机器人末端的快换装置，有哪些设计要点？

罗罗日记 · 发表于 2019-9-30 20:47:15

本帖最后由罗罗日记于 2019-9-30 22:12 编辑

这两天太忙了，本来该前两天发出来，拖到今天，我内心有点过意不去。

这不，刚刚回来，吃了个橘子，马上就开机，今晚发了，明天回家。

老铁，看到来顶帖。

罗罗，我常常在一些机器人末端上，看到有快换装置的应用。

你能说说，快换装置是怎么回事吗？

可以。

你说的机器人应用，是属于自动化范畴的。

那种快换装置（Quick Changer／Tool Changer），分为两侧，主侧和副侧。

主侧装在机器人末端，副侧装在工具端。

副侧常常和工具固连，放在工具架上，一个工具用一个副侧。

机器人末端，会根据工艺需要，自动更换不同的工具（执行器），来协同机器人运动轴，完成不同的动作，处理不同的物料等。

嗯哼，我大体明白了。

其实，在做三坐标测量机时，有一段时间，我的主要工作内容，就是快换装置的设计。

你们为什么要用快换装置？

因为当时，采取了一个Z轴的配置，根据不同的应用，用快换装置，自动更换不同的检测头。

怎么更换的？能显示得具体一些吗？

好的，我做了一个PPT，名叫《测头更换流程》。

在公号罗罗日记里，回复测头，即可下载播放，观看测头更换的流程。

好的，我晚点去看看。

不过，我想问，为何只配置一个Z轴呢？

其实，我们当时有两个方案。

第一种是3只Z轴：一个探针Z1轴，一只二维光学镜头和一只三维光学镜头Z2轴，另外一个Z3轴，留给粗糙度检测镜头，或者激光干涉仪。

此配置方案的优点是测头固定，没有因为更换测头，引入的重复性误差。

缺点是测头都挂在Z轴，导致重量变大，对运动速度有不利的影响，对结构刚性要求高。

而且检测的时候，旁边的测头会在一定程度上，影响检测头的检测范围，测量深度等。

那么，第二种配置呢？

只有一个Z轴。

根据需要，快速更换检测头，其他检测头不用时，放置于测头架上。

比如，三维共聚焦光学检测头，二维光学检测头，探针测头，激光干涉仪等轮换到Z轴上。

此配置方案的优点是重量轻，可以实现高速运动，缺点是需要更换测头，精度依赖于更换时的重复定位精度和校调。

你们为何用第二种方案？

最主要的是第一种太重了，想要达到需要的精度，结构设计非常有挑战。

事实上，我们没做到。（更多内容，可以参考《记三坐标测量机设计经历》http://www.cmiw.cn/thread-993787-1-1.html）

另外，我们考察CMM三家主要竞争对手，海克斯康、蔡司、三丰的设计，他们Z上大部分只有一个轴。

可以说，快速更换，是行业里的一个发展趋势。

所以，我们最后决定用第二种方案。

好的，明白。

但是，你们为什么不买现成的快换产品呢？

因为市场上现有的产品，不满足我们的使用要求。

最重要的是，我们有一个很特别的要求：希望装置是中空的结构。

因为，中间我们要放置相机和光学器件，这个完全没有产品满足要求。

另外，电接口和气接口数量，不满足我们的应用要求。

我们希望总重量小于2Kg，这一点，到是有不少的供应商可以做到。

但是，我们电接口数量多达60，没有一家供应商可以达到。

而且，问了几家供应商，都不愿意定做，毕竟我们需要的数量太少，可能他们觉得没啥钱赚，投入精力不划算吧。

OK。你们研究的，比较知名的供应商有哪些？

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

我有2张表格，如下图，从原理和参数方面，对比了几家供应商。

同时，也对比了几家竞争对手，快换装置的做法。

快换装置原理对比

快换装置参数对比

竞争对手快换装置对比

通过上面的原理对比，你应该能够看出。

我们主要考虑：重复性，定位，预载，安全锁紧，释放，电接口数量，气动接口，载荷等设计要点。

定位：竞争对手是V型槽和高硬度钢球定位。

当V型槽由两个钢球构成时，另一边则是一根钢棒，当V型槽是两根钢棒构成时，另一边则是钢球。

大量的论文研究表明，这种定位方法，在动态耦合时，重复性是最好的。

比如《Kinematic couplings: A review ofdesign principles and applications》中有提到，可以达到0.01um的重复性。（更多相关文章可以参考http://pergatory.mit.edu/kinematiccouplings/html/documents.html）

但是因为是点接触，所以刚性不是很高，一般用于轻载荷，低加速度。

而自动化方面的供应商，定位方式有所不同。

在XY方向，他们大都是定位销和定位孔定位。

当然也有用锥面定位的，比如KOSMEK（考世美），这种浮动锥面定位，优点是可以显著提高重复性。

从上面参数对比表，可以看出，只有考世美实现的重复性是最高的，达到3um。

而对于Z方向定位，都是用接触大面定位。

工厂自动化方面的定位方式，好处是，接触面大，刚性好，但是缺点就是重复性差一些。

预载：预载荷的大小，在很大程度上，决定了动态耦合的刚性，预载的加载方式，可能会带来冲击，应当避免冲击。

我们中途有提到用薄型气缸，后来就是因为冲击被否决了。

安全锁紧：就是系统突然断电断气时，工具侧不能掉下来，应该是锁住的状态，不然会出现安全等问题。

释放：释放和预载是相反的，简单理解就是解除连接。

电接口：共60针，摆放在外侧，便于维护。

气接口：除了用于气缸，另外预留2路气体，作为气体冷却备用。

载荷：6Kg，重心位置不超过结合面200mm。

既然没有满足要求的设计，那你们只有自己做了？

没错。

因为我们载荷比较大，同时重复性要求高（X，Y：±50um，Z±15um，中心轴±0.25°）。

所以，我们参考海克斯康，机械钩子式快换装置，做出了第一个版本的设计。

原理如下图。

快换装置的设计V1.0

用钢球和V型槽定位，压簧做预载，用机械钩子，来钩住被连接的副侧模组。

这里，我们用中空的气缸来释放，因为中间的位置，被相机和光学模组占用了。

中空的气缸是自己做的吗？

是的，当时倒角太小，密封圈的装配还挺费劲，抹了润滑油，还用热水烫了一下，才压进去。

后来你们做测试没有，效果如何？

对于上面的设计V1.0，后面我有测试其重复性和静态刚性（因为实验条件有限，没有做动态刚性测试）。

测试方法是：

（1）重复性

利用现有的Z运动平台，把快换装置装在平台上。

相机和主侧模组在一起，挂在平台上。

通过马达微调到想要的位置后，用机械锁紧Z轴，避免电机位置变化引入误差。

同时，在快换装置的下侧，竖立两块板，当气缸通断气的时候，实现释放和预载，释放后，光学测量模组，可以落在竖立的两块板上（板顶部贴有缓冲橡胶）。

预载后，通过相机拍照，看位于其正下方的标准校准玻璃，分析图像在XY方向的移动量，来测量XY的重复性。

测试结果是：XY方向重复性±48um<±50um，Z方向±10um<要求±15um。达标。同时，因为相机有清晰的成像，所以中心轴倾斜也没问题。

（2）静态刚性的测试

直接加载一组力，力的作用线，通过耦合后模组的质心，然后还是看相机图像在XY方向的平移量。

因为项目要求的是动态刚性（0.1um），所以这里测试的静态刚性，只能作为参考。

刚性测试结果是，波动幅度最大到250um/gf。

对于动态刚性，暂时先通过CAE模拟，来分析其动态刚性。

后面通过做瞬态分析，发现刚性不是很好。

因为检测末端点，在运动“稳定”后，相对于工件的位移变化，已经达到10um。

结论是系统刚性不足，各个模块，特别是快换装置，都必须继续提高刚性。

所以，你们后面有继续更新设计，对吗？

是的。

其实，对于上面的概念，我们在CAE结果还没出来时，就做了一些局部的更新。

快换装置的设计V1.1

从V1.0更新到V1.1。

主要是把钩子约束轴承，变换了位置，因为V1.0中，钩子是旋转到水平位置，可能有水平分力。

V1.1中，因为约束在侧面，当调整好约束轴承位置后，钩子是直线往上走，没有水平分力。

后来有继续升级设计吗？

有的。

因为V1版本的结构件挺多的，显得不够简单。

另外，没有经过长期的测试，气缸可靠性可能是一个问题。

所以，后来做了一个新的版本，V2.0。

快换装置的设计V2.0

这个版本，最主要的改变，是把气缸预载，换成失电保护电磁铁预载（关于失电保护电磁铁，可以参阅《5个来自欧美的优质电磁铁供应商，再也不怕选不到合适的电磁铁了》http://www.cmiw.cn/thread-984878-1-1.html）。

因为，电磁铁比自己做的气缸稳定可靠。

嗯，明白。

那你这个概念，其实，还是没有提高快换装置的刚性，对吗？

没错。

所以，后面又升级到V2.1。

快换装置的设计V2.1

主要的考虑因素，就是提高刚性。

这里把原来的钢球加V型钢柱定位方式，变成了XY方向用柔性定位销，Z方向用大面接触。

这种做法，会损失一定的重复性吧？

是的。

正如前面所说，钢球加V型槽的动态耦合，能够达到的重复性是最高的。

但是，我们升级到V2.1，其实也是有原因的。

因为这种概念，能够达到的重复性还是相当高的。

其实，我们是参考了总部位于瑞士，主要用于工件装甲的System 3R的做法。

System 3R快换装置的设计

System 3R：X，Y方向，由四组柔性弹片，配合高硬度凸台来定位，之所以用柔性体，是为了避免Z方向的过约束，因为Z方向，是用四个面接触来定位。

目前，V2.1这个方案，正在等待物料，后续会有一些测试。

好的，希望以后能有一些测试结果。

我会跟踪的，有结果，我会写在这篇文章的评论里，欢迎你关注。

对了，后来，我自己又参考考世美的做法，做了一个版本，V2.2。

主要是把XY的定位方式，换成浮动锥销。

当然，这个版本没有出设计，我自己留个底，可能以后用得着。

快换装置的设计V2.2

我懂。

我还有一点疑问，电磁铁和相机，都会产生热量吧，对精度有影响吧？

当然，因为后面V2的方案都引入了电磁铁，电磁铁会引入一个热功率，瞬间功率高达25瓦。

不过，因为用的时间很少，大概只有5/1000，所以实际的热功率很小，只有零点几瓦。

到是相机本身会发热，最后的散热设计，是需要重点考虑的问题。

不过，我们还是有解决办法的。

对于相机，采用封闭包围的散热片，加上外接的空气，来冷却它。

前两天测试了一下，效果还是很明显的，可以降低相机温度15度，从原来的43度，降低到28度。

不过对系统精度的贡献，还需要做更多的测试。

还有，你们的60针电接口是怎么解决的？

用的Pogo Pin，我们提要求，找供应商做的。

因为，没有现成的模块有那么多针脚，同时，有些模拟信号需要做屏蔽保护。

同时，还考虑了Pogo Pin的接触力，因为这会降低电磁铁的预载力。

当然，对于电磁铁和针脚式电接口，我们也做了隔热处理。

采用隔热板，隔热陶瓷等，有效隔离其热源。

好的。

罗罗，最后，我还有一个要求，你上面的原理，参数对比，以及不同的设计版本PPT，能分享给我吗？

可以。

在我公号里，回复“快换装置”即可下载。

好的，多谢你。

没事。

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