汽車頂蓋輸送與對中機構設計

（上汽通用五菱汽車股份有限公司，廣西 柳州 545007）

頂蓋分拼線一般設計4個或5個拼臺，最后兩個拼臺為自動輸送和機器人抓取頂蓋拼臺。某汽車頂蓋分拼焊接線共4個拼臺，焊接工位為1#、2#拼臺，輸送工位為3#、4#拼臺，在3#拼臺放置頂蓋焊合總成，通過輸送機構輸送至4#拼臺，在4#拼臺對頂蓋進行定位，定位完成后，機器人抓手抓取頂蓋搬運至總拼線上線焊接，在機器人抓取頂蓋的同時，允許3#拼臺繼續放置零件，輸送機構返回繼續進行下一工作循環。頂蓋分拼線示意如圖1所示。為進步一提高4#拼臺頂蓋的定位精度，在頂蓋后部增加使用兩個定位銷對頂蓋定位。本文針對這種頂蓋的輸送形式，設計了一種頂蓋輸送及對中機構。

圖1頂蓋分拼線示意圖

1 設計方案

1.1 總體方案

根據輸送要求，輸送機構為往復輸送，頂蓋分拼3#、4#安裝有頂蓋工裝，輸送過程中不能與工裝干涉，所以輸送機構必須有升降功能，分別在高于工裝位置和低于工裝位置運動，避免干涉。頂蓋輸送至4#拼臺后，頂蓋后部定位孔需對齊定位銷，從而頂蓋下降過程中能順利進銷，這要求輸送過程具有較高的精度，保證輸送到4#拼臺的頂蓋定位塊對齊定位銷。

1.2 升降機構方案

升降機構采用剪刀叉機構，剪叉式升降機構包括驅動執行裝置和剪叉裝置。在驅動機構的驅動下，驅動執行裝置產生小位移行程的同時將驅動力傳遞給剪叉裝置。剪叉裝置作為剪叉式升降機構的主體具有折疊伸展性能，它受到驅動執行裝置的驅動并將驅動執行裝置的小位移行程放大成豎直方向的較大行程，從而推動升降平臺的上下移動。剪叉式升降機構具有結構緊湊、承載量大、驅動裝置通過性強和操控性好的特點，因而在各種場合中得到了廣泛應用[1]。該機構具有自穩定性，舉升過程平穩，舉升高度范圍較大，且結構簡潔，如圖2所示。

圖2剪刀叉升降機構方案

1.3 輸送方案

該輸送機構的目的是把頂蓋從頂蓋3#工位輸送至頂蓋4#工位，機器人抓手在頂蓋4#工位抓取頂蓋，3#工位同時繼續可以放置零件，以供下一循環輸送。其運動過程可以概括為在頂蓋3#升降機構升起把頂蓋托起、輸送頂蓋至4#、升降機構下降把頂蓋放置在4#工位、輸送機構返回至頂蓋3#。為了精簡機構，提高可靠性，經過多次考慮和討論，決定采用一套剪刀叉升降機構，使升降機構在頂蓋3#與4#之間往返。輸送方式簡圖如圖3所示。

圖3輸送方案簡圖

1.4 輸送過程中頂蓋定位方案

頂蓋定位需要保證定位精度高、定位可靠，采用托架對定位進行定位，托架上安裝定位塊對零件定位。定位塊數量選擇6個，左右各3個，分布于頂蓋前部、中部與后部。如圖4所示。

圖4頂蓋定位方案

1.5 動力與傳動方案

減速電機、齒輪齒條是常見的傳動方式，該方式傳動可靠，成本低，易于維護。本設計采用減速電機與齒輪固定安裝，齒輪與齒條嚙合，帶動齒條運動，齒條安裝于升降機構上，帶動升降機構往返。

2 設計計算

2.1 托架舉升行程計算

根據通過性計算，頂蓋升起高度245 mm，輸送過程中頂蓋高于工裝最小距離大于60 mm，通過性良好。托架空行程255 mm，返回過程中低于頂蓋最小高度大于80mm，通過性良好。所以托架舉升行程取500 mm，其中空行程255 mm，有效升高頂蓋行程245 mm.

2.2 升降機構設計

升降機構采用剪刀叉機構，該機構具有自穩定性，舉升過程平穩，舉升高度范圍較大，且結構簡潔。

圖5所示為剪刀叉機構的簡化圖，AB與CD代表兩個支撐桿，二桿長度相等，二桿的中點鉸接與O，C點為固定鉸接點，A點為滑塊副，可沿AC滑動，B點與上平板固定鉸接，D點通過滑塊副與上下框架聯接，可在上平板的倒槽內滾動。該機構可通過氣缸或液壓缸推動，上平板可作鉛垂升降。

圖5剪刀叉升降機構運動分析簡圖

設圖中實線AB與CD所示為剪刀叉機構初始位置，虛線A'B'與CD'所示為該機構帶動上平板鉛垂上升△x后的位置，A點滑塊副運動距離為△y。首先證明上平板為鉛垂升降，即上平板在水平方向上沒有位移，只需要證明三角形ABC在運動過程中保持直角三角形。二桿等長且鉸接與中點O，所以AO=OC=OB，該關系在剪刀叉運動保持不變，由此可以推出：∠OAC=∠OCA，∠OCB=∠OBC，所以∠OAC+∠OBC=∠OCA+∠OCB=∠BCA，根據三角形中兩角之和等于第三角的補角，所以∠OAC+∠OBC=180o-∠BCA，所以得到∠BCA=180o-∠BCA，從而∠B CA=90o.所以剪刀叉機構所帶動上平板的運動為鉛垂升降運動。

計算滑塊倒槽的長度，即△x值。

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

整理可得出△x與△y的關系：

根據托架舉升行程的計算，托架總舉升行程為500 mm，即△y=500，根據經驗值取剪刀叉機構桿長為 1620 mm，即A'B'=1 620，根據圖 3可得x=A'B'× cosα，y=A'B'× sinα，取 初 始 位 置α＝10o，將以上值帶入上式可得△x=175.

即上下平板上滑塊倒槽的長度至少為175 mm，為防止兩端干涉，取倒槽長度為185 mm，兩端各留5 mm余量。同時可計算出剪刀叉機構升至最高點時，∠B'A'C＝ 31.5°，即 α'=31.5°- α =21.5°，即連桿CD繞固定鉸接點C轉動了21.5°.

2.3 剪刀叉機構驅動方式選擇及受力分析

根據安裝及使用方便性，優先選用氣缸驅動剪刀叉機構運動。氣缸驅動剪刀叉機構運動有幾種形式，一種是氣缸豎直安裝，直接驅動上框架運動，稱為直立固定式；另外一種是氣缸水平安裝，氣缸推動剪刀叉連桿而間接驅動上框架運動，稱為水平固定式；第三種是氣缸傾斜安裝，氣缸驅動剪刀叉連桿而間接驅動上框架運動，驅動過程中氣缸本身會轉動，氣缸體采用鉸接固定，所以稱為雙鉸接式。氣缸安裝位置的不同帶來剪刀叉連桿受力的不同，綜合考慮不同形式的優缺點及實際使用環境，本機構選擇直立固定式，直立固定式優點是氣缸直接驅動上框架，氣缸作用力分別作用于底部固定框架和上框架，剪刀叉連桿僅作為上下運動的導向，整個機構受力最小，氣缸所需驅動力最小。其缺點是占用空間大、氣缸行程大，考慮到本設計的實際情況，這些缺點對本設計沒有影響[2]。

由于剪刀叉連桿僅作為導向使用，而負載（頂蓋）的重心在氣缸桿鉸接位置附近，理想狀態下連桿本身不受力，考慮機構摩擦及制造誤差影響，剪刀叉連桿會受到一定的作用力，該作用力與潤滑情況及制造精度有關，正常情況下該作用力對整個機構影響較小。驅動方式如圖6所示。

圖6氣缸驅動的剪刀叉升降機構

氣缸需驅動的剪刀叉機構的質量約為140 kg，頂蓋的質量約為21 kg，則氣缸需驅動的理論上質量為161 kg，考慮制造誤差及摩擦力因素，取1.5倍的安全系數，氣缸最小推力應為161×9.8×1.5＝2 367 N，缸徑100mm的氣缸0.6 MPa時的理論推力為4 712 N，工作效率按60%計算，則氣缸實際輸出力為4 712×60%＝2 872 N，在許用范圍之內，所以選用缸徑100mm的氣缸滿足要求。

2.4 輸送機構設計計算

生產節拍最低要求40JPH，保留足夠的余量，按50JPH計算。則循環時間為72 s，運行效率按95%計算，則實際循環時間T=68 s，在一個工作循環中剪刀叉機構升起和降下時間相等，輸送機構輸送和返回時間相等，得出剪刀叉機構升起和輸送時間為34 s，分配剪刀叉機構升起為14 s，輸送時間為20 s。根據工藝規劃的拼臺間距，確定輸送距離S=2.75 m，則輸送速度V=S/T=2.75/20=0.138 m/s。升降機構升起的平均速度為0.5/14=0.036 m/s。由此可以計算出驅動氣缸的平均速度約為0.036m/s。

根據節拍計算得知，輸送速度為0.138m/s，可計算得到電動機軸輸出轉速

運輸質量為m=370 kg，考慮制造誤差與系統摩擦，運輸質量取2倍值，即740 kg，設起步階段時間為1 s，并加速至0.138m/s，輸送機構需要的推力

計算得到起步階段電動機輸出軸扭矩為

計算得到起步階段電動機輸出功率為

選取SEW品牌電機，該品牌電機能耗低，性能優越，振動小，噪音低。電機負載類型為均勻負載，根據50JPH節拍，每個工作循環電機啟停兩次，計算得到電機啟停次數為100次/小時，三班次運轉工作時間為24小時連續運轉，查使用系數表可得使用系數為1.33。

根據以上數據及安裝方便性，選取R系列直齒輪減速電機，查減速電機選型表，選取減速電機型號為R37DT80N4，電機齒輪傳動機構如圖7所示。

圖7 齒輪齒條輸送機構

2.5 行走機構設計

行走機構采用軌道固定，滾輪在軌道上行走的方式，這樣的優點是減少滾輪機構的數量，滾輪機構成本較高，而軌道成本較低，滾輪走過的地方只要有軌道即可。另一種方式是滾輪機構固定，軌道在滾輪機構間穿行，這樣軌道所經過的地方都需要有滾輪機構支持，增加了滾輪機構的數量。

圖8滾輪行走機構

2.6 總體結構

總體結構如圖9所示，剪刀叉升降機構5在頂蓋分拼3#臺與4#臺之間往復運動輸送零件，3#臺、4#臺夾具用于定位頂蓋，齒輪齒條輸送機構2安裝于3#、4#臺之間，聯接與兩個拼臺的固定框架上。其工作過程為：工人吊運頂蓋放至3#拼臺夾具上，剪刀叉升降機構升起，托架托起頂蓋離開夾具至一定高度，輸送機構輸送剪刀叉機構和頂蓋一起至4#拼臺，輸送到位后，剪刀叉升降機構下降，下降過程中把頂蓋放至4#拼臺夾具上，剪刀叉升降機構繼續下降一段距離，下降到位后輸送機構輸送剪刀叉機構返回3#拼臺，開始下一個工作循環。

圖9頂蓋輸送與對中機構及頂蓋分拼3#、4#夾具

3 結束語

本設計采用剪刀叉升降機構與齒輪齒條輸送機構相結合，并采用剪刀叉隨動，很大程度上簡化了機構降低了成本。在兩個拼臺間采用一套升降機構隨輸送機構往復運動，避免了采用兩套剪刀叉機構不同步現象，不需要增設同步桿等部件。頂蓋采用托架輸送，利用定位塊對頂蓋精確定位，輸送過程穩定可靠，輸送到位精度高。該機構已經在一些車型的頂蓋分拼焊裝線上應用，滿足了緊湊型車身焊裝線的空間需求，同時在滿足高節拍和穩定性的前提下減少了操作人員，簡化了輸送系統的設計結構，降低了人力成本和設備成本。

[1]杜 干.升降平臺升降機構研究現狀分析[J].機械工程與自動化，2013，4（2）：205-207.

[2]丁志平.氣液動剪叉式升降平臺運動受力分析及其應用[J].株洲工學院學報，1996，（6）:49-52.