翁旻昱

摘 要：以上汽大眾寧波工廠二期前圍機械手的安裝調試為例，針對前圍機械手軌跡控制與安裝調試需求，制定了詳細的安裝計劃，著重對汽車空調組件安裝中前圍機械手軌跡控制與安裝調試的相關內容作一分析闡述。安裝工作完成后極大地提升了汽車空調組件的組裝效率。期望本文的撰寫可以為相似項目提供參考。

關鍵詞：汽車空調系統;機械手;氣動機械臂;軌跡控制

汽車工業(yè)是我國支柱型產業(yè)，是經濟發(fā)展的增長點，從1960年第一臺空調裝配在一汽紅旗轎車上開始，汽車便迎來了空調裝置。機械手優(yōu)點眾多，主要由機械部分、傳感部分和控制部分組成。本項目的機械手分為五大部分，即行走軌道、行走電機部分、氣動手臂、機械夾具和電器柜控制。鑒于汽車前圍在整個流水線安裝中至關重要，因而做好軌道安裝是關鍵環(huán)節(jié)，本次項目軌道安裝過程中特別對每塊鋼板質量進行了現場檢測，確保軌道誤差小于0.2mm。等待吊裝工作完成后，在安裝軌道導向軌時要嚴格將平行誤差控制在2mm以內，且需要對軌道平整度進行二次檢測，保證軌道安裝質量。

1 項目概況

2017年2月上海維荻機電技術有限公司承接上汽大眾寧波工廠二期前圍機械手的安裝調試，項目地點位于浙江省寧波市慈溪市海濱路258號，本項目的設計安裝工作均由上海維荻機電技術有限公司負責。具體的安裝內容包括機械手驅動安裝、行走軌道安裝、氣動機械臂安裝與軌跡控制等內容。計劃在第一周內完成機械設備的安裝工作，第二周開展電氣安裝調試，積極控制好整體工程工期和質量，對每天的施工情況加以匯總，爭取在提前2天內完成調試工作。

2 機械手結構與自由度選取

2.1 機械手結構

機械手主要由手部、運動機構和控制系統三部分組成，手部的作用是抓持工件，按照結構可以分為夾持型、吸附型和托持型。運動機構的升降、伸縮及旋轉等運動方式統稱為機械手的自由度，當自由度越大，機械手的靈活性也會越強，一般來說，機械手的自由度有2～3個。從我國當前機械手應用情況來看，如果按照驅動方式的不同，可以將機械手分為液壓式、電動式、氣動式和機械式機械手這四種;如果按照適用范圍來分類，可以將機械手分為專用機械手和通用機械手兩種形式;按照運動軌跡控制方式的不同可以將機械手分為連續(xù)性控制機械手和點位控制機械手兩種[1]。

機械手的結構由氣控機械手、XY軸絲杠組、轉盤機構及旋轉基座組成，具體的結構如圖1所示。圖中的“1”是機械手的氣控機械手，“2”是機械手的XY軸絲杠組，“3”是機械手的轉盤機構，“4”是機械手的旋轉基座。機械手的夾緊裝置采用關節(jié)結構，旋轉基座的作用是支撐氣控機械手、XY軸絲杠組、轉盤機構三部分。

2.2 坐標形式與自由度

汽車空調組件安裝中常見的機械手按照坐標形式的不同大致可以分為4種：直角坐標型機械手、球坐標型機械手（極坐標型機械手）、圓柱坐標型機械手以及多關節(jié)型機械手。此次項目所采用的機械手坐標形式為圓柱坐標型機械手，因圓柱坐標型機械手結構相比于其他三種，更加簡單緊湊，定位精度也高于其他三種，占地面積較小。坐標形式確定之后，按照本次項目的實際安裝需求，機械手的自由度有3個，即手臂伸縮、手臂升降與手臂回轉。

2.3 機械手驅動方案

作為機械手的重要組成部分，驅動結構在機械手中發(fā)揮著重要的作用，機械手的工作性能很大程度上取決于驅動設計方案。按照動力源的不同，機械手的驅動機構大致可以分為四種，即液壓驅動、電動驅動、氣動驅動及機械驅動。因為實際安裝需求，所設計的三自由度機械手是一種混合式的機械手，擁有電動式驅動和氣動式驅動兩者共同的優(yōu)點，在節(jié)省行程開關與PLC的I/O端口方面發(fā)揮著重要的作用，具有操作簡單和精準定位的優(yōu)勢[2]。

3 機械手控制系統工作原理

通過應用機械手控制系統可以實現對機械手工作順序、運動軌跡、運動時間和速度等的控制，可以幫助機械手按照作業(yè)要求完成各項工作任務。機械手控制系統工作原理是通過機械手對每一個自由度電機加以控制，進而完成特定工作，同時接收來自傳感器反饋的信息，形成穩(wěn)定的閉環(huán)控制?？刂葡到y的核心通常是由單片機或dsp等微控制芯片構成，通過對其編寫程序實現所要功能。

4 機械手安裝技術探究

4.1 動作流程規(guī)劃

此次機械手動作規(guī)劃方案的具體內容是：當汽車空調組件到達時機械手系統即開始動作步進，促使電機驅動縱軸上升，而另一個步進電機驅動橫軸會按照預先設置好的流程向前走，此時轉盤直流電機的轉動作用可以讓機械手整體運動，進而轉到汽車空調組件實際的安裝部位。然后，步進電機可以再次驅動縱軸發(fā)生下降，到達指定位置時可以氣閥放氣，松開組件，此時一個動作流程完成，系統回位后繼續(xù)開始下一波動作。

4.2 行走軌道安裝

兩根行走軌軌道由3cm鋼板拼成，表面經過熱處理可以保證硬度和耐磨損度，要求軌道整體高低差不能超過2mm，尤其是拼接接頭處不得出現高低不平。另外，因為電機小車是靠硬質軸承輪運動，軌道接頭有高低，會在使用過程中產生跳動和聲響，如果情況嚴重會導致小車偏轉造成停車擠住。因此，鑒于行走軌道安裝極易受到其他因素的影響，為了充分保證行走軌道安裝的安全性與順利性，此次安裝首先對用在安裝中的每塊鋼板質量進行了現場檢測，保證軌道誤差不高于0.2mm，采用的檢測工具以電子數顯卡尺為主;而后對安裝作業(yè)面進行現場實地測量，明確鋼構的水平情況，一般水平高低相差5cm是可以通過后期安裝調節(jié)軌道吊腳板找回;最后在現場標記激光打線并拉線標記便于安裝，此過程需要注意的一點是，拉線必須固定在現場，安裝軌道吊腳板后要再次測量水平高低，進而完成軌道板的鋪設。移動小車安裝較為簡單，等待吊裝工作完成后，軌道導向軌的安裝要特別注意平行誤差，需要將平行誤差控制在2mm以內，切記不可以緊靠軌道板。如果安裝過程中發(fā)現導向輪靠軌道板太緊，則要立即進行調整，保證兩者之間保留1～2mm間隙。另外，還需要對軌道平整度進行二次檢測。

4.3 氣動機械臂安裝與軌跡控制

氣動機械臂是自動機械化發(fā)展過程中形成的一種新型裝置，可以按照既定程序自動控制手臂實現工具的操作。另外，氣動機械臂避免了工作人員接觸危險性工作，比如組件安裝過程中所處的高溫、高壓及放射性環(huán)境等。鑒于氣動臂的重量約為200kg重，實際安裝過程中存在很大的難度，最后決定采用手拉葫蘆進行吊裝工作。安裝工作完成后要及時安排接線和氣管供氣，最后需要做的工作是聯接機械夾具，在此過程中務必要在機械臂安裝后通氣再安裝。

從當前氣動機械臂軌跡控制應用來看，主要的控制方法有FID控制、神經網絡自適應控制、模糊自適應控制、滑模變結構控制這四種。FID控制方法是一種基于過程的控制方法，應用最大的優(yōu)勢是不需要系統建模，控制率高，但這種方式存在難以處理系統模型中的不確定性問題，不宜用于氣動機械臂高速運動的控制。神經網絡自適應控制在氣動機械臂軌跡控制中應用廣泛，根本原因是這種控制方式具有很強的學習能力，并利用并行分布式結構充分逼近任意復雜的非線性關系，能夠保證氣動機械臂軌跡穩(wěn)定，在控制氣動機械臂關節(jié)位置和速度誤差中具有顯著的成效。模糊自適應控制也不需要構建數學模型，可以利用控制知識，消除軌跡與理想值之間的誤差，直接調整控制器的參數，保證氣動機械臂軌跡控制效果。本項目氣動機械臂軌跡控制采用神經網絡自適應控制，實際控制效果顯著。

4.4 控制電器柜安裝

控制電器柜安裝時要先對主電路進行查看，確定主電路需要的功能，而后對控制電路進行分析，通過控制電路確認主電路，并注意控制電路有無特殊情況。在配線時，要將所有元器件的接地線全部接好，同種電壓的一起連接。電器柜的上方或者下方需要按照需求開穿線孔，孔的口徑和數量需要嚴格按照穿線數量和防水接頭的型號來確定，一般來說，穿線孔位置設置時要保證控中心到電器柜后板的距離為50mm，開孔孔徑控制為70mm。

5 系統調試

系統調試方案包括機械設備和電氣設備兩方面。機械設備的調試方案內容是水平度調節(jié)依中間下沉處為準兩邊調節(jié)螺栓增大夾板間隙，左右調節(jié)時一邊高低相差5mm。電氣設備的調試方案內容是安裝全部電器設備，檢查主電路，電動檢查接觸器控制電路，由技術人員現場模擬動作檢查機械手動作的連貫性和準確度，用上汽大眾車底盤檢測設備在工作環(huán)境的穩(wěn)定性，配合上汽大眾生產速度調節(jié)機械手的夾取速度。調試方案驗收依據大眾生產加工合同中的相關規(guī)范要求，以滿足工廠生產要求為準。經過現場測試與生產對比，本項目設備完全滿足設計要求，符合大眾下達的生產設計要求，圓滿完成項目。

6 結論

汽車空調組件安裝中前圍機械手軌跡控制與安裝調試中涉及的知識點和技術內容較多，本項目實際進行過程中所面臨的困難主要來自于機械手軌道控制方面，重點體現在行走軌道安裝與氣動機械臂軌跡控制兩方面。通過分析研究，主要通過規(guī)劃動作流程、安裝行走軌道及軌跡控制等技術完成機械手安裝工作，而后重點從機械設備和電氣設備兩方面開展了系統調試工作。經過現場測試與生產對比，生產成果滿足設計要求。

參考文獻：

[1]張文嶸，劉麗娜，錢程.熱泵型純電動汽車空調系統特性[J].制冷學報，2018，39（06）：109-114.

[2]范希營，曹艷麗，郭永環(huán)，等.小型汽車空調器支架注塑模具的設計與分析[J].制造技術與機床，2019，681（03）：158-161.