一种工业机器人智能手腕装备系统及其操作方法与流程

本发明属于智能制造技术领域，特别是涉及一种工业机器人智能手腕装备系统(autotoolschange简称atc)及其操作方法。

背景技术：

在工业4.0的时代背景下，工业机器人在生产制造领域起着举足轻重的作用，传统的工业机器人是基于预订的作业任务设计的，其固定构造显示出很大的局限性，绝大多数机器人在自动化生产过程中只能完成一种操作，实际生产过程中，一个产品需要经过多道复杂工序，每个工位的机器人负责单一的工作，企业需要配置多台机器人才能完成整个工艺过程，这样的自动化生产线对机器人的数量要求较多，占用工作空间较大，企业的生产制造成本大幅增加，因此，流水线式的机器人作业在小批量生产、产品不便于移动、工作空间有限等情况下并不适用，反而单台机器人实现多种操作任务的方案更加可行。

随着工业机器人逐步向模块化、可重构化方向发展，机器人可以通过更换末端执行工具以实现多种操作任务，目前多采用的方式是人工手动更换。这样存在很多不足，一方面，更换末端工具的过程本身很繁琐，频换更换机器人末端工具会造成人力、物力以及时间的浪费；此外，每次更换末端执行器后都需要重新定位，加工误差变大，严重制约了机器人的推广和应用。

工业机器人智能手腕装备系统又被称为机器人末端工具切换工具(atc)，是一种用于机器人快速切换末端执行机构的装置，可以通过快速切换不同的末端执行机构，使机器人更柔性、更高效的用于多种作业方式，生产线所需的末端执行机构更换可以在几秒内完成，维护和修理工具可以快速更换，大大降低了因更换末端执行工具而停工停产的事件，通过在应用中使用两个或以上的末端执行器，从而使柔性增加；使用自动交换单一功能的末端执行器，代替原来笨重复杂的多功能执行器，被广泛应用于自动点焊、弧焊、材料抓举、冲压、检测、装配、毛刺清理和包装等操作。

工业机器人智能手腕装备(atc)包含其机器人侧，一般安装在机器人末端法兰处，还包含一个或多个工具侧，放置在工具架上，分别用来安装在不同的末端执行机构上，利用电信号和压缩空气完成机器人侧和工具侧的耦合锁紧或打开。国外对机器人末端工具快速更换装置的研究发展很成熟，如美国、日本、瑞典等。市场对atc的需求越来越大，然而生产厂家很少，国内汽车厂生产线基本上使用的都是进口品牌的机器人末端工具切换装置，比如史陶比尔，ati等进口品牌，ati快速更换装置的动力源大多数是采用气压传动锁紧工具盘以及末端执行器，当然也提供液压、电动等传动方式，还提供多种附属产品，但是产品价格高，项目投入成本和后期的维护保养成本都很高，产品周期长，影响项目进度和设备的维护保养，售后响应速度慢，影响用户的正常生产。

如图1和图2所示的机器人侧主体结构示意图以及工具侧主体结构示意图，现有工业机器人智能手腕装备系统的机器人侧包括机器人侧主体1以及机器人侧外挂模块侧面安装位置3，工具侧包括工具侧主体2以及工具侧外挂模块侧面安装位置4，可供安装总线模块，电连接模块，水气模块和焊接模块等外挂模块的位置都位于机器人侧和工具侧的主体侧面；并且侧面安装位置固定，不能变化。

总之，现有技术存在如下的缺点：

1、现有工业机器人智能手腕装备系统外挂模块整体布局形式固定，安装位置对于实际工作环境较为苛刻的情况下，其不能满足实际工作环境的需求。

2、若总线模块，电连接模块，焊接模块和水气模块等外挂模块外形尺寸过大，还可能会因安装角度的问题产生位置干涉。

3、因为其主体侧面安装位置和角度固定不变，总线模块，电连接模块，水气模块，焊接模块等外挂模块的安装布局不能较为紧凑，需要利用的空间比较大。

4、机器人侧和工具侧主体提供外挂模块安装位置位于侧面，需要多次装夹才可完成加工。对于侧面安装位置的机加工，需要多次装夹才可完成，在一定程度上会产生较多的加工累积误差；此外，侧面安装位置对于机加工要求非常高，需要的机加工人员整体素质要求也非常高，若机加环境稍有不足，机加工人员整体素质不足往往都会影响到侧面外挂模块安装位置的位置公差是否在允许的公差范围内。

5、缺少检测与计数模块，无法检测钢珠实际是否膨胀到位，因此存在虚拟到位的安全风险；同时，无法检测钢珠未膨胀到位的次数，从而也不能为后期结构改善提供技术支持。

因此，需要研发新的工业机器人智能手腕装备系统，与现有的产品实现无缝对接，根据新的需求和研发标准，做出整套的工业机器人智能手腕装备系统(atc)。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供一种工业机器人智能手腕装备系统，为工业自动化快速更换工装夹具，以及传输电源，电信号，气，水等介质提供便利；同时，需要安装较多的总线模块，电连接模块和水气模块等其他外挂模块时，解决安装位置不足及因安装角度产生的位置干涉等问题；对于外挂模块的安装灵活布局，根据实际工作环境选择较为紧凑的布局方案，提供大量的可安装空间；此外采用法兰形式主体机加工更便利，对于重要配合连接的位置通过较少的装夹次数便可机加工出来，解决因多次装夹加工而造成安装位置的位置误差，进一步保证各个外挂模块间的对接精度；增加检测与计数模块，检测钢珠是否膨胀到位，解决钢珠虚拟到位的安全风险；并且对钢珠未膨胀到位的次数进行计数，为后期设备升级改造提供技术支持。

为此，本发明的目的在于提供一种工业机器人智能手腕装备系统，包括：机器人侧以及工具侧，所述机器人侧固定在所述机器人末端法兰处，工具侧被锁紧在机器人侧，所述工具侧分别固定可以实现各种不同功能的工具，所述机器人侧与所述工具侧形成一对多的关系，通过所述机器人侧的宏观运动以及微观捕获运动，从工具架上取出或者更换不同的所述工具，实现系统的功能，所述机器人侧以及工具侧采用法兰形式主体机加工更便利，并设置检测与计数模块，以检测钢珠实际是否膨胀到位，并且对钢珠未膨胀到位的次数进行计数。

优选的，所述机器人侧包括：机器人侧法兰主体(11)，机器人侧bk模块(12)，机器人侧电连接结构模块(13)，机器人侧焊接模块(14)，机器人侧水气模块(15)，机器人侧锁紧端(16)，锥槽锁芯(28)，钢珠(17)，机器人侧定位孔(18)，电磁阀(19)，压力传感器(20)以及到位传感器(51)，其中所述机器人侧bk模块(12)，电磁阀(19)以及压力传感器(20)构成机器人侧总线模块；所述机器人侧法兰主体(11)的背面具有突起圆柱台阶，所述机器人侧法兰主体(11)背面开设有定位销孔，便于将所述机器人侧定位在所述机器人末端法兰处，所述机器人侧法兰主体(11)上开设从正面到背面的通孔，所述通孔通过紧固螺钉将所述机器人侧锁紧在所述机器人末端法兰上；所述机器人侧bk模块(12)用于通过网络实现io的控制，包括通过所述机器人侧bk模块(12)收集机器人总控制器发出的电信号，再将所述电信号输送给所述机器人侧电连接结构模块(13)，或者将所述装备系统的所述机器人侧和所述工具侧对接后发出的反馈电信号汇总到所述机器人侧bk模块(12)后通过所述机器人侧bk模块(12)将电信号反馈到所述机器人总控制器；所述机器人侧电连接结构模块(13)用于快速、便捷的提供电源以及电信号连接；所述机器人侧焊接模块(14)用于快速、便捷的提供焊接所需的大电流；所述机器人侧水气模块(15)用于快速、便捷的提供水和气；所述压力传感器(20)在机器人侧和工具侧锁紧状态下对外部输入的气源进行气压检测，当检测到具有气压时，则机器人正常工作，若没有检测到气压，则机器人停止工作并报警；所述机器人侧总线模块、机器人侧电连接结构模块(13)、机器人侧焊接模块(14)以及所述机器人侧水气模块(15)同时通过模块定位套和紧固螺钉固定在机器人侧法兰主体上，所述机器人侧锁紧端(16)通过机器人侧法兰主体(11)正面设置的定位销孔安装销钉定位，背面设置通过所述紧固螺钉的通孔，通过所述紧固螺钉将机器人侧锁紧端(16)锁紧在机器人侧法兰主体(11)上，所述总线模块上设置所述电磁阀(19)以及所述压力传感器(20)实施锁紧的控制以及锁紧和工具装备过程中的压力监测，所述机器人侧法兰主体(11)和所述机器人侧锁紧端(16)内部设置多个周向分布的机器人侧定位孔(18)实施对接过程中的工具侧定位，所述锥槽锁芯(28)用于限制孔内钢珠位置。

优选的，所述机器人侧还包括锁紧压簧(31)，密封缸体(32)，活塞(33)、磁环(34)以及密封圈组成的锁紧端，所述密封缸体(32)内部设置多个所述锁紧压簧(31)，当所述锁紧压簧(31)向自由状态伸长但未达到自由状态，所述机器人侧以及所述工具侧同时被锁紧，此时所述锁紧压簧(31)为所述活塞(33)提供向外顶出的力，同时电磁阀某位导通，为活塞(33)也提供一个向外的力，从而确保机器人侧与工具侧拥有一定的锁紧力，确保在一定的负载情况下，机器人侧与工具侧不会脱离，因为所述锁紧压簧(31)始终施加给活塞(33)一个向外顶出的力，当气源突然消失，机器人侧与工具侧在一定条件下始终锁紧，不至于气源一断开，工具侧就失去被锁紧的力；若需要切换工具侧，则电磁阀切换气源通路，使得所述活塞(33)向内位移，即锁紧压簧(31)被压缩；所述活塞(33)位于所述锁紧压簧(31)上方，所述锁紧压簧(31)总是为所述活塞(33)提供一个向外的顶出力，所述活塞(33)的环形槽内设置所述磁环(34)，所述活塞(33)中间设置一个大压簧，其余小压簧均布在所述活塞(33)的圆周方向，所述活塞(33)外圆设置所述密封圈；所述锁紧压簧(31)和所述活塞(33)及紧固在所述活塞(33)上的锥槽锁芯(28)用于将所述钢珠(17)向外推，所述锁紧端整体设计为圆柱形，所述锁紧压簧(31)的材料为弹簧钢，其他部件的材料为铝合金或30cr2ni2mo，所述机器人侧内部的所述活塞(33)上固定所述锥槽锁芯(28)，所述锥槽锁芯(28)上加工有锥形槽，可以为钢珠(17)提供一定的活动空间，所述活塞(33)内设计限制所述锁紧压簧(31)位置的圆柱孔，所述机器人侧密封缸体内设计有均布圆柱孔，所述圆柱孔内放置弹簧套，弹簧套用于限制均布压簧被压缩的方向，从而对锁紧压簧(31)起到限位作用，锁紧端上方开有圆柱孔，圆柱孔恰好能通过钢珠，并且圆柱孔内设计有防止钢珠滑出的限位边，用于放置钢珠(17)并防止钢珠(17)滑出。

优选的，所述机器人侧还包括第一安装定位系统，所述第一安装定位系统包括机器人侧到位传感器(51)，机器人侧模块定位孔(52)，模块定位套(53)，模块连接部位的模块定位套安装位置处的外挂模块定位孔(81)以及机器人侧电连接模块导向套(91)，所述机器人侧模块定位孔(52)上侧设置所述模块定位套(53)，所述机器人侧锁紧端(16)外部设置所述机器人侧到位传感器(51)以检测所述机器人侧是否已经插入到位，所述机器人侧模块定位孔(52)及下部开设有紧固螺纹孔，并设置在所述机器人侧法兰形式主体(11)的安装位置，所述机器人侧法兰形式主体(11)外接和所述机器人侧水气模块(15)的连接配合方式均采用所述模块定位套(53)与所述机器人侧模块定位孔(52)相互配合定位，紧固螺钉穿过机器人侧水气模块(15)安装孔及模块定位套(53)紧固在机器人侧上；同时所述总线模块、机器人侧电连接结构模块(13)、机器人侧焊接模块(14)以及机器人侧水气模块(15)与所述机器人侧法兰形式主体(11)的连接部位设计有机器人侧模块定位孔(52)，机器人侧模块定位孔(52)下设置有通过紧固螺钉的螺纹孔，所述模块定位套(53)将所述总线模块、机器人侧电连接结构模块(13)、机器人侧焊接模块(14)以及机器人侧水气模块(15)与所述机器人侧法兰形式主体(11)的主体安装定位孔定位连接，再使用紧固螺钉将外挂模块一一固定。

优选的，所述主体外侧安装机器人侧活塞磁性开关感应器(61)，用于检测所述活塞(33)的位置。

优选的，所述工具侧包括：工具侧法兰形式主体(21)，工具侧定位销(22)，工具侧曲面锁紧圈(23)，工具侧电连接结构模块(24)，工具侧水气模块(25)，工具侧焊接模块(26)，工具侧检测与计数模块(27)；其中所述工具侧检测与计数模块(27)用于对所述钢珠(17)的位置进行检测与计数，确保所述钢珠(17)在正确的膨胀位置时，才可进行下一步动作，使atc的锁紧圈更加安全可靠；所述工具侧法兰形式主体(21)的背面开设有均布定位销孔，用于工具侧安装定位，所述工具侧法兰主体(21)的正面开设有直至背面的均布通孔，所述通孔通过紧固螺钉将工具侧紧固在执行机构上。

优选的，所述工具侧还包括第二安装定位系统，所述第二安装定位系统包括工具侧曲面锁紧圈钢珠锁紧配合槽(41)，工具侧模块定位孔(71)以及工具侧电连接模块导向销(92)；所述工具侧模块定位孔(71)及下部的紧固螺纹孔设置在所述工具侧法兰形式主体(21)的安装位置，外挂模块与所述工具侧法兰形式主体(21)的定位均采用模块定位套定位，再使用紧固螺钉再将外挂模块固定；而所述机器人侧电连接模块导向套(91)，工具侧电连接模块导向销(92)是确保电连接模块在两主体锁紧时，电连接模块内部的插针能一一对应接合，同时所述工具侧电连接结构模块(24)、所述工具侧焊接模块(26)以及所述工具侧水气模块(25)与所述工具侧法兰形式主体(21)的连接部位设计有与所述工具侧模块定位孔(71)对应的模块安装定位孔和以及通过紧固螺钉的通孔。

优选的，工具侧主体外部轮廓为圆弧形式或整圆形式，所述工具侧电连接结构模块(24)，工具侧水气模块(25)，工具侧焊接模块(26)和工具侧检测与计数模块(27)的安装孔位为疏密相间的布置方式或沿着工具侧主体外部轮廓均匀分布的布置方式。

本发明的目的还在于提供一种工业机器人智能手腕装备系统的操作方法，包括如下步骤：

步骤1，实施机器人侧和工具侧主体部位结合锁紧动作，包括：

s11，机器人侧移动到工具侧上方，做好机器人侧与工具侧锁紧前的准备；

s12，机器人总控制器通过机器人侧电连接模块切换电磁阀气源通路，使得活塞受力向内移动，同时机器人侧活塞磁性开关检测器(61)检测当前活塞(33)位置，并确认到位传感器(51)无反馈信号；

s13，机器人侧开始接合，通过工具侧定位销与机器人侧定位孔定位导正两侧主体；

s14，当机器人侧插入到工具侧锁紧位置时，机器人侧到位传感器(51)将信号传输到机器人侧bk模块(12)；

s15，机器人侧bk模块(12)将电信号输送到机器人总控制器后，所述机器人总控制器再将动作电信号通过机器人侧bk模块(12)发送给机器人侧电连接结构模块(13)，所述机器人侧电连接结构模块(13)再给电控制电磁阀气源通路；

s16，电磁阀切换气源通路将气体输入密封缸体内同时配合锁紧压簧(31)，活塞(33)及锥槽锁芯(28)将钢珠向外推，钢珠与工具侧曲面锁紧圈(23)钢珠锁紧配合槽配合锁紧，从而将机器人侧与工具侧锁紧；一方面机器人侧活塞磁性开关感应器(61)上限位接通时，工具侧的检测与计数模块(27)会对钢珠位置进行检测与计数，当检测与计数模块检测到钢珠处于正确的膨胀位置时，机器人总控制器发出命令可以进行下一步动作，若检测到钢珠未在正确的膨胀位置，则机器人总控制器停止一切动作并发出报警信号；另一方面压力传感器对锁紧状态下的气源进行气压检测；

步骤2，一切正常，进行作业任务；同时压力传感器(20)对气压持续进行检测；

步骤3，实施机器人侧和工具侧主体部位脱离动作，包括：

s31，机器人总控制器发出命令进行机器人侧与工具侧脱离进行动作；

s32，机器人总控制器将动作电信号通过机器人侧bk模块(12)发送到机器人侧电连接结构模块(13)，机器人侧电连接结构模块(13)再给电控制电磁阀气源通路；电磁阀切换气源通路将气体输入密封缸体内，使活塞(33)及锥槽锁芯(28)向内位移，锁紧压簧(31)被压缩，此时活塞磁性开关感应器(61)检测到活塞(33)处于下限位，钢珠此时不受力，可在圆柱孔内自由移动；

s33，机器人侧往上移动，脱离工具侧。

本发明的有益效果：

1、为工业自动化快速更换工装夹具，及传输电源，电信号，气，水等介质提供便利。

2、机器人侧和工具侧主体结构为法兰形式，可以提供多角度的安装位置，当某一角度安装总线模块，电连接模块，焊接模块，水气模块等模块对周围工件及工具侧上工装夹具造成干涉时，可以改变安装位置从而改变安装角度，避开干涉区，即提供外挂模块的安装位置多，解决现有安装数量少，安装角度固定的问题。

3、当靠近主体位置没有可供空间安装其他模块时，可以通过设计新的固定连接板引出，新的固定连接板安装在可供安装的剩余安装位置上，不必对主体部分二次打孔攻牙。这样比较便利，也对主体起到一定保护，避免因打孔对主体的受力强度和对其他安装部件造成影响。

4、法兰形式主体的安装孔位内有模块定位孔，通过模块定位套和模块定位孔将总线模块，电连接模块，焊接模块，水气模块等外挂模块进行位置定位，这样可以在更换安装位置时快速定位，对于电连接模块，水气模块，焊接模块等外挂模块的对接提供了精准的定位。减少了因为改变安装位置，对总线模块，电连接模块，水气模块、焊接模块及其他外挂模块安装所需的安装时间。

5、模块定位孔和紧固螺纹孔为同轴形式，加工方便，可以完全保证外挂模块的位置精度。并且安装过程及其简单快速，安装精度完全可以得到保证。重要两点，其一，不需要安装者拥有较高的装配水平。其二，不需要安装者对模块对接进行细微的调整，只要安装在相应安装孔位便可。

6、总线模块，电连接模块，水气模块，焊接模块等外挂模块安装位置基本位于主体的正面，机加工时可以在较少次数装夹的情况下，完成重要部位的机加工工序，进一步解决因装夹，多个加工基准而产生的加工误差，从而提高了外挂模块对接后的对接精度。

7、本发明的检测与计数模块能直接检测钢珠锁紧端的钢珠是否实际膨胀到位，解决了atc存在虚拟锁紧到位的风险问题，使atc的锁紧机构更加安全可靠，保证钢珠只有实际膨胀到位并检测与计数模块检测到压力信号时，才给控制系统发送锁紧到位信号，确保机器人侧和工具侧处于完全锁紧状态。同时将钢珠未达到实际膨胀位置的次数记录下来，为后期结构改善提供技术支持。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。本发明的目标及特征考虑到如下结合附图的描述将更加明显，附图中：

附图1为根据现有技术的机器人侧主体结构示意图；

附图2为根据现有技术的工具侧主体结构示意图；

附图3为根据本发明实施例的工业机器人智能手腕装备系统(atc)整体结构示意图；

附图4为根据本发明实施例的机器人侧结构示意图；

附图5为根据本发明实施例的工具侧结构示意图；

附图6为根据本发明实施例的机器人侧内部结构示意图；

附图7为根据本发明实施例的工具侧内部结构示意图；

附图8为根据本发明实施例的机器人侧模块安装形式结构图；

附图9为根据本发明实施例的机器人侧活塞磁性开关感应器结构图；

附图10为根据本发明实施例的工具侧模块安装形式结构图；

附图11为根据本发明实施例的模块定位套安装形式结构图；

附图12为根据本发明实施例的机器人侧和工具侧即将锁紧阶段电连接模块结合原理示意图；

附图13为根据本发明实施例一的工具侧主体外部轮廓设计以及安装孔位置布局结构示意图；

附图14为根据本发明第二实施例的工具侧主体外部轮廓设计以及安装孔位置布局结构示意图；

附图15为根据本发明实施例的机器人侧和工具侧主体部位结合锁紧动作方法流程图；

附图16为根据本发明实施例的机器人侧和工具侧主体部位脱离动作方法流程图。

具体实施方式

参见图3以及图12，第一实施例的工业机器人智能手腕装备系统，包括：机器人侧以及工具侧，机器人侧固定在所述机器人末端法兰处，工具侧被锁紧在机器人侧，工具侧分别固定可以实现各种不同功能的工具，机器人侧与工具侧形成一对多的关系，通过机器人侧的宏观运动以及微观捕获运动，从工具架上取出或者更换不同的工具，实现系统的功能。

参见图4，6，8以及图9，机器人侧包括：机器人侧法兰主体11，机器人侧bk模块12，机器人侧电连接结构模块13，机器人侧焊接模块14，机器人侧水气模块15，机器人侧锁紧端16，钢珠17，机器人侧定位孔18，电磁阀19，压力传感器20，到位传感器51，其中机器人侧bk模块12，电磁阀19以及压力传感器20构成机器人侧的总线模块；机器人侧法兰主体11的背面具有突起圆柱台阶，机器人侧法兰主体11的背面开设有定位销孔，便于将机器人侧定位在机器人末端法兰处，机器人侧法兰主体11上开设从正面到背面的通孔，通孔通过紧固螺钉将机器人侧锁紧在机器人末端法兰上；机器人侧bk模块12用于通过网络实现io的控制，包括通过机器人侧bk模块12收集机器人总控制器发出的电信号，再将电信号分别输送给机器人侧电连接结构模块13，或者将atc机器人侧和工具侧对接后发出的反馈电信号汇总到机器人侧bk模块12后通过机器人侧bk模块12将电信号反馈到机器人总控制器；机器人侧电连接结构模块13用于快速、便捷的提供电源以及电信号连接；机器人侧焊接模块14用于快速、便捷的提供焊接所需的大电流；机器人侧水气模块15用于快速、便捷的提供水和气；压力传感器20对外部输入的气源进行气压检测，当检测到具有气压时，则机器人正常工作，若没有检测到气压，则机器人停止工作并报警；机器人侧总线模块、机器人侧电连接结构模块13、机器人侧焊接模块14以及机器人侧水气模块15同时通过模块定位套和紧固螺钉固定在机器人侧法兰主体上，机器人侧锁紧端16通过机器人侧法兰主体11正面的定位销孔安装销钉定位，背面通过紧固螺钉的通孔将机器人侧锁紧端16锁紧在机器人侧法兰主体11上，总线模块上设置电磁阀19以及压力传感器20实施锁紧的控制以及锁紧和工具装备过程中的压力监测，机器人侧法兰主体11和机器人侧锁紧端16内部设置多个周向分布的机器人侧定位孔18实施装备过程中的工具侧定位。

机器人侧还包括锁紧压簧31，密封缸体32，活塞33、锥槽锁芯28、磁环34以及密封圈组成的锁紧端，密封缸体32内部设置多个锁紧压簧31，当锁紧压簧31向自由状态伸长但未达到自由状态，机器人侧以及工具侧同时被锁紧，此时锁紧压簧31为活塞33提供向外顶出的力，同时电磁阀某位导通，也给活塞33一个向外的力，从而确保机器人侧与工具侧拥有一定的锁紧力，确保在一定的负载情况下，机器人侧与工具侧不会脱离，因为锁紧压簧31始终施加给活塞33一个向外顶出的力，当气源突然消失，机器人侧与工具侧在一定条件下始终锁紧，不至于气源一断开，工具侧就失去被锁紧的力；若需要切换工具侧，则电磁阀切换气源通路，使得活塞33向内位移，即锁紧压簧31被压缩；活塞33上固定有锥槽锁芯28，活塞33位于锁紧压簧31上方，锁紧压簧31总是为活塞33提供一个向外的顶出力，活塞33环形槽内设置磁环34，活塞33中间设置一个大锁紧压簧，其余小锁紧压簧均布在活塞33的圆周方向，活塞33外圆设置密封圈；锁紧压簧31和活塞33及紧固在活塞33上的锥槽锁芯28用于将钢珠17向外推，锁紧端整体设计为圆柱形，锁紧压簧31的材料为弹簧钢，其他部件的材料为为铝合金，30cr2ni2mo等，机器人侧内部的活塞33上固定所述锥槽锁芯28，锥槽锁芯28上加工有锥形槽，可以为钢珠17提供一定的活动空间，活塞33内设计限制锁紧压簧31位置的圆柱孔，机器人侧密封缸体内设计有均布圆柱孔，圆柱孔内放置弹簧套，弹簧套用于限制均布压簧被压缩的方向，从而对锁紧压簧31起到限位作用，锁紧端上方开有圆柱孔，圆柱孔恰好能通过钢珠，并且圆柱孔内设计有防止钢珠滑出的限位边，用于放置钢珠17并防止钢珠17滑出。

机器人侧还包括第一安装定位系统，第一安装定位系统包括机器人侧到位传感器51，机器人侧模块定位孔52，模块定位套53，模块连接部位的模块定位套安装位置处的外挂模块定位孔81以及机器人侧电连接模块导向套91，机器人侧电连接模块导向套91属于电连接模块内插针导向定位使用，机器人侧模块定位孔52及下部开设有紧固螺纹孔，并设置在机器人侧法兰形式主体11的安装位置，机器人侧法兰形式主体11外接和机器人侧水气模块15的连接配合方式均采用模块定位套53与机器人侧模块定位孔52相互配合定位，紧固螺钉穿过机器人侧水气模块15安装孔及模块定位套53紧固在机器人侧上；同时总线模块、机器人侧电连接结构模块13、机器人侧焊接模块14以及机器人侧水气模块15与机器人侧法兰形式主体11的连接部位设计有机器人侧模块定位孔52，机器人侧模块定位孔52下设置有通过紧固螺钉的螺纹孔，模块定位套53将总线模块、机器人侧电连接结构模块13、机器人侧焊接模块14以及机器人侧水气模块15与机器人侧法兰形式主体11的主体安装定位孔定位连接，再使用紧固螺钉将外挂模块一一固定。

还包括机器人侧活塞磁性开关感应器61，用于检测活塞33的位置。

参见图5，7，10以及11，工具侧包括：工具侧法兰形式主体21，工具侧定位销22，工具侧曲面锁紧圈23，工具侧电连接结构模块24，工具侧水气模块25，工具侧焊接模块26，工具侧检测与计数模块27；其中工具侧检测与计数模块27用于对钢珠17的位置进行检测与计数，确保钢珠17在正确的膨胀位置时，才可进行下一步动作，使atc的锁紧端更加安全可靠；

工具侧还包括第二安装定位系统，第二安装定位系统包括工具侧曲面锁紧圈钢珠锁紧配合槽41，工具侧模块定位孔71以及工具侧电连接模块导向销92；工具侧模块定位孔71及下部的紧固螺纹孔设置在工具侧法兰形式主体21的安装位置，外挂模块与工具侧法兰形式主体21的定位均采用模块定位套定位，再使用紧固螺钉再将外挂模块固定；而机器人侧电连接模块导向套91，工具侧电连接模块导向销92是确保电连接模块在两主体锁紧时，电连接模块内部的插针能一一对应接合，同时工具侧电连接结构模块24、工具侧焊接模块26以及工具侧水气模块25与工具侧法兰形式主体21的连接部位设计有与工具侧模块定位孔71对应的模块安装定位孔和以及通过紧固螺钉的通孔。即外挂模块与主体的定位与紧固连接均采用模块定位套定位，紧固螺钉再将外挂模块固定。而的模块导向套91，模块导向销92是确保电连接模块在两主体锁紧时，电连接模块内部的插针能一一对应接合。

参见图13和14，本发明的第二实施例，大部分的技术细节可以参见本发明的第一实施例，只是工具侧主体外部轮廓由第一实施例的圆弧形式修改设计成整圆形式，并且重新布局安装孔位置，工具侧的外挂模块的安装孔位也进行相应的改变，由原有的疏密相间的安装孔位置布置方式改变为沿着工具侧主体外部轮廓均匀分布的圆形安装孔位。

本实施例的工业机器人智能手腕装备系统的操作方法，包括如下步骤：

步骤1，实施机器人侧和工具侧主体部位结合锁紧动作，包括：

s11，机器人侧移动到工具侧上方，做好机器人侧与工具侧锁紧前的准备；

s12，机器人总控制器通过机器人侧电连接模块切换电磁阀气源通路，使得活塞受力向内移动，同时机器人侧活塞磁性开关检测器61检测当前活塞33位置，并确认到位传感器51无反馈信号；

s13，机器人侧开始接合，通过工具侧定位销与机器人侧定位孔定位导正两侧主体；

s14，当机器人侧插入到工具侧锁紧位置时，机器人侧到位传感器51将信号传输到机器人侧bk模块12；

s15，机器人侧bk模块12将电信号输送到机器人总控制器后，所述机器人总控制器再将动作电信号通过机器人侧bk模块12发送给机器人侧电连接结构模块13，所述机器人侧电连接结构模块13再给电控制电磁阀气源通路；

s16，电磁阀切换气源通路将气体输入密封缸体内同时配合锁紧压簧31，活塞33及锥槽锁芯28将钢珠向外推，钢珠与工具侧曲面锁紧圈23钢珠锁紧配合槽配合锁紧，从而将机器人侧与工具侧锁紧；一方面机器人侧活塞磁性开关感应器61上限位接通时，工具侧的检测与计数模块27会对钢珠位置进行检测与计数，当检测与计数模块检测到钢珠处于正确的膨胀位置时，机器人总控制器发出命令可以进行下一步动作，若检测到钢珠未在正确的膨胀位置，则机器人总控制器停止一切动作并发出报警信号；另一方面压力传感器对锁紧状态下的气源进行气压检测；

步骤2，一切正常，进行作业任务；同时压力传感器20对气压持续进行检测；

步骤3，实施机器人侧和工具侧主体部位脱离动作，包括：

s31，机器人总控制器发出命令进行机器人侧与工具侧脱离进行动作；

s32，机器人总控制器将动作电信号通过机器人侧bk模块12发送到机器人侧电连接结构模块13，机器人侧电连接结构模块13再给电控制电磁阀气源通路；电磁阀切换气源通路将气体输入密封缸体内，使活塞33及锥槽锁芯28向内位移，锁紧压簧31被压缩，此时活塞磁性开关感应器61检测到活塞33处于下限位，钢珠此时不受力，可在圆柱孔内自由移动；

s33，机器人侧往上移动，脱离工具侧。

本实施例的有益效果包括：

1、为工业自动化快速更换工装夹具，及传输电源，电信号，气，水等介质提供便利。

2、机器人侧和工具侧主体结构为法兰形式，可以提供多角度的安装位置，当某一角度安装总线模块，电连接模块，焊接模块，水气模块等模块对周围工件及工具侧上工装夹具造成干涉时，可以改变安装位置从而改变安装角度，避开干涉区，即提供外挂模块的安装位置多，解决现有安装数量少，安装角度固定的问题。

3、当靠近主体位置没有可供空间安装其他模块时，可以通过设计新的固定连接板引出，新的固定连接板安装在可供安装的剩余安装位置上，不必对主体部分二次打孔攻牙。这样比较便利，也对主体起到一定保护，避免因打孔对主体的受力强度和对其他安装部件造成影响。

4、法兰形式主体的安装孔位内有模块定位孔，通过模块定位套和模块定位孔将总线模块，电连接模块，焊接模块，水气模块等外挂模块进行位置定位，这样可以在更换安装位置时快速定位，对于电连接模块，水气模块，焊接模块等外挂模块的对接提供了精准的定位。减少了因为改变安装位置，对总线模块，电连接模块，水气模块、焊接模块及其他外挂模块安装所需的安装时间。

5、模块定位孔和紧固螺纹孔为同轴形式，加工方便，可以完全保证外挂模块的位置精度。并且安装过程及其简单快速，安装精度完全可以得到保证。重要两点，其一，不需要安装者拥有较高的装配水平。其二，不需要安装者对模块对接进行细微的调整，只要安装在相应安装孔位便可。

6、总线模块，电连接模块，水气模块，焊接模块等外挂模块安装位置基本位于主体的正面，机加工时可以在较少次数装夹的情况下，完成重要部位的机加工工序，进一步解决因装夹，多个加工基准而产生的加工误差，从而提高了外挂模块对接后的对接精度。

7、检测与计数模块能直接检测钢珠锁紧端的钢珠是否实际膨胀到位，解决了atc存在虚拟锁紧到位的风险问题，使atc的锁紧机构更加安全可靠，保证钢珠只有实际膨胀到位并检测与计数模块检测到压力信号时，才给控制系统发送锁紧到位信号，确保机器人侧和工具侧处于完全锁紧状态。同时将钢珠未达到实际膨胀位置的次数记录下来，为后期结构改善提供技术支持。

虽然本发明已经参考特定的说明性实施例进行了描述，但是不会受到这些实施例的限定而仅仅受到附加权利要求的限定。本领域技术人员应当理解可以在不偏离本发明的保护范围和精神的情况下对本发明的实施例能够进行改动和修改。