某汽車產(chǎn)線中弧焊工作站機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算過程案例目錄TOC\o"1-3"\h\u10874某汽車產(chǎn)線中弧焊工作站機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)計(jì)算過程案例 149911.1焊接附件搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計(jì) 120311.1.1焊接附件搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器氣缸選型 1219051.1.2焊接附件搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器氣缸手指延伸部分設(shè)計(jì) 2326481.2搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計(jì) 5199651.2.1搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 5119681.2.2搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器對(duì)汽車側(cè)圍的定位 8216381.2.3搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器焊接負(fù)極連接 8178471.3其余機(jī)器人末端執(zhí)行器 8231771.4機(jī)器人選型 9294561.4.1搬運(yùn)機(jī)器人選型 9133001.4.2其余機(jī)器人選型 10254871.5小結(jié) 111.1焊接附件搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器氣缸選擇平行開閉式手指氣缸，原理圖如圖3-1所示，搬運(yùn)機(jī)器人采用標(biāo)準(zhǔn)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(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器氣缸選型由于焊接附件搬運(yùn)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(dòng)手指?jìng)€(gè)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(gè)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(jì)算，帶入公式得選取氣缸為雙側(cè)可動(dòng)，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(shí)際情況取氣缸直徑16mm，確定氣缸型號(hào)為MHZ2-16D。表3-1手指氣缸單可動(dòng)側(cè)手指出力表缸徑開閉行程外夾持力內(nèi)夾持力開時(shí)爪距閉時(shí)爪距進(jìn)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(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器氣缸手指延伸部分設(shè)計(jì)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(jì)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(jì)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(zhǎng)度C為25mm，手指預(yù)留厚度I為5mm，閉合時(shí)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(jì)時(shí)，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(qiáng)度設(shè)計(jì)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(jì)算延伸手指設(shè)計(jì)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(jì)算得： 經(jīng)計(jì)算最小厚度為17.45，根據(jù)計(jì)算設(shè)計(jì)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(duì)設(shè)計(jì)完成的手指延伸部分進(jìn)行受力分析，在末端受力為200N時(shí)受力集中部分為兩個(gè)螺紋孔，為了減少應(yīng)力集中，在安裝時(shí)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(yùn)機(jī)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(jī)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(shí)添加絕緣墊片，通常絕緣墊片安裝在機(jī)器人6軸法蘭盤與末端執(zhí)行器之間，以確保機(jī)器人電機(jī)在焊接過程中安全工作。圖3-6搬運(yùn)附件手抓裝配圖1.2搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器設(shè)計(jì)1.2.1搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)根據(jù)工藝要求，汽車側(cè)圍搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器需要對(duì)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(gè)。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(jì)夾緊鉗時(shí)，由于夾緊位置不同，現(xiàn)取最長(zhǎng)夾緊鉗285mm計(jì)算夾緊力。根據(jù)如下公式參考表3-2計(jì)算單個(gè)氣缸夾緊力： （3-3）其中：T為氣缸在對(duì)應(yīng)氣壓下的最大夾緊力矩，單位N?m；L為夾緊點(diǎn)與氣缸旋轉(zhuǎn)軸中心點(diǎn)的距離，單位mm。暫定氣缸為40mm，氣壓為0.7MPa，將最長(zhǎng)距離285mm帶入公式3-1計(jì)算得：當(dāng)七個(gè)氣缸同時(shí)夾緊時(shí)，可產(chǎn)生夾緊力F10：由于單個(gè)汽車側(cè)位質(zhì)量為62.8kg，設(shè)計(jì)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(jì)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(yùn)過程中，氣缸一直處于鎖緊狀態(tài)，則需要校驗(yàn)鎖緊力，根據(jù)公式3-1參考最大鎖緊力矩計(jì)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(jì)L型夾緊板，L型夾緊板設(shè)計(jì)根據(jù)汽車側(cè)圍的參數(shù)進(jìn)行設(shè)計(jì)，夾緊位置選擇汽車側(cè)圍焊接處，不會(huì)損傷汽車側(cè)圍，L型夾緊板設(shè)計(jì)如圖3-7所示，對(duì)于L型夾緊板，連接時(shí)采用兩個(gè)Φ6的定位銷進(jìn)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(jì)算現(xiàn)設(shè)計(jì)搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器裝配圖如圖3-9所示，此設(shè)計(jì)包含7個(gè)焊接夾緊氣缸和1個(gè)焊接負(fù)極搭接氣缸，兩個(gè)定位銷用來確定精度。圖3-9搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器1.2.2搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器對(duì)汽車側(cè)圍的定位由于搬運(yùn)機(jī)器人需要夾持側(cè)圍并搬運(yùn)至焊接位置進(jìn)行焊接，焊接完成后還需將汽車側(cè)位搬運(yùn)至檢測(cè)位置配合計(jì)測(cè)機(jī)器人對(duì)焊接質(zhì)量進(jìn)行檢測(cè)。因此，搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器需要保證汽車側(cè)圍穩(wěn)定、無滑動(dòng)、工件不受損等條件。根據(jù)工藝要求，汽車側(cè)位在抓取時(shí)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(jì)末端執(zhí)行器時(shí)需要根據(jù)專用定位孔進(jìn)行定位銷位置設(shè)計(jì)，如圖3-10所示。圖3-10機(jī)器人末端執(zhí)行器定位圖1.2.3搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器焊接負(fù)極連接對(duì)于搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器而言，需要考慮焊接負(fù)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(jì)中，由于焊接夾緊氣缸固定側(cè)不參與旋轉(zhuǎn)夾緊動(dòng)作，現(xiàn)將焊接負(fù)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(hào)使得焊接負(fù)極氣缸動(dòng)作，焊接負(fù)極即可搭接在汽車側(cè)圍上。圖3-11機(jī)器人末端執(zhí)行器單個(gè)氣缸圖3-12焊接負(fù)極搭接1.3其余機(jī)器人末端執(zhí)行器焊槍作為標(biāo)準(zhǔn)件，如圖3-13所示，可以從仿真軟件庫(kù)中導(dǎo)入。焊槍擁有獨(dú)立的參數(shù)，可以直接將焊槍的參數(shù)輸入到焊接機(jī)器人的工具參數(shù)中，可以直接得到偏移后的工具坐標(biāo)，只需要校槍即可使用。在校槍時(shí)通常采用6點(diǎn)法，即移動(dòng)機(jī)器人至不同姿態(tài)，而焊槍的末端點(diǎn)未移動(dòng)，共記錄4個(gè)大姿態(tài)改變的點(diǎn)，再加上X和Z方向的移動(dòng)量，機(jī)器人采用逆運(yùn)算計(jì)算出焊槍的長(zhǎng)度和TCP點(diǎn)，再根據(jù)實(shí)際輸入重心或者計(jì)算出重心位置輸入即可。圖3-13弧焊焊槍檢測(cè)機(jī)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(biāo)，即使用機(jī)器人默認(rèn)工具坐標(biāo)。在采集點(diǎn)時(shí)將檢測(cè)設(shè)備的外形尺寸大致考慮進(jìn)去即可，檢測(cè)裝置如圖3-14所示。圖3-14圖像檢測(cè)與X光檢測(cè)裝置1.4機(jī)器人選型1.4.1搬運(yùn)機(jī)器人選型在工業(yè)上機(jī)器人選型時(shí)要求：工業(yè)機(jī)器人的最大工作范圍不得小于零件最長(zhǎng)側(cè)的110%。此工作站焊接的TT-40型轎車側(cè)圍最長(zhǎng)側(cè)長(zhǎng)度為2.73m，質(zhì)量為62.8kg。搬運(yùn)機(jī)器人末端執(zhí)行器理論計(jì)算質(zhì)量為45.7kg，在實(shí)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(yùn)機(jī)器人的最大負(fù)載質(zhì)量不得小于130kg。同時(shí)需要搬運(yùn)機(jī)器人還需要與其他三臺(tái)機(jī)器人協(xié)同工作，故需要適當(dāng)提高機(jī)器人的工作范圍。綜上選擇搬運(yùn)機(jī)器人型號(hào)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(jī)器人6個(gè)軸的工作范圍和軸最大運(yùn)動(dòng)速度。IRB7600-150/1.5具體參數(shù)如下軸數(shù)：6軸最大負(fù)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(jī)器人本體重量：2450kg手腕扭矩：1880N?m圖3-15IRB7600機(jī)器人工作范圍表3-4IRB7600-150/1.50工作參數(shù)IRB7600-150/1.5軸運(yùn)動(dòng)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(dòng)+360°至-360°190°/s1.4.2其余機(jī)器人選型由于汽車側(cè)位外形尺寸較大，焊接附件搬運(yùn)機(jī)器人、焊接機(jī)器人和檢測(cè)機(jī)器人的工作范圍至少需要在2.73m，選擇ABB機(jī)器人IRB6700-155/2.85。此型號(hào)機(jī)器人最大負(fù)載155kg，如圖3-16所示，根據(jù)表3-5可以查閱機(jī)器人各軸最大運(yùn)轉(zhuǎn)角度和速度，綜合考慮滿足設(shè)計(jì)需要。IRB6700-155/2.85具體參數(shù)如下：軸數(shù)：6軸最大負(fù)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(jī)器人本體重量：1260kg手腕扭矩：927N?m圖3-16IRB6700-155/2.85機(jī)器人工作范圍表3-5IRB6700-155/2.85工作參數(shù)IRB6700-155/2.85軸運(yùn)動(dòng)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(dòng)+360°至-360°180°/s1.5小結(jié)本章主要對(duì)搬運(yùn)機(jī)