镁合金在焊装机器人抓手上的应用研究 镁合金在焊装机器人抓手上的应用研究 成剑 张湘鄂上汽通用汽车有限公司武汉分公司 湖北省武汉市 4302001 引言随着车型柔性化生产的需求，越来越多的平台车型需要共线生产，受制于空间的局限性，抓手也需要多车型共用。共用抓手往往会导致使用同等型号机器人的情况下payload 超重，机器人的选型不得不更换。使用镁合金管替代钢管或铝管来对抓手减重。2 机器人抓手2.1 抓手的结构抓手主要结构包括机器人连接法兰、Base 板、主框架、电气模块、连接支架、气缸和定位单元。...
成剑 张湘鄂
上汽通用汽车有限公司武汉分公司 湖北省武汉市 430200
随着车型柔性化生产的需求，越来越多的平台车型需要共线生产，受制于空间的局限性，抓手也需要多车型共用。共用抓手往往会导致使用同等型号机器人的情况下payload 超重，机器人的选型不得不更换。使用镁合金管替代钢管或铝管来对抓手减重。
抓手主要结构包括机器人连接法兰、Base 板、主框架、电气模块、连接支架、气缸和定位单元。抓手按主框架的材质结构分为焊接框架式和标准装配式。
图1 典型抓手结构
钢质框架式抓手：非标钢质管件焊接完成，整体强度高但重量大，主要用于定位精度较高的焊接工位。
标准八角管抓手：基于模块化原则设计，所以零部件（除定位单元）皆为预制构件，可以实现完整提供的快速组装。主要用于零件搬运或者在补焊和涂胶工位使用，不具备零件精确定位能力。
八角管抓手应用大量轻质金属管材及连接件，在抓手重量方面相较钢质框架式抓手具有明显优势，且由于应用标准模块化组件，采购周期短、成本低、维修方便快捷，已经成为非定位焊接抓手的主流应用方向。
目前八角管抓手应用主要是铝合金材质，相对铝合金材料，镁合金材料的属性及特点如下表1，材料密度低，约为铝合金管密度的70%；抗拉强度高于铝合金、屈服强度与铝合金相当、高韧性；应力集中情况好，具备较好的抗疲劳性能和抗冲击。因此在对于重量要求更高的工位，八角管抓手的铝合金标准件可以考虑更换为镁合金材料。
表1 铝合金结构件和镁合金结构件材料特性对比
某八角管抓手长度1284.11mm，宽度1304.54mm，共13 个单元，主要由标准铝合金系列连接件组成。抓手空载重量178Kg，零件重27Kg，机器人实际负载重量205Kg，机器人极限负载210Kg，负载98%，近乎满载，类似问 题 快递公司问题件快递公司问题件货款处理关于圆的周长面积重点题型关于解方程组的题及答案关于南海问题 对机器人减速机寿命影响较大。通过替换轻量化高强度镁合金材料实施减重措施，降低机器人负载，降低近乎满载情况下对减速机寿命的影响；避免更换机器人导致的新增投资。
除主体框架和钢制连接件由合金管替换铝合金管之外，其余部件均相同。铝合金抓手重量为62.08kg，镁合金抓手重量为41.66KG；抓手整体减重20.37Kg；机器人负载由98%降低到88%，低于机器人payload 警戒值。
4.2.1 抓手模型等效简化
为达到准确分析的目的及仿真软件计算的要求，须对抓手模型进行等效简化，并根据实际情况准确添加载荷。模型简化原则及抓手施加载荷情况：
表2 镁铝合金重量对比
表3 机器人总负载减重对比
（1）主框架自重，添加重力加速度；（2）将控制部分及电线、电缆的重量，转换成力，施加在主管上；（3）将零件、气缸及气缸夹持部分的重量，转换成力，施加在连接气缸的30 管端面；（4）过渡法兰、换枪盘属于机器人的负载，不参与抓手负载分析；（5）抓手负载仿真所附加的总载荷为134.8Kg，未负载仿真所附加的总载荷为111.8Kg。
4.2.2 抓手形变分析
抓手自重导致的形变是固定不变的，而在抓取零件时的相对形变增加量为重点考核对象。通过负载前后对比，轻量化抓手的相对最大形变仅0.18mm，比铝合金抓手最大形变0.13 仅增加0.05mm。
表4 铝合金及镁合金抓手形变对比
抓手的最大变形部位如上图所示红色区域的单个气缸部位；零件替换对抓手结构强度和变形几乎无影响。
4.2.3 抓手整体应力分析
轻量化抓手部件的应力集中情况比铝合金的表现更好，而且应力变化幅度也小。通过负载状态对比，铝合金的最大应力幅值为：37.7Mpa；轻量化抓手的最大应力幅值为：29.8Mpa。
4.2.4 抓手疲劳分析
通过静力学仿真分析显示，铝合金抓手各零部件的最大应力不超过40Mpa，轻量化抓手的最大应力不超过30Mpa。在抓手负载和未负载条件下，铝合金抓手的最大应力幅为37.7Mpa，轻量化抓手的最大应力幅为29.8Mpa。
不论是铝合金抓手还是轻量化抓手，零部件所使用材料的疲劳极限都大于50Mpa：在+50Mpa至-50Mpa循环应力下，能循环108次（1亿次）。抓手的应力幅远小于材料的疲劳极限，因此，抓手的疲劳寿命能够满足使用要求。
4.2.5 镁合金抓手使用状态跟踪
采用铝合金抓手框架，铝合金抓手空载重量178Kg，零件重27Kg，机器人实际负载重量205Kg，机器人极限负载210Kg，负载98%；采用镁合金抓手框架，镁合金抓手空载重量158Kg，零件重27Kg，机器人实际负载重量185Kg，机器人极限负载210Kg，负载90%；使用过程中抓手部件无松动、无滑移及形变，定位销无卡阻及损伤零件，定位面贴合良好，使用正常。复测抓手定位销位置当前测量值在+/-0.15mm 要求内，抓手稳定性较好，满足使用要求。
表5 铝合金及镁合金抓手应力对比
表6 镁合金抓手复测数据
通过上文总结，通过轻量化材料替换后，抓手有效降低了抓手重量20kg，机器人payload 有原来的205kg 将至185kg，能大幅度减轻机器人运行中的机械损耗，延长设备寿命，且降低能耗。同时，相对原有的铝合金抓手，镁合金抓手在形变方面基本保持一致，在应力方面表现更好。实际使用跟踪数据表明镁合金抓手稳定性较好，满足使用要求。
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