王德民， 趙國法

(長春理工大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院，長春 130022)

0 引 言

高速傳輸抓取裝置常用于發(fā)傳廠，用來高速抓取傳送發(fā)動(dòng)機(jī)或傳動(dòng)器的小體積零件以減少生產(chǎn)輔助傳輸時(shí)間，可以有效地降低生產(chǎn)成本。隨著焊裝生產(chǎn)線傳輸方式日新月異，不斷地發(fā)展，具有傳輸速度快、位置準(zhǔn)確、節(jié)省輔助傳輸時(shí)間等特點(diǎn)的高速傳輸抓取裝置越來越多地被用于焊裝的傳輸生產(chǎn)線中，應(yīng)用于地板、側(cè)圍、分裝等產(chǎn)品零件的傳輸[1]，有利于提升焊裝生產(chǎn)線的設(shè)計(jì)水平，提高生產(chǎn)效率，降低汽車生產(chǎn)成本，有利于提高我國汽車市場競爭力。

ROBCAD軟件的廣泛應(yīng)用符合世界自動(dòng)化生產(chǎn)的發(fā)展趨勢，在實(shí)際應(yīng)用中其有著如下優(yōu)點(diǎn)：1）提高機(jī)器人運(yùn)行程序的準(zhǔn)確性，減少現(xiàn)場調(diào)試時(shí)間；2）優(yōu)化運(yùn)動(dòng)軌跡，便于方案設(shè)計(jì)，減少資源浪費(fèi)；3）加速產(chǎn)品投產(chǎn)時(shí)間；4）減少勞動(dòng)力，資源分配及利用合理。

ROBCAD基本功能如下[2]：1）工作單元布局設(shè)計(jì)和建模;2）機(jī)器人仿真;3）CAD數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換;4）沖突檢測;5）操作順序（SOP）;6）離線編程（OLP）。

由于設(shè)計(jì)過程中可能存在的偏差會(huì)延長整個(gè)裝置整機(jī)調(diào)試的時(shí)間，加劇調(diào)試難度，因此需要在設(shè)計(jì)結(jié)束后使用虛擬仿真平臺(tái)對裝置做出運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真，來提前發(fā)現(xiàn)設(shè)計(jì)中存在的缺陷。提前解決設(shè)計(jì)中的缺陷可以有效地節(jié)約成本、減少人力、物力資源的浪費(fèi)等問題，因此運(yùn)動(dòng)仿真是機(jī)械設(shè)計(jì)的一個(gè)必備的過程。對于虛擬仿真平臺(tái)，本項(xiàng)目采用ROBCAD軟件，來對高速傳輸抓取裝置所涉及項(xiàng)目中的6臺(tái)機(jī)器人的工位布局、工藝可行性和沖突檢測等方面進(jìn)行設(shè)計(jì)驗(yàn)證[3]。

仿真過程可以簡要地概括為3個(gè)階段：第一個(gè)階段是數(shù)據(jù)輸入階段；第二個(gè)階段是仿真階段；第三個(gè)階段是數(shù)據(jù)輸出階段。仿真的具體過程如圖1所示[4]。

圖1 ROBCAD仿真流程圖

1 高速傳輸抓取裝置的工藝規(guī)劃過程分析及建模

高速傳輸抓取裝置在焊裝生產(chǎn)線中是一整套相對對立的裝備系統(tǒng)，包括規(guī)劃、結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)兩個(gè)階段，規(guī)劃設(shè)計(jì)包括整體的長寬高、傳輸抓取單元的數(shù)量、圍欄、踏臺(tái)、維修樓梯的相對位置；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)包括立柱、橫梁、舉升單元、傳輸單元、抓取裝置的細(xì)節(jié)設(shè)計(jì)，同時(shí)還要選取舉升和傳輸?shù)乃欧妱?dòng)機(jī)的功率、傳動(dòng)比，對橫梁及立柱整體進(jìn)行有限元分析。

基于C011-A級車的地板-主焊線的新制項(xiàng)目中地板線的工位間傳輸采用了高速傳輸抓取技術(shù)。高速傳輸抓取裝置一般由支撐框架、升降機(jī)構(gòu)、水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)、抓具等組成，如圖2所示。以下就以此項(xiàng)目為例詳細(xì)介紹高速傳輸抓取裝置的抓取傳輸過程：1）高速傳輸抓取裝置數(shù)量及工位間距。4工位共有3套舉升機(jī)構(gòu)、3套平移傳輸機(jī)構(gòu)和3套抓具，工位間距6 m。2）高速傳輸抓取裝置的升降距離。將每個(gè)工位的機(jī)器人軌跡進(jìn)行初步模擬，確定升降距離1500 mm。3）高速傳輸抓取裝置的工作循環(huán)過程。下降→抓取→上升→前進(jìn)平移→下降→放件→上升→返回平移（中位），其中下降及上升距離1500 mm，前進(jìn)平移距離6000 mm，返回平移3000 mm。4）高速傳輸抓取裝置的工作循環(huán)時(shí)間：根據(jù)每個(gè)工位焊接點(diǎn)數(shù)的分配及時(shí)間匯總，高速傳輸抓取裝置整個(gè)的傳輸時(shí)間必須保證在16 s以內(nèi)。

圖2 高速傳輸抓取裝置

根據(jù)以上技術(shù)參數(shù)及工藝條件，我們初步確認(rèn)高速傳輸抓取裝置平面占用空間、立柱數(shù)量及立柱位置，圖3是初步規(guī)劃的平面布置圖，面積24×3.5 m2。

圖3 規(guī)劃平面布置圖

2 夾緊裝置的運(yùn)動(dòng)仿真

夾緊裝置的特點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、動(dòng)作迅速，僅需幾秒鐘就可以從松開狀態(tài)完成夾緊。夾緊裝置具體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

夾緊缸也稱夾緊器。在自動(dòng)化生產(chǎn)環(huán)節(jié)中，抓具的抓取動(dòng)作由夾緊氣缸來完成，而夾緊氣缸的動(dòng)作不會(huì)對工件數(shù)模的生產(chǎn)制造產(chǎn)生除保證加工精度和產(chǎn)品質(zhì)量之外的其他積極影響。夾緊氣缸的功用主要為：保證工藝過程的可靠性；保證質(zhì)量控制的安全性；保證有序的自動(dòng)化動(dòng)作。

使用ROBCAD對夾緊裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，一共分為6個(gè)步驟：

1）定義項(xiàng)目路徑，進(jìn)入 Modeling模塊，調(diào)入需要運(yùn)動(dòng)仿真的夾緊裝置，如圖5所示。

2）使用Kinematics運(yùn)動(dòng)仿真模塊創(chuàng)建2個(gè)Link，一個(gè)是活動(dòng)部件的Link，另一個(gè)是固定部件的Link。其中活動(dòng)部件包括：氣缸壓臂、壓緊塊；固定部件包括：氣缸主體、連接塊、方鋼。

圖4 夾緊裝置

圖5 夾緊裝置

3）創(chuàng)建夾緊裝置運(yùn)動(dòng)的旋轉(zhuǎn)軸。旋轉(zhuǎn)軸位于氣缸主體與氣缸壓臂的連接處，用“Axis”點(diǎn)擊兩側(cè)凸臺(tái)處，中心點(diǎn)自動(dòng)選取，旋轉(zhuǎn)軸創(chuàng)建成功。

4）創(chuàng)建關(guān)節(jié)。使用“Joint”命令依次選取固定部件、活動(dòng)部件及旋轉(zhuǎn)軸，最后對關(guān)節(jié)進(jìn)行定義。

5）創(chuàng)建動(dòng)作。需要編輯2個(gè)狀態(tài)，一個(gè)是“OPEN”狀態(tài)，另一個(gè)是“CLOSE”狀態(tài)?！癘PEN”狀態(tài)需要活動(dòng)部件繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)90°；“CLOSE”狀態(tài)需要活動(dòng)部件繞軸回到初始狀態(tài)。如圖6、圖7所示。

6）動(dòng)作仿真。在經(jīng)過上面的步驟之后，夾緊裝置的運(yùn)動(dòng)仿真完成。仿真運(yùn)動(dòng)過程如圖8所示。

圖6 夾緊裝置的“OPEN”狀態(tài)

抓具的抓取動(dòng)作其實(shí)是由4個(gè)夾緊氣缸完成的，而這4個(gè)氣缸的類型與型號是一致的，因此動(dòng)作順序也是一致的。上文簡要描述了氣缸的動(dòng)作順序，并結(jié)合ROBCAD軟件做出了仿真動(dòng)作過程。再結(jié)合直線氣缸的直線運(yùn)動(dòng)，就組成了抓具的抓取動(dòng)作。

圖7 夾緊裝置的“CLOSE”狀態(tài)

圖8 夾緊氣缸仿真運(yùn)動(dòng)過程

3 高速傳輸抓取裝置運(yùn)動(dòng)仿真

在完成上面的工作后，需要對工位任務(wù)分配、機(jī)器人選型和機(jī)器人LAYOUT設(shè)計(jì)、干涉校核，最后對高速傳輸抓取裝置進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真。仿真過程如圖9、圖10所示。

通過上述內(nèi)容的仿真分析，高速傳輸抓取裝置可以滿足工藝及生產(chǎn)要求，能夠高速穩(wěn)定安全運(yùn)行，同時(shí)能夠減少生產(chǎn)輔助傳輸時(shí)間，降低汽車開發(fā)成本，提高生產(chǎn)效率。

經(jīng)過結(jié)構(gòu)加工、裝置調(diào)試等一系列過程后，高速傳輸抓取裝置已經(jīng)在某轎車焊裝車間中投入使用。裝置現(xiàn)場工作如圖11所示。

由圖11能夠明顯看出抓具、升降機(jī)構(gòu)、平移機(jī)構(gòu)和部分支撐框架等結(jié)構(gòu)。

圖9 高速傳輸抓取裝置三維布局

圖10 高速傳輸抓取裝置運(yùn)動(dòng)仿真

4 結(jié)語

結(jié)合某車型地板焊裝線的實(shí)例，以高速傳輸抓取裝置為模型，通過ROBCAD軟件完成對其的運(yùn)動(dòng)仿真。由仿真可知，高速傳輸抓取裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠滿足運(yùn)動(dòng)性能要求，且整體機(jī)構(gòu)在運(yùn)行過程中不會(huì)出現(xiàn)干涉等情況的發(fā)生。這些數(shù)據(jù)能夠說明高速傳輸抓取裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)合理，滿足工藝和生產(chǎn)要求。

圖12 高速傳輸抓取裝置現(xiàn)場工作圖

[參考文獻(xiàn)]

[1] 許瑞麟,朱品朝,于成哉,等.汽車車身焊接技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢[J].電焊機(jī),2010(5):1-18.

[2] 魏振紅,俞港,付莊.基于RobCAD軟件的焊接機(jī)器人離線編程[J].機(jī)電一體化,2015(3):31-34.

[3] 林巨廣,崔鵬,王健強(qiáng).基于ROBCAD的白車身焊裝自動(dòng)線工藝規(guī)劃技術(shù)研究[J].合肥工業(yè)大學(xué)學(xué)報(bào)(自然科學(xué)版),2009(9):1365-1369.

[4] 崔鵬.基于ROBCAD的焊裝線三維建模、仿真與評價(jià)方法研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2009.

[5] 李純,朱浮生.構(gòu)造版獨(dú)立基礎(chǔ)地基反力測試[J].遼寧工程技術(shù)大學(xué)學(xué)報(bào),2006(2):220-222.

[6] 博瑞斯,張建平.工程力學(xué)中的彈性理論[M].北京:航空工業(yè)出版社,2010.

[7] 李學(xué)軍,劉義倫,朱萍玉.復(fù)雜載荷變剛度靜不定梁通用模型[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2002(5):74-77.

[8] 熊曉萍,李春植,金權(quán)東.基于虛擬制造裝配環(huán)境的汽車焊裝線設(shè)計(jì)[J].機(jī)械加工與自動(dòng)化,2004(3):2-4.

[9] 鄧仕珍,范淼海.汽車車身制造工藝學(xué)[M].北京:北京理工大學(xué)出版社,2002:109.

[10]崔鵬.基于ROBCAD的焊裝線三維建模、仿真與評價(jià)方法的研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2009.

[11] 杜輝.白車身焊裝技術(shù)研究[D].合肥:合肥工業(yè)大學(xué),2007.

[12]馬永康.基于虛擬制造的轎車白車身焊裝線仿真與規(guī)劃[D].成都:電子科技大學(xué),2008.

[13] 嚴(yán)雋琪.虛擬制造的理論、技術(shù)基礎(chǔ)與實(shí)踐[M].上海:上海交通大學(xué)出版社,2003.

[14] 陳陽.白車身焊接機(jī)器人工位規(guī)劃的仿真及優(yōu)化[D].上海:同濟(jì)大學(xué),2004.

[15] 曾魁.基于數(shù)字化工廠的車身地板焊裝線工藝規(guī)劃與仿真[D].大連:大連交通大學(xué),2011.