新型碳纖維端拾器在沖壓生產線的應用

文/鐘劍，廖端·廣州汽車集團乘用車有限公司

新型碳纖維端拾器在沖壓生產線的應用

文/鐘劍，廖端·廣州汽車集團乘用車有限公司

沖壓生產線

端拾器一般是指生產汽車車身沖壓件時，自動沖壓線上負責沖壓件在指定位置間搬送移動的設備部件。安裝在壓力機間的上下料機器人端部，機器人通過軌跡示教，讓端拾器按照示教軌跡完成對工件的抓取投料。

廣汽乘用車沖壓生產線主要工作是完成生產“傳祺”車的全部覆蓋件及大型內部結構件，采用4工序模具設計，如圖1所示。零件的搬運采用6臺ABB的IRB6660六軸機器人，分別為拆垛、上料、搬運和下料機器人。壓力機間搬運機器人增加ABB第七旋轉軸，實現工序間零件的平行移動。上料和下料機器人采用六軸抱緊頭抱緊端拾器主桿，主桿作為假七軸進行零件的抓取和投放，零件產生180°旋轉。

圖1 廣汽乘用車沖壓生產線

傳統端拾器

應用現狀

由于IRB6660機器人最大靜載承重為130kg，為降低機器人的負荷，傳統的機器人端拾器主桿普遍使用較輕鋁合金圓桿，即通過機器人的六軸抱緊頭在氣壓的作用下抱緊端拾器主桿的一端，另外一端安裝附件，機器人運轉時帶動端拾器吸附零件按照機器人示教軌跡運行，如圖2所示。

圖2 傳統鋁合金端拾器結構

對于機器人搬送零件的端拾器，最早的材料采用鋼桿，一般僅端拾器凈重就達80kg，由于鋼桿太重容易造成生產線機器人過載故障導致停機，搬送零件重量也受限。同時，零件生產過程中更換時，端拾器更換搬運需4～6人協同作業，存在搬運更換困難。

隨著對生產節拍和端拾器更換效率要求的日漸提高，沖壓技術人員一般采用鋁合金材料設計制作端拾器，針對每個零件機器人都使用1套鋁合金材料形式的端拾器，但仍然存在以下幾方面的問題：

⑴在目前“傳祺”車的生產過程中，由于有40%零件為較寬、較重件（搬送寬度超過2.4m，重量超過10kg），這些零件在搬運過程中對端拾器施加很大的慣性力，此時端拾器嚴重的晃動、端拾器位置不穩定和搬運過程的晃動，很容易導致生產速度低或吸附零件位置不準而漏氣或無法抓取等故障。

⑵鋁合金材料強度為200MPa，模量為106GPa，鋁管強度和剛性不夠，易發生撓性彎曲變形。如果使用鋼制材料，密度為7.9g/cm3，重量過大，搬送過程易使機器人過載。

⑶鋁管密度為2.7g/cm3，鋼管為7.9g/cm3，為保證強度和剛度端拾器重量達25kg，大而重。搬運需2～4人配合，體積大更換效率低，更換一個端拾器所需時間10min。同時，反復搬運過程易造成碰撞，夾緊困難，夾持頭受力易松動，致使吸盤移位無法吸附零件。

⑷端拾器結構形式需要由多個配件組裝，由于零件形狀不一需要專門對每個零件制作端拾器。支桿和主桿都為光滑圓形管，調整夾緊較難。而且，夾持頭處一般為主要受力點需要在同一個機器人上對每個零件都專門制作一套端拾器，投入成本較大。

⑸由于每個零件和工序都需采用專用的端拾器進行抓取，全線5臺搬運機器人（拆垛通用端拾器除外）每個零件共需5個大端拾器。沖壓生產線一般規劃為每條生產線3個車型，每個車型15組零件進行生產，即1條生產線僅用于搬運的端拾器就多達225個，占龐大的存儲空間，浪費存儲和搬運成本。

廣汽乘用車沖壓生產線投入量產后，隨著產量的提升，沖壓設備技術人員致力于研究穩定的端拾器結構和改善端拾器更換的便利性，提高通用性，從而提高生產效率、降低成本。

傳統端拾器的結構形式

傳統端拾器通常由主桿(如鋁合金管及連接頭等)、氣管和氣管快插接頭組成，基本結構包括端拾器的快速夾緊連接頭、主桿、副桿、連接桿、吸盤、氣管、氣管接頭等，結構如圖2所示。零件生產需要更換端拾器時，整個端拾器從快速夾緊連接頭處脫開更換，人工搬運到端拾器存放區進行儲存，再搬運下一套生產零件對應的端拾器安裝完成更換。如圖2所示，主桿為直徑φ76mm、厚度5mm的鋁合金空心管，長度約1300～1600mm之間；副桿為直徑φ38mm、厚度3mm的空心鋁管，長度根據零件大小需求，一般為500～1500mm；連接桿為標準件，從25～285mm長度標準定置，根據需要選擇不同的長度；氣管及接頭為FESTO標準件；吸盤為施邁茨真空吸盤及安裝附件，通常按外板件φ80mm和內板件φ50mm進行型號選擇。所有組件使用螺栓緊固連接后，通過機器人的6軸頭夾緊快速夾緊連接頭，從而抓取零件運動。

新型碳纖維端拾器

碳纖維材料

碳纖維是廣泛應用于軍工和民用的新型材料，具有高比強度和高比模量等諸多優點。相對于同樣體積的鋼材、鋁合金以及鈦合金，碳纖維復合材料具有更高的強度和剛度，因此碳纖維的應用成為高端加工設備、高性能產品等的發展趨勢。高模量碳纖維具有的輕量性（剛性）、尺寸穩定性的導熱性，早已應用于在航空領域的人造衛星等方面。

除高強度、高剛度、耐疲勞等優異性能外，碳纖維端拾器還具有體積小、通用性強、密度小、重量輕、便于搬運等特點。在與其他部件連接后，不易松動變形、安裝方便。在性能方面，密度約1.7g/cm3，復合材料強度約4020MPa，材料抗拉模量約157GPa，斷裂延伸率約1.5%。

根據汽車沖壓用機器人現場使用經驗，沖壓生產中的機器人端拾器，必須從以下幾方面滿足要求：

⑴高強度。在滿足靜態承載的基礎上，考慮運動慣性沖擊和設備異常時超載的可能，端拾器本身測試強度應達到承載的3倍以上。

⑵高剛度。部件高剛度就意味著低變形，在機器人作業的過程中，動作的運動位置和其他部件允許的安裝誤差都有精確要求。在承載狀態下，可以有效避免端拾器由于剛度太低產生太大變形，造成位置干涉或設備碰撞或者事故發生。

⑶高抗疲勞性。機器人的動作是承載和卸載的反復交替，根據設計的需要，每分鐘可能要重復20～30次。長期工作條件下抗疲勞性差就會造成最終經不起使用，縮短了更換的周期、增加了成本，還增加了偶然事故的風險，因此高的抗疲勞性能是非常重要的。在保證主桿高剛度的基礎上提高所有連接位置的連接能力，對快速接頭、定位塊、吸盤支桿以及內部連接結構進行優化，端拾器整體體現高剛性。

⑷低重量。作為運動的承載部件，低質量會有比較低的慣性沖擊，這主要由材料本身決定，但科學合理的成形方案影響也很大。在滿足上述其他性能的基礎上，合理的設計能降低材料的用量，減少重量。

⑸高性價比。突出性能帶來的效益很高，而產生的相對成本降低，并且維護與后期使用成本更低。

T形碳纖維端拾器主桿結構設計

原端拾器的專用型式設計為通用的T形主桿結構，主干和支桿都采用碳纖維材料。T形主桿結構為通用部件，最大限度提高端拾器的通用性，存在以下特點：

⑴通用T形主桿材料為碳纖維，包括橫臂、縱臂，縱臂端部與橫臂中部固定連接，形成T形主桿，主桿一端通過快速夾緊接頭與機器人六軸連接。為減輕重量和方便安裝，碳纖維主桿設計為方形空心管（圖3），主桿縱臂上安裝有一方形定位塊，用于機器人自動更換時定位端拾器的位置。

圖3 新型碳纖維端拾結構

⑵橫臂兩端各帶3個支桿插頭，可根據板件需要選擇支桿方向，快速拔插并適應不同大小、形狀的板件需求。橫臂末端上方各安裝氣管接頭安裝塊，將快速拔插氣管接頭安裝在接頭安裝塊，更換支桿時可拔插氣管。

⑶支桿規格為碳纖維管標準件，長度為1300mm。主桿橫臂的兩端分別固定連接一支桿座，支桿座上安裝快速拔插裝置，與支桿實現快速拔插連接?？焖俨逖b置（圖4）是一個用于套接支桿的快速接頭，開有插孔且在插孔底部設有環卡。支桿連接端安裝套筒并在套筒外側套上鎖緊環，支桿插入套筒并通過鎖緊環鎖緊。通過套筒可將支桿在支桿快速接頭上拔插（圖5）。

圖4 快速拔插母座結構

圖5 快速拔插支桿結構

⑷采用高強鋁合金優化主要部件的材料和結構（表1），確保配合良好且質量較輕。端拾器的主桿接頭、支桿接頭和支桿母座等均采用6061硬鋁制作，滿足性能的前提下減輕重量。碳纖維T形主桿具有簡易、輕便和牢固的特點，專用于沖壓自動化生產。采用模塊化結構標準零件搭配，輕便且強度高；采用標準化的氣動元件和標準螺紋尺寸，易于裝配和備件加工制造，調整容易和快速連接。碳纖維材料使得端拾器的強度更高、剛性更強且重量更輕，進而提高了端拾器搬送零件過程的穩定性。連接頭采用航空鋁合金材料，具有重量輕、強度高的特點，采用快換插頭連接，可輕松更換分支端拾器。

纖維主桿應力分析

碳纖維端拾器密度為1.7g/cm2，強度為5000MPa，抗拉模量為250GPa，斷裂延伸率約為1.5%。在50kg的沖擊承載狀態下，端拾器整體的最大應力僅為160MPa，按照最大應力失效準則，遠低于材料本身強度，桿末端最大變形僅為25mm。經過ANSYS應力和變形分析（圖6、7），在正常載荷下，碳纖維端拾器具有良好的抗變形能力，非外界破壞情況下可長時間使用。

圖6 沖擊載荷應力狀態

圖7 沖擊載荷應變狀態

對T形端拾器進行振動分析，計算分析表明：端拾器在最低固有頻率為40Hz（抓放40次/s）時，此時結構上下顫動；頻率為42Hz（抓放42次/s），此時結構支桿左右擺動；頻率為99Hz（抓放99次/s），此時結構支桿上下顫動同時左右擺動；頻率為140Hz（每秒鐘抓放140次/s），此時結構支桿主桿不動支桿左右擺動，見圖8。由于端拾器不可能每秒鐘超過1次抓取，因此T形端拾器設計振動滿足。

碳纖維端拾器的生產線應用

機器人端拾器通過T形主桿縱臂端部的接頭與機器人連接，機器人帶著端拾器移動到需搬送的零件上，吸盤組件貼于工件上表面，通過真空發生器連接氣管把吸盤組件與工件之間的空氣吸走使吸盤組件牢牢吸附在零件表面上進行零件抓取，然后在機器人行走固定軌跡帶動下將零件輸送到指定位置。

■表1 新型T形碳纖維端拾器構成

圖8 T形端拾器進行振動形式

■表2 各種類型端拾器特點對比

T形主桿設計為共用部件，每臺機器人對應兩根型號一致的主桿交替更換使用。當1號主桿用于生產時，2號主桿通過定位塊固定放置在生產線外端拾器存放架上，進行生產更換時只需在生產線外根據不同的零件提前準備更換好端拾器支桿，無需更換T形主桿。將與零件對應的支桿插裝在支桿接頭上，再通過氣管快速接頭插上氣管以實現快速便捷的安裝，提高生產線更換端拾器的效率。當整線換模生產時，通過機器人自動控制將1號主桿放置在固定存放架后再自動抓取2號主桿，即可實現自動更換端拾器。各種類型端拾器的特點對比結果見表2。

結束語

新型碳纖維端拾器設計的目的，是為了滿足汽車白車身沖壓自動化生產線各新車型零件的互換通用生產，并要求新型端拾器與現場機器人兼容性良好，具備高強度、高抗疲勞性、低重量、易維護等優良性能。經過對各個部件的設計與現場安裝調試，顯示該設計能滿足使用要求，由于負載減輕、晃動減小和T形結構穩定性更優使端拾器故障降低80%。T形主桿為共用部件，實現各車型的零件生產時主桿通用，其低重量也減輕了工人更換端拾器的勞動強度。項目過程完成：T形碳纖維端拾器的設計，實現了整線零件端拾器的通用效果，主桿無需進行更換；完成整線端拾器零件抓取的安裝調試；完成T形碳纖維端拾器的安裝和通用性使用；完成碳纖維材料附件與機器人的匹配連接。最終，生產線平均生產節拍由7.0提升到8.0，單零件生產端拾器吸附故障率降低到0.5%左右，T形碳纖維端拾器已在廣汽乘用車A線進行量產且應用穩定。