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(fā)出來,拖到今天,我內(nèi)心有點(diǎn)過意不去。 / t" R7 J" T% B/ @ D; Q, Q. {5 \
這不,剛剛回來,吃了個(gè)橘子,馬上就開機(jī),今晚發(fā)了,明天回家。
6 |+ X1 l* O, C! J老鐵,看到來頂帖。 2 R# C o7 F# L1 i2 R* L1 T
羅羅,我常常在一些機(jī)器人末端上,看到有快換裝置的應(yīng)用。 8 N5 }) u, |# l4 `8 E' s% R
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你能說說,快換裝置是怎么回事嗎? " ?0 G' f8 c6 C) U# m" B
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可以。
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你說的機(jī)器人應(yīng)用,是屬于自動(dòng)化范疇的。
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那種快換裝置(Quick Changer/Tool Changer),分為兩側(cè),主側(cè)和副側(cè)。 % L; q, m$ B2 x/ c2 c. u# U
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主側(cè)裝在機(jī)器人末端,副側(cè)裝在工具端。
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副側(cè)常常和工具固連,放在工具架上,一個(gè)工具用一個(gè)副側(cè)。 2 D; y$ t l4 |7 }2 \) E
3 x, i5 @' D9 U# @0 s機(jī)器人末端,會(huì)根據(jù)工藝需要,自動(dòng)更換不同的工具(執(zhí)行器),來協(xié)同機(jī)器人運(yùn)動(dòng)軸,完成不同的動(dòng)作,處理不同的物料等。 3 ~6 M3 E' F9 {) ^2 V ~8 F4 N8 r
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嗯哼,我大體明白了。
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其實(shí),在做三坐標(biāo)測(cè)量機(jī)時(shí),有一段時(shí)間,我的主要工作內(nèi)容,就是快換裝置的設(shè)計(jì)。
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你們?yōu)槭裁匆每鞊Q裝置? / \0 t6 z0 }6 I9 K: y+ C; M s
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因?yàn)楫?dāng)時(shí),采取了一個(gè)Z軸的配置,根據(jù)不同的應(yīng)用,用快換裝置,自動(dòng)更換不同的檢測(cè)頭。
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. E% D ^; v. L1 T怎么更換的?能顯示得具體一些嗎?
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; q- I- l! B- s$ r- y- l1 m0 F+ t. e好的,我做了一個(gè)PPT,名叫《測(cè)頭更換流程》。
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在公號(hào)羅羅日記里,回復(fù)測(cè)頭,即可下載播放,觀看測(cè)頭更換的流程。 ! ~- ]4 A4 H. u4 U
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好的,我晚點(diǎn)去看看。 " q" ~' _, x h3 i! t* c
; o; K+ [) Q& i( p$ Q) {4 k不過,我想問,為何只配置一個(gè)Z軸呢? 6 O$ {8 R: m! O4 f7 [
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其實(shí),我們當(dāng)時(shí)有兩個(gè)方案。 ; {! j$ i. j. e; P& C
, p9 e3 l1 y/ ~; w1 Z2 p m第一種是3只Z軸:一個(gè)探針Z1軸,一只二維光學(xué)鏡頭和一只三維光學(xué)鏡頭Z2軸,另外一個(gè)Z3軸,留給粗糙度檢測(cè)鏡頭,或者激光干涉儀。
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此配置方案的優(yōu)點(diǎn)是測(cè)頭固定,沒有因?yàn)楦鼡Q測(cè)頭,引入的重復(fù)性誤差。
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8 c) B) k$ p' ^& u缺點(diǎn)是測(cè)頭都掛在Z軸,導(dǎo)致重量變大,對(duì)運(yùn)動(dòng)速度有不利的影響,對(duì)結(jié)構(gòu)剛性要求高。
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而且檢測(cè)的時(shí)候,旁邊的測(cè)頭會(huì)在一定程度上,影響檢測(cè)頭的檢測(cè)范圍,測(cè)量深度等。
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6 u/ O! a: }' o& H那么,第二種配置呢?
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只有一個(gè)Z軸。 g8 p4 P) l' G/ L* o
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根據(jù)需要,快速更換檢測(cè)頭,其他檢測(cè)頭不用時(shí),放置于測(cè)頭架上。 2 h% k8 M, J# v0 x& ?
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比如,三維共聚焦光學(xué)檢測(cè)頭,二維光學(xué)檢測(cè)頭,探針測(cè)頭,激光干涉儀等輪換到Z軸上。
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此配置方案的優(yōu)點(diǎn)是重量輕,可以實(shí)現(xiàn)高速運(yùn)動(dòng),缺點(diǎn)是需要更換測(cè)頭,精度依賴于更換時(shí)的重復(fù)定位精度和校調(diào)。 : i3 O& k `3 r `
) e+ \* O9 {, c6 q) C: x8 o% U( e, ]3 t1 Z你們?yōu)楹斡玫诙N方案? 5 P' x6 f2 L7 n9 t! @2 E
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最主要的是第一種太重了,想要達(dá)到需要的精度,結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)非常有挑戰(zhàn)。
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另外,我們考察CMM三家主要競爭對(duì)手,海克斯康、蔡司、三豐的設(shè)計(jì),他們Z上大部分只有一個(gè)軸。 % Z& Y* ?. I i( k1 g
7 S. b5 O) l) Y8 `& [4 }9 F可以說,快速更換,是行業(yè)里的一個(gè)發(fā)展趨勢(shì)。
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( F. m+ H! @, r6 u: X! B' i) n所以,我們最后決定用第二種方案。 ! D V: l! m" c/ ~/ s3 e; ^3 i4 O
! m- j9 [5 @! g4 i( Z: c$ j/ d好的,明白。 ( r" e0 e% B6 w9 i% d' e1 m0 P
& `0 `7 B; x) }& @% r/ `, p但是,你們?yōu)槭裁床毁I現(xiàn)成的快換產(chǎn)品呢? 3 c# v; y- \8 a& z) j( s
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因?yàn)槭袌?chǎng)上現(xiàn)有的產(chǎn)品,不滿足我們的使用要求。 / Z- t7 i# D# n( B1 ~
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最重要的是,我們有一個(gè)很特別的要求:希望裝置是中空的結(jié)構(gòu)。 % ~! o( r. @, @, K% X$ A
# R& b9 [. b u- g因?yàn)椋虚g我們要放置相機(jī)和光學(xué)器件,這個(gè)完全沒有產(chǎn)品滿足要求。 * X) \/ n! Y9 {" T
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另外,電接口和氣接口數(shù)量,不滿足我們的應(yīng)用要求。
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6 [8 ?; E2 Z7 i+ }我們希望總重量小于2Kg,這一點(diǎn),到是有不少的供應(yīng)商可以做到。 9 [& B9 }) K2 m
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但是,我們電接口數(shù)量多達(dá)60,沒有一家供應(yīng)商可以達(dá)到。 0 s) S1 P- x7 a
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而且,問了幾家供應(yīng)商,都不愿意定做,畢竟我們需要的數(shù)量太少,可能他們覺得沒啥錢賺,投入精力不劃算吧。 9 j1 `" {8 K% p w
8 P% _2 F; G( M/ X C2 i) ROK。你們研究的,比較知名的供應(yīng)商有哪些?
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ATI, Schunk(雄克),Applied Robotics,KOSMEK(考世美),Gimatic等。 # |# ^9 h" ~" S- q: g& m% J
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我有2張表格,如下圖,從原理和參數(shù)方面,對(duì)比了幾家供應(yīng)商。 0 Y4 T& a2 R6 ]
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同時(shí),也對(duì)比了幾家競爭對(duì)手,快換裝置的做法。 快換裝置原理對(duì)比
2 X. I3 m& O4 R9 k快換裝置參數(shù)對(duì)比
, }6 x2 m$ ~7 L) I+ y4 A1 C" c3 _競爭對(duì)手快換裝置對(duì)比
6 Y/ ^3 r5 V* E) M, V7 E2 W( Q* z通過上面的原理對(duì)比,你應(yīng)該能夠看出。
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: { ~$ b6 c+ i- R* Z我們主要考慮:重復(fù)性,定位,預(yù)載,安全鎖緊,釋放,電接口數(shù)量,氣動(dòng)接口,載荷等設(shè)計(jì)要點(diǎn)。 : [7 l. i; `. x
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定位:競爭對(duì)手是V型槽和高硬度鋼球定位。
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1 F# J0 _5 }/ U5 e& e當(dāng)V型槽由兩個(gè)鋼球構(gòu)成時(shí),另一邊則是一根鋼棒,當(dāng)V型槽是兩根鋼棒構(gòu)成時(shí),另一邊則是鋼球。 W5 ~( `* [7 \4 |, l8 S
( U- a0 Y- j, {" H1 b6 v大量的論文研究表明,這種定位方法,在動(dòng)態(tài)耦合時(shí),重復(fù)性是最好的。
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5 s; h0 r4 B2 \; l& v T比如《Kinematic couplings: A review ofdesign principles and applications》中有提到,可以達(dá)到0.01um的重復(fù)性。(更多相關(guān)文章可以參考http://pergatory.mit.edu/kinematiccouplings/html/documents.html) , ]9 E* C4 g" q. X' Y
" {7 T1 K- O q' E但是因?yàn)槭屈c(diǎn)接觸,所以剛性不是很高,一般用于輕載荷,低加速度。 # a$ w/ c( q( o6 t5 u# G* @/ u
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而自動(dòng)化方面的供應(yīng)商,定位方式有所不同。
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# e7 E1 }& G& \* I. p在XY方向,他們大都是定位銷和定位孔定位。 6 u% M W) d `; F2 c+ a$ D
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當(dāng)然也有用錐面定位的,比如KOSMEK(考世美),這種浮動(dòng)錐面定位,優(yōu)點(diǎn)是可以顯著提高重復(fù)性。
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. y$ |( |$ W# P從上面參數(shù)對(duì)比表,可以看出,只有考世美實(shí)現(xiàn)的重復(fù)性是最高的,達(dá)到3um。
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6 X- Y) G! ~- e9 ?# L/ i而對(duì)于Z方向定位,都是用接觸大面定位。
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6 X' U% M* Z% o; q% w) W工廠自動(dòng)化方面的定位方式,好處是,接觸面大,剛性好,但是缺點(diǎn)就是重復(fù)性差一些。 6 z5 X# J6 G$ n0 L! l
1 r4 Y( e! S' B, n- s$ I" n預(yù)載:預(yù)載荷的大小,在很大程度上,決定了動(dòng)態(tài)耦合的剛性,預(yù)載的加載方式,可能會(huì)帶來沖擊,應(yīng)當(dāng)避免沖擊。 . e3 S2 |" {+ s! P* A9 T
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我們中途有提到用薄型氣缸,后來就是因?yàn)闆_擊被否決了。
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安全鎖緊:就是系統(tǒng)突然斷電斷氣時(shí),工具側(cè)不能掉下來,應(yīng)該是鎖住的狀態(tài),不然會(huì)出現(xiàn)安全等問題。
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) K' A1 M# [0 E; l釋放:釋放和預(yù)載是相反的,簡單理解就是解除連接。 6 j0 j0 N/ b9 A: [9 j# |2 r: V
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電接口:共60針,擺放在外側(cè),便于維護(hù)。
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+ r8 _. {& q, y氣接口:除了用于氣缸,另外預(yù)留2路氣體,作為氣體冷卻備用。
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# I6 q, u9 u0 M9 c) D' O載荷:6Kg,重心位置不超過結(jié)合面200mm。
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既然沒有滿足要求的設(shè)計(jì),那你們只有自己做了? 5 {/ b% n& ?: j- Q# ~
沒錯(cuò)。
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: _( K5 g2 e5 A% l! R! K& g/ K因?yàn)槲覀冚d荷比較大,同時(shí)重復(fù)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(jī)械鉤子式快換裝置,做出了第一個(gè)版本的設(shè)計(jì)。
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原理如下圖。 快換裝置的設(shè)計(jì)V1.0 5 b/ V2 k: S/ Q# L% Q) ]
用鋼球和V型槽定位,壓簧做預(yù)載,用機(jī)械鉤子,來鉤住被連接的副側(cè)模組。
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這里,我們用中空的氣缸來釋放,因?yàn)橹虚g的位置,被相機(jī)和光學(xué)模組占用了。
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中空的氣缸是自己做的嗎?
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是的,當(dāng)時(shí)倒角太小,密封圈的裝配還挺費(fèi)勁,抹了潤滑油,還用熱水燙了一下,才壓進(jìn)去。
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, N& m8 ^3 v0 z7 B2 q后來你們做測(cè)試沒有,效果如何? " z& C8 O3 c" \( q4 G' w
5 i: u o2 m T7 I1 x/ f對(duì)于上面的設(shè)計(jì)V1.0,后面我有測(cè)試其重復(fù)性和靜態(tài)剛性(因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件有限,沒有做動(dòng)態(tài)剛性測(cè)試)。 ( J, g, z4 O( w5 }* g
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測(cè)試方法是: ; d; F! q7 y# w. M/ J4 F
(1)重復(fù)性 利用現(xiàn)有的Z運(yùn)動(dòng)平臺(tái),把快換裝置裝在平臺(tái)上。
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8 i* H' |; J; n1 Y$ d' O6 q% k$ N. m7 k相機(jī)和主側(cè)模組在一起,掛在平臺(tái)上。
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通過馬達(dá)微調(diào)到想要的位置后,用機(jī)械鎖緊Z軸,避免電機(jī)位置變化引入誤差。
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同時(shí),在快換裝置的下側(cè),豎立兩塊板,當(dāng)氣缸通斷氣的時(shí)候,實(shí)現(xiàn)釋放和預(yù)載,釋放后,光學(xué)測(cè)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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預(yù)載后,通過相機(jī)拍照,看位于其正下方的標(biāo)準(zhǔn)校準(zhǔn)玻璃,分析圖像在XY方向的移動(dòng)量,來測(cè)量XY的重復(fù)性。 1 a( H& [# ]+ q
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測(cè)試結(jié)果是:XY方向重復(fù)性±48um<±50um,Z方向±10um<要求±15um。達(dá)標(biāo)。同時(shí),因?yàn)橄鄼C(jī)有清晰的成像,所以中心軸傾斜也沒問題。 4 S9 y8 x$ {" z% a' p! j
6 I1 u8 n* x& | ]8 Z% r$ c2 i(2)靜態(tài)剛性的測(cè)試 直接加載一組力,力的作用線,通過耦合后模組的質(zhì)心,然后還是看相機(jī)圖像在XY方向的平移量。 , h# h0 e0 J4 l6 s
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因?yàn)轫?xiàng)目要求的是動(dòng)態(tài)剛性(0.1um),所以這里測(cè)試的靜態(tài)剛性,只能作為參考。 6 J8 J, c; j2 m4 f
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剛性測(cè)試結(jié)果是,波動(dòng)幅度最大到250um/gf。
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9 t4 b- \$ C; t" y7 V4 @4 {對(duì)于動(dòng)態(tài)剛性,暫時(shí)先通過CAE模擬,來分析其動(dòng)態(tài)剛性。
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9 t# m, G; C; A `后面通過做瞬態(tài)分析,發(fā)現(xiàn)剛性不是很好。
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因?yàn)闄z測(cè)末端點(diǎn),在運(yùn)動(dòng)“穩(wěn)定”后,相對(duì)于工件的位移變化,已經(jīng)達(dá)到10um。
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4 O! Z7 |% |! C結(jié)論是系統(tǒng)剛性不足,各個(gè)模塊,特別是快換裝置,都必須繼續(xù)提高剛性。 ( a. y2 }7 v, B" y# q/ g
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所以,你們后面有繼續(xù)更新設(shè)計(jì),對(duì)嗎?
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1 o* W7 |8 W! G) b% C9 w+ Q是的。
. k, r/ m5 ]' \- z& A7 _6 V, x" d# S
3 H0 E! y7 ^2 K; S2 j- x# s其實(shí),對(duì)于上面的概念,我們?cè)贑AE結(jié)果還沒出來時(shí),就做了一些局部的更新。 快換裝置的設(shè)計(jì)V1.1
; m" L r! K: I$ S! ] J從V1.0更新到V1.1。
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主要是把鉤子約束軸承,變換了位置,因?yàn)閂1.0中,鉤子是旋轉(zhuǎn)到水平位置,可能有水平分力。 ( j# `& Z/ R' t- d ^' r
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V1.1中,因?yàn)榧s束在側(cè)面,當(dāng)調(diào)整好約束軸承位置后,鉤子是直線往上走,沒有水平分力。 , G0 W! q8 s( L9 l' w
! l/ w+ J& l! f6 V5 o/ ~& F
后來有繼續(xù)升級(jí)設(shè)計(jì)嗎? " {5 l% ?- t: ^+ b
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有的。
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8 c0 Y; _. ?% N" Q5 `因?yàn)閂1版本的結(jié)構(gòu)件挺多的,顯得不夠簡單。 2 X v9 I6 i' E
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另外,沒有經(jīng)過長期的測(cè)試,氣缸可靠性可能是一個(gè)問題。
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所以,后來做了一個(gè)新的版本,V2.0。 & g% s& U1 R2 ~2 i
快換裝置的設(shè)計(jì)V2.0
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; E7 P0 e g- e+ {1 e' B H# e& z
因?yàn)椋姶盆F比自己做的氣缸穩(wěn)定可靠。 . A0 r; Z% E# O; k* e O
: d b+ \) S A) S
嗯,明白。 % B& a! [. N0 X1 l" a( K
0 b) k8 o6 {6 r" p
那你這個(gè)概念,其實(shí),還是沒有提高快換裝置的剛性,對(duì)嗎? - J: q% R& _1 e" c" @
; o) R4 G! M0 u2 \沒錯(cuò)。 , S! j5 b" J9 y/ \
1 {. [: A/ x1 F7 a( n' l( k# D所以,后面又升級(jí)到V2.1。 快換裝置的設(shè)計(jì)V2.1
' l# G9 M$ S7 }; r H+ u- k4 K主要的考慮因素,就是提高剛性。
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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。 * F# E" V0 k5 f4 U6 F
6 H" r; }! \9 I- L% ?( W這種做法,會(huì)損失一定的重復(fù)性吧?
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0 C9 }$ }+ t( X6 E& i是的。 " @+ e! }8 h8 `) d# o" J/ u( y! `
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正如前面所說,鋼球加V型槽的動(dòng)態(tài)耦合,能夠達(dá)到的重復(fù)性是最高的。 : B( r' S! F; m" K. c5 D
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但是,我們升級(jí)到V2.1,其實(shí)也是有原因的。 * Y9 D; @, N7 m4 c9 h6 s; q2 n
' d( C' W2 q1 G1 [) C& j4 c因?yàn)檫@種概念,能夠達(dá)到的重復(fù)性還是相當(dāng)高的。
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m8 A( L# {7 n: Q* b其實(shí),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。 5 d" G, Y6 v% N2 Z9 z* c! |
System 3R快換裝置的設(shè)計(jì) 2 ?# P% j. r! r. c/ Y1 Q$ k8 v" W
System 3R:X,Y方向,由四組柔性彈片,配合高硬度凸臺(tái)來定位,之所以用柔性體,是為了避免Z方向的過約束,因?yàn)閆方向,是用四個(gè)面接觸來定位。
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目前,V2.1這個(gè)方案,正在等待物料,后續(xù)會(huì)有一些測(cè)試。 ( a4 @8 o, K' L* J
9 b5 j0 o, w6 `好的,希望以后能有一些測(cè)試結(jié)果。 1 |7 G7 e$ h4 s
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我會(huì)跟蹤的,有結(jié)果,我會(huì)寫在這篇文章的評(píng)論里,歡迎你關(guān)注。
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對(duì)了,后來,我自己又參考考世美的做法,做了一個(gè)版本,V2.2。
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主要是把XY的定位方式,換成浮動(dòng)錐銷。 # T' @4 n i2 L
% }. e Q3 c! e2 \! z當(dāng)然,這個(gè)版本沒有出設(shè)計(jì),我自己留個(gè)底,可能以后用得著。
# `$ n3 x2 W) Q快換裝置的設(shè)計(jì)V2.2
0 @# I' w7 j2 ?( B* q, Y; W$ a我懂。
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3 B& ^1 Z) T w+ U) p) l, J$ A我還有一點(diǎn)疑問,電磁鐵和相機(jī),都會(huì)產(chǎn)生熱量吧,對(duì)精度有影響吧?
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* w+ R: l3 {9 W! P; }4 J5 t當(dāng)然,因?yàn)楹竺鎂2的方案都引入了電磁鐵,電磁鐵會(huì)引入一個(gè)熱功率,瞬間功率高達(dá)25瓦。 & Y, x1 b" a% Y/ X" F
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不過,因?yàn)橛玫臅r(shí)間很少,大概只有5/1000,所以實(shí)際的熱功率很小,只有零點(diǎn)幾瓦。
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: d; c0 Y9 p1 R0 Z- }+ n2 H% h到是相機(jī)本身會(huì)發(fā)熱,最后的散熱設(shè)計(jì),是需要重點(diǎn)考慮的問題。
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不過,我們還是有解決辦法的。
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- j' m9 X7 b$ Z. @! o# k6 e5 C對(duì)于相機(jī),采用封閉包圍的散熱片,加上外接的空氣,來冷卻它。
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( j) N+ Q2 S3 G4 o( h前兩天測(cè)試了一下,效果還是很明顯的,可以降低相機(jī)溫度15度,從原來的43度,降低到28度。 n! R6 P* A; \
, c4 U S; c1 V不過對(duì)系統(tǒng)精度的貢獻(xiàn),還需要做更多的測(cè)試。 % A$ i; Q0 A; x% Y* ` ^! }7 z0 `
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還有,你們的60針電接口是怎么解決的?
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用的Pogo Pin,我們提要求,找供應(yīng)商做的。 1 H W, `; q0 k/ R3 n* K8 l
" ?* K2 b/ a+ l, B W因?yàn)椋瑳]有現(xiàn)成的模塊有那么多針腳,同時(shí),有些模擬信號(hào)需要做屏蔽保護(hù)。 ( L' s; @" U6 g$ t( W3 X
+ J1 Y5 m1 S# y! a0 t- u. ]4 [. f0 J同時(shí),還考慮了Pogo Pin的接觸力,因?yàn)檫@會(huì)降低電磁鐵的預(yù)載力。
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當(dāng)然,對(duì)于電磁鐵和針腳式電接口,我們也做了隔熱處理。
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采用隔熱板,隔熱陶瓷等,有效隔離其熱源。
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5 T! y( e; y6 Z- Y. e好的。
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+ l8 m* k5 P3 ~羅羅,最后,我還有一個(gè)要求,你上面的原理,參數(shù)對(duì)比,以及不同的設(shè)計(jì)版本PPT,能分享給我嗎? 8 s/ e9 I8 s( a5 v6 T. O% B
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可以。
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在我公號(hào)里,回復(fù)“快換裝置”即可下載。
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0 i- l6 B: a/ e8 I4 F: k好的,多謝你。
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沒事。 5 ?) I9 v" E" O7 E/ M
( N6 i5 I( k/ T6 Q* [) _+ A' m相關(guān)閱讀:
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