服電機(jī)，翻轉(zhuǎn)速度不宜過(guò)快，需增設(shè)減速器，達(dá)到降速并增大扭矩作用。伺服電機(jī)及減速器都有現(xiàn)成的產(chǎn)品可供選擇，通過(guò)計(jì)算座艙模塊及夾具的翻轉(zhuǎn)所需的扭矩來(lái)正確選擇伺服電機(jī)及減速器。

（4）其他輔助設(shè)計(jì)：輔助把手設(shè)置了X和Y兩個(gè)方向，Y向把手用于機(jī)械手夾緊座艙模塊和安裝中俯仰調(diào)整時(shí)的施力輔助;X向把手是用于推動(dòng)機(jī)械手將座艙模塊送入