換擋機構智能裝配抓手及快換系統設計

韓 曉，王紅軍，康運江

（1.北京信息科技大學機電工程學院，北京 100192；2.機械科學研究總院機科發展科技股份有限公司，北京 100044）

0 引言

隨著社會發展，能源成為關鍵性問題，新能源汽車得到發展契機。新能源汽車需求量的增加，帶動了新能源汽車產品配件、產品維修等相關產業的發展。以往新能源汽車的換擋機構一直由人工裝配完成，顯然已跟不上市場需求。換擋機構的自動化裝配呼之欲出。自動化生產線抓手種類較多，結構簡單或復雜都有。本次裝配，需要抓取換擋機構殼體并在其內部安裝所需軸承、軸套等零部件，抓取零部件的尺寸相差較大，零部件種類較多。而且換擋機構對定位尺寸等有一定要求，對安裝位置、安裝姿態的調整尤為重要。為實現換擋機構自動化裝配功能，提高生產效率和自動化水平，解放勞動力。本文對換擋機構自動化裝配抓手進行設計分析。

1 總體方案設計

本生產線加工對象是HT500 和HT600 換擋機構，主要抓取部件為殼體和內部蝸桿、軸承、渦輪、電機支撐架、電機等。

1 號線進行裝配前殼體外形如圖1 所示，分析殼體外形，最容易實現抓取的部位為后端的短圓柱型結構，且抓取該部位不會與激光打標和標簽打印發生干涉。根據圖1，確定抓取部分圓柱直徑為53 mm，厚度為14 mm，質量約為1.5 kg。蝸桿抓取部分直徑為12 mm，抓取部分和厚度為6 mm，蝸桿質量約為92 g。其他需要抓取的零部件依次為軸承、電機，軸承外形尺寸分別為16 mm 和19 mm，電機尺寸為44 mm。

圖1 換擋機構殼體

抓手整體的結構方案如圖2 所示，在支撐架上安裝一快換機構，快換機構上安裝一法蘭盤。使得快換機構母頭與支撐架相連，公頭與六軸機器人末端相連。在支撐架兩端分別安裝兩個不同型號尺寸的亞德客氣動手指，可以完成兩種型號零件的安裝。氣動手指上可以設計安裝不同尺寸、形狀的夾片，具有一定互換性。

圖2 蝸桿電機末端執行器設計

兩套夾爪分布在支撐架兩側，采用板形結構，結構簡單且可承受較大拉力。每套夾爪上安裝有上擋塊、下擋塊、滑臺、氣動手指連接板、氣動手指、夾片。夾片和氣動手指通過螺釘連接到一起。更換不同夾片可以用于安裝不同尺寸的零件。氣動手指進氣口與氣壓缸相連，可以控制氣動手指的進氣和出氣，從而控制夾片開合，實現零件的夾取和釋放。快換機構安裝在機器人和工具端之間，可以實現工具端的快速更換。一個母頭可以對應多個同尺寸公頭，從而一次可以更換兩個夾片，提高生產效率。安裝的滑軌結構，使得機器人進行裝配時始終保持順暢和緊致，不會因過緊導致安裝困難，也不會因安裝過松導致安裝失敗。

2 主要零件結構設計

對總體方案進行簡單設計后，開始單個零件的選型設計及原理分析。

2.1 夾爪支撐架

夾爪支撐架是整個抓手設計的關鍵部分，兩套滑軌、氣動手指等都安裝在夾爪支撐架上。如圖2 所示，夾爪支撐架采用板型結構，M4 螺釘安裝滑軌，為防止螺釘脫落，至少旋入5 個螺距，還需涉及凹槽結構，因此夾爪支撐架厚度最終定為10 mm。經過計算，將夾爪支撐架傾斜角度定為45°，夾爪支撐架結構如圖3 所示。

圖3 夾爪支撐架

2.2 夾片結構設計及有限元分析

夾片是實現抓取的主要部分，夾片構造合理可以大幅度提高夾取和安裝精度。該抓手的夾片采用整體式結構，結構簡單，安裝較為方便。

夾片安裝在氣動手指上，因此安裝尺寸要滿足氣動手指的選型要求。根據裝配需求，一個夾片用來夾取殼體進行涂膠封裝，另一個夾片負責小型零件的夾取。經過夾持力的計算，選取HFZ40 和HFZ20 兩種型號的氣動手指。夾片材料選用鋁合金，鋁合金質地較軟、密度小，可以減輕機器人末端工作載荷，同時不會對夾取零件造成壓痕。

由于抓取的殼體上端部分為短圓柱形結構，平面抓取，摩擦面小，受力集中于一點，會造成較大壓痕。因此抓手也采用圓弧結構，增大抓取面面積，分散受力。夾片結構如圖4 所示。

圖4 夾片結構三維設計

抓手材料摩擦因數約為0.1，合金鋼的屈服極限為600 MPa。對兩抓手分別施加相應載荷，大抓手抓取物體質量為1.5 kg，壓力為150 N，每一抓手承受壓力為75 N，假定載荷均勻分布在夾爪上。小抓手抓取物體質量為200 g，壓力為2 N，每一抓手承受壓力為10 N，假定載荷平均分布在抓手上。對兩抓手進行網格劃分，然后進行應力和位移分析，殼體抓手應力和位移分析結果如圖5 所示，蝸桿軸承抓手應力和位移分析結果如圖6 所示。

圖5 殼體抓手應力分析和形變量分析

圖6 蝸桿軸承抓手應力分析與形變量分析

2.3 快換機構原理分析及選型

在滿足零部件安裝精度情況下，選擇成本較低、結構較為簡單的快換裝置。美國ATI 公司的快換裝置利用氣動活塞缸工作，如圖7 所示，當機器人手臂接近并對準工具盤時，空氣流過空氣鎖緊端口并推動主盤中的滾珠，滾珠被精確地推進鎖緊環并被緊緊鎖住，直到解鎖端口有空氣壓力供給時，滾珠才會被松開。

圖7 ATI 快換裝置

快換機構包括公頭和母頭，一個公頭配備多個母頭，從而提高產品裝配效率，順應工業生產柔性化的發展趨勢。機器人抓取零件總質量不超過15 kg，且抓取環境簡單，故快換裝置采用Qc21 系列產品即可。在快換裝置中綜合比較價格、尺寸以及抓取質量。選取9120-021M-K19-000 母頭，9120-021T-K19-000 公頭。

3 機器人路徑規劃

3.1 機器人工作內容

新能源汽車換擋機構自動化裝配生產線選用新松20 kg 六軸機器人，可用于搬運、碼垛和分裝等工藝環節。機器人首先進行工件掃碼識別，匹配后抓取殼體到打標機處打標。打標完成后抓取殼體到標簽打印機打印標簽，打印完畢后將殼體放至固定安裝工位進行卡緊。夾爪支撐架旋轉180°，更換為HFZ20 氣動手指，抓取軸承至相機位置，進行姿態調整，直到與相機中零件姿態重合，即可直線移動進行安裝。抓取蝸桿進行姿態調整，姿態正確后進行蝸桿的安裝，抓取頂部軸承進行安裝。伺服壓裝機壓裝，抓取電機安裝架進行安裝。電機檢測、檢測合格后，抓取電機進行安裝。安裝完成進行扭矩檢測，若檢測合格，1 號線裝配完成，進入2 號線裝配，否則產品下線。安裝H600 時需要換用另外一個夾爪支撐架，需要控制快換裝置氣腔排氣，將機器人端和工具端分開。檢測到另一夾爪支撐架位置正確后再進行安裝，提高了產品通用性。

3.2 機器人編程

選用ABB 機器人編程，首先要進行機器人姿態調整，設定原始位置，簡單搭建工作臺。其次是設定機器人工具偏差和載荷，然后編制機器人程序。

編程時要注意加入姿態調整指令，當姿態位置不滿足原始設定位置要求時，需要測定偏移量，并對偏移量進行處理，形成反饋信號，將信號傳達至機器人程序端口進行姿態調整。

4 視覺系統設計

機器人視覺系統的引入可以縮短識別和對比所用時間，在最快的生產線上對產品進行測量、引導、檢測和識別，保質保量完成生產任務。關于機器人視覺系統的選擇，最重要的是三大模塊，即相機的選型、光源的選擇和鏡頭的選擇。相機、光源、物體三者相對位置的安排也影響視覺系統的質量，相機光源布置如圖8 所示。

圖8 相機光源布置

5 裝配功能的實現

將夾爪支撐架安裝在快換裝置母頭上，并與公頭連接安裝在機器人端，將兩夾片末端中心點定義為抓手的執行點。通過測量各執行點到機器人端的偏移距離并在機器人系統中進行設定。轉動一個角度使用其中一個夾片進行夾取，并將其移動到相機位置。通過與相機中存儲圖片外形比對進行姿態偏差反饋調整，進行安裝姿態調整安裝。該零件裝配后回到原點轉動180°并調整姿態，即可使用另一夾片進行夾取。兩夾片均不滿足使用要求時可回原點將快換公頭換下，安裝另一夾爪支撐架進行裝配。

6 結束語

隨著新能源汽車的廣泛使用，換擋機構自動化裝配生產線的需求越來越迫切。本文分析研究對象的抓取特征及尺寸，給出換擋機構蝸桿電機裝配生產線末端執行器的設計方案，對方案中的夾片結構和支撐架結構進行設計，同時對機器人裝配流程以及視覺系統的布置進行設計，進行有限元分析，證明本方案的可行性。

本文摒棄以往一個機器人末端執行器只能抓取一個零件的傳統思想，節省了裝配空間，節約了生產時間，提高了工具的互換性，為以后多抓手末端執行器設計提供參考。