一種工業(yè)機(jī)器人快換裝置輔助調(diào)試工具的設(shè)計(jì)與應(yīng)用

劉廣濤 周顯強(qiáng) 韓昊宏 王 昀

（長(zhǎng)春汽車工業(yè)高等專科學(xué)校，吉林 長(zhǎng)春 130013）

0 引言

機(jī)器人工具快換裝置也被稱為自動(dòng)工具轉(zhuǎn)換裝置（Auto Tool Change,ATC）。所謂快換裝置，是在機(jī)器人六軸法蘭盤與工具法蘭之間增加一個(gè)連接機(jī)構(gòu)。連接機(jī)構(gòu)分為兩部分：一端與機(jī)器人六軸法蘭盤相連，稱為快換裝置機(jī)器人側(cè)；另一端與工具法蘭相連，稱為快換裝置工具側(cè)。由于生產(chǎn)的定制化和柔性化，工業(yè)機(jī)器人通過(guò)快換裝置切換不同的工具，如焊槍、抓手等，可以提高生產(chǎn)節(jié)拍和豐富生產(chǎn)種類［1］。機(jī)器人快換裝置輔助調(diào)試工具又叫作機(jī)器人教學(xué)輔助工具，用于機(jī)器人操作人員在調(diào)試機(jī)器人工具快換裝置時(shí)進(jìn)行輔助調(diào)試，方便工具側(cè)與機(jī)器人側(cè)快速對(duì)齊、定位，節(jié)省調(diào)試工時(shí)。

1 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

國(guó)外工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家的機(jī)器人工具快換裝置產(chǎn)品普遍處于較先進(jìn)水平，快換裝置輔助調(diào)試工具作為廠商主流快換裝置產(chǎn)品的附加件進(jìn)行選購(gòu)，呈現(xiàn)批量化、規(guī)?；a(chǎn)的特點(diǎn)，且價(jià)格昂貴，技術(shù)不對(duì)外公布，隨產(chǎn)品采購(gòu)。目前，中國(guó)市場(chǎng)上機(jī)器人工具快換裝置的主要以ATI、Staubli為主。

國(guó)內(nèi)目前已開展了機(jī)器人快換裝置的研究，但是受限于技術(shù)不成熟、穩(wěn)定性較差等因素，暫未形成批量化、大規(guī)模應(yīng)用，所以快換裝置輔助調(diào)試工具并未有相應(yīng)成型產(chǎn)品。

快換裝置輔助調(diào)試工具的優(yōu)勢(shì)在于工業(yè)機(jī)器人操作人員通過(guò)對(duì)齊標(biāo)記或平面等方式，觀察工業(yè)機(jī)器人快轉(zhuǎn)裝置機(jī)器人側(cè)與業(yè)機(jī)器人快轉(zhuǎn)裝置工具側(cè)的相對(duì)位置，便于工業(yè)機(jī)器人操作人員示教。目前市場(chǎng)上的工業(yè)機(jī)器人快換裝置輔助調(diào)試工具均是AIT、Staubli 等國(guó)外工業(yè)機(jī)器人快換裝置制造商針對(duì)自家主流產(chǎn)品而制造的，其劣勢(shì)在于兼容性和通用性較差、價(jià)格過(guò)高。

2 功能需求分析

工業(yè)機(jī)器人從業(yè)人員完成快換裝置調(diào)試工作時(shí)，受限于工藝流程的復(fù)雜性，導(dǎo)致機(jī)器人過(guò)載現(xiàn)象的發(fā)生，甚至損壞快換裝置致使生產(chǎn)成本增加［2］。為解決以上問(wèn)題，快換裝置輔助調(diào)試工具應(yīng)具備安全性、便捷性及低成本等特點(diǎn)。

①安全性。機(jī)器人快換裝置輔助調(diào)試工具應(yīng)保護(hù)快換裝置，使調(diào)試過(guò)程中不會(huì)因操作不當(dāng)造成快換裝置機(jī)器人側(cè)與工具側(cè)的剛性碰撞造成設(shè)備損壞，成本上升。

②便捷性。機(jī)器人快換裝置輔助調(diào)試工具應(yīng)引導(dǎo)操作人員移動(dòng)工業(yè)機(jī)器人位置，降低快換裝置調(diào)試時(shí)間，提高作業(yè)效率。

③低成本。國(guó)產(chǎn)快換裝置或小型快換裝置應(yīng)具備機(jī)器人快換裝置輔助調(diào)試工具，減少企業(yè)生產(chǎn)或院校教學(xué)的采購(gòu)成本或制造成本。

3 工業(yè)機(jī)器人快換裝置輔助調(diào)試工具設(shè)計(jì)

本產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人快換裝置輔助調(diào)試工具依托匯博工業(yè)機(jī)器人應(yīng)用編程“1+X”考核實(shí)訓(xùn)平臺(tái)，對(duì)工業(yè)機(jī)器人實(shí)訓(xùn)平臺(tái)IRB120 工業(yè)機(jī)器人快換裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)的快換裝置輔助調(diào)試工具與實(shí)體工作站的快換裝置按照1∶1 的尺寸設(shè)計(jì)，在UG12.0 軟件上制作完成后導(dǎo)入RobotStudio軟件中進(jìn)行匹配性能驗(yàn)證，其IRB120 機(jī)器人模型使用的是RobotStudio 軟件自帶的模型［3］。本產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人快換裝置輔助調(diào)試工具具備緩沖、輔助引導(dǎo)調(diào)試等功能。

3.1 產(chǎn)品組成

本產(chǎn)品設(shè)計(jì)的工業(yè)機(jī)器人快換裝置輔助調(diào)試工具由3個(gè)部分組成，如圖1所示。

圖1 定位裝置

①部分為快換裝置輔助調(diào)試工具A 側(cè)，起到與機(jī)器人快換裝置機(jī)器人側(cè)定位的作用，是與機(jī)器人快換裝置機(jī)器人側(cè)貼合部分，其頂部有5 mm樹脂材料（圖1中標(biāo)深色部分），具備緩沖功能，防止其與機(jī)器人快換裝置工具側(cè)接觸不當(dāng)造成機(jī)器人快換裝置工具側(cè)損壞，為擴(kuò)增其快換裝置輔助調(diào)試工具的通用性，其凹槽部分的定位銷控設(shè)計(jì)為可以調(diào)整的。

②部分為快換裝置輔助調(diào)試工具緩沖裝置，由4 個(gè)彈性伸縮連桿組成（如圖2 所示）。操作員在進(jìn)行調(diào)整機(jī)器人位置過(guò)程中，機(jī)器人快換裝置工具側(cè)與快換裝置輔助調(diào)試工具受力，彈性伸縮連桿向下壓縮避免機(jī)器人因受外力導(dǎo)致機(jī)器人過(guò)載，同時(shí)機(jī)器人操作員可觀察彈性伸縮連桿受力方向?qū)C(jī)器人方向進(jìn)行調(diào)整，彈性伸縮連桿外表面有刻度，提高了快換裝置輔助調(diào)試工具的精密性，便于機(jī)器人操作員進(jìn)行機(jī)器人快換裝置調(diào)試。

圖2 緩沖裝置

③部分為快換裝置輔助調(diào)試工具B 側(cè)，起到與機(jī)器人快換裝置工具側(cè)貼合的作用，此部分凸槽具備與機(jī)器人快換裝置工具側(cè)定位的功能。

3.2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

快換裝置輔助調(diào)試工具機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖3所示，快換裝置輔助調(diào)試工具主體通過(guò)彈性伸縮連桿5連接在由定位凹槽1、定位銷孔2及樹脂涂層3組成的快換裝置輔助調(diào)試工具A 側(cè)4和由定位銷7及定位凸槽8組成的快換裝置輔助調(diào)試工具B側(cè)6的位置。

圖3 快換裝置輔助調(diào)試工具機(jī)械結(jié)構(gòu)

3.3 快換裝置輔助調(diào)試工具核心設(shè)計(jì)

本產(chǎn)品的彈性伸縮連桿是重要的功能性決定裝置，由彈簧和定位銷組成彈簧銷。彈簧作為機(jī)構(gòu)的緩沖和導(dǎo)向裝置，其勁度系數(shù)k，決定了彈簧的彈性型變量x，決定了快換裝置輔助調(diào)試工具是否具備其設(shè)計(jì)功能。

在公式（1）中，m為質(zhì)量，ρ為密度，V為體積。

快換裝置輔助調(diào)試工具為鋁制產(chǎn)品，其密度為ρ=2.7 g∕cm3。快換裝置輔助調(diào)試工具A側(cè)由樹脂涂層及鋁制成，是施加在彈簧上的主要負(fù)載，其樹脂涂層質(zhì)量可忽略不計(jì)，僅考慮鋁制結(jié)構(gòu)的質(zhì)量。已知半徑r為1.2 cm，高度h為2.4 cm，質(zhì)量m為29.31 g，約等于0.03 kg。

在公式（2）中，m為物體的質(zhì)量，g 為重力加速度。

快換裝置輔助調(diào)試工具A 側(cè)質(zhì)量為0.3 kg,重力加速度g取10 N∕kg，所以彈簧初始受力為0.3 N。

在公式（3）中，F(xiàn)為彈力，k為勁度系數(shù)，x為彈性變量。

在公式（4）中，G為線材的剛性模數(shù)，即切變模量；d為線徑；D0為外徑；Dm為中徑；N總?cè)?shù)；Nc為有效圈數(shù)［4］。其中，Dm=D0-d，Nc=N-2。

通過(guò)公式（1）—公式（4）計(jì)算可知，0.3=k*x，其中設(shè)定彈簧初始彈性變量為1 mm，其彈簧勁度系數(shù)k為0.3 N∕mm，所以彈簧勁度系數(shù)k主要與G線材的剛性模數(shù)、d線徑、D0外徑、Nc有效圈數(shù)有關(guān)［5］。以彈簧常用材料（摘自《圓柱螺旋彈簧設(shè)計(jì)計(jì)算》GB∕T 1239.6—1992）為基礎(chǔ)，變換其彈簧材質(zhì)，即G值（線材的剛性模數(shù)），其他參數(shù)按照設(shè)計(jì)設(shè)定，其G值與勁度系數(shù)K變換規(guī)律見(jiàn)表1。彈簧鋼（符號(hào)SUP6，7，9，9A，10，11A，12，13）G值為8×103，不銹鋼絲（符號(hào)SUS 302，SUS 304，SUS 304N1，SUS 316）G值為7×103，不銹鋼絲（符號(hào)SUS 631J1)G值為7.5×103。

表1 切變模量G值與勁度系數(shù)K變換規(guī)律

從表2可知，設(shè)計(jì)參數(shù)未能滿足需求，因?yàn)楦鶕?jù)市場(chǎng)常用彈簧材質(zhì)彈簧鋼（符號(hào)SUP6,7,9,9A,10,11A,12,13）其G值8×103為固定變量，在不更改產(chǎn)品設(shè)計(jì)的前提下，不改變產(chǎn)品外徑和有效圈數(shù)，其線徑d與勁度系數(shù)K變換規(guī)律見(jiàn)表2。

從表1、表2 中可知，最終的彈性伸縮連桿中的彈簧參數(shù)為彈簧鋼材質(zhì)，線徑0.7 mm，外徑6 mm，彈簧長(zhǎng)度50 mm，總?cè)?shù)5，螺距2 mm。

4 應(yīng)用案例

本研究所設(shè)計(jì)的簡(jiǎn)易快換裝置輔助調(diào)試工具，已應(yīng)用于筆者所在學(xué)校工業(yè)機(jī)器人技術(shù)專業(yè)課堂教學(xué)中，其具備的緩沖功能、導(dǎo)向功能，將學(xué)生快換裝置平均調(diào)試時(shí)間由原來(lái)的15 min 降低到目前的5 min，快換裝置的碰撞損壞率由原來(lái)的32%下降到目前的5%。經(jīng)應(yīng)用證明該輔助調(diào)試工具大大提高學(xué)生實(shí)踐效率和教師教學(xué)質(zhì)量，目前已在應(yīng)用推廣，并計(jì)劃進(jìn)行下一步改造升級(jí)。

5 結(jié)語(yǔ)

本研究通過(guò)對(duì)國(guó)內(nèi)外快換裝置輔助調(diào)試工具的對(duì)比，分析了其優(yōu)劣勢(shì)，針對(duì)當(dāng)前快換裝置調(diào)試過(guò)程中遇到的實(shí)際問(wèn)題，為此設(shè)計(jì)一種新型的工業(yè)機(jī)器人快換裝置輔助調(diào)試工具。該快換裝置輔助調(diào)試工具利用彈簧緩沖的原理，解決了因操作人員操作不當(dāng)造成碰撞所導(dǎo)致的機(jī)器人過(guò)載或快換裝置損壞等問(wèn)題。并且結(jié)合彈簧緩沖連桿受力方向，實(shí)現(xiàn)根據(jù)受力導(dǎo)向，進(jìn)一步引導(dǎo)操作人員調(diào)整機(jī)器人位置，快速完成快換裝置調(diào)試作業(yè)。該工具快換裝置的設(shè)計(jì)過(guò)程、制造過(guò)程，均采用CAM 軟件進(jìn)行設(shè)計(jì)和仿真驗(yàn)證，大大降低研發(fā)成本，部分元器件為非標(biāo)采購(gòu)件，易于推廣，有利于解決我國(guó)快換裝置調(diào)試工具空白的問(wèn)題。