本节书摘来自华章出版社《制造业中的机器人、自动化和系统集成》一书中的第3章，第3.5节，作者［英］ 麦克·威尔逊（Mike Wilson），更多章节内容可以访问云栖社区“华章计算机”公众号查看。
3.5 工装与夹具
机器人是具有重复性的，但是为了能够得到所需的结果，被加工的工件也需要放置在可重复的位置上。工装或夹具用来固定工件，确保它们被正确地放置在可重复的位置，从而允许机器人完成所需的操作，并达到预期结果。
弧焊对夹具的要求特别严格。要求夹具能够同时固定一定数量的工件，使得焊缝形状和位置具有重复性，比如焊缝的宽度等。然而，夹具还必须控制工件的重要尺寸。比如，排气系统包含多个子部件，包括弯曲的管子、催化剂和消音器。最重要的尺寸是前面能够与发动机连接，后面管道的位置必须位于后保险杠下面。剩余的尺寸可以接受比较大的误差。然而，对于焊接来说，管子与消音器之间的焊缝要求严格。夹具需要能够控制总体尺寸，同时，为机器人焊接提供可重复的焊缝位置。
除此之外，夹具必须为装载和卸载提供方便。对于焊接夹具，一个特别的问题是工件会在焊接的过程中受热膨胀。在卸载工件时它不会冷却，因此还处于膨胀状态。夹具需要确保工件即使在焊接后温度升高时依然能够轻松地卸下来。
夹具包括工装的位置，用来满足工件的几何形状并给夹钳留出位置。可用的夹钳种类很多，最简单的形式是手动开关夹钳。这些成本非常低，但是非常依赖于操作员能否正确操作62所有的夹钳。
在成本和复杂度不大幅增加的情况下，我们可以选用“气动+自动”的半自动操作。这些夹钳由人来关闭，但当系统发出启动信号时，空气压力作用在夹钳上以保证它们完全合上。当一个工作周期结束时，夹钳可以自动打开。这些夹钳能够可靠地关闭并且能够减少打开的时间，让操作员更快地卸载工件。
最昂贵的夹钳是自动开自动关的。在这种情况下，将工件装载到工装中，然后操作员按下开始启动按钮，所有的夹钳都关闭。这种方法的主要好处是装载和卸载的时间减少了，还能提升加工过程的可靠性，因为工装也需要符合更高标准的设计，否则夹具就不能成功运行。而手工控制夹钳时，操作员可以让系统工作，即使工装设计得很糟糕。自动夹具系统就做不到这一点。
还可能在夹具内增加传感器。增加工件传感器确保所有的工件都正确装载。传感器也可以安装在夹钳上以便保证它们操作正确。对于焊接系统，传感器需要不受焊接干扰来保证可靠性。
需要工装将工件固定到指定位置，比如，在机器人粘接应用中固定面板等。夹钳并不总是要求非接触作业，或者让工件不受力或受很小的力。对于像铣削这样的加工过程，是需要施加力的。工装通常设计成工件的形状，重复定位性好。可以用夹钳或者真空吸盘将工件固定到特定的位置，并且可以承受工艺过程作用在工件上的力。
考虑生产工装定位所使用的材料是十分重要的。如果是焊接，那么材料通常是铁质的，因为它们必须有好的耐磨性，不允许划伤工件。在某些情况下，铜可以用来帮助工件散热，减少焊渣沾到夹具上的风险，但是它磨损得更快并且需要替换。在其他的应用中，工件或者工件表面不能被夹具损伤是非常重要的，在这种情况下，经常使用工程塑料。
在很多系统中需要一定的柔性。这要求夹具或者工装能够被替换，从一个专门为这个工件设计的夹具或工装上换到一个新的、为另一个工件设计的夹具或工装上。如果要求柔性，那么夹具或工装安装在独立的金属板或者结构上比较好。通过定位销将它们安装在机器人系统中，定位销作为定位基准。这样能63够让夹具或工装拆除和安装都在同一位置。转换夹具或工装后，之前编写的机器人程序可以直接运行，不需要重新示教。夹具的设计还需要易于存储（如在平板上），这一点也很重要的。否则，它们可能会在闲置时被损坏。
最重要的是，夹具或工装必须可靠。这些往往都是机器人系统中需要定制的工件。通常，简洁的解决办法是最可靠的，但像传感器这样附加的功能可以最小化操作员的失误。如果实施防错原则来确保只有正确的工件可以装载，那么这会带来很大好处，特别是在同样的机器人单元中生产许多不同产品的场合。夹具和工装通常占机器人单元开销中很大的比例，特别是因为这里包含的设计费用最多。简单的解决办法会降低成本，但需要注意的是，任何机器人单元只有在工件正确时才能正常运行。因此，在工装和夹具上投资来确保可观的产出是值得的。
