柔性制造系統中工業機器人ATC設計選型要點

張佳晨 黃郁

摘 要：機器人末端工具快換裝置ATC（Automatic Tool Changer）是指工業機器人末端工具自動快速交換裝置。通過使機器人自動更換不同的末端執行器或外圍設備，使機器人的應用更具柔性。這些末端執行器和外圍設備包含點焊焊槍、抓手、氣動和電動馬達等。工具快換裝置包括一個機器人側（R側）用來安裝在機器人手臂上，另外一個工具側（T側）用來安裝在末端執行器上。工具快換裝置能夠讓不同的介質例如氣體、電信號、光信號、液體等從機器人手臂連通到末端執行器。在汽車行業柔性焊接生產線中的機器人焊接設備使用的ATC就是指自動更換焊槍的裝置，行業通常也稱之為“換槍盤”[1]。在柔性制造設備設計階段，事前熟悉并明確把握相關ATC選型要點，可方便設計人員對常用品牌ATC選型，避免出現選型錯誤，減少3D設計失誤，節省設計成本，降低設計失敗風險，提高柔性制造系統中工業機器人ATC設計選型工作效率和質量。

關鍵詞：柔性制造 工業機器人 ATC 設計選型

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

隨著工業制造技術的發展，汽車制造企業普遍采用了柔性智能生產線。實現生產線柔性的主要方式之一就是通過工具、設備、生產過程快速、精準轉換。從而達到增加場地利用率，提高設備可動率[2]；快速滿足隨時改變的市場需求；減低人工成本；減少停工閑置浪費；實現自動化銷量最大化，提升產品質量的穩定性；可以高效穩定的小批量多品種生產。

工業機器人是柔性制造系統的基礎之一，但是機器人本身有一定的限制。例如，一臺僅裝備一個焊槍的機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。采用機器人ATC可以克服這些限制，拓展機器人的功能，使機器人實現一機多用。ATC裝置是依靠壓縮空氣作為動力源驅動實現機器人末端與不同工具之間快速連接和分離，通過連接板可實現與所有的機器人及使用工具的連接裝配。從而讓機器人有能力交換不同功能的末端執行裝置來實現不同的功能[3]。可增加機器人應用的柔性，提高生產效率和生產力，并且集成應用于機器人柔性制造系統匯總。

目前機器人ATC作為柔性生產系統集成中的一個標準品，在國內市場主要應用于汽車制造領域，以進口歐系、日系品牌為主，如霓達（NITTA）等。進口品牌的經營模式大多以貿易、銷售為主。近年來也有個別國內廠家如本研智工、豐橋智能、泰力高、橋田等作為自主品牌，通過自主研發設計，逐步成長成為國內可靠品牌的ATC制造商。

1 常用ATC基本類型及規格

常用ATC分為機器人側、工具側兩種。機器人側及工具側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，可以根據設備柔性應用需求將其中兩種單一切換形式組合應用，常見的有焊槍切換抓手等。

ATC可承載重量范圍一般在10～1000Kg，柔性制造系統中工業機器人常用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規格數量選型要點

（1）確認機器人品牌及型號，并提供給ATC生產廠家進行確認匹配。

（2）根據ATC需要切換工具的重量（如焊槍重量、抓手重量）選擇對應承載重量的ATC，工具重量必須小于ATC的設計承重。考慮到工業機器人實際作業過程中高速運動的慣性，ATC設計選型一般可靠原則是：工具重量≤ATC設計承重80%。

（3）根據柔性制造系統中對機器人需求的功能確認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）根據柔性制造系統中對機器人需求的功能確認ATC匹配的形式及數量，常用形有：一拖一（即1個機器人側ATC匹配1個工具側ATC）、一拖二（即1個機器人側ATC匹配2個工具側ATC）、一拖三（即1個機器人側ATC匹配3個工具側ATC）等。

3 ATC功能模塊選型要點

根據柔性制造系統中對機器人需求的功能，確認ATC需要使用的模塊，各種模塊分別適用于空氣或水等流體、焊槍或馬達的動力給電以及模擬與數字信號通訊等用途，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：為工具側設備提供電源動力連接，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：為工具側的設備提供伺服信號的連接，不同的接頭型號主要用于匹配伺服焊槍或伺服抓手設備；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：為工具側的設備提供水路的連接，主要用于匹配焊槍或需要用到水路的設備。正常情況下，工具側給水模塊有浮動機構，目的是預留安裝作業空間，確保后續裝配作業過程中安裝 M5帶肩*2Nm螺釘的作業可達性。

（4）給氣模塊：為工具側的設備提供氣路的連接接口，一般常用于匹配抓手類設備，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）信號模塊：為工具側的設備提供模擬及數字信號的連接，需核對信號針數是否足夠滿足柔性制造系統中對機器人功能的需求。

4 ATC安全裝置選型要點

（1）在設計選型過沖中，充分考慮機械設備的安全性。ATC的安裝裝置為機器人側及工具側安全保護的連接，此項為必要選項。常用的安全裝置有諸如下表的安全鎖和防脫機構等。

（2）防掉落機構解鎖：解鎖方式有固定擋塊式及活動擋塊式，如下圖2所示。

防掉落機構解鎖機構的設計優先考慮固定擋塊式，當設備上因空間位置無法做成固定式才考慮采用活動形式；

5 ATC機械設計相關選型要點

（1）控制換槍盤動作的電磁閥，是否需要裝在換槍盤上；

（2）如有焊槍，冷卻循環水是幾進幾出；

（3）抓手需要氣路數量；

（4）機器人與ATC連接是否需要過渡連接板。ATC安裝到機器人時，需要一塊過渡板（除了type M），如果工具側孔位與ATC廠家孔位一直，則不需要連接板；如果工具側無法按照ATC標配孔位來開孔，則自行設計制作過渡連接板。

6 ATC電氣設計相關選型要點

與相關電氣設計擔當詳細確認ATC關于電氣方面內容，內容如下：

（1）電氣控制系統（PNP/NPN）；

（2）點焊槍的溫控信號（是/否）；

（3）點焊槍的電流監控信號（是/否）；

（4）點焊槍的電壓監控信號（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）機器人能否直接識別I/O信號。換槍盤自身信號為I/O信號，如果機器人無法直接識別，則需要通過模塊做入總線通訊。

7 ATC選型在仿真階段考慮要點

在3D設計及機器人工藝仿真階段時，必須充分確認ATC各模塊的接線頭位置是否與其他零部件干涉、配線空間及維修動作空間是否預留足夠。要在軌跡仿真整個路徑確認，除此之外，路徑上的每個作業點的作業狀態也要充分確認，比如焊槍及抓手在開合、進退、選裝狀態下是否有干涉。

8 ATC選型要點在實際項目中應用

（1）充分了解客戶對改設備的功能需要和使用場景，必要的情況下需要現地現物考察、測繪。

（2）定制ATC，與廠家型號目錄庫充分了解，并且是要最新版的型號目錄庫。

（3）作成ATC選型要點的點檢表，逐項核對點檢，避免功能選型遺漏。

（4）多部門參與的項目小組前期方案檢討和設計檢討。

根據客戶的應用場景和功能需求，首先公司內部的團隊，包含規劃、機械、電氣、裝配等多部門的設計小組聯合進行前期方案討論，并將討論要點納入到設計中去，行程初步的設計方案，包含3D和動作仿真。之后，也有必要與客戶的技術團隊，包含技術、維修、生產、采購等部門對設計方案進行再次檢討論證，必要的情況下，也可以將ATC的生產廠家一同納入到項目小組。

總之，在柔性制造系統中工業機器人ATC設計選型階段，能夠將以上要點充分考慮，并分解落實到項目小組的各個負責人，逐項核對點檢，可以大大減少前期設計選型失誤，降低后期制造成本，提高設備維護效率[4]。當然，以上設計選型要點也僅僅是在工作實踐中對經驗的部分總結，需要根據實際運用場景靈活運用。相信對提升柔性制造系統中工業機器人ATC設計工作質量及效率有一定的參考價值。

參考文獻：

[1]呂文壯.汽車車身焊接機器人路徑規劃與虛擬仿真研究[D].上海應用技術大學，2020.

[2]王宸.數據驅動優化控制及其在汽車零部件柔性生產過程監控中的研究與應用[D].上海大學，2019.

[3] 龔仲華，龔曉雯. 工業機器人完全應用手冊[M].人民郵電出版社：助力兩化深度融合，201701.610.

[4]王振成，張震，王欣，周爽，李自建. 設備管理故障診斷與維修[M].重慶大學出版社：202001.314.