基于多連桿系統(tǒng)的高速輥床優(yōu)化設(shè)計(jì)

楊朝隆，耿勇

（上汽大眾汽車有限公司，上海 201805）

為適應(yīng)全球化的市場(chǎng)競(jìng)爭(zhēng)，我國汽車制造業(yè)正向著柔性、高效、智能的主流方向發(fā)展。同時(shí)，隨著顧客和市場(chǎng)需求越來越多樣化，傳統(tǒng)的企業(yè)大批量生產(chǎn)方式也在逐步向以生產(chǎn)者為主導(dǎo)的個(gè)性化生產(chǎn)方式轉(zhuǎn)變。對(duì)于大批量自動(dòng)化汽車生產(chǎn)線，在汽車白車身焊接過程中，往往采用大量的機(jī)器人和自動(dòng)化設(shè)備來實(shí)現(xiàn)整個(gè)生產(chǎn)線的自動(dòng)化運(yùn)行。目前汽車白車身車間主要采用電動(dòng)葫蘆吊具、機(jī)器人搬運(yùn)以及輥床滑撬等輸送方式。電動(dòng)葫蘆承載較高，但是生產(chǎn)節(jié)拍低，適用于對(duì)效率要求不高的工位，已經(jīng)無法滿足現(xiàn)在汽車企業(yè)的節(jié)拍要求。機(jī)器人搬運(yùn)也是車間常用的一種輸送方式，主要由工業(yè)機(jī)器人、抓手夾具組成，自動(dòng)化水平高、輸送速度快，但是承載能力較低，只能適用于工位之間較小零件的傳輸。輥床滑撬承載能力強(qiáng)，同時(shí)輸送效率高且具有良好的定位精度，是目前白車身總成生產(chǎn)線最常用的輸送方式。

1 高速輥床升降機(jī)構(gòu)

與普通輥床相比，高速輥床具更快的速度以及更高的承載能力，根據(jù)輥床本身能夠升降又可以分為水平固定式高速輥床和升降式高速輥床。在白車身車間總成生產(chǎn)線，由于對(duì)柔性化生產(chǎn)要求較高，更多以升降式高速輥床為主，同時(shí)配合隨行夾具使用以確保定位精度。其中升降式高速輥床主要由升降機(jī)構(gòu)及水平驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)組成，本文重點(diǎn)研究其升降機(jī)構(gòu)。

升降機(jī)構(gòu)是高速輥床設(shè)計(jì)的主要組成部件，一般由伺服電機(jī)、曲軸、連桿和擺桿組成，如圖1所示，輥床升降性能的實(shí)現(xiàn)、升降時(shí)間、工作范圍、輥床的承載能力等都與升降機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)有關(guān)。目前普遍應(yīng)用的是拉桿式升降機(jī)構(gòu)，采用平面多連桿結(jié)構(gòu)，其工作原理為伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄在一定工作節(jié)拍下繞電機(jī)軸中心轉(zhuǎn)動(dòng)，曲柄則通過連桿帶動(dòng)擺桿在一定的角度內(nèi)擺動(dòng)，最終在擺桿的帶動(dòng)下輥床平臺(tái)實(shí)現(xiàn)沿導(dǎo)軌上下升降至工作位置。擺桿的兩個(gè)極限位置即升降輥床平臺(tái)的兩個(gè)工作位置，其高度差就是輥床升降的工作空間。

圖1 高速輥床升降機(jī)構(gòu)

2 多連桿系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

升降機(jī)構(gòu)多連桿系統(tǒng)簡(jiǎn)圖如圖2所示，建立運(yùn)動(dòng)坐標(biāo)系oxy，桿OA為曲柄，其長度為L1，角速度為ω1；桿AB為連桿，其長度為L2，與x軸間的夾角為θ2，對(duì)應(yīng)角速度為ω2；桿BC為搖桿，其長度為L3，與x軸間的夾角為θ3，對(duì)應(yīng)角速度為ω3；桿CD為擺桿CD，其長度為L5，搖桿與擺桿固連，因此擺桿和搖桿運(yùn)動(dòng)狀態(tài)一致。

圖2 連桿系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)學(xué)模型

根據(jù)動(dòng)力學(xué)模型，由各矢量在x軸和y軸上投影方程：對(duì)投影方程進(jìn)行求解，最終可得連桿、擺桿的角速度分別為：

進(jìn)一步對(duì)時(shí)間求導(dǎo)，可得角加速度分別為：

3 多連桿系統(tǒng)優(yōu)化

在ADAMS中建立高速輥床升降機(jī)構(gòu)的參數(shù)化模型，由于現(xiàn)場(chǎng)白車身長度確定，連桿長度也基本固定不變，因此以曲柄和搖桿作為設(shè)計(jì)變量，設(shè)定約束條件后，利用軟件自帶的廣義遞減梯度算法(OPTDES-GRG)對(duì)輥床模型進(jìn)行優(yōu)化分析。為實(shí)現(xiàn)驅(qū)動(dòng)電機(jī)最優(yōu)經(jīng)濟(jì)型，選擇曲柄機(jī)構(gòu)的力矩作為優(yōu)化目標(biāo)，目標(biāo)函數(shù)為：min[Tmax]

同時(shí)考慮將輥床實(shí)際的位置安裝等因素，對(duì)優(yōu)化結(jié)果調(diào)整后，分別為表1所示。

表1

進(jìn)一步擺桿結(jié)構(gòu)如圖3所示。同時(shí)在擺桿處增加氣-液式平衡缸對(duì)重量進(jìn)行補(bǔ)償，提升過程中，氣-液平衡缸能夠有效對(duì)輥床本體重量進(jìn)行平衡補(bǔ)償，升降伺服電機(jī)只需克服白車身的重量，從而降低提升系統(tǒng)的電機(jī)功率需求。

圖3 優(yōu)化后擺桿結(jié)構(gòu)

4 優(yōu)化及仿真結(jié)果分析

根據(jù)扭矩峰值及現(xiàn)場(chǎng)實(shí)際轉(zhuǎn)速要求，對(duì)伺服電機(jī)重新選型。針對(duì)優(yōu)化后的輥床，上汽大眾在某白車身車間現(xiàn)場(chǎng)以1000次/天的升降頻次進(jìn)行能量損耗監(jiān)測(cè)，結(jié)果表明，輥床能量損耗由23.5 kWh降至4.5 kWh，工位能源損耗大幅下降。對(duì)擺桿支撐軸承處的扭矩進(jìn)行檢測(cè)，如圖4所示，扭矩曲線更加平滑，延長了軸承使用壽命。同時(shí)對(duì)易損的連桿連接進(jìn)行疲勞分析，如圖5所示，優(yōu)化后的連桿結(jié)構(gòu)強(qiáng)度得到了明顯提升。

圖4 擺桿軸承扭矩曲線

圖5 連桿疲勞分析結(jié)果

5 結(jié)語

高速輥床在滿足定位精度的同時(shí)完美實(shí)現(xiàn)了汽車制造車間的輸送要求，同時(shí)也能很好適應(yīng)于多車型甚至多平臺(tái)的柔性化生產(chǎn)。隨著國內(nèi)汽車細(xì)分市場(chǎng)要求的不斷提高，對(duì)汽車裝備行業(yè)也提出了更高的要求，高速輥床系統(tǒng)在汽車制造業(yè)中必將得到越來越廣泛的應(yīng)用。