汽車五軸變徑擰緊機械手結構設計

韓 瀟，蔣東霖

(長春師范大學 工程學院，吉林 長春 130032)

0 引 言

整車裝配是汽車生產過程中一個非常重要的環節，裝配的質量和效率直接影響到一個企業的經濟效益[1]。目前，國內大多數的汽車生產廠家安裝輪胎所采用的是人工裝配或輔助裝配。人工裝配需要工人負重做功，勞動強度極大。輔助裝配為借助機械手輔助作業，提高了裝配過程中的機械化水平，但依舊無法避免人為因素的干擾，難以保證輪胎裝配的精度與質量[2]。同時隨著汽車產業的發展，多車型混線生產的生產模式對機械手的適配性提出了更高的要求。螺栓孔在剎車盤上呈圓周均勻分布，不同車型的輪胎其螺栓孔的節圓直徑不同，因此一條生產線上可能會出現多種不同節圓直徑的螺母需要擰緊。目前汽車生產車間需要另外購買設備、調整工位來解決由于螺栓孔的節圓直徑不同而導致的無法混線生產的問題，但這種解決方式往往效率不高且維護多臺設備價格昂貴、占用空間大還會導致工時不協調。因此，迫切需要設計一種符合精益理念、可以滿足生產要求的汽車五軸變徑擰緊機械手來助推企業轉型。

筆者通過分析現有的汽車裝配機器，得出了一種使用螺栓擰緊軸具有旋轉定位和擰緊軸變徑功能的汽車五軸變徑機械手，可以達到提高汽車裝配的速度與精度的目的，解決了PCD不同情況下的輪胎螺母擰緊問題，適合現在的汽車生產模式，也為后續變徑擰緊機械手的研究提供了思路。

1 總體設計結構及方案

汽車五軸變徑擰緊機械手的三維模型如圖1所示。汽車五軸變徑擰緊機械手設計分為螺栓擰緊軸、旋轉定位機構、擰緊軸變徑機構、機械爪抓取機構四個部分。螺栓擰緊軸由松下伺服電機、行星減速器、扭矩傳感器、擰緊軸等組成，負責螺栓的擰緊。行星減速器將伺服電機轉速與轉矩調節到擰緊螺栓所需的轉矩及轉速范圍。扭矩傳感器測量施加在螺栓上的扭矩，應用扭矩法，將扭矩傳感器測得的扭矩作為判斷螺栓是否已經擰緊的依據。擰緊裝置可以更換合適的套筒來滿足不同螺栓頭或螺母的安裝要求。旋轉定位機構由伺服電機、凸緣聯軸器、行星輪系、伺服電機固定殼等組成。伺服電機通過凸緣聯軸器與輸出軸將動力傳遞給行星輪系的行星輪。太陽輪固定，行星輪帶動內齒圈轉動，內齒圈與擰緊機外殼通過螺栓固定，繼而帶動擰緊軸變徑系統與機械爪抓取機構旋轉定位，以便后續進行擰緊與抓取。擰緊軸變徑機構由支撐板、氣缸、連接件以及特定搖板組成。氣缸通過連接件與搖板連接，變徑時氣缸推動搖板定軸轉動使得螺栓擰緊軸在搖板與支撐板形成的軌道中變徑。機械爪抓取機構由機械爪、氣缸等組成，通過氣缸的推動實現輪胎的夾取。汽車五軸變徑擰緊機械手可以擰緊螺釘也可以擰緊螺母，其適用范圍不限于汽車行業，許多行業的生產線上都可以使用。

圖1 汽車五軸變徑擰緊機械手三維模型圖1.旋轉定位機構 2.擰緊軸變徑機構 3.螺栓擰緊軸 4.機械爪抓取機構

2 運動原理

汽車生產車間內，待配送機將待裝配汽車運送進作業工位后，開始安裝前輪，輪胎由傳送帶送至汽車五軸變徑擰緊機械手一側，機械臂啟動，調整機械手臂，使帶有汽車自動裝配機械手的關節垂直于地面開始抓取輪轂的外側凹槽，旋轉定位機構中的伺服電機啟動，通過凸緣聯軸器將轉速傳遞給輸出軸，輸出軸使得行星輪系中的行星輪轉動，行星輪與內齒圈嚙合，帶動與內齒圈相連的擰緊機外殼轉動，繼而帶動擰緊機準確的旋轉定位到需要安裝的輪轂外凹槽上方，停止轉動，將機械爪插入凹槽內。然后機械爪抓取機構所用氣缸充氣推動活塞直線運動，帶動機械爪抓取輪胎的指定部位。待輪胎夾緊后，機械臂將輪胎搬運到汽車輪胎安裝處等待安裝，擰緊軸變徑機構開始工作，根據工人掃描汽車車型代碼所設置的汽車車型，進行相應的擰緊軸變徑，兩側氣缸同時推動搖板帶動五個擰緊軸移動到擰緊螺栓的指定位置，實現擰緊軸在規定節圓直徑內的五軸均勻分布[3]。當擰緊軸變徑機構中的傳感器檢測顯示合格時，螺栓擰緊軸開始工作擰緊螺栓，五個螺栓擰緊軸的電機轉速經過三級行星減速器的減速傳遞給擰緊軸，擰緊軸轉動，同時將五個螺栓打入安裝孔中，當所有擰緊軸的扭矩傳感器都檢測到扭矩達到規定扭矩時，擰緊軸自動反松，機械臂移開擰緊機，汽車前輪自動裝配完成。配送機移動汽車到后輪安裝位置，以同樣的步驟開始安裝汽車后輪。

3 結構設計

汽車五軸變徑擰緊機械手由螺栓擰緊軸、旋轉定位機構、擰緊軸變徑機構、機械爪抓取機構四個部分組成。

3.1 螺栓擰緊軸設計

螺栓擰緊軸的設計成為四部分，伺服系統、減速裝置、扭矩傳感器、擰緊裝置。伺服系統設計選用松下的交流伺服電機，型號是MSMD082G1B，電機功率為0.75 kW。減速器中行星齒輪減速器具有精度高、抗沖擊等優點，所以設計一個總的減速比為75的三級行星齒輪減速器。

應用扭矩法即當檢測到扭矩到達規定的扭矩值時隨即停止擰緊過程。將扭矩傳感器裝配在減速裝置和擰緊裝置之間，選用Scame系列扭矩傳感器，測量施加在螺栓上的扭矩。使用傳感器連接法蘭，一端采用4個螺栓將扭矩傳感器與導向套連接，同樣另一端使用4個M8的螺栓將減速裝置與扭矩傳感器端板連接，起到緊固傳感器的作用[4]。

套筒直接給螺栓施加扭矩，擰緊軸輸出頭為方頭，可以更換合適的套筒以適應不同的擰緊需要。扭矩傳感器與擰緊軸之間通過花鍵聯軸器連接，花鍵聯軸器通過花鍵配合將扭矩傳到擰緊軸。擰緊軸設有軸肩，用于花鍵聯軸器的軸向定位。螺栓擰緊軸和螺栓之間需要保持一定的壓力，防止在擰緊過程中螺栓會往里旋入，造成套筒滑出的擰緊錯誤。同時又需要保證壓力不能過大，避免接觸時碰撞對汽車配件產生損傷。為此，增加了一個彈簧機構，將彈簧及彈簧導桿裝在花鍵聯軸器與擰緊軸之間，起到緩沖作用。螺栓擰緊過程中，彈簧逐漸壓縮，當螺栓在擰緊過程中下降時，彈簧的壓縮量也隨之減小，保證了擰緊軸上的套筒始終與螺栓接觸[5]。

3.2 旋轉定位機構設計

旋轉定位機構由松下伺服電機、凸緣聯軸器、行星輪系、伺服電機固定殼等組成。松下伺服電機通過凸緣聯軸器和電機輸出軸將動力傳遞給行星輪系的行星輪。行星輪系與聯軸器都處在伺服電機固定殼內，太陽輪固定，行星輪帶動內齒圈轉動，將內齒圈與擰緊機外殼用螺栓固定，通過內齒圈轉動帶動擰緊機外殼轉動即帶動擰緊機外殼內的擰緊軸變徑系統與機械爪抓取機構旋轉定位。

3.2.1 松下伺服電機

旋轉定位機構的伺服電機選用松下伺服電機MHME系列，額定轉速3 000 r/min、最高轉速4 500 r/min，采用松下伺服電機規格如表1所示。

表1 伺服電機規格

3.2.2 凸緣聯軸器

松下伺服電機與輸出軸之間采用結構簡單且制作成本低廉的凸緣聯軸器。凸緣聯軸器利用平鍵連接兩側的伺服電機輸出軸和行星輪系中的行星架，將伺服電機的轉速傳遞給行星輪系。

3.2.3 行星輪系

旋轉定位機構主要采用行星輪系來實現旋轉定位。太陽輪固定，伺服電機通過聯軸器將動力傳遞給行星輪，行星輪轉動帶動與內齒圈固定的擰緊機外殼轉動，擰緊機外殼轉動使得抓取機構旋轉定位到輪轂的外部凹槽上方后停止，方便進行后續的抓取工作。

考慮行星輪系的傳動尺寸，太陽輪齒數za=17,內齒圈齒數zb=91,行星輪齒數zc=36,選擇太陽輪材料為20CrMnTi,熱處理方式為滲碳淬火。選擇行星輪材料為20CrMnTi,內齒圈材料為38GrMoAl。

齒輪傳動校核：

齒數比：

齒面接觸應力：

(1)

(2)

齒根彎曲應力:

(3)

σF=σF0KAKVKFβKFα=120.32

(4)

查得壽命系數zNT=1.151，粗糙度系數zR=0.979,速度系數zV=0.955，工作硬化系數zW=1,尺寸系數zX=1。

σHP=σHlimzNTzLzVzRzWzX=1655

(5)

接觸強度安全系數:

查得：YST=2,YNT=1,YX=0.99,Yδrel'T=1,

YRrel'T=1。

許用彎曲應力:

σFP=σFlimYNTYδrel'TYRrel'TzX=716

(6)

彎曲強度安全系數

查表可知，可靠性高，符合設計要求。

3.3 擰緊軸變徑機構設計

為了提高效率，滿足生產要求，汽車五軸變徑擰緊機械手設計了擰緊軸變徑機構。擰緊軸變徑機構由特定支撐板、氣缸、氣缸連接件以及特定搖板等組成，固定在擰緊機外殼中。擰緊軸變徑結構如圖2所示。在多個氣缸、多個軌道與多個搖板的協助下，根據安裝的輪轂規格型號，實現螺栓擰緊軸在可達到的節圓直徑內的五軸均勻分布。

圖2 擰緊軸變徑機構三維模型圖1.支撐板 2.氣缸 3.搖板 4.氣缸連接件

3.3.1 氣缸的選型

氣缸安裝在兩個支撐板上，通過連接件與搖板連接，在擰緊軸變徑過程中主要依賴氣缸的活塞運動。氣缸選用費斯托的緊湊型氣缸，活塞直徑為12 mm、行程為60 mm。費斯托氣缸包括活塞、重量0.118 kg。通過氣缸的直線運動實現搖板的定軸轉動，配合支撐板的限位孔，帶動擰緊軸在直線方向上的運動。

3.3.2 支撐板的設計

擰緊機外殼前端設有兩個支撐板，支撐板設計有五個限位孔，五個限位孔沿圓周均勻分布。當擰緊軸需要變徑時，五個氣缸同時伸出或縮回，使得擰緊軸運動到擰緊螺栓的指定位置。支撐板限位孔前后裝有限位塊，當擰緊軸碰到前方的限位塊時，5根擰緊軸的輪轂螺栓孔節圓直徑為120 mm，當擰緊軸碰到其后方限位塊時，5根擰緊軸的節圓直徑為190 mm。擰緊軸變徑完成時，通過傳感器進行檢查確認，然后進行汽車螺栓的擰緊。

3.3.3 搖板的設計

搖板中間設計有一長方形限位孔，一端通過鉚接固定在支撐板上，一端通過連接件與氣缸連接，可以實現定軸轉動。搖板定軸轉動過程中長方形限位孔與支撐板的限位孔配合形成擰緊軸運動的直線路徑。搖板可以保證擰緊軸運動過程中的穩定性，使得擰緊軸變徑機構可以實現擰緊軸在節圓直徑120～190 mm之間任一節圓直徑的變徑。

3.4 機械爪抓取機構設計

機械爪由氣缸、機械爪、抓取機構外殼、螺栓、螺母等構成。機械爪抓取所用氣缸固定在擰緊機外殼上端的支撐板上，氣缸采用費斯托標準氣缸，行程為60 mm，活塞直徑為32 mm。機械爪與氣缸通過螺栓螺母連接，通過氣缸的直線運動，帶動機械爪進行直線運動，完成輪轂的外凹槽(和輪胎相接的部分)的抓取。抓取機構外殼設計為厚度為55 mm的五邊形，帶有氣缸運動軌道及五個限位孔。機械爪抓取機構采用氣缸夾取，安裝維護方便，工作安全可靠。機械爪抓取機構采用多爪相互獨立設計，機械爪可以單獨拆分、安裝，實現不同輪胎的抓取。

4 結 語

文中所設計的汽車五軸變徑擰緊機械手，不僅可以通過機械爪抓取機構實現輪胎的夾取還采用擰緊軸變徑機構成功的解決了在120～190 mm之間任一輪轂螺栓孔節圓直徑下的螺栓擰緊問題，節省了操作人員搬運輪胎以及擰緊螺栓的時間，同時不需要工人負重做功，降低了勞動強度，節約了時間成本與人力成本，可以為企業創造更高的效益。隨著科技的不斷進步，市場上會產生更加智能化且適配度更高的裝配機械手，中國的汽車行業必將會因為這些先進工具的產生在整車裝配或零件更換上實現巨大飛躍。