張佳晨 黃郁

摘 要：機(jī)器人末端工具快換裝置ATC（Automatic Tool Changer）是指工業(yè)機(jī)器人末端工具自動(dòng)快速交換裝置。通過(guò)使機(jī)器人自動(dòng)更換不同的末端執(zhí)行器或外圍設(shè)備，使機(jī)器人的應(yīng)用更具柔性。這些末端執(zhí)行器和外圍設(shè)備包含點(diǎn)焊焊槍、抓手、氣動(dòng)和電動(dòng)馬達(dá)等。工具快換裝置包括一個(gè)機(jī)器人側(cè)（R側(cè)）用來(lái)安裝在機(jī)器人手臂上，另外一個(gè)工具側(cè)（T側(cè)）用來(lái)安裝在末端執(zhí)行器上。工具快換裝置能夠讓不同的介質(zhì)例如氣體、電信號(hào)、光信號(hào)、液體等從機(jī)器人手臂連通到末端執(zhí)行器。在汽車行業(yè)柔性焊接生產(chǎn)線中的機(jī)器人焊接設(shè)備使用的ATC就是指自動(dòng)更換焊槍的裝置，行業(yè)通常也稱之為“換槍盤”[1]。在柔性制造設(shè)備設(shè)計(jì)階段，事前熟悉并明確把握相關(guān)ATC選型要點(diǎn)，可方便設(shè)計(jì)人員對(duì)常用品牌ATC選型，避免出現(xiàn)選型錯(cuò)誤，減少3D設(shè)計(jì)失誤，節(jié)省設(shè)計(jì)成本，降低設(shè)計(jì)失敗風(fēng)險(xiǎn)，提高柔性制造系統(tǒng)中工業(yè)機(jī)器人ATC設(shè)計(jì)選型工作效率和質(zhì)量。

關(guān)鍵詞：柔性制造 工業(yè)機(jī)器人 ATC 設(shè)計(jì)選型

Abstract：Automatic Tool Changer （Automatic Tool Changer） refers to the automatic and fast tool exchange device at the end of industrial robots. By enabling the robot to automatically replace different end effectors or peripherals， the application of the robot is more flexible. These end effectors and peripherals include spot welding guns， grippers， pneumatic and electric motors， and more. The tool changer consists of a robot side （R side） for mounting on the robot arm and another tool side （T side） for mounting on the end effector. Tool changers allow different media such as gases， electrical signals， optical signals， liquids， etc. to be connected from the robot arm to the end effector.The ATC used in robotic welding equipment in flexible welding production lines in the automotive industry refers to the device for automatic replacement of welding torches， which is commonly referred to in the industry as “gun changing plate”. In the design stage of flexible manufacturing equipment， to be familiar with and clearly grasp the relevant ATC selection points in advance， can facilitate designers to select ATC of commonly used brands， avoid selection errors， reduce 3D design errors， save design costs， reduce the risk of design failure， and improve the efficiency and quality of ATC design and selection of industrial robots in flexible manufacturing systems.

Key words：flexible manufacturing， industrial robots， ATC， design selection

隨著工業(yè)制造技術(shù)的發(fā)展，汽車制造企業(yè)普遍采用了柔性智能生產(chǎn)線。實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線柔性的主要方式之一就是通過(guò)工具、設(shè)備、生產(chǎn)過(guò)程快速、精準(zhǔn)轉(zhuǎn)換。從而達(dá)到增加場(chǎng)地利用率，提高設(shè)備可動(dòng)率[2]；快速滿足隨時(shí)改變的市場(chǎng)需求；減低人工成本；減少停工閑置浪費(fèi)；實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化銷量最大化，提升產(chǎn)品質(zhì)量的穩(wěn)定性；可以高效穩(wěn)定的小批量多品種生產(chǎn)。

工業(yè)機(jī)器人是柔性制造系統(tǒng)的基礎(chǔ)之一，但是機(jī)器人本身有一定的限制。例如，一臺(tái)僅裝備一個(gè)焊槍的機(jī)器人受焊槍大小幾何尺寸的限制，不能完成其他類似材料抓舉工作。采用機(jī)器人ATC可以克服這些限制，拓展機(jī)器人的功能，使機(jī)器人實(shí)現(xiàn)一機(jī)多用。ATC裝置是依靠壓縮空氣作為動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人末端與不同工具之間快速連接和分離，通過(guò)連接板可實(shí)現(xiàn)與所有的機(jī)器人及使用工具的連接裝配。從而讓機(jī)器人有能力交換不同功能的末端執(zhí)行裝置來(lái)實(shí)現(xiàn)不同的功能[3]。可增加機(jī)器人應(yīng)用的柔性，提高生產(chǎn)效率和生產(chǎn)力，并且集成應(yīng)用于機(jī)器人柔性制造系統(tǒng)匯總。

目前機(jī)器人ATC作為柔性生產(chǎn)系統(tǒng)集成中的一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)品，在國(guó)內(nèi)市場(chǎng)主要應(yīng)用于汽車制造領(lǐng)域，以進(jìn)口歐系、日系品牌為主，如霓達(dá)（NITTA）等。進(jìn)口品牌的經(jīng)營(yíng)模式大多以貿(mào)易、銷售為主。近年來(lái)也有個(gè)別國(guó)內(nèi)廠家如本研智工、豐橋智能、泰力高、橋田等作為自主品牌，通過(guò)自主研發(fā)設(shè)計(jì)，逐步成長(zhǎng)成為國(guó)內(nèi)可靠品牌的ATC制造商。

1 常用ATC基本類型及規(guī)格

常用ATC分為機(jī)器人側(cè)、工具側(cè)兩種。機(jī)器人側(cè)及工具側(cè)常用的單一切換形式有焊槍切換焊槍、抓手切換抓手、螺柱焊切換螺柱焊等，可以根據(jù)設(shè)備柔性應(yīng)用需求將其中兩種單一切換形式組合應(yīng)用，常見的有焊槍切換抓手等。

ATC可承載重量范圍一般在10～1000Kg，柔性制造系統(tǒng)中工業(yè)機(jī)器人常用ATC承載重量有100～500Kg。

ATC分為ATC本體及給電、給水、給氣等功能模塊，如下圖所示。

2 ATC規(guī)格數(shù)量選型要點(diǎn)

（1）確認(rèn)機(jī)器人品牌及型號(hào)，并提供給ATC生產(chǎn)廠家進(jìn)行確認(rèn)匹配。

（2）根據(jù)ATC需要切換工具的重量（如焊槍重量、抓手重量）選擇對(duì)應(yīng)承載重量的ATC，工具重量必須小于ATC的設(shè)計(jì)承重。考慮到工業(yè)機(jī)器人實(shí)際作業(yè)過(guò)程中高速運(yùn)動(dòng)的慣性，ATC設(shè)計(jì)選型一般可靠原則是：工具重量≤ATC設(shè)計(jì)承重80%。

（3）根據(jù)柔性制造系統(tǒng)中對(duì)機(jī)器人需求的功能確認(rèn)ATC切換方式是哪一種或哪幾種。常用的切換方式有焊槍切換焊槍、抓手切換抓手、焊槍切換抓手、抓手切換焊槍等。

（4）根據(jù)柔性制造系統(tǒng)中對(duì)機(jī)器人需求的功能確認(rèn)ATC匹配的形式及數(shù)量，常用形有：一拖一（即1個(gè)機(jī)器人側(cè)ATC匹配1個(gè)工具側(cè)ATC）、一拖二（即1個(gè)機(jī)器人側(cè)ATC匹配2個(gè)工具側(cè)ATC）、一拖三（即1個(gè)機(jī)器人側(cè)ATC匹配3個(gè)工具側(cè)ATC）等。

3 ATC功能模塊選型要點(diǎn)

根據(jù)柔性制造系統(tǒng)中對(duì)機(jī)器人需求的功能，確認(rèn)ATC需要使用的模塊，各種模塊分別適用于空氣或水等流體、焊槍或馬達(dá)的動(dòng)力給電以及模擬與數(shù)字信號(hào)通訊等用途，各種模塊安裝模式兼容，可自由選擇模塊組合，常用模塊有以下類型：

（1）給電模塊：為工具側(cè)設(shè)備提供電源動(dòng)力連接，如下表NITTA品牌的ATC主要有100A3針和200A3針兩種，見下表1。

（2）伺服模塊：為工具側(cè)的設(shè)備提供伺服信號(hào)的連接，不同的接頭型號(hào)主要用于匹配伺服焊槍或伺服抓手設(shè)備；如NITTA品牌的ATC的伺服接頭主要DKK接頭性、HATING接頭型、INTERCONTEC接頭型三種。

（3）給水模塊：為工具側(cè)的設(shè)備提供水路的連接，主要用于匹配焊槍或需要用到水路的設(shè)備。正常情況下，工具側(cè)給水模塊有浮動(dòng)機(jī)構(gòu)，目的是預(yù)留安裝作業(yè)空間，確保后續(xù)裝配作業(yè)過(guò)程中安裝 M5帶肩*2Nm螺釘?shù)淖鳂I(yè)可達(dá)性。

（4）給氣模塊：為工具側(cè)的設(shè)備提供氣路的連接接口，一般常用于匹配抓手類設(shè)備，如NITTA品牌的ATC的給氣模塊接口接頭主要1/4 *4口型、1/2 *4口型、1/4 *7口型三種。

（5）信號(hào)模塊：為工具側(cè)的設(shè)備提供模擬及數(shù)字信號(hào)的連接，需核對(duì)信號(hào)針數(shù)是否足夠滿足柔性制造系統(tǒng)中對(duì)機(jī)器人功能的需求。

4 ATC安全裝置選型要點(diǎn)

（1）在設(shè)計(jì)選型過(guò)沖中，充分考慮機(jī)械設(shè)備的安全性。ATC的安裝裝置為機(jī)器人側(cè)及工具側(cè)安全保護(hù)的連接，此項(xiàng)為必要選項(xiàng)。常用的安全裝置有諸如下表的安全鎖和防脫機(jī)構(gòu)等。

（2）防掉落機(jī)構(gòu)解鎖：解鎖方式有固定擋塊式及活動(dòng)擋塊式，如下圖2所示。

防掉落機(jī)構(gòu)解鎖機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)優(yōu)先考慮固定擋塊式，當(dāng)設(shè)備上因空間位置無(wú)法做成固定式才考慮采用活動(dòng)形式；

5 ATC機(jī)械設(shè)計(jì)相關(guān)選型要點(diǎn)

（1）控制換槍盤動(dòng)作的電磁閥，是否需要裝在換槍盤上；

（2）如有焊槍，冷卻循環(huán)水是幾進(jìn)幾出；

（3）抓手需要?dú)饴窋?shù)量；

（4）機(jī)器人與ATC連接是否需要過(guò)渡連接板。ATC安裝到機(jī)器人時(shí)，需要一塊過(guò)渡板（除了type M），如果工具側(cè)孔位與ATC廠家孔位一直，則不需要連接板；如果工具側(cè)無(wú)法按照ATC標(biāo)配孔位來(lái)開孔，則自行設(shè)計(jì)制作過(guò)渡連接板。

6 ATC電氣設(shè)計(jì)相關(guān)選型要點(diǎn)

與相關(guān)電氣設(shè)計(jì)擔(dān)當(dāng)詳細(xì)確認(rèn)ATC關(guān)于電氣方面內(nèi)容，內(nèi)容如下：

（1）電氣控制系統(tǒng)（PNP/NPN）；

（2）點(diǎn)焊槍的溫控信號(hào)（是/否）；

（3）點(diǎn)焊槍的電流監(jiān)控信號(hào)（是/否）；

（4）點(diǎn)焊槍的電壓監(jiān)控信號(hào)（是/否）；

（5）抓手的通訊方式（總線/IO）；

（6）如使用總線通訊，總線方式為Profinet或Devicenet或其他；

（7）機(jī)器人能否直接識(shí)別I/O信號(hào)。換槍盤自身信號(hào)為I/O信號(hào)，如果機(jī)器人無(wú)法直接識(shí)別，則需要通過(guò)模塊做入總線通訊。

7 ATC選型在仿真階段考慮要點(diǎn)

在3D設(shè)計(jì)及機(jī)器人工藝仿真階段時(shí)，必須充分確認(rèn)ATC各模塊的接線頭位置是否與其他零部件干涉、配線空間及維修動(dòng)作空間是否預(yù)留足夠。要在軌跡仿真整個(gè)路徑確認(rèn)，除此之外，路徑上的每個(gè)作業(yè)點(diǎn)的作業(yè)狀態(tài)也要充分確認(rèn)，比如焊槍及抓手在開合、進(jìn)退、選裝狀態(tài)下是否有干涉。

8 ATC選型要點(diǎn)在實(shí)際項(xiàng)目中應(yīng)用

（1）充分了解客戶對(duì)改設(shè)備的功能需要和使用場(chǎng)景，必要的情況下需要現(xiàn)地現(xiàn)物考察、測(cè)繪。

（2）定制ATC，與廠家型號(hào)目錄庫(kù)充分了解，并且是要最新版的型號(hào)目錄庫(kù)。

（3）作成ATC選型要點(diǎn)的點(diǎn)檢表，逐項(xiàng)核對(duì)點(diǎn)檢，避免功能選型遺漏。

（4）多部門參與的項(xiàng)目小組前期方案檢討和設(shè)計(jì)檢討。

根據(jù)客戶的應(yīng)用場(chǎng)景和功能需求，首先公司內(nèi)部的團(tuán)隊(duì)，包含規(guī)劃、機(jī)械、電氣、裝配等多部門的設(shè)計(jì)小組聯(lián)合進(jìn)行前期方案討論，并將討論要點(diǎn)納入到設(shè)計(jì)中去，行程初步的設(shè)計(jì)方案，包含3D和動(dòng)作仿真。之后，也有必要與客戶的技術(shù)團(tuán)隊(duì)，包含技術(shù)、維修、生產(chǎn)、采購(gòu)等部門對(duì)設(shè)計(jì)方案進(jìn)行再次檢討論證，必要的情況下，也可以將ATC的生產(chǎn)廠家一同納入到項(xiàng)目小組。

總之，在柔性制造系統(tǒng)中工業(yè)機(jī)器人ATC設(shè)計(jì)選型階段，能夠?qū)⒁陨弦c(diǎn)充分考慮，并分解落實(shí)到項(xiàng)目小組的各個(gè)負(fù)責(zé)人，逐項(xiàng)核對(duì)點(diǎn)檢，可以大大減少前期設(shè)計(jì)選型失誤，降低后期制造成本，提高設(shè)備維護(hù)效率[4]。當(dāng)然，以上設(shè)計(jì)選型要點(diǎn)也僅僅是在工作實(shí)踐中對(duì)經(jīng)驗(yàn)的部分總結(jié)，需要根據(jù)實(shí)際運(yùn)用場(chǎng)景靈活運(yùn)用。相信對(duì)提升柔性制造系統(tǒng)中工業(yè)機(jī)器人ATC設(shè)計(jì)工作質(zhì)量及效率有一定的參考價(jià)值。

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