艙段自動(dòng)對(duì)接裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與有限元分析*

尚磊磊，劉振忠

(天津理工大學(xué) 天津市先進(jìn)機(jī)電系統(tǒng)設(shè)計(jì)與智能控制重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，天津 300384)

0 引 言

在艙段裝配過(guò)程中，采用“部裝-總裝”的生產(chǎn)模式，部裝時(shí)完成艙段零部件的組裝，總裝階段完成各艙段之間的對(duì)接[1]。手工輔助裝配仍然是總裝的常用裝配模式，采用專用型架對(duì)艙段進(jìn)行定位和裝夾，技術(shù)工人在艙段對(duì)接過(guò)程中來(lái)調(diào)整艙段的位姿，有時(shí)需要對(duì)艙段進(jìn)行反復(fù)調(diào)姿才能滿足對(duì)接要求，調(diào)姿過(guò)程大量消耗技術(shù)工人的體力，且經(jīng)驗(yàn)豐富的技術(shù)工人才能保障艙段的對(duì)接精度。

自動(dòng)對(duì)接相比于人工對(duì)接具有明顯的優(yōu)勢(shì)，用一套數(shù)字化和自動(dòng)化裝配工裝完成兩節(jié)艙段之間的對(duì)接，它能提高產(chǎn)品裝配的質(zhì)量，高效率、高精度地完成艙段裝配任務(wù)，且極大減輕技術(shù)工人的勞動(dòng)強(qiáng)度。

針對(duì)艙段自動(dòng)對(duì)接裝置，相關(guān)的科研機(jī)構(gòu)和高校已經(jīng)開(kāi)展了這方面研究。基于Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)完成艙段位姿的調(diào)整，支鏈由虎克鉸-移動(dòng)副-球鉸構(gòu)成，由程序控制各個(gè)支鏈運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)艙段六自由度姿態(tài)調(diào)整[3]，目前Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)以結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、剛度高、承載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)被應(yīng)用于大型部件調(diào)姿。基于兩臺(tái)調(diào)姿托架實(shí)現(xiàn)艙段的調(diào)姿，調(diào)姿托架的整體結(jié)構(gòu)采用串聯(lián)形式，從上到下依次是抱爪機(jī)構(gòu)、自轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、升降機(jī)構(gòu)、平移機(jī)構(gòu)[4]，各機(jī)構(gòu)聯(lián)合運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)艙段對(duì)接面定位銷和定位孔的配合。

筆者將AGV平臺(tái)與協(xié)作機(jī)器人相結(jié)合，通過(guò)協(xié)調(diào)各個(gè)機(jī)器人的運(yùn)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)艙段的對(duì)接。即由多臺(tái)直角機(jī)器人相互協(xié)調(diào)、相互配合完成某種作業(yè)，多機(jī)器人協(xié)作系統(tǒng)具有更強(qiáng)的負(fù)載能力，更大的工作空間。

1 艙段自動(dòng)對(duì)接裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

艙段自動(dòng)對(duì)接裝置必須符合以下條件，首先對(duì)接裝置在調(diào)姿過(guò)程中，各部件的運(yùn)動(dòng)精度要滿足艙段的對(duì)接精度要求，其次，對(duì)接裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)應(yīng)降低整體的重心，利用好各部分空間，使其符合工作場(chǎng)地的要求。立足于大型艙段調(diào)姿的實(shí)際應(yīng)用，發(fā)揮多機(jī)器人協(xié)作的優(yōu)點(diǎn)，借助于工業(yè)生產(chǎn)的常用機(jī)構(gòu)，組建了該自動(dòng)對(duì)接裝置。

艙段自動(dòng)對(duì)接裝置主要由位姿調(diào)節(jié)平臺(tái)和AGV轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)組成，如圖1所示。位姿調(diào)節(jié)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)艙段的調(diào)姿，視覺(jué)測(cè)量設(shè)備、力傳感器實(shí)時(shí)的將測(cè)量數(shù)據(jù)反饋給控制系統(tǒng)，形成閉環(huán)控制，運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)精確執(zhí)行各方向的調(diào)節(jié)，完成艙段對(duì)接。AGV轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)對(duì)調(diào)姿機(jī)構(gòu)和艙段的轉(zhuǎn)運(yùn)，在控制系統(tǒng)的命令之下，AGV可以到達(dá)任意指定工位，并且利用配備的自動(dòng)導(dǎo)引設(shè)備，可控制行駛路線的準(zhǔn)確性，使該作業(yè)平臺(tái)具備了區(qū)域移動(dòng)能力。

圖1 艙段自動(dòng)對(duì)接裝置1.位姿調(diào)節(jié)平臺(tái) 2.AGV轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)

1.1 位姿調(diào)節(jié)平臺(tái)

位姿調(diào)節(jié)平臺(tái)按空間上可分為位于底部的4臺(tái)三坐標(biāo)直角機(jī)器人，位于艙段支撐架上部的滾轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，直角機(jī)器人和艙段支撐架通過(guò)球鉸副連接，協(xié)同運(yùn)動(dòng)完成艙段對(duì)接前各方向位置及姿態(tài)偏差的調(diào)節(jié)，如圖2所示。

圖2 位姿調(diào)節(jié)平臺(tái)1.三坐標(biāo)直角機(jī)器人 2.艙段支撐架 3.滾裝調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

三坐標(biāo)直角機(jī)器人由橫向滑臺(tái)、電動(dòng)缸、力傳感器和球鉸組成，如圖3所示。

圖3 三坐標(biāo)直角機(jī)器人

力傳感器是為了獲得在艙段調(diào)姿過(guò)程中每個(gè)直角機(jī)器人球鉸端力的的大小和方向，球鉸與艙段支撐架連接。直角機(jī)器人的傳動(dòng)原理采用滾珠絲杠的形式，實(shí)現(xiàn)自身XYZ方向的移動(dòng)，4個(gè)直角機(jī)器人聯(lián)合協(xié)作，實(shí)現(xiàn)艙段XYZ方向的移動(dòng)、繞橫軸的俯仰、繞豎軸的偏航、繞縱軸的滾轉(zhuǎn)。

作為待裝配艙段的支撐架，支撐架需要完成艙段的安裝及固定工作，在支撐架的上端加裝一個(gè)滾轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)，滾轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)由U形底座、齒輪部件、弧形工裝、艙段鎖緊件組成，如圖4所示。齒輪部件安裝在U形底座的下端，由電機(jī)帶動(dòng)齒輪的微小旋轉(zhuǎn)，齒輪與弧形工裝外圈上的齒條相嚙合，因此可以實(shí)現(xiàn)弧形工裝連同艙段繞其軸中心線的轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖4 滾轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)

1.2 AGV轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái)

對(duì)接裝置的底座為重型低重心AGV，車架采用橫梁加縱梁的設(shè)計(jì)方式，皆為8#槽鋼，連接方式為螺栓連接和焊接，局部部分加加強(qiáng)筋，這樣設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)穩(wěn)定，可以有很好的的車身承重力和穩(wěn)定性。AGV的車輪采取常規(guī)的布局方式：4個(gè)萬(wàn)向輪安裝底盤四周，2個(gè)驅(qū)動(dòng)輪安裝在底盤中間，轉(zhuǎn)向方式為差速轉(zhuǎn)向。協(xié)作機(jī)器人、動(dòng)力源、控制柜均布置在AGV上平面。

2 艙段自動(dòng)對(duì)接裝置關(guān)鍵部件靜力學(xué)分析

文中采用SolidWorks創(chuàng)建對(duì)接裝置模型，然后通過(guò)格式轉(zhuǎn)換輸入到有限元軟件ANSYS中，根據(jù)實(shí)際需求選擇材料類型、劃分網(wǎng)格、施加力及約束，進(jìn)而獲得所需模型的應(yīng)力、局部變形結(jié)果云圖。

2.1 直角機(jī)器人靜力學(xué)分析

直角機(jī)器人主要完成對(duì)大型艙段的支撐和調(diào)姿，應(yīng)該具有足夠的剛度，在設(shè)計(jì)時(shí)要找出部件上的結(jié)構(gòu)缺陷，保證艙段在對(duì)接過(guò)程中不會(huì)發(fā)生變形或破壞。

建立直角機(jī)器人有限元模型，結(jié)構(gòu)材料選用45鋼，其材料屬性密度為7.85×106kg/m3，楊氏彈性模量為2.1×1011Pa，泊松比0.28。根據(jù)三坐標(biāo)直角機(jī)器人運(yùn)動(dòng)形式與功能，對(duì)球鉸頂端施加Z向最大工作載荷2 000 N的力，直角機(jī)器人底部與車體用地腳螺栓固連在一起，故在其底部施加固定約束。載荷與約束的施加如圖6所示。

通過(guò)有限元分析對(duì)直角機(jī)器人進(jìn)行線性矩陣運(yùn)算求解，得出了模型變形結(jié)果云圖,如圖7所示。

圖7 直角機(jī)器人變形云圖 圖8 直角機(jī)器人應(yīng)力云圖

由上述分析結(jié)果可知：直角機(jī)器人自基座底端到頂端變形逐漸增大，最大變形量出現(xiàn)在球鉸端與電動(dòng)缸推桿的連接處為0.004 1 mm。因?yàn)橹苯菣C(jī)器人調(diào)姿誤差要求不超過(guò)0.1 mm，故靜力學(xué)分析變形結(jié)果滿足要求，直角機(jī)器人剛度滿足調(diào)姿要求。

直角機(jī)器人等效應(yīng)力結(jié)果云圖如圖8所示。

圖5 AGV轉(zhuǎn)運(yùn)平臺(tái) 圖6 直角機(jī)器人載荷與約束

由上述分析結(jié)果可知：由整體應(yīng)力結(jié)果云圖可以知道直角機(jī)器人部件件最大等效應(yīng)力為11.8 MPa，出現(xiàn)在力傳感器與電動(dòng)缸頂端的連接處。由材料45鋼的屈服極限為355 MPa，直角機(jī)器人的應(yīng)力值遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于材料的極限應(yīng)力，所以有足夠的強(qiáng)度，不存在結(jié)構(gòu)破壞性問(wèn)題。

2.2 AGV車架有限元分析

車架是AGV的主要結(jié)構(gòu)，電池、控制器、調(diào)姿機(jī)構(gòu)都固定在車架上，車架承受調(diào)姿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)、自身運(yùn)動(dòng)所承受的壓力，車架的結(jié)構(gòu)參數(shù)直接影響著整體裝置的運(yùn)行狀態(tài)。車架結(jié)構(gòu)不合理會(huì)導(dǎo)致極限工況下車架發(fā)生變形或斷裂，關(guān)系到對(duì)接平臺(tái)轉(zhuǎn)運(yùn)和調(diào)姿過(guò)程的安全問(wèn)題[6]。

建立AGV車架有限元模型,模型由10個(gè)構(gòu)件組成，劃分為10 751個(gè)網(wǎng)格，單元厚度為1 mm。車架材料參數(shù)，如表1所列。

表1 車架材料參數(shù)

根據(jù)AGV運(yùn)行的實(shí)際工況，需考慮在滿載情況下的應(yīng)力、應(yīng)變情況。車架所受載荷主要來(lái)源為車架上直角機(jī)器人、艙段支撐架及艙段。在車架上平面分布的施加四個(gè)2 200 N的壓力，約束六個(gè)支撐軸的所有自由度。AGV車架載荷約束圖如圖9所示。

圖9 AGV車架載荷與約束

基于有限元分析求解出車架在滿載的應(yīng)力與變形分布，如圖10所示。

圖10 AGV車架變形與應(yīng)力云圖

分析結(jié)果可知車架最大變形量為0.06 mm，主要集中在車架中部的兩根橫梁上，車架的變形量對(duì)艙段調(diào)姿精度影響較小。由圖所示車架最大應(yīng)力值為12.7 MPa,應(yīng)力值小于屈服極限值，不存在結(jié)構(gòu)破壞問(wèn)題。

3 結(jié) 語(yǔ)

文中對(duì)艙段自動(dòng)對(duì)接裝置進(jìn)行研究，其中主要包括艙段對(duì)接裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和對(duì)接裝置關(guān)鍵部件的靜力學(xué)分析兩部分內(nèi)容。此次研究成果為大型艙段自動(dòng)對(duì)接裝置提供了工藝技術(shù)支持，有其重要的應(yīng)用價(jià)值。