本帖最后由 羅羅日記 于 2019-9-30 22:12 編輯
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+ L4 I/ d# G) |. X4 m" y0 k* n/ z! j; F這兩天太忙了，本來該前兩天發出來，拖到今天，我內心有點過意不去。
5 s; E3 D' J! F T* @* ?這不，剛剛回來，吃了個橘子，馬上就開機，今晚發了，明天回家。
: W4 b" h% h& c1 |1 y7 T7 n老鐵，看到來頂帖。
) w! X5 R8 Z' }0 w1 I羅羅，我常常在一些機器人末端上，看到有快換裝置的應用。
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你能說說，快換裝置是怎么回事嗎？ . ]" y$ v7 \: z) P0 ?
3 Z! h' e6 E1 D( ]) r5 o可以。 0 L( a9 Y9 b2 V! U1 Q7 A
$ ]9 N# T2 ~7 R( s+ ^你說的機器人應用，是屬于自動化范疇的。
/ F* o6 p) k; \3 S6 u0 m9 }6 e6 ~$ q+ G. Z
, y9 V# K/ N: C* i& m% s那種快換裝置（Quick Changer／Tool Changer），分為兩側，主側和副側。
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主側裝在機器人末端，副側裝在工具端。 ) j" ?0 U2 B# L8 C
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副側常常和工具固連，放在工具架上，一個工具用一個副側。
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, ]9 ?6 \( H4 m$ O7 f) @機器人末端，會根據工藝需要，自動更換不同的工具（執行器），來協同機器人運動軸，完成不同的動作，處理不同的物料等。
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嗯哼，我大體明白了。 . i \- G h; a* o2 b0 m( q
/ ]/ K: |8 y9 F( `/ A; m4 f; `其實，在做三坐標測量機時，有一段時間，我的主要工作內容，就是快換裝置的設計。 " u2 q: x( h. G2 C# @
8 C6 T) d, D' }你們為什么要用快換裝置？
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. y. V, S; \/ @; F5 A% H8 A因為當時，采取了一個Z軸的配置，根據不同的應用，用快換裝置，自動更換不同的檢測頭。 $ ?+ T- y; h' \* X0 Y5 I, ]+ Q
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怎么更換的？能顯示得具體一些嗎？
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3 O7 k5 }4 G, B! Z& b( e# m4 E1 W好的，我做了一個PPT，名叫《測頭更換流程》。
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9 @/ {7 u5 |1 ]7 e" 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。
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( Z: S% M! d& w% n好的，我晚點去看看。
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不過，我想問，為何只配置一個Z軸呢？ 6 I: z: x0 { i, p/ Z
; V, x: j# @& k3 T* H! [其實，我們當時有兩個方案。 . [' l7 l, y8 O/ l8 T+ `" F
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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。
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7 D% x; e2 b+ h: w" K3 I0 e此配置方案的優點是測頭固定，沒有因為更換測頭，引入的重復性誤差。 & {0 N9 ?: }9 n
4 Q' H. G5 S8 V3 m9 l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，對結構剛性要求高。 / X* }/ w. @1 d% @' ^' t. k! Z
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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。 . u- ^9 }( p& [
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那么，第二種配置呢？ - L! \$ n+ \- V( j+ R4 R8 V/ b0 _4 G
" Y6 P( Q+ u1 L: P! Q. j7 J+ J只有一個Z軸。
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根據需要，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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. T% b4 M0 h `% u% C) K9 n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。 % q8 s4 Z. h4 j
6 d0 e' a% p5 ~. e% V此配置方案的優點是重量輕，可以實現高速運動，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。
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你們為何用第二種方案？ 1 a- m% J* H b$ Z; S5 p
. u5 N( T4 ~! Z1 D最主要的是第一種太重了，想要達到需要的精度，結構設計非常有挑戰。 % P2 C% D* p3 p8 z2 r. j
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7 q% R5 J0 S$ r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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' o/ |, g( P+ e可以說，快速更換，是行業里的一個發展趨勢。
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所以，我們最后決定用第二種方案。 2 c0 N* t1 {" ]* ?- k
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好的，明白。
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1 e& M: E9 m2 n; f( ^ Z" `, h& w2 q但是，你們為什么不買現成的快換產品呢？
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6 @8 }; }& F V/ `- @因為市場上現有的產品，不滿足我們的使用要求。 ! @5 O3 ?7 p3 \4 L! P
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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構。 & d, G$ d6 y" G# T N- G n9 @
2 L4 B- c5 ?/ V5 \因為，中間我們要放置相機和光學器件，這個完全沒有產品滿足要求。
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另外，電接口和氣接口數量，不滿足我們的應用要求。
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. e! Z7 [3 t& X% u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。 6 a0 t8 b t b* v
" ]/ u! H( i# J2 h+ P) Z1 p但是，我們電接口數量多達60，沒有一家供應商可以達到。 7 o/ n6 t7 n/ Y- }# ` E
3 N. B2 x$ G8 |; [4 j" S$ ]而且，問了幾家供應商，都不愿意定做，畢竟我們需要的數量太少，可能他們覺得沒啥錢賺，投入精力不劃算吧。 ' m6 {# L4 g5 m
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OK。你們研究的，比較知名的供應商有哪些？
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/ |7 a" H# U) |. G+ W& z4 IATI， Schunk(雄克)，Applied Robotics，KOSMEK（考世美），Gimatic等。
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; F" e9 L! L/ J2 b我有2張表格，如下圖，從原理和參數方面，對比了幾家供應商。
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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
; P2 ?1 z& x5 C8 w快換裝置參數對比 9 r" w6 g) W# V) l8 e k i& j0 {
競爭對手快換裝置對比 , i8 |6 n5 d/ |6 A6 M: e$ p7 W
通過上面的原理對比，你應該能夠看出。 3 k: w8 W, R1 m9 T1 f; d
; @7 [$ D% `7 M. `9 F+ e1 G我們主要考慮：重復性，定位，預載，安全鎖緊，釋放，電接口數量，氣動接口，載荷等設計要點。 9 |* H5 u- M+ R' T: q9 \& ~5 i. G
% p2 _: [) | j2 M* C2 j( W定位：競爭對手是V型槽和高硬度鋼球定位。 5 ^# g% Z( w! ~0 R
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當V型槽由兩個鋼球構成時，另一邊則是一根鋼棒，當V型槽是兩根鋼棒構成時，另一邊則是鋼球。 $ ?5 D) q5 h9 v% }
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大量的論文研究表明，這種定位方法，在動態耦合時，重復性是最好的。
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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） / _) D' g9 r% m$ h) \* _' r
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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。
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而自動化方面的供應商，定位方式有所不同。 ) N/ T4 u" ? D! w
0 p! C: S( X& ?5 l在XY方向，他們大都是定位銷和定位孔定位。 * E2 c# G `+ v3 a9 t& S
( p7 X6 {0 }. y2 i. [% Z0 ]當然也有用錐面定位的，比如KOSMEK（考世美），這種浮動錐面定位，優點是可以顯著提高重復性。
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0 R3 o3 i1 ]" ~- c% Z從上面參數對比表，可以看出，只有考世美實現的重復性是最高的，達到3um。
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; O, u. i* ]- j# S1 `# P! y' B而對于Z方向定位，都是用接觸大面定位。
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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。 ; I! k1 n) }0 B9 J7 Y, d
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預載：預載荷的大小，在很大程度上，決定了動態耦合的剛性，預載的加載方式，可能會帶來沖擊，應當避免沖擊。 " V! i# R! \. V6 z) ?* o
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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。 8 x3 t& v3 P/ n I# }* g' J& G
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安全鎖緊：就是系統突然斷電斷氣時，工具側不能掉下來，應該是鎖住的狀態，不然會出現安全等問題。
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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。 ! M) h8 ~2 Z# U
/ E1 k- [5 K8 V5 h' G \/ `電接口：共60針，擺放在外側，便于維護。 ; G4 F5 m% X8 g7 d4 p$ h% g! _8 Z
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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。
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載荷：6Kg，重心位置不超過結合面200mm。
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既然沒有滿足要求的設計，那你們只有自己做了？ % t: _: ~6 @& ]: _; e/ L( x4 F
沒錯。 3 k8 e: k3 I" L$ i. t; `2 e
$ J9 [8 K; a9 E& n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°）。
5 }0 k( G1 E8 d3 Z1 G: F: ]
1 g M* A* x1 f- B( r" v所以，我們參考海克斯康，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
+ s, U. N) n7 L7 O& W) U9 I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模組。 2 r* {: ^# y, V% A) k
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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。 0 Y+ [% K% a; D* k* ?
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中空的氣缸是自己做的嗎？ ! I' P4 l" H# W3 i/ C
: S. Z$ A2 T2 V5 W7 N2 s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。 / Y. s5 \0 [) Y0 K
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后來你們做測試沒有，效果如何？ 6 G) _8 G, ^" [% L3 u
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對于上面的設計V1.0，后面我有測試其重復性和靜態剛性（因為實驗條件有限，沒有做動態剛性測試）。 3 R' F9 k. I p
7 f7 l. Z$ m; i測試方法是： . [ a2 e! b' [, |- y! y! `$ ^
（1）重復性 利用現有的Z運動平臺，把快換裝置裝在平臺上。
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相機和主側模組在一起，掛在平臺上。
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通過馬達微調到想要的位置后，用機械鎖緊Z軸，避免電機位置變化引入誤差。
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5 k3 x, x$ Y. b& T8 }" n& G同時，在快換裝置的下側，豎立兩塊板，當氣缸通斷氣的時候，實現釋放和預載，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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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。 / \: Y3 R! z1 u9 W1 _
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' a7 T7 {: l( N) z* n W* A- T測試結果是：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。 , k8 w& N( a9 b/ o
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（2）靜態剛性的測試 直接加載一組力，力的作用線，通過耦合后模組的質心，然后還是看相機圖像在XY方向的平移量。
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因為項目要求的是動態剛性（0.1um），所以這里測試的靜態剛性，只能作為參考。 6 x, ?2 w) H ]
- S4 o0 r5 @) [* i3 x" J剛性測試結果是，波動幅度最大到250um/gf。
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, C/ D+ _( L# k8 z8 d對于動態剛性，暫時先通過CAE模擬，來分析其動態剛性。
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后面通過做瞬態分析，發現剛性不是很好。
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因為檢測末端點，在運動“穩定”后，相對于工件的位移變化，已經達到10um。
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0 A0 {/ y2 S+ I7 e# w/ N5 w6 J結論是系統剛性不足，各個模塊，特別是快換裝置，都必須繼續提高剛性。
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所以，你們后面有繼續更新設計，對嗎？
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是的。 ) s$ Y, m6 }$ d& Q! d" V% W4 Z
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其實，對于上面的概念，我們在CAE結果還沒出來時，就做了一些局部的更新。 快換裝置的設計V1.1 ! Y9 d5 [+ I0 i3 G+ [" q
從V1.0更新到V1.1。 ' q1 O# l+ [& t- m8 M
( l; `+ ~: D8 E) H) O主要是把鉤子約束軸承，變換了位置，因為V1.0中，鉤子是旋轉到水平位置，可能有水平分力。 * F0 d# q8 Y/ V% `' C
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V1.1中，因為約束在側面，當調整好約束軸承位置后，鉤子是直線往上走，沒有水平分力。
5 V' k9 i1 O9 ?! ^" w3 f) }9 Z7 M# K. c' S$ ]3 H2 x/ Y, {
后來有繼續升級設計嗎？
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5 o& f8 r% @' Z; f7 X1 Q' j- K有的。 ' V9 I* M$ O0 \ ?- j+ z
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因為V1版本的結構件挺多的，顯得不夠簡單。
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另外，沒有經過長期的測試，氣缸可靠性可能是一個問題。
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~# W5 D7 z! g; ]7 g所以，后來做了一個新的版本，V2.0。
0 z% L! w6 X2 M' o7 ^快換裝置的設計V2.0 / r. X" X+ h0 ^1 Y4 C
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因為，電磁鐵比自己做的氣缸穩定可靠。 7 r5 a* o5 S- q/ {" |. F
( d2 G1 j' ^, G% T+ E/ u0 f
嗯，明白。
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/ A; p' P1 B3 ]那你這個概念，其實，還是沒有提高快換裝置的剛性，對嗎？ & V5 C7 x7 d* g
$ I0 H. A ]" A
沒錯。
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( S, A; @# ]5 f: ^" S7 T所以，后面又升級到V2.1。 快換裝置的設計V2.1
5 k- X1 `1 X5 {) [: `* |主要的考慮因素，就是提高剛性。
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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。 0 _- h$ r& E U" |# w$ E
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這種做法，會損失一定的重復性吧？ 8 S7 C: e8 z, @8 |8 n' s& k/ j
8 {+ k+ f% l$ f. Y4 M" M是的。
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正如前面所說，鋼球加V型槽的動態耦合，能夠達到的重復性是最高的。
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但是，我們升級到V2.1，其實也是有原因的。
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' X4 c: ?+ ]( E/ F/ [8 {( w因為這種概念，能夠達到的重復性還是相當高的。 . M0 W: n/ z( r
7 D' {+ \ `! k6 J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。 - S: x9 C. D0 b: i! d1 }
System 3R快換裝置的設計
5 o5 X' a8 Y- |7 W3 z; l2 |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。 2 B6 v7 n) W% E4 G% j5 d/ s, ~1 J* {
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目前，V2.1這個方案，正在等待物料，后續會有一些測試。 B2 W& H; _& V" ]
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好的，希望以后能有一些測試結果。 6 v3 y) ?& |* n7 U7 f) I; u- B* W
/ A( R3 w Y6 U* J+ J1 c) c我會跟蹤的，有結果，我會寫在這篇文章的評論里，歡迎你關注。
1 P. {- E8 T- a& p# m& x" C" R3 E$ o b7 X# f8 c% e
對了，后來，我自己又參考考世美的做法，做了一個版本，V2.2。 . X. {3 J+ W/ @, x( i2 ~2 q
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主要是把XY的定位方式，換成浮動錐銷。 ( m0 Y ^& \6 D4 G% ]& _3 Q
! Q' E! ^8 C; I當然，這個版本沒有出設計，我自己留個底，可能以后用得著。 8 _7 e5 q& m/ X2 l* F, N
快換裝置的設計V2.2
8 C5 ? [- p' W& K: L4 @- H我懂。 7 n7 a; @! I$ T" _: v2 \
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我還有一點疑問，電磁鐵和相機，都會產生熱量吧，對精度有影響吧？
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0 M7 \- ?0 s" M1 I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。
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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。 4 g- M' h2 v7 V/ m
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到是相機本身會發熱，最后的散熱設計，是需要重點考慮的問題。
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不過，我們還是有解決辦法的。
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" q; L6 O1 E5 [4 X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。
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$ M4 i; c" C7 |8 Y3 ?9 r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。
8 I/ k5 T1 X1 ?, t7 T! t6 g4 C. U; c
不過對系統精度的貢獻，還需要做更多的測試。 - p* x% Z% K' H
; D, o3 g" k1 p. o+ b" y- g% ]
還有，你們的60針電接口是怎么解決的？ 7 T: _! @) `1 ^3 D; m
5 b! L- I9 r3 S2 _用的Pogo Pin，我們提要求，找供應商做的。
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因為，沒有現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。
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0 K [! S; q. s" r6 G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。
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. I6 D1 a2 r8 `2 u0 I6 W+ l( W4 n當然，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。
1 X, `" y' H0 n1 y0 O3 ^* S. u! c) z/ c; ~+ _
好的。 7 M4 Q* Z+ g( A' ^: ]; i
5 S4 Z- A: D) `9 Z7 z羅羅，最后，我還有一個要求，你上面的原理，參數對比，以及不同的設計版本PPT，能分享給我嗎？
5 j" ^" U% a2 H" N$ N0 F
. |4 B& c4 A; H7 ~7 U2 c" a$ Q- l可以。
$ Z% ]9 i1 X5 P) J6 M. S1 X3 R7 ?& O! d4 C: ]* \8 A
在我公號里，回復“快換裝置”即可下載。
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好的，多謝你。
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發表于 2019-9-30 20:47:15
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