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標題: 機器人末端的快換裝置，有哪些設計要點？ [打印本頁]
作者: 羅羅日記 時間: 2019-9-30 20:47
標題: 機器人末端的快換裝置，有哪些設計要點？
本帖最后由 羅羅日記 于 2019-9-30 22:12 編輯
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這兩天太忙了，本來該前兩天發出來，拖到今天，我內心有點過意不去。
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這不，剛剛回來，吃了個橘子，馬上就開機，今晚發了，明天回家。
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老鐵，看到來頂帖。
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羅羅，我常常在一些機器人末端上，看到有快換裝置的應用。
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你能說說，快換裝置是怎么回事嗎？
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可以。
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3 }& m' p3 s Q你說的機器人應用，是屬于自動化范疇的。
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4 F+ u3 P8 A6 O$ }% h y3 @; H9 ]那種快換裝置（Quick Changer／Tool Changer），分為兩側，主側和副側。
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主側裝在機器人末端，副側裝在工具端。
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副側常常和工具固連，放在工具架上，一個工具用一個副側。
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機器人末端，會根據工藝需要，自動更換不同的工具（執行器），來協同機器人運動軸，完成不同的動作，處理不同的物料等。
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嗯哼，我大體明白了。
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其實，在做三坐標測量機時，有一段時間，我的主要工作內容，就是快換裝置的設計。
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你們為什么要用快換裝置？
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* {6 v1 Z& S8 A3 \) @. g' s因為當時，采取了一個Z軸的配置，根據不同的應用，用快換裝置，自動更換不同的檢測頭。
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怎么更換的？能顯示得具體一些嗎？
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. o! D7 G* p! Q! \好的，我做了一個PPT，名叫《測頭更換流程》。
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2 P" J+ \; l- Z/ m1 c7 c* @在公號羅羅日記里，回復測頭，即可下載播放，觀看測頭更換的流程。
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9 \7 S) E4 I, b. K. h好的，我晚點去看看。
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不過，我想問，為何只配置一個Z軸呢？
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其實，我們當時有兩個方案。
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第一種是3只Z軸：一個探針Z1軸，一只二維光學鏡頭和一只三維光學鏡頭Z2軸，另外一個Z3軸，留給粗糙度檢測鏡頭，或者激光干涉儀。
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( R/ l3 Y# _- H" K! I& v1 x此配置方案的優點是測頭固定，沒有因為更換測頭，引入的重復性誤差。
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! @% J3 I) ~5 u: W; G4 w0 ~缺點是測頭都掛在Z軸，導致重量變大，對運動速度有不利的影響，對結構剛性要求高。
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& g3 h: E3 P" V& H而且檢測的時候，旁邊的測頭會在一定程度上，影響檢測頭的檢測范圍，測量深度等。
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那么，第二種配置呢？
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只有一個Z軸。
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根據需要，快速更換檢測頭，其他檢測頭不用時，放置于測頭架上。
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# c% E% U9 y/ ], O$ U' u( q, @比如，三維共聚焦光學檢測頭，二維光學檢測頭，探針測頭，激光干涉儀等輪換到Z軸上。
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& K8 U$ ~' ?3 ^* W! b. G此配置方案的優點是重量輕，可以實現高速運動，缺點是需要更換測頭，精度依賴于更換時的重復定位精度和校調。
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) r2 V G' a5 z% C4 I3 W0 ~0 a4 {4 s你們為何用第二種方案？
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" u1 c1 [* m$ q3 u最主要的是第一種太重了，想要達到需要的精度，結構設計非常有挑戰。
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另外，我們考察CMM三家主要競爭對手，海克斯康、蔡司、三豐的設計，他們Z上大部分只有一個軸。
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可以說，快速更換，是行業里的一個發展趨勢。
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+ m* I g9 c+ @( A所以，我們最后決定用第二種方案。
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好的，明白。
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但是，你們為什么不買現成的快換產品呢？
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0 c |+ d, a- t% p* x( r$ u. _1 Z4 B因為市場上現有的產品，不滿足我們的使用要求。
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/ X: s5 [; f! u; M3 `最重要的是，我們有一個很特別的要求：希望裝置是中空的結構。
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( K6 `6 i/ z4 N0 k) q因為，中間我們要放置相機和光學器件，這個完全沒有產品滿足要求。
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4 Z0 U1 o; O* r. d! O, V另外，電接口和氣接口數量，不滿足我們的應用要求。
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我們希望總重量小于2Kg，這一點，到是有不少的供應商可以做到。
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但是，我們電接口數量多達60，沒有一家供應商可以達到。
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而且，問了幾家供應商，都不愿意定做，畢竟我們需要的數量太少，可能他們覺得沒啥錢賺，投入精力不劃算吧。
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* J. V: a+ i& h0 q4 c+ A
OK。你們研究的，比較知名的供應商有哪些？
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( i" c7 Y3 j4 J. `; wATI， Schunk(雄克)，Applied Robotics，KOSMEK（考世美），Gimatic等。
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我有2張表格，如下圖，從原理和參數方面，對比了幾家供應商。
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# j$ @$ ?3 y3 }" }# V0 F同時，也對比了幾家競爭對手，快換裝置的做法。
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快換裝置原理對比
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[attach]490706[/attach]
快換裝置參數對比
6 A5 u9 C- n5 _0 l, S2 q c[attach]490707[/attach]
競爭對手快換裝置對比
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通過上面的原理對比，你應該能夠看出。
! Z: C3 Z* A& H' ^6 M+ H, Q
* Y: G, ~, x. f" ~6 O7 z我們主要考慮：重復性，定位，預載，安全鎖緊，釋放，電接口數量，氣動接口，載荷等設計要點。
! Q0 d# p5 }: a# N8 l; d+ k' U+ y' e( k6 ?
定位：競爭對手是V型槽和高硬度鋼球定位。
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當V型槽由兩個鋼球構成時，另一邊則是一根鋼棒，當V型槽是兩根鋼棒構成時，另一邊則是鋼球。
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大量的論文研究表明，這種定位方法，在動態耦合時，重復性是最好的。
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比如《Kinematic couplings: A review ofdesign principles and applications》中有提到，可以達到0.01um的重復性。（更多相關文章可以參考http://pergatory.mit.edu/kinematiccouplings/html/documents.html）
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但是因為是點接觸，所以剛性不是很高，一般用于輕載荷，低加速度。
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0 ? S7 n9 c* G9 s( o而自動化方面的供應商，定位方式有所不同。
. g, d4 I! s; n4 r
* `" ?/ ^$ K& h在XY方向，他們大都是定位銷和定位孔定位。
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當然也有用錐面定位的，比如KOSMEK（考世美），這種浮動錐面定位，優點是可以顯著提高重復性。
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) d3 r' Z0 Y( f: n6 k* N5 n) [- n; l: H從上面參數對比表，可以看出，只有考世美實現的重復性是最高的，達到3um。
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而對于Z方向定位，都是用接觸大面定位。
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工廠自動化方面的定位方式，好處是，接觸面大，剛性好，但是缺點就是重復性差一些。
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預載：預載荷的大小，在很大程度上，決定了動態耦合的剛性，預載的加載方式，可能會帶來沖擊，應當避免沖擊。
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我們中途有提到用薄型氣缸，后來就是因為沖擊被否決了。
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; `' C1 Z1 Y# y' U" ]安全鎖緊：就是系統突然斷電斷氣時，工具側不能掉下來，應該是鎖住的狀態，不然會出現安全等問題。
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% Q' o% ~" |+ b, A- [0 e釋放：釋放和預載是相反的，簡單理解就是解除連接。
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9 H8 i8 e+ g1 k3 c4 P! D8 c電接口：共60針，擺放在外側，便于維護。
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氣接口：除了用于氣缸，另外預留2路氣體，作為氣體冷卻備用。
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載荷：6Kg，重心位置不超過結合面200mm。
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4 C- W* O/ F' p0 ?6 n6 V既然沒有滿足要求的設計，那你們只有自己做了？
& W% m' z0 d) U! m" U, T沒錯。
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因為我們載荷比較大，同時重復性要求高（X，Y：±50um，Z±15um，中心軸±0.25°）。
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所以，我們參考海克斯康，機械鉤子式快換裝置，做出了第一個版本的設計。
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原理如下圖。
[attach]490708[/attach]
快換裝置的設計V1.0
7 G! Y1 `" w" R. N* @, {- |用鋼球和V型槽定位，壓簧做預載，用機械鉤子，來鉤住被連接的副側模組。
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這里，我們用中空的氣缸來釋放，因為中間的位置，被相機和光學模組占用了。
( Z( `/ X# G: D$ ?6 z. G) t5 [
2 U, T+ ?9 x1 d: C4 x- G中空的氣缸是自己做的嗎？
1 I, ?6 v" s( b, @9 `& ]
$ Z; C- J; n F* p是的，當時倒角太小，密封圈的裝配還挺費勁，抹了潤滑油，還用熱水燙了一下，才壓進去。
3 Q# y" M$ X, m, v% L1 a
s5 {. U0 G" W( g n% L' F后來你們做測試沒有，效果如何？
. ?) p) w& g+ m/ f; ^) j; F: p8 b
) D. \/ ^: e* B. G( f( ?對于上面的設計V1.0，后面我有測試其重復性和靜態剛性（因為實驗條件有限，沒有做動態剛性測試）。
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測試方法是：
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（1）重復性
利用現有的Z運動平臺，把快換裝置裝在平臺上。
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) D5 ~( Z8 o B7 V0 |3 P相機和主側模組在一起，掛在平臺上。
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通過馬達微調到想要的位置后，用機械鎖緊Z軸，避免電機位置變化引入誤差。
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7 O0 Y" C# d3 x3 I. j/ B同時，在快換裝置的下側，豎立兩塊板，當氣缸通斷氣的時候，實現釋放和預載，釋放后，光學測量模組，可以落在豎立的兩塊板上（板頂部貼有緩沖橡膠）。
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' e# J- ]$ Y) p
預載后，通過相機拍照，看位于其正下方的標準校準玻璃，分析圖像在XY方向的移動量，來測量XY的重復性。
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D: b' F8 o( c6 ]8 m+ W; X
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測試結果是：XY方向重復性±48um<±50um，Z方向±10um<要求±15um。達標。同時，因為相機有清晰的成像，所以中心軸傾斜也沒問題。
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9 A0 e3 n, M2 B: K. b: ?7 n( y（2）靜態剛性的測試
直接加載一組力，力的作用線，通過耦合后模組的質心，然后還是看相機圖像在XY方向的平移量。
. x+ |5 ^0 G: ?' c
! |# `. C& v7 T9 _5 v0 K因為項目要求的是動態剛性（0.1um），所以這里測試的靜態剛性，只能作為參考。
- V) S( j; x( h& q7 ^9 j' ~
* Y! A4 v7 k: H, F% K剛性測試結果是，波動幅度最大到250um/gf。
' |8 t0 d+ j* g5 h
1 V2 J; K# E& [4 ]' X對于動態剛性，暫時先通過CAE模擬，來分析其動態剛性。
! H! D7 V4 k' {0 r
" a) F" w+ F( t0 P) v后面通過做瞬態分析，發現剛性不是很好。
9 [2 | b' m. m, ^
, |: ?+ V5 u; o9 ], ], {2 Y+ J因為檢測末端點，在運動“穩定”后，相對于工件的位移變化，已經達到10um。
5 j& q$ m: [4 h
( b2 D, M7 o: S% g$ S7 R結論是系統剛性不足，各個模塊，特別是快換裝置，都必須繼續提高剛性。
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所以，你們后面有繼續更新設計，對嗎？
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6 t! Z% c4 d- i7 [: s( C是的。
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5 F- v: P7 c& a: i/ Y其實，對于上面的概念，我們在CAE結果還沒出來時，就做了一些局部的更新。
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快換裝置的設計V1.1
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從V1.0更新到V1.1。
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! T, |9 q! G' m) {: `6 i& b% e/ G, a主要是把鉤子約束軸承，變換了位置，因為V1.0中，鉤子是旋轉到水平位置，可能有水平分力。
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V1.1中，因為約束在側面，當調整好約束軸承位置后，鉤子是直線往上走，沒有水平分力。
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4 L" w0 u ?# E5 G& K! O
后來有繼續升級設計嗎？
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) C$ W; y% D1 i+ K2 s
有的。
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. v- g6 P z b% s) M8 @9 h0 C$ P因為V1版本的結構件挺多的，顯得不夠簡單。
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9 N; L' I( K7 }
另外，沒有經過長期的測試，氣缸可靠性可能是一個問題。
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所以，后來做了一個新的版本，V2.0。
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[attach]490710[/attach]
快換裝置的設計V2.0
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" j) a8 {: Q0 E" h: l# @0 d( Q; M9 X! K7 G因為，電磁鐵比自己做的氣缸穩定可靠。
* _; }: O v v4 d* K4 H( E+ ~
+ ]! k( D# f, I+ P
嗯，明白。
% d3 t+ `5 ^( v( A# B9 C5 k& B2 K3 j& f$ H
那你這個概念，其實，還是沒有提高快換裝置的剛性，對嗎？
$ e% a. u: I9 m4 g% d' {/ Q7 z& p" X
沒錯。
, ]4 V" C4 v8 `0 {" c
( g7 k# P- @4 f/ m) w$ \所以，后面又升級到V2.1。
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快換裝置的設計V2.1
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主要的考慮因素，就是提高剛性。
b2 `' c, ^" j" N$ ~: v+ N- }% W( L9 e$ m" x0 \
這里把原來的鋼球加V型鋼柱定位方式，變成了XY方向用柔性定位銷，Z方向用大面接觸。
% |# V; E; E* D1 `
' y1 G' ]; l$ B% Q3 a5 d這種做法，會損失一定的重復性吧？
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0 t9 d) D; Q6 ^/ T! b/ N是的。
* u" ?0 Z6 [& {8 [) y" I
8 Q2 P( W# w, X) ?3 A( i# `) l正如前面所說，鋼球加V型槽的動態耦合，能夠達到的重復性是最高的。
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但是，我們升級到V2.1，其實也是有原因的。
9 V2 g1 N! s5 l; E' S7 } F f7 o Z5 `5 C" d# [4 S
因為這種概念，能夠達到的重復性還是相當高的。
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$ k/ c9 y; x5 `其實，我們是參考了總部位于瑞士，主要用于工件裝甲的System 3R的做法。
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[attach]490712[/attach]
System 3R快換裝置的設計
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System 3R：X，Y方向，由四組柔性彈片，配合高硬度凸臺來定位，之所以用柔性體，是為了避免Z方向的過約束，因為Z方向，是用四個面接觸來定位。
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, {8 H5 z: g$ G$ v. }% |
目前，V2.1這個方案，正在等待物料，后續會有一些測試。
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好的，希望以后能有一些測試結果。
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; C, ~2 \& f, I$ g7 z* I- r我會跟蹤的，有結果，我會寫在這篇文章的評論里，歡迎你關注。
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2 _9 N1 }1 I* v' ~$ V8 W, T* H
對了，后來，我自己又參考考世美的做法，做了一個版本，V2.2。
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主要是把XY的定位方式，換成浮動錐銷。
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* T+ |( K2 x/ b. P7 V P% I, {
當然，這個版本沒有出設計，我自己留個底，可能以后用得著。
" d# k# J' A, _6 ^, Q R; [+ }[attach]490713[/attach]
快換裝置的設計V2.2
' K3 T2 R, L G+ P5 r+ r
我懂。
: h) Y0 ]; t! o$ C/ e" m6 {9 O, h6 Q. O4 d- `
我還有一點疑問，電磁鐵和相機，都會產生熱量吧，對精度有影響吧？
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當然，因為后面V2的方案都引入了電磁鐵，電磁鐵會引入一個熱功率，瞬間功率高達25瓦。
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# X% R4 }0 L0 W8 V: p% p不過，因為用的時間很少，大概只有5/1000，所以實際的熱功率很小，只有零點幾瓦。
b/ Q, N# g! P% ?9 w$ _: I- F! Z2 E
" V3 y% Y/ C X. R& }6 K到是相機本身會發熱，最后的散熱設計，是需要重點考慮的問題。
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9 `# x( ~ q( N+ l+ s2 V+ H不過，我們還是有解決辦法的。
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對于相機，采用封閉包圍的散熱片，加上外接的空氣，來冷卻它。
; D: o* o3 D% z! M2 l4 }+ |/ _. X( b$ c* n9 G0 E+ K
前兩天測試了一下，效果還是很明顯的，可以降低相機溫度15度，從原來的43度，降低到28度。
1 A8 |) b% C6 n/ H- E! \( j7 m- y: s& D
不過對系統精度的貢獻，還需要做更多的測試。
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還有，你們的60針電接口是怎么解決的？
8 H/ L" P& c* W$ x
9 @5 }6 C8 K6 {. _用的Pogo Pin，我們提要求，找供應商做的。
6 m9 p/ @; h/ e- j
9 H6 T4 M" c% j7 e4 R因為，沒有現成的模塊有那么多針腳，同時，有些模擬信號需要做屏蔽保護。
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' c: D# U9 }$ O: {6 y+ U- S# P同時，還考慮了Pogo Pin的接觸力，因為這會降低電磁鐵的預載力。
6 N& O2 G- ?" Y5 T& l4 [8 f/ H1 R
" j( @5 O. c% {! U; \當然，對于電磁鐵和針腳式電接口，我們也做了隔熱處理。
8 z+ K0 T" I, F1 J
' D5 i4 M2 m- I8 ?3 c& {( }# p$ I' o采用隔熱板，隔熱陶瓷等，有效隔離其熱源。
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好的。
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羅羅，最后，我還有一個要求，你上面的原理，參數對比，以及不同的設計版本PPT，能分享給我嗎？
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8 J Y% {8 n# l1 r: a* I, m, ?$ z& s可以。
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在我公號里，回復“快換裝置”即可下載。
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好的，多謝你。
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/ z' `* X9 ^ t$ j7 N# h沒事。
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作者: Leo_20180309 時間: 2019-10-1 19:07
受益匪淺
作者: 羅羅日記 時間: 2019-10-1 19:13
老鐵，國慶好
作者: 遠祥 時間: 2019-10-2 11:37
很好的資料，收藏了！感謝樓主分享！
作者: 羅羅日記 時間: 2019-10-2 12:09
感謝收藏
作者: hj1230 時間: 2019-10-2 16:42
感謝樓主分享，很不錯的學習資料
作者: 羅羅日記 時間: 2019-10-2 19:31
客氣客氣
作者: 東莞88888 時間: 2019-10-8 15:36
感謝樓主的分享
作者: 羅羅日記 時間: 2019-10-8 19:38
客氣了老鐵
作者: Moore 時間: 2019-10-9 14:41
學習了
作者: 羅羅日記 時間: 2019-10-9 15:07
|Moore發表于 10-09 14:41學習了<img class="emotion" src="http://www.ytsybjq.com/static/image/smiley/default/handshake.gif" smilieid="17 border=" 0"="" alt="">
作者: 菜鳥8587 時間: 2019-12-27 18:54
11
作者: 羅羅日記 時間: 2019-12-28 18:07
感謝老鐵支持
作者: 鷹頭貓 時間: 2019-12-30 10:37
好像市場上的快換不是一個東西...現在快換也開始做非標了嗎
作者: 高達SD 時間: 2020-1-18 14:33
感謝分享, S. h4 h# W4 ?" ?7 S! p8 O1 s
作者: juz1005 時間: 2020-2-3 20:10
羅羅，你的公眾號怎么找，是微信嗎
作者: 羅羅日記 時間: 2020-6-20 10:48
/ n/ S* `* d9 V( P& k1 b+ M1 y- ]微信里搜公眾號：羅羅日記
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作者: 小蔡 時間: 2020-6-20 14:16
寫的很好！但感覺目前主流的還是活塞加鋼球鎖緊的結構吧。, N" Q( f- v3 D9 _/ }
而且我怎么看ATI的快換和BL的快換是一樣的，是不是BL給ATI做OEM了。
作者: 羅羅日記 時間: 2020-6-22 15:57
|小蔡發表于 06-20 14:16寫的很好！但感覺目前主流的還是活塞加鋼球鎖緊的結構吧。<br>: W' Y% {' U+ f' U7 T
而且我怎么看ATI的快換和BL的快換是一樣的，是不是BL給ATI做OEM了。
作者: 攻城獅_jhjiang 時間: 2020-6-27 11:09
感謝樓主分享，很不錯的學習資料
作者: 攻城獅_jhjiang 時間: 2021-3-4 09:46
感謝樓主的分享 文字挺多，盡然全看完了，整個改進過程比較豐富
作者: xydyl16888 時間: 2021-3-25 18:16
不錯，學習了！
作者: wugehaoniu 時間: 2021-3-26 08:47
謝謝分享。學習中。贊，頂
作者: 0388 時間: 2021-3-26 13:59
感謝收藏
作者: 老鐵yy 時間: 2021-10-26 14:58
看不懂 再看看
作者: 柏拉圖OL 時間: 2021-12-24 15:31
學習了8 J) z# h+ g' u% c! w" A7 z* F l. Q
作者: laozzzji 時間: 2021-12-30 11:37
很不錯，樓主公司哪里的
作者: i5系列機械臂 時間: 2021-12-31 16:33
也設計了一種電磁推桿的快換裝置，還沒做精度測試，可以參考，謝謝題主
作者: 清風@揚逸 時間: 2022-1-3 09:43
受益匪淺
作者: 普賽斯 時間: 2022-4-21 09:11
學習學習
作者: WANGFENG11 時間: 2023-11-6 17:58
很好的資料，感謝樓主
作者: 特務兔 時間: 2023-11-13 10:36
學習了
作者: 喂我袋鹽 時間: 2023-11-13 12:01
感謝分享
作者: ericshen12 時間: 2024-9-20 07:29
感謝分享
作者: cangzhoumj 時間: 2024-9-22 07:56
挺全面
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