某產(chǎn)線中搬運機器人末端執(zhí)行器夾緊力和鎖緊力計算過程案例目錄TOC\o"1-3"\h\u49911.1焊接附件搬運機器人末端執(zhí)行器設(shè)計 120311.1.1焊接附件搬運機器人末端執(zhí)行器氣缸選型 1219051.1.2焊接附件搬運機器人末端執(zhí)行器氣缸手指延伸部分設(shè)計 2326481.2搬運機器人末端執(zhí)行器設(shè)計 5199651.2.1搬運機器人末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計 5119681.2.2搬運機器人末端執(zhí)行器對汽車側(cè)圍的定位 8216381.2.3搬運機器人末端執(zhí)行器焊接負極連接 8178471.3其余機器人末端執(zhí)行器 8231771.4機器人選型 9294561.4.1搬運機器人選型 9133001.4.2其余機器人選型 10254871.5小結(jié) 111.1焊接附件搬運機器人末端執(zhí)行器設(shè)計搬運機器人采用標準件與焊接夾緊氣缸通過螺釘連接組成。圖3-1平行開閉式手指氣缸結(jié)構(gòu)圖1.1.1焊接附件搬運機器人末端執(zhí)行器氣缸選型由于焊接附件搬運需要依靠摩擦力克服自重故： (3-1) 其中，K為安全系數(shù)，μ為摩擦系數(shù)，n為手指氣缸動手指個數(shù)。由于焊接附件大小不一，質(zhì)量不一，故取安全系數(shù)K為3。三個零件最重的為1.2kg，根據(jù)其表面摩擦力取摩擦系數(shù)為0.45。夾緊力計算，帶入公式得選取氣缸為雙側(cè)可動，故手指氣缸單側(cè)內(nèi)夾持力不得小于19.6N查閱手指氣缸出力表如表3-1所示，并結(jié)合實際情況取氣缸直徑16mm，確定氣缸型號為MHZ2-16D。表3-1手指氣缸單可動側(cè)手指出力表缸徑開閉行程外夾持力內(nèi)夾持力開時爪距閉時爪距進氣孔64mm0.33kg0.62kg12mm8mmM3104mm1.12kg1.73kg15.2mm11.2mmM3166mm1.46kg4.59kg20.9mm14.9mmM32010mm4.28kg6.73kg26.3mm16.3mmM32514mm6.63kg10.6kg31.3mm19.3mmM33222mm16.1kg19.63kg48mm26mmM34030mm25.9kg32.4kg60mm30mmM31.1.2焊接附件搬運機器人末端執(zhí)行器氣缸手指延伸部分設(shè)計如圖3-2所示，可以得知焊接附件的工藝夾取位置，由于平行開閉式手指氣缸手指部分只預(yù)留了安裝孔，則需要根據(jù)焊接附件的形狀設(shè)計手指延伸部分。圖3-2焊接附件夾取位置圖由于焊接附件均為薄板型材料，且厚度分布在1mm左右。根據(jù)工件外型應(yīng)設(shè)計手指末端略帶V型，便于夾取不規(guī)則外形的附件。查閱MHZ2-16D平行開閉式手指氣缸參數(shù)得知，連接處手指寬度W值為12mm，孔為M5x0.8，R值為12mm，Q值為6mm，手指預(yù)留長度C為25mm，手指預(yù)留厚度I為5mm，閉合時H距離為14.9mm，如圖3-3所示。圖3-3MHZ2-16D手指氣缸參數(shù)在手指氣缸延伸部分設(shè)計時，考慮薄板零件厚度較小，氣缸預(yù)留手指I厚度為5mm，閉合后H距離為14.9mm，根據(jù)強度設(shè)計要求，與手指氣缸連接處厚度不得小于手指氣缸預(yù)留厚度，即不得小于5mm。根據(jù)參數(shù)計算延伸手指設(shè)計厚度L (3-2)式3-2中，hmin為最小連接厚度，最小值為5mm。根據(jù)公式3-2帶入最小厚度計算得： 經(jīng)計算最小厚度為17.45，根據(jù)計算設(shè)計圖3-4所示手指延伸部分。圖3-4手指延伸部分如圖3-5所示，對設(shè)計完成的手指延伸部分進行受力分析，在末端受力為200N時受力集中部分為兩個螺紋孔，為了減少應(yīng)力集中，在安裝時需要添加墊片以減少應(yīng)力集中。圖3-5夾爪受理分析圖如圖3-6所示，為焊接附件搬運機器人末端執(zhí)行器整體裝配圖，其開閉范圍為0-36mm，手指延伸部分與氣缸的連接采用螺釘打膠連接?？紤]到焊接附件機器人末端執(zhí)行器夾取附件后需要在焊接過程中保持位置，則需要在安裝時添加絕緣墊片，通常絕緣墊片安裝在機器人6軸法蘭盤與末端執(zhí)行器之間，以確保機器人電機在焊接過程中安全工作。圖3-6搬運附件手抓裝配圖1.2搬運機器人末端執(zhí)行器設(shè)計1.2.1搬運機器人末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計根據(jù)工藝要求，汽車側(cè)圍搬運機器人末端執(zhí)行器需要對汽車側(cè)位均勻夾緊，防止由于受力不均導(dǎo)致汽車側(cè)圍發(fā)生形變，根據(jù)要求夾緊氣缸不得少于7個。表3-2最大夾緊力矩表最大夾緊力矩缸徑mm0.5MPa0.6MPa0.7MPa0.8MPaN?mIbf?inN?mIbf?inN?mIbf?inN?mIbf?in40118104415413631781575194171750160141619016812201947250221263400354045039825004425550486780880778810409204120010619136012035查閱焊接夾緊氣缸最大夾緊力矩表，如表3-2所示，可知缸徑為40mm的夾緊氣缸在0.7Mpa的氣壓下最大夾緊力為178N?m。根據(jù)40mm缸徑氣缸參數(shù)設(shè)計夾緊鉗時，由于夾緊位置不同，現(xiàn)取最長夾緊鉗285mm計算夾緊力。根據(jù)如下公式參考表3-2計算單個氣缸夾緊力： （3-3）其中：T為氣缸在對應(yīng)氣壓下的最大夾緊力矩，單位N?m；L為夾緊點與氣缸旋轉(zhuǎn)軸中心點的距離，單位mm。暫定氣缸為40mm，氣壓為0.7MPa，將最長距離285mm帶入公式3-1計算得：當七個氣缸同時夾緊時，可產(chǎn)生夾緊力F10：由于單個汽車側(cè)位質(zhì)量為62.8kg，設(shè)計汽車側(cè)位末端執(zhí)行器夾緊力大于汽車側(cè)圍自重，故夾緊力設(shè)計符合要求。表3-3最大鎖住力矩表缸徑/mm最大鎖緊力N?mIbf?in4038033635080070806315001327480250022124由于在搬運過程中，氣缸一直處于鎖緊狀態(tài)，則需要校驗鎖緊力，根據(jù)公式3-1參考最大鎖緊力矩計算最大鎖緊力F20最大鎖緊力9331.3N大于汽車側(cè)位自重，故鎖緊力符合要求。將八角管型材和多孔圓管型材通過連接件連接成H型，將氣缸按照工藝位置安裝之后需要設(shè)計L型夾緊板，L型夾緊板設(shè)計根據(jù)汽車側(cè)圍的參數(shù)進行設(shè)計，夾緊位置選擇汽車側(cè)圍焊接處，不會損傷汽車側(cè)圍，L型夾緊板設(shè)計如圖3-7所示，對于L型夾緊板，連接時采用兩個Φ6的定位銷進行定位，確保定位精度，連接采用M6的螺釘打膠連接，如圖3-8所示。圖3-7L型夾緊板二維圖圖3-8L型夾緊板三維圖根據(jù)上述計算現(xiàn)設(shè)計搬運機器人末端執(zhí)行器裝配圖如圖3-9所示，此設(shè)計包含7個焊接夾緊氣缸和1個焊接負極搭接氣缸，兩個定位銷用來確定精度。圖3-9搬運機器人末端執(zhí)行器1.2.2搬運機器人末端執(zhí)行器對汽車側(cè)圍的定位由于搬運機器人需要夾持側(cè)圍并搬運至焊接位置進行焊接，焊接完成后還需將汽車側(cè)位搬運至檢測位置配合計測機器人對焊接質(zhì)量進行檢測。因此，搬運機器人末端執(zhí)行器需要保證汽車側(cè)圍穩(wěn)定、無滑動、工件不受損等條件。根據(jù)工藝要求，汽車側(cè)位在抓取時需要先定位，再抓取。由于汽車側(cè)圍有專用定位孔，在設(shè)計末端執(zhí)行器時需要根據(jù)專用定位孔進行定位銷位置設(shè)計，如圖3-10所示。圖3-10機器人末端執(zhí)行器定位圖1.2.3搬運機器人末端執(zhí)行器焊接負極連接對于搬運機器人末端執(zhí)行器而言，需要考慮焊接負極如何搭接在汽車側(cè)圍?，F(xiàn)在選擇采用氣缸連接銅塊的方式，如圖3-11，3-12所示。在此設(shè)計中，由于焊接夾緊氣缸固定側(cè)不參與旋轉(zhuǎn)夾緊動作，現(xiàn)將焊接負極通過連接板連接至夾緊氣缸固定側(cè)，待焊接夾緊氣缸夾緊汽車側(cè)位后，PLC發(fā)送信號使得焊接負極氣缸動作，焊接負極即可搭接在汽車側(cè)圍上。圖3-11機器人末端執(zhí)行器單個氣缸圖3-12焊接負極搭接1.3其余機器人末端執(zhí)行器焊槍作為標準件，如圖3-13所示，可以從仿真軟件庫中導(dǎo)入。焊槍擁有獨立的參數(shù)，可以直接將焊槍的參數(shù)輸入到焊接機器人的工具參數(shù)中，可以直接得到偏移后的工具坐標，只需要校槍即可使用。在校槍時通常采用6點法，即移動機器人至不同姿態(tài)，而焊槍的末端點未移動，共記錄4個大姿態(tài)改變的點，再加上X和Z方向的移動量，機器人采用逆運算計算出焊槍的長度和TCP點，再根據(jù)實際輸入重心或者計算出重心位置輸入即可。圖3-13弧焊焊槍檢測機器人由于末端執(zhí)行器外形不規(guī)則，可以直接利用其6軸法蘭盤TCP作為其工具坐標，即使用機器人默認工具坐標。在采集點時將檢測設(shè)備的外形尺寸大致考慮進去即可，檢測裝置如圖3-14所示。圖3-14圖像檢測與X光檢測裝置1.4機器人選型1.4.1搬運機器人選型在工業(yè)上機器人選型時要求：工業(yè)機器人的最大工作范圍不得小于零件最長側(cè)的110%。此工作站焊接的TT-40型轎車側(cè)圍最長側(cè)長度為2.73m，質(zhì)量為62.8kg。搬運機器人末端執(zhí)行器理論計算質(zhì)量為45.7kg，在實際生產(chǎn)中需要加上氣管、螺栓、電磁閥和線纜的質(zhì)量，故搬運機器人的最大負載質(zhì)量不得小于130kg。同時需要搬運機器人還需要與其他三臺機器人協(xié)同工作，故需要適當提高機器人的工作范圍。綜上選擇搬運機器人型號為IRB7600-150/1.5，如圖3-15所示參考理論工作范圍，根據(jù)表3-4，可以查閱機器人6個軸的工作范圍和軸最大運動速度。IRB7600-150/1.5具體參數(shù)如下軸數(shù)：6軸最大負載：150kg工作范圍：1.5m重復(fù)定位精度：0.2mm重復(fù)路徑精度：0.6mm機器人本體重量：2450kg手腕扭矩：1880N?m圖3-15IRB7600機器人工作范圍表3-4IRB7600-150/1.50工作參數(shù)IRB7600-150/1.5軸運動工作范圍軸最大速度軸1旋轉(zhuǎn)+180°至-180°100°/s軸2手臂+85°至-60°60°/s軸3手臂+60°至-180°60°/s軸4手腕+300°至-300°100°/s軸5彎曲+100°至-100°100°/s軸6轉(zhuǎn)動+360°至-360°190°/s1.4.2其余機器人選型由于汽車側(cè)位外形尺寸較大，焊接附件搬運機器人、焊接機器人和檢測機器人的工作范圍至少需要在2.73m，選擇ABB機器人IRB6700-155/2.85。此型號機器人最大負載155kg，如圖3-16所示，根據(jù)表3-5可以查閱機器人各軸最大運轉(zhuǎn)角度和速度，綜合考慮滿足設(shè)計需要。IRB6700-155/2.85具體參數(shù)如下：軸數(shù)：6軸最大負載：155kg工作范圍：2.85m重復(fù)定位精度：0.1mm重復(fù)路徑精度：0.15mm機器人本體重量：1260kg手腕扭矩：927N?m圖3-16IRB6700-155/2.85機器人工作范圍表3-5IRB6700-155/2.85工作參數(shù)IRB6700-155/2.85軸運動工作范圍軸最大速度軸1旋轉(zhuǎn)+170°至-170°100°/s軸2手臂+85°至-65°88°/s軸3手臂+70°至-180°90°/s軸4手腕+300°至-300°140°/s軸5彎曲+130°至-130°110°/s軸6轉(zhuǎn)動+360°至-360°180°/s1.5小結(jié)本章主要對搬運機器人末