第38卷第3期
2021年3月
吉林化工学院学报
JOURNAL OF JILIN INSTITUTE OF CHEMICAL TECHNOLOGY
Vol.38 No.3Mar. 2021
文章编号：1007-2853 (2021 )03-0013-03
刘兴德1，周海宇2…，靳曦3
(1.吉林化工学院机电工程学院，吉林吉林132021;2.吉林化工学院信息与控制工程学院，吉林吉林132022；3.北京
工业大学材料与制造学部，北京100124)
非标夹具
摘要：介绍了关于一定规格范围内的L 型板抓取的柔性机械手的设计•根据L 型板的抓取、定位点焊接 及船形焊接工作任务特点，详细论述了柔性机械手的设计背景、结构原理和工作流程丄型板抓取柔性机 械手的成功开发实现了工业机器人、柔性夹具和智能焊接技术的完美结合.关 键 词：L 型板；工业机器人；柔性夹具；智能焊接技术
中图分类号：TH 122 文献标志码：A D0l ：10.16039/jki22-1249.2021.03.003
L 型板是汽车装备夹具中安装在基板上的连 接定位块、夹紧块等的支撑部件，其制造工艺包括: 板材下料、焊接、热处理和切削加工丄型板的焊接 质量直接影响之后的热处理和切削加工工艺.
当前L 型板焊接工艺存在的问题：
(1) 固定抓具只能装夹单一尺寸工件，且更 换夹具成本高，效率低；
(2) 手工焊居多，焊接精度不达标，作业环
境差；
(3) 焊接一致性差、外观成型不良、焊接时变
形大，易出现未焊透、焊接后工件内部应力分布不
均等现象；
(4) 工件装夹时间长，焊接效率低.
为此，开发基于工业机器人的L 型板智能焊 接平台，在工业机器人上装备柔性抓手[1-2]，可抓
取一定尺寸范围的L 型板零件.在焊接过程中，可 使每道角焊缝保持在船型位姿，实现L 型板的自 动船形焊接，可大幅度保证和提咼焊接质量，提咼 焊接速度，降低劳动强度.
1智能焊接平台整体结构介绍
1.1 L 型板
L 型板结构如图1所示，由立板1、肋板2、底 板3三部分组成，立板上有定位孔、安装孔用于同 定位块、连接块固定连接；肋板起加强支撑的作
用；底板同base 板固定连接起连接支撑的作用.
材质为Q235板材[3-4]，通过线切、火切等下料，具
备一定规模的机加厂均有数控切割设备，预焊接
件尺寸较为精准.
图1 L 型板结构图
1.2焊接平台总体结构
L 型板焊接平台总体结构，如图2所示.
图2焊接平台整体结构
收稿日期：2020-12-14
基金项目：吉林省科技厅项目(20190302080GX)；吉林市科技局项目(201750209)
作者简介：刘兴德(1974-)，男，吉林扶余人，吉林化工学院副教授，硕士，主要从事智能机械方面的研究.* * *吉林化工学院2019
级硕士研究生
14吉林化工学院学报2021年
柔性机械手由六轴工业机器人、快换盘以及
柔性抓手3部分组成，六轴机器人具有运作灵活
性好、转角精度高[5]，可做到快速启停等优点；快
换盘可实现工业机器人与柔性抓手快速拆卸，提
升工作效率.
柔性抓手通过快换盘安装在六轴机器人上,
六轴机器人可通过调节自身姿态，使柔性抓手夹
持的工件在焊接时处于船型位置，实现船形焊接,
保证焊接质量.
1.3柔性抓手
柔性抓手由一系列标准件与非标件通过螺
栓、销固定连接而成，各部件结构简单、成本低.柔性抓手结构如图3所示，虚线部位为抓件前柔性机械手的打开状态，相同部位的实线部分为柔性抓手的夹紧状态.
此柔性抓手是根据实际工况经多次优化的最终结果.
图3柔性抓手结构图
根据图3，抓件流程如下：
L型板由3个尺寸、重量均不同的部件碳钢焊接而成.在夹具单元中，L型板各部件分别上件、装夹完成后，夹具单元上的压力传感器发出信号，工业机器人带动柔性抓手缓慢驶入夹具单元中，加紧气缸1、
5、8工作，带动定位压爪2、4、7夹紧并抓取工件，完成抓件流程.
六轴工业机器人运转，带动柔性抓手，到达焊接指定位置，完成六点定位点焊、船型满焊的焊接过程[6-7].压力传感器采用FSR402，是一款重量轻、体积小、感测精度高的超薄型电阻式压力传感器，可精确反映出各部件是否到达指定位置.
计算分析：
本设计中应用的L型板变动的工件尺寸为立板长度：150〜300mm，材质为Q235的L型板部 件间的摩擦系数为0.45.底板受力分析如图4所示.
单独对工件底板(约重1.8kg)受力分析可知：
尸摩1二加底g=M F n1=^f1，(1)
F1二40N,(2)
肋板受力分析如图5所示.
图5肋板受力分析图
『摩2
严肋g
单独对工件肋板(约重1kg)受力分析可知：
尸摩2二m肋g二”F N2=M F2,(3)
F2二23N,(4)
工件整体受力分析如图6所示.
图6整体受力分析
对工件整体(约重6.8kg)受力分析可知：
F摩3二m整g二M f夹,(5)
F夹二152N,(6)
气缸选型：柔性抓手上的SMC手指气缸根据立板的宽度来选择，气缸闭时行宽度应至少大于100mm,S
MC气缸的夹持力根据图6工件整体受力分析得气缸夹紧力的大小，由此选择SMC气缸的规格为TJ-MHL2-32D；为保证德国TUNKERS 气缸打开时气缸压臂不与夹具单元发生干涉, TUNKERS气缸打开角度为90°；亚德客气缸按照立板上件过程中所测的长度来选择气缸量程为
第3期刘兴德，等:L型板抓取柔性机械手的设计15
200mm，根据夹紧力的大小所选气缸型号为TR12 X200，如表1所示.
表1气缸型号
气缸型号缸径/m m夹紧力
TJ-MHL2-32D32228N
TR12X20012 3.39kgf V50.1A40T1290°50160Nm
2结论
计算机虚拟焊接流程，只需一人辅助即可完成上料，随后柔性机械手即可自动完成焊接、下料等一系列工序，节省大量人力物力•为验证方案可行性，采用德国西门子工业机器人仿真软件Process Designer和Process Simulate，对其工作位置、路径、工作节拍进行仿真优化，保证焊接可行性.
智能焊接平台的优点：
(1)组件多为标准件，结构简单，设计制造成本低；
(2)六自由度机器人工作范围大，转角精度高运作灵活，可快速启停；
(3)该装置可适用于抓取一定尺寸范围内的L型板，快换盘的配用可快速更换柔性夹具部件，抓取更大尺寸范围内的L型板；
(4)该装置可用PDPS模拟仿真抓件焊接路径，抓件效率高、精度高；
(5)该设计所用材料经济性高、对环境无污染.
本文对L型板的焊接装置进行改进，新的生产流水线将彻底取代传统的L型板焊接模式，使L型板焊接的效率、质量均大大提升，并且可以让使用L型板作支撑的工装夹具的精度大大提升.
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北京：机械工业岀版社,2010.
Design of Flexible Manipulator for L-plate Grasping
LIU Xingde1,ZHOU Haiyu2**,JIN Xi3
(1.School of Mechanical and Electrical Engineering,Jilin Institute of Chemical Technology,Jilin132022,China； 2.School of Information and Control Engineering,Jilin Institute of Chemical Technology,Jilin132022,China； 3.Department of Materials and Manufacturing,Beijing University of Technology,Beijing100124,China)
Abstract:This paper introduced the design of flexible manipulator for grasping L-shaped plates in a certain range of specifications.According to the L-plate grasping,anchor point welding and ship-type weiding task characteristics.This paper discussed the design background,design principle and work flow of flexible manipulator in detail.The design of L-shaped plate grasping flexible manipulator realizes the perfect combination of industrial robot,flexible fixture and intelligent welding technology.
Key words:L-shaped;industrial robots;flexible fixture;intelligent welding technology
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