一种全自动工业机器人夹具换装箱的设计

鲁 霞

（广州城市职业学院 机电工程学院，广州 510405）

随着科技的进步，夹具换装箱开始向自动化和智能化的方向发展。自动化和智能化的夹具换装箱可以提高工作效率、减少人力投入，而且具有更高的安全性。在生产过程中要综合考虑各种因素，并根据具体情况和要求选择合适的夹具换装箱。

在制造业中，工件的类型和尺寸会不断变化。传统的人工夹具换装箱为了满足不同工件的加工要求，往往需要人工手动调整和更换夹具。而全自动机器人夹具换装箱则可以自动适应不同类型和尺寸的工件，提升生产线的灵活性和适应性。

1 传统的人工夹具换装箱的局限性

第一，低效率和高工作强度。人工夹具换装箱需要由工人手动操作。夹具更换过程较为烦琐、耗时，而且需要工人精确定位和安装夹具，导致生产效率较低，工人工作强度较高。

第二，人工操作误差。人工操作具有不确定性，往往存在操作误差。操作过程中可能出现定位错误、夹具安装错误和工件损坏等问题，影响夹具更换的准确性和产品质量。

第三，人力资源限制。人工夹具换装箱需要由工人进行操作，但是寻找合适且熟练的工人较为困难，而且由此产生的人工成本也会增加企业的运营负担。

第四，安全风险。夹具更换可能要在高温环境下进行，更换过程中可能会涉及危险物品，如尖锐的工件等。工人在这样的环境下工作具有一定的安全风险，可能会发生安全事故，造成人身伤害。

第五，缺乏灵活性。传统的人工夹具换装箱通常难以适应不同形状、尺寸和质地的工件，若改变夹具设计和工件则需要调整或更换夹具，会造成时间和劳动力的浪费。

第六，可追溯性差。人工夹具换装箱无法实时采集、记录、追踪和分析生产过程的关键数据，导致企业难以有效监控生产过程，也就无法进行生产改进。

综上所述，传统人工夹具换装箱存在效率低、误差风险高、人力资源限制、安全风险、缺乏灵活性以及可追溯性差等局限性。因此，越来越多企业采用全自动工业机器人夹具换装箱，以提高生产效率、生产质量和生产安全性。

2 全自动工业机器人夹具换装箱发展趋势

全自动工业机器人夹具换装箱是指利用机器人手臂进行夹具的更换和放置的自动化过程，其发展趋势可以总结为5 点。

第一，多功能化。随着工业机器人应用范围的不断扩大，夹具的功能越来越多样化。因此，未来夹具换装箱的发展趋势是适应多功能夹具换装，以便适应不同产品的换装需求。

第二，智能化。随着人工智能和自动化技术的不断进步，全自动工业机器人夹具换装箱将趋向于更智能化和自动化。通过引入传感器、视觉系统和控制算法，夹具箱可以自动调整工件的位置和形态，以适应不同的加工任务和产品变化。

第三，高速化。为了提高生产效率，夹具换装的速度需要进一步提高。未来的发展趋势是开发更快、更精准的夹具换装技术，以缩短生产线的停机时间。

第四，柔性化。随着产品多样化程度的增加，工业机器人需要能够适应不同形状、尺寸和重量的工件。因此，未来夹具箱的发展趋势是研发柔性夹具系统，实现更灵活的装夹操作。

第五，自动化数据分析与优化。全自动工业机器人夹具换装箱将与其他生产自动化系统相连接，进行数据的实时监测和分析。这样可以通过数据分析和优化，提高换装过程的效率和质量，并实现更加智能化的生产管理。

总之，全自动工业机器人夹具换装箱的发展趋势是多功能、智能、高速、柔性以及自动化数据分析与优化。这些趋势将有助于提高生产效率和产品质量，同时降低生产成本和人为误差，推动工业自动化水平的进一步提高。

3 全自动工业机器人夹具换装箱的优点

换装箱采用中控系统控制气缸自动升降，可以配合工业机器人进行夹具的自动化精准换装，缩短人工操作时间，节省人力成本。其利用气压控制的方式驱动夹具升降盘的上下运动，实现升降盘的精准定位，确保工业机器人在夹具上方快速定位，进而满足其快速换装需求，提高夹具换装效率。另外，换装箱的手动无线控制模式，使得操作人员可以通过无线遥控器手动控制升降机构运动和停止，便于整理夹具和查找故障，满足生产线上的多种控制需求。箱体内增设夹具整理架，便于夹具的整理、归位和收纳，也能够合理利用空间。

综上所述，全自动工业机器人夹具换装箱具有较高的灵活性，可以根据生产需求快速更换夹具适应不同形状和尺寸的工件。通过调整机器人程序和夹具设计，实现生产线的灵活布局和产品生产的快速变换。

4 全自动工业机器人夹具换装箱的总体设计

4.1 设计目的

全自动工业机器人夹具换装箱综合应用了机器人技术、自动化控制技术和夹具存储技术等先进技术，解决了传统工件夹具换装箱存在的效率低下、人工成本高和灵活性差等问题，有助于实现制造智能化和生产流程自动化。全自动工业机器人夹具换装箱可以有效提高生产线的效率。机器人具有高速、高精度和连续操作的特点，能够迅速完成夹具更换，进而缩短换装过程中的停机时间，实现24 h 连续生产。夹具的更换通常需要进行重复、烦琐的操作，会消耗工人的体力和精力。而使用全自动工业机器人夹具换装箱，能够减轻工人的劳动强度。将繁重的工作交给机器人来完成，能够为工人创造更加健康和舒适的工作环境。

机器人具有极高的精度和稳定性，可以精准定位、抓取和放置夹具。通过应用机器视觉技术，使机器人能够精确识别和定位工件，从而确保夹具位置准确，提高产品的生产质量和一致性。另外，部分行业和生产工艺具有一定危险性，更换夹具可能会使工人接触到危险物品。而使用全自动工业机器人夹具换装箱可以避免工人接触危险物品，减少事故和工伤的发生。

4.2 换装箱结构设计

全自动工业机器人夹具换装箱由箱体、夹具整理架、夹具整理架安装螺钉、升降盘、箱盖、无线遥控器、无线遥控器安装架、气缸伸出杆、气缸缸体、升降机构安装块、万向轮、升降机构固定螺钉、气缸固定螺钉以及无线遥控器安装架固定螺钉组成[1-2]。全自动工业机器人夹具换装箱，如图1 所示。夹具换装箱内部结构，如图2 所示。

图1 全自动工业机器人夹具换装箱

图2 全自动工业机器人夹具换装箱内部结构

全自动工业机器人夹具换装箱包括箱体和箱门2 个部分，箱体内设有自动升降机构。升降机构包括中控系统、气缸和夹具升降盘。中控系统与气缸、全自动工业机器人通过信号连接。设备运行时，中控系统根据接收信号控制气缸工作。气缸安装在箱体底部，并通过气缸伸出杆与夹具升降盘连接。气缸驱动气缸伸出杆伸缩，进而带动夹具升降盘进出箱体。夹具升降盘上设有若干夹具放置位，可以实现多夹具自动更换。箱体上部设有供夹具升降盘进出的开口。

换装箱箱体内设置2 个3 工位夹具整理架，作用是将夹具收纳在箱体内。箱体侧壁设置手动无线控制机构，用于手动控制换装箱。箱体底部设置万向轮，便于换装箱自由运动和安全停放。

4.3 换装箱的安装方式

箱体下部安装4 个可定位万向轮，并通过螺纹连接。箱体内对称安装2 个夹具整理架，由4 枚螺钉固定。升降机构由4 枚螺钉安装在箱体上，无线遥控器安装架由3 枚螺钉安装在箱体上。升降机构由升降机构安装块、气缸伸出杆、气缸缸体和升降盘组成，其中：安装块通过4 枚螺钉固定在换装箱上；气缸缸体通过2 枚螺钉固定在升降机构安装块上；气缸伸出杆安装在气缸缸体上，并通过螺纹连接升降盘[3-4]。

5 全自动工业机器人夹具换装箱的工作方式

全自动工业机器人夹具换装箱采用气压控制的方式，通过控制气缸伸出杆伸出和收回来控制升降盘升降。需要更换夹具时，首先升降盘自动升起直至伸出安装箱，其次机器人自动识别相应夹具并进行更换，最后升降盘自动落回箱内[5]。

换装箱具有自动控制和手动无线控制2 种控制方式。自动控制可以实现夹具的自动升起和降落，满足工业机器人的自动换装需求。设置手动无线遥控器的目的是便于操作者在非工作状态下整理夹具和出现故障时查找原因。

换装箱内装有2 个3 工位夹具整理架，不仅便于夹具的整理和收纳，而且能够合理利用箱内空间。换装箱底部装有4 个万向轮，使得箱体可以自由移动，无须人工搬运，进而降低了人力成本。4 个万向轮上均设有定位结构，便于万向轮刹停，使箱体停留在所需位置，实现全自动工业机器人夹具换装箱与全自动工业机器人的精确定位。

6 结语

全自动工业机器人夹具换装箱采用中控系统控制气缸自动升降，能够配合机器人实现夹具换装的自动化，达到减少人工操作、节省人力成本的目的，可以广泛应用于工业机器人流水线和智能制造集成系统。该设计对于提升工业机器人夹具标准化、安全性和灵活性具有参考意义。