一種傳動機(jī)構(gòu)的對接結(jié)構(gòu)及傳動方法

摘要：本文介紹了一種傳動機(jī)構(gòu)的對接結(jié)構(gòu)及傳動方法，針對傳統(tǒng)柔性滑移機(jī)構(gòu)在振動重載的情況下穩(wěn)定性不足，對于變化后無反饋，無法進(jìn)行自動調(diào)整，以及每一組三軸滑移的柔性機(jī)構(gòu)需要3 個伺服電機(jī)，投入高，該結(jié)構(gòu)及傳動方法優(yōu)化了柔性滑移機(jī)構(gòu)的定位可靠性，在其變化后便于檢測反饋。經(jīng)技術(shù)背景研究、數(shù)模結(jié)構(gòu)研究、3D 數(shù)模設(shè)計模擬和實物試驗驗證，確認(rèn)了該對接傳動裝置的可行性，滿足機(jī)器人與運動的柔性滑移機(jī)構(gòu)的對接，保證對接的準(zhǔn)確和穩(wěn)定。

關(guān)鍵詞：集成化；柔性傳動；汽車制造；焊裝生產(chǎn)；柔性定位單元

中圖分類號：u468.2+1 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

0 引言

隨著汽車市場的快速發(fā)展，車企之間的競爭加劇，對于車型迭代的要求也更加迫切，新車型的上市進(jìn)一步加快。為滿足消費者追求個性化的要求，保持企業(yè)競爭力，汽車制造業(yè)由傳統(tǒng)的單品種、大批量生產(chǎn)方式逐步向多品種、小批量的生產(chǎn)方式過渡，以生產(chǎn)者為主導(dǎo)的生產(chǎn)方式逐步向以消費者為主導(dǎo)的生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變。

在這樣的情況下，為了加強(qiáng)市場競爭力，公司使用柔性滑移機(jī)構(gòu)作為車身定位，大大提高了兼容效果。同時開始研究新的柔性制造生產(chǎn)技術(shù)，在現(xiàn)有的柔性制造的基礎(chǔ)上將設(shè)備進(jìn)行劃分，增加基礎(chǔ)共用的部分，將整個機(jī)構(gòu)進(jìn)行模塊化設(shè)計，以減少設(shè)備的投入和增強(qiáng)設(shè)備的柔性兼容的能力，應(yīng)對市場越來越激烈的競爭。

1 技術(shù)研究背景

目前，在傳動機(jī)構(gòu)領(lǐng)域，尤其是在將旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成直線運動的傳動機(jī)構(gòu)中。例如，在汽車生產(chǎn)線中的柔性定位系統(tǒng)中，常規(guī)傳動機(jī)構(gòu)包括伺服電機(jī)、滾珠絲杠等，通過伺服電機(jī)軸的轉(zhuǎn)動帶動絲杠轉(zhuǎn)動，再通過絲杠與滾珠螺母的配合，將絲杠的轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)換成滾珠螺母的直線運動，從而能夠改變與滾珠螺母固定連接的定位機(jī)構(gòu)在臺車上的位置，來適配不同車型定位孔的相對位置，提高生產(chǎn)線的兼容能力。

但上述現(xiàn)有技術(shù)的傳動機(jī)構(gòu)均安裝在臺車上，臺車在行走過程中顛簸、傳動機(jī)構(gòu)中部件的誤差、伺服電機(jī)的扭力、電控系統(tǒng)等因素均會影響傳動機(jī)構(gòu)的準(zhǔn)確性和穩(wěn)定性，導(dǎo)致定位機(jī)構(gòu)的位置存在偏差[1]。

2 現(xiàn)有技術(shù)

傳統(tǒng)的焊接線對于零件的輸送、夾緊和支撐采取每個車型設(shè)計一套的方式，整個項目導(dǎo)入過程持續(xù)時間久，投入的人力、物力、財力和時間成本很大，無法滿足現(xiàn)在汽車市場對于車型快速迭代的需求。同時在切換車型后需要找尋地方存放，大量的工裝夾具占據(jù)大片場地，對于切換和存放都是很大的挑戰(zhàn)。

為了實現(xiàn)產(chǎn)線柔性互導(dǎo)，實現(xiàn)產(chǎn)線多車型生產(chǎn)，整車白車身定位逐漸采取柔性滑移機(jī)構(gòu)（NC），形式有線旁NC 定位、滑橇上NC 定位等。通過伺服加滾珠絲杠模組的滑移形式，可以實現(xiàn)在一定范圍內(nèi)的任意位置停止進(jìn)行定位，由此可以實現(xiàn)多車型的兼容，在很大程度上減少了新車型生產(chǎn)的成本投入，同時也大大降低了量產(chǎn)的時間需求[2]。

由于滑移機(jī)構(gòu)本身結(jié)構(gòu)龐大，基本是在線旁的固定工位使用，如果設(shè)計在AGV 或者傳統(tǒng)的主線輸送上，每一組三軸滑移的伺服模組需要攜帶3 個伺服電機(jī)、線纜和坦克鏈等設(shè)備，這樣的結(jié)構(gòu)造成開發(fā)成本高，同時機(jī)構(gòu)本身自重很重，對于后續(xù)實現(xiàn)更大車型的白車身輸送，需要更高負(fù)載的AGV 和更高負(fù)載的主線輸送輥床。同時，對于伺服滑移模組在行走及運動的過程中的顛簸、振動產(chǎn)生的誤差和變化無法精確捕捉和反饋。

如圖1 所示，現(xiàn)有常見的柔性滑移機(jī)構(gòu)有以上兩種形式，三軸平移和兩軸平移帶一軸旋轉(zhuǎn)的結(jié)構(gòu)，這兩種結(jié)構(gòu)可以實現(xiàn)定位勾銷在設(shè)計的空間范圍內(nèi)無級運動，定位在任意位置。這兩種方式的柔性滑移機(jī)構(gòu)很龐大，需要附帶有線纜、坦克鏈等配件，整個機(jī)構(gòu)可以實現(xiàn)大重載，高柔性，可以用在主線白車身及整車的定位，可以實現(xiàn)同一條主線上的多車型兼容，降低成本投入和減少導(dǎo)入時間。

但這種機(jī)構(gòu)也受限于其本身結(jié)構(gòu)龐大，使用場景有限，當(dāng)柔性滑移機(jī)構(gòu)配合其他機(jī)構(gòu)（如AGV、滾床等）的時候，需要考慮重量、能源的問題。當(dāng)白車身重量較大的情況下，需要增加AGV和滾床的負(fù)載，或者優(yōu)化結(jié)構(gòu)，使用新型材料或者新結(jié)構(gòu)降低重量，提高載重能力。同時還要考慮到相應(yīng)工位的能源對接問題。為了實現(xiàn)公司生產(chǎn)線達(dá)到更高的自動化，提升運行節(jié)拍和實現(xiàn)降本增效，開發(fā)了一種新型的對接結(jié)構(gòu)和傳動方法，實現(xiàn)機(jī)械機(jī)構(gòu)鎖死和實現(xiàn)機(jī)器人與柔性滑移裝置的對接[3]。

3 技術(shù)開發(fā)

針對上述的柔性滑移機(jī)構(gòu)在運動中及重載的情況下鎖緊不穩(wěn)定，變化后無反饋，無法及時進(jìn)行相應(yīng)的檢測、監(jiān)測及調(diào)整，以及成本高，重量重等一系列的問題，經(jīng)過不斷地修改設(shè)計和校驗，最終開發(fā)出來一種傳動機(jī)構(gòu)的對接機(jī)構(gòu)及傳動方法（圖2）。如圖所示該對接機(jī)構(gòu)主要零件包括擋圈 、動力傳輸軸 、分離塊 、外殼 、彈簧及軸承固定塊 、上摩擦片 、下摩擦片 、壓縮彈簧 、電機(jī)連接套、花鍵軸 、內(nèi)花鍵套 、對接套以及小帶輪等。

3.1 工作原理

以車身生產(chǎn)使用為例，當(dāng)AGV 或者主線滑橇運動到三大件放件工位時，全局機(jī)器人會帶著相機(jī)拍攝全局照片，提供一個AGV 或者滑橇到位的基準(zhǔn)精度給對接的機(jī)器人，將對接機(jī)器人的初始位置精度控制在5 mm 以內(nèi)，對接機(jī)器人帶著機(jī)器人端的對接部分運動到靠近對接位置正上方的一個固定距離。機(jī)器人帶著三目相機(jī)識別離合浮動鎖緊裝置圓盤上的三個特征孔，自適應(yīng)調(diào)整姿態(tài)以達(dá)到對接的狀態(tài)，通過精度更高的識別和判斷做出二次調(diào)整，將對接的精度控制在1 mm 以內(nèi)。

按照上述的兩個判斷實現(xiàn)對接機(jī)器人的姿態(tài)調(diào)整后，電機(jī)軸端的花鍵通過動力傳輸軸上的花鍵套接入。對接到位后，機(jī)器人下壓對接套，帶動分離塊向下運動，使壓縮彈簧向下壓縮，上下摩擦片分開，分離塊與動力傳輸軸分離，摩擦力逐漸解除，到達(dá)指定距離后分離塊與動力傳輸軸徹底分離，并保持2 mm 左右的安全距離，機(jī)器人停止下壓，離合浮動鎖緊裝置由定位狀態(tài)轉(zhuǎn)換為工作狀態(tài)。

電機(jī)轉(zhuǎn)動帶動動力傳輸軸轉(zhuǎn)動，通過小帶輪、大帶輪和同步帶實現(xiàn)力的放大，使柔性滑移裝置運轉(zhuǎn)。到達(dá)指定位置后，電機(jī)停止轉(zhuǎn)動。此時，機(jī)器人帶動電機(jī)向上運動，壓縮彈簧反彈，分離塊向上運動，使上下摩擦片重新接觸，當(dāng)機(jī)器人徹底脫離離合浮動鎖緊裝置，依靠彈簧提供給摩擦片的壓力轉(zhuǎn)換成摩擦片的摩擦力，通過小帶輪、大帶輪和絲杠等結(jié)構(gòu)的放大，抵抗柔性滑移裝置上重壓轉(zhuǎn)換過來的力矩，達(dá)到鎖緊的效果，離合浮動鎖緊裝置由工作狀態(tài)轉(zhuǎn)換為定位狀態(tài)。

3.2 到位檢測識別及錯位矯正

依照上述的工作原理可以實現(xiàn)該傳動機(jī)構(gòu)的工作狀態(tài)與定位狀態(tài)的轉(zhuǎn)換，實現(xiàn)不同車型定位的變化。同時， 針對該傳動機(jī)構(gòu)的到位確認(rèn)及運動過程中變化，對接結(jié)構(gòu)及傳動方法提供了相對應(yīng)的反饋和調(diào)整機(jī)制，如圖3 所示，在固定的工位上采取視覺機(jī)器人識別的方式，或在生產(chǎn)線上其余的工位采取光電傳感器或者線激光掃描儀的方式。其中，光電傳感器需要對色盤編碼，采取格雷碼的方式，將傳統(tǒng)的阿拉伯?dāng)?shù)字1-6 采取格雷碼編碼的方式，紅色-1-001、橙色-2-011、黃色-3-010、綠色-4-110、藍(lán)色-5-111、紫色-6-101，由于其本身的反射特性和循環(huán)特性，是單步自補(bǔ)碼，可以用來消除色盤上的自然數(shù)讀取時出現(xiàn)偏差錯誤的可能性，保證色盤顏色的準(zhǔn)確讀取。

線激光掃描的方式需要同時在每個色塊上打3 個孔，同樣采取類似于格雷碼的方式打孔，將1 和0 按照不同直徑大小的孔來設(shè)計，通過線激光掃描儀對相對應(yīng)位置的孔進(jìn)行掃描確認(rèn)，可以保證讀取到準(zhǔn)確的孔位所對應(yīng)的色盤顏色，通過色盤顏色的讀取，將顏色的變化轉(zhuǎn)變成角度變化量，通過內(nèi)置的程序算法計算出柔性滑移機(jī)構(gòu)的末端變化量，來確認(rèn)機(jī)構(gòu)是否產(chǎn)生變化，和變化范圍是否在規(guī)定范圍內(nèi)[3]。

3.3 精度控制

本機(jī)構(gòu)采取的是伺服電機(jī)加滾珠絲杠和導(dǎo)軌的形式，在兩個精密設(shè)備的配合下，在工作狀態(tài)時，動力輸入端電機(jī)通過小帶輪帶動大帶輪旋轉(zhuǎn)，將動力傳輸給滾珠絲杠，同時伺服電機(jī)配合編寫的程序，可以實現(xiàn)定位精度±0.1 mm[5]。

在定位狀態(tài)下，通過滾珠絲杠的放大，帶動大帶輪轉(zhuǎn)動，大帶輪通過帶動小帶輪轉(zhuǎn)動的兩級放大，可以通過對接機(jī)構(gòu)上的色盤觀察到明顯的角度變化。將色盤分成六份，每個車型的定位位置會對應(yīng)一個固定的顏色，每一份顏色的變化對應(yīng)到絲杠導(dǎo)軌端的高度變化只有幾絲以內(nèi)，當(dāng)絲杠導(dǎo)軌因為重壓或者震動等其他因素發(fā)生變化時，通過視覺機(jī)器人的監(jiān)測或者光電傳感器或者線激光掃描的形式，可以檢測到定位是否發(fā)生了變化。

4 技術(shù)應(yīng)用

與傳統(tǒng)的伺服柔性滑移裝置將電機(jī)與模組連接成為一個整體的方式不同的是，本研究取消掉每一軸滑移需要的伺服電機(jī)，設(shè)計了一種傳動機(jī)構(gòu)的對接結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)作為一種單獨的標(biāo)準(zhǔn)模塊，將柔性滑移裝置的輸入端設(shè)計成標(biāo)準(zhǔn)的對接口，通過機(jī)器人帶動電機(jī)對接接入，可以將現(xiàn)有的柔性滑移裝置轉(zhuǎn)換成無動力的柔性滑移裝置。如圖4 所示，展示了應(yīng)用端對接結(jié)構(gòu)設(shè)計成的無動力柔性滑移機(jī)構(gòu)。以其應(yīng)用在AGV 上輸送為例，能夠定位在其運動范圍內(nèi)所有不同定位孔距的車型。

5 結(jié)束語

伺服柔性滑移機(jī)構(gòu)已經(jīng)作為成熟常用的柔性定位裝置，在車身定位上已經(jīng)廣泛應(yīng)用。本文展示的一種傳動機(jī)構(gòu)的對接結(jié)構(gòu)及傳動方法，取消了每軸滑移需要的伺服電機(jī)，將接入端設(shè)計成標(biāo)準(zhǔn)的模塊，將電機(jī)轉(zhuǎn)移到對接機(jī)器人的輸入端，同時配備了相應(yīng)的到位檢測和錯位檢測糾正，可以實現(xiàn)柔性滑移機(jī)構(gòu)的無動力化，整個運動過程的數(shù)字化，保證定位機(jī)構(gòu)的穩(wěn)定可靠，可以在很大程度上提升車身產(chǎn)線的無人化和數(shù)字化。

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作者簡介：

劉飛騰，本科，工程師，研究方向為門蓋和主線焊裝生產(chǎn)線的開發(fā)。