L型板抓取柔性機械手的設計

2021-04-09 04:57:50劉興德周海宇

吉林化工學院學報 2021年3期

劉興德，周海宇，靳曦

(1.吉林化工學院機電工程學院，吉林吉林 132021；2.吉林化工學院信息與控制工程學院，吉林吉林 132022；3.北京工業大學材料與制造學部，北京 100124)

L型板是汽車裝備夾具中安裝在基板上的連接定位塊、夾緊塊等的支撐部件，其制造工藝包括：板材下料、焊接、熱處理和切削加工.L型板的焊接質量直接影響之后的熱處理和切削加工工藝.

當前L型板焊接工藝存在的問題：

(1)固定抓具只能裝夾單一尺寸工件，且更換夾具成本高，效率低；

(2)手工焊居多，焊接精度不達標，作業環境差；

(3)焊接一致性差、外觀成型不良、焊接時變形大，易出現未焊透、焊接后工件內部應力分布不均等現象；

(4)工件裝夾時間長，焊接效率低.

為此，開發基于工業機器人的L型板智能焊接平臺，在工業機器人上裝備柔性抓手[1-2]，可抓取一定尺寸范圍的L型板零件.在焊接過程中，可使每道角焊縫保持在船型位姿，實現L型板的自動船形焊接，可大幅度保證和提高焊接質量，提高焊接速度，降低勞動強度.

1 智能焊接平臺整體結構介紹

1.1 L型板

L型板結構如圖1所示，由立板1、肋板2、底板3三部分組成，立板上有定位孔、安裝孔用于同定位塊、連接塊固定連接；肋板起加強支撐的作用；底板同base板固定連接起連接支撐的作用.材質為Q235板材[3-4]，通過線切、火切等下料，具備一定規模的機加廠均有數控切割設備，預焊接件尺寸較為精準.

圖1 L型板結構圖

1.2 焊接平臺總體結構

L型板焊接平臺總體結構，如圖2所示.

圖2 焊接平臺整體結構

柔性機械手由六軸工業機器人、快換盤以及柔性抓手3部分組成，六軸機器人具有運作靈活性好、轉角精度高[5]，可做到快速啟停等優點；快換盤可實現工業機器人與柔性抓手快速拆卸，提升工作效率.

柔性抓手通過快換盤安裝在六軸機器人上，六軸機器人可通過調節自身姿態，使柔性抓手夾持的工件在焊接時處于船型位置，實現船形焊接，保證焊接質量.

1.3 柔性抓手

柔性抓手由一系列標準件與非標件通過螺栓、銷固定連接而成，各部件結構簡單、成本低.柔性抓手結構如圖3所示，虛線部位為抓件前柔性機械手的打開狀態，相同部位的實線部分為柔性抓手的夾緊狀態.

此柔性抓手是根據實際工況經多次優化的最終結果.

根據圖3，抓件流程如下：

圖3 柔性抓手結構圖

L型板由3個尺寸、重量均不同的部件碳鋼焊接而成.在夾具單元中，L型板各部件分別上件、裝夾完成后，夾具單元上的壓力傳感器發出信號，工業機器人帶動柔性抓手緩慢駛入夾具單元中，加緊氣缸1、5、8工作，帶動定位壓爪2、4、7夾緊并抓取工件，完成抓件流程.

六軸工業機器人運轉，帶動柔性抓手，到達焊接指定位置，完成六點定位點焊、船型滿焊的焊接過程[6-7].壓力傳感器采用FSR402，是一款重量輕、體積小、感測精度高的超薄型電阻式壓力傳感器，可精確反映出各部件是否到達指定位置.

計算分析：

本設計中應用的L型板變動的工件尺寸為立板長度：150～300 mm，材質為Q235的L型板部件間的摩擦系數為0.45.底板受力分析如圖4所示.

圖4 底板受力分析圖

單獨對工件底板(約重1.8 kg)受力分析可知：

F摩1=m底g=μFN1=μF1，

(1)

F1=40N，

(2)

肋板受力分析如圖5所示.

圖5 肋板受力分析圖

單獨對工件肋板(約重1 kg)受力分析可知：

F摩2=m肋g=μFN2=μF2，

(3)

F2=23N，

(4)

工件整體受力分析如圖6所示.

圖6 整體受力分析

對工件整體(約重6.8 kg)受力分析可知：

F摩3=m整g=μF夾，

(5)

F夾=152N，

(6)

氣缸選型：柔性抓手上的SMC手指氣缸根據立板的寬度來選擇,氣缸閉時行寬度應至少大于100 mm，SMC氣缸的夾持力根據圖6工件整體受力分析得氣缸夾緊力的大小，由此選擇SMC氣缸的規格為TJ-MHL2-32D；為保證德國TUNKERS氣缸打開時氣缸壓臂不與夾具單元發生干涉，TUNKERS氣缸打開角度為90°；亞德客氣缸按照立板上件過程中所測的長度來選擇氣缸量程為200 mm，根據夾緊力的大小所選氣缸型號為TR12×200,如表1所示.