基于ROBCAD高速傳輸抓取裝置的運動仿真

王德民， 趙國法

(長春理工大學機電工程學院，長春 130022)

0 引 言

高速傳輸抓取裝置常用于發傳廠，用來高速抓取傳送發動機或傳動器的小體積零件以減少生產輔助傳輸時間，可以有效地降低生產成本。隨著焊裝生產線傳輸方式日新月異，不斷地發展，具有傳輸速度快、位置準確、節省輔助傳輸時間等特點的高速傳輸抓取裝置越來越多地被用于焊裝的傳輸生產線中，應用于地板、側圍、分裝等產品零件的傳輸[1]，有利于提升焊裝生產線的設計水平，提高生產效率，降低汽車生產成本，有利于提高我國汽車市場競爭力。

ROBCAD軟件的廣泛應用符合世界自動化生產的發展趨勢，在實際應用中其有著如下優點：1）提高機器人運行程序的準確性，減少現場調試時間；2）優化運動軌跡，便于方案設計，減少資源浪費；3）加速產品投產時間；4）減少勞動力，資源分配及利用合理。

ROBCAD基本功能如下[2]：1）工作單元布局設計和建模;2）機器人仿真;3）CAD數據轉換;4）沖突檢測;5）操作順序（SOP）;6）離線編程（OLP）。

由于設計過程中可能存在的偏差會延長整個裝置整機調試的時間，加劇調試難度，因此需要在設計結束后使用虛擬仿真平臺對裝置做出運動學仿真，來提前發現設計中存在的缺陷。提前解決設計中的缺陷可以有效地節約成本、減少人力、物力資源的浪費等問題，因此運動仿真是機械設計的一個必備的過程。對于虛擬仿真平臺，本項目采用ROBCAD軟件，來對高速傳輸抓取裝置所涉及項目中的6臺機器人的工位布局、工藝可行性和沖突檢測等方面進行設計驗證[3]。

仿真過程可以簡要地概括為3個階段：第一個階段是數據輸入階段；第二個階段是仿真階段；第三個階段是數據輸出階段。仿真的具體過程如圖1所示[4]。

圖1 ROBCAD仿真流程圖

1 高速傳輸抓取裝置的工藝規劃過程分析及建模

高速傳輸抓取裝置在焊裝生產線中是一整套相對對立的裝備系統，包括規劃、結構設計兩個階段，規劃設計包括整體的長寬高、傳輸抓取單元的數量、圍欄、踏臺、維修樓梯的相對位置；結構設計包括立柱、橫梁、舉升單元、傳輸單元、抓取裝置的細節設計，同時還要選取舉升和傳輸的伺服電動機的功率、傳動比，對橫梁及立柱整體進行有限元分析。

基于C011-A級車的地板-主焊線的新制項目中地板線的工位間傳輸采用了高速傳輸抓取技術。高速傳輸抓取裝置一般由支撐框架、升降機構、水平移動機構、抓具等組成，如圖2所示。以下就以此項目為例詳細介紹高速傳輸抓取裝置的抓取傳輸過程：1）高速傳輸抓取裝置數量及工位間距。4工位共有3套舉升機構、3套平移傳輸機構和3套抓具，工位間距6 m。2）高速傳輸抓取裝置的升降距離。將每個工位的機器人軌跡進行初步模擬，確定升降距離1500 mm。3）高速傳輸抓取裝置的工作循環過程。下降→抓取→上升→前進平移→下降→放件→上升→返回平移（中位），其中下降及上升距離1500 mm，前進平移距離6000 mm，返回平移3000 mm。4）高速傳輸抓取裝置的工作循環時間：根據每個工位焊接點數的分配及時間匯總，高速傳輸抓取裝置整個的傳輸時間必須保證在16 s以內。

圖2 高速傳輸抓取裝置

根據以上技術參數及工藝條件，我們初步確認高速傳輸抓取裝置平面占用空間、立柱數量及立柱位置，圖3是初步規劃的平面布置圖，面積24×3.5 m2。

圖3 規劃平面布置圖

2 夾緊裝置的運動仿真

夾緊裝置的特點是結構簡單、動作迅速，僅需幾秒鐘就可以從松開狀態完成夾緊。夾緊裝置具體結構如圖4所示。

夾緊缸也稱夾緊器。在自動化生產環節中，抓具的抓取動作由夾緊氣缸來完成，而夾緊氣缸的動作不會對工件數模的生產制造產生除保證加工精度和產品質量之外的其他積極影響。夾緊氣缸的功用主要為：保證工藝過程的可靠性；保證質量控制的安全性；保證有序的自動化動作。

使用ROBCAD對夾緊裝置進行運動仿真，一共分為6個步驟：

1）定義項目路徑，進入 Modeling模塊，調入需要運動仿真的夾緊裝置，如圖5所示。

2）使用Kinematics運動仿真模塊創建2個Link，一個是活動部件的Link，另一個是固定部件的Link。其中活動部件包括：氣缸壓臂、壓緊塊；固定部件包括：氣缸主體、連接塊、方鋼。

圖4 夾緊裝置

圖5 夾緊裝置

3）創建夾緊裝置運動的旋轉軸。旋轉軸位于氣缸主體與氣缸壓臂的連接處，用“Axis”點擊兩側凸臺處，中心點自動選取，旋轉軸創建成功。

4）創建關節。使用“Joint”命令依次選取固定部件、活動部件及旋轉軸，最后對關節進行定義。

5）創建動作。需要編輯2個狀態，一個是“OPEN”狀態，另一個是“CLOSE”狀態?！癘PEN”狀態需要活動部件繞旋轉軸旋轉90°；“CLOSE”狀態需要活動部件繞軸回到初始狀態。如圖6、圖7所示。

6）動作仿真。在經過上面的步驟之后，夾緊裝置的運動仿真完成。仿真運動過程如圖8所示。

圖6 夾緊裝置的“OPEN”狀態

抓具的抓取動作其實是由4個夾緊氣缸完成的，而這4個氣缸的類型與型號是一致的，因此動作順序也是一致的。上文簡要描述了氣缸的動作順序，并結合ROBCAD軟件做出了仿真動作過程。再結合直線氣缸的直線運動，就組成了抓具的抓取動作。

圖7 夾緊裝置的“CLOSE”狀態

圖8 夾緊氣缸仿真運動過程

3 高速傳輸抓取裝置運動仿真

在完成上面的工作后，需要對工位任務分配、機器人選型和機器人LAYOUT設計、干涉校核，最后對高速傳輸抓取裝置進行運動仿真。仿真過程如圖9、圖10所示。

通過上述內容的仿真分析，高速傳輸抓取裝置可以滿足工藝及生產要求，能夠高速穩定安全運行，同時能夠減少生產輔助傳輸時間，降低汽車開發成本，提高生產效率。

經過結構加工、裝置調試等一系列過程后，高速傳輸抓取裝置已經在某轎車焊裝車間中投入使用。裝置現場工作如圖11所示。

由圖11能夠明顯看出抓具、升降機構、平移機構和部分支撐框架等結構。

圖9 高速傳輸抓取裝置三維布局

圖10 高速傳輸抓取裝置運動仿真

4 結語

結合某車型地板焊裝線的實例，以高速傳輸抓取裝置為模型，通過ROBCAD軟件完成對其的運動仿真。由仿真可知，高速傳輸抓取裝置的機械結構能夠滿足運動性能要求，且整體機構在運行過程中不會出現干涉等情況的發生。這些數據能夠說明高速傳輸抓取裝置結構設計合理，滿足工藝和生產要求。

圖12 高速傳輸抓取裝置現場工作圖

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