工业机器人夹具柔性化发展的研究

罗志满

摘 要：工业机器人产业是我国战略性新兴产业，是实现“机器换人”计划的关键。由于现代智能制造业的发展迅速，产品制造需求呈现多品种、小批量、更新快和特色化、定制化设计需求高趋势等。为了满足现在制造业发展和未来智能制造发展的时代需求，其制造工程要求柔性化的程度更高。把多产品柔性化生产线作为未来的重要发展方向，与此相适应的对夹具柔性化发展也提出了全新的要求，需要一种结构简单、精度高、强度高、通用性好、适应性强及柔性高的新型夹具系统。

关键词：工业机器人;夹具;柔性化;现状与展望

1 机器人工装夹具柔性化发展现状

1.1 工业机器人工装夹具的通用性差，柔性不足

由于市场产品需求的量不同和产品的多样化，企业单一化的生产并不能满足现代市场的需求和企业的经济维持，企业也逐渐从单一的大批量生产，转变为中、小批多品种生产。传统夹具作为加工产品时的一种重要工艺装备，其专用性强，需要根据不同产品设计后结果定制设计，当产品进行更换时，相应的夹具也随之跟换，这一过程延长了产品设计制造周期，并且由于专用夹具的唯一性，不能适应不同类型，降低了材料的利用率，造成了资源浪费，给生产带来极大不便。据统计，在具有中等生产能力的工厂拥有约数千甚至近万套专用夹具，另一方面，在产品生产快速更新换代过程中，每隔2～3年就要更新50～80%左右专用夹具，而夹具的实际磨损量仅为10～20%左右，造成极大浪费，这就导致了目前多数企业迫切需要通用性和柔性好的夹具，形成普遍存在的现象。

1.2 工业机器人夹具设计制作周期长，调试更换繁琐

多数集成商和终端客户在设计和制作夹具过程中，缺少相应的数字孪生、仿真技术，在设計阶段缺失夹具的尺寸精度和干涉验证，无法在加工之前进行修改和优化，从而产生生产环节的材料、人工、时间及资金上的极大浪费，给集成商的供货周期、终端用户的产品换代带来诸多不便，形成夹具设计和生产上的痛点。每个产品零件和所使用的焊具有特定性和专用性，机器人配套焊具进行焊接工作时，焊具都是长期固定在同一位置，机器人运行同一程序对与之匹配的焊具上的零件进行定点焊接，每次需要更换新的产品，则需要更换相应的焊具，并固定好焊具的位置，拆装非常不方便，焊具重新固定安装后，需要再更换机器人程序，并重新调试机器人，这一系列的工作不仅耗时久，而且需要专业的技术人员进行调试切换，更换时间久耽误生产且人工成本极高。

1.3 工业机器人夹具属于定制化产品，缺少设计和加工环节的规范化和标准化

随着工业机器人工作站夹具的大范围应用，急需实现生产线上的机器人工装夹具柔性化设计开发。这些夹具是大型机械产品装配和焊接的重要载体，作用重要且影响因素多、柔性开发难度极大。目前夹具的设计方法和流程基本成熟，因其定制化的特性，国家标准和行业标准粗放且难以推行，各个企业的设计规范差异明显，依赖设计人员的个人能力和经验，很难形成设计模块化和标准化，进而难以形成品种丰富的标准化模块库。加上各产品的定位基准不统一，在加工环节，因缺少通用性模块和相应的标准化工艺，无法形成批量化部件，造成夹具加工质量不统一、精度不统一及成本增高的问题。

2 机器人工装夹具柔性化设计要点

在协助本地的工业企业设计一些工装夹具及工件设计时，总结了一些比较有代表性的设计如下：

2.1 柔性夹具底板

夹具底座是焊接夹具的基础元件，用于夹具和工件的支撑。其结构是由若干不同长度的方管，通过连接块拼装成适合车身尺寸的基础板，基础板包括由方管构成的外框架和设置在外框架内的若干支撑杆，构成外框架的4根方管的底部连接有多个撑脚，外框架的一对称边的方管的底部连接有多个滑轮，方管与方管的连接夹角之间设有对方管侧面进行加固的角接。本设计结构由不同长度的方管快速安装组成一个便于拆卸的柔性底板，针对不同产品，柔性底板可以按照产品的尺寸进行大小调节，极大降低夹具重复制造的成本和周期。

2.2 智能速换焊具模块及自动焊接系统

智能速换焊具模块包括焊具底座和固定座，焊具底座的上部设置有用于装夹工件的定位装夹组件，通过在焊具底座的底部安装有滚轮，将焊具底座移动至两固定座之间的间隙内，在移动的过程中，可通过限位块进行限位，以便快速将焊具底座移动至设定的位置进行安装。通过第一驱动装置驱动、第二驱动装置驱动和两固定座上的支撑柱配合，从而对焊具底座水平方向上的位移进行限位，同时支撑柱能够对焊具底座进行举升，使得焊具底座的底端脱离地面，并提供动力也能保持对焊具底座的举升状态。本设计结构已申请发明专利：一种工业机器人智能速换焊具模块及自动焊接系统（201911048105.3）。该设计降低了使用成本，提高了使用的安全性，并且在安装过程中无需采用螺钉进行固定，拆装方便，能够确保每次安装后位置的一致性，提高了生产效率。

自动焊接系统通过控制PLC从站控制箱完成自动焊接，PLC从站控制箱与控制系统通讯连接，焊具底座能够与PLC从站控制箱通讯连接且设置有特定的IP地址，PLC从站控制箱能够识别不同焊具底座上的IP地址并发送给控制系统，使得控制系统能够自动调用与IP地址匹配的焊接程序控制机器人进行焊接工作。程序控制的自动焊接系统自动执行复杂产品的焊接工作，可提高焊接效率和焊接精度。

2.3 柔性定位单元

柔性定位单元可根据不同产品调整夹具定位位置，实现夹具空间定位柔性化。主要构成部分包括夹具底座、定位机构、夹紧机构等。其中夹具底座是焊接夹具的基础元件，用于夹具体和工件的支撑。定位机构是保证待焊工件有精确位置的部件，定位方式设计为孔定位。夹紧机构是保证待焊工件在焊接时不发生位置移动的关键部件，能够防止在焊接机器人的作用力下发生移动。虽然每个产品元件的间距产生偏差不大，但是由于夹紧机构位置固定，会影响到夹紧机构和产品元件之间的定位，因此会出现不适配的情况，无法实现夹紧，影响后续切割工序，工作效率低下。通过设置滑轨和滑块，将用于夹紧工件的夹持件固设在滑块上，同时设置固定块并通过弹簧将滑块与滑块两侧的固定块连接，利用夹持件夹紧工件时，即使各个产品元件的间距各不相同，夹持件也可以通过滑块的滑动和弹簧进行浮动调节，无须人工介入，提高生产效率。

2.4 电气控制单元

移动座上设有控制器，控制器内设有PLC和伺服驱动器，通过控制器来对夹具的松夹进行控制，并通过操作面板来进行操作，代替人工操作，提高了工作效率，还可以通过操作面板控制电机带动丝杠转动，从而使移动座在滑槽内滑动，从而短距离改变夹具的位置，且通过伺服电机和升降装置可以调整夹具的转向和高度，适应能力更好。工作台底部设有驱动装置，可以方便的将整个工作台连同夹具进行移动，不需要人力搬移，操作方便且省力，保证人员安全，而工作台底部的支撑装置，可以在工作台移动到指定位置后对工作台进行支撑，保证夹具工作过程中的稳定性。

3 结束语

本文主要对工业机器人夹具柔性化发展进行研究。工业机器人夹具作为工业机器人应用的主要配套设备，其性能的优劣极大影响工作站单位工作效率和工作质量，进而影响产品的品质和生产效率。提高工业柔性机器人发展水平，解决工业机器人集成应用的重点、难点问题，关键一环是提高夹具的性能与品质。工业机器人夹具朝着柔性化、智能化发展意味着工业机器人将更符合各类型产品生产线的需求，能把工业智能化水平拉升到一定的高度，让企业制造水平产生质的飞跃，提升整体创造力。

参考文献：

[1]方和平.柔性夹具的发展与应用[J].现代制造工程，2002（01）：55-57.

[2]陈家乐.工业机器人柔性夹具实际应用与展望[J].建筑工程技术与设计，2017（08）.

[3]贾建华，范建培.柔性夹具应用技术之解析.轻工机械[J].2006，24（02）：98-100.