前車橋上料機器人手爪及上料輔助裝置的設計

0 引言

隨著中國制造2025和工業4.0的推進，很多農機企業在收割機前車橋的生產中，已使用機器人焊接代替人工焊接，雖然焊接機器人擁有較高的焊接效率[1]，但是焊接之前仍需要對前車橋組件進行人工上料和工裝定位，這使得焊接機器人的待焊時間過長，降低了整個前車橋生產線自動化程度。

上料機器人在現代智能化生產中憑借其高效的上料能力得到很多生產企業的青睞，而農機企業卻未能在收割機前車橋的焊接生產中使用上料機器人，究其原因，是前車橋焊接組件多，形態差異大，在沒有專用手爪和輔助裝置的情況下，上料機器人很難對這些組件進行抓取定位[2,3]。

因此若使用上料機器人代替人工進行組件上料作業，同時讓焊接機器人進行焊接加工則可有效縮短前車橋的焊前準備時間，提高生產線的生產效率。為達到這一目標，本文根據前車橋組件的形態類型，設計了用于抓取定位前車橋組件的專用機器人手爪和用于將組件分類固定的上料輔助裝置。

圖1 收割機前車橋工件與結構示意圖

1 作業對象分析

前車橋焊前準備的主要任務是對除管體外的8種前車橋焊接組件進行上料和工裝定位，圖1中的組件已由8個標號分別標出。這些組件的制作材料均位10mm的Q235鋼板，其中最小組件的長寬為100mm×20mm，最大組件的長寬為300mm×200mm。這些組件不僅在大小上相差較大，而且在形態上也不完全相似，從外形上看，有些呈簡單的長方形板件，有些是類似于梯形的殼體（如圖2所示），每種組件均有一個與管體配合的弧面。根據組件的整體幾何形狀可將其分為兩類：1）兩側面有一定夾角的梯形組件，如1號、3號、6號和7號組件。2）兩側面相互平行長方形組件，如2號、4號、5號和8號組件。

圖2 組件結構圖

2 機器人手爪的設計

2.1 手爪的作用及功能要求

機器人手抓在抓取焊接組件的同時，必須準確的確定組件的位置和姿態，即要求組件相對于手爪的六個自由度被完全定位，因此手爪需具備以下功能：

1）上料時能夠穩定抓取組件。

2）焊接作業時可起到對組件的工裝定位作用。

2.2 手爪的整體結構設計

手爪結構如圖3所示。手爪的驅動部件是MHZ2系列的氣動手指，缸徑40mm，最大行程30mm，夾緊保持力254N。安裝法蘭上焊接有兩個用于引導氣缸支座運動的導向桿。

圖3 手爪結構示意圖

2.3 手指的結構設計

為了使手爪能夠抓取前車橋所有組件并使滿足組件的焊接定位要求，手指在結構設計上可實現三種抓取作業方法（如圖4所示）。

圖4 爪齒作業示意圖

1）以銷面結合的方式實現對1號、3號、5號和6號組件的抓取定位，此4種組件重量大，長度長，采用銷面定位方法較為合適，因此在手指平面上設計了長度小于組件板材厚度的圓形銷和棱形銷，用手爪銷釘配合組件的預留定位孔可達到該類組件的抓取定位要求，如圖4(a)所示。

2）使用手指頂端的矩形凸臺抓取定位8號組件，矩形凸臺的設計優點在于它增大了手指與組件的接觸面積，使手爪對組件的抓取定位更為可靠。此外從圖1可以看出8號組件整體貼合于管體，若抓取其側面則需要較大行程的氣缸，不利于手爪的輕巧化。因此在該組件的上表面預留兩個矩形孔與手指凸臺的配合是較好的抓取定位方式，如圖4(b)所示。

3）依靠手指平面抓取定位2號、4號和7號組件，此3種組件重量輕，長度短，依靠手指與組件間的壓力和摩擦力即可滿足抓取定位要求，如圖4(c)所示。

由于上料機器人存在重復定位誤差以及同種組件間存在著形態誤差，為引導手爪與組件的順利配合，組件上的預留定位孔，手指的定位銷和凸臺均需倒角處理，此外8號組件的矩形孔的長寬也要略大于手指上的矩形凸臺。

2.4 緩沖機構的設計

為避免組件在與管體接觸的瞬間因受力過大而產生位移，氣缸支座與安裝法蘭之間加裝了彈簧機構以做緩沖之用。生產中上料機器人和焊接機器人被分別布置在一臺變位機的兩側，上料機器人抓取組件后，會將組件運送到變位機正上方，然后垂直向下減速將組件拼接至管體的相應位置以方便焊接機器人焊接。因此手爪只需在垂直方向上具備緩沖功能。

3 上料輔助裝置的設計

3.1 輔助裝置的作用及功能要求

輔助裝置是為了固定組件，使組件相對機器人擁有固定的坐標并將其傳遞至抓取位置，因此輔助裝置須具備以下功能：

1）方便工人分類放置組件。

2）自動固定組件并將其以正確位姿傳遞至上料機器人的抓取位置。

3.2 輔助裝置的整體結構設計

該裝置整體結構如圖5所示，雙桿氣缸1用于推動組件，使組件在一個方向上到達預定位置，旋轉配氣裝置用于給盤面上的雙桿氣缸供應壓縮氣源，轉臺盤面由一臺數控分度機驅動。

圖5 上料輔助裝置示意圖

3.3 盤面布局

如圖6所示盤面呈正8邊形結構，分為8個工位，前車橋的8種組件被分別放置于這8個工位中，盤面上的定位塊根據組件種類以兩種方式布置：

1）對于梯形組件，依照組件兩側面的夾角布置兩長方體定位塊。

2）對于長方形組件，以相互垂直方式布置兩個長方形定位塊，并額外加裝一個雙桿氣缸2。

在雙桿氣缸1的推動下，梯形組件借助其兩側面夾角實現自定位；長方形組件則需要雙桿氣缸1和2來實現其在兩個相互垂直方向上與定位塊接觸。所有組件在完成定位后均會超出盤面邊緣一段距離以供手爪抓取。

圖6 上料輔助裝置示意圖

3.4 同步助推機構的設計

從圖1可以看出2號和7號組件焊接數量較多，由于其體積不大，可一次定位多個，其實現方法是借助兩種同步助推機構使雙桿氣缸2能夠同時推動多個并列組件。兩種同步助推機構的結構如圖7和圖8所示。

圖7 同步組推裝置1

圖8 同步組推裝置2

雙桿氣缸2可推動圖7中的推板和圖8中連桿來實現多個并列組件的定位并使裝置中的彈簧壓縮，氣缸回程時，彈簧釋放勢使推板和連桿復位。

4 整套裝置的工作過程

1）工人將組件以正確的位姿擺放到上料輔助裝置上，隨著分度機的轉動雙桿氣缸1逐次推動8種組件最終使組件到達與定位塊貼合的預定位置，雙桿氣缸2負責相關組件另外一個方向的推動作業，完成后裝置將第一個焊接組件轉向上料機器人。

2）上料機器人開始上料作業，機械手抓取組件后將其拼接至管體的相應位置并保持固定姿態，隨后與變位機及焊接機器人協同完成該組件的焊接作業[4]，焊接完成后上料機器人進行一個組件的上料。

3）完成所有組件的上料任務后，機械手與上料輔助裝置位姿回零，等待工人擺放下一批次的組件。

5 孔銷配合誤差的分析

轉臺盤面上的組件被完全定位后，可通過人工示教的方法采集每種組件的抓取坐標。但該坐標會受到一些因素的影響而產生偏移，如果偏移量影響到手指銷釘與組件預留孔的配合，將會導致該套裝置無法順利運行。

影響因素主要來自三個方面：1）機器人的重復定位誤差[5]；2）分度機的角分度誤差[6]；3）同種組件間的形狀誤差[7]。

為了引導手指銷釘與組件定位孔的配合，孔銷均做了倒角處理。假設倒角長度為d，則孔與銷的截面圓心在同一平面上偏差距離不能超過2d，否則孔銷將不能順利配合。

該偏差由多種因素引起，計算時需采用多因素定位誤差微分法[6]，其數學表達式為：

式中，x1，x2，x3，··是多種獨立的影響因素。其造成的尺寸L的總偏差為：

由于所求誤差是孔銷中心的最大偏差量，而每種因素都會造成正負兩種影響，因此改進后的公式為[8,9]：

如圖9所示，OXY是轉臺平面，圓O1是7號組件一個處于理想位置的定位孔截面，由于因素(1)和(3)，某時刻圓心O1的位置偏移至O2，x1和y1是理想狀態下定位孔到轉臺中心的水平和垂直距離，由于同種組件之間存在形狀誤差，x1和y1分別有的變動量。L是O1與O2的實際偏差距離。

圖9 孔銷中心偏差示意圖

O1與O2的坐標位置關系為：

根據公式可求O2相對理想坐標O1的變動量的：

當θ=90°時，Δθ=0°，此時：

計算結果與實際相符。

設機器人最大重復定位誤差為L1，當L1與L共線時會造成孔銷中心偏差距離最大化。因此要使銷釘與孔順利配合，必須滿足條件：

目前一般分度機轉角誤差已經達到0.004°，本文中點O1距離盤面中心的理想水平距離為590mm，由于Δθ很?。?/p>

將式(8)代入式(3)、式(4)得：

角分度誤差造成定位孔在Y軸方向上的距離偏差為：

角分度誤差造成定位孔在X軸方向上的偏差因過小而忽略不計。

設孔銷倒角d=1mm，上料機器人選用庫卡KR30-3，其最大重復定位誤差L1=0.06mm。

根據式(7)組件形態誤差造成定位孔在XY兩方向上的變動量須滿足條件：

【】【】

6 結束語

本文通過對前車橋組件形態的分析，借助三維建模軟件設計了前車橋上料機器人的專用手爪和上料輔助裝置，并詳細介紹了其工作原理，在輔助裝置的配合下手爪能夠以三種抓取方式完成對前車橋所有組件的抓取定位工作。而該套裝置能否順利工作的關鍵在于手爪上的銷釘能否快速準確地插入組件定位孔，經過對孔銷配合誤差的分析得出其最大影響因素是組件形態誤差，且孔銷中心誤差在滿足條件式(9)的情況下該套裝置可以順利工作。

參考文獻：

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