CN114800422A - 将一系列螺栓螺母紧固在车辆底盘上的机器人和制造过程 - Google Patents

Abstract

提供了将一系列螺栓螺母紧固在车辆底盘上的机器人和制造过程，尤其是，本发明涉及一种用于将螺栓螺母(16)紧固在车辆底盘(6)上的机器人(2)，该机器人包括多关节臂(8)，在该多关节臂的端部上布置有螺母紧固工具(10)。套管形定心构件(22)围绕螺母紧固工具(10)固定，并且该定心构件(22)包括截头圆锥表面(24)，该截头圆锥表面使得在与螺母(16)接触时能够将螺母紧固工具(10)自动地重新定位在螺母的轴线上。

Description

将一系列螺栓螺母紧固在车辆底盘上的机器人和制造过程

技术领域

本发明涉及一种用于将一系列螺栓螺母紧固在车辆底盘上的机器人以及一种使用这种机器人的车辆制造过程。

本发明可以应用于诸如卡车、公共汽车、建筑设备等重型车辆的制造过程。虽然将针对卡车的制造过程来描述本发明，但本发明不限于这种特定车辆，而是还可用在其他交通工具中，例如乘用轿车、飞机、军用车辆等。

背景技术

以已知的方式，螺栓广泛地用于车辆的制造过程中以将支架等附接到车辆底盘。在卡车的示例中，底盘由两个纵梁构成，所述纵梁设有多个用于接收螺栓的孔。

如今，操作者需要手动紧固螺栓螺母。将来，这项操作可以由机器人完成。然而，已知的是在紧固过程结束时可以观察到反作用扭矩。实际上，组件在紧固操作期间受到机械应力，并且受到弹性变形。在紧固操作结束时，该组件的部件往往会恢复到它们的初始形状，这会产生反作用扭矩。因此，为了自动化该操作，机器人必须被设计成使得其手腕(终端轴线)能够长时间承受反作用扭矩(可靠性、耐久性)。如今，M14六角螺栓代表了在底盘卡车上使用的紧固件中的80％。根据记录，这种螺栓需要大约175N.m的紧固扭矩。因而，反作用扭矩值必须不超过机器人终端轴线所耐受的最大值。

关于螺栓螺母紧固过程自动化的另一挑战是能够通过机器人连续紧固一系列螺栓。事实上，一系列测试表明，将一系列螺栓反复紧固在底盘上是一个问题。如今，只能连续紧固三个(而不是更多个)螺栓。

此问题主要与孔轴线之间的偏差有关，孔轴线之间的偏差约为+/-0.4mm，而机器人的轨迹精度约为+/-0.2mm。因而，在一些情况下，螺母紧固工具轴线与螺栓轴线不完全对齐。在这种情况下，紧固工具无法实现紧固过程。

目标是能够连续紧固15个螺栓而不会出现故障和停止。为此，一种明显的解决方案将是为机器人配备视觉系统，该视觉系统将能够精确地定位要紧固的螺栓螺母，并在必要时将紧固工具重新对准。然而，这种解决方案成本很高，且相应的软件也将很难实现。这也产生了系统可靠性问题。

在专利文献中，US 2018 0 333 811 A1公开了一种将螺钉引导至螺钉孔的螺钉引导装置，螺钉被螺钉紧固装置紧固至形成在要紧固的工件中的螺钉孔。该螺钉引导装置包括：引导装置主体，其设置在支撑要紧固的工件的支撑件处；和引导构件，其设置在引导装置主体中，并且能够在与螺钉的轴段的中心轴线正交的径向方向上打开和关闭。该引导构件形成螺钉插入件，当该引导构件处于关闭状态时，所述轴段穿过该螺钉插入件被插入。

EP 3 251 798 A1公开了一种助力螺母扳手(powered nut runner)，其包括：套筒，其被可旋转地布置在助力螺母扳手中，并被构造成容纳螺母；马达，其被构造成在套筒上施加扭矩，从而将容纳在套筒中的螺母助力紧固至螺栓；螺母容器连接装置，其用于将助力螺母扳手连接到螺母容器；以及进给通道，其从套筒延伸。该助力螺母扳手被构造成：当助力螺母扳手连接到螺母容器时，使得储存在螺母容器中的螺母能够从螺母容器经由进给通道被自动输送到所述套筒中。

发明内容

本发明的一个目的是提供一种机器人，它能够将一系列(至少十五个)螺栓螺母紧固在车辆底盘上而不会出现故障或停止。本发明的另一个目的是确保该机器人的耐久性和可靠性。

如今，由机器人进行的螺母紧固操作在车辆制造行业中并不常见。机器人主要用于低紧固扭矩，例如，低于45N.m。

关于中等紧固扭矩，例如，100N.m，存在一些用于组装发动机的解决方案。然而，对于需要高紧固扭矩(例如，175N.m)的螺栓，目前还没有涉及机器人的解决方案以将螺栓螺母紧固在底盘上。

该目的通过根据本发明的机器人来实现。

通过提供围绕紧固工具固定的套管形定心构件，可以在与螺母接触时将螺母紧固工具自动地重新定位在螺母的轴线上。因此，如果在接近阶段该螺母紧固工具不是完美地在螺栓的轴线上(由于偏差)，则所述定心构件会抵靠螺母。由于存在于定心构件的端部处的倒角，所以该接近运动的持续进行会因为“楔形效应”而引起紧固工具朝向螺栓轴线的偏移运动。这引起紧固工具与螺母的中心轴线重新对齐。然后，可以实现紧固过程。

本发明还涉及使用所述机器人将一系列螺栓螺母紧固在车辆底盘上的车辆制造过程。

附图说明

参考附图，下面是作为示例引用的本发明实施例的更详细描述。

在这些图中：

图1示出了测试台的透视图，包括搁在支撑件上的卡车底盘梁和本发明的机器人，该机器人配备有用于紧固被接收在所述梁的孔中的螺栓的螺母的工具；

图2是根据图1上所绘的矩形II的放大图；

图3是图2上所绘的矩形III的详图；

图4是卡车的底盘的详图，示出了允许紧固多个支架的螺栓的螺母；

图5是在图4上所绘的圆V的放大图；

图6是套管状定心构件的透视图；

图7是根据图6的平面VII的剖视图；

图8和图9示出了现有技术的机器人可能发生的故障情况；

图10示出了螺栓螺母紧固过程的第一步骤，它对应于螺栓螺母与螺母紧固工具之间的接近阶段，并且其中可以看出，螺母紧固工具没有与螺母的中心轴线同轴对齐；

图11是图10的放大图；

图12是类似于图10的视图，示出了第二步骤，其中可以看出，螺母紧固工具已经与螺母自动地重新同轴对准；

图13和图14是类似于图10和图12的视图，示出了螺母紧固工具的移动，直到它到达可以紧固螺母的末端构造；

图15是螺母的截面图；

图16是本发明的可替代实施例的透视图，其中，力传感器被布置在机器人臂与紧固工具之间的接头处；并且

图17示出了具有略微不同的几何形状的定心构件的另一实施例。

具体实施方式

图1示出了用于将螺栓螺母16紧固在车辆底盘6上的机器人2。机器人2包括多关节臂8，其设有作为螺母紧固工具的臂端工具(EOAT，End Of Arm Tooling)10。

在本示例中，提供支撑件40以将螺母紧固工具10附接到机器人臂8。因而，支撑件40形成机器人臂8与螺母紧固工具10之间的接口。

基本上，机器人2本身(没有EOAT 10)是众所周知的(它可以在市场上买到，例如ABB公司)。类似地，螺母紧固工具10本身也是已知的。

车辆底盘6实际上包括两个纵向钢框架(也称为卡车的侧梁)，图中仅示出了其中一个。每个梁6均包括多个孔，螺栓12被接收在这些孔内。每个螺栓12包括螺纹杆14和螺母16。杆14包括螺钉头140和布置在与螺钉头140相反的一端(纵向端)处的无螺纹部142。杆14的螺纹部在头140与端部142之间纵向延伸。无螺纹部142具有非圆形横截面，例如正方形横截面。

螺母16具有六边形横截面。更准确地说，螺母16的横截面是等边且等角的正六边形。螺母也是双心的(bicentric)，这意味着它既是环状的(具有外接圆)又是切向的(具有内切圆)。

如图10和图11所示，每个螺母16包括六边形横截面的径向外表面16A、轴向端面16B以及将端面16B连接到径向六边形表面16A的倒角16C。

在本示例中，螺栓12是“M14”六角头螺栓，14是螺纹段的直径(以毫米为单位)。而且，被施加用于紧固这种螺栓螺母的扭矩约为175N.m。此外，螺栓12用于将多个支架20紧固在底盘6上。这些支架20可以用作电池组的支撑件，特别是用于混合动力车辆(HEV)或全电动车辆(EV)。然而，在变型例中，这些支架20显然可以用于其他目的，例如用于支撑燃料箱、EATS等。

在附图的示例中，使用多个螺栓(通常是十一个螺栓)来紧固一个支架20。显然，每个支架20包括多个孔以供螺栓杆14穿过。

在附图的实施例中，臂8包括6个旋转轴线J1至J6，这意味着它是6轴机器人。六个轴线允许该机器人在X、Y和Z平面内移动(参见图1)以及使用滚动运动、俯仰运动和偏航运动来定位自身。

参考图1，底盘的梁沿X方向延伸，而螺栓12沿Y方向延伸。

此外，机器人2优选是“小型机器人”，这意味着该机器人的有效载荷在10kg至20kg之间，而机器人的伸展距离在1.2m至1.65m之间。作为提醒，机器人的有效载荷是机器人所能举起的重量。有效载荷包括EOAT的重量和正被拣选的产品的重量(如果适用的话)。机器人的伸展距离是从机器人的中心到机器人臂的最大延伸处的距离。该测量值确定了机器人的工作范围。

在本示例中，机器人2能够以+/-0.2mm的精度(相对于控制路径)来跟随路径。在这方面，并且本身已知的是，机器人2还包括机器人臂轨迹控制单元(未示出)，用于对一系列螺栓重复螺母紧固操作。

基本上，存在集成软件，使得能够根据要紧固的螺栓螺母的位置对机器人的轨迹进行编程。该集成软件使用要紧固的螺母的坐标X、Y、Z作为输入数据。该软件可包括针对预先建立的不同螺栓构造的不同计算机程序。

在卡车的制造过程的示例中，构成卡车底盘(或框架)的纵梁在标准位置处界定了一系列孔。而且，在同型号的卡车上，螺栓在相同的位置处，这意味着可以提前记录要紧固的螺栓螺母的坐标，而无需在每辆新卡车上对机器人重新编程。

在过去的几十年里，机器人和相关联的软件在本行业中已得到广泛应用，这意味着，现在，编写计算机程序以在不同的位置自动移动EOAT来实现特定任务(例如螺母紧固)是常识的一部分，这就是为什么不再进一步描述被集成到本发明的机器人2中的软件的原因。

有利地，螺母紧固工具10是电动型的，这意味着它是电驱动的。然而，作为替选方案，该螺母紧固工具显然可以被气动地驱动。

优选地，该螺母紧固工具是低反作用扭矩类型的，这意味着，在紧固过程的结束时传递给机器人的反作用力为零或几乎为零(而紧固扭矩约为175N.m)。在实践中，这种“低反作用工具”使得能够将不超过0.5N.m的扭矩传递到机器人臂。根据记录，机器人终端轴线(J6)所支持的最大扭矩在6.4N.m至16.7N.m之间，这取决于机器人的尺寸(1.2m或1.65m)。

在本示例中，螺母紧固工具10的扭矩范围在140N.m至190N.m之间。

紧固工具10由内套筒17和外套筒18组成，该内套筒17包括抓握部，该抓握部用于在第一方向上(例如，逆时针)驱动螺栓杆14的端部142，直到螺钉头140抵靠框架6，该外套筒18用于当螺钉头140与框架6接触时在与第一方向相反的第二方向上(例如，顺时针)驱动螺母16。有利地，内套筒17的抓握部具有与杆14的端部142的形状互补的形状(例如，正方形)，以便允许公/母接合(公部分是杆端部142，而母部分是内套筒17)并将内套筒17的旋转运动传递给杆14。

螺母紧固工具10是众所周知的，这就是为什么这里不再对其进行进一步描述的原因(进一步的细节可参见JP2000110816A)。

“低反作用扭矩”效果的实现归功于布置在电动马达和外套筒18之间的齿轮箱系统(未示出)(更精确的信息可参见WO2016/169844A)。

外套筒18包括一个端部孔口19，其形状与螺母16的形状互补，这意味着它也是六边形的，以便通过公/母互补(公部分是螺母，而外套筒是母部分)来驱动螺母16旋转。

有利地，并且如图2所示，发明人认为，外套筒18的轴线Y10与轴线J4之间的距离d应尽可能小，以避免支撑件40在接合阶段期间的变形。

通常由CK45钢制成的套管形定心构件22(也称为“锥体”)围绕螺母紧固工具10布置。定心构件22限定中心轴线Y22。可能地，可以使用任何其他材料来制造定心构件22，例如铜或合金。这可以进一步帮助减少在紧固过程中被损坏/标记的螺母数量。

该定心构件22包括截头圆锥表面24，这使得可以在与螺母16接触时将螺母紧固工具10自动地重新定位在螺母16的轴线Y16上。

有利地，表面24相对于定心构件22的轴线的角度A24在30°与60°之间，优选等于30°或45°。发明人认为30°的角度可能特别相关。

基本上，并且如图7所示，截头圆锥表面24是一个倒角，该倒角在定心构件的垂直于定心构件22的中心轴线Y22的一个端表面26与平行于定心构件22的中心轴线Y22的径向内表面28之间延伸。

在一个实施例中，径向内表面28是光滑的(即，为圆形横截面)。在图17所示的一个可替代实施例中，内表面28的截面可以是不同的，以例如与螺母16的横截面匹配。因而，在该可替代实施例中，内表面28包括一些凹部(通常为六个凹部)，以配合螺母边缘。发明人认为这可以帮助改进定心构件22围绕螺母16的接合。

优选地，并且如图3所示，提供了夹紧螺栓30，用于将该定心构件围绕螺母紧固工具夹紧，所述夹紧螺栓30穿过彼此面对并由轴向狭槽34彼此分隔开的两个凸耳32(参见图6和图7)。在此方面，每个凸耳32都包括用于接收螺栓30的螺纹段的通孔。显然，在未示出的变型例中，可以使用任何其他装置以将定心构件22围绕紧固工具30紧固。

在本示例中，定心构件22还包括内部径向肩台36，该内部径向肩台36将径向内表面28与另一径向内表面29连接。这意味着，在定心构件22的内侧上有两个不同的直径D1和D2。D1是径向表面28的直径，而D2是径向表面29的直径。直径D2严格大于直径D1。

有利地，直径D2大致等于外套筒18的外径，而直径D1大致等于螺母16的六边形横截面的外接圆的直径。显然，定心构件22与套筒18之间存在间隙，以允许将定心构件22围绕外套筒18安装。而且，在螺母与外套筒18之间也存在间隙，以允许将套筒18围绕螺母16定位。

有利地，定心构件22在轴向上突出超过螺母紧固工具10。基本上，在附图的示例中，外套筒18的轴向端部抵靠定心构件22的径向肩台36。

现在参考图8，其示出了现有技术的机器人可能遇到的问题。更具体地，图8示出了两个螺栓彼此间隔开一定距离d。该距离的制造公差为+/-0.4mm，而机器人的精度不小于+/-0.2mm。因此，在一些情况下(例如图8中的情况)，螺母紧固工具轴线Y10与螺栓16的轴线Y16没有完全对齐。在这种情况下，工具10的外套筒18无法围绕螺母16接合，并且螺母紧固工具10不能实现紧固过程。图9示出了当螺栓12在梁6中界定的孔内部横向接合时遇到相同的问题。

现在参考图10和图11，可以看到，使用本发明的定心构件22可以克服这些问题。实际上，并且如图10所示，当外套筒18的中心轴线Y18与螺母16的中心轴线Y16不匹配时，定心构件22的截头圆锥表面24在轴向上抵靠螺母16。由于在定心构件22的端部处存在的接触表面24的倾斜特性，所以，沿着Y的接近运动的继续进行会因为“楔形效应”而引起紧固工具10朝向螺母16的轴线的偏移运动x1。

事实上，并且如图11所示，当定心构件22抵靠螺母16时，螺母16在截头圆锥表面24上施加基本垂直于表面24的反作用力RN。反作用力RN与由EOAT 10施加的轴向作用力RY相结合，产生合力RF，该合力RF被定向成推动定心构件22在径向上远离螺母16的中心轴线Y16，并因此推动EOAT 10在径向上远离螺母16的中心轴线Y16。这引起外套筒18达到图12的构造，在该构造中，外套筒18与螺母16同轴对齐。

发明人认为倒角24的角度A24越大，则反作用力RF越大。为了避免螺母在此阶段期间损坏，较小的角度(30°)可能会更好。

而且，并且如图15所示，发明人已经考虑将螺母倒角16C的角度A16从15至30°增大到60°，以便进一步减少在接合阶段观察到的螺母16的损坏(参见图15)。

并行地，该机器人使用软件在该阶段期间移位时跟随定心构件22，而不施力。该软件被称为“SoftMove”(ABB公司的财产权)，其允许机器人顺应或浮动，以便针对外力或工作对象的变化来调节。利用“SoftMove”，该机器人是顺应性的，这有助于准确性和可靠性。“SoftMove”可以降低该机器人在指定的笛卡尔方向的刚度，同时主要保持其他方向上的原始行为：机器人可以在指定方向上“自由浮动”，并且可以在指定方向上具有弹簧功能。刚度和阻尼参数可以用于控制顺应性。该软件还使得能够进行重力补偿：可以在竖直方向上降低刚度。

基础SoftMove程序在不考虑添加定心构件22的情况下包括以下步骤：

1.机器人：接近运动->套筒在螺钉牙点预期位置的边缘处

2.机器人：激活紧固工具连续旋转(速度20rpm，无扭矩控制)

3.机器人：激活“SoftMove”计算机程序(60％刚度，Z轴；15％刚度，XY轴)

4.机器人：线性运动到最终接合位置(线速度10mm/s)

5.机器人：等待机器人达到0速度，并检查到达位置。螺母现在与支架接触。

6.机器人：如果到达位置OK(套筒完全接合在螺母中)

->激活紧固程序(300rpm转速，和175Nm紧固扭矩)

如果到达位置不OK(套筒未接合在螺母中)

->15mm的后移线性运动->在步骤4处重新开始

7.机器人：等待紧固完成

8.机器人：后移线性运动(50mm)

9.机器人：移动到下一个螺栓。

为了尽可能避免损坏螺母16，并使定心构件22与螺母16之间的接合力比SoftMove系统有更好的精度，可以在机器人与工具支撑件10之间添加力控制传感器100(参见图16)。

对于定心构件22与螺母16接触的工具接合阶段，已经对电动紧固工具动力焦点(electric tightening tool power focus)设置了一些参数。紧固策略程序需要两个阶段。一个阶段用于在螺母上的工具接合，第二阶段用于紧固操作。所选择的参数针对速度、扭矩、时间和角度进行了设置。

有利地，不需要摄像头。换言之，机器人2没有摄像头。

然后，可以在螺母16的方向上移动外套筒18，以依次达到图13和图14的构造。图13和图14上的箭头A1表示套管18的移动方向。

一旦已经达到图14的构造，就可以实现紧固过程本身。具体地，内套筒17的抓握部(即，内套筒17的末端)围绕杆14的端部142接合。然后，内套筒被驱动旋转(参见箭头R1)，引起杆14旋转并纵向移动到图14的构造的左侧(参见箭头R2)，这是因为与螺母16的螺纹接合引起的，螺母16本身因抵靠支架20而保持不平移移动。杆14在其纵向方向上的移动继续进行，直到螺钉头140抵靠框架6。之后，内套筒17停止旋转，而外套筒18开始沿相反方向R2旋转，从而引起螺母16沿相同方向旋转。换句话说，外套管18将扭矩传递到螺母16，这迫使螺母16旋转，如箭头R2所示。这使得能够将支架20夹在螺母16与梁6之间。按照顺序，支架20(更一般地说，要紧固的部件)被夹在梁6与螺母16之间。

显然，即使机器人2在图1中被示出为处于测试环境中(在该环境中，梁6搁置在固定支撑件上)，但本发明的机器人也被设计成集成在车辆(例如，卡车)的生产线上。换言之，该机器人2专用于车辆的制造过程。

应当理解，本发明不限于上文所述和附图中示出的实施例；而是，本领域技术人员将认识到，在所附权利要求书的范围内可以做出许多修改和变型。

Claims (10)

1.一种用于将螺栓螺母(16)紧固在车辆底盘(6)上的机器人(2)，所述机器人包括多关节臂(8)，在所述多关节臂的端部上布置有螺母紧固工具(10)，

其特征在于，套管形定心构件(22)围绕所述螺母紧固工具(10)布置，并且所述定心构件(22)包括截头圆锥表面(24)，所述截头圆锥表面(24)使得在与所述螺母(16)接触时能够将所述螺母紧固工具(10)自动地重新定位在所述螺母的轴线上。

2.根据权利要求1所述的机器人，其特征在于，所述螺母紧固工具(10)是电动型的。

3.根据权利要求1或2所述的机器人，其特征在于，所述螺母紧固工具(10)是低反作用扭矩类型的。

4.根据权利要求1或2所述的机器人，其特征在于，所述机器人(2)能够以相对于控制路径的+/-0.2mm的精度跟随路径。

5.根据权利要求1或2所述的机器人，其特征在于，所述截头圆锥表面(24)是倒角，所述倒角在所述定心构件(22)的垂直于所述定心构件的中心轴线(22)的一个端表面(26)与平行于所述定心构件的中心轴线的径向内表面(28)之间延伸。

6.根据权利要求1或2所述的机器人，其特征在于，所述机器人还包括机器人臂轨迹控制单元，以在一系列螺栓(12)上重复螺母紧固操作。

7.根据权利要求1或2所述的机器人，其特征在于设置有夹紧螺栓(30)，用于将所述定心构件(22)围绕所述螺母紧固工具(10)夹紧，所述夹紧螺栓穿过彼此面对并由轴向狭槽(34)彼此分隔开的两个凸耳(32)。

8.根据权利要求1或2所述的机器人，其特征在于，所述机器人没有摄像头。

9.根据权利要求1或2所述的机器人，其特征在于，所述定心构件(22)在轴向上突出超过所述螺母紧固工具(10)。

10.一种车辆制造过程，其特征在于，所述过程使用根据前述权利要求中的任一项所述的机器人，以将一个或多个螺栓螺母(16)紧固在所述车辆底盘上。

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