机器人工具快换装置与柔性制造
机器人工具快换装置
机器人工具快换装置，使单个机器人能够在制造和装备过程中交换使用不同的末端执行器以增加柔性，被广泛应用于自动点焊、弧焊、材料抓举、冲压、检测、卷边、装配、材料去除、毛刺清理、包装等操作，具有生产线更换快速、有效降低停工时间等多种优势。
机器人工具快换装置（Robotic Tool Changer）通过使机器人自动更换不同的末端执行器或外围设备,使机器人的应用更具柔性。这些末端执行器和外围设备包含例如点焊焊枪、抓手、真空工具、气动和电动马达等。工具快换装置包括一个机器人侧用来安装在机器人手臂上，还包括一个工具侧用来安装在末端执行器上。工具快换装置能够让不同的介质例如气体、电信号、液体、视频、超声等从机器人手臂连通到末端执行器。机器人工具快换装置的优点在于：
1. 生产线更换可以在数秒内完成；
2. 维护和修理工具可以快速更换，大大降低停工时间；
3. 通过在应用中使用1个以上的末端执行器，从而使柔性增加；
4. 使用自动交换单一功能的末端执行器，代替原有笨重复杂的多功能工装执行器。
机器人工具快换装置，使单个机器人能够在制造和装备过程中交换使用不同的末端执行器增加柔性，被广泛应用于自动点焊、弧焊、材料抓举、冲压、检测、卷边、装配、材料去除、毛刺清理、包装等操作。另外，工具快换装置在一些重要的应用中能够为工具提供备份工具，有效避免意外事件。相对人工需数小时更换工具，工具快换装置自动更换备用工具能够在数秒钟内就完成。同时，该装置还被广泛应用在一些非机器人领域，包括托台系统、柔性夹具、人工点焊和人工材料抓举。
随着市场和制造技术的发展，汽车制造企业普遍认为柔性化是成功的关键之一。柔性制造能够在单一的生产线上生产多种产品，它主要通过工具、设备、生产过程快速、频繁的转换来实现。
较早的加工制造方法包括传统加工、机械加工和材料拌匀设备，这些都是为了生产单一产品而设计的。这种系统对于生产大批量单件产品是高效的，但如果更换工具则成本极高，并且如果用新工具更换旧的工具将造成很长时间的停工期，同时这种技术通常都依赖大量的劳动力。
柔性制造能够根据瞬息万变的市场需求快速改变生产工具、材料抓举设备、生产过程和生产计划。柔性制造主要专注于自动化、提高效率和通过减少停工期和更换工具时间来降低成本。其优点主要包括：增加工厂利用率；快速响应随时改变的市场需求；减低人力成本；降低停工和闲置时间；实现自动化效率最大化；提升产品质量；可高效生产低数量的不同产品。
机器人是柔性制造系统的基础之一，但是机器人有一定的限制，一台没有安装工具快换装置的机器人仅能装备一个末端执行器且被限制在一个应用中。例如，一台仅装备一个焊枪的机器人受焊枪大小几何尺寸的限制，不能完成其他类似材料抓举工作。采用机器人工具快换装置，可以克服这些限制，工具快换装置让机器人有能力交换不同功能的末端执行器实现不同功能。工具快换装置可增加机器人应用的柔性、效率和生产力，并且集成于机器人柔性制造系统中。
对于汽车制造商来说，精确预测市场趋势和需求是面对的主要挑战之一。在今天的汽车市场，很难找到像过去一样广泛流行并保持长期高销量的车型。现在的消费者可在同种车型中根据不同价格、不同的配置及外观个性等元素选择，这些改变成为汽车制造企业面临的重大考验。
用以前的制造手段，一个汽车制造企业需要投入巨大的资源来设计制造一个工厂用以生产一种特定的车型。如果市场对这款车型的反应没有达到预计结果，那么汽车厂只能有限地生产一种车型来适应不多的市场需求。这种情况下，最终结果是增加工厂数量和设备闲置时间。依赖于这种非柔性生产系统的汽车制造企业将有可能在特定车型销售不如预计时陷入困境。
柔性制造是汽车制造企业为了适应不断变化的汽车市场而选择的最好的策略之一。高适应性和快速响应使生产企业能够克服市场需求的突变和不准确的市场预计。实施轮班生产使汽车生产企业能够在不同的车厂生产不同的车型，在一个工厂生产不同的车型可以增加运行时间，实现生产效率最大化。如果有些车型的销量比别的好，那么工厂可以通过快速改变生产线来响应，从而保证市场需求，实现利润最大化。
为了减少成本、增加柔性，克莱斯勒集团（Chrysler Group）采用了柔性制造加工，其中，运用机器人和工具快换装置在同一个装配线上制造不同的汽车。克莱斯勒 (IL) 装配工厂首先应用柔性制造转化，有1/3的新ABB机器人装备了ATI工业自动化公司的重载荷工具快换装置。柔性生产使一个工厂可生产3种不同的车型，更适应市场变化的需求。此外，新的生产工具重组成本仅仅是传统工厂成本的2/3。
ATI机器人工具快换装置
图1 ATI工业自动化重载荷机器人自动工具快换装置
图2 机器人上ATI工具快换装置和材料抓举夹具
图3 机器人和工具快换装置自动的交换末端执行工具
随着汽车制造企业不断深入执行柔性制造技术，ATI工业自动化公司的机器人工具快换装置已成为这些柔性系统的重要贡献者之一。ATI工具快换装置运用专利强力的锁紧机构，提供宽泛的大小型号。由于其采用模块化设计，可提供多种应用模块选择，包括气、电、液、焊接高电流、现场总线如DeviceNetTM、伺服电源和信号、超声和高压液体等。其具体特点在于：
1. 极高的重复精度。独特设计的双锥面锁紧活塞配合两个定位销保证了出色的重复精度，在满载荷情况下经过上百万次的循环测试结果表明一般的精度都更加优于标注的值。
2. 高硬度。ATI工具快换装置因为锁紧机构活塞的高锁紧力和大半径提供极高的抗扭矩能力，锁紧后的工具快换装置在大惯性运动时不会出现松动而导致锁紧失效或精度问题。
3. 出色的可靠性。专利设计的双锥面锁紧机构为内磨损而不是外磨损；气体孔采用独特的设计；长寿命的橡胶密封能够避免气压损失；机器人侧弹簧式电信号针与工具侧固定针保证了电信号的可靠连通；ATI机器人工具快换装置的设计是全生产周期的。
4. 轻重量、集成化设计。质量和体积在不降低可靠性和性能的前提下尽可能的小。
5. 防止错误的锁紧机构。专利设计的锁紧机构即使在锁紧气体压力瞬间丢失的情况下，也能使机器人侧和工具侧保持锁紧状态。
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