毕业设计（论文）-汽车白车身侧围外板焊接夹具及抓手设计

汽车白车身侧围外板焊接夹具及抓手设计论文题目汽车白车身侧围外板焊接夹具及抓手设计学部机电工程学院专业机械设计制造及其自动化班级19机械学号学生姓名指导老师绪论1.1课题背景1.1.1焊接工装夹具的背景介绍随着汽车在国内的发展，成为个人消费的主要增长点，中国乘用车市场每年都会销售许多车型。市场的发展将对许多汽车制造商提出更高的技术要求，并确保新产品的更快开发。在开发新车的过程中，需要一种灵活的、模块化的三维组合夹具，而不是传统的专用工具，并且可以大大缩短设计和制造时间，重复使用，以节省开发成本。同时，由于专业车辆、工程车辆和公交车的生产批量较小，因此使用柔性化工装制造是一种非常实用和经济的方法。中国的汽车制造业已有50年的历史，但近年来发展迅速。相比之下，中国汽车制造业的技术水平，尤其是焊接夹具的水平，似乎越来越短，无法满足如此快速发展的需求。造成这种现象的原因在于焊接技术在中国机械加工行业传统实践中的地位下降。在中国的许多汽车制造商中，焊接夹具通常包括用于一个或多个特定焊接过程的专用夹具。随着目前小批量和独特的汽车生产的发展趋势，这种工具的使用越来越有限。设计和生产周期长，场地面积大，重复使用率低。这种情况大大降低了中国汽车制造业的焊接技术水平，延长了新车型的研发周期。在世界先进国家的汽车制造业中，广泛使用的焊接夹具是标准化和系列化的，在设计中合理选择是可能的。[1]国内汽车焊接自动化生产线市场目前已形成与国际跨国公司和日本优秀制造商共存的格局。外国公司牢牢占据了中国汽车工业自动化领域的高端品牌市场，在抓住机器人本体和工业机器人产业链的重要零部件方面具有巨大的核心优势，长期合作形成了强有力的合作。由于日本工业机器人起步缓慢，工业机器人的主体和重要零部件被海外机器人制造商垄断，国内工业机器人公司无法摆脱机器人主体和重要部件的局面。如今，世界上的工业机器人制造商都位于日本和欧洲等工业化国家。日本的FANUC、日本的Yamaha、德国的KUKA和瑞士的ABB等四大工业机器人在中国工业机器人市场占有很大份额。过去几年，随着中国汽车市场的繁荣，国内汽车制造和智能装备公司的规模和技术能力逐渐扩大和扩大，设计经验和项目管理能力不断提高，市场地位逐步提升。国内竞争力和低成本价格竞争力促使国内公司进入更复杂、高度一体化的行业。国内公司逐渐发展自己的技术特色，并与日本国内外主要汽车制造商建立长期合作关系。凭借研发能力，加强人力资源开发和经验积累，公司将提高综合创新能力，扩大业务覆盖范围。经过多年的发展，我公司已经开发出具有较强技术竞争力的焊接自动化生产线设计技术。[2]1.1.2焊接工装夹具技术地位汽车车身的加工是通过冲压、焊接、喷漆和总装来生产的。焊接作为四大工艺之一，在汽车设计和生产中占有重要地位。同时，车身的焊接关系到整车状态的稳定性和安全性。在用户不断追求安全性和舒适性的激烈竞争中，汽车焊接在四大工艺中发挥着越来越重要的作用。汽车焊接夹具的设计在焊接过程中起着非常重要的作用，焊接夹具的布局设计是焊接过程完整高效的保证。白车身是其他汽车零部件的载体，是以“钢结构”为主的支撑部件。车身的设计成本约占车辆总成本的一半。[3]它通常有300到500多个复杂形状的钣金冲压零件，这些零件在55-75个工位上以大批量快速焊接。在生产过程中，夹具定位点多达1700-2500个，焊接点多达4000-5000个。[4]白色车身的焊接质量对整车的质量起着决定性的作用。汽车焊接的基本特征是将单个零件、部件和总成组合和重新组装的过程。从零件到白车身焊接总成的每一个过程都是独立的，也是相互关联的。因此，零部件的焊接精度决定了零部件总成的焊接精度，并最终影响和决定车身焊接总成的焊缝精度和质量。这就要求相互关联的零部件、零部件和车身焊接装配夹具的定位标准应该统一和继承，只有这样才能保证最终的产品质量，即使存在质量问题，也很容易分析原因，便于纠正和控制。白色车身的焊接工艺以流水线生产为主，因此夹具设计应有利于流水线的布局和设计，同时也考虑为生产管理提供便利。[5]

2焊装夹具设计方案2.1汽车白车身介绍2.1.1车身构成一般来说，车身包括白车身及其附件。白车身通常指已经装焊好但尚未喷漆的白皮车身（Bodyinwhite），包括翼子板、地板总成、侧围总成、行李箱盖或背门等装配件。2.1.2基准点及车线的规定一般情况下汽车坐标系的原点规定为车前轮轴心线的中点。TL/X/L――表示车长，以车前轮为原点向车尾方向为正，向车头方向为负。BL/Y/W――表示车宽，以车的对称中心线为原点，面对车的行驶方向，向右为正，向左为负。WL/Z/H――表示车高，以车前轮为原点，向上为正，向下为负。见图2.1；有时，汽车生产厂家也可自行规定基准点及坐标系的位置。图2.12.2夹具的定义及设计要求2.2.1夹具的定义夹具就是将工件准确定位和可靠夹紧，便于对工件进行焊接、装配等工艺操作，并在以上工艺操作后保证工件精度要求的工艺装备。一个完整的夹具，是由定位器、夹紧机构、夹具体三部分组成的。在装焊作业中，多使用在夹具体上装有多个不同夹紧机构和定位器的复杂夹具(又称为胎具或专用夹具)。其中，除夹具体是根据焊件结构形式进行专门设计外，夹紧机构和定位器多是通用的结构形式。定位器大多数是固定式的，也有一些为了便于工件装卸，做成伸缩式或转动式的，并采用手动、气动等动方式。夹紧机构是夹具的主要组成部分，其结构形式很多，且相对复杂，驱动方式也多种多样。2.2.2焊装夹具的设计要求在设计焊接工件夹具时应当遵守以下设计要求：1)焊接工装夹具应动作迅速、操作方便，操作位置应处在工人容易接近、最宜操作的部位。特别是手动夹具，其作力不能过大操作频率不能过高，操作高度应设在工人最易用力的部位，当夹具处于夹紧状态时，应能自锁。2)焊接工装夹具应有足够的装配、焊接空间，不能影响焊接操作和焊工观察，不妨碍焊件的装卸。所有的定位元件和夹紧机构应与焊道保持适当的距离，或者布置在焊件的下方或侧面。夹紧机构的执行元件应能够伸缩或转位。3)夹紧可靠，刚性适当。夹紧时不破坏焊件的定位位置和几何形状，夹紧后既不使焊件松动滑移，又不使焊件的拘束度过大而产生较大的应力。4)为了保证使用安全，应设置必要的安全连锁保护装置5)夹紧时不应损坏焊件的表而质量，夹紧薄件和软质材料的焊件时，应限制夹紧力，或者采取压头行程限位、加大压头接触而积、加添铜、铝衬垫等措施。6)接近焊接部位的夹具，应考虑操作手把的隔热和防止焊接飞溅物对夹紧机构和定位器表面的损伤。7)夹具的施力点应位于焊件的支承处或者布置在幕近支承的地方，要防止支承反力与夹紧力、支承反力与重力形成力偶。8)注意各种焊接方法在导热、导电、隔磁、绝缘等方面对夹具提出的特殊要求。例如，凸焊和闪光焊时，夹具兼作导电体:;钎焊时夹具兼作散热体，因此要求夹具本身具有良好的导电、导热性能。再如，真空电于束焊所使用的夹具，为了不影响电子束聚焦，在枪头附近的夹具零件，不能用磁性材料制作，夹具也不能带有剩磁。9)用于大型板焊结构的夹具，要有足够的强度和刚度，特别是夹具体的刚度，对结构的形状精度、尺寸精度影响较大，设计时要留有较大的裕度10)在同一个夹具上，定位器和夹紧机构的结构形式不宜过多并且尽量只选用一种动力源。11)工装夹具本身应具有较好的制造工艺性和较高的机械效率。12)尽量选用已通用化、准化的紧机构以及标准的零部件来制作焊接工装夹具。[6]2.3工艺方案2.3.1电阻点焊基本原理在汽车白车身焊装中，焊接方式分为多种，有点焊，弧焊，氩焊和二氧化碳保护焊等，在本文讲述的汽车白车身焊装线体运作中主要焊接侧围外板总成，所以选择点焊的焊接方式。一般金属有电流流过就会发热。流过电流越大其发热量就越大与电流成正比。金属中、铁等金属有电流流过时由于电阻值较大而发热。因此、铁等大电阻的金属一旦有大电流流过时就会发生很大热量。由于两个焊接物间的电阻值特别大、焊接物间就会产生很大热量。根据这个发热的原理对焊接物通电使其发热溶化成为一体的焊接方法叫电阻焊接。如图2.2所示。图2.22.3.2输入文件在进行设计夹具之前，即时项目开启之前，设计担当得从工艺仿真部门得到有关项目工件数模（含焊点，焊道信息），厂房布局图，上件顺序，式样书，插枪数据和人机工程TPLAN。在工艺卡上就能得到关于这些大部分信息。2.3.3工件数模N车型线体运作中从005工位至015工位所有关的板件有侧围外板，翼子板后上支架组件，翼子板安装中支架组件，后侧外板组件1，后侧外板组件2，后侧外板组件3，侧围外板后部总成，隔音板和前上纵梁组件。2.3.4布局图以下是N车型线体运作2d方案布局图，如图2.3所示，图2.32.3.5焊接工艺流程以下我讲述005工位至015工位侧围外板的焊装工艺流程，线体焊装开始运作第一步，人工运输装有侧围外板的料架（代号005WF1）至005工位，005工位机器人抓手（代号005GP1）从料架取件至010工位的焊接夹具（代号010JG1）,焊接打焊点完成后，015工位的机器人抓手通过七轴行驶到010工位，将焊接夹具的工件夹取并运输，在运输的途中，夹取在积放式输送链（简称APC）运输的前上纵梁组件至下一个工位。进行设计夹具之前，先确定设计先后顺序，005工位至015工位中主要是为了010工位中的焊接夹具打焊点，所以先要设计010JG1，以它为主要设计对象，后面设计的抓手都围绕010工位夹具避开干涉，从而保证线体正常运作。2.4设计方案2.4.1设计标准在开始设计夹具之前，首先得按照项目的设计标准，北汽项目的夹具风格是欧系风格，欧系夹具风格相比于日系夹具风格偏简单直接，日系夹具风格更加面面俱到。不同厂家的项目设计标准也不同，在设计夹具之前，我们可以知道的有定位夹紧块标准，定位销标准，一些标准件，如：脚座，铰链板，限位块和垫片等，也要知道设计时所需要外购件的标准型号，在设计时争取统一一家供应商，除了外购件，还需要base的要求，这对应的是整台夹具存放的位置。2.4.2夹具的定位基准（MCP）确定夹具设计标准之后，下一步得从客户中得到夹紧点定位基准，又叫MCP(MasterControlPoint)是为得到高质量的车身精度，减少车身质量的波动而设定的定位基准。在白车身坐标系统中，规定从车身开发到制造、检测、批量装车各环节共同遵循统一的定位基准，零件设计基准点、工艺夹紧点、工艺定位点、测量基准点统一，实现精确的坐标控制，提高了零部件的制造精度，减少了零部件因基准不协调而产生的偏差，汽车的装配精度也得以提高，汽车生产过程的质量稳定性有了可靠保证。MCP应用在白车身的制造环节中，为模具、夹具、检具等的工装开发提供了设计基础，对于保证车身功能孔位精度、车身装配精度以及质量检测等都起到至关重要的作用，该工作的好坏直接影响白车身的冲压、焊接及总装的质量.MCP的运用主要用于焊接夹具中，抓手夹紧取件则没有过多要求，如图2.4所示是夹具的MCP夹取定位点的实例。图2.4图2.52.4.3MCP选取规则MCP选取规则是根据3-2-1或（N-2-1）定位法则，必须限制所有的6个自由度，保证零件的坐标位置准确；3-2-1原则中的3指的是3个支撑和压紧，2指的是定位销限制的两个方向，1指的是定位销所限制的一个方向。如图2.5所示。对于比较大且刚度不好的零件我们采用N-2-1原则，例如侧围夹具，前地板夹具。[7]2.4.4人机工程TPLAN人机工程学是把人一机一环境系统作为一个整体来研究，以创造适合于人操作的机械设备和作业环境，使人一机一环境系统相协调，从而保证人安全、健康、高效、舒适的工作状态，以实现“以人为本”的人性化理念。[8]在线体运作中，最重要的需要考虑到人机工程，即是人的作业难度，一台良好的设计夹具能够充分考虑到使用者的方便性，按照人机工程的要求，正常男士平均身高175cm，人工作业正常高度在700mm至1100mm，作业深度（即人伸手最远）在800mm以内，如图2.6所示。确定人工操作之后正式开始设计夹具。（b）图2.62.4.5定位销结构设计定位销是夹具设计的最基本元素,在定位工件中起着重要作用，正常一个车身零件的定位由一个圆形定位销和一个菱形定位销组成，即3-2-1原则中的2和1。在010JG1工位中，先从工艺流程分析，人工安装上两个小的工件（翼子板后上支架组件和C翼子板安装中支架组件）通过手动摇杆夹紧，然后050GP1抓手夹取在料架上的侧围外板到夹具中，然后人工再安装上两个中型的工件（后侧外板组件和侧围外板后部总裁），定位工件得靠定位销，主体大工件侧围外板靠两个固定销定位，其他小件都采用伸缩销定位，当定位销与车身坐标系之间有一定角度（大于5º时）、定位销不垂直于底板、定位孔不可见或者为了方便上件/取件时，通常应设计成伸缩销，如图2.7所示。图2.7图2.8在设计定位销单元结构时应遵守以下原则1.主副定位孔为一圆孔一长圆孔时，采用两个圆销进行定位；2.主副定位孔均为圆孔时，采用一圆一菱定位销进行定位，且必须保证菱形销的长边和两销中心线连线垂直，如图8所示；3.主副定位孔均为圆孔时，如所定位零件强度及刚性较差（如前后地板本体等），可采用两个圆销进行定位4.定位销直径设计要求（d为定位销直径，D为对应定位孔直径）：Фd=ФD-0.1mm，适用于焊（铆）接夹具、定位焊抓手等定位功能夹具，例如零件定位孔直径为Ф20mm，则定位销直径设计为Ф19.9mm；Фd=ФD-0.5mm，适用于工艺抓手、中转台、人工上料台等搬运、暂放、转运功能夹具，例如零件定位孔直径为Ф20mm，则定位销直径设计为Ф19.5mm；Фd=ФD-1.0mm，传输Buffer、涂胶台等暂放、搬运、转运功能夹具，例如零件定位孔直径为Ф20mm，则定位销直径设计为Ф19mm；预拼抓手定位销尺寸设计，在工装3D设计时，根据零件的定位精度需求确定。5.定位销制造精度0/-0.05，定位销的安装平面与轴线垂直度0.015mm的误差，同轴度要求0.03mm的误差；6.定位销材料：42CrMo或同等性能材料，工作表面渗碳淬火，淬火深度0.8-1.2mm，表面硬度要求达到HRC58-62；7.定位销工作段的表面粗糙度为Ra1.6，其它Ra3.2，当定位零件为铝件时，定位销工作段的表面粗糙度为Ra0.8，其它Ra1.6；8.定位销的工作段应超出所定位钣金件的上表面3~5mm，螺母定位销定位螺母的2/3有效长度，如图2.9所示。图2.9由于在加工零件的时候存在人工误差，零件的精度就不会十分准确这就需要调整来达到精度要求，因此定位销单元应设计为定位销在其定位功能方向上可进行调整的结构。定位销的位置一般通过调整相应的定位销座及L块增减调整垫片来实现；定位圆孔、长圆孔的圆销，定位圆孔的菱形销，都要求两个方向可调，而产品设计原因导致定位销与车身坐标系不平行时，要求定位销三向可调。2.4.6标准夹紧单元结构设计在上件定位之后，就到单元夹紧工件，如图2.10所示是欧系标准夹紧单元结构，欧系夹紧单元简单，一个支座，一个强力夹紧气缸，两个型块和一个压臂就能组成一个标准单元。相比于日系标准单元结构，日系喜欢用圆形气缸，欧系则用强力夹紧缸，最主要的差距是支座，欧系使用立体支座，则日系则用焊接角座和型板组成的结构进行整体单元的支撑。如图2.11所示是日系标准单元结构。图2.10图2.11在标准夹紧单元中，定位块（又称型块，包括压块和支撑块）之间的配合对焊接工件进行夹紧，定位块与工件配合面的质量同样严重影响着焊接的精度和质量。夹具设计时，定位块尺寸为20×20mm（特殊位置可加大），与零件接触面和安装面需要数控加工，不允许手工打磨，尖角倒圆（1*45°）。当定位面与零件R角距离较近时，定位块与零件R角配合处需要进行倒角处理（在夹具设计中体现，尽量避免现场修磨），保证3mm安全距离，如图2.12所示。定位块材料采用45#钢，工作面与装配面粗糙度Ra3.2，其余Ra6.3。淬火，表面发黑处理，表面硬度要求HRC40-45。定位块通常设计为两销两钉或两销一钉连接方式，如定位零件为铝件，定位块工作面与装配面粗糙度Ra1.6，其余Ra3.2；但是还有特殊情况，汽车白车身侧围外板的外观面十分脆弱，不能用以上的材料要求，因为这样会使得外观面变形，所以定位块与外观面接触时采用非金属的聚氨酯材料，邵氏硬度ShoreA50-85，且不允许在聚氨酯材料上开连接螺纹孔（为防止紧固时聚氨酯堆积变形，聚氨酯固定应使用套管、平垫圈），聚氨酯安装面要有铁板连接，尺寸与聚氨酯接触面尺寸一致，聚氨酯两侧需有铁板夹持，防止聚氨酯变形，保证足够的支撑刚性，如图2.13所示.图2.12图2.13定位块的精度同样影响着板件的焊接时的精度，所以定位块的安装也需要垫片调整，但是它和定位销的调整方式不同，夹紧面最多只能有两个，所以定位块的调整方向也最多有两个方向。2.4.7滑移机构标准单元结构用于普遍夹紧定位，零件无法通过固定单元定位，必须使用活动机构定位时，优先使用滑动平移机构，滑动平移机构通常由平推气缸、滑轨和滑块等机构组成，在侧围外板总成在焊接过程中，总成中流水槽位置偏脆弱，且焊点过多，所以需要比较多压紧点，并且流水槽位置的白车身形状多样，固定单元定位导致无法正常放件和取件，所以只能用滑移机构，甚至更难的可以选择二级翻转机构。如图2.14所示.（b）图2.14设计滑移机构时候需要注意三点，气缸的安装，导轨滑块的定位面和需要限位。在实际安装时，由于气缸安装处的精度不能保证，无法保证气缸的活塞杆和导轨完全绝对平行，这样在使用薄型缸或夹紧缸时，会造成气缸活塞杆和缸体之间不能垂直运动，从而破坏缸体口处的密封圈，而缩短气缸的使用寿命，尤其是在使用行程较大的时候影响最为明显，所以在使用大行程直线运动时，要注意气缸的安装形式和KNCKLE的安装形式要对应是否需要浮动的形式。驱动气缸的安装完后，就要考虑导轨和滑块的精度定位。定位选择可以选择靠销和靠台，靠销成本低，加工简单，靠台加工成本高，但是定位更准确，靠销是以多个销约束导轨和滑块的，但是只能约束一个方向，靠面则选定一个精加工面定位，如图2.15所示。滑移机构在移动到工作端和初始端会产生冲击力，这会对气缸造成损伤，这就需要限位块，这不仅限制位移行程也可以保证精度的传递，如果是大型滑移机构，只有限位块还不能满足，还需要缓冲器来抵挡冲击。限位块（机构）用与翻转、滑移等移动部件达到预定位置时的机械限位，防止机构运动超程或冲击过大，保证精准定位。限位块因为用于限位的作用，所以会经常碰撞。因此这决定了限位块采用45#钢材料，HRC40～45，表面发黑，定位面和装配面表面粗糙度Ra3.2，其余6.3；限位块一般分为单向限位块和双向限位块两种，通常情况下，单向限位块优先使用单球面接触限位形式，尤其在机构受直线力的情况，平面侧为固定侧，弧面侧为动作侧，垫片尽量用于弧面侧，受空间限制时可以用于平面侧，垫片优先使用整体式。图2.152.4.8base的设计基板（又称base板）是承接夹具单元的基座，可以分为焊接类和平板类，焊接类是根据强度需要有方管,槽钢等型材进行焊接组成的，平板类则是用整板直接下料。因为base的重量一般较大，所以必须有吊装位置,例如，吊环，吊耳和叉车槽，这么设计的原因是为了方便运输，base作为精度基准，需要保证一定的精度和强度，并且图纸上一般有车线、基准孔、基准槽、基准线和刻印。设计base的基准孔及公差一般为10mmH7，相对公差为正负0.02mm/0.03，表面粗糙度为Ra1.6，在基准孔上添加基准孔盖板保护基准孔。在设计base最大的问题是尺寸大小问题，对于只加工顶底两面的普通base而言，其长度展不界定，但宽度不得大于2m，能够运输的最大宽度（非base本身）为2.3m，而方管焊接而成的框架，其高度不宜大于1.5m。由于base主体结构比较大，需要用到大型龙门机床铣面加工，设计时尽量避免多个方向的平面，需要加工平面和立面，就需要二次装夹，精度难以保证，且立面加工是，容易超出机器最大立面加工高度，导致无法加工。如图2.16所示是010夹具工位的base。（b）图2.16Base板的设计是基于车身坐标系设计的，以车身为坐标系设计base时，为了能够充分夹紧需要让base与地面保持一定角度，如果设计一个单个角度的base，在加工方面会比较困难且受力点和重心会偏移过多，所以这个base可以分成两个钢结构设计。考虑成本问题，选择base板的材料为Q235-A。在加工时，BASE板与钢结构框架的焊缝不许有夹渣、气孔，焊道丰满平整。焊后经退火处理以消除焊接应力（不允许机械去应力）并喷砂处理，然后经精加工而成。2.4.9抓手设计设计完夹具，就需要设计和夹具相关岗位的抓手，有005GP1和015GP1，先从005GP1抓手开始，欧系抓手主要以八角管为主体框架，相比于日系抓手更加简单，主体框架是外购件，所需要的自制件比较少,如图2.17所示是005GP1抓手与机器人工作图图2.17设计抓手前先介绍抓手系统，抓手大部分材料使用碳素或碳纤维复合材料，这种材料一直作为一种优秀材质而被广泛用于航天工业和赛车工业，直到几年前，这种材料建立了其在轻型材料中的领先地位。为了解决工业机器人应用中遇到的和负载相关的种种问题，市场厂商在圆管系统的基础上开发了碳素管系统。碳素管抓手可单独装配整套抓手，也可与圆管抓手等其它类型抓手配合使用。可根据客户需求提供设计、制造、组装、测量，也可直接以零件形式供货。随着对工业机器人提出更高的要求，需要更短的工作时间，更广的适用范围和更高的输出，面对这些问题，厂商提出了解决方案：延伸功能键的使用范围，增加新工艺流程和在抓具上安装更多不同种类及功用组件，但是这无疑增加了抓具的负载。在线体运作中，抓具的重量对于工业用机器人及工位的使用情况是关键因素，使用碳素纤维材质能最大解决的抓具负载问题，解决负载问题的同时还很大程度保留了原有所需要的强度。早在项目开始阶段，一般由工业机器人的型号来定义所允许的最大负载等级通常此时对于整个抓具及相关组件的实际总重量是不知晓的。如果在实际应用情况下，一旦该抓具的重量等级超过了设计之前的预计重量设计人员不得不先精确计算出该工位最优的负载，然后更换更大的机器人这样一来，无论是资金投入，空间的需求以及节拍时间都将受到不利的影响实际最大减重能达到碳素抓具厂商提供了另外一种解决此类问题的方案甚至为整个抓具系统开创了一个全新且带有建设性的产品理念。更妙之处在于碳素组件可以和铝制组件很好的混用，进行混合性设计。这是因为圆管系统具有良好的通用性，同时具备标准的连接尺寸使得铝制，铁质及碳素的连接件均能灵活的结合在一起。抓手材料选择确定后就到设计抓手环节，设计抓手时，因为抓手取件没有MCP要求，只需要保证取件时保证板件的受力即可，所以开始设定夹紧单元比较随意，确定夹紧单元后，需要确定主体框架的位置，而主体框架定法兰的位置，法兰是连接抓手和换枪盘（即ATC），ATC则可以直接连接抓手和机器人，所以在设计优化之前需要给仿真确定机器人取件时状态的可达性。在六轴机器人中，各控制轴上分别设有原点和可动范围。控制轴到达可动范围的极限，叫做超程（OT）。各轴都在可动范围的两端进行超程检测。只要不是由于伺服系统异常和系统出错而导致原点位置丢失，机器人的动作都不会超出可动范围。此外，为了进一步确保安全，还提供采用机械式制动器的可动范围限制。这种机械式制动器像上文所述中滑移机构一样，用限位块限制到位工作状态的位置。如图2.18所示机器人可达范围的包络图和一轴的制动位置图。（b）图2.18确定机器人的可达性后，设计完抓手就要确定抓手的负载，计算负载是依靠catia的软件操作得出的计算结果后，再输入机器人厂商提供的负载计算表格后得出理论结果。CATIA软件操作，确认方法及步骤：1.数模里删掉所有打开状态、车型状态、参考设备等数据，避免多称重2.区分铁制零件、外购件和铝制零件、外购件，分别存放在不同的产品里3.剩余的气路、电路原件放一个单独的产品内4.对铁制零件、外购件产品和铝制零件、外购件产品分别赋材料“Steel”和“Aluminium”一般气缸赋铝，模组赋铁，其他外购件查样本确认5.按照电箱每个5kg，大汇流板+电磁阀每个8kg，小汇流板+电磁阀每个5kg，其他电、气路原件按范围每片区域2kg来预估重量6.对电、气路原件产品随意赋一个材料，然后在材料的属性-分析-密度框内手动修改密度，最终使电、气路原件产品称重重量接近预估重量7.通过以上方法，抓手所有部份都有重量8.把抓手法兰中心移动到和世界坐标原点重合，且抓手XYZ轴方向要与世界坐标XYZ轴方向重合9.可用称重功能称出重量、重心、惯性矩10.部份机器人负载验算需要量最大尺寸，也需要测量出来（抓手在世界坐标XYZ方向分别的最大跨度）11.打开负载验算工具，选取正确的机器人和控制柜型号，把软件得出的参数填入查看结果（为预留现场管线、焊缝重量，称出来的重量要乘1.2倍安全系数再填进去）以上方式仅适用于估算，对于少数需要精确测量的场景（受力分析），外购件不可直接按铁、铝赋材料称重。需查样本确认重量，用第6步的方式手动赋予重量。如图2.19（a）（b）图2.19计算负载时，需要确认六轴机器人的四轴，五轴，和六轴的最大负载扭矩和最大转动惯量处于极限值的85%~90%之间，能低于则更好。计算完负载还需要计算抓手的强度，强度校核还是基于catia软件的操作。CATIA软件操作，确认方法及步骤：1.框架零件所有几何体通过布尔运算合成一个2.赋材料3.切换到“GenerativeStructuralAnalysis”工作台4.弹窗直接点确定直至进入界面5.用"Acceleration"命令确定重力方向和加速度6.采用C2c点检项描述的精确方法测量各单元重量7.用"Clamp"命令确定固定面（法兰安装面）8.用"DistributedForce"命令给各单元安装面赋重量（一个单元多个安装面需把重量均分到各安装面；有夹工件的单元也需把工件重量均分加进去；要乘1.2倍安全系数）9.用"Compute"命令进行计算，有弹窗点击确定，直至完成10.查看应力和变形量是否符合标准，如图2.20所示（b）图2.20确定负载达到标准后，再设计安装在抓手上的机器人视觉引导系统。在汽车生产焊装车间，使用传统机器人抓手时需要将被抓物料放置在高精度定位工装上，一般要求定位精度达到±1mm。利用机器人视觉引导系统抓件，很好地解决了待抓取物料的高精度定位问题，大大简化了物料上件器具、物料输送EMS等工装的设计，解决了多车型柔性化上料工具共用的难题，为实现无人AGV智能物料配送奠定了基础。[9]机器人视觉引导系统就是用机器代替人眼来做测量和判断，对目标进行摄像拍照获取图像信号，传送给图像处理系统，转换为数字化信号。图像处理系统根据数字化信号进行运算获取目标特征，根据逻辑判断的结果来控制现场机器设备的动作，进行各种装配或者检测报警缺陷产品。机器人视觉引导系统主要由机器人、视觉系统控制柜和测量传感器三大部分组成。视觉系统的主要构成分为五个部分：照明、镜头、相机、图像采集卡和视觉处理器。其中拍照摄像设备、图像传感器、视频信号数字化设备及视频信号处理器在应用上不断推陈出新，技术上从2D到3D正在不断进步。利用相机拍照，结合零件自身的三维信息，实现零件相对于初始状态的6个自由度（3个方向位置和3个方向旋转角度）精确定位；利用3D引导X、Y、Z位置偏移及角度偏转；采用结构紧凑、体积小的传感器；移动式安装在机器人6轴工具上，固定式安装在工位区域固定支架上；为节省节拍，推荐相机配置3个，满足1次拍照获取所有所需特征点数据。2.4.10料架设计抓手设计完后，即可设计和抓手相关的设备，如005工位的料架和015工位的APC。料架的设计比较简单，料架的作用只是存放侧围外板，然后人工运输料架至005工位。设计料架过程中，主要是考虑抓手取件的干涉和料架存放板件的个数即可。如图2.21所示。设计料架设计时，两个板件间隙不宜过大，间隙过大的话要放同样板件数量的话，料架也得做大这样会造成材料的浪费，两个板件间隙也不宜过小，间隙过小的话抓手取件时，夹紧单元的压臂打开范围不够，造成取件的困难。料架设计时的支撑是依靠五点支撑，但是板件的结构也不是均匀有规则的，再加上加工误差，所以在上面的两根支撑柱的安装上做成长圆孔和螺纹孔配合，这样设计是为了方便调整板件支撑的受力点。料架的框架设计也要考虑强度问题，过密的结构会导致强度过剩从而造成材料浪费。因为支撑板件过程中可能会造成对板件的磨损，所以材料选择上也有要求，立面支撑选择45#和表面进行淬火处理，侧面支撑选择聚氨酯的材料。图2.212.4.11APC设计设计完抓手后，则设计015工位的APC,因为这个APC运输线运输小件。积放式输送链是一种适应于高生产率、柔性生产系统的运输设备，不仅起着运输作用，而且贯穿整个生产线，集精良的工艺操作、储存和运输功能于一体。随着现代化物流输送技术的飞速发展，积放式输送机在各行各业得到广泛应用，特别是在汽车制造业中，四门装配线、发动机装配线、整车装配线等。[10]APC的形式可以大体分为地面运输和空中运输，地面运输比较常见，地面运输可分为平放式，侧方式和垂直式输送链。APC的组成分为框架，检测，保护，定位单元，驱动轮，从动轮，托盘小车，涨紧机构和停止机构。如图22所示。APC的使用能很大程度减少了人为的运输难度，但是APC的使用也比较局限，运输板件不能过大也不能过重，只能运输小件，并且运输板件比较单一，只能运输一种板件，成本也是比较昂贵。（a）（b）图2.22它的作业原理是物品移动到一段段皮带上，物品尾端碰到传感器，而中止运送，当下一件物品抵达时，运送机再次激活移动，直到此物品尾端彻底在皮带上，这将继续到一段件物品抵达运送机的末端，接着一个传感器会指示出有一排满列的物品在一段运送带上，然后这一列物品会被完整地移动至远程的空运送带上。而物品能够从此储积线上开释端移去，叫一次移出一件物品或是一整列物品，当此开释端的运送带彻底空的时分，则会再将前一段运送机上的一列物品送入。APC的设计主要是设计定位单元和检测的设计，这都是设计在托盘小车上的配孔板上，其他的都是从厂商购买使用的，设计是需要考虑托盘上的定位单元在运输到链条下方是会不会与框架干涉，也要考虑抓手取件时的状态会不会与定位单元干涉。定位单元的设计也是需要两个定位销定位板件。定位单元中为了引导放件需要设计时安装导向。还要最重要的就是考虑维修性，为了取出托盘小车，需要确定APC的框架上是否开槽，确保能取出托盘小车。2.4.12抓手放置架设计完抓夹具，抓手，料架和APC后，即可设计抓手放置架，顾名思义是抓手的放置支架。如图2.23所示。设计抓手放置架需要安装一个气缸单元，为的是使用盖板保护抓手侧的ATC，防止焊渣掉入安装面从而影响和机器人侧的ATC安装。抓手放置架需要与抓手配合安装安全开关，抓手侧的安全开关连着ATC，放置抓手或者取出抓手时给予机器人一个电信号让机器人取出抓手或者断开连接抓手。放置架上也放置感应器，放置抓手或者取出抓手时给予工作人员同样的信息。设计放置架时需要考虑机器人能不能将抓手取出或者放回，取出或者放回前需要提起或者竖直下降让抓手和定位销配合，退出定位销之后只要避开干涉，机器人的轨迹没有过多要求。设计放置架也需要考虑机器人的可达性。抓手放置架的框架比较简单和样式多样，自行设计即可。设计时需要考虑抓手的重心，重心偏置严重时，需要在放置架上设计加强筋达到稳固状态。因为抓手放置架上也有气杆单元，所以这台设备也需要阀岛的提供气体运作。图2.232.4.13气路设计设计完所有夹具，气路设计是让整个夹具运行和如何运行的基础，气路设计可以让夹具上的执行元件（即气缸）运作，气路系统的设计和管线排布对焊装夹具结构以及机器人动作轨迹都有一定影响。气路图主要要有四部分，气源部分，驱动部分，动作说明和bom表，设计气路图之前得确认以下信息，第一步先根据式样书确定此夹具所有焊接板件的组成，以010工位夹具为例，焊接板件有翼子板后上支架组件，翼子板安装中支架组件，侧围外板，后侧外板组件1，后侧外板组件2和后侧外板组件3，确定板件的上件顺序，第二步需要确定整台设备夹具的气缸型号，数量，这个步骤很重要，以至于会影响后面的外购件下单货期而影响出货时间，也会影响气路图的进行。第三步则需要确定各个气缸的作用，一般焊接夹具的动作过程一般分为进退销、夹紧、打开、顶升、下降、车切等过程。进退销是指除主定位销外的其他定位销，焊接完都要退销；夹紧、打开动作表示气缸驱动压臂焊接前夹紧，焊接后打开；第四步则是对气缸进行分组，为了保证每个气缸的夹紧力要求，每个电磁阀最多控制6个气缸动作，第五步则是确定气缸编号，磁性开关和气管主路编号。根据夹具数据的数量画好气缸后，在进行气缸的编号以及型号与数模的型号相对应。气缸命名的编号如CY-X(X一般是01,02,03……)从上往下，从左至右编号。气缸的型号，必须与下单型号一致。磁性开关的编号如LVX(X一般为01,02,03……)从左往右，从上往下编号。编号的方式从左至右，每一纵列，进气口，出气口的编号都是相同的，一般都是A口进B口出。根据气路分组确定电磁阀数量及型号电磁阀的编号如SOLX(X一般为01,02,03……)从左至右遍号。解锁气路与动作气路必须靠一起，不能被其他气路间隔开。确定编号的之后，就要确定电磁阀的选型，从气缸的分组判断，选择单电控二位五通阀和双电控三位五通中封阀，解锁气路时，使用单电控二位五通阀，常闭状态，通电时，则切换到通电端位置，通气气缸锁受压解锁；断电后，则自动切换到原始位置，断气气缸锁自动上锁。动作气路时，使用双电控三位五通中封阀，常闭状态，其中一端通气时，则切换到通气的位置，两端同时不供气时，则气口及气缸口同时被封闭，气缸内的压缩空气不能排放出来。确定电磁阀型号的选择是否正确就要通过电磁阀计算得出，就是要确定Kv值和有效面积S值的关系，Kv值是阀门的流通能力即表示在阀门全开前后压差为0.098Mpa条件下，密度为1000kg/m3的清水，流过阀门的体积流量数，单位为m3/h。（Cv=1.167Kv）有效面积S值则是在气动技术中，不论元件和管路内部结构如何复杂，设想通过该元件或管路的实际流量就等于在相同压力条件下通过一理想节流孔的流量，此理想节流孔的流通面积就称为该实际元件或管理的有效流通面积。S值与C值之关系：S=18*10-6Cv（m2）=18*Cv（mm2）Q标=984Cv（L/min）（进气压力0.7,出口压力0.6,温度20度）根据气缸缸径、行程、运行速度及使用压力计算出所需的耗气量。其中：Q：气缸的最大耗气量，L/minD：缸径，cmP：使用压力，MpaVmax：气缸的最大速度mm/s，V=S/tS为气缸行程，t=1sVmax＝1.4Vave举例：SE63×300使用气压0.5MPa需要在1s内动作完成(推出),需要配怎么样的阀?气缸最大耗气量:Q=0.0462×6.3×6.3×(300/1)×1.4×(0.5+0.102)=464L/minQ标=984Kv（L/min）KV=0.47（便于计算一般可以Kv=Cv）只需选择比即Cv=1.167*0.47=0.54大的阀即可…用对于不同的夹具，我们根据需要再进行添加，气动三联件包括空气过滤器、减压阀、油雾器。因为我们的气缸能够实现无油润滑（靠润滑脂实现润滑功能），便不需要使用油雾器！空气过滤器和减压阀组合在一起可以称为气动二联件。所以在我们设计的时候可以把它当做一个块来设计的，这样可以减少设计的时间。气源部分包括气压源、气源接头等等。如图2.23所示为气路图，如图2.24所示为气路说明图。图2.23图2.24最后一步就是确认好BOOM表的清单，便于确认元件的数量，型号与及采购品牌等，一般都是包括序号、名称、