简析车身焊装机器人抓手的轻量化

阮宜进 王康 张佳勇

摘 要：在汽车制造领域，车身焊装车间工序间广泛应用机器人搬运的方式，由于机器人存在负载及转动惯量限制，当机器人抓手偏心或超重的情况下，就必须升级机器人型号，降低运行速率，由此增加了投资及工艺节拍。文章介绍车身车间机器人抓手类别、结构，在此基础上，分别从组件材质轻量化应用、结构优化角度讨论机器人抓手轻量化方向，为轻量化抓手设计的深入研究和应用提供参考。

关键词：车身;抓手;輕量化

中图分类号：TP242.2  文献标识码：B  文章编号：1671-7988（2020）04-167-03

Overview of Robot Gripper Lightweight Proposal In Body shop

Ruan Yijin， Wang Kang， Zhang Jiayong

（ Vehicle Manufacturing Engineering， Shanghai General Motor limited company， Shanghai 201201 ）

Abstract： Robot handling is widely used in body shop in the field of automobile manufacturing. Due to the limitation of robot's payload and moment of inertia， when the robot's gripper is eccentric or overweight， it is necessary to upgrade the robot's model and reduce running speed. Therefore increasing the investment and cycle time. Based on the background， body-shop gripper structure is introduced. Different gripper lightweight concept are discussed in two aspects including material and component lightweight proposal， which provide a reference for deep study and application.

Keywords： Body; Gripper; Lightweight

CLC NO.： TP242.2  Document Code： B  Article ID： 1671-7988（2020）04-167-03

引言

为实现更好的产能配比，目前主机厂的车身工艺规划主流方向为共用工艺线体，不同车型共用相同的焊接单元，而不同车型零件上料及分总成的搬运依靠机器人切换抓手实现，通过负载与机器人Payload进行校核，以此作为选取机器人型号的依据，当机器人抓手偏心或超重的情况下，就需要升级机器人型号、降低运行速率，由此增加了投资及工艺节拍。因此，优化抓手重量是解决该问题的主要方向。本文通过介绍机器人抓手应用现状，从抓手材质和结构两方面探讨抓手重量优化可行性，为优化机器人payload 、降低机器人型号、节省投资、提升机器人性能及使用寿命、降低工艺CT提供参考。

1 机器人抓手概述

1.1 机器人抓手应用

在车身焊装线上，由于工艺流及节拍要求，地板及侧围总成一般由多工序完成，而机器人抓手就应用在工序之间的传递以及工艺要求完成的上料、涂胶及焊接过程中，所以按应用范围，车身车间机器人抓手主要区分为3种：

搬运抓手：纯零件搬运助应用于分总成工位间传递及零件上料;

工艺抓手：具备零件补焊及涂胶等工艺，不具备零件精确定位能力;

GEO抓手：作为上料GEO工位定位抓手，对本工位上料零件具有定位作用。

同时，按照机器人抓手的结构区分主要为焊接框架式以及标准装配式等。

1.2 标准装配式抓手的主要结构包括

主框架（包含base板及机器人连接法兰）、定位单元连接支架、定位单元、电气管线，如图1所示^[1]。焊接框架式与装配式的区别在于主框架采用非标铁质管件焊接完成，整体强度高但重量大，且可回用性差。

2 机器人抓手轻量化

基于机器人抓手的组成及结构形式，特征为主框架布置成组定位夹紧单元，主框架及定位单元自重、分布情况，抓手重心与机器人连接点的间距都会影响机器人末端的负载。所以从降低抓手自重及改善偏心方面考虑，可归纳为材质轻量化以及结构优化两方面。

2.1 材质轻量化

（1）轻量化气缸的使用

轻量化气缸主要更改气缸压臂为铝合金材料，使用采用铝制压臂的轻量化气缸与常规气缸相比单个重量减轻约0.4-0.7KG。

（2）在保证连接强度的基础上可以将非定位单元的连接板材质更换为铝合金材料。铝合金在自身密度只有高强度钢30%的前提下，具有与高强度钢相近的比模量及更高的比强度，是较为理想的替代材料。

（3）采取标准模块化八角管取代整体焊接式框架结构。

八角管抓手与普通焊接式框架抓手的主要区别在于，主框架及定位二次延伸件采用标准合金管材，使用标准连接件可以实现不同形式框架管材的连接。

八角管抓手应用大量轻质金属管材及连接件，在抓手重量方面相较焊接框架式抓手具有明显优势，且由于应用标准模块化组件，采购周期短、成本低、维修方便快捷，已经成为非定位焊接抓手的主流应用方向。

目前八角管抓手应用主要是铝合金材质，镁合金相比铝合金在材料本身力学性能属性方面，密度低，抗拉强度较低，屈服强度相当，同时具有更好的抗疲劳和抗冲击性能。如表1所示，在已知案例中，整体外形尺寸及安装方式不变的前提下，通过结构优化和增加壁厚的前提下，能实现与铝合金八角管标准件接近的力学性能，同时减重高达30%，在对重量要求更为敏感的区域，在满足强度要求的前提下可考虑使用镁合金替代铝合金标准件。

在一个实例中，如表2所示，除主体框架由镁合金管替换铝合金管之外，其余部件相同，镁合金抓手框架重量为33.7Kg，铝合金抓手框架重量为48.5Kg，抓手减重12%，框架减重达到30.5%。

（4）主框架应用碳纤维复合材质

碳纤维复合材料具备优异的综合力学性能，如表3所示，碳纤维复合材料与铝、铁材质性能相比，在密度较低的前提下：抗拉强度、弹性模量、阻抗、硬度和动载承受能力、耐高压、耐腐蚀、热膨胀系数、断裂极限等多项性能均优于铝镁材质。

在等刚度或等强度设计原则下，碳纤维复合结构比低碳钢结构减重达到50%以上，比镁/铝合金结构减重高达30%^[3]。

2.2 结构优化

（1）对于普通焊接框架式抓手，在保证强度的基础上，可以选择开减重孔，如图2所示。

（2）合理合并机加工单元，如图3所示，将定位销基座与夹紧单元基座合并在一起，可减少连接件、八角管等部件。

（3）合理减少非必要夹持单元，对于非GEO 焊接的搬运及工艺抓手，在保证功能性的前提下，可以减少部分夹持定位单元，如图4所示，优化结构后把两个气缸减为一个气缸，相应的连接件也取消。

2.2.1 应用窄基准

普通抓手及工装基准宽度为19-21mm，特定条件下，可以将正常基准修改为16mm窄基准，如图5所示。

2.2.2 定位单元分布均匀

机器人连接位尽量靠近抓手重心，可降低机器人转动惯量。

3 小结

通过上文总结，机器人抓手的轻量化主要从材质组件轻量化以及结构优化两个方面考虑。

组件的轻量化主要考虑：

应用轻量化气缸、应用标准八角管抓手、其他轻量化非标组件。

结构优化考虑：

框架式焊接抓手开减重孔、合理布局定位单元、机器人连接位、降低机器人转动惯量、优化单元及管线包等布置、合理合并机加单元、合理应用窄基准、合理减少夹持单元。

4 展望

在工厂共用线体要求的前提下，对于机器人抓手所要实现的功能要求越来越高，要实现不同零件不同工艺流的应用，这就对机器人抓手的结构形式提出了更高的要求^[2]。与此同时，基于共用线体的节拍及工艺要求，抓手机器人需要实现抓取零件焊接及涂胶功能，负载过重会导致线体节拍上的瓶颈。所以，抓手的轻量化研究，能在保证抓手机器人实现多种实现工艺流功能的前提下，不降低单元节拍，实现共用线体的多种要求。而且对于系统的日常维护保养，以及机器人寿命都有积极的影响。

碳纤维抓手在轻量化方面具有明显的优势，然而碳纤维的高成本以及复杂的制造工艺极大地制约了碳纤维复合材料的发展。未来在规模量产，成本降低前提下，有望成为车身车间主流抓手形式。

参考文献

[1] 林巨广.铝型材在模块化抓具的应用及试验分析.组合机床与自动化加工技术[J].2013（2）：124～126.

[2] 傅莉.柔性化在汽车焊装生产线的应用.科技广场[J].2013（10） ： 94～96.

[3] 宋燕利.面向汽车轻量化应用的碳纤维复合材料关键技术.材料導报[J].2016（17） ：16～18.