鎂合金在焊裝機(jī)器人抓手上的應(yīng)用研究

成劍 張湘鄂

上汽通用汽車(chē)有限公司武漢分公司 湖北省武漢市 430200

1 引言

隨著車(chē)型柔性化生產(chǎn)的需求，越來(lái)越多的平臺(tái)車(chē)型需要共線生產(chǎn)，受制于空間的局限性，抓手也需要多車(chē)型共用。共用抓手往往會(huì)導(dǎo)致使用同等型號(hào)機(jī)器人的情況下payload 超重，機(jī)器人的選型不得不更換。使用鎂合金管替代鋼管或鋁管來(lái)對(duì)抓手減重。

2 機(jī)器人抓手

2.1 抓手的結(jié)構(gòu)

抓手主要結(jié)構(gòu)包括機(jī)器人連接法蘭、Base 板、主框架、電氣模塊、連接支架、氣缸和定位單元。抓手按主框架的材質(zhì)結(jié)構(gòu)分為焊接框架式和標(biāo)準(zhǔn)裝配式。

圖1 典型抓手結(jié)構(gòu)

2.2 抓手的分類(lèi)

鋼質(zhì)框架式抓手：非標(biāo)鋼質(zhì)管件焊接完成，整體強(qiáng)度高但重量大，主要用于定位精度較高的焊接工位。

標(biāo)準(zhǔn)八角管抓手：基于模塊化原則設(shè)計(jì)，所以零部件（除定位單元）皆為預(yù)制構(gòu)件，可以實(shí)現(xiàn)完整提供的快速組裝。主要用于零件搬運(yùn)或者在補(bǔ)焊和涂膠工位使用，不具備零件精確定位能力。

八角管抓手應(yīng)用大量輕質(zhì)金屬管材及連接件，在抓手重量方面相較鋼質(zhì)框架式抓手具有明顯優(yōu)勢(shì)，且由于應(yīng)用標(biāo)準(zhǔn)模塊化組件，采購(gòu)周期短、成本低、維修方便快捷，已經(jīng)成為非定位焊接抓手的主流應(yīng)用方向。

3 鎂合金特點(diǎn)

目前八角管抓手應(yīng)用主要是鋁合金材質(zhì)，相對(duì)鋁合金材料，鎂合金材料的屬性及特點(diǎn)如下表1，材料密度低，約為鋁合金管密度的70%；抗拉強(qiáng)度高于鋁合金、屈服強(qiáng)度與鋁合金相當(dāng)、高韌性；應(yīng)力集中情況好，具備較好的抗疲勞性能和抗沖擊。因此在對(duì)于重量要求更高的工位，八角管抓手的鋁合金標(biāo)準(zhǔn)件可以考慮更換為鎂合金材料。

表1 鋁合金結(jié)構(gòu)件和鎂合金結(jié)構(gòu)件材料特性對(duì)比

4 鎂合金在抓手上應(yīng)用分析

某八角管抓手長(zhǎng)度1284.11mm，寬度1304.54mm，共13 個(gè)單元，主要由標(biāo)準(zhǔn)鋁合金系列連接件組成。抓手空載重量178Kg，零件重27Kg，機(jī)器人實(shí)際負(fù)載重量205Kg，機(jī)器人極限負(fù)載210Kg，負(fù)載98%，近乎滿載，類(lèi)似問(wèn)題對(duì)機(jī)器人減速機(jī)壽命影響較大。通過(guò)替換輕量化高強(qiáng)度鎂合金材料實(shí)施減重措施，降低機(jī)器人負(fù)載，降低近乎滿載情況下對(duì)減速機(jī)壽命的影響；避免更換機(jī)器人導(dǎo)致的新增投資。

4.1 鎂鋁合金重量對(duì)比

除主體框架和鋼制連接件由合金管替換鋁合金管之外，其余部件均相同。鋁合金抓手重量為62.08kg，鎂合金抓手重量為41.66KG；抓手整體減重20.37Kg；機(jī)器人負(fù)載由98%降低到88%，低于機(jī)器人payload 警戒值。

4.2 鎂合金抓手受力分析

4.2.1 抓手模型等效簡(jiǎn)化

為達(dá)到準(zhǔn)確分析的目的及仿真軟件計(jì)算的要求，須對(duì)抓手模型進(jìn)行等效簡(jiǎn)化，并根據(jù)實(shí)際情況準(zhǔn)確添加載荷。模型簡(jiǎn)化原則及抓手施加載荷情況：

表2 鎂鋁合金重量對(duì)比

表3 機(jī)器人總負(fù)載減重對(duì)比

（1）主框架自重，添加重力加速度；（2）將控制部分及電線、電纜的重量，轉(zhuǎn)換成力，施加在主管上；（3）將零件、氣缸及氣缸夾持部分的重量，轉(zhuǎn)換成力，施加在連接氣缸的30 管端面；（4）過(guò)渡法蘭、換槍盤(pán)屬于機(jī)器人的負(fù)載，不參與抓手負(fù)載分析；（5）抓手負(fù)載仿真所附加的總載荷為134.8Kg，未負(fù)載仿真所附加的總載荷為111.8Kg。

4.2.2 抓手形變分析

抓手自重導(dǎo)致的形變是固定不變的，而在抓取零件時(shí)的相對(duì)形變?cè)黾恿繛橹攸c(diǎn)考核對(duì)象。通過(guò)負(fù)載前后對(duì)比，輕量化抓手的相對(duì)最大形變僅0.18mm，比鋁合金抓手最大形變0.13 僅增加0.05mm。

表4 鋁合金及鎂合金抓手形變對(duì)比

抓手的最大變形部位如上圖所示紅色區(qū)域的單個(gè)氣缸部位；零件替換對(duì)抓手結(jié)構(gòu)強(qiáng)度和變形幾乎無(wú)影響。

4.2.3 抓手整體應(yīng)力分析

輕量化抓手部件的應(yīng)力集中情況比鋁合金的表現(xiàn)更好，而且應(yīng)力變化幅度也小。通過(guò)負(fù)載狀態(tài)對(duì)比，鋁合金的最大應(yīng)力幅值為：37.7Mpa；輕量化抓手的最大應(yīng)力幅值為：29.8Mpa。

4.2.4 抓手疲勞分析

通過(guò)靜力學(xué)仿真分析顯示，鋁合金抓手各零部件的最大應(yīng)力不超過(guò)40Mpa，輕量化抓手的最大應(yīng)力不超過(guò)30Mpa。在抓手負(fù)載和未負(fù)載條件下，鋁合金抓手的最大應(yīng)力幅為37.7Mpa，輕量化抓手的最大應(yīng)力幅為29.8Mpa。

不論是鋁合金抓手還是輕量化抓手，零部件所使用材料的疲勞極限都大于50Mpa：在+50Mpa至-50Mpa循環(huán)應(yīng)力下，能循環(huán)108次（1億次）。抓手的應(yīng)力幅遠(yuǎn)小于材料的疲勞極限，因此，抓手的疲勞壽命能夠滿足使用要求。

4.2.5 鎂合金抓手使用狀態(tài)跟蹤

采用鋁合金抓手框架，鋁合金抓手空載重量178Kg，零件重27Kg，機(jī)器人實(shí)際負(fù)載重量205Kg，機(jī)器人極限負(fù)載210Kg，負(fù)載98%；采用鎂合金抓手框架，鎂合金抓手空載重量158Kg，零件重27Kg，機(jī)器人實(shí)際負(fù)載重量185Kg，機(jī)器人極限負(fù)載210Kg，負(fù)載90%；使用過(guò)程中抓手部件無(wú)松動(dòng)、無(wú)滑移及形變，定位銷(xiāo)無(wú)卡阻及損傷零件，定位面貼合良好，使用正常。復(fù)測(cè)抓手定位銷(xiāo)位置當(dāng)前測(cè)量值在+/-0.15mm 要求內(nèi)，抓手穩(wěn)定性較好，滿足使用要求。

表5 鋁合金及鎂合金抓手應(yīng)力對(duì)比

表6 鎂合金抓手復(fù)測(cè)數(shù)據(jù)

5 結(jié)語(yǔ)

通過(guò)上文總結(jié)，通過(guò)輕量化材料替換后，抓手有效降低了抓手重量20kg，機(jī)器人payload 有原來(lái)的205kg 將至185kg，能大幅度減輕機(jī)器人運(yùn)行中的機(jī)械損耗，延長(zhǎng)設(shè)備壽命，且降低能耗。同時(shí)，相對(duì)原有的鋁合金抓手，鎂合金抓手在形變方面基本保持一致，在應(yīng)力方面表現(xiàn)更好。實(shí)際使用跟蹤數(shù)據(jù)表明鎂合金抓手穩(wěn)定性較好，滿足使用要求。