機器人末端的快換裝置,，有哪些設計要點,？

羅羅日記

( }7 g7 N9 h/ E' s0 m* r% s. T4 I

這兩天太忙了，本來該前兩天發(fā)出來,，拖到今天,，我內(nèi)心有點過意不去。

( s* H  I! c; c3 r$ G* y6 r

這不,，剛剛回來,，吃了個橘子，馬上就開機，今晚發(fā)了,，明天回家,。

" |, F0 _9 I% h* [$ y

老鐵，看到來頂帖,。

. {9 ^* a, s2 N* n- u% R

羅羅,，我常常在一些機器人末端上，看到有快換裝置的應用,。

. s# l  |# h5 G! Y* ?' J; q$ N

你能說說,，快換裝置是怎么回事嗎？

! N1 w  n" ?; |4 ^* h* |

可以,。

5 O4 d+ _6 R. ^- Y5 W/ ^! z
, I" Z1 o6 W, P; p5 o: b

你說的機器人應用,，是屬于自動化范疇的。

8 F9 R' d. _6 \* E6 ?1 I
! {0 T% I% h5 ]+ n# i

那種快換裝置（Quick Changer／Tool Changer）,，分為兩側(cè),，主側(cè)和副側(cè)。

主側(cè)裝在機器人末端,，副側(cè)裝在工具端,。

副側(cè)常常和工具固連，放在工具架上,，一個工具用一個副側(cè),。

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機器人末端，會根據(jù)工藝需要,，自動更換不同的工具（執(zhí)行器）,，來協(xié)同機器人運動軸，完成不同的動作,，處理不同的物料等,。

嗯哼，我大體明白了,。

! d: H/ e5 n8 I3 b0 F/ k4 K

其實,，在做三坐標測量機時，有一段時間,，我的主要工作內(nèi)容,，就是快換裝置的設計。

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你們?yōu)槭裁匆�用快換裝置,？

因為當時,，采取了一個Z軸的配置，根據(jù)不同的應用,，用快換裝置,，自動更換不同的檢測頭,。

) v$ t, I. g: P3 d* U; b4 C

怎么更換的？能顯示得具體一些嗎,？

好的,，我做了一個PPT，名叫《測頭更換流程》,。

0 D$ i  Y- x8 O- k' \  _' p

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,。

6 ]! ?8 i- x) _: i

好的，我晚點去看看,。

不過,，我想問，為何只配置一個Z軸呢,？

其實,，我們當時有兩個方案。

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,。

4 [: q- K' B& @( R- G: l5 k
  p9 \" c1 _1 T% ]9 R# G" ^5 v

此配置方案的優(yōu)點是測頭固定，沒有因為更換測頭,，引入的重復性誤差,。

( w! e1 x( @9 M* L3 c

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(jié)構(gòu)剛性要求高。

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,？

只有一個Z軸,。

' M- F$ A; _; o  ^- {6 ]& q+ u$ u

根據(jù)需要，快速更換檢測頭,，其他檢測頭不用時,，放置于測頭架上。

" z+ N& C  T) B' 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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此配置方案的優(yōu)點是重量輕,，可以實現(xiàn)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(diào),。

5 l6 K3 h% L& }1 P

你們?yōu)楹斡玫诙�種方案？

8 O5 k8 M- _/ C4 b) _

最主要的是第一種太重了,，想要達到需要的精度,，結(jié)構(gòu)設計非常有挑戰(zhàn)。

事實上,，我們沒做到,。（更多內(nèi)容，可以參考《記三坐標測量機設計經(jīng)歷》http://97307.cn/thread-993787-1-1.html）

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(yè)里的一個發(fā)展趨勢,。

所以,，我們最后決定用第二種方案。

好的,，明白,。

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8 v  Q" ^) v% H  R; i& E

但是，你們?yōu)槭裁床毁I現(xiàn)成的快換產(chǎn)品呢,？

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- Q" S! V( R" D# T

因為市場上現(xiàn)有的產(chǎn)品,，不滿足我們的使用要求。

# p2 u! @6 X2 ?

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(jié)構(gòu),。

因為，中間我們要放置相機和光學器件,，這個完全沒有產(chǎn)品滿足要求,。

另外,，電接口和氣接口數(shù)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(shù)量多達60，沒有一家供應商可以達到,。

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4 V) Y4 N% n6 P( V8 K' y

而且,，問了幾家供應商，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,。

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' F/ g8 `" X  b6 u

OK,。你們研究的，比較知名的供應商有哪些,？

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1 Z+ y" x+ R+ z; s$ }" G. \7 Y

ATI,， Schunk(雄克)，Applied Robotics,，KOSMEK（考世美）,，Gimatic等。

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! V6 ]' ]7 f+ Q6 R+ H

我有2張表格,，如下圖,，從原理和參數(shù)方面，對比了幾家供應商,。

同時,，也對比了幾家競爭對手，快換裝置的做法,。

快換裝置原理對比

快換裝置參數(shù)對比

競爭對手快換裝置對比

通過上面的原理對比,，你應該能夠看出。

# Y6 m/ Z: L/ m. s* {& d# Q, I

我們主要考慮：重復性,，定位,，預載，安全鎖緊,，釋放,，電接口數(shù)量,，氣動接口,，載荷等設計要點,。

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定位：競爭對手是V型槽和高硬度鋼球定位。

當V型槽由兩個鋼球構(gòu)成時,，另一邊則是一根鋼棒,，當V型槽是兩根鋼棒構(gòu)成時，另一邊則是鋼球,。

6 P  a0 P+ \$ D  w6 @; B

大量的論文研究表明,，這種定位方法，在動態(tài)耦合時,，重復性是最好的,。

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  b4 ?8 ~7 r3 [) I" i; v. d

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）

4 _* X" `& G" a

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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而自動化方面的供應商，定位方式有所不同,。

在XY方向,，他們大都是定位銷和定位孔定位。

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(yōu)點是可以顯著提高重復性,。

從上面參數(shù)對比表,，可以看出，只有考世美實現(xiàn)的重復性是最高的,，達到3um,。

8 i3 e9 ]$ M3 r  f0 q

而對于Z方向定位，都是用接觸大面定位,。

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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; I/ v  _$ H6 q% o

預載：預載荷的大小,，在很大程度上,，決定了動態(tài)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,。

( ]) E+ q& p, N% O& ]$ m

我們中途有提到用薄型氣缸，后來就是因為沖擊被否決了,。

) z5 Y" j, I" s# i5 e7 Z

安全鎖緊：就是系統(tǒng)突然斷電斷氣時,，工具側(cè)不能掉下來，應該是鎖住的狀態(tài),，不然會出現(xiàn)安全等問題,。

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釋放：釋放和預載是相反的，簡單理解就是解除連接,。

電接口：共60針,，擺放在外側(cè)，便于維護,。

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,。

載荷：6Kg,，重心位置不超過結(jié)合面200mm。

# ^  K# ^- X9 r: Z1 g2 r

既然沒有滿足要求的設計,，那你們只有自己做了,？

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°）,。

所以，我們參考�,？怂箍�,，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,。

快換裝置的設計V1.0

1 `5 O% }, J4 J3 J7 i7 o

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(cè)模組。

' C3 c3 U7 z& P6 H( R( {5 v

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。

中空的氣缸是自己做的嗎,？

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,。

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) V' d" P( Q3 T2 Q' t: _  D

后來你們做測試沒有，效果如何,？

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, ?. O& w% E1 t* S% t

對于上面的設計V1.0,，后面我有測試其重復性和靜態(tài)剛性（因為實驗條件有限，沒有做動態(tài)剛性測試）,。

測試方法是：

（1）重復性

利用現(xiàn)有的Z運動平臺,，把快換裝置裝在平臺上。

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相機和主側(cè)模組在一起,，掛在平臺上,。

通過馬達微調(diào)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,。

同時，在快換裝置的下側(cè),，豎立兩塊板,，當氣缸通斷氣的時候，實現(xiàn)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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8 {* h  g. n. h8 }; n1 @

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。

5 U& V; o" X. m2 ?9 A1 n
& y0 {: D% Q! ]  {

測試結(jié)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。

# e% o5 w" r  ]$ ~% L" W3 f

（2）靜態(tài)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(zhì)心,，然后還是看相機圖像在XY方向的平移量。

7 q& A& Q( }0 h3 B0 G! x
2 W0 Q4 g8 c# ~  {  r" g/ _. Y

因為項目要求的是動態(tài)剛性（0.1um）,，所以這里測試的靜態(tài)剛性,，只能作為參考。

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0 q- l% M) L# \7 M! x+ |

剛性測試結(jié)果是,，波動幅度最大到250um/gf,。

5 h. ], ], F2 L1 c
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對于動態(tài)剛性，暫時先通過CAE模擬,，來分析其動態(tài)剛性,。

后面通過做瞬態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)剛性不是很好,。

$ o8 r1 q4 Z) q/ p' {% t3 y) u

因為檢測末端點,，在運動“穩(wěn)定”后，相對于工件的位移變化,，已經(jīng)達到10um,。

: g+ x' M4 x+ J! Y
! j6 {3 \8 q3 p: O+ ^, N1 M' T* n

結(jié)論是系統(tǒng)剛性不足，各個模塊,，特別是快換裝置,，都必須繼續(xù)提高剛性。

2 S  z  _/ \, ~1 l

所以,，你們后面有繼續(xù)更新設計,，對嗎？

) E+ @' ]( c/ h+ p" v: ]: g+ M1 Y

是的,。

5 K) u# i7 `, {* o  a* F6 _# Y

其實,，對于上面的概念，我們在CAE結(jié)果還沒出來時,，就做了一些局部的更新,。

快換裝置的設計V1.1

3 [! I# W1 L9 _, Y2 O- S2 r

從V1.0更新到V1.1。

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(zhuǎn)到水平位置,，可能有水平分力,。

+ v. e8 x, P- e
  O! r9 E- k4 u# w- X& l) p

V1.1中，因為約束在側(cè)面,，當調(diào)整好約束軸承位置后,，鉤子是直線往上走，沒有水平分力。

0 d  S  D  S, c2 H" V3 u& L6 Q
4 F9 a5 k; F! y% N5 O/ B; H7 h0 c( G

后來有繼續(xù)升級設計嗎,？

3 O+ r; b9 X2 ~3 Y8 f* Q5 @

有的,。

; A9 N% Q% |# d$ y' P

因為V1版本的結(jié)構(gòu)件挺多的，顯得不夠簡單,。

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1 m9 o  L/ b3 u& q' A" p9 A

另外,，沒有經(jīng)過長期的測試，氣缸可靠性可能是一個問題,。

: i8 P6 D$ h* L, R% A

所以,，后來做了一個新的版本，V2.0,。

' v% D8 C+ M/ J' h9 S* _9 T

快換裝置的設計V2.0

% t3 [; C9 l. I; M! L4 S

這個版本，最主要的改變,，是把氣缸預載,，換成失電保護電磁鐵預載（關于失電保護電磁鐵，可以參閱《5個來自歐美的優(yōu)質(zhì)電磁鐵供應商,，再也不怕選不到合適的電磁鐵了》http://97307.cn/thread-984878-1-1.html）,。

4 R& p$ |! A  b& Q- J9 l
+ c) l7 Z  T5 c8 J( _  Q( x+ Z

因為，電磁鐵比自己做的氣缸穩(wěn)定可靠,。

: v2 ?' z( q, Z9 U  y$ K' ~$ d8 V

嗯,，明白。

那你這個概念,，其實,，還是沒有提高快換裝置的剛性，對嗎,？

1 ?* S  o( T0 v/ Y) z

沒錯,。

3 {8 ^& O4 ^& i

所以，后面又升級到V2.1,。

快換裝置的設計V2.1

主要的考慮因素,，就是提高剛性。

& w8 r4 q: ^4 t- Y1 e+ `& U

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。

這種做法,，會損失一定的重復性吧,？

+ ~+ r( a6 i" A9 z3 Z8 I! n! h: R5 w
/ Z  ?5 n) ^7 z

是的。

, q7 _1 ]1 `9 L0 U' O

正如前面所說,，鋼球加V型槽的動態(tài)耦合,，能夠達到的重復性是最高的。

4 J8 {) w8 O- y8 k
1 Z9 E1 ?5 M  q( m

但是，我們升級到V2.1,，其實也是有原因的,。

+ X9 p2 Q' f1 ^

因為這種概念，能夠達到的重復性還是相當高的,。

8 h& e+ G; d3 i

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,。

System 3R快換裝置的設計

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。

目前,，V2.1這個方案,，正在等待物料，后續(xù)會有一些測試,。

. C0 ^4 ], ]/ _( T. C. J
$ O" v+ x4 _) p& g/ @8 {  T1 V. M% [

好的,，希望以后能有一些測試結(jié)果。

( _% _& p; o# G

我會跟蹤的,，有結(jié)果,，我會寫在這篇文章的評論里，歡迎你關注,。

% `5 X3 p3 _4 l

對了,，后來，我自己又參考考世美的做法,，做了一個版本,，V2.2。

# q* r8 e- S* X& a
2 u" T) N+ M" `( c7 P. ^4 z* }

主要是把XY的定位方式,，換成浮動錐銷,。

% I6 i& O* q4 u

當然，這個版本沒有出設計,，我自己留個底,，可能以后用得著。

1 _1 ]2 V8 d  s% g0 }

快換裝置的設計V2.2

我懂,。

7 N! G* g0 E, K6 G# P5 L4 [8 ]% C/ a. J

我還有一點疑問,，電磁鐵和相機,，都會產(chǎn)生熱量吧，對精度有影響吧,？

/ l: j& O( Q" j4 ]

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,。

* h1 q5 _) m5 X' i6 J; ]
9 ]8 J3 {% b; h, n! V5 H

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,。

  r+ _4 a  O5 B# ?7 E$ E: A

到是相機本身會發(fā)熱,，最后的散熱設計，是需要重點考慮的問題,。

# Z6 R" J1 Q/ Q3 b0 h$ T
  o# t' D. m" l7 \$ _: x

不過,，我們還是有解決辦法的。

4 Z; A& p6 ^1 S) |) B7 p$ g( v) |' h
6 r, H. c, X" l7 k$ e- Y

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,。

% g6 ^, S2 C) E/ N" G! B7 @% ~; _& ^0 |

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,。

不過對系統(tǒng)精度的貢獻,，還需要做更多的測試。

7 ^9 z( q8 ^: X/ X* |% a

還有,，你們的60針電接口是怎么解決的,？

3 o# |& q1 n" U6 `5 U

用的Pogo Pin，我們提要求,，找供應商做的,。

; q) X4 L" W! ~" i: e, i

因為，沒有現(xiàn)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。

; n/ e: S0 N- y4 x9 S# w+ s. {3 Z

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,。

7 T6 G- z! ?; C6 V9 ~

當然，對于電磁鐵和針腳式電接口,，我們也做了隔熱處理,。

8 m! t! o2 y! F% M2 L9 r5 u" x$ C

采用隔熱板，隔熱陶瓷等,，有效隔離其熱源,。

. k" b* [! d% i2 s

好的。

羅羅,，最后,，我還有一個要求，你上面的原理,，參數(shù)對比,，以及不同的設計版本PPT，能分享給我嗎,？

4 i6 [* G2 O( S% E3 I) k- X
, }6 O  [. b* {; n/ b! H

可以,。

在我公號里，回復“快換裝置”即可下載,。

* {0 U7 x( T' P' i4 \+ ^
) I8 C+ J" }1 O: n: b

好的,，多謝你。

- _. w- {8 I3 o" Y, l5 d1 o

沒事,。

- l# D$ n3 R3 S- @2 v
# j; {9 {& K" w* D3 a. ^2 Q

相關閱讀：

1.《記三坐標測量機設計經(jīng)歷》http://97307.cn/thread-993787-1-1.html

7 f7 E. G3 K. f- w2 h! i$ z; r

2.《5個來自歐美的優(yōu)質(zhì)電磁鐵供應商,，再也不怕選不到合適的電磁鐵了》http://97307.cn/thread-984878-1-1.html

7 l- d8 z1 A. z

3.《分辨率，定位精度,，重復定位精度三者之間有什么關系,？》http://97307.cn/thread-986466-1-1.html

Leo_20180309

受益匪淺

羅羅日記

|Leo_20180309發(fā)表于 10-01 19:07受益匪淺

老鐵,，國慶好

遠祥

很好的資料，收藏了,！感謝樓主分享,！

羅羅日記

|遠祥發(fā)表于 10-02 11:37很好的資料，收藏了,！感謝樓主分享,！

感謝收藏

hj1230

感謝樓主分享，很不錯的學習資料

羅羅日記

|hj1230發(fā)表于 10-02 16:42感謝樓主分享,，很不錯的學習資料

客氣客氣

東莞88888

感謝樓主的分享

羅羅日記

|東莞88888發(fā)表于 10-08 15:36感謝樓主的分享

客氣了老鐵

Moore

學習了