本帖最后由 羅羅日記 于 2019-9-30 22:12 編輯
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# m' e4 l: U& N9 F1 _* Y) S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。
7 x2 L" E" Y& S1 R3 n: I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。
% Q y2 e# H% J e. u$ S2 Z老鐵，看到來頂帖。 1 M( E* C w7 S. w- E2 F
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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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。 8 |$ d$ {! U P4 i$ A: j5 V( B
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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)。 : ]& n6 N/ n6 s$ z2 K/ Z1 p6 E
8 Y3 }( ^( r" Z7 x" M$ h" c主側(cè)裝在機(jī)器人末端，副側(cè)裝在工具端。 W2 h3 Z+ ?3 @# V; @; ~2 y
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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)。
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- [% O; L T. X7 v- T2 Y9 F; u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(yùn)動軸，完成不同的動作，處理不同的物料等。 " d# y% t( J( h7 {; c
8 Z5 V$ `8 N% n" q) ^+ I- o嗯哼，我大體明白了。
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0 M) R0 ^2 u+ ^2 a3 O其實(shí)，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(jì)。
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你們?yōu)槭裁匆每鞊Q裝置？ , o2 e: P: w" p" F! c& o
' ?" H) D- G/ [7 m! ^因?yàn)楫?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。
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怎么更換的？能顯示得具體一些嗎？ 2 T& Q; e- z0 ^, P3 L
. C, p0 z9 A) \好的，我做了一個PPT，名叫《測頭更換流程》。 ( T) E/ W0 [8 y, h
! v2 K4 Q" f% h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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. X- f9 K2 F- K# |% w9 m好的，我晚點(diǎn)去看看。
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不過，我想問，為何只配置一個Z軸呢？
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其實(shí)，我們當(dāng)時有兩個方案。
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/ d9 A& B6 @- E! b3 b5 T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。
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此配置方案的優(yōu)點(diǎn)是測頭固定，沒有因?yàn)楦鼡Q測頭，引入的重復(fù)性誤差。 7 U0 U. s' N0 K* {7 D# `
: c) v5 e+ `& s* _$ Y& Z缺點(diǎn)是測頭都掛在Z軸，導(dǎo)致重量變大，對運(yùn)動速度有不利的影響，對結(jié)構(gòu)剛性要求高。
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' M8 n: p) m1 ?: k; G( Y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。 ' ]: F) i# u2 ~6 k9 U
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那么，第二種配置呢？ ) e: J3 {: U: b' H8 m
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只有一個Z軸。
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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。
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* \9 H7 I0 k" Z: }/ @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。 - N6 S& C4 D) Z) E9 q: c4 T
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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，缺點(diǎn)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)。 ; M5 y3 |" B2 K* {, N
7 c# w% ~- o5 y( I: U: O你們?yōu)楹斡玫诙N方案？ * F* M' Q( V. u5 M9 u+ A
! X. w' ?" b! [( n& P8 w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)。 / C5 @1 D% h' ]' C, ^% V# A' I! O6 p
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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(shè)計(jì)，他們Z上大部分只有一個軸。
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. X9 H% t- \1 E7 n- q* _0 ^可以說，快速更換，是行業(yè)里的一個發(fā)展趨勢。 7 j I" [9 z& J/ D. a
8 g+ k! a \ W+ N, S所以，我們最后決定用第二種方案。 - x6 G! O) M1 O2 U& J
* J3 \' S) v* X6 s4 ^好的，明白。 7 M3 A/ O- |# H0 G7 ^% S7 L8 K) L
, _% F) b0 y, I! _: m: b% M+ g; \但是，你們?yōu)槭裁床毁I現(xiàn)成的快換產(chǎn)品呢？ 9 A5 _' Z! Z, u" c
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因?yàn)槭袌錾犀F(xiàn)有的產(chǎn)品，不滿足我們的使用要求。 6 W( z: u7 U" Q7 M8 \% q/ i+ R/ s
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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)。 2 U; A- l. h" {. M
: b- Y9 t; f+ S3 S0 M3 I因?yàn)椋虚g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。
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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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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。 . V9 ]$ I% B. A6 i) H
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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。 " [$ I8 X. n# B) @" ?; y
' ^* p: M; z/ Q4 a; `, r% q2 }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。 2 V# S2 O K4 X& W% r/ N/ F
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OK。你們研究的，比較知名的供應(yīng)商有哪些？ $ n0 V& P* [: W5 I0 S
5 k+ l* K+ X: n0 S6 D) LATI， Schunk(雄克)，Applied Robotics，KOSMEK（考世美），Gimatic等。
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0 m3 K$ |6 `; r! o& u" a. E( D* p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。 6 j: B, W) u1 e, a1 u
: p& Z( ]% k; S( G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 7 q2 r# U7 Q1 p, c# ^
快換裝置參數(shù)對比
1 p7 J* H8 [8 P6 s競爭對手快換裝置對比 g7 ^$ l. } s
通過上面的原理對比，你應(yīng)該能夠看出。 ( v) y7 f8 N$ L+ ~# N
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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(jì)要點(diǎn)。
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- L" p8 P0 `! {1 h定位：競爭對手是V型槽和高硬度鋼球定位。
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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。 $ A+ g2 ^+ @2 ?$ d+ P% U$ R
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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）
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* @1 i$ _2 z5 s) G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。
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而自動化方面的供應(yīng)商，定位方式有所不同。 $ D4 S& Z- F8 ~: E! y8 F# B( b
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在XY方向，他們大都是定位銷和定位孔定位。 8 T6 H( n @* G# e+ V
# G9 |' z8 H% z1 J4 V) ]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(diǎn)是可以顯著提高重復(fù)性。 + ^3 A/ A/ N1 o
+ z6 p Z* @" z6 U4 ~, l( e) N從上面參數(shù)對比表，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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; B( |* P C* N/ O- v" E4 }* |而對于Z方向定位，都是用接觸大面定位。
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% q. {# h. D: ]0 m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(diǎn)就是重復(fù)性差一些。 6 k) G ? F. p0 K7 v
% c9 t- D( W' Z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?yàn)闆_擊被否決了。
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) y+ v) P& i i& H S; \2 h8 K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。 8 ?2 w3 i* M. V* ]8 {/ ~$ W
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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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電接口：共60針，擺放在外側(cè)，便于維護(hù)。 * Q9 Q( m8 o9 e3 M& b8 e5 i
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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。 - u8 s4 `, l/ T! u. z+ S& ]
: d" e5 y- N2 x: q! C* P M4 R載荷：6Kg，重心位置不超過結(jié)合面200mm。 B/ f; C0 a3 |
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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？
& B% R2 F# k$ Y2 y沒錯。
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因?yàn)槲覀冚d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(jì)。
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1 o1 U% p7 I, V原理如下圖。 快換裝置的設(shè)計(jì)V1.0
) R9 e: h C5 ]) i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。 - ?9 n( h. S u. X" |
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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。 ) d& ]( c. M" i! k/ g
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中空的氣缸是自己做的嗎？ ' K; Q2 N; E7 Q. U9 w( f8 v
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是的，當(dāng)時倒角太小，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。 ( d. ~: {0 v% ?: V. W0 {- D, E
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后來你們做測試沒有，效果如何？ 0 Y$ I! u* W2 e7 q+ d t- t# ^
7 C" h9 C q* N7 p' f9 t對于上面的設(shè)計(jì)V1.0，后面我有測試其重復(fù)性和靜態(tài)剛性（因?yàn)閷?shí)驗(yàn)條件有限，沒有做動態(tài)剛性測試）。
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( x: P; W' W, Z3 ~3 v; C- F測試方法是： ' ?* ?) ^0 N5 K. D" O
（1）重復(fù)性 利用現(xiàn)有的Z運(yùn)動平臺，把快換裝置裝在平臺上。
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相機(jī)和主側(cè)模組在一起，掛在平臺上。 - T0 q% Y( o& k" s
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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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( b. i8 ?4 b' n. X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(shí)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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" _" V8 Q; k7 T3 J/ r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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- q6 X6 g4 s% W6 V' w' l; S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?yàn)橄鄼C(jī)有清晰的成像，所以中心軸傾斜也沒問題。 : o, H: X7 \2 `& b/ l* r) l5 E
D% V. r9 l& \1 ~（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。 & g) V0 }1 F3 h9 C: I
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因?yàn)轫?xiàng)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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: L- c9 X6 V. T5 O2 Z* F. c- e- q8 g剛性測試結(jié)果是，波動幅度最大到250um/gf。 3 Q5 Z3 s0 a: `4 o ?
2 A9 L" W8 v; x. C, a) l, W6 b對于動態(tài)剛性，暫時先通過CAE模擬，來分析其動態(tài)剛性。 7 `' O1 U( ]" Q% `
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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測末端點(diǎn)，在運(yùn)動“穩(wěn)定”后，相對于工件的位移變化，已經(jīng)達(dá)到10um。
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) E3 c( e) r- R9 p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 r8 \" b) R E- O4 F% s
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所以，你們后面有繼續(xù)更新設(shè)計(jì)，對嗎？
) y ^ g# f6 B* {7 c9 ]/ X* ^! J+ t
# z& d$ C# D5 S {8 F" u; K) _6 B是的。 5 i1 X% z* h! h* E, d
. h$ p" }6 q* X4 r9 S* O其實(shí)，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(jì)V1.1
/ T7 ~( t' ^( y9 b從V1.0更新到V1.1。 8 E; @7 S$ L1 \6 x/ v4 u
9 g& G5 a$ C: V9 T' B3 b' G
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。
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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。 9 E2 T! p/ Q5 P3 o! `1 Z2 B
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后來有繼續(xù)升級設(shè)計(jì)嗎？ 3 ~1 z6 e0 m4 V5 v" z( l
2 Z/ x. w, V5 i$ c4 @+ Y
有的。 6 b$ ]9 O* \: ?0 c9 G) v
& G# T; ?3 ^1 [ G因?yàn)閂1版本的結(jié)構(gòu)件挺多的，顯得不夠簡單。 l9 V6 A# q" w" ?' |) Q9 W# {
, h) s6 t; M* F另外，沒有經(jīng)過長期的測試，氣缸可靠性可能是一個問題。
9 V, i' v& B A1 K1 F8 p9 ?. A3 g) B- X5 Z: c7 s( D4 ^! {
所以，后來做了一個新的版本，V2.0。
5 x! _. G7 b3 R5 a6 c快換裝置的設(shè)計(jì)V2.0 . X# O+ z( [ v/ a @- z
- j' O# w$ d) a8 u
( T( Z: P+ _2 J! ~3 }5 B. A: V4 j) u因?yàn)椋姶盆F比自己做的氣缸穩(wěn)定可靠。 / A! l9 c" z& `7 H5 K5 v0 I0 a- J
$ c+ Y9 p: D9 S Z* Z. w U, k嗯，明白。
0 W! e- ~. p% l2 I7 ]* |% K+ s- w+ |& ]4 D7 ?3 r' ~
那你這個概念，其實(shí)，還是沒有提高快換裝置的剛性，對嗎？ ) w0 | I; S1 R9 t# |
6 k* ^+ _, F/ h3 |& D沒錯。 % N ~, y2 s6 L) G; s
0 N) K, ]4 l4 {/ y8 R$ A
所以，后面又升級到V2.1。 快換裝置的設(shè)計(jì)V2.1
9 \6 n4 t2 N* ^7 l: A/ J% M主要的考慮因素，就是提高剛性。 6 |* S3 Z i# U7 l6 x
& K" n" _& W* Z* F9 U: P( F4 g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。
- q( K. d: c( I; q* X) y
. L& W- G( R8 u8 N8 w- h這種做法，會損失一定的重復(fù)性吧？
6 f; H% p$ \. ~+ m* h8 J
8 t: ]: c' J7 m1 \是的。
2 T, F3 | d8 ]$ ~3 f% n3 H" h/ j5 p
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。
+ O- s3 ?: Q; H0 p8 j
, t6 r3 V/ o; Z3 j2 R8 g. T, }7 x$ E但是，我們升級到V2.1，其實(shí)也是有原因的。 9 z/ e8 O- R5 R" B) g
+ c0 K% p* \5 ?, |: J& ?- O因?yàn)檫@種概念，能夠達(dá)到的重復(fù)性還是相當(dāng)高的。
+ @* J( d. X9 z$ c7 b% b3 M! {' C3 k8 T2 _$ {, I) g0 Q7 R
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。 9 A+ N' @! G& P+ a) s' T7 r
System 3R快換裝置的設(shè)計(jì)
2 H+ g% ?7 ^. D9 l7 \8 ?+ ESystem 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?yàn)閆方向，是用四個面接觸來定位。
8 q0 l6 @" U3 E1 x0 v( k5 J! W+ m* p1 Y0 z) x; N4 m. _, u' m+ V3 d+ K
目前，V2.1這個方案，正在等待物料，后續(xù)會有一些測試。 ! _( Y7 C' {. ]0 a, C! T- \& }2 D5 r1 ?
" O0 a: d. i! I+ q
好的，希望以后能有一些測試結(jié)果。 " G* e0 c/ c7 r; P6 {& ?- I
8 l5 N" @3 w7 `: b' E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。
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對了，后來，我自己又參考考世美的做法，做了一個版本，V2.2。 0 a/ ~: j9 o3 h/ `, D! Y! i
. ?) r, w, n: Z! m! Q2 |& v& b主要是把XY的定位方式，換成浮動錐銷。 2 V$ \! @( ^7 z0 g0 }* Q" \; m
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當(dāng)然，這個版本沒有出設(shè)計(jì)，我自己留個底，可能以后用得著。
a( v' ^1 s$ Z$ H3 [9 i快換裝置的設(shè)計(jì)V2.2
9 b; I6 c7 h4 t我懂。 ) B- `" r6 B- x; k, a# \( c
' x' u$ |0 |9 v! V+ S我還有一點(diǎn)疑問，電磁鐵和相機(jī)，都會產(chǎn)生熱量吧，對精度有影響吧？ " |3 w. \) {5 [) C
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當(dāng)然，因?yàn)楹竺鎂2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。 * A% M+ o0 w. Y5 `3 e/ ^6 ]7 _
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不過，因?yàn)橛玫臅r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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到是相機(jī)本身會發(fā)熱，最后的散熱設(shè)計(jì)，是需要重點(diǎn)考慮的問題。 3 j0 A& ]% o }8 z( u, G" l6 V
9 b* [5 m# i) O! p. N4 k不過，我們還是有解決辦法的。
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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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! p0 O- p& g0 ]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。
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* i2 e1 R; Z" X! @1 \" X不過對系統(tǒng)精度的貢獻(xiàn)，還需要做更多的測試。
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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。
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0 Z9 U$ L, C* x因?yàn)椋瑳]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?yàn)檫@會降低電磁鐵的預(yù)載力。 ; l5 X! R2 |! y9 k; d
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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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7 P2 x, l7 F! e. i! R4 u采用隔熱板，隔熱陶瓷等，有效隔離其熱源。 ) h' z+ E6 u9 r8 k
0 u, c2 x0 @# C8 h! l好的。
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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(jì)版本PPT，能分享給我嗎？ 8 B) I; X* {0 h# E% u3 x1 G
1 H1 `$ i2 C9 }可以。 ( I) ^3 q/ ^) w" |: Z4 A
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在我公號里，回復(fù)“快換裝置”即可下載。
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( @$ w! e6 p C$ R, g3 x好的，多謝你。
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沒事。
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+ B) R: f( }, p g0 K3 o相關(guān)閱讀： % M. t6 T/ I# J6 p! ^
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發(fā)表于 2019-9-30 20:47:15
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