汽車白車身新型柔性定位單元設計及運動仿真

彭少峰，徐 雷，王 強，陳 沛

PENG Shao-feng, XU Lei, WANG Qiang, CHEN Pei

（四川大學 制造科學與工程學院，成都 610065）

0 引言

柔性定位單元是柔性制造技術在自動生產線的應用之一，主要突出產品柔性和運行柔性，應用于汽車白車身底板定位的生產線，其特有的高速、精確特性，可以與標準機器人配合使用，實現生產線的柔性化，以實現精確、快速、的車身底板定位以及同一生產線上不同車型間定位的切換，大幅加快汽車生產節拍，提高生產效率，節約成本[1]。以往柔性定位單元大多采用的是實現直線運動的立柱式三坐標機器人，特別是同一生產線上不同車型間切換的時候，占用車身輸送系統空間，只能適用于部分車型，不具備廣泛使用性，影響生產節拍。針對這種情況，本文提出了一種新型柔性定位單元的設計，能節省生產線中間車身輸送系統空間的定位單元來實現定位，在很大程度上能解決定位過程中空間干涉的問題。

1 柔性定位單元的構成

柔性定位單元是基于三坐標軸運動機器人原理設計而成，一般由6～8個柔性單元分布在白車身生產線的1個工位。其控制系統部分是圍繞工控機和運動控制器構建的開放式多軸運動控制系統，核心部件是工業控制計算機（IPC）、運動控制器和交流伺服系統。通過對伺服電機進行快速、精確、同步調整，來實現對不同規格尺寸的白車身進行支撐與定位，實現降低工裝成本、提高生產效率、減少占地面積、適于多種車型的“柔性”生產模式[1]。

2 新型柔性定位單元的構成

2.1 新方案設計

柔性定位單元定位過程中，為了節省車身輸送系統空間，提出在Z軸方向（即垂直高度方向）要能實現收縮運動，Y軸（即水平方向且垂直于生產線方向）實現旋轉運動，X軸（即水平方向且平行生產線方向）仍采用滾珠絲桿傳動方式的方案。定位過程中，Z軸處于收縮狀態，Y軸與生產線平行，或者處于生產線外側空間，節省了生產線車身運輸的空間，防止空間干涉，從而可以適用更多車型的生產活動。根據實際需求，提出一些參數，具體如下：

最大負荷重量：100kg；

動作范圍：X、Y為300mm，Z軸為250mm；

重復定位精度：±0.05mm；

最大速度：X、Y軸為300mm/s，Z軸為250mm/s。

新方案中Z軸采用伸縮型機構，Y軸（即水平方向且垂直于生產線方向）采用SCARA機器人的旋轉臂方式，X軸（即水平方向且平行生產線方向）仍采用滾珠絲桿傳動。新方案示意圖如圖1所示。

圖1 新方案示意圖

2.2 軸體傳動方案及選型

X軸采用線性模組，根據實際承受載荷和扭矩來選取對應的模組，從而實現X軸方向的直線運動。由于進口絲杠模組價格較貴，在滿足使用條件情況下，優先選用國產產品。新方案選用的是海特傳動的滾珠絲杠導程為10mm的HTB180型模組，選取有效行程為500mm（得滿足大于X軸方向行程425mm要求）即可。其最快速度為500mm/sec，水平使用最大載荷為100kg，滿足使用要求?？筛鶕褂脠龅乜臻g決定伺服電機安裝位置，有馬達左折、馬達右折和馬達直聯三種方式。

Y軸的采用是SCARA機器人的旋轉機構，以實現旋轉運動。伺服電機與行星減速器連接后，通過底座連接體安裝在機器人底座機箱內部，其輸出扭矩通過行星減速器來驅動旋轉臂轉動。將其安裝在機座上，就可減少臂部慣量、增強機身剛性。采用了一對圓錐滾子軸承的設計，承受機器人本體對關節的壓力和彎矩，保護了減速器[2]。Y軸旋轉臂采用鋁合金材料加工成型，重量輕強度高，使得關節控制軸可以取得較高的控制速度和加速度。Y軸的旋轉臂桿端旋轉中心與升降機跨距為300mm（近似值425mm），所計算出來實現頂端定位立體空間所需要X軸方向的滾珠絲杠工作臺運動距離最短。

Z軸采用JWB滾珠絲杠升降機，絲杠軸伸縮運動，實現頂端伸縮和定位，主要由精密滾珠絲桿副與高精度蝸輪蝸桿副構成。根據其實際載荷，選用JWB010型行程為250mm的升降機即可滿足要求。

3 旋轉臂結構及其靜力學分析

旋轉臂采用的是類似SCARA機器人的大臂,臂寬160mm，臂長610mm，臂旋轉厚40mm，并對臂遠端部分加厚10mm進行強化結構，以減少其彎曲變形量。桿端旋轉中心與升降機絲杠軸中心跨距為300。

對旋轉臂用ANSYS Workbench進行靜力學分析。模型材料選為鋁合金，密度為2700kg/m2，彈性模量為71GPa，泊松比為0.31。網格設定所需的參數，將決定網格的大小、形狀，這一步非常重要，將影響分析時的正確性和經濟性[3]。本文采用尺寸控制（Sizing）方式設置單元尺寸為5mm來網格劃分，得到277218個單元，395783個節點。

載荷與約束在有限元分析中起到至關重要的作用，決定著分析結果的準確性[4,5]。整套定位單元最大承重100kg，考慮到承重不均勻的情況，單個載重擴大1.5倍，為25kg，升降機自重為7.4kg，伺服電機自重4.1kg。所以旋轉臂末端所受升降機載荷最大為（100/6×1.5+7.4）×9.8=317.52N，取其集中載荷為320N，伺服電機載荷為4.1×9.8=40.18N，取其集中載荷為41N。伺服電機旋轉臂約束為旋轉中心端固定。旋轉臂載所受載荷及約束如圖2所示。

圖2 旋轉臂結構載荷及約束

根據實際情況對模型添加約束，利用Workbench自身強大功能，設置求解類型，將旋轉臂的總形變和等效應力作為計算結果[6]。經過求解每一個定義節點的等效應力及形變，最終得到旋轉臂形變位移分布圖和等效應力分布圖，如圖3、圖4所示。

圖3 旋轉臂形變位移分布圖

圖4 旋轉臂等效應力分布圖

旋轉臂使用的是鋁合金材料，取安全系數n=2，許用應力[δ]=96MPa。從圖3位移分布圖看出最大變形量發生在臂末端，為0.0989mm，變形量較小，剛度性能也較好，能夠保證最大承載條件下的使用。從圖4應力圖中可以看出，小臂的大部分等效應力值在0.22731MPa～7.7801MPa之間，最大值為7.7801MPa，從應力角度分析，小臂的最大工作應力遠小于鋁合金材料的許用應力值，說明材料的屈服能力很強。這也進一步證明了旋轉臂結構設計的有效性。

4 三軸運動軌跡模擬和分析

CATIA V5中的“DMU運動機構”工作臺提供了逼真地模擬機構在特定的環境中的工作狀況，分析其運動規律，并對其作出動態的分析和判斷的功能。按規定，進行機構運動仿真應執行以下五個主要步驟[7]：

1）要創建一個機構首先需要選擇主菜單上的“開始”→“數字化裝配”→“DMU運動仿真”進入運動仿真工作環境。

2）接著打開一個已經在裝配環境下創建或者裝配體文檔。

3）要創建運動副和驅動指令，還要對每個零件的自由度進行定義。

4）要對機構進行運動仿真，至少需要有一個零件被固定。

5）設計一個機構時，必須在各零件之間建立不同的連接關系。

定位單元X軸運動形式為電機驅動滾珠絲杠作旋轉運動，滾珠絲杠的旋轉推動螺母作直線運動，從而帶動平臺在導軌上進行平移運動。Y軸為伺服電機通過絲杠實現伸縮運動為本次裝配體是簡化的三維模型。在運動模擬中，X軸直接添加運動命令于驅動滑塊與導軌之間，為棱形結合，設置驅動長度。Y軸直接添加運動命令于旋轉臂與旋轉底座之間，為旋轉結合，設置驅動角度。Z軸直接添加運動命令于滾珠絲杠與升降機之間，為圓柱結合，設置驅動長度和驅動角度。

設置好固定零件后，單擊工具欄中的公式按鈕，給各軸添加運動公式，單擊規則運動模擬圖標，進行運動模擬，可以看到定位單元各個軸之間的聯動動畫，實現坐標位置的定位。也可以對某個或某幾個公式對象取消激活，實現單軸或某幾個軸運動。如圖5、圖6所示。

圖5 初始位置運動模擬

圖6 極限位置運動模擬

使用工具欄中的“Trace（軌跡）”按鈕，選取各軸上的某些點，再選擇對應的參考件，這樣對各軸進行軌跡生成，依次模擬各個軸的獨立運動生成的軌跡，如圖7所示，從中可以看到XYZ三軸的運動軌跡（圖中白色線條部分）。

圖7 各軸獨立運動軌跡生成

設置的運動時間為1s，圖中各軸獨立運動時，X軸方向滾珠絲杠工作平臺移動了425mm，旋轉軸旋轉45deg，X-Y平面可以實現邊長為300mm的正方形工作區域，Z軸方向上升250mm。實現了方案所需要的工作空間，這也證明了該運動機構的合理性。

5 結束語

文中針對以往柔性定位單元的弊端，提出能有效節省車身輸送裝置的空間的新型設計。該設計中多采用已有的產品和機構，只需對部分零件進行設計。對旋轉臂的靜力學分析證明了該結構設計的合理性，并對各運動軸利用CATIA的DUM運動仿真功能進行運動模擬，完成設計要求的運動動作，生成運動軌跡，軌跡生成符合設計之初要求，進一步證明該設計的合理性。

[1]李兆剛,王偉國,閆澤宇.汽車白車身制造中應用的柔性定位單元[J].汽車工藝與材料,2010,(4):21-23.

[2]鄭東鑫.SCARA機械手系統設計與規劃控制研究[D].浙江大學,2011.

[3]張紅.SCARA 機器人小臂有限元模型設計[J].價值工程,2010,(30):275-276.

[4]鄭國穗.SCARA平面關節式裝配機器人的設計與研究[D].陜西科技大學,2014.

[5]張紅.SCARA機器人小臂結構特性分析[D].天津大學,2008.

[6]黃松.SCARA搬運機器人結構設計及仿真分析[D].四川大學,2015.

[7]齊從謙.CATIA V5R21產品創新設計與機構運動仿真[M].北京:中國電力出版社,2014.