某仪表板机械手夹具的设计和优化

汪国强

摘  要：儀表板总成是汽车很关键的组件，由于其在线装配的重要性，应某汽车公司总装车间的要求，作者设计了一套自动化的仪表板装配机械手夹具设备。通过对以往的工作经验，结合生产线工艺要求及现场实际的情况来分析，本设备采用离地4m高构筑的轨道钢结构，并铺设纵向轨道结构和横向轨道车以及带升降机的随行小车。同时，利用纵横向的驱动电机滚轮机构，使得随行小车可以在X、Y方向自动的任意行走。升降机采用伺服电机驱动丝杆副机构，可上下精确走位。考虑到升降机下面将承载约350kg的重量（仪表板机械手夹具+仪表板总成60kg），因此采用了125缸径的气缸作为提升力，行程控制在500mm以内。而与升降机连接的是C型式悬臂梁方式的机械手夹具。此结构的特点是重心偏移小，不会产生过大扭矩而增加额外的提升力。其稳定性及平衡性很好，操作时易夹取和放置仪表板总成。作者结合以往的工作经验，通过分析和实践，运用科学技术对机械手夹具的一些重要部件进行了受力试验分析及人机工程的优化设计，使机械手夹具得到充分合理的结构配置，既减轻了重量又提高了结构的强度和刚性，实现了该设备的经济性和工作效益。

关键词：机械手夹具;受力试验分析;优化设计

中图分类号：U463.837     文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2019）18-0087-03

Abstract： Instrument panel assembly is a key component in automobile. Due to the importance of on-line assembly， in this paper， a set of automatic instrument panel assembly manipulator fixture equipmentwas designed in response to the requirements of the assembly workshop of a certain automobile company. Through the analysis of the previous work experience， combined with the technological requirements of the production line and the actual situation in the field， the equipment adopts a track steel structure with a height of 4 meters from the ground. The longitudinal rail structure， the transverse rail car and the accompanying trolley with lift are laid. At the same time， the longitudinal and transverse driving motor roller mechanism is used to make the accompanying trolley walk automatically in the X and Y directions. The elevator adopts servo motor to drive the screw pair mechanism， which can walk up and down accurately. Considering that the weight of about 350 kg will be carried under the lift （dashboard manipulator fixture + dashboard assembly 60 kg）， the cylinder with 125 diameter is used as lifting force， and the stroke is controlled within 500mm. And connected with the lift is the C-type cantilever beam manipulator fixture. This structure is characterized by a small center of gravity offset and does not produce too much torque to increase additional lifting force. Its stability and balance are very good， and it is easy to clip and place the dashboard assembly during operation. Based on the previous work experience， through analysis and practice， this paper carries out the force test analysis and ergonomics optimization design of some important parts of the manipulator fixture by using science and technology， so that the manipulator fixture can be fully and reasonably configured， which not only reduces the weight， but also improves the strength and rigidity of the structure， thus realizing the economy and working benefit of the equipment.

Keywords： manipulator fixture; force test analysis; optimal design

引言

随着近十几年来国内工业制造行业的快速发展和进步，产生了一大批配套设施的供应商，为生产服务的新型辅助设备及工具等由此应运而生。尤其在汽车行业，涵盖了大量生产制造所需的辅助设备。其中，在生产线上搬运、装配等方面应用广泛的搬运机械手夹具尤为突出，成为了汽车行业，特别是汽车总装生产线上所常用的和必备的设备。

这里简单的介绍一下搬运机械手夹具的功效和特点。顾名思义，就是可以帮助人现场一起操作搬运工件的机械手夹具，它的作用是当操作工在搬运比较重的工件时，比如，对于人来说已无法承受的重量或不能长期的、频繁的或不间断承受的重量时，我们需要借助像搬运机械手夹具这样的设备来减轻操作工的劳动强度和负荷。它的特点就是能省力，能减轻人的劳动强度等，它是人机工程学上的一个重要环节。所以，在现代与科技化的今天，它不仅节省了人力资源，同时也提高了生产效率，并且也保证了生产的安全性。

1 仪表板机械手夹具的工作原理

根据生产线工艺要求，利用横梁轨道车和升降小车在X、Y方向的驱动电机，由人工点击按钮来操控仪表板机械手夹具的升降和前后、左右的移动，通过在AGV小车上完成对仪表板总成的定位夹取后，把载有仪表板总成的机械手夹具一起送进生产线上移动中的汽车车身内，并进行安装紧固，完成后释放夹紧定位销并推出车身，最后按下返回按鈕，让仪表板机械手夹具回到起始点进行下一个循环工作。

当然，最重要的节点是所有搬运及装配时间都必须在规定的生产节拍内完成。当前，该生产节拍是42.5JPH，工位长度6m，要求在规定的72s内完成仪表板总成的装配任务。

2 仪表板机械手夹具的作用和构造

2.1 仪表板机械手夹具的作用

仪表板机械手夹具首先必须能准确快速地夹取到仪表板总成，只有这样才能保证后续的工作展开。传统的传输方式有多种，有的通过输送链上的吊架传输，有的通过辊道线传输，但都有一个定位机构，能方便仪表板机械手夹具通过控制准确快速地自动夹取到仪表板总成，从而实现夹取自动化的模式。另一种是AGV小车的传输方式，它是通过地面埋设的电磁轨道来引导AGV小车的运行，这也是当前较为流行和先进的、用的较多的方式之一。但它也有不足的地方，就是到位点的位置精度不能保证。而我们承接的这家公司恰恰用的也是AGV小车传输形式，故在实际的操作中就不能完全套用自动化的模式。应该在机械结构中多用些在硬性结构中如何化解相碰撞的原理，比如说，柔软性的，弹性的、微量移动的及防撞的机构等。这同样可以解决很多在实际使用中所碰到的类似问题。

2.2 仪表板机械手夹具的构造

仪表板机械手夹具分成三个部分。第一部分是主梁，即，C型悬臂梁结构。中间一部分是连接机构，是有承上启下作用的，也是设计中一个主要的环节。还有一部分，即，仪表板夹具。它是仪表板机械手夹具的重点部分。

2.2.1 C型悬臂梁结构

C型悬臂梁结构也分成三个部分。第一部分是上面的悬臂梁，第二部分是下面的连接夹具的悬臂梁，第三部分是中间的翻转机构，它与上梁焊接连接，与下梁是活动连接，翻转部分是用气缸带动齿轮齿条旋转下面的悬臂梁，从而带动整个夹具一起旋转。主要是因为不同的车型需要有不同的进车方式。

采用C型悬臂梁结构还有一个优点，在于提升点可以靠近车身的中心，这样不仅受力点好，而且可以避开对车身的干涉。

2.2.2 连接机构

这是一个C型悬臂梁与仪表板夹具之间的连接机构。它承载着绕Z轴可微量转动，绕X轴可微量转动，而在Y向采用直线导轨方式连接，可左右微量移动，且都装有弹簧平衡器，可平衡复位。其结构采用了桥架形式，不仅保证其强度和刚度，而且，结构精巧，功能齐全，这样的结构形式解决了对于AGV小车输送过来的仪表板总成的夹取。

2.2.3 仪表板夹具

仪表板夹具同样也分成夹具主体、取料定位机构、仪表板夹紧机构等三部分。如果需要与车身对中的话，就需再要加一组车身与仪表板对中机构。

（1）夹具主体

夹具主体是约2.4m长的80×80×5的矩形钢管，中间与连接机构通过直线导轨连接，既可承载重量又可沿Y向微量移动。主体两端主要依靠直线导轨挂载取料定位机构和仪表板夹紧机构等部件，分别由各自气缸拉动进行定位和夹紧工作。内部可以放置一组或二组联动对中机构，后面会阐述。

（2）取料定位机构

仪表板夹具上两侧各有一组取料定位机构，间距调整在约大于1670mm，各装一块V型块，以用来定位AGV小车托架上的导向条。托架上两侧装有Y向导向条，Y向间距也是1670mm，当夹具两侧取料定位机构上的V型块压到导向条上，X、Y、Z向就被限位住了，而Y向不用去过度约束，因为仪表板机械手夹具上已自带Y向移动量，它是考虑装车时的所需要的变量。

（3）仪表板夹紧机构

仪表板夹具上两侧各有一组夹紧机构。该夹紧机构是由上下切换机构和定位销机构组成，定位销机构可通过切换机构上下移动，采用气缸带动，有自锁功能，可对应不同的车型。定位销机构安排了上下两个定位销，可保持仪表板总成被夹持时不翻转。左右两组夹紧机构分别由各自气缸Y向来拉动夹紧。考虑到两边气缸拉动时的一致性，在夹具主体内部放置一联动对中机构。它由齿轮齿条等组合而成，并连接两侧的夹紧机构。由于大小车型缘故，各车型的宽度约在1680至1340mm之间，所以，夹紧的行程也就设定在250mm距离，两侧定位销间距最大时为1740mm。最大限度地满足了所有被夹仪表板总成。

3 仪表板机械手夹具的调试

当设备完成设计制造后，第一时间是发往现场，进行安装调试。在出厂前一般对某些产品或部件已预调试过。现代化的安装模式都是集成块式的，对于周期短任务紧的客户非常适用，但到了现场，还得根据生产线的实际情况来做个综合调试。本次调试时也碰到一些问题。比如，C型悬臂梁在初期设计时，用了￠80×5的钢管，虽然也增加了加强筋板，但使用后仍然变形量很大，而且钢管连接处常发生开裂，当初只能做些焊接补救。后期再改造时，就改成了￠108×5的钢管。同样，下面的连接夹具的悬臂梁，起初也只用了￠63×5，同样原理变形量大且开裂，后来也改进成￠80×5。至此，上下二部分不再有大的变形和开裂现象出现，得到了彻底的解决。

上面曾提到过得联动对中机构，其实，设计初期并没有考虑进去，调试中经常会出现偏离的现象。这是由于夹取是靠夹具两侧的气缸来完成的，而气缸受气压不稳和装配精度及各自周围环境干扰等影响，无法同步夹紧，影响装车质量。所以，通过对夹具构造的改进，在夹具主体内部放置由齿轮齿条等组成的联动对中机构。这样也就解决了相关问题。

另外，还要提到的是直接与仪表板总成接触的定位销，它采用直径在12mm、30mm长的圆柱销，头上有锥度，左右两侧4个定位销除了起到夹紧和承载仪表板总成外，由于经常与仪表板总成上的孔位摩擦，产生严重磨损，一度影响了装配质量。所以，除采用45#钢外，还对其表面进行了淬火热处理，硬度达到50-55HRC，原来仅作调质处理。这样，既增加了强度和刚度，同时，也提高了耐磨性，延长了使用寿命，也消除了影响装配质量的隐患。

最后，为了保证设备的良好使用，产品质量是一个重要环节，决不可忽视，因产品质量的好坏，会影响调试工作的进程。

经过调试以及后续不断的实践与改进，现在不仅整个工序，包括取料、进车身、装配、退出到返回原始点，已用时不到60s。到目前為止，现场使用一直非常的稳定。如今每次上新车型时，也只针对夹具部分作对应的变化和改进。

本设备结构坚固，性能稳定，操作简便，完全符合生产线工艺和操作要求，是一款值得考虑和借鉴的产品。

4 结论

综上所述，设计除了要有积累的丰富经验外，必须有针对性的了解和收集与设计有关的信息、资料及客户的需求等，要了解被服务的对象，要了解相关可以借鉴的类似设备等，还要了解其他可能出现的意外情况等。设计上要多考虑设备的实用性及耐用性，功能要全面，操作也要简单。由于，现场是AGV小车送料，又考虑到仪表板总成大约在60kg偏上，再加上取料、进出车身等因素，不能完全应用自动化操控。又需考虑到仪表板机械手夹具不能超重，本次仪表板机械手夹具采用了C型悬臂梁结构是正确的，也是非常适合于像夹取仪表板总成这样类型的机械手夹具上。同样道理，连接机构也是这样一种有效的机构，它基本保证了仪表板夹具在夹取时需要的灵活性与自由度，也在很大程度上解决了现场夹取难的问题。同时设计中尽可能地采用标准件，比如，此次设计中用到的直线导轨、轴承及SMC、FESTO品牌气缸等，此外，零部件的设计要保证其强度和刚度，要充分利用人机工程学理念来优化产品设计，简化结构，减轻分量，达到了产品真正的实用性要求。

好的设计，会事半功倍，高科技时代注重人机工程，注重优化集成模式，只有这样，才能设计出更好更优的产品。

参考文献：

[1]王文斌，等.机械设计手册（第三版）[M].北京：机械工业出版社，2004.

[2]张璐.气动助力机械手的平衡原理分析与故障排除[J].制造业自动化，2017，39（02）：70-72.