一種工業機器人夾具換裝單元的設計與研究

陳建幫 李華雄 陳文升

（佛山職業技術學院 機電工程學院，佛山 528137）

1 研究背景

在工業機器人進行各類生產任務作業前，需要為工業機器人設計并安裝不同的夾具。這些夾具好比是生產者的手或生產者手中的工具。沒有給工業機器人配備工裝夾具的情況下，工業機器人無法進行生產性活動，如氣動夾爪、氣動吸盤、電（氣）動主軸等[1]。根據工作對象和任務的不同，所選擇的夾具不同。有些企業將生產需要的夾具設計為標準系列化夾具，放置在設計好的夾具架上，根據工作對象和生產任務的不同，需用到哪種夾具就更換哪種夾具。工業機器人屬于近幾年較新型的工業設備和新型行業，其中工業機器人的機械結構本體設計和控制技術都已成熟，夾具實現了標準化，但在工業機器人與工裝夾具的結合應用方面還有很大的研究空間。

2 研究目標

本文研發設計了一種工業機器人所用夾具換裝單元。項目以6種不同夾具設計換裝單元為例，該夾具換裝單元可以根據實際生產需求存放多種不同功能屬性的夾具，并在生產過程中實現換裝動作。作為工業機器人夾具智能換裝單元，它是一種可以很好地與工業機器人結合配套使用發揮工業機器人的最大優勢和實現工作流程最大自動化程度的一種新型智控單元，可將夾具設計成標準化系列夾具，具有很強的整合性。它將多種夾具整合到夾具換裝單元內，形成了一個“夾具庫”對夾具進行管理和調用，實現了保護和存放夾具的基本功能，同時在現有技術上升級優化了設備。

擬解決的關鍵問題主要包括3個[2]：更換夾具需要手動拆卸，費時費力，且需要中斷工業機器人的運轉，即夾具更換自動化程度低；若需要全自動更換多個夾具，需要在工業機器人編程時，在控制程序內計算多個夾具的位置坐標值，導致編程復雜煩瑣；由于夾具屬于巧妙和精密的機械結構設計，現有的技術上缺少用于放置和保護夾具的裝置。

3 總體設計方案

鑒于存在的問題，研究設計了一種工業機器人夾具換裝單元。換裝單元內可以存放6種不同功能屬性的夾具，使用時與工業機器人控制柜連線一起使用，通過工業機器人控制柜上的輸入、輸出端口，控制夾具單元內夾具轉盤旋轉更換夾具[3]。初步設計本體單元的結構，如圖1、圖2、圖3所示。

圖1 夾具換裝單元本體結構示意圖一

圖2 夾具換裝單元本體結構示意圖一

圖3 夾具換裝單元本體結構示意圖一

設計的夾具換裝單元主要圍繞4個部分進行設計，分別為工位夾具轉盤的結構設計、分度裝置的設計、控制柜的設計和智能控制系統的設計。

3.1 工位夾具轉盤的結構設計

使用前，將工業機器人標準化夾具按編號放置在夾具單元內的6工位夾具轉盤上。轉盤上有6個工位，可放置6種不同功能屬性的夾具。其中，對于夾具轉盤的要求，以定位準確、結構簡單和易加工為設計宗旨。結合模塊化設計的思路，通過多次實驗嘗試和設計分析軟件建模仿真，驗證夾具轉盤功能實現的可行性。對于工位夾具轉盤機構的設計，由于夾具的結構形狀不一，設計一種能夠自動進行彈性定位夾具的多工位轉盤。

3.2 分度裝置的設計

結合工業機器人實際生產過程中對不同產品進行加工的生產需求，其定位交換換裝功能可在手動調試和自動工作狀態下實現。手動調試時，按下手動按鈕可控制機箱內部電機帶動分度撥齒撥動分度轉盤，分度轉盤旋轉帶動連接轉軸上的夾具轉盤旋轉，夾具轉盤即可實現依次旋轉使60°角變換不同的夾具。每旋轉一次轉動60°角，電機停止運轉并自鎖，以防止使用時發生角度位移產生位置誤差。自動工作模式下，要求工業機器人根據設定的程序和智能監測系統自動定位換裝夾具。

根據功能實現要求，該裝置組成元件主要包括分度轉盤、分度撥齒、電機連接架、電機、和移動萬向輪。同時，作為設備的關鍵組成之一，需通過分析軟件不斷優化設計，動畫仿真其設計機構運行的可行性。

3.3 控制柜的設計

使用時與工業機器人控制柜連線一起使用，通過工業機器人控制柜上的輸入、輸出端口控制夾具單元夾具轉盤旋轉更換夾具。

3.4 智能控制系統的設計

結合設備的結構動作要求，進行智能控制系統的設計，主要包括控制單元的選擇、監測平臺的設計、外圍電路的設計以及傳感裝置的選擇等[4]。

（1）依靠智能監控和控制系統，可以拓展實現多臺夾具換裝單元的運行；

（2）采用PLC和觸摸屏技術，實現設備運行的可視化監控和操作；

（3）設計開發智能聯網、路由、防浸入和信息校驗等功能，實現各種PLC、DCS、傳感器等設備的智能連接，解決不同通信標準的異構系統之間的互聯互通互操作，解決自動化系統中的信息孤島問題；

（4）設計設備監控與信息管理平臺架構，利用Web技術，實現系統在PC機、智能手機、平板等各智能終端的無差別和兼容性。另外，用戶無需安裝系統，只需要使用瀏覽器就可使用系統，便捷簡單。

4 夾具換裝單元自動變換夾具位置的兩種方式

工業機器人夾具交換換裝功能的實現，可通過手機、平板、瀏覽器或觸摸屏等實現監視和遠程操作[5]。

通過機箱面板上的手持操作器，按下相應的編碼按鍵，會直接將所需編號的夾具旋轉至自動安裝工位，或者按下依次旋轉按鍵，依次順時針或逆時針旋轉變化夾具，適用于日常夾具維護或生產前的調試。

將夾具智能換裝單元控制柜與機器人控制柜的輸入、輸出端口連接，可通過編程設定夾具變換的順序來更換所需要的夾具，適用于機器人在自動連續生產時的使用。工作過程中更換夾具的過程全按機器人編好的程序執行，具有全過程自動化特點。開發智能監測平臺，可實現工業機器人換裝夾具過程的實時監控和狀態信息反饋。

5 結語

此夾具換裝單元的設計實現了自動換裝夾具的動作流程，告別了傳統手動拆卸更換操作，避免了機器傷人的風險，降低了勞動強度，提高了自動化程度和工作效率。將多種夾具整合到夾具換裝單元，形成了一個“夾具庫”，減少了位置坐標值的計算，優化了工作流程和編程難度，實現了保護和存放夾具的基本功能，同時在現有技術上升級了設備，使設備、工作流程更加標準化、可視化。