某儀表板機械手夾具的設計和優化

汪國強

摘 ?要：儀表板總成是汽車很關鍵的組件，由于其在線裝配的重要性，應某汽車公司總裝車間的要求，作者設計了一套自動化的儀表板裝配機械手夾具設備。通過對以往的工作經驗，結合生產線工藝要求及現場實際的情況來分析，本設備采用離地4m高構筑的軌道鋼結構，并鋪設縱向軌道結構和橫向軌道車以及帶升降機的隨行小車。同時，利用縱橫向的驅動電機滾輪機構，使得隨行小車可以在X、Y方向自動的任意行走。升降機采用伺服電機驅動絲桿副機構，可上下精確走位。考慮到升降機下面將承載約350kg的重量（儀表板機械手夾具+儀表板總成60kg），因此采用了125缸徑的氣缸作為提升力，行程控制在500mm以內。而與升降機連接的是C型式懸臂梁方式的機械手夾具。此結構的特點是重心偏移小，不會產生過大扭矩而增加額外的提升力。其穩定性及平衡性很好，操作時易夾取和放置儀表板總成。作者結合以往的工作經驗，通過分析和實踐，運用科學技術對機械手夾具的一些重要部件進行了受力試驗分析及人機工程的優化設計，使機械手夾具得到充分合理的結構配置，既減輕了重量又提高了結構的強度和剛性，實現了該設備的經濟性和工作效益。

關鍵詞：機械手夾具;受力試驗分析;優化設計

中圖分類號：U463.837 ? ? 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2019）18-0087-03

Abstract： Instrument panel assembly is a key component in automobile. Due to the importance of on-line assembly， in this paper， a set of automatic instrument panel assembly manipulator fixture equipmentwas designed in response to the requirements of the assembly workshop of a certain automobile company. Through the analysis of the previous work experience， combined with the technological requirements of the production line and the actual situation in the field， the equipment adopts a track steel structure with a height of 4 meters from the ground. The longitudinal rail structure， the transverse rail car and the accompanying trolley with lift are laid. At the same time， the longitudinal and transverse driving motor roller mechanism is used to make the accompanying trolley walk automatically in the X and Y directions. The elevator adopts servo motor to drive the screw pair mechanism， which can walk up and down accurately. Considering that the weight of about 350 kg will be carried under the lift （dashboard manipulator fixture + dashboard assembly 60 kg）， the cylinder with 125 diameter is used as lifting force， and the stroke is controlled within 500mm. And connected with the lift is the C-type cantilever beam manipulator fixture. This structure is characterized by a small center of gravity offset and does not produce too much torque to increase additional lifting force. Its stability and balance are very good， and it is easy to clip and place the dashboard assembly during operation. Based on the previous work experience， through analysis and practice， this paper carries out the force test analysis and ergonomics optimization design of some important parts of the manipulator fixture by using science and technology， so that the manipulator fixture can be fully and reasonably configured， which not only reduces the weight， but also improves the strength and rigidity of the structure， thus realizing the economy and working benefit of the equipment.

Keywords： manipulator fixture; force test analysis; optimal design

引言

隨著近十幾年來國內工業制造行業的快速發展和進步，產生了一大批配套設施的供應商，為生產服務的新型輔助設備及工具等由此應運而生。尤其在汽車行業，涵蓋了大量生產制造所需的輔助設備。其中，在生產線上搬運、裝配等方面應用廣泛的搬運機械手夾具尤為突出，成為了汽車行業，特別是汽車總裝生產線上所常用的和必備的設備。

這里簡單的介紹一下搬運機械手夾具的功效和特點。顧名思義，就是可以幫助人現場一起操作搬運工件的機械手夾具，它的作用是當操作工在搬運比較重的工件時，比如，對于人來說已無法承受的重量或不能長期的、頻繁的或不間斷承受的重量時，我們需要借助像搬運機械手夾具這樣的設備來減輕操作工的勞動強度和負荷。它的特點就是能省力，能減輕人的勞動強度等，它是人機工程學上的一個重要環節。所以，在現代與科技化的今天，它不僅節省了人力資源，同時也提高了生產效率，并且也保證了生產的安全性。

1 儀表板機械手夾具的工作原理

根據生產線工藝要求，利用橫梁軌道車和升降小車在X、Y方向的驅動電機，由人工點擊按鈕來操控儀表板機械手夾具的升降和前后、左右的移動，通過在AGV小車上完成對儀表板總成的定位夾取后，把載有儀表板總成的機械手夾具一起送進生產線上移動中的汽車車身內，并進行安裝緊固，完成后釋放夾緊定位銷并推出車身，最后按下返回按鈕，讓儀表板機械手夾具回到起始點進行下一個循環工作。

當然，最重要的節點是所有搬運及裝配時間都必須在規定的生產節拍內完成。當前，該生產節拍是42.5JPH，工位長度6m，要求在規定的72s內完成儀表板總成的裝配任務。

2 儀表板機械手夾具的作用和構造

2.1 儀表板機械手夾具的作用

儀表板機械手夾具首先必須能準確快速地夾取到儀表板總成，只有這樣才能保證后續的工作展開。傳統的傳輸方式有多種，有的通過輸送鏈上的吊架傳輸，有的通過輥道線傳輸，但都有一個定位機構，能方便儀表板機械手夾具通過控制準確快速地自動夾取到儀表板總成，從而實現夾取自動化的模式。另一種是AGV小車的傳輸方式，它是通過地面埋設的電磁軌道來引導AGV小車的運行，這也是當前較為流行和先進的、用的較多的方式之一。但它也有不足的地方，就是到位點的位置精度不能保證。而我們承接的這家公司恰恰用的也是AGV小車傳輸形式，故在實際的操作中就不能完全套用自動化的模式。應該在機械結構中多用些在硬性結構中如何化解相碰撞的原理，比如說，柔軟性的，彈性的、微量移動的及防撞的機構等。這同樣可以解決很多在實際使用中所碰到的類似問題。

2.2 儀表板機械手夾具的構造

儀表板機械手夾具分成三個部分。第一部分是主梁，即，C型懸臂梁結構。中間一部分是連接機構，是有承上啟下作用的，也是設計中一個主要的環節。還有一部分，即，儀表板夾具。它是儀表板機械手夾具的重點部分。

2.2.1 C型懸臂梁結構

C型懸臂梁結構也分成三個部分。第一部分是上面的懸臂梁，第二部分是下面的連接夾具的懸臂梁，第三部分是中間的翻轉機構，它與上梁焊接連接，與下梁是活動連接，翻轉部分是用氣缸帶動齒輪齒條旋轉下面的懸臂梁，從而帶動整個夾具一起旋轉。主要是因為不同的車型需要有不同的進車方式。

采用C型懸臂梁結構還有一個優點，在于提升點可以靠近車身的中心，這樣不僅受力點好，而且可以避開對車身的干涉。

2.2.2 連接機構

這是一個C型懸臂梁與儀表板夾具之間的連接機構。它承載著繞Z軸可微量轉動，繞X軸可微量轉動，而在Y向采用直線導軌方式連接，可左右微量移動，且都裝有彈簧平衡器，可平衡復位。其結構采用了橋架形式，不僅保證其強度和剛度，而且，結構精巧，功能齊全，這樣的結構形式解決了對于AGV小車輸送過來的儀表板總成的夾取。

2.2.3 儀表板夾具

儀表板夾具同樣也分成夾具主體、取料定位機構、儀表板夾緊機構等三部分。如果需要與車身對中的話，就需再要加一組車身與儀表板對中機構。

（1）夾具主體

夾具主體是約2.4m長的80×80×5的矩形鋼管，中間與連接機構通過直線導軌連接，既可承載重量又可沿Y向微量移動。主體兩端主要依靠直線導軌掛載取料定位機構和儀表板夾緊機構等部件，分別由各自氣缸拉動進行定位和夾緊工作。內部可以放置一組或二組聯動對中機構，后面會闡述。

（2）取料定位機構

儀表板夾具上兩側各有一組取料定位機構，間距調整在約大于1670mm，各裝一塊V型塊，以用來定位AGV小車托架上的導向條。托架上兩側裝有Y向導向條，Y向間距也是1670mm，當夾具兩側取料定位機構上的V型塊壓到導向條上，X、Y、Z向就被限位住了，而Y向不用去過度約束，因為儀表板機械手夾具上已自帶Y向移動量，它是考慮裝車時的所需要的變量。

（3）儀表板夾緊機構

儀表板夾具上兩側各有一組夾緊機構。該夾緊機構是由上下切換機構和定位銷機構組成，定位銷機構可通過切換機構上下移動，采用氣缸帶動，有自鎖功能，可對應不同的車型。定位銷機構安排了上下兩個定位銷，可保持儀表板總成被夾持時不翻轉。左右兩組夾緊機構分別由各自氣缸Y向來拉動夾緊。考慮到兩邊氣缸拉動時的一致性，在夾具主體內部放置一聯動對中機構。它由齒輪齒條等組合而成，并連接兩側的夾緊機構。由于大小車型緣故，各車型的寬度約在1680至1340mm之間，所以，夾緊的行程也就設定在250mm距離，兩側定位銷間距最大時為1740mm。最大限度地滿足了所有被夾儀表板總成。

3 儀表板機械手夾具的調試

當設備完成設計制造后，第一時間是發往現場，進行安裝調試。在出廠前一般對某些產品或部件已預調試過。現代化的安裝模式都是集成塊式的，對于周期短任務緊的客戶非常適用，但到了現場，還得根據生產線的實際情況來做個綜合調試。本次調試時也碰到一些問題。比如，C型懸臂梁在初期設計時，用了￠80×5的鋼管，雖然也增加了加強筋板，但使用后仍然變形量很大，而且鋼管連接處常發生開裂，當初只能做些焊接補救。后期再改造時，就改成了￠108×5的鋼管。同樣，下面的連接夾具的懸臂梁，起初也只用了￠63×5，同樣原理變形量大且開裂，后來也改進成￠80×5。至此，上下二部分不再有大的變形和開裂現象出現，得到了徹底的解決。

上面曾提到過得聯動對中機構，其實，設計初期并沒有考慮進去，調試中經常會出現偏離的現象。這是由于夾取是靠夾具兩側的氣缸來完成的，而氣缸受氣壓不穩和裝配精度及各自周圍環境干擾等影響，無法同步夾緊，影響裝車質量。所以，通過對夾具構造的改進，在夾具主體內部放置由齒輪齒條等組成的聯動對中機構。這樣也就解決了相關問題。

另外，還要提到的是直接與儀表板總成接觸的定位銷，它采用直徑在12mm、30mm長的圓柱銷，頭上有錐度，左右兩側4個定位銷除了起到夾緊和承載儀表板總成外，由于經常與儀表板總成上的孔位摩擦，產生嚴重磨損，一度影響了裝配質量。所以，除采用45#鋼外，還對其表面進行了淬火熱處理，硬度達到50-55HRC，原來僅作調質處理。這樣，既增加了強度和剛度，同時，也提高了耐磨性，延長了使用壽命，也消除了影響裝配質量的隱患。

最后，為了保證設備的良好使用，產品質量是一個重要環節，決不可忽視，因產品質量的好壞，會影響調試工作的進程。

經過調試以及后續不斷的實踐與改進，現在不僅整個工序，包括取料、進車身、裝配、退出到返回原始點，已用時不到60s。到目前為止，現場使用一直非常的穩定。如今每次上新車型時，也只針對夾具部分作對應的變化和改進。

本設備結構堅固，性能穩定，操作簡便，完全符合生產線工藝和操作要求，是一款值得考慮和借鑒的產品。

4 結論

綜上所述，設計除了要有積累的豐富經驗外，必須有針對性的了解和收集與設計有關的信息、資料及客戶的需求等，要了解被服務的對象，要了解相關可以借鑒的類似設備等，還要了解其他可能出現的意外情況等。設計上要多考慮設備的實用性及耐用性，功能要全面，操作也要簡單。由于，現場是AGV小車送料，又考慮到儀表板總成大約在60kg偏上，再加上取料、進出車身等因素，不能完全應用自動化操控。又需考慮到儀表板機械手夾具不能超重，本次儀表板機械手夾具采用了C型懸臂梁結構是正確的，也是非常適合于像夾取儀表板總成這樣類型的機械手夾具上。同樣道理，連接機構也是這樣一種有效的機構，它基本保證了儀表板夾具在夾取時需要的靈活性與自由度，也在很大程度上解決了現場夾取難的問題。同時設計中盡可能地采用標準件，比如，此次設計中用到的直線導軌、軸承及SMC、FESTO品牌氣缸等，此外，零部件的設計要保證其強度和剛度，要充分利用人機工程學理念來優化產品設計，簡化結構，減輕分量，達到了產品真正的實用性要求。

好的設計，會事半功倍，高科技時代注重人機工程，注重優化集成模式，只有這樣，才能設計出更好更優的產品。

參考文獻：

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