一種前圍板柔性定位抓手的設計探討

劉參參 馮志鵬 樊水晶

摘 要：以前圍板柔性定位抓手為設計對象，在智能制造、柔性制造背景下，通過識別和分析抓手設計需求，確定抓手設計的功能，探討抓手組件設計及動作順序，為局部零件總成的柔性化焊裝設備開發提供借鑒經驗。

關鍵詞：前圍板;抓手;柔性;定位;設計

1 引言

在“中國制造2025”推動下，智能制造、柔性制造已經深入到汽車制造各個環節。智能制造具有代表性的是工業機器人，依據其高精度、高效率、可編程性、能在惡劣環境工作等特點應用廣泛，成為現代汽車工業技術實力的體現。同時隨著汽車多元化、個性化的產品市場需求不斷拓展延伸，汽車產品的更新換代速度日益加快，市場競爭日益激烈。這也造成汽車主機廠白車身制造領域焊裝投資費用的增加，使得焊裝規劃越來越重視車身制造的柔性化。小批量、多品種的柔性制造逐漸取替傳統大規模生產。智能制造、柔性制造在不確定因素較多、多元化需求豐富的市場環境中幫助企業實現長期可持續發展，抵御外部市場接踵而來的風險因素。

2 前圍板柔性定位抓手的需求

前圍板總成是指發動機艙與汽車駕駛室之間的隔板總成，它和地板、前立柱聯接。安裝在前圍上蓋板之下，它保證整車車身扭轉、彎曲強度和整車耐久結構強度，起到駕駛室的密封以及安裝、支撐發動機艙相關零件的作用。前圍板總成是薄壁金屬空間曲面覆蓋件，形狀復雜，剛性差易變形。為了保證前圍板焊裝質量，提高焊裝效率，穩定焊裝尺寸，滿足智能制造、柔性制造的需求，我們需要設計一種機器人抓取、搬運、定位、焊裝汽車前圍板的柔性抓手。

基于使用機器人機械抓手，就是將抓手作為抓取搬運工裝，同時也作為定位工裝。以滿足前圍板車型柔性制造工藝需求、滿足前圍板白車身尺寸定位精度需求。前圍板柔性焊裝抓手的功能需求設計主要體現為以下方面。

（1）抓手焊裝與柔性需求：抓手能實現將前圍板從上件臺上抓取、定位、夾持、搬運基本功能，同時抓手需要一鍵自動切換，滿足不同車型的快速柔性生產。

（2）抓手的定位精度需求：通過機器人末端執行器精度分析，需要線旁設備對抓手進行二次精準定位夾緊，提升前圍板的焊裝質量。

（3）抓手對前輪罩焊裝定位需求：抓手需同時對與前圍板搭接的前輪罩進行定位，這樣前圍板、左右前輪罩焊裝設備統一、定位基準相同，有助于白車身尺寸合格率提升，也有利于工裝設備的柔性能力增強。

（4）前圍板抓手脫離需求：抓手從Home位-抓件-焊裝-脫離-回Home位，是一個完整循環。焊裝完成后，抓手要脫離已經焊裝完成的前圍板零件，即抓手上定位銷、抓手對接定位銷能實現脫銷。這需要左右前輪罩、左右前圍板主定位、抓手對接定位銷都能實現伸縮或者滑移脫銷。

（5）線旁對接定位工裝柔性需求：滿足長短不同車型的前圍板抓手柔性。

3 前圍板柔性定位抓手組件設計

前圍板抓手設計主要組件有：抓手框架設計、抓手對接定位工裝設計、前圍板與輪罩定位設計。

3.1 抓手框架設計

抓手框架是基礎部分，是抓手與機器人端的聯接，其它功能單元的承載。從結構強度到設計輕量化，從足夠的夾持、定位到有滿足機器人焊接的通道空間，前圍板抓手框架根據設計需要優先選擇方鋼焊接式框架。框架上設計安裝換槍盤工具端安裝部分，抓手與機器人結合、脫離切換通過換槍盤實現。

3.2 抓手對接定位設計

工業機器人絕對定位精度較低，一般在±0.3mm以上;重復定位精度較高，一般在±0.05mm左右。前圍板抓手利用機器人的高重復定位精度優勢，補足絕對定位精度，滿足前圍板抓手的尺寸定位需求。使用線旁對接工裝對抓手進行精準定位，抓手線旁分布三組對接定位銷，抓手上分布三組與之對應的對接工裝。設計對接銷直徑比對接工裝直徑小0.15mm。通過線旁對接工裝定位，使得機器人末端抓手達到前圍板定位精度要求。對接定位銷要設計成伸縮銷，以滿足焊裝完成后抓手順利從對接定位工裝上脫離。

將線旁一側對接定位做成滑軌滑移，具有長短兩個對接位對抓手定位，避免線旁對接工裝與不同車型零件本體的干涉，提升工裝設備柔性能力。

3.3 前圍板與輪罩定位設計

前圍板、前輪罩各有左右兩個主定位孔。需要兩個定位銷進行X向前圍板定位，兩個定位銷進行Z向前輪罩定位。定位銷都設計成伸縮銷，目的是焊裝完成后脫銷，抓手從零件上脫離。在實際應用中，前圍板兩個定位銷設計成滑軌滑移式，實踐證明這樣設備定位更穩定，重復定位精度也更高。需要注意的是定位抓手進行三坐標測量時，需要抓手被對接定位、夾緊狀態，三坐標從線旁拼臺建標，進行抓手工裝測量調整。

4 前圍板柔性定位抓手的結構和動作順序

如圖1所示前圍板柔性定位抓手結構示意圖，抓手主要由1-焊槍盤切換安全插銷、2-抓手對接定位、3-前輪罩伸縮定位銷、4-前圍板定位抓手框架、5-檢測接近開關、6-前圍板滑移伸縮定位勾銷、7-前圍板翻邊定位夾緊、8-換槍盤工具端安裝部分、9-氣控和電控組件等組成。

車型切換時，在焊槍盤安全切換插銷插入到位情況下，機器人通過換槍盤柔性切換不同車型的前圍板定位抓手。切換完成后，機器人將抓手移動到上件工位，前圍板檢測開關檢測到工件到位，兩個前圍板滑移伸縮定位勾銷伸出對前圍板進行定位，同時通過前圍板翻邊定位夾緊，前圍板被定位且夾持穩固。

抓手將工件搬運至焊接工位，線旁對接定位對抓手進行精準定位。如圖2所示前圍板柔性定位抓手對接定位結構示意圖，對接定位主要由10-抓手上對接定位部分、11-抓手到位檢測開關、12-對接定位銷、13-對接定位銷伸縮氣缸、14-對接夾緊氣缸、15-線旁對接工裝安裝座等組成。抓手到位檢測開關檢測抓手到位后，對接定位銷銷伸出對抓手進行定位，對接夾緊氣缸夾緊固定。前輪罩伸縮定位銷伸出對前車體左右前輪罩進行定位。

如圖3所示前圍板柔性定位抓手焊接狀態示意圖，前圍板被定位在焊裝位置，焊槍機器人進去焊接。等焊接機器人焊接完成后線旁對接定位銷縮回，夾緊打開。左右前輪罩銷縮回，左右前圍板主定位銷縮回，前圍板翻邊定位夾緊全部打開，機器人搬運抓手離開回到Home位，進行下一次工作順序的往復循環。需要說明的是，抓手線旁對接定位設計成滑移結構，是為了不同平臺車型的導入，增大車型導入柔性空間能力。

5 結束語

筆者設計的前圍板柔性定位抓手結構緊湊合理， 能滿足前圍板、前輪罩定位精度需求，能實現車間車型切換時間與人員操作安全要求。抓手定位精度高，柔性切換效果好，適合推廣使用。

同時筆者認為探討焊裝線局部零件總成柔性定位抓手的設計，能為以后局部零件總成的柔性化焊裝設備開發提供借鑒經驗。

參考文獻：

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