一种柔性车门抓手的设计与应用

（上汽通用五菱汽车股份有限公司 545007）

0 前言

车门自动化线内板焊接总成的搬运是由机器人抓手完成，机器人搬运零件到自动化线上不同的工位中。为了实现搬运功能，需要设计相应的抓手。不同车型不同零件都有与其对应的抓手及放置架，导入的车型越多，抓手及放置架的数量也越多。因此如何实现抓手的柔性功能日趋迫切。

常见的抓手按材质可分为八角管组装的铝质抓手（图1），及钢管焊接的抓手（图2）。按抓件方式可分为吸盘式和气缸夹紧式。

图1 八角管结构的吸盘式抓手

图2 焊接结构的气缸夹紧式抓手

表1 三种车型前后侧门质量及尺寸

图3 开孔位置

目前2 种形式的抓手都是通过内板主定位销使抓手定位在车门上，保证抓取精度。然后通过吸盘吸紧车门或通过定位块和压头将车门夹紧，夹紧点通常为6～8 个，保证抓取稳定。由于抓手机构定位销位置和夹紧位置在车门内板型面上，因此想要现有抓手进行柔性生产，就需要零件定位孔和夹紧点型面的位置在X、Y和Z 方向上保持一致。但由于每个车门造型各异，定位孔和夹紧点型面的位置很难保持一致，尤其是不同平台的车门差异更大，因此现有形式的抓手无法实现车门抓手柔性功能[1]。

1 柔性抓手的原理

为了实现车门内板总成抓手的柔性，新型的柔性抓手针对现

有技术进行重新设计分析。通过对比3 个不同平台车型共6种车门内板总成的结构分析（表1），我们发现，虽然各车型车门内板总成结构差异大，但质量均在11～13 kg，且内板总成结构刚性稳定，不易变形。

因此，新型柔性抓手的设计采用三点成面原理，使用三孔定位兼抓紧的定位策略来实现零件的抓取。柔性抓手在车门内板范围内选取3 个点来定位抓紧（图3），这3 个位置没有外板加强板遮挡，各个焊接工位内板总成零件不会与抓手干涉，零件在内板焊接拼台工位之间转运都可以使用相同的抓手。为使抓手能够实现不同内板总成零件的抓取功能，且兼顾零件的精确定位和可靠抓取，抓手设计需要解决两个问题：第一，抓手上3 个定位抓紧点能够改变它们之间的距离，即图3所示前侧门和后侧门上3 个定位抓紧点位置变化情况；第二，抓手能够兼容不同零件上3 个定位抓紧点Y 向不同的距离[2]。

2 柔性抓手的设计

在柔性抓手的结构设计中，为解决上述问题，通过对比现有成熟产品的性能及精度，我们采用PMI 线性模组，通过伺服控制系统可实现改变定位抓紧点的位置距离，其位置精度能达到±0.06 mm。通过使用机器人第六轴旋转改变抓手抓取零件的角度，改变线性模组的停止位置来实现不同车门抓手X 向和Z 向柔性。采用一个勾销机构和两个气爪阶梯机构（如图4）实现不同零件抓紧点Y 向距离柔性。其中，如图3所示，位置1 是内板主定位孔，采用勾销机构，作用是主定位和夹紧，与焊接拼台主基准保持统一；位置2 和位置3 是抓手专用孔，采用气爪机构，作用是辅助定位和夹紧。

为实现抓手柔性功能，车门产品零件在设计时，需要按以下要求设计抓手专用的零件定位孔和夹紧面。

图4 气爪结构

图5 内板柔性抓手结构

首先，3 个定位孔开孔位置不能造成抓手与外板加强板干涉，如图3中1、2、3 区域。

其次，抓手专用孔所在平面与主定位销平面的Y 向距离为气爪卡槽距离的整数倍[3]。

3 柔性抓手的结构

内板焊接总成柔性抓手结构如图5所示。抓手主框架为焊接结构，为满足抓手重心位置及机器人配重要求，3 个抓紧点滑移机构呈120°均匀分布。抓手共有3 个PMI 线性模组,根据内板总成结构尺寸，线性模组的行程选用300 mm，柔性抓手可达性能够满足目前所有车型车门的抓取。3 个PMI 线性模组分别配有3个伺服电机和3 个控制箱，伺服电机的线束接到控制箱上，抓手上装有气控阀控制气爪和勾销的开关。另外还有BK 模块来连接伺服电机控制箱和PLC 间的通信。3 个伺服电机控制箱自带电池，能够离线储存线性模组的停止位置，共能储存7 组数据，包括一个零位和6 个车型停止位置信息。升级储存硬件还可以储存更多组信息。

气爪插入抓手孔（图3中的位置2 和位置3）后气爪手指平行张开，车门内板就会牢牢卡在手指的卡槽之内。气爪选用50 缸径的三爪式气爪，理论抓力为200 N，确保气爪卡紧零件。为满足气爪结构强度和柔性要求，气爪手指上设计有7 个间距为7 mm 的卡槽，如此，气爪的兼容行程为49 mm。内板产品设计时，要求抓手孔平面与主定位销平面的Y 向距离为7 mm 的整数倍（即抓手孔平面与主定位销孔平面之间的距离差H=7×N mm，其中0 ≦N ≦7）。

抓手通过一个勾销和两个气爪来抓紧车门，气爪和勾销缸装在PMI 线性模组上，线性模组由伺服电机驱动。通过改变3 个线

图6 同一抓手在前后侧门上的不同姿态

性模组的停止位置和抓手的姿态，实现抓手抓紧点X 向和Z向的柔性；使用气爪上不同的卡槽位置，实现抓手抓紧点Y 向的柔性。同一个抓手通过改变线性模组的停止位置和抓手的姿态，即可柔性抓取不同结构的车门内板（图6）。

4 抓手的调试与使用

抓手装配好机械零件和电气管线后，首先通过伺服电机驱动线性模组回到机械零位，进行三坐标检测和调整，使抓手能够达到设计的状态，并将机械零位存储在伺服电机控制箱内，作为车型变换基准零位。然后，通过USB 数据线将伺服电机控制箱与计算机连接，将设计时算好的车型位置，通过控制界面（图7）输入伺服电机控制箱内储存好，即可完成车型的信息录入，实现了数字化的车型导入。3 个控制箱相互独立，需要分3 次输入。在导入下一个车型时，需将线性模组回到初始状态的基准零位，再通过输入车型信息，由伺服电机控制线性模组滑移到该车型设计位置。

抓手轨迹线如图8所示，每一根轨迹线代表线性模组上的勾销或气爪的可达范围，只要定位孔开在线上，勾销或气爪就能够进入孔内。第二个车型导入时，只需整体平移和旋转轨迹线，并注意使抓手避让加强板和焊点，即可快速找到合适的开孔位置。现场调试时调好机器人的姿态并保存。

抓手上储存2 个以上的车型定位信息后，进行车型切换时，按下电控按钮，PLC 就会将所要生产的车型信息发给搬运机器人。机器人就会发出信号给伺服电机控制箱，调取所需的车型定位信息，伺服电机就会自动到达定位位置。最后，机器人调取自身对应车型的动作轨迹，数秒内即可完成抓手状态切换，无需人工参与，快速且智能完成抓手车型切换[4]。

图7 线性模组停止位置信息控制界面

图8 抓手轨迹线

5 结束语

柔性抓手设计通过简单的三点成面定位原理，结合自动化控制技术，充分利用机器人灵活的动作姿态，实现了车门内板焊接总成抓取搬运功能。Y 型柔性抓手结构紧凑，机器人抓取零件稳定，放置零件位置精度高，重复精度高。该抓手具有柔性高、数字化和智能化的特点，车型导入过程中无需切换抓手，只需增加伺服控制程序，减少导入车型的抓手制造成本和加工时间，减少车型切换时间，减少车型切换人员，大大提高综合效益。