協(xié)作機(jī)器人在發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋擰緊上的應(yīng)用探析

沈云嘯 庹鵬

上汽通用五菱汽車股份有限公司 廣西 柳州 545007

前言

在智能制造的推進(jìn)中，基于機(jī)器人的自動(dòng)化應(yīng)用是轉(zhuǎn)型的基礎(chǔ)。某發(fā)動(dòng)機(jī)工廠也在不斷推進(jìn)數(shù)字智能化應(yīng)用，通過(guò)自動(dòng)化提升不斷降低運(yùn)行成本以應(yīng)對(duì)激烈的汽車市場(chǎng)。傳統(tǒng)機(jī)器人在大質(zhì)量搬運(yùn)、大扭矩?cái)Q緊應(yīng)用上優(yōu)勢(shì)明顯。但為滿足生產(chǎn)安全需要，行業(yè)對(duì)機(jī)器人的生產(chǎn)和集成提出嚴(yán)格的規(guī)范要求，增加安全護(hù)欄后存在占地過(guò)大問(wèn)題，特別是在技改作業(yè)等場(chǎng)合對(duì)工藝布局挑戰(zhàn)更大。人機(jī)協(xié)作機(jī)器人在滿足工藝目標(biāo)前提下不僅可帶來(lái)生產(chǎn)空間的節(jié)約，而且其可拖動(dòng)示教的特性在安全可控下可實(shí)現(xiàn)人機(jī)協(xié)作智能化應(yīng)用。

協(xié)作機(jī)器人首次由丹麥UR公司于2008年正式推向市場(chǎng)，隨后機(jī)器人廠家KUKA、ABB、Fanuc，新松等均發(fā)布了協(xié)作機(jī)器人，且有效負(fù)載逐步提升[1]。隨著2016年ISO/TS15066規(guī)范發(fā)布，為促進(jìn)協(xié)作機(jī)器人的集成推廣提供了行業(yè)指導(dǎo)意見(jiàn)[2]。協(xié)作機(jī)器人具備體積小，質(zhì)量輕，編程簡(jiǎn)單并具備防碰撞功能適應(yīng)工業(yè)現(xiàn)場(chǎng)小負(fù)載，人機(jī)交互應(yīng)用場(chǎng)合。汽車行業(yè)協(xié)作機(jī)器人已在整車裝配[3]，車身涂膠[4]等場(chǎng)合進(jìn)行了應(yīng)用。

某公司發(fā)動(dòng)機(jī)工廠在國(guó)6機(jī)型導(dǎo)入過(guò)程中，需要將發(fā)動(dòng)機(jī)缸蓋罩的全軸自動(dòng)擰緊改造為機(jī)器人擰緊以提升生產(chǎn)柔性實(shí)現(xiàn)多產(chǎn)品共線生產(chǎn)。在方案設(shè)前期中，如圖1所示采用傳統(tǒng)機(jī)器人帶雙軸伺服擰緊變距方案，機(jī)器人的防護(hù)欄設(shè)計(jì)需要將現(xiàn)有工段園地移走才能實(shí)現(xiàn)，但線旁緊湊的料架擺放無(wú)法實(shí)現(xiàn)工段園地的整體遷移。

圖1 缸蓋罩傳統(tǒng)機(jī)器人擰緊方案

1 協(xié)作機(jī)器人應(yīng)用于發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋擰緊

為解決傳統(tǒng)機(jī)器人擰緊罩蓋占地大問(wèn)題，同時(shí)考慮引入智能設(shè)備應(yīng)用試點(diǎn)，為后續(xù)發(fā)動(dòng)機(jī)裝配線人機(jī)協(xié)作提升做好技術(shù)儲(chǔ)備。發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋擰緊方案設(shè)計(jì)為采用兩臺(tái)作機(jī)器人每次同步擰緊兩顆螺栓的方案。發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋螺栓要求擰緊11顆，扭矩要求為10±2N.M。

1.1 機(jī)器人選型

為保證生產(chǎn)效率，在滿足定位精度，工作范圍等基礎(chǔ)要求下，重點(diǎn)考慮機(jī)器人末端負(fù)載情況，考慮大批量生產(chǎn)線下自動(dòng)站工作的穩(wěn)定性，擰緊軸凈重2.6kg及擰緊軸安裝后重心相對(duì)手腕中心偏移導(dǎo)致有效負(fù)載進(jìn)一步下降，同步考慮關(guān)節(jié)軸強(qiáng)度[5]最終選取UR10機(jī)器人。該型機(jī)器人主要參數(shù)如表1所示，相比傳統(tǒng)機(jī)器人380V供電需求，協(xié)作機(jī)器人無(wú)須配置動(dòng)力電路。

表1 UR10機(jī)器人主要參數(shù)

1.2 機(jī)器人擰緊方案設(shè)計(jì)

（1）缸蓋罩?jǐn)Q緊要求

為保證發(fā)動(dòng)機(jī)罩蓋的密封性，在兩臺(tái)機(jī)器人移動(dòng)下，帶動(dòng)雙軸擰緊以在實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品柔性擰緊，程序設(shè)置同步擰緊降低螺栓擰緊過(guò)程的衰減問(wèn)題。各螺栓擰緊步驟如圖2所示，前5組(10顆)螺栓分5步，每一步兩顆螺栓同步擰緊，最后一顆單獨(dú)擰緊，即螺栓擰緊順序?yàn)?→2→3→4→5→6。

圖2 罩蓋擰緊螺栓示意圖（11顆）

（2）協(xié)作機(jī)器人結(jié)構(gòu)及運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

協(xié)作機(jī)器人通過(guò)監(jiān)測(cè)電流變化實(shí)現(xiàn)力的反饋，因此在使用過(guò)程中考慮不同角度是否達(dá)到各關(guān)節(jié)軸的極限情況，并按廠家要求盡可能合理布局機(jī)器人姿態(tài)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人軸受力均勻以減少誤報(bào)警。機(jī)器人各運(yùn)動(dòng)部件如圖3所示，由6個(gè)旋轉(zhuǎn)關(guān)節(jié)組成，其中基座和肩關(guān)節(jié)規(guī)格相同，末端3個(gè)手腕規(guī)格相同。

圖3 協(xié)作機(jī)器人結(jié)構(gòu)

根據(jù)手冊(cè)獲得各關(guān)節(jié)軸極限扭矩如表2所示，其中末端極限扭矩為56N?m，足夠滿足10N?m規(guī)格螺栓擰緊要求，并降低機(jī)器人在快速移動(dòng)過(guò)程中軸的誤報(bào)警。

表2 機(jī)器人各關(guān)節(jié)軸軸扭矩極限

協(xié)作機(jī)器人和傳統(tǒng)機(jī)器人在工作行程中一樣需考慮運(yùn)行過(guò)程中避開(kāi)其運(yùn)動(dòng)奇異點(diǎn)以防止不確定的動(dòng)作發(fā)生，在零位狀態(tài)下，其 D-H連桿坐標(biāo)系參數(shù)如表3所示，ai為連桿長(zhǎng)度，di為連桿偏移距離；αi-1為連桿扭轉(zhuǎn)角度，θi為關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度。依據(jù)正運(yùn)動(dòng)學(xué)，求解連桿坐標(biāo)系之間的齊次變換矩陣可獲得機(jī)器人末端位姿。

表3 協(xié)作機(jī)器人D-H參數(shù)

另通過(guò)數(shù)值求解法獲得機(jī)器人逆運(yùn)動(dòng)學(xué)，避免運(yùn)行過(guò)程的奇異點(diǎn)，確保各關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)角度θ有解。

（3）協(xié)作機(jī)器人擰緊方案布局

為降低協(xié)作機(jī)器人擰緊過(guò)程中的誤報(bào)警，要求擰緊軸旋轉(zhuǎn)中心避免與機(jī)器人旋轉(zhuǎn)軸中心平行，防止旋轉(zhuǎn)軸受到擰緊過(guò)程中的最大反作用力。缸蓋罩螺栓擰緊過(guò)程中，設(shè)計(jì)方案如圖4所示，擰緊槍采用了直柄結(jié)構(gòu)通過(guò)連接件設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)中心垂直結(jié)構(gòu)；腕關(guān)節(jié)安裝支架基座采用45度安裝避免擰緊軸旋轉(zhuǎn)中心與關(guān)節(jié)旋轉(zhuǎn)中心平行。協(xié)作機(jī)器人方案直接在滾道旁布置，相比傳統(tǒng)機(jī)器人方案節(jié)省占地面積35%以上。并且在施工過(guò)程中，無(wú)須單獨(dú)配置動(dòng)力電，系統(tǒng)上電后，人工拖動(dòng)擰緊槍對(duì)位加快了現(xiàn)場(chǎng)的調(diào)試、驗(yàn)證時(shí)間。

圖4 協(xié)作機(jī)器人安裝布局及關(guān)鍵結(jié)構(gòu)

（4）電槍擰緊過(guò)程與機(jī)器人系統(tǒng)匹配

協(xié)作機(jī)器人剛性較差，在擰緊工藝設(shè)計(jì)上，在滿足節(jié)拍的前提下，設(shè)定適合的電槍旋轉(zhuǎn)速度以防止發(fā)生過(guò)沖導(dǎo)致機(jī)器人誤感應(yīng)報(bào)警的問(wèn)題。如圖5所示，兩臺(tái)協(xié)作機(jī)器人實(shí)現(xiàn)螺栓的同步擰緊。經(jīng)長(zhǎng)期生產(chǎn)驗(yàn)證，螺栓的動(dòng)態(tài)扭矩穩(wěn)定，生產(chǎn)過(guò)程的靜態(tài)扭矩抽檢過(guò)程也未發(fā)生明顯衰減的問(wèn)題。

圖5 協(xié)作機(jī)器人擰緊罩蓋

2 結(jié)束語(yǔ)

在國(guó)6機(jī)型適應(yīng)性改造過(guò)程中，協(xié)作機(jī)器人的輕便快速安裝，現(xiàn)場(chǎng)連接動(dòng)力無(wú)須傳統(tǒng)再配380V電源，調(diào)試對(duì)位過(guò)程中基于人機(jī)協(xié)作的應(yīng)用可以快速拖動(dòng)實(shí)現(xiàn)各擰緊對(duì)位，有效節(jié)約了場(chǎng)地并提升了改造工作效率。但是其各關(guān)節(jié)軸承受負(fù)載相比傳統(tǒng)機(jī)器人降低較多，為降低運(yùn)行過(guò)程中誤報(bào)警，需要細(xì)致考慮各關(guān)節(jié)軸的工作姿態(tài)，讓各軸均勻分擔(dān)反力。協(xié)作機(jī)器人擰緊現(xiàn)場(chǎng)的應(yīng)用成功，為生產(chǎn)線下一步自動(dòng)化提升，人機(jī)協(xié)作下降低人員工作負(fù)荷提供了全新應(yīng)用思路。