一種柔性車門抓手的設(shè)計與應(yīng)用

（上汽通用五菱汽車股份有限公司 545007）

0 前言

車門自動化線內(nèi)板焊接總成的搬運是由機(jī)器人抓手完成，機(jī)器人搬運零件到自動化線上不同的工位中。為了實現(xiàn)搬運功能，需要設(shè)計相應(yīng)的抓手。不同車型不同零件都有與其對應(yīng)的抓手及放置架，導(dǎo)入的車型越多，抓手及放置架的數(shù)量也越多。因此如何實現(xiàn)抓手的柔性功能日趨迫切。

常見的抓手按材質(zhì)可分為八角管組裝的鋁質(zhì)抓手（圖1），及鋼管焊接的抓手（圖2）。按抓件方式可分為吸盤式和氣缸夾緊式。

圖1 八角管結(jié)構(gòu)的吸盤式抓手

圖2 焊接結(jié)構(gòu)的氣缸夾緊式抓手

表1 三種車型前后側(cè)門質(zhì)量及尺寸

圖3 開孔位置

目前2 種形式的抓手都是通過內(nèi)板主定位銷使抓手定位在車門上，保證抓取精度。然后通過吸盤吸緊車門或通過定位塊和壓頭將車門夾緊，夾緊點通常為6～8 個，保證抓取穩(wěn)定。由于抓手機(jī)構(gòu)定位銷位置和夾緊位置在車門內(nèi)板型面上，因此想要現(xiàn)有抓手進(jìn)行柔性生產(chǎn)，就需要零件定位孔和夾緊點型面的位置在X、Y和Z 方向上保持一致。但由于每個車門造型各異，定位孔和夾緊點型面的位置很難保持一致，尤其是不同平臺的車門差異更大，因此現(xiàn)有形式的抓手無法實現(xiàn)車門抓手柔性功能[1]。

1 柔性抓手的原理

為了實現(xiàn)車門內(nèi)板總成抓手的柔性，新型的柔性抓手針對現(xiàn)

有技術(shù)進(jìn)行重新設(shè)計分析。通過對比3 個不同平臺車型共6種車門內(nèi)板總成的結(jié)構(gòu)分析（表1），我們發(fā)現(xiàn)，雖然各車型車門內(nèi)板總成結(jié)構(gòu)差異大，但質(zhì)量均在11～13 kg，且內(nèi)板總成結(jié)構(gòu)剛性穩(wěn)定，不易變形。

因此，新型柔性抓手的設(shè)計采用三點成面原理，使用三孔定位兼抓緊的定位策略來實現(xiàn)零件的抓取。柔性抓手在車門內(nèi)板范圍內(nèi)選取3 個點來定位抓緊（圖3），這3 個位置沒有外板加強(qiáng)板遮擋，各個焊接工位內(nèi)板總成零件不會與抓手干涉，零件在內(nèi)板焊接拼臺工位之間轉(zhuǎn)運都可以使用相同的抓手。為使抓手能夠?qū)崿F(xiàn)不同內(nèi)板總成零件的抓取功能，且兼顧零件的精確定位和可靠抓取，抓手設(shè)計需要解決兩個問題：第一，抓手上3 個定位抓緊點能夠改變它們之間的距離，即圖3所示前側(cè)門和后側(cè)門上3 個定位抓緊點位置變化情況；第二，抓手能夠兼容不同零件上3 個定位抓緊點Y 向不同的距離[2]。

2 柔性抓手的設(shè)計

在柔性抓手的結(jié)構(gòu)設(shè)計中，為解決上述問題，通過對比現(xiàn)有成熟產(chǎn)品的性能及精度，我們采用PMI 線性模組，通過伺服控制系統(tǒng)可實現(xiàn)改變定位抓緊點的位置距離，其位置精度能達(dá)到±0.06 mm。通過使用機(jī)器人第六軸旋轉(zhuǎn)改變抓手抓取零件的角度，改變線性模組的停止位置來實現(xiàn)不同車門抓手X 向和Z 向柔性。采用一個勾銷機(jī)構(gòu)和兩個氣爪階梯機(jī)構(gòu)（如圖4）實現(xiàn)不同零件抓緊點Y 向距離柔性。其中，如圖3所示，位置1 是內(nèi)板主定位孔，采用勾銷機(jī)構(gòu)，作用是主定位和夾緊，與焊接拼臺主基準(zhǔn)保持統(tǒng)一；位置2 和位置3 是抓手專用孔，采用氣爪機(jī)構(gòu)，作用是輔助定位和夾緊。

為實現(xiàn)抓手柔性功能，車門產(chǎn)品零件在設(shè)計時，需要按以下要求設(shè)計抓手專用的零件定位孔和夾緊面。

圖4 氣爪結(jié)構(gòu)

圖5 內(nèi)板柔性抓手結(jié)構(gòu)

首先，3 個定位孔開孔位置不能造成抓手與外板加強(qiáng)板干涉，如圖3中1、2、3 區(qū)域。

其次，抓手專用孔所在平面與主定位銷平面的Y 向距離為氣爪卡槽距離的整數(shù)倍[3]。

3 柔性抓手的結(jié)構(gòu)

內(nèi)板焊接總成柔性抓手結(jié)構(gòu)如圖5所示。抓手主框架為焊接結(jié)構(gòu)，為滿足抓手重心位置及機(jī)器人配重要求，3 個抓緊點滑移機(jī)構(gòu)呈120°均勻分布。抓手共有3 個PMI 線性模組,根據(jù)內(nèi)板總成結(jié)構(gòu)尺寸，線性模組的行程選用300 mm，柔性抓手可達(dá)性能夠滿足目前所有車型車門的抓取。3 個PMI 線性模組分別配有3個伺服電機(jī)和3 個控制箱，伺服電機(jī)的線束接到控制箱上，抓手上裝有氣控閥控制氣爪和勾銷的開關(guān)。另外還有BK 模塊來連接伺服電機(jī)控制箱和PLC 間的通信。3 個伺服電機(jī)控制箱自帶電池，能夠離線儲存線性模組的停止位置，共能儲存7 組數(shù)據(jù)，包括一個零位和6 個車型停止位置信息。升級儲存硬件還可以儲存更多組信息。

氣爪插入抓手孔（圖3中的位置2 和位置3）后氣爪手指平行張開，車門內(nèi)板就會牢牢卡在手指的卡槽之內(nèi)。氣爪選用50 缸徑的三爪式氣爪，理論抓力為200 N，確保氣爪卡緊零件。為滿足氣爪結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和柔性要求，氣爪手指上設(shè)計有7 個間距為7 mm 的卡槽，如此，氣爪的兼容行程為49 mm。內(nèi)板產(chǎn)品設(shè)計時，要求抓手孔平面與主定位銷平面的Y 向距離為7 mm 的整數(shù)倍（即抓手孔平面與主定位銷孔平面之間的距離差H=7×N mm，其中0 ≦N ≦7）。

抓手通過一個勾銷和兩個氣爪來抓緊車門，氣爪和勾銷缸裝在PMI 線性模組上，線性模組由伺服電機(jī)驅(qū)動。通過改變3 個線

圖6 同一抓手在前后側(cè)門上的不同姿態(tài)

性模組的停止位置和抓手的姿態(tài)，實現(xiàn)抓手抓緊點X 向和Z向的柔性；使用氣爪上不同的卡槽位置，實現(xiàn)抓手抓緊點Y 向的柔性。同一個抓手通過改變線性模組的停止位置和抓手的姿態(tài)，即可柔性抓取不同結(jié)構(gòu)的車門內(nèi)板（圖6）。

4 抓手的調(diào)試與使用

抓手裝配好機(jī)械零件和電氣管線后，首先通過伺服電機(jī)驅(qū)動線性模組回到機(jī)械零位，進(jìn)行三坐標(biāo)檢測和調(diào)整，使抓手能夠達(dá)到設(shè)計的狀態(tài)，并將機(jī)械零位存儲在伺服電機(jī)控制箱內(nèi)，作為車型變換基準(zhǔn)零位。然后，通過USB 數(shù)據(jù)線將伺服電機(jī)控制箱與計算機(jī)連接，將設(shè)計時算好的車型位置，通過控制界面（圖7）輸入伺服電機(jī)控制箱內(nèi)儲存好，即可完成車型的信息錄入，實現(xiàn)了數(shù)字化的車型導(dǎo)入。3 個控制箱相互獨立，需要分3 次輸入。在導(dǎo)入下一個車型時，需將線性模組回到初始狀態(tài)的基準(zhǔn)零位，再通過輸入車型信息，由伺服電機(jī)控制線性模組滑移到該車型設(shè)計位置。

抓手軌跡線如圖8所示，每一根軌跡線代表線性模組上的勾銷或氣爪的可達(dá)范圍，只要定位孔開在線上，勾銷或氣爪就能夠進(jìn)入孔內(nèi)。第二個車型導(dǎo)入時，只需整體平移和旋轉(zhuǎn)軌跡線，并注意使抓手避讓加強(qiáng)板和焊點，即可快速找到合適的開孔位置?，F(xiàn)場調(diào)試時調(diào)好機(jī)器人的姿態(tài)并保存。

抓手上儲存2 個以上的車型定位信息后，進(jìn)行車型切換時，按下電控按鈕，PLC 就會將所要生產(chǎn)的車型信息發(fā)給搬運機(jī)器人。機(jī)器人就會發(fā)出信號給伺服電機(jī)控制箱，調(diào)取所需的車型定位信息，伺服電機(jī)就會自動到達(dá)定位位置。最后，機(jī)器人調(diào)取自身對應(yīng)車型的動作軌跡，數(shù)秒內(nèi)即可完成抓手狀態(tài)切換，無需人工參與，快速且智能完成抓手車型切換[4]。

圖7 線性模組停止位置信息控制界面

圖8 抓手軌跡線

5 結(jié)束語

柔性抓手設(shè)計通過簡單的三點成面定位原理，結(jié)合自動化控制技術(shù)，充分利用機(jī)器人靈活的動作姿態(tài)，實現(xiàn)了車門內(nèi)板焊接總成抓取搬運功能。Y 型柔性抓手結(jié)構(gòu)緊湊，機(jī)器人抓取零件穩(wěn)定，放置零件位置精度高，重復(fù)精度高。該抓手具有柔性高、數(shù)字化和智能化的特點，車型導(dǎo)入過程中無需切換抓手，只需增加伺服控制程序，減少導(dǎo)入車型的抓手制造成本和加工時間，減少車型切換時間，減少車型切換人員，大大提高綜合效益。