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)心有點過意不去。 2 O' w/ d; c7 h
這不，剛剛回來，吃了個橘子，馬上就開機(jī)，今晚發(fā)了，明天回家。 " w6 V% ~* H8 W5 l1 T" B& h+ Q
老鐵，看到來頂帖。 9 ~" z4 v7 m) ]! a6 j1 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。
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你能說說，快換裝置是怎么回事嗎？
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& l0 Q5 o$ }: I9 J, W可以。
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你說的機(jī)器人應(yīng)用，是屬于自動化范疇的。
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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)。 $ K7 J t- m% G& Z U0 ?- Q
' C P7 m* n! ~1 I3 `# n- l N: ?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，一個工具用一個副側(cè)。 ( t6 N. L9 V, h
4 F8 n- T+ i; a. _# h1 J機(jī)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(jī)器人運動軸，完成不同的動作，處理不同的物料等。 - T0 s) f$ d) j9 H1 o
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嗯哼，我大體明白了。
6 Q Y3 z) ^( O7 [/ w+ `5 t4 Z% Z0 a4 Z" |, @! _, _
其實，在做三坐標(biāo)測量機(jī)時，有一段時間，我的主要工作內(nèi)容，就是快換裝置的設(shè)計。
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9 i% f! @4 j* R4 Y你們?yōu)槭裁匆每鞊Q裝置？
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1 t& B3 `5 y, {0 z. y: j9 M! w因為當(dāng)時，采取了一個Z軸的配置，根據(jù)不同的應(yīng)用，用快換裝置，自動更換不同的檢測頭。 - E4 v7 g- Q9 P9 U* D
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怎么更換的？能顯示得具體一些嗎？
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# G5 \6 e, r1 w& Z好的，我做了一個PPT，名叫《測頭更換流程》。
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4 n0 n0 B& {' I' v( x9 ^" {在公號羅羅日記里，回復(fù)測頭，即可下載播放，觀看測頭更換的流程。
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( G9 y1 N2 G N, ^4 q; g/ \好的，我晚點去看看。
4 }1 \% M. U- }+ ]( G: z
: R* `! W; N) Y+ M. f不過，我想問，為何只配置一個Z軸呢？
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i5 y/ o, t6 u其實，我們當(dāng)時有兩個方案。 8 e) Z8 b$ Z! x: V+ q; t
$ S$ T* o% w5 ^2 K4 ]. f" U6 ^$ I1 s3 ~第一種是3只Z軸：一個探針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Z3軸，留給粗糙度檢測鏡頭，或者激光干涉儀。 3 s+ s ~. i7 P8 r
: G& K/ {4 Z$ F& ?
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(fù)性誤差。
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5 Q- u/ ?8 A: ]: }2 M缺點是測頭都掛在Z軸，導(dǎo)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。
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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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3 F1 A& {% [# x. x那么，第二種配置呢？
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7 A& T* i5 d( p0 G0 _9 X只有一個Z軸。 ! y' P) T7 P: V# T1 v
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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。 # v4 p6 P: @: o+ N4 Z
- o- U* E' {7 s3 \比如，三維共聚焦光學(xué)檢測頭，二維光學(xué)檢測頭，探針測頭，激光干涉儀等輪換到Z軸上。
4 z. @5 Z0 s& N) q% W0 F' G. t" {4 K) s" w; e* P; U
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(fù)定位精度和校調(diào)。
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你們?yōu)楹斡玫诙N方案？
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' x! L9 N6 U5 s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)計非常有挑戰(zhàn)。 1 Z6 x( B& a. v k# u% N3 }; d* r
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* m* A ]' B9 R P# B/ n另外，我們考察CMM三家主要競爭對手，?？怂箍?、蔡司、三豐的設(shè)計，他們Z上大部分只有一個軸。 - B! e* D, g6 G
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可以說，快速更換，是行業(yè)里的一個發(fā)展趨勢。 ; A! l# P* I9 y) [
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所以，我們最后決定用第二種方案。 ) G9 l1 u5 q& F
+ Q3 l. N' D: @) N
好的，明白。 ' t0 |$ O) W- q* c, T/ Z" z
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但是，你們?yōu)槭裁床毁I現(xiàn)成的快換產(chǎn)品呢？ 2 G4 ^* U9 p% L& ~5 U: ~
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因為市場上現(xiàn)有的產(chǎn)品，不滿足我們的使用要求。 : A2 ?0 F$ X" v
m0 a& F& `! V0 [5 d
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)。 7 Y- O8 I2 X$ l5 s5 z9 ~
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因為，中間我們要放置相機(jī)和光學(xué)器件，這個完全沒有產(chǎn)品滿足要求。
3 x( }0 M4 I- |$ {
W% f+ i& k) M! w+ m" w- r另外，電接口和氣接口數(shù)量，不滿足我們的應(yīng)用要求。 $ ^& f2 |. i4 M, N- U8 Q$ Z1 Z
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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(yīng)商可以做到。 0 I0 X0 ^ |6 r# o+ S G
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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。
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. h$ H( O6 N8 e4 N; X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。
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6 ]& G* e5 H R" }, VOK。你們研究的，比較知名的供應(yīng)商有哪些？ u; ^: @% _; s
4 u4 q0 f3 L$ D3 S/ Y$ P3 ]( FATI， Schunk(雄克)，Applied Robotics，KOSMEK（考世美），Gimatic等。 5 W3 b) O, m* A4 t
2 K. _( N8 B- Z8 x. s6 |4 d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(yīng)商。 0 D7 @3 i: J) O( U) a" ~8 i
: `! U( f0 T# _% ~* U
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
8 _* [. p" R: l快換裝置參數(shù)對比 ( B) @3 c3 ~! P/ v' E8 U9 z2 j
競爭對手快換裝置對比
o$ a* [, d2 r( F" S通過上面的原理對比，你應(yīng)該能夠看出。 : ~3 H4 I0 h5 Q% Y' v/ {- ? T
+ f2 u' r, R8 x h- }! e, |* I$ ?
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，氣動接口，載荷等設(shè)計要點。 # z( C( S- d% O
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定位：競爭對手是V型槽和高硬度鋼球定位。 + @1 V/ s, A# |
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當(dāng)V型槽由兩個鋼球構(gòu)成時，另一邊則是一根鋼棒，當(dāng)V型槽是兩根鋼棒構(gòu)成時，另一邊則是鋼球。 ! ?" W( J# U) B. l2 K
, V! C% o) W! D7 D7 l* g& l大量的論文研究表明，這種定位方法，在動態(tài)耦合時，重復(fù)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(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） ( p$ a E( r, N1 a
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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。 6 G/ l& c6 @9 f
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而自動化方面的供應(yīng)商，定位方式有所不同。
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& f4 c, r- b% o. }. E! a在XY方向，他們大都是定位銷和定位孔定位。 , _9 ~; B ?) g( ]
1 q6 n8 L4 |8 C當(dāng)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(fù)性。 # t. z& B: O/ T: G- M6 \
z8 @, Z Z+ A% \8 | B7 p從上面參數(shù)對比表，可以看出，只有考世美實現(xiàn)的重復(fù)性是最高的，達(dá)到3um。 0 i$ {& u O. N
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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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! F* l9 f( E' _) w! \& x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(fù)性差一些。 ( r1 ]4 y6 ]! g! u7 I
" O8 P$ {) `$ @% e7 [7 ]預(yù)載：預(yù)載荷的大小，在很大程度上，決定了動態(tài)耦合的剛性，預(yù)載的加載方式，可能會帶來沖擊，應(yīng)當(dāng)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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* a& f# O+ q2 z, Z9 r+ \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(yīng)該是鎖住的狀態(tài)，不然會出現(xiàn)安全等問題。
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* V5 z0 |' G$ S釋放：釋放和預(yù)載是相反的，簡單理解就是解除連接。
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4 Y4 `0 e6 ?* F8 E2 z電接口：共60針，擺放在外側(cè)，便于維護(hù)。 , ^$ v4 `% ~4 U9 W
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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。 % b+ J% d8 e/ y2 l9 }. [ A. T
- c- m* N! O6 w( H: V/ S3 e C載荷：6Kg，重心位置不超過結(jié)合面200mm。
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* j( B1 |$ ~9 d' B既然沒有滿足要求的設(shè)計，那你們只有自己做了？ # ^& q; y/ P# G# v- z( J
沒錯。 4 T8 Z$ Y: l2 Z
0 W- J9 {- y' u/ `因為我們載荷比較大，同時重復(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，做出了第一個版本的設(shè)計。
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. E; l; L3 a. b) O5 h原理如下圖。 快換裝置的設(shè)計V1.0
# E/ U+ ?2 ^- c, I* C+ @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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2 U& s4 Z3 V4 g7 B2 T- ^' e這里，我們用中空的氣缸來釋放，因為中間的位置，被相機(jī)和光學(xué)模組占用了。 - |2 S! f" w1 Y( U$ v- a- X8 z
7 x% P. _: K$ ~5 A3 e& S
中空的氣缸是自己做的嗎？ ! H* G$ W# u7 q7 O# Z
" P+ i7 S( y' D- b9 s" z是的，當(dāng)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(jìn)去。 9 Q, Q" P/ {* y
" N0 Z {* r* Z* I- a3 E
后來你們做測試沒有，效果如何？ 9 [+ X2 o: g9 U
" ]3 g5 K' e) S% O }
對于上面的設(shè)計V1.0，后面我有測試其重復(fù)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）。
% q, z! e. u2 w6 {# p
, t# w, Y0 }; ^9 d" k; s/ S測試方法是： ! N5 c+ M. q' I( Z+ M
（1）重復(fù)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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* I0 m" [& U% `- z相機(jī)和主側(cè)模組在一起，掛在平臺上。 5 g4 ]& o: c4 F( r$ t* D
. N% w3 Q) `5 `/ k7 S9 i3 B
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，在快換裝置的下側(cè)，豎立兩塊板，當(dāng)氣缸通斷氣的時候，實現(xiàn)釋放和預(yù)載，釋放后，光學(xué)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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' l/ n! g* I4 ]9 H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方向的移動量，來測量XY的重復(fù)性。
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6 G% y* z3 y% c; \1 ^' K9 ^( g3 s1 g$ |- J7 }& N
測試結(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，因為相機(jī)有清晰的成像，所以中心軸傾斜也沒問題。 1 K: B& M A& C1 [$ Z _
' B) k- O- @$ |& m6 _8 |
（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(jī)圖像在XY方向的平移量。
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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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! V+ x, c& T4 T0 `( h剛性測試結(jié)果是，波動幅度最大到250um/gf。 " E0 T4 ?( E h) @& W
$ T; G2 `. ]8 N: D7 d4 K, Z對于動態(tài)剛性，暫時先通過CAE模擬，來分析其動態(tài)剛性。
( d$ x1 `+ c g9 b5 x
8 c% ]* g" w; o后面通過做瞬態(tài)分析，發(fā)現(xiàn)剛性不是很好。
) L1 t1 l8 ^/ u3 o# K. W D# F) E# H: v% a7 o! j
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(dá)到10um。 % u8 b5 D+ c# v4 F; W' F: y' r
4 S5 b" n I- f/ M& o5 E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。
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所以，你們后面有繼續(xù)更新設(shè)計，對嗎？
8 e& \" ^0 h! e" P& K
# v' B0 }6 \: b) |是的。 / D$ o$ r) K) N+ u( L2 H3 Z
' K8 d/ X7 Q( ^" f; } \; S) Q
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(shè)計V1.1
4 \ b% P2 q3 X6 B( @) j從V1.0更新到V1.1。 ; ^) k$ J3 {- t% ~) F
5 |$ d8 A B/ D1 `7 Q; S% h9 I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。 ) F g$ P* v3 ]" ]8 V1 {3 a
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V1.1中，因為約束在側(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。
1 V# o4 j( ~. c: }5 K- i. ^: | k s" C' j; u
后來有繼續(xù)升級設(shè)計嗎？
9 T% i: S" Z1 ?( v. x5 e9 e' P) W
有的。 : P6 m0 A( u8 U7 X' v
& w" l% g9 Z# z9 @, }
因為V1版本的結(jié)構(gòu)件挺多的，顯得不夠簡單。
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另外，沒有經(jīng)過長期的測試，氣缸可靠性可能是一個問題。 " [ y$ N7 t$ w. n/ a) M
t( k% Y! x/ N& {4 ^所以，后來做了一個新的版本，V2.0。
7 j. u# Q% k& l* N快換裝置的設(shè)計V2.0
% _7 T/ V* V1 ~% X# U: a, }; {3 w. e7 b s
! ?" ~9 F3 W" @0 @2 V8 X' U
因為，電磁鐵比自己做的氣缸穩(wěn)定可靠。
6 D% m! {! J' V% _; ?$ C
/ Z0 S) D, }* W v/ u% {嗯，明白。
9 K+ n8 v. p6 w+ r/ s H7 x" C& a7 Z' v; z2 U$ y
那你這個概念，其實，還是沒有提高快換裝置的剛性，對嗎？
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沒錯。 . M) u3 E7 A2 ~' k$ k) P1 G
3 N( `$ u1 e' `6 Y" V所以，后面又升級到V2.1。 快換裝置的設(shè)計V2.1 * X/ w( y8 a' n# x
主要的考慮因素，就是提高剛性。 " A$ `: ]& I1 `
( D% o, \8 u4 |/ 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。
: d* e; x7 w! [' E2 X. S; k
# Z1 M. _! q _1 S0 I這種做法，會損失一定的重復(fù)性吧？ 9 J2 I7 f* M/ |4 C% V5 J
' M) q, X+ Y! ]- M是的。 9 l& ?/ ^: j3 ]( b: x/ R$ E" l
, @4 D) j; ?0 _
正如前面所說，鋼球加V型槽的動態(tài)耦合，能夠達(dá)到的重復(fù)性是最高的。 / d: o% g' O( G1 k: d6 w
3 p' g P2 d. E0 x2 ^
但是，我們升級到V2.1，其實也是有原因的。
* H V- g7 M# L( r# f) Z9 a+ s2 j3 M: c0 ?
因為這種概念，能夠達(dá)到的重復(fù)性還是相當(dāng)高的。 + p$ U: b" t' r$ Y
R+ k; c/ F: S) ]6 {+ Y n5 a% a) _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。 [& g3 ^: S) Q- y+ {
System 3R快換裝置的設(shè)計 ) p! y2 ^7 A' i' b
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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目前，V2.1這個方案，正在等待物料，后續(xù)會有一些測試。 , y' g! I4 ^/ N+ X, b% M- |) _
4 q, O/ H& Y! g; i {
好的，希望以后能有一些測試結(jié)果。
3 G3 J7 h" V; Y3 J6 ?- J0 ]3 P- w8 V, q4 J5 ?) f$ s
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(guān)注。 8 |# r! ]" K; q# L
' i6 r) T2 U" r9 B" x1 d8 c
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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當(dāng)然，這個版本沒有出設(shè)計，我自己留個底，可能以后用得著。 ( i! a8 A- u( F9 _
快換裝置的設(shè)計V2.2
8 O- `# ~! {9 j; u# X/ {我懂。 ' D7 m9 J' v, I5 p$ g# Y: Q0 o# n9 R
5 ^* W5 E, `3 m2 D* {% Z9 U& W4 D我還有一點疑問，電磁鐵和相機(jī)，都會產(chǎn)生熱量吧，對精度有影響吧？
! k& q+ g8 W1 v" o$ V5 @ F& v- Q$ w ?# L& _) N4 [ j
當(dāng)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(dá)25瓦。 8 M& b) H% c5 _) i; E4 }
& z5 w+ A& {. N- X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。
0 j. @. W, x3 ~
) j8 B) ?' z& e4 ?8 d到是相機(jī)本身會發(fā)熱，最后的散熱設(shè)計，是需要重點考慮的問題。 5 c: o. H8 N8 V+ ]3 ]) o
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不過，我們還是有解決辦法的。 2 q: I/ N! H* s
3 l: S. B- H$ V- @7 a: \對于相機(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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前兩天測試了一下，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。 8 h: ]) V3 g+ _) {9 H# n
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不過對系統(tǒng)精度的貢獻(xiàn)，還需要做更多的測試。 + v$ G1 X/ U0 J7 o
4 p7 k. e8 [0 Z2 s! I, \# _+ T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。
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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(hù)。
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同時，還考慮了Pogo Pin的接觸力，因為這會降低電磁鐵的預(yù)載力。 ( J% _2 v& r, s& c* E0 D
3 n; t& M7 X* l/ Z/ S' l5 V當(dāng)然，對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。 + S* ^3 u0 x; U) g
6 {" W- T5 ?7 _9 H1 O好的。
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* z7 d% R M: i& X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(shè)計版本PPT，能分享給我嗎？ 3 y; \7 X. b# N0 q- ]# I( {# E
2 G1 G& W: X8 `( ]4 `9 N+ ?
可以。
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) S2 D. r* R" R在我公號里，回復(fù)“快換裝置”即可下載。 7 `" I& F4 Z8 Q0 }2 ]( P2 z+ b
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好的，多謝你。 4 T4 ]8 }4 o; I8 m2 b! b- o
3 L/ J7 @. b1 c( y1 M6 I沒事。
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發(fā)表于 2019-9-30 20:47:15
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