基于多連桿系統的高速輥床優化設計

楊朝隆，耿勇

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

為適應全球化的市場競爭，我國汽車制造業正向著柔性、高效、智能的主流方向發展。同時，隨著顧客和市場需求越來越多樣化，傳統的企業大批量生產方式也在逐步向以生產者為主導的個性化生產方式轉變。對于大批量自動化汽車生產線，在汽車白車身焊接過程中，往往采用大量的機器人和自動化設備來實現整個生產線的自動化運行。目前汽車白車身車間主要采用電動葫蘆吊具、機器人搬運以及輥床滑撬等輸送方式。電動葫蘆承載較高，但是生產節拍低，適用于對效率要求不高的工位，已經無法滿足現在汽車企業的節拍要求。機器人搬運也是車間常用的一種輸送方式，主要由工業機器人、抓手夾具組成，自動化水平高、輸送速度快，但是承載能力較低，只能適用于工位之間較小零件的傳輸。輥床滑撬承載能力強，同時輸送效率高且具有良好的定位精度，是目前白車身總成生產線最常用的輸送方式。

1 高速輥床升降機構

與普通輥床相比，高速輥床具更快的速度以及更高的承載能力，根據輥床本身能夠升降又可以分為水平固定式高速輥床和升降式高速輥床。在白車身車間總成生產線，由于對柔性化生產要求較高，更多以升降式高速輥床為主，同時配合隨行夾具使用以確保定位精度。其中升降式高速輥床主要由升降機構及水平驅動機構組成，本文重點研究其升降機構。

升降機構是高速輥床設計的主要組成部件，一般由伺服電機、曲軸、連桿和擺桿組成，如圖1所示，輥床升降性能的實現、升降時間、工作范圍、輥床的承載能力等都與升降機構的設計有關。目前普遍應用的是拉桿式升降機構，采用平面多連桿結構，其工作原理為伺服電機驅動曲柄在一定工作節拍下繞電機軸中心轉動，曲柄則通過連桿帶動擺桿在一定的角度內擺動，最終在擺桿的帶動下輥床平臺實現沿導軌上下升降至工作位置。擺桿的兩個極限位置即升降輥床平臺的兩個工作位置，其高度差就是輥床升降的工作空間。

圖1 高速輥床升降機構

2 多連桿系統運動學模型

升降機構多連桿系統簡圖如圖2所示，建立運動坐標系oxy，桿OA為曲柄，其長度為L1，角速度為ω1；桿AB為連桿，其長度為L2，與x軸間的夾角為θ2，對應角速度為ω2；桿BC為搖桿，其長度為L3，與x軸間的夾角為θ3，對應角速度為ω3；桿CD為擺桿CD，其長度為L5，搖桿與擺桿固連，因此擺桿和搖桿運動狀態一致。

圖2 連桿系統運動學模型

根據動力學模型，由各矢量在x軸和y軸上投影方程：對投影方程進行求解，最終可得連桿、擺桿的角速度分別為：

進一步對時間求導，可得角加速度分別為：

3 多連桿系統優化

在ADAMS中建立高速輥床升降機構的參數化模型，由于現場白車身長度確定，連桿長度也基本固定不變，因此以曲柄和搖桿作為設計變量，設定約束條件后，利用軟件自帶的廣義遞減梯度算法(OPTDES-GRG)對輥床模型進行優化分析。為實現驅動電機最優經濟型，選擇曲柄機構的力矩作為優化目標，目標函數為：min[Tmax]

同時考慮將輥床實際的位置安裝等因素，對優化結果調整后，分別為表1所示。

表1

進一步擺桿結構如圖3所示。同時在擺桿處增加氣-液式平衡缸對重量進行補償，提升過程中，氣-液平衡缸能夠有效對輥床本體重量進行平衡補償，升降伺服電機只需克服白車身的重量，從而降低提升系統的電機功率需求。

圖3 優化后擺桿結構

4 優化及仿真結果分析

根據扭矩峰值及現場實際轉速要求，對伺服電機重新選型。針對優化后的輥床，上汽大眾在某白車身車間現場以1000次/天的升降頻次進行能量損耗監測，結果表明，輥床能量損耗由23.5 kWh降至4.5 kWh，工位能源損耗大幅下降。對擺桿支撐軸承處的扭矩進行檢測，如圖4所示，扭矩曲線更加平滑，延長了軸承使用壽命。同時對易損的連桿連接進行疲勞分析，如圖5所示，優化后的連桿結構強度得到了明顯提升。

圖4 擺桿軸承扭矩曲線

圖5 連桿疲勞分析結果

5 結語

高速輥床在滿足定位精度的同時完美實現了汽車制造車間的輸送要求，同時也能很好適應于多車型甚至多平臺的柔性化生產。隨著國內汽車細分市場要求的不斷提高，對汽車裝備行業也提出了更高的要求，高速輥床系統在汽車制造業中必將得到越來越廣泛的應用。