羅志滿

摘 要：工業(yè)機器人產業(yè)是我國戰(zhàn)略性新興產業(yè)，是實現“機器換人”計劃的關鍵。由于現代智能制造業(yè)的發(fā)展迅速，產品制造需求呈現多品種、小批量、更新快和特色化、定制化設計需求高趨勢等。為了滿足現在制造業(yè)發(fā)展和未來智能制造發(fā)展的時代需求，其制造工程要求柔性化的程度更高。把多產品柔性化生產線作為未來的重要發(fā)展方向，與此相適應的對夾具柔性化發(fā)展也提出了全新的要求，需要一種結構簡單、精度高、強度高、通用性好、適應性強及柔性高的新型夾具系統(tǒng)。

關鍵詞：工業(yè)機器人;夾具;柔性化;現狀與展望

1 機器人工裝夾具柔性化發(fā)展現狀

1.1 工業(yè)機器人工裝夾具的通用性差，柔性不足

由于市場產品需求的量不同和產品的多樣化，企業(yè)單一化的生產并不能滿足現代市場的需求和企業(yè)的經濟維持，企業(yè)也逐漸從單一的大批量生產，轉變?yōu)橹?、小批多品種生產。傳統(tǒng)夾具作為加工產品時的一種重要工藝裝備，其專用性強，需要根據不同產品設計后結果定制設計，當產品進行更換時，相應的夾具也隨之跟換，這一過程延長了產品設計制造周期，并且由于專用夾具的唯一性，不能適應不同類型，降低了材料的利用率，造成了資源浪費，給生產帶來極大不便。據統(tǒng)計，在具有中等生產能力的工廠擁有約數千甚至近萬套專用夾具，另一方面，在產品生產快速更新換代過程中，每隔2～3年就要更新50～80%左右專用夾具，而夾具的實際磨損量僅為10～20%左右，造成極大浪費，這就導致了目前多數企業(yè)迫切需要通用性和柔性好的夾具，形成普遍存在的現象。

1.2 工業(yè)機器人夾具設計制作周期長，調試更換繁瑣

多數集成商和終端客戶在設計和制作夾具過程中，缺少相應的數字孿生、仿真技術，在設計階段缺失夾具的尺寸精度和干涉驗證，無法在加工之前進行修改和優(yōu)化，從而產生生產環(huán)節(jié)的材料、人工、時間及資金上的極大浪費，給集成商的供貨周期、終端用戶的產品換代帶來諸多不便，形成夾具設計和生產上的痛點。每個產品零件和所使用的焊具有特定性和專用性，機器人配套焊具進行焊接工作時，焊具都是長期固定在同一位置，機器人運行同一程序對與之匹配的焊具上的零件進行定點焊接，每次需要更換新的產品，則需要更換相應的焊具，并固定好焊具的位置，拆裝非常不方便，焊具重新固定安裝后，需要再更換機器人程序，并重新調試機器人，這一系列的工作不僅耗時久，而且需要專業(yè)的技術人員進行調試切換，更換時間久耽誤生產且人工成本極高。

1.3 工業(yè)機器人夾具屬于定制化產品，缺少設計和加工環(huán)節(jié)的規(guī)范化和標準化

隨著工業(yè)機器人工作站夾具的大范圍應用，急需實現生產線上的機器人工裝夾具柔性化設計開發(fā)。這些夾具是大型機械產品裝配和焊接的重要載體，作用重要且影響因素多、柔性開發(fā)難度極大。目前夾具的設計方法和流程基本成熟，因其定制化的特性，國家標準和行業(yè)標準粗放且難以推行，各個企業(yè)的設計規(guī)范差異明顯，依賴設計人員的個人能力和經驗，很難形成設計模塊化和標準化，進而難以形成品種豐富的標準化模塊庫。加上各產品的定位基準不統(tǒng)一，在加工環(huán)節(jié)，因缺少通用性模塊和相應的標準化工藝，無法形成批量化部件，造成夾具加工質量不統(tǒng)一、精度不統(tǒng)一及成本增高的問題。

2 機器人工裝夾具柔性化設計要點

在協助本地的工業(yè)企業(yè)設計一些工裝夾具及工件設計時，總結了一些比較有代表性的設計如下：

2.1 柔性夾具底板

夾具底座是焊接夾具的基礎元件，用于夾具和工件的支撐。其結構是由若干不同長度的方管，通過連接塊拼裝成適合車身尺寸的基礎板，基礎板包括由方管構成的外框架和設置在外框架內的若干支撐桿，構成外框架的4根方管的底部連接有多個撐腳，外框架的一對稱邊的方管的底部連接有多個滑輪，方管與方管的連接夾角之間設有對方管側面進行加固的角接。本設計結構由不同長度的方管快速安裝組成一個便于拆卸的柔性底板，針對不同產品，柔性底板可以按照產品的尺寸進行大小調節(jié)，極大降低夾具重復制造的成本和周期。

2.2 智能速換焊具模塊及自動焊接系統(tǒng)

智能速換焊具模塊包括焊具底座和固定座，焊具底座的上部設置有用于裝夾工件的定位裝夾組件，通過在焊具底座的底部安裝有滾輪，將焊具底座移動至兩固定座之間的間隙內，在移動的過程中，可通過限位塊進行限位，以便快速將焊具底座移動至設定的位置進行安裝。通過第一驅動裝置驅動、第二驅動裝置驅動和兩固定座上的支撐柱配合，從而對焊具底座水平方向上的位移進行限位，同時支撐柱能夠對焊具底座進行舉升，使得焊具底座的底端脫離地面，并提供動力也能保持對焊具底座的舉升狀態(tài)。本設計結構已申請發(fā)明專利：一種工業(yè)機器人智能速換焊具模塊及自動焊接系統(tǒng)（201911048105.3）。該設計降低了使用成本，提高了使用的安全性，并且在安裝過程中無需采用螺釘進行固定，拆裝方便，能夠確保每次安裝后位置的一致性，提高了生產效率。

自動焊接系統(tǒng)通過控制PLC從站控制箱完成自動焊接，PLC從站控制箱與控制系統(tǒng)通訊連接，焊具底座能夠與PLC從站控制箱通訊連接且設置有特定的IP地址，PLC從站控制箱能夠識別不同焊具底座上的IP地址并發(fā)送給控制系統(tǒng)，使得控制系統(tǒng)能夠自動調用與IP地址匹配的焊接程序控制機器人進行焊接工作。程序控制的自動焊接系統(tǒng)自動執(zhí)行復雜產品的焊接工作，可提高焊接效率和焊接精度。

2.3 柔性定位單元

柔性定位單元可根據不同產品調整夾具定位位置，實現夾具空間定位柔性化。主要構成部分包括夾具底座、定位機構、夾緊機構等。其中夾具底座是焊接夾具的基礎元件，用于夾具體和工件的支撐。定位機構是保證待焊工件有精確位置的部件，定位方式設計為孔定位。夾緊機構是保證待焊工件在焊接時不發(fā)生位置移動的關鍵部件，能夠防止在焊接機器人的作用力下發(fā)生移動。雖然每個產品元件的間距產生偏差不大，但是由于夾緊機構位置固定，會影響到夾緊機構和產品元件之間的定位，因此會出現不適配的情況，無法實現夾緊，影響后續(xù)切割工序，工作效率低下。通過設置滑軌和滑塊，將用于夾緊工件的夾持件固設在滑塊上，同時設置固定塊并通過彈簧將滑塊與滑塊兩側的固定塊連接，利用夾持件夾緊工件時，即使各個產品元件的間距各不相同，夾持件也可以通過滑塊的滑動和彈簧進行浮動調節(jié)，無須人工介入，提高生產效率。

2.4 電氣控制單元

移動座上設有控制器，控制器內設有PLC和伺服驅動器，通過控制器來對夾具的松夾進行控制，并通過操作面板來進行操作，代替人工操作，提高了工作效率，還可以通過操作面板控制電機帶動絲杠轉動，從而使移動座在滑槽內滑動，從而短距離改變夾具的位置，且通過伺服電機和升降裝置可以調整夾具的轉向和高度，適應能力更好。工作臺底部設有驅動裝置，可以方便的將整個工作臺連同夾具進行移動，不需要人力搬移，操作方便且省力，保證人員安全，而工作臺底部的支撐裝置，可以在工作臺移動到指定位置后對工作臺進行支撐，保證夾具工作過程中的穩(wěn)定性。

3 結束語

本文主要對工業(yè)機器人夾具柔性化發(fā)展進行研究。工業(yè)機器人夾具作為工業(yè)機器人應用的主要配套設備，其性能的優(yōu)劣極大影響工作站單位工作效率和工作質量，進而影響產品的品質和生產效率。提高工業(yè)柔性機器人發(fā)展水平，解決工業(yè)機器人集成應用的重點、難點問題，關鍵一環(huán)是提高夾具的性能與品質。工業(yè)機器人夾具朝著柔性化、智能化發(fā)展意味著工業(yè)機器人將更符合各類型產品生產線的需求，能把工業(yè)智能化水平拉升到一定的高度，讓企業(yè)制造水平產生質的飛躍，提升整體創(chuàng)造力。

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