汽车顶盖输送与对中机构设计

（上汽通用五菱汽车股份有限公司，广西 柳州 545007）

顶盖分拼线一般设计4个或5个拼台，最后两个拼台为自动输送和机器人抓取顶盖拼台。某汽车顶盖分拼焊接线共4个拼台，焊接工位为1#、2#拼台，输送工位为3#、4#拼台，在3#拼台放置顶盖焊合总成，通过输送机构输送至4#拼台，在4#拼台对顶盖进行定位，定位完成后，机器人抓手抓取顶盖搬运至总拼线上线焊接，在机器人抓取顶盖的同时，允许3#拼台继续放置零件，输送机构返回继续进行下一工作循环。顶盖分拼线示意如图1所示。为进步一提高4#拼台顶盖的定位精度，在顶盖后部增加使用两个定位销对顶盖定位。本文针对这种顶盖的输送形式，设计了一种顶盖输送及对中机构。

图1顶盖分拼线示意图

1 设计方案

1.1 总体方案

根据输送要求，输送机构为往复输送，顶盖分拼3#、4#安装有顶盖工装，输送过程中不能与工装干涉，所以输送机构必须有升降功能，分别在高于工装位置和低于工装位置运动，避免干涉。顶盖输送至4#拼台后，顶盖后部定位孔需对齐定位销，从而顶盖下降过程中能顺利进销，这要求输送过程具有较高的精度，保证输送到4#拼台的顶盖定位块对齐定位销。

1.2 升降机构方案

升降机构采用剪刀叉机构，剪叉式升降机构包括驱动执行装置和剪叉装置。在驱动机构的驱动下，驱动执行装置产生小位移行程的同时将驱动力传递给剪叉装置。剪叉装置作为剪叉式升降机构的主体具有折叠伸展性能，它受到驱动执行装置的驱动并将驱动执行装置的小位移行程放大成竖直方向的较大行程，从而推动升降平台的上下移动。剪叉式升降机构具有结构紧凑、承载量大、驱动装置通过性强和操控性好的特点，因而在各种场合中得到了广泛应用[1]。该机构具有自稳定性，举升过程平稳，举升高度范围较大，且结构简洁，如图2所示。

图2剪刀叉升降机构方案

1.3 输送方案

该输送机构的目的是把顶盖从顶盖3#工位输送至顶盖4#工位，机器人抓手在顶盖4#工位抓取顶盖，3#工位同时继续可以放置零件，以供下一循环输送。其运动过程可以概括为在顶盖3#升降机构升起把顶盖托起、输送顶盖至4#、升降机构下降把顶盖放置在4#工位、输送机构返回至顶盖3#。为了精简机构，提高可靠性，经过多次考虑和讨论，决定采用一套剪刀叉升降机构，使升降机构在顶盖3#与4#之间往返。输送方式简图如图3所示。

图3输送方案简图

1.4 输送过程中顶盖定位方案

顶盖定位需要保证定位精度高、定位可靠，采用托架对定位进行定位，托架上安装定位块对零件定位。定位块数量选择6个，左右各3个，分布于顶盖前部、中部与后部。如图4所示。

图4顶盖定位方案

1.5 动力与传动方案

减速电机、齿轮齿条是常见的传动方式，该方式传动可靠，成本低，易于维护。本设计采用减速电机与齿轮固定安装，齿轮与齿条啮合，带动齿条运动，齿条安装于升降机构上，带动升降机构往返。

2 设计计算

2.1 托架举升行程计算

根据通过性计算，顶盖升起高度245 mm，输送过程中顶盖高于工装最小距离大于60 mm，通过性良好。托架空行程255 mm，返回过程中低于顶盖最小高度大于80mm，通过性良好。所以托架举升行程取500 mm，其中空行程255 mm，有效升高顶盖行程245 mm.

2.2 升降机构设计

升降机构采用剪刀叉机构，该机构具有自稳定性，举升过程平稳，举升高度范围较大，且结构简洁。

图5所示为剪刀叉机构的简化图，AB与CD代表两个支撑杆，二杆长度相等，二杆的中点铰接与O，C点为固定铰接点，A点为滑块副，可沿AC滑动，B点与上平板固定铰接，D点通过滑块副与上下框架联接，可在上平板的倒槽内滚动。该机构可通过气缸或液压缸推动，上平板可作铅垂升降。

图5剪刀叉升降机构运动分析简图

设图中实线AB与CD所示为剪刀叉机构初始位置，虚线A'B'与CD'所示为该机构带动上平板铅垂上升△x后的位置，A点滑块副运动距离为△y。首先证明上平板为铅垂升降，即上平板在水平方向上没有位移，只需要证明三角形ABC在运动过程中保持直角三角形。二杆等长且铰接与中点O，所以AO=OC=OB，该关系在剪刀叉运动保持不变，由此可以推出：∠OAC=∠OCA，∠OCB=∠OBC，所以∠OAC+∠OBC=∠OCA+∠OCB=∠BCA，根据三角形中两角之和等于第三角的补角，所以∠OAC+∠OBC=180o-∠BCA，所以得到∠BCA=180o-∠BCA，从而∠B CA=90o.所以剪刀叉机构所带动上平板的运动为铅垂升降运动。

计算滑块倒槽的长度，即△x值。

在三角形A'B'C中，根据勾股定理，即（x-△x）2+（y+△y）2=A'B'2

整理可得出△x与△y的关系：

根据托架举升行程的计算，托架总举升行程为500 mm，即△y=500，根据经验值取剪刀叉机构杆长为 1620 mm，即A'B'=1 620，根据图 3可得x=A'B'× cosα，y=A'B'× sinα，取 初 始 位 置α＝10o，将以上值带入上式可得△x=175.

即上下平板上滑块倒槽的长度至少为175 mm，为防止两端干涉，取倒槽长度为185 mm，两端各留5 mm余量。同时可计算出剪刀叉机构升至最高点时，∠B'A'C＝ 31.5°，即 α'=31.5°- α =21.5°，即连杆CD绕固定铰接点C转动了21.5°.

2.3 剪刀叉机构驱动方式选择及受力分析

根据安装及使用方便性，优先选用气缸驱动剪刀叉机构运动。气缸驱动剪刀叉机构运动有几种形式，一种是气缸竖直安装，直接驱动上框架运动，称为直立固定式；另外一种是气缸水平安装，气缸推动剪刀叉连杆而间接驱动上框架运动，称为水平固定式；第三种是气缸倾斜安装，气缸驱动剪刀叉连杆而间接驱动上框架运动，驱动过程中气缸本身会转动，气缸体采用铰接固定，所以称为双铰接式。气缸安装位置的不同带来剪刀叉连杆受力的不同，综合考虑不同形式的优缺点及实际使用环境，本机构选择直立固定式，直立固定式优点是气缸直接驱动上框架，气缸作用力分别作用于底部固定框架和上框架，剪刀叉连杆仅作为上下运动的导向，整个机构受力最小，气缸所需驱动力最小。其缺点是占用空间大、气缸行程大，考虑到本设计的实际情况，这些缺点对本设计没有影响[2]。

由于剪刀叉连杆仅作为导向使用，而负载（顶盖）的重心在气缸杆铰接位置附近，理想状态下连杆本身不受力，考虑机构摩擦及制造误差影响，剪刀叉连杆会受到一定的作用力，该作用力与润滑情况及制造精度有关，正常情况下该作用力对整个机构影响较小。驱动方式如图6所示。

图6气缸驱动的剪刀叉升降机构

气缸需驱动的剪刀叉机构的质量约为140 kg，顶盖的质量约为21 kg，则气缸需驱动的理论上质量为161 kg，考虑制造误差及摩擦力因素，取1.5倍的安全系数，气缸最小推力应为161×9.8×1.5＝2 367 N，缸径100mm的气缸0.6 MPa时的理论推力为4 712 N，工作效率按60%计算，则气缸实际输出力为4 712×60%＝2 872 N，在许用范围之内，所以选用缸径100mm的气缸满足要求。

2.4 输送机构设计计算

生产节拍最低要求40JPH，保留足够的余量，按50JPH计算。则循环时间为72 s，运行效率按95%计算，则实际循环时间T=68 s，在一个工作循环中剪刀叉机构升起和降下时间相等，输送机构输送和返回时间相等，得出剪刀叉机构升起和输送时间为34 s，分配剪刀叉机构升起为14 s，输送时间为20 s。根据工艺规划的拼台间距，确定输送距离S=2.75 m，则输送速度V=S/T=2.75/20=0.138 m/s。升降机构升起的平均速度为0.5/14=0.036 m/s。由此可以计算出驱动气缸的平均速度约为0.036m/s。

根据节拍计算得知，输送速度为0.138m/s，可计算得到电动机轴输出转速

运输质量为m=370 kg，考虑制造误差与系统摩擦，运输质量取2倍值，即740 kg，设起步阶段时间为1 s，并加速至0.138m/s，输送机构需要的推力

计算得到起步阶段电动机输出轴扭矩为

计算得到起步阶段电动机输出功率为

选取SEW品牌电机，该品牌电机能耗低，性能优越，振动小，噪音低。电机负载类型为均匀负载，根据50JPH节拍，每个工作循环电机启停两次，计算得到电机启停次数为100次/小时，三班次运转工作时间为24小时连续运转，查使用系数表可得使用系数为1.33。

根据以上数据及安装方便性，选取R系列直齿轮减速电机，查减速电机选型表，选取减速电机型号为R37DT80N4，电机齿轮传动机构如图7所示。

图7 齿轮齿条输送机构

2.5 行走机构设计

行走机构采用轨道固定，滚轮在轨道上行走的方式，这样的优点是减少滚轮机构的数量，滚轮机构成本较高，而轨道成本较低，滚轮走过的地方只要有轨道即可。另一种方式是滚轮机构固定，轨道在滚轮机构间穿行，这样轨道所经过的地方都需要有滚轮机构支持，增加了滚轮机构的数量。

图8滚轮行走机构

2.6 总体结构

总体结构如图9所示，剪刀叉升降机构5在顶盖分拼3#台与4#台之间往复运动输送零件，3#台、4#台夹具用于定位顶盖，齿轮齿条输送机构2安装于3#、4#台之间，联接与两个拼台的固定框架上。其工作过程为：工人吊运顶盖放至3#拼台夹具上，剪刀叉升降机构升起，托架托起顶盖离开夹具至一定高度，输送机构输送剪刀叉机构和顶盖一起至4#拼台，输送到位后，剪刀叉升降机构下降，下降过程中把顶盖放至4#拼台夹具上，剪刀叉升降机构继续下降一段距离，下降到位后输送机构输送剪刀叉机构返回3#拼台，开始下一个工作循环。

图9顶盖输送与对中机构及顶盖分拼3#、4#夹具

3 结束语

本设计采用剪刀叉升降机构与齿轮齿条输送机构相结合，并采用剪刀叉随动，很大程度上简化了机构降低了成本。在两个拼台间采用一套升降机构随输送机构往复运动，避免了采用两套剪刀叉机构不同步现象，不需要增设同步杆等部件。顶盖采用托架输送，利用定位块对顶盖精确定位，输送过程稳定可靠，输送到位精度高。该机构已经在一些车型的顶盖分拼焊装线上应用，满足了紧凑型车身焊装线的空间需求，同时在满足高节拍和稳定性的前提下减少了操作人员，简化了输送系统的设计结构，降低了人力成本和设备成本。

[1]杜 干.升降平台升降机构研究现状分析[J].机械工程与自动化，2013，4（2）：205-207.

[2]丁志平.气液动剪叉式升降平台运动受力分析及其应用[J].株洲工学院学报，1996，（6）:49-52.