一種實現(xiàn)工業(yè)機器人焊接夾具速換的智能裝置設(shè)計

陳勇棠，黃 師，黃 浩，何澤顯

（1.柳州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機電工程學(xué)院，廣西柳州 545006；2.柳州旭至自動化科技有限公司，廣西柳州 545616）

0 引言

焊接是汽車生產(chǎn)的四大工藝之一，汽車白車身生產(chǎn)過程中需要大量的點焊、弧焊等工藝。在國家“機器換人”計劃的推動下，工業(yè)機器人廣泛應(yīng)用于汽車生產(chǎn)，實現(xiàn)汽車白車身自動化焊接。在工業(yè)機器人自動化焊接過程中需要焊接夾具的輔助，以固定工件，精確控制工件的空間位置、形變，確保焊接質(zhì)量。焊接夾具具有很高的專用性，不同外形、尺寸的工件需要匹配不同的焊接夾具。由于汽車產(chǎn)品越來越多樣化，開發(fā)周期越來越短，小批量多品種生產(chǎn)成為現(xiàn)實需求，大量不同外形、尺寸的工件需要匹配大量不同的焊接夾具，并且焊接夾具壽命有限，因此需要頻繁更換焊接夾具[1-3]。目前，普遍存在依靠人工完成焊接夾具切換的現(xiàn)象，既耗時費力，還存在更換后焊接夾具安裝位置不準(zhǔn)確極大影響焊接質(zhì)量的問題。因此，設(shè)計能實現(xiàn)工業(yè)機器人焊接夾具快速切換的裝置，解放人工，實現(xiàn)自動化生產(chǎn)具有重要意義。

1 某廠焊接生產(chǎn)中的問題與解決對策

柳州某廠主要生產(chǎn)汽車白車身零部件，需要大量的焊接。更換焊接夾具時，工人手工拆卸舊焊接夾具、安裝固定新焊接夾具，期間需要持續(xù)不斷地調(diào)整新焊接夾具的位置，以確保安裝位置和高度與舊焊接夾具的一致，最后對工業(yè)機器人示教、編程，才能完成更換。整個過程極其耗費時間，有時更換一套較大型的焊接夾具累計花費近20 h，嚴(yán)重影響生產(chǎn)進(jìn)度，遠(yuǎn)遠(yuǎn)無法滿足快節(jié)奏生產(chǎn)的需求。同時，還存在現(xiàn)階段工業(yè)機器人焊接示教、編程的工程師稀缺，常有無法找到合適工程師的情況；而現(xiàn)有的工程師技術(shù)水平參差不齊，焊接夾具安裝定位精度不高，工業(yè)機器人示教、編程質(zhì)量不高，極大影響焊接的質(zhì)量。在這些因素的綜合作用下，焊接夾具更換費時費力、人工成本高居不下的問題十分突出，進(jìn)而造成焊接生產(chǎn)進(jìn)度跟不上、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定等問題。

為此，開發(fā)一種能自動、快速更換焊接夾具的智能裝置，以替代人工，特別是替代新焊接夾具安裝后工業(yè)機器人示教、編程的工作，以降低對工程師的依賴，顯著提高更換過程的自動化程度，有效解決更換時間過長、重復(fù)定位精度低、人工成本過高、產(chǎn)品質(zhì)量不穩(wěn)定的問題，實現(xiàn)快節(jié)奏、高品質(zhì)生產(chǎn)。

2 設(shè)計方案

2.1 設(shè)計的基本要求

根據(jù)柳州某廠的生產(chǎn)實際，設(shè)計的智能裝置主要替代人工完成焊接夾具的更換工作，要求結(jié)構(gòu)簡單、投入小、操作方便（普通工人即可操作）、體積小（生產(chǎn)車間空間有限），有效解決現(xiàn)有更換方式耗時費力、重復(fù)定位精度低等問題。

2.2 設(shè)計思路

根據(jù)廠家的要求，經(jīng)團隊研究決定，結(jié)合現(xiàn)有條件，利用智能控制技術(shù)對生產(chǎn)線的裝備進(jìn)行改造設(shè)計。在模塊化設(shè)計、互換性設(shè)計思想指導(dǎo)下，把固定焊接夾具的固定架與焊接夾具作為兩個模塊，把他們連接方式做成活連接，連接部件做成標(biāo)準(zhǔn)件，引入動力，以提高柔性、通用性、自動化程度；運用主從站原理設(shè)計控制系統(tǒng)，對更換過程智能管理，以及對焊接夾具工作部件實時監(jiān)控，實現(xiàn)智能化生產(chǎn)。

2.3 解決的關(guān)鍵問題

首先，需要解決固定架與焊接夾具活連接的結(jié)構(gòu)問題。這個結(jié)構(gòu)既要簡單、又要配合精度高，確保新舊焊接夾具的重復(fù)定位精度，達(dá)到工業(yè)機器人焊接程序要求，不需要重新再對工業(yè)機器人示教、編程，以顯著降低更換耗時。其次，解決控制系統(tǒng)的智能化設(shè)計問題，即能夠自動識別焊接夾具類型，自動匹配、調(diào)用預(yù)先編制好的工業(yè)機器人焊接程序，對焊接夾具工作部件智能化實時監(jiān)控。再次，提高控制系統(tǒng)的兼容性，能兼容國內(nèi)外不同品牌的工業(yè)機器人系統(tǒng)，降低投入成本，并能減少對國外品牌工業(yè)機器人的依賴，促進(jìn)國產(chǎn)工業(yè)機器人的廣泛使用。

3 結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

傳統(tǒng)焊接生產(chǎn)線上的焊接裝備主要由焊接夾具（含底座）、焊接夾具固定架兩部分組成，每次更換夾具，固定架不變。把焊接夾具、固定架設(shè)計成兩個模塊，它們之間連接部位的零部件按標(biāo)準(zhǔn)化、智能化設(shè)計，使得每次更換夾具本體時可以快速對準(zhǔn)、精準(zhǔn)定位、自動調(diào)整，實現(xiàn)高精度可重復(fù)定位。而連接件是標(biāo)準(zhǔn)化的，不隨夾具的結(jié)構(gòu)、外形、尺寸變化，確保連接的高精度、高互換性。圖1 為一種工業(yè)機器人焊接夾具速換裝置的整體結(jié)構(gòu)，其中部件1 為焊接工業(yè)機器人、部件2 為固定架、部件3 為焊接夾具本體、部件4 為主站控制柜。

圖1 一種工業(yè)機器人焊接夾具速換智能裝置整體結(jié)構(gòu)

3.2 固定架結(jié)構(gòu)設(shè)計

固定架主要負(fù)責(zé)固定焊接夾具本體、搭載動力系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等，由連接板、左右支撐座三部分組成，連接板把左右支撐座固連成一體，形成水平放置的“U”形。固定架結(jié)構(gòu)如圖2 所示。連接板正面中間處安裝了電磁閥（編號2.1），負(fù)責(zé)控制舉升氣缸的通氣和斷氣，受主站控制。連接板背面設(shè)置了可以布線的方槽，可對放置槽內(nèi)的管線有效保護(hù)，并巧妙隱藏起來更美觀。左右支撐座對稱分布，每個支撐座上設(shè)置有一條導(dǎo)軌（編號2.2），負(fù)責(zé)導(dǎo)入焊接夾具；一個水平氣缸（編號2.3）、兩個豎直氣缸（編號2.4、2.5），分別提供水平、豎直方向的動力；兩塊支撐塊（編號2.6、2.7），由水平氣缸推動做水平滑動，與支撐柱配合，對支撐柱有支撐作用，即當(dāng)支撐柱舉升焊接夾具到需要高度后，支撐塊水平滑動到合適位置固定支撐柱，以釋放支撐柱的動力負(fù)載；兩根支撐柱（編號2.8、2.9），由豎直氣缸推動豎直方向上下滑動，負(fù)責(zé)將焊接夾具舉升到指定高度；一塊限位塊（編號2.10），負(fù)責(zé)定位焊接夾具的位置。同時，左支撐座上還布置了PLC 從站控制箱（編號2.11），負(fù)責(zé)與主控制站通訊，以及收集、處理固定架、焊接夾具上各感應(yīng)元器件的信息，執(zhí)行相應(yīng)的指令；升降控制盒（編號2.12），負(fù)責(zé)控制焊接夾具的升降；右支撐座布置了氣源干燥處理裝置（編號2.13），負(fù)責(zé)對氣路中的氣體進(jìn)行干燥，保證氣缸的正常工作，延長氣缸使用壽命。

圖2 固定架結(jié)構(gòu)

3.3 焊接夾具結(jié)構(gòu)改造設(shè)計

為更好地與固定架配合互換，以及考慮搬運便捷、提高智能水平，對焊接夾具結(jié)構(gòu)進(jìn)行了幾個方面的改造，改造后的結(jié)構(gòu)如圖3 所示，具體包括這些方面：首先，在焊接夾具底座下面增加支架（編號3.1），支架底部裝上四個萬向輪，方便焊接夾具在地面靈活移動，支架左右側(cè)面分別裝有導(dǎo)向輪，與固定架上的導(dǎo)軌配合，把焊接夾具導(dǎo)入固定架。支架、焊接夾具底座都是標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計，他們之間采用活連接，更換焊接夾具時只需要更換焊接夾具本體（即焊接夾具底座上的裝夾組件），大大提高重復(fù)使用零件的比例，降低焊接夾具的使用成本，縮短焊接夾具開發(fā)周期。其次，焊接夾具底座左右兩側(cè)分別設(shè)計了兩塊支撐板（編號3.2、3.3、3.4、3.5），支撐板上有孔，與固定架上的支撐柱配合，實現(xiàn)快速定位。第三，焊接夾具的氣路改用快換接頭、電路改用速換航插，實現(xiàn)焊接夾具電氣路的快速切換，提高拆裝效率，并可設(shè)置航插針位接通方式賦予每套夾具不同的IP 地址。第四，在焊接夾具的氣缸、夾緊機構(gòu)等裝夾組件上安裝若干個感應(yīng)元件（編號3.6、3.7、3.8，圖中只標(biāo)識一部分），對氣缸工作狀態(tài)和夾緊機構(gòu)夾緊工件是否有錯漏等情況進(jìn)行實時監(jiān)控。所有感應(yīng)元件的檢測信號經(jīng)中繼盒（編號3.9）中轉(zhuǎn)后，通過速換航插傳送到從站控制系統(tǒng)做進(jìn)一步處理。

圖3 改造后的焊接夾具結(jié)構(gòu)

3.4 控制系統(tǒng)設(shè)計

運用主從控制的思想來設(shè)計整套控制系統(tǒng)，即設(shè)置了主站控制系統(tǒng)和PLC 從站控制系統(tǒng)。主站控制系統(tǒng)負(fù)責(zé)處理工業(yè)機器人原裝系統(tǒng)的信號，以及處理PLC 從站控制系統(tǒng)傳送過來的信號，發(fā)出正確的指令和警示信號，實現(xiàn)多個子系統(tǒng)整合、控制的效果，可以兼容不同品牌工業(yè)機器人系統(tǒng)，大大提高控制系統(tǒng)的適用性。PLC 從站控制系統(tǒng)主要負(fù)責(zé)處理主站控制系統(tǒng)發(fā)送的指令信號，從而向固定架上的工作部件傳達(dá)相應(yīng)指令，控制這些工作部件的動作；以及收集并處理從中繼盒傳送過來的感應(yīng)元件的檢測信號，識別航插中唯一的IP 地址信息等，反饋給主站控制系統(tǒng)作進(jìn)一步處理。

3.5 工作過程

舊焊接夾具的拆卸過程：固定架上的豎直氣缸推動支撐柱帶著舊焊接夾具升起，到一定高度后支撐柱與支撐塊分離，水平氣缸推動支撐塊滑動，支撐柱與支撐塊完全脫離，支撐柱帶著舊焊接夾具下降，當(dāng)舊焊接夾具支架下方的萬向輪接觸到地面后，支撐柱繼續(xù)下降，使得支撐柱與舊焊接夾具上的支撐板完全脫離，支撐柱停止滑動，斷開舊焊接夾具的快換接頭和速換航插，舊焊接夾具在導(dǎo)向輪的引導(dǎo)下沿著固定架左右支撐座上的導(dǎo)軌滑出，舊焊接夾具與固定架完全脫離，拆卸完成。

新焊接夾具的安裝過程：剛好與拆卸過程相反，即新焊接夾具自由移動到固定架的“U”形空隙處，在導(dǎo)向輪的引導(dǎo)下沿著左右支撐座上的導(dǎo)軌滑入固定架，在固定架的限位塊作用下準(zhǔn)確定位，支撐柱升起，支撐柱與新焊接夾具的支撐板接觸，托起新焊接夾具，到一定高度后，固定架上的支撐塊滑動到合適位置，支撐柱帶著新焊接夾具下降，支撐柱與支撐塊接觸，支撐柱停止下降，支撐塊固定支撐柱位置，接上新焊接夾具的快換接頭和速換航插，初步安裝完成。接著，啟動系統(tǒng)，PLC 從站控制系統(tǒng)識別新焊接夾具的IP 地址，反饋給主控制站系統(tǒng)，準(zhǔn)確調(diào)用相匹配的工業(yè)機器人程序，完成安裝。

作業(yè)時，PLC 從站控制系統(tǒng)收集焊接夾具上各感應(yīng)元件的檢測信息，判斷工件是否夾緊到位，是否有錯放漏放等情況，如果一切正常，提示可以開始作業(yè)，如果有異常，發(fā)出警報，限制作業(yè)，需排除故障后才能作業(yè)。全程監(jiān)控作業(yè)過程，出現(xiàn)異常則設(shè)備停止工作，排除故障后才能繼續(xù)作業(yè)。

3.6 性能特點

與同類設(shè)備對比，本智能裝置性能熱點具有多方面顯著優(yōu)勢，主要表現(xiàn)為：一是更換焊接夾具耗時顯著減少，極大提高生產(chǎn)效率。更換相同的焊接，運用傳統(tǒng)方式耗時累計20 h，利用本智能裝置只需要不到20 min，在焊接夾具的移動、鎖緊，氣路、電路的切換，工業(yè)機器人示教、編程等環(huán)節(jié)上耗費時間大幅度減少。二是重復(fù)定位精度高。傳統(tǒng)更換方式重復(fù)定位精度極低，位置偏差遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過工業(yè)機器人焊接程序的精度要求。本智能裝置的重復(fù)定位精度可以達(dá)到±0.8 mm，滿足工業(yè)機器人焊接程序的精度要求。三是智能化程度高，智能控制焊接夾具上下架過程，對焊接夾具夾緊氣缸打開閉合狀態(tài)、工件夾緊是否錯漏等情況實時監(jiān)控，出現(xiàn)異常及時報警、停機，待排除故障后繼續(xù)工作。四是系統(tǒng)兼容性強、通用性高，能兼容國內(nèi)外6 個品牌以上的工業(yè)機器人系統(tǒng)，擴大系統(tǒng)的適用性，降低對進(jìn)口高端機器人的依賴，促進(jìn)國產(chǎn)工業(yè)機器人的應(yīng)用推廣。五是有效降低產(chǎn)品的廢品率，提高產(chǎn)品的質(zhì)量，提高企業(yè)的經(jīng)濟效益。六是本智能裝置性價比高。標(biāo)準(zhǔn)化設(shè)計的零部件比例高，重復(fù)使用的零部件比例高，改造難度低，適合不同焊接夾具使用，實現(xiàn)柔性化生產(chǎn)，以及兼容多個品牌的工業(yè)機器人系統(tǒng)等，這些優(yōu)勢使得本智能裝置花費較低成本即可達(dá)到較的設(shè)備利用價值。七是極大減少對工程師的依賴程度，把更換焊接夾具工作由原來的特殊要求工種變?yōu)槠胀夹g(shù)人即可操作的工種，并減少技術(shù)工人數(shù)量，大大降低人工成本。

4 結(jié)語

本智能裝置成功應(yīng)用于廠家生產(chǎn)，有效解決了原有焊接夾具更換過程中存在的突出問題。經(jīng)過近一年的使用情況統(tǒng)計，該廠產(chǎn)品合格率從原來的95%提高到98.5%，產(chǎn)量提高15%，技術(shù)工人減少了3 人，由原來需求高技術(shù)高技能特殊工種變?yōu)槠胀ú僮鞴ぃ档土苏泄さ碾y度，不到半年節(jié)約的人工成本已超過了投入，獲得可觀的經(jīng)濟效益。本智能裝置相關(guān)技術(shù)已獲國家實用新型專利授權(quán)“一種工業(yè)機器人智能速換焊具模塊及自動焊接系統(tǒng)”（專利號：ZL201921848536.3）[4]。同時，筆者依托高職院校專業(yè)教師的身份，把本智能裝置相關(guān)的設(shè)計與實踐素材經(jīng)過轉(zhuǎn)化，變成了課堂教學(xué)素材，促進(jìn)了人才培養(yǎng)質(zhì)量提高。受本智能裝置相關(guān)技術(shù)啟發(fā)，學(xué)生設(shè)計了類似的新作品，參加各級各類專業(yè)比賽，榮獲第六屆中國國際“互聯(lián)網(wǎng)”大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽國賽銀獎、第十二屆“挑戰(zhàn)杯”中國大學(xué)生創(chuàng)業(yè)計劃競賽國賽銅獎、第三屆廣西中華職業(yè)教育創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽暨第四屆中華職業(yè)教育創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)大賽廣西區(qū)賽高職組金獎等優(yōu)異成績。

受投入成本、生產(chǎn)空間等條件等限制，本智能裝置的自動化、智能化水平還可以進(jìn)一步提高，以完全解放人工，實現(xiàn)全自動化、高智能化生產(chǎn)。同時，進(jìn)一步積累更豐富的實踐經(jīng)驗，更加完善相關(guān)技術(shù)后，擴大相關(guān)技術(shù)的推廣力度，以讓更多廠家受益。