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        机器人末端的快换装置,有哪些设计要点?

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        1#
        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,金皇朝2娱乐当时有两个方案。


        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,金皇朝2娱乐没做到。(更多内容,可以参考《记三坐标测量机设计经历》http://naqula.com/thread-993787-1-1.html


        另外,金皇朝2娱乐考察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,金皇朝2娱乐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,不满足金皇朝2娱乐的使用要求。


        最重要的是,金皇朝2娱乐有一个很特别的要求:希望装置是中空的结构。


        因为,中间金皇朝2娱乐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,不满足金皇朝2娱乐的应用要求。


        金皇朝2娱乐希望总重量小于2Kg,这一点,到是有不少的供应商可以做到。


        但是,金皇朝2娱乐电接口数量多达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,毕竟金皇朝2娱乐需要的数量太少,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。


        金皇朝2娱乐主要考虑: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。


        金皇朝2娱乐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。


        因为金皇朝2娱乐载荷比较大,同时重复性要求高(X,Y:±50um,Z±15um,中心轴±0.25°)。


        所以,金皇朝2娱乐参考海克斯康,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,金皇朝2娱乐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,金皇朝2娱乐在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://naqula.com/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,金皇朝2娱乐升级到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,金皇朝2娱乐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,金皇朝2娱乐还是有解决办法的。


        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,金皇朝2娱乐提要求,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,金皇朝2娱乐也做了隔热处理。


        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。


        相关阅读:
        1.《记三坐标测量机设计经历》http://naqula.com/thread-993787-1-1.html


        2.《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://naqula.com/thread-984878-1-1.html


        3.《分辨率,定位精度,重复定位精度三者之间有什么关系?》http://naqula.com/thread-986466-1-1.html

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        2#
        发表于 3 天前 | 只看该作者
        受益匪浅
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        3#
         楼主| 发表于 3 天前 | 只看该作者
        老铁,国庆好
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        4#
        发表于 前天 11:37 | 只看该作者
        很好的资料,收藏了!感谢楼主分享!
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        5#
         楼主| 发表于 前天 12:09 | 只看该作者
        |远祥发表于 10-02 11:37很好的资料,收藏了!感谢楼主分享!
        感谢收藏
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        6#
        发表于 前天 16:42 | 只看该作者
        感谢楼主分享,很不错的学习资料
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        7#
         楼主| 发表于 前天 19:31 | 只看该作者
        |hj1230发表于 10-02 16:42感谢楼主分享,很不错的学习资料
        客气客气
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