全景天窗机械手的设计及应用

宋绍蕾，彭海峰

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

全景天窗机械手的设计及应用

宋绍蕾，彭海峰

（安徽江淮汽车集团股份有限公司，安徽 合肥 230601）

全景天窗外形尺寸大，质量重，人工装配占用人员较多，由于天窗固定点较多，装配时间长，在装配过程中依靠工人托举，工人劳动强度大。全景天窗机械手可以轻便的满足大尺寸天窗的装配，同时增加一些超声波或者激光传感器可以实现部分进程的自动化。

全景天窗；机械手；劳动强度；轻便；自动化

1 背景

2015年5月19日，中国国务院印发《中国制造2025》，部署全面推进实施制造强国战略，对包括汽车业在内的制造业提出了更高的要求。随着经济水平的不断提高，带动了汽车制造行业的快速发展，基于汽车需求量的增加和《中国制造2025》对汽车行业提出的要求，汽车行业的自动化水平不断提高，逐步开始由半自动化或者全自动的单元设备来辅助或者直接代替工人的手工操作，有效降低了工人的劳动强度，提高了生产效率。本文中涉及的全景天窗机械手可以满足带载和空载状态下自动行走，有效地降低了工人劳动强度。

2 天窗机械手概述

2.1 机械手组成及各部分功能概述

机械手能服务于生产，发挥自己的功能要具有完整的结构组成，主要有以下结构组成：机械手钢构、轨道小车、升降主机、安装夹具、安全监测装置及电控控制六个部分组成。

①机械手钢结构主要作用是承载整个机械手及轨道的重量，覆盖机械手的活动范围，一般使用一定型号的“工”钢，在工字钢上根据机械手安装要求进行打眼，满足机械手的轨道安装。

②轨道、小车是机械手行进导向及动力，小车由电机牵引，通过编码器可以控制小车的行进速度，根据轨道末端的行程开关可自行确认自己的行程，动力源是电力。

③升降主机依据现场高度行程进行选型，可以通过气缸进行升降，从而满足不同高度的工况要求，动力源是压缩空气。

④安装夹具是适应被安装件进行非标设计，设计中考虑如下几点：第一是夹具工艺布局的合理性和适应性；第二，夹具要设计轻巧，便于操作；第三，释放工件要安全迅速；第四，对于工件及车身接触要做好安全防护工作，避免划伤车身；第五，夹具工装的零部件要求方便拆卸及安装。

2.2 天窗装配工艺过程

机械手夹具水平放置等待上件——人工将天窗由货架移栽到天窗机械手上——机械手带工件自动上升到一定高度——按动按钮、机械手自动到线体中央——机械手自动行走至待装配车身前——机械手限位杆与车体前风挡上边缘框接触后被动随行——操作员在车身两边操作天窗与车顶定位（通过安装在车顶凸焊螺柱上的导向销（可重复使用）定位(天窗与车顶对中通过人工微调天窗夹具实现)——打紧主要固定点——机械手自动回位到取料位置，等待天窗上件。

3 机械手技术指标

3.1 导轨系统

①导轨选用铝合金材料导轨、滑车系统安装在车间工艺吊挂的工字钢梁上，用于承载整个设备及工件的重量。主动行走的滑车，使用电机驱动控制。

②导轨两端设有安全报警限位开关及与装配输送链的联锁安全限位开关，确保设备在极限位置时安全（乙方自行配置）。主动随行的机械手与主线有信号交互，需在机械手导轨固定端配置一端子盒用于信号交接。

③保证滑车车轮在铝合金导轨上能以很小的阻力运行，且机械手臂抓取物料或伸屈时滑车车轮的跳动最小；

④在轨道适当位置预留行走轮维修区域，能够在不拆卸轨道的情况下，对行走轮进行更换、保养、检查

3.2 机械手本体

①硬臂式助力机械手具有三个转轴的旋转运动：立臂转轴（360º）、终端臂转轴（＞300º）、夹具转轴（360º），所有这些旋转运动都以垂直方向为轴（各转轴应配备限位块）。

②硬臂式助力机械手配备旋转制动器2套，分别对立臂转轴、终端臂转轴进行制动，确保机械手可以停在任意位置（包括停车位置），制动器的控制（锁紧和松开）均由操作手柄上的按钮来完成。

③气路控制系统：应确保助力机械手在任意时刻、任意位置的“零重力”平衡。

④气路平衡控制系统：确保机械手在设计行程范围内的任何状态任何位置处于平衡状态，便于精确定位；操作工在对工件进行搬运、装配操作时，所用的操作保持力不大于3.5kg。

⑤操作安全保护功能：确保只有当工件放置到合适位置后，夹具才能执行松开动作命令，此时，无论由主动或被动原因引起误操作，均不能将工件错误卸载，以保障人身和设备安全。

⑥气源断气安全保护功能：机械手有储气罐、单向阀或类似装置，当外界压缩空气突然断气时，设备和工件不能突然下坠，并且确保完成整个工作流程。机械手应考虑到现场压缩空气压力波动的可能性，为了减轻其对设备的影响，机械手应有增强动力性能的辅助装置，如增压器等。

⑦夹具自保护功能：防止断气和气源压力不足时松开工件（除非操作者发出指令）。夹具要求配置气压指示表。

⑧机械手具有压缩空气过滤装置，保证设备气动系统正常工作不受影响。

⑨机械手控制系统应能够实现夹紧、松开、吸附、翻转等动作。

3.3 安全性方面要求

①外形结构保护：装置对于操作员工不具有攻击性，对于人员、工件和车身可能构成危险的地方都有保护。

②断气、漏气保护：确保机械手突然断气或有漏气（不管漏气量大小）发生时，不会发生意外伤人，夹具不会松开工件，并且保证可正常持续一个半工作循环。

③静止状态保护：用来锁紧机械臂并阻止其各个方向的运动。当机械手在停止使用的情况下被意外的触摸或碰撞，可以阻止回转臂晃动。当按下制动按钮时，机械手应处于锁定状态，机械手所有按钮不起作用，防止意外伤害发生。

④误操作保护：操作者在所输送物品到达装配位置之前，安全装置必须阻止所输送物品的意外释放；同时在物料输送过程中，操作者如果按下释放按钮或松开夹具按钮，应保证物品处于半空时不被释放。如果操作者停止按下释放按钮，机械手和操作单元必须回到原始平衡状态，如果操作者继续按住释放按钮，装卸物会继续处于被抓紧状态并慢慢地放下机械臂下降到设计最低点。在任何情况下，只有物品被放置在接触面上时（对应车辆装配为主或到达地面），才能被释放。

⑤行程保护：机械手移动的工作范围到达实现设定的某一特定位置时，声光报警装置给出报警信号，提醒操作者注意。机械手本体或轨道的两端设有减震装置，以减轻机械手本体与轨道端头的碰撞冲击。

⑥机械手臂外表可能与车体接触部位覆盖柔软材料，防止意外碰撞损坏汽车部件。

4 机械手方案

设计依据：

①整车在生产线大滑板上放置后距离地面高度

②生产线前后车身间距

③上方工艺吊架距离地面高度

④生产线节拍

结合生产现场现状，对机械手的高度及结构进行设计和确认，通过三维数据仿真及二维结构设计，天窗机械手能很好的完成天窗的搬运及安装辅助工作。

图1

5 结束语

2015年5月19日，中国国务院印发《中国制造2025》，部署全面推进实施制造强国战略，对包括汽车业在内的制造业提出了更高的要求。机械手在汽车制造业方面的应用越来越普遍，使用中越来越便捷，尤其是一些尺寸较大不易人工搬运的工作。通过气控阀控制机械手气缸的升降，通过电机控制机械手的行进，以上动作都通过编码器的编程来实现。天窗机械手的应用减轻了操作者的劳动强度，提高了工作效率。

[1] 肖立军,米学宁,石雷,管依,林晓东,杨亮.气动平衡助力机械手的原理及应用[J].制造业自动化,2011.

[2] 孙志坡.助力机械手在汽车制造业中的应用.基层建设,2015.

The design and application of panoramic sunroof manipulator

Song Shaolei, Peng Haifeng

( Anhui jianghuai automobile group co., ltd, Anhui Hefei 230601 )

Panoramic sunroof is larger in size, heavier in weight, assembling needs more workers. Because sunroof needs more fix points, longer assembling time, workers have to lift among the process of assembling, labor intention is great.Panoramic sunroof manipulator can finished the big sunroof assembling easily, at the same time, increase the number of ultrasonic automation or laser sensor can realize part of the process.

panoramic sunroof; manipulator; labor intensity; portable; automation

U462.1

A

1671-7988(2017)22-43-03

10.16638 /j.cnki.1671-7988.2017.22.015

宋绍蕾，就职于安徽江淮汽车集团股份有限公司。

CLC NO.:U462.1

A

1671-7988(2017)22-43-03