汽车制造和维修中助力机械手技术的应用

辛会珍

天津交通职业学院 天津市 300110

随着近些年来汽车制造的投资力度不断加大，当前在汽车制造和维修过程中，自动化设备得到了较为广泛的使用。在这些自动化设备中，助力机械手是较常见的一类。助力机械手基于人机工程学设计，有着较为显著的人机互助特点，很适合对汽车仪表板、座椅、蓄电池、天窗、轮胎以及挡风玻璃等进行安装，同时在汽车维修中也可使用助力机械手搬运。

1 助力机械手技术的基本原理和特点

本文中探讨的助力机械手，是最为普遍使用的气动助力机械手。这一助力机械手使用气体作为动力源，辅助人力操作。原理是使用恒定大小的气体压力对气体路径进行控制，平衡负载，依靠连杆结构让工件在任何位置得到平衡。在操作过程中，工人需要手动移动机械手臂来操作助力机械手进行上下移动和旋转，并使用装备有辅助夹紧装置的机械手对工件进行夹持，通过气动开关实现工件的夹紧，并将工件移动到工位上。气动助力机械手的结构简单，操作便捷，很适合对重载工件和零件进行搬运。同时由于助力机械手的特点，也能够对这些工件进行较为精确的定位。

2 助力机械手的设计

由于本文分析的助理机械手为助力设备，也是需要人工进行操作的。因此除开人机交互的部分，其他部位均需要严格按照人体工程学的规律进行布局，让工人的操作更加舒适。尤其是在紧急状态下能够更好的辨认和做出动作，避免危险事件的出现。例如在机械手的仿真上，即需要按照图1进行设计。

图1 机械手仿真设计

2.1 助力机械手的技术要求

助力机械手的动力参数为三相五线制供电，电源为三相电源，380v，环境温度为-10-45摄氏度，环境相对湿度为≤95%，压缩空气0.3-0.6mpa。工艺要求上，需搬运的工件名称为轮胎、驱动轮轴、后机罩、座椅、油箱、分动箱以及弯杆支座。助力机械手设置有安全误操作保护装置，只有工件被安全安装到位，或是完全被工作面支撑后，工件才会被卸载。机械手主关节可360度旋转，次关节可310度旋转，夹具关节可310度旋转。同时助力机械手有着两条独立气体回路：第一条可用于对机械臂以及夹具的重量平衡，第二条可对机械臂、夹具以及需要搬运物体作出重量平衡。两条气路可以全自动识别和切换，保证工件在任意时间和位置上的零重力平衡。

2.2 助力机械手的操作原理

在操作原理上，助力机械手需要使用平衡气缸，驱动一个杠杆结构，对机械臂的负载进行平衡。而气缸是可以被调整的，其作用为简单的升降运动，手动作用到夹具上。在此过程中，有两条独立的气体回路，可以给气缸进行通气。第一条气路的作用是对机械臂和操作夹具作出重量平衡，此平衡被称为零负载平衡。而第二条气路可以对机械臂、需要搬运的工件以及操作夹具作重量平衡，这一平衡被称为负载平衡，两条气路可以切换。助力机械手的主要部件如图2所示。

2.3 助力机械手的安全保护措施

在安全方面，助力机械手配备有外形结构保护、静止状态保护、断气漏气保护、误操作保护、行程保护等。同时在助力机械手上，也有着安全阀或类似装置，这一装置能够控制助力机械手的机械臂以及回转臂的运动速度，以免出现误操作伤害到操作人员的安全。另外机械手也需要考虑到现场外界压缩空气压力出现波动的可能性。而为了减轻这一情况对助力机械手的正常施工造成影响，需要在助力机械手上装备增强动力性能的装置，例如增压器等。同时也需要设置空气过滤装置，保证到助力机械手在实际的工作中不会受到影响。

图2 助力机械手的设备总成

3 助力机械手的建模和仿真

3.1 建模和仿真计划

在对助力机械手进行建模和仿真过程中，本文需使用CATIA软件进行仿真，即实施运动仿真。仿真的虚拟样机在建立起运动机构之前，需要完成静态装备，保证完整的静态约束，从而让虚拟样机上的所有零部件均有着唯一位置。在完成了静态装备后，可建立起运动机构，而运动机构的建立也是运动仿真过程中最为核心的工作。本研究中，需要在CATIA软件中的DMU运动机构中，建立起相应的运动副。而运动副可被分为基础以及关联运动副两种类型。两个零部件之间关系相关运动副即为基础运动副。

在三维空间中，每一个零部件均有着6个自由度。只有在自由度的数值为0时，才能够让机构进行运动模拟。

3.2 助力机械手的运动仿真方法

本研究中，建模分析的主要目标即分析助力机械手的工作原理。由于助力机械手中的内部结构对于助力机械手本身的工作原理以及工作行为并不会造成较大影响，因此在实际的仿真分析过程中，可将其简化成为零件进行表示。建模主要表现为助力机械手从汽车生产线上抓取汽车工件，并将工件放置在箱子中。箱子有3个自由度和机械手进行配合，帮助每一个工件均能够被放置在合适的位置。同时由于助力机械手的虚拟样机是一个一体化的模型，而这一模型需要使用力传递的方式来进行运转，因而需要尽可能的减少零件上驱动力数量。若可保证到模拟相关条件，可尽量将驱动力限制为每个部分1个。在此过程中，可通过设置接合命令的方式，下达运动副的驱动力具体数值，从而达到最佳的仿真条件。在实际的仿真过程中，界面如图3所示。

图3 仿真模拟界面图

在仿真时，工件通过生产线流出，通过助力机械手的抓取动作，将工件拿下，转入到3个自由移动的箱子中。

3.3 仿真结果分析

通过本研究使用助力机械手进行仿真后显示，助力机械手的结构较为紧凑，其操作也比较灵活。通过使用机械手的旋转，能够很好的和箱子前后左右以及升降运动进行配合，准确快速的把工件放置到箱子中，能够很好的满足设计精度相关要求。因此，使用助力机械手能够满足汽车制造和维修的工件抓取相关要求，尤其是助力机械手上装备有各类安全设备。因此在实际的应用过程中，不仅能够较好的满足汽车制造和维修要求，也能够满足安全要求，在实际的汽车制造和维修中，有较高使用价值。

4 结语

综上所述，助力机械手这一设备能够在汽车维修和制造过程中取得较好效果。通过助力机械手的方式，能够帮助工人省时省力并安全可靠的抓取各类工件，同时将工件放置在准确的位置上，满足汽车制造和维修要求，这对汽车工业的发展有重要意义。尤其是通过CATIA软件进行仿真后，可显示出助力机械手的实际工作中的效果，值得推广使用。