汽車制造和維修中助力機械手技術的應用

辛會珍

天津交通職業學院 天津市 300110

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

1 助力機械手技術的基本原理和特點

本文中探討的助力機械手，是最為普遍使用的氣動助力機械手。這一助力機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行控制，平衡負載，依靠連桿結構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械手臂來操作助力機械手進行上下移動和旋轉，并使用裝備有輔助夾緊裝置的機械手對工件進行夾持，通過氣動開關實現工件的夾緊，并將工件移動到工位上。氣動助力機械手的結構簡單，操作便捷，很適合對重載工件和零件進行搬運。同時由于助力機械手的特點，也能夠對這些工件進行較為精確的定位。

2 助力機械手的設計

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

圖1 機械手仿真設計

2.1 助力機械手的技術要求

助力機械手的動力參數為三相五線制供電，電源為三相電源，380v，環境溫度為-10-45攝氏度，環境相對濕度為≤95%，壓縮空氣0.3-0.6mpa。工藝要求上，需搬運的工件名稱為輪胎、驅動輪軸、后機罩、座椅、油箱、分動箱以及彎桿支座。助力機械手設置有安全誤操作保護裝置，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。機械手主關節可360度旋轉，次關節可310度旋轉，夾具關節可310度旋轉。同時助力機械手有著兩條獨立氣體回路：第一條可用于對機械臂以及夾具的重量平衡，第二條可對機械臂、夾具以及需要搬運物體作出重量平衡。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 助力機械手的操作原理

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

2.3 助力機械手的安全保護措施

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

圖2 助力機械手的設備總成

3 助力機械手的建模和仿真

3.1 建模和仿真計劃

在對助力機械手進行建模和仿真過程中，本文需使用CATIA軟件進行仿真，即實施運動仿真。仿真的虛擬樣機在建立起運動機構之前，需要完成靜態裝備，保證完整的靜態約束，從而讓虛擬樣機上的所有零部件均有著唯一位置。在完成了靜態裝備后，可建立起運動機構，而運動機構的建立也是運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運動機構中，建立起相應的運動副。而運動副可被分為基礎以及關聯運動副兩種類型。兩個零部件之間關系相關運動副即為基礎運動副。

在三維空間中，每一個零部件均有著6個自由度。只有在自由度的數值為0時，才能夠讓機構進行運動模擬。

3.2 助力機械手的運動仿真方法

本研究中，建模分析的主要目標即分析助力機械手的工作原理。由于助力機械手中的內部結構對于助力機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行表示。建模主要表現為助力機械手從汽車生產線上抓取汽車工件，并將工件放置在箱子中。箱子有3個自由度和機械手進行配合，幫助每一個工件均能夠被放置在合適的位置。同時由于助力機械手的虛擬樣機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行運轉，因而需要盡可能的減少零件上驅動力數量。若可保證到模擬相關條件，可盡量將驅動力限制為每個部分1個。在此過程中，可通過設置接合命令的方式，下達運動副的驅動力具體數值，從而達到最佳的仿真條件。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，工件通過生產線流出，通過助力機械手的抓取動作，將工件拿下，轉入到3個自由移動的箱子中。

3.3 仿真結果分析

通過本研究使用助力機械手進行仿真后顯示，助力機械手的結構較為緊湊，其操作也比較靈活。通過使用機械手的旋轉，能夠很好的和箱子前后左右以及升降運動進行配合，準確快速的把工件放置到箱子中，能夠很好的滿足設計精度相關要求。因此，使用助力機械手能夠滿足汽車制造和維修的工件抓取相關要求，尤其是助力機械手上裝備有各類安全設備。因此在實際的應用過程中，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 結語

綜上所述，助力機械手這一設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確的位置上，滿足汽車制造和維修要求，這對汽車工業的發展有重要意義。尤其是通過CATIA軟件進行仿真后，可顯示出助力機械手的實際工作中的效果，值得推廣使用。