工業(yè)機(jī)器人夾具柔性化發(fā)展的研究

羅志滿

摘 要：工業(yè)機(jī)器人產(chǎn)業(yè)是我國(guó)戰(zhàn)略性新興產(chǎn)業(yè)，是實(shí)現(xiàn)“機(jī)器換人”計(jì)劃的關(guān)鍵。由于現(xiàn)代智能制造業(yè)的發(fā)展迅速，產(chǎn)品制造需求呈現(xiàn)多品種、小批量、更新快和特色化、定制化設(shè)計(jì)需求高趨勢(shì)等。為了滿足現(xiàn)在制造業(yè)發(fā)展和未來智能制造發(fā)展的時(shí)代需求，其制造工程要求柔性化的程度更高。把多產(chǎn)品柔性化生產(chǎn)線作為未來的重要發(fā)展方向，與此相適應(yīng)的對(duì)夾具柔性化發(fā)展也提出了全新的要求，需要一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、精度高、強(qiáng)度高、通用性好、適應(yīng)性強(qiáng)及柔性高的新型夾具系統(tǒng)。

關(guān)鍵詞：工業(yè)機(jī)器人;夾具;柔性化;現(xiàn)狀與展望

1 機(jī)器人工裝夾具柔性化發(fā)展現(xiàn)狀

1.1 工業(yè)機(jī)器人工裝夾具的通用性差，柔性不足

由于市場(chǎng)產(chǎn)品需求的量不同和產(chǎn)品的多樣化，企業(yè)單一化的生產(chǎn)并不能滿足現(xiàn)代市場(chǎng)的需求和企業(yè)的經(jīng)濟(jì)維持，企業(yè)也逐漸從單一的大批量生產(chǎn)，轉(zhuǎn)變?yōu)橹小⑿∨嗥贩N生產(chǎn)。傳統(tǒng)夾具作為加工產(chǎn)品時(shí)的一種重要工藝裝備，其專用性強(qiáng)，需要根據(jù)不同產(chǎn)品設(shè)計(jì)后結(jié)果定制設(shè)計(jì)，當(dāng)產(chǎn)品進(jìn)行更換時(shí)，相應(yīng)的夾具也隨之跟換，這一過程延長(zhǎng)了產(chǎn)品設(shè)計(jì)制造周期，并且由于專用夾具的唯一性，不能適應(yīng)不同類型，降低了材料的利用率，造成了資源浪費(fèi)，給生產(chǎn)帶來極大不便。據(jù)統(tǒng)計(jì)，在具有中等生產(chǎn)能力的工廠擁有約數(shù)千甚至近萬(wàn)套專用夾具，另一方面，在產(chǎn)品生產(chǎn)快速更新?lián)Q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(shí)際磨損量?jī)H為10～20%左右，造成極大浪費(fèi)，這就導(dǎo)致了目前多數(shù)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(xiàn)象。

1.2 工業(yè)機(jī)器人夾具設(shè)計(jì)制作周期長(zhǎng)，調(diào)試更換繁瑣

多數(shù)集成商和終端客戶在設(shè)計(jì)和制作夾具過程中，缺少相應(yīng)的數(shù)字孿生、仿真技術(shù)，在設(shè)計(jì)階段缺失夾具的尺寸精度和干涉驗(yàn)證，無法在加工之前進(jìn)行修改和優(yōu)化，從而產(chǎn)生生產(chǎn)環(huán)節(jié)的材料、人工、時(shí)間及資金上的極大浪費(fèi)，給集成商的供貨周期、終端用戶的產(chǎn)品換代帶來諸多不便，形成夾具設(shè)計(jì)和生產(chǎn)上的痛點(diǎn)。每個(gè)產(chǎn)品零件和所使用的焊具有特定性和專用性，機(jī)器人配套焊具進(jìn)行焊接工作時(shí)，焊具都是長(zhǎng)期固定在同一位置，機(jī)器人運(yùn)行同一程序?qū)εc之匹配的焊具上的零件進(jìn)行定點(diǎn)焊接，每次需要更換新的產(chǎn)品，則需要更換相應(yīng)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(jī)器人程序，并重新調(diào)試機(jī)器人，這一系列的工作不僅耗時(shí)久，而且需要專業(yè)的技術(shù)人員進(jìn)行調(diào)試切換，更換時(shí)間久耽誤生產(chǎn)且人工成本極高。

1.3 工業(yè)機(jī)器人夾具屬于定制化產(chǎn)品，缺少設(shè)計(jì)和加工環(huán)節(jié)的規(guī)范化和標(biāo)準(zhǔn)化

隨著工業(yè)機(jī)器人工作站夾具的大范圍應(yīng)用，急需實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)線上的機(jī)器人工裝夾具柔性化設(shè)計(jì)開發(fā)。這些夾具是大型機(jī)械產(chǎn)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(shè)計(jì)方法和流程基本成熟，因其定制化的特性，國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)粗放且難以推行，各個(gè)企業(yè)的設(shè)計(jì)規(guī)范差異明顯，依賴設(shè)計(jì)人員的個(gè)人能力和經(jīng)驗(yàn)，很難形成設(shè)計(jì)模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化，進(jìn)而難以形成品種豐富的標(biāo)準(zhǔn)化模塊庫(kù)。加上各產(chǎn)品的定位基準(zhǔn)不統(tǒng)一，在加工環(huán)節(jié)，因缺少通用性模塊和相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)化工藝，無法形成批量化部件，造成夾具加工質(zhì)量不統(tǒng)一、精度不統(tǒng)一及成本增高的問題。

2 機(jī)器人工裝夾具柔性化設(shè)計(jì)要點(diǎn)

在協(xié)助本地的工業(yè)企業(yè)設(shè)計(jì)一些工裝夾具及工件設(shè)計(jì)時(shí)，總結(jié)了一些比較有代表性的設(shè)計(jì)如下：

2.1 柔性?shī)A具底板

夾具底座是焊接夾具的基礎(chǔ)元件，用于夾具和工件的支撐。其結(jié)構(gòu)是由若干不同長(zhǎng)度的方管，通過連接塊拼裝成適合車身尺寸的基礎(chǔ)板，基礎(chǔ)板包括由方管構(gòu)成的外框架和設(shè)置在外框架內(nèi)的若干支撐桿，構(gòu)成外框架的4根方管的底部連接有多個(gè)撐腳，外框架的一對(duì)稱邊的方管的底部連接有多個(gè)滑輪，方管與方管的連接夾角之間設(shè)有對(duì)方管側(cè)面進(jìn)行加固的角接。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)由不同長(zhǎng)度的方管快速安裝組成一個(gè)便于拆卸的柔性底板，針對(duì)不同產(chǎn)品，柔性底板可以按照產(chǎn)品的尺寸進(jìn)行大小調(diào)節(jié)，極大降低夾具重復(fù)制造的成本和周期。

2.2 智能速換焊具模塊及自動(dòng)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(shè)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(dòng)至兩固定座之間的間隙內(nèi)，在移動(dòng)的過程中，可通過限位塊進(jìn)行限位，以便快速將焊具底座移動(dòng)至設(shè)定的位置進(jìn)行安裝。通過第一驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)、第二驅(qū)動(dòng)裝置驅(qū)動(dòng)和兩固定座上的支撐柱配合，從而對(duì)焊具底座水平方向上的位移進(jìn)行限位，同時(shí)支撐柱能夠?qū)妇叩鬃M(jìn)行舉升，使得焊具底座的底端脫離地面，并提供動(dòng)力也能保持對(duì)焊具底座的舉升狀態(tài)。本設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)已申請(qǐng)發(fā)明專利：一種工業(yè)機(jī)器人智能速換焊具模塊及自動(dòng)焊接系統(tǒng)（201911048105.3）。該設(shè)計(jì)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(jìn)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(chǎn)效率。

自動(dòng)焊接系統(tǒng)通過控制PLC從站控制箱完成自動(dòng)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(shè)置有特定的IP地址，PLC從站控制箱能夠識(shí)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(dòng)調(diào)用與IP地址匹配的焊接程序控制機(jī)器人進(jìn)行焊接工作。程序控制的自動(dòng)焊接系統(tǒng)自動(dòng)執(zhí)行復(fù)雜產(chǎn)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(jù)不同產(chǎn)品調(diào)整夾具定位位置，實(shí)現(xiàn)夾具空間定位柔性化。主要構(gòu)成部分包括夾具底座、定位機(jī)構(gòu)、夾緊機(jī)構(gòu)等。其中夾具底座是焊接夾具的基礎(chǔ)元件，用于夾具體和工件的支撐。定位機(jī)構(gòu)是保證待焊工件有精確位置的部件，定位方式設(shè)計(jì)為孔定位。夾緊機(jī)構(gòu)是保證待焊工件在焊接時(shí)不發(fā)生位置移動(dòng)的關(guān)鍵部件，能夠防止在焊接機(jī)器人的作用力下發(fā)生移動(dòng)。雖然每個(gè)產(chǎn)品元件的間距產(chǎn)生偏差不大，但是由于夾緊機(jī)構(gòu)位置固定，會(huì)影響到夾緊機(jī)構(gòu)和產(chǎn)品元件之間的定位，因此會(huì)出現(xiàn)不適配的情況，無法實(shí)現(xiàn)夾緊，影響后續(xù)切割工序，工作效率低下。通過設(shè)置滑軌和滑塊，將用于夾緊工件的夾持件固設(shè)在滑塊上，同時(shí)設(shè)置固定塊并通過彈簧將滑塊與滑塊兩側(cè)的固定塊連接，利用夾持件夾緊工件時(shí)，即使各個(gè)產(chǎn)品元件的間距各不相同，夾持件也可以通過滑塊的滑動(dòng)和彈簧進(jìn)行浮動(dòng)調(diào)節(jié)，無須人工介入，提高生產(chǎn)效率。

2.4 電氣控制單元

移動(dòng)座上設(shè)有控制器，控制器內(nèi)設(shè)有PLC和伺服驅(qū)動(dòng)器，通過控制器來對(duì)夾具的松夾進(jìn)行控制，并通過操作面板來進(jìn)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(jī)帶動(dòng)絲杠轉(zhuǎn)動(dòng)，從而使移動(dòng)座在滑槽內(nèi)滑動(dòng)，從而短距離改變夾具的位置，且通過伺服電機(jī)和升降裝置可以調(diào)整夾具的轉(zhuǎn)向和高度，適應(yīng)能力更好。工作臺(tái)底部設(shè)有驅(qū)動(dòng)裝置，可以方便的將整個(gè)工作臺(tái)連同夾具進(jìn)行移動(dòng)，不需要人力搬移，操作方便且省力，保證人員安全，而工作臺(tái)底部的支撐裝置，可以在工作臺(tái)移動(dòng)到指定位置后對(duì)工作臺(tái)進(jìn)行支撐，保證夾具工作過程中的穩(wěn)定性。

3 結(jié)束語(yǔ)

本文主要對(duì)工業(yè)機(jī)器人夾具柔性化發(fā)展進(jìn)行研究。工業(yè)機(jī)器人夾具作為工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用的主要配套設(shè)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(zhì)量，進(jìn)而影響產(chǎn)品的品質(zhì)和生產(chǎn)效率。提高工業(yè)柔性機(jī)器人發(fā)展水平，解決工業(yè)機(jī)器人集成應(yīng)用的重點(diǎn)、難點(diǎn)問題，關(guān)鍵一環(huán)是提高夾具的性能與品質(zhì)。工業(yè)機(jī)器人夾具朝著柔性化、智能化發(fā)展意味著工業(yè)機(jī)器人將更符合各類型產(chǎn)品生產(chǎn)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(chǎn)生質(zhì)的飛躍，提升整體創(chuàng)造力。

參考文獻(xiàn)：

[1]方和平.柔性?shī)A具的發(fā)展與應(yīng)用[J].現(xiàn)代制造工程，2002（01）：55-57.

[2]陳家樂.工業(yè)機(jī)器人柔性?shī)A具實(shí)際應(yīng)用與展望[J].建筑工程技術(shù)與設(shè)計(jì)，2017（08）.

[3]賈建華，范建培.柔性?shī)A具應(yīng)用技術(shù)之解析.輕工機(jī)械[J].2006，24（02）：98-100.