L型板抓取柔性机械手的设计

刘兴德，周海宇，靳 曦

(1.吉林化工学院 机电工程学院，吉林 吉林 132021；2.吉林化工学院 信息与控制工程学院，吉林 吉林 132022；3.北京工业大学 材料与制造学部，北京 100124)

L型板是汽车装备夹具中安装在基板上的连接定位块、夹紧块等的支撑部件，其制造工艺包括：板材下料、焊接、热处理和切削加工.L型板的焊接质量直接影响之后的热处理和切削加工工艺.

当前L型板焊接工艺存在的问题：

(1)固定抓具只能装夹单一尺寸工件，且更换夹具成本高，效率低；

(2)手工焊居多，焊接精度不达标，作业环境差；

(3)焊接一致性差、外观成型不良、焊接时变形大，易出现未焊透、焊接后工件内部应力分布不均等现象；

(4)工件装夹时间长，焊接效率低.

为此，开发基于工业机器人的L型板智能焊接平台，在工业机器人上装备柔性抓手[1-2]，可抓取一定尺寸范围的L型板零件.在焊接过程中，可使每道角焊缝保持在船型位姿，实现L型板的自动船形焊接，可大幅度保证和提高焊接质量，提高焊接速度，降低劳动强度.

1 智能焊接平台整体结构介绍

1.1 L型板

L型板结构如图1所示，由立板1、肋板2、底板3三部分组成，立板上有定位孔、安装孔用于同定位块、连接块固定连接；肋板起加强支撑的作用；底板同base板固定连接起连接支撑的作用.材质为Q235板材[3-4]，通过线切、火切等下料，具备一定规模的机加厂均有数控切割设备，预焊接件尺寸较为精准.

图1 L型板结构图

1.2 焊接平台总体结构

L型板焊接平台总体结构，如图2所示.

图2 焊接平台整体结构

柔性机械手由六轴工业机器人、快换盘以及柔性抓手3部分组成，六轴机器人具有运作灵活性好、转角精度高[5]，可做到快速启停等优点；快换盘可实现工业机器人与柔性抓手快速拆卸，提升工作效率.

柔性抓手通过快换盘安装在六轴机器人上，六轴机器人可通过调节自身姿态，使柔性抓手夹持的工件在焊接时处于船型位置，实现船形焊接，保证焊接质量.

1.3 柔性抓手

柔性抓手由一系列标准件与非标件通过螺栓、销固定连接而成，各部件结构简单、成本低.柔性抓手结构如图3所示，虚线部位为抓件前柔性机械手的打开状态，相同部位的实线部分为柔性抓手的夹紧状态.

此柔性抓手是根据实际工况经多次优化的最终结果.

根据图3，抓件流程如下：

图3 柔性抓手结构图

L型板由3个尺寸、重量均不同的部件碳钢焊接而成.在夹具单元中，L型板各部件分别上件、装夹完成后，夹具单元上的压力传感器发出信号，工业机器人带动柔性抓手缓慢驶入夹具单元中，加紧气缸1、5、8工作，带动定位压爪2、4、7夹紧并抓取工件，完成抓件流程.

六轴工业机器人运转，带动柔性抓手，到达焊接指定位置，完成六点定位点焊、船型满焊的焊接过程[6-7].压力传感器采用FSR402，是一款重量轻、体积小、感测精度高的超薄型电阻式压力传感器，可精确反映出各部件是否到达指定位置.

计算分析：

本设计中应用的L型板变动的工件尺寸为立板长度：150～300 mm，材质为Q235的L型板部件间的摩擦系数为0.45.底板受力分析如图4所示.

图4 底板受力分析图

单独对工件底板(约重1.8 kg)受力分析可知：

F摩1=m底g=μFN1=μF1，

(1)

F1=40N，

(2)

肋板受力分析如图5所示.

图5 肋板受力分析图

单独对工件肋板(约重1 kg)受力分析可知：

F摩2=m肋g=μFN2=μF2，

(3)

F2=23N，

(4)

工件整体受力分析如图6所示.

图6 整体受力分析

对工件整体(约重6.8 kg)受力分析可知：

F摩3=m整g=μF夹，

(5)

F夹=152N，

(6)

气缸选型：柔性抓手上的SMC手指气缸根据立板的宽度来选择,气缸闭时行宽度应至少大于100 mm，SMC气缸的夹持力根据图6工件整体受力分析得气缸夹紧力的大小，由此选择SMC气缸的规格为TJ-MHL2-32D；为保证德国TUNKERS气缸打开时气缸压臂不与夹具单元发生干涉，TUNKERS气缸打开角度为90°；亚德客气缸按照立板上件过程中所测的长度来选择气缸量程为200 mm，根据夹紧力的大小所选气缸型号为TR12×200,如表1所示.

表1 气缸型号

2 结 论

计算机虚拟焊接流程，只需一人辅助即可完成上料，随后柔性机械手即可自动完成焊接、下料等一系列工序，节省大量人力物力.为验证方案可行性，采用德国西门子工业机器人仿真软件Process Designer和Process Simulate，对其工作位置、路径、工作节拍进行仿真优化，保证焊接可行性.

智能焊接平台的优点：

(1)组件多为标准件，结构简单，设计制造成本低；

(2)六自由度机器人工作范围大，转角精度高运作灵活，可快速启停；

(3)该装置可适用于抓取一定尺寸范围内的L型板，快换盘的配用可快速更换柔性夹具部件，抓取更大尺寸范围内的L型板；

(4)该装置可用PDPS模拟仿真抓件焊接路径，抓件效率高、精度高；

(5)该设计所用材料经济性高、对环境无污染.

本文对L型板的焊接装置进行改进，新的生产流水线将彻底取代传统的L型板焊接模式，使L型板焊接的效率、质量均大大提升，并且可以让使用L型板作支撑的工装夹具的精度大大提升.