本帖最后由 羅羅日記 于 2019-9-30 22:12 編輯 3 @1 W( [0 ^' t4 q! \* j$ P$ X
$ t/ F' A- C4 ~7 x% L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。 / g0 l: S2 L" l! q+ x- L
這不，剛剛回來，吃了個橘子，馬上就開機，今晚發了，明天回家。
" }0 \% f8 \' y3 i& P老鐵，看到來頂帖。 & O8 O) R) B- E5 n! k7 k
羅羅，我常常在一些機器人末端上，看到有快換裝置的應用。 ; W7 w/ q7 S% |& K- n/ t3 a
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你能說說，快換裝置是怎么回事嗎？ + \# _ ~" Q" K1 Y1 G
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可以。 * r$ g1 ]" l( _# N) x, M
# J4 J) W4 Q0 r9 S你說的機器人應用，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，主側和副側。
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* d4 ]. `0 g6 n/ H ?4 V: H2 R, M主側裝在機器人末端，副側裝在工具端。 . V7 n5 ]/ V; M S& W
7 Z9 m& ]4 n* l, o) p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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, L( @: N8 s, u! c7 O- l' x1 z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。 9 v; m4 Y) e2 D Z
# V! Z& m' n0 q, i9 J- s+ T嗯哼，我大體明白了。 ! O, [' q4 `- Q z) G8 J4 R
( l7 L4 q4 c) k) J# H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。 ! v$ V6 e8 Y1 `) I9 i
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你們為什么要用快換裝置？ . b5 a1 Z3 Y8 I$ x% E( D
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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。
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怎么更換的？能顯示得具體一些嗎？
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5 }% i, g( a" ?( y: b0 { X好的，我做了一個PPT，名叫《測頭更換流程》。
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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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好的，我晚點去看看。 & b b) p5 X* g
" o' C3 W3 b3 L8 O2 ~不過，我想問，為何只配置一個Z軸呢？
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其實，我們當時有兩個方案。
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4 l1 J6 E9 [$ @" u% Z* d7 x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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6 _8 F% V& n, w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。 8 u* f) R/ g ?) I3 l0 t% ]
" Z# q+ V3 m1 }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。
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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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那么，第二種配置呢？
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只有一個Z軸。 $ E: O/ }3 }) B
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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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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。
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4 R+ {( v6 [+ t' P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。 % F/ e; [( W9 V2 a; s3 Y
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你們為何用第二種方案？ 6 w$ F! q( q' `
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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。 4 i9 _4 H' T3 R( n: ~% d6 e. X
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( l; J: W( Q* {1 z; v4 I- r8 A- R" c U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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. A! A4 Z+ C) U$ S0 X) a1 f可以說，快速更換，是行業里的一個發展趨勢。 6 p* S9 r( q1 r. z8 v! }, q( ]
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所以，我們最后決定用第二種方案。 # ~9 Z6 O. @( k# y! ?- L
8 Y; g* _6 T: T4 ~( b- }( s好的，明白。 + f2 I+ c& t; { j8 @: l* n; {
) P3 j( h: Y' N8 D) }4 E* T; {. ~但是，你們為什么不買現成的快換產品呢？
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0 U$ @ e$ k! G: O因為市場上現有的產品，不滿足我們的使用要求。 3 \/ j. P6 w6 t2 {" `( A1 c3 P3 ^( U
! B3 K! @$ ^0 l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。 ' L% j# X, P" E' ?7 ? u$ d$ V
3 F: x# G4 a/ u: V- L) m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。 . d! P6 Z" a* Z
! L1 L+ c3 l# [7 l! F6 k2 r! ]) C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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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。
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, }# a, S) m2 S$ h但是，我們電接口數量多達60，沒有一家供應商可以達到。 # p4 A. X4 [% k
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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。 / v* I. o% _, x( X& S; X0 j
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OK。你們研究的，比較知名的供應商有哪些？ 5 h9 g- u( ^1 N/ e8 y# r
C B: Z: D) x1 iATI， Schunk(雄克)，Applied Robotics，KOSMEK（考世美），Gimatic等。 ! L, \9 D3 `" M+ _8 t& M1 c8 C
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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。 ' _6 E7 o4 V( X
9 |2 W* f+ |9 i O0 V" m# Y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
; | t6 P2 N% B/ _) M8 o8 L快換裝置參數對比
, X. N" Y$ _: H3 g: Q" Q& T競爭對手快換裝置對比 9 I. ^" i6 N' D; a9 z" R
通過上面的原理對比，你應該能夠看出。 2 ~# B2 B# v7 ~& G! s6 v
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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。 & e, Z+ ]4 i1 e, G7 s5 ]- M
! Y$ g, f$ K/ n8 o# M: ^; m0 j定位：競爭對手是V型槽和高硬度鋼球定位。
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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。
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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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! [- a, Y4 l8 h% y% ~1 ?' \; x6 j* E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） ( B+ b, e. ~/ {; H2 b
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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。 3 b5 R+ D& P9 v" e5 Y2 w& ]4 ~- L
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而自動化方面的供應商，定位方式有所不同。 8 o1 ?/ h! a5 L5 C8 t
- B" r: {" ]: \- Q# x6 A在XY方向，他們大都是定位銷和定位孔定位。
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" m& i9 f! H+ K, Q1 g( H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。 & I- Q. u) E) Q0 q/ `
9 R$ I: C, H5 @* i9 X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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% H7 @7 E5 y8 N* b( I而對于Z方向定位，都是用接觸大面定位。 g9 A F: F0 O( O
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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。
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) Z* G1 d/ n4 B: o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。 3 ]5 K; E7 \/ G h+ {# a& r% @
4 `* w7 P- ?7 Z4 U: O2 h X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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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。 - h$ A/ k7 L3 a3 c2 t6 Z* s/ o( F
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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。
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- j, S8 @! ?* s. r2 w電接口：共60針，擺放在外側，便于維護。 2 q% |; H& ]/ W( t, d+ T5 k# B% f: U
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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？
7 |' { f7 k# C% j5 j沒錯。 , Z/ v/ W. j9 J. R7 D: h
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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°）。 - W( y$ l5 p U9 P, D1 C M; x# \
0 G! ~* W* \# k6 i, C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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; d) l# \. g1 Z; O原理如下圖。 快換裝置的設計V1.0 8 I2 a' `- s8 \$ @4 I( d D9 [
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。
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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。 8 F5 x; Y S3 ^3 y2 q3 x
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中空的氣缸是自己做的嗎？ . M; i0 Y5 c' `5 D
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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。 2 p$ @2 h0 l9 x c( [
/ }! Q% `1 b. J3 Y. p$ V后來你們做測試沒有，效果如何？ 3 I L) h* E+ G8 l# Z
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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）。
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1 w' e: `9 ^" B9 y) e測試方法是：
* Z4 Z* S j1 X, B6 m- C（1）重復性 利用現有的Z運動平臺，把快換裝置裝在平臺上。 " r9 P9 H6 p2 z) h6 e
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相機和主側模組在一起，掛在平臺上。 . D; y# p9 G: p1 O- M" F) C- l o
' `; A* \% O) B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。 / x' X+ p# w C R
1 @4 a/ u& m1 K2 P. L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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1 L S1 k) T6 q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。 * ]) j7 [' I* H; ]6 W3 k
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) |# a w, U- }4 C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。 ) l8 F" y7 t8 L: _
8 @) N; `! t' j: `6 A* q( C+ u% c（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。
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5 ^1 c1 o, w1 U剛性測試結果是，波動幅度最大到250um/gf。 " q1 a' _5 Z/ v3 ^' ~
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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。 7 @! {( R- w2 c) y
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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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$ C% u: n8 ^) @- \$ X所以，你們后面有繼續更新設計，對嗎？ - Y" F- u, }1 T
Z8 c) n# Z# Z w$ S" V
是的。
" S! b1 i# f, E4 e
- p0 b8 z' x/ R0 B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 7 S+ i; J) c# f8 L
從V1.0更新到V1.1。
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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。 8 B9 i( A0 P; |. r
" D2 G0 D8 T6 X# H% T& x& B6 m& u. HV1.1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。
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后來有繼續升級設計嗎？
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/ y, M- `2 J* X# _2 e8 u有的。 " U; m, |* [* i0 H/ |
! N9 j6 T# E' ^0 K( F4 } C因為V1版本的結構件挺多的，顯得不夠簡單。 ' t7 g% R; Y( o: ?- Q' i% L
% l6 @/ h5 [% q. p: ~, }% @' J另外，沒有經過長期的測試，氣缸可靠性可能是一個問題。
K- |* O- p# {, u
9 a: s/ E+ t4 P, N2 B1 U- d, {7 I所以，后來做了一個新的版本，V2.0。 ) P2 Z; |# J3 Q1 U, o; p5 T* x
快換裝置的設計V2.0 3 S; ~6 L0 ?' ?: K$ I4 v) |
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因為，電磁鐵比自己做的氣缸穩定可靠。
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" h: n( l/ a7 f# V$ g嗯，明白。
( L, s5 `/ H3 t' ]1 B+ ~% ?
8 {1 K, P6 b- v5 p% G( C* E- f6 y那你這個概念，其實，還是沒有提高快換裝置的剛性，對嗎？ 9 k$ c0 E. |- C; s7 b/ w' Z
. n$ B( R, j& |% J沒錯。
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+ u5 K! }0 m- v5 E! b所以，后面又升級到V2.1。 快換裝置的設計V2.1 . g, F8 I# r6 I, e3 z+ M
主要的考慮因素，就是提高剛性。 ! Q5 `6 }! K# V+ m
0 p7 `. G$ G- r) h, Z: N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。 6 C* Q5 {# X; `, Q1 J
" D+ S7 T( _. D3 O X, }% |* @這種做法，會損失一定的重復性吧？
1 {) V( @! B. A, X5 j. A# u! S% i
& E, U7 b: [7 I6 u/ k" v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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6 W) s3 W1 P6 R: Q! l1 j) [但是，我們升級到V2.1，其實也是有原因的。 1 k/ m# g* { T. e8 C
! W" ~7 K# k. Y0 M因為這種概念，能夠達到的重復性還是相當高的。
& n7 N8 ?! U: X" V! W9 }, r4 [% _( f& A5 R
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。 K2 \5 S+ H4 S+ q2 B( q
System 3R快換裝置的設計
6 e' z# ~3 j1 N6 |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。
/ Q% _! r V$ O J7 @, T1 c2 v0 X# z
2 j1 ^) K7 |2 p( s5 p目前，V2.1這個方案，正在等待物料，后續會有一些測試。
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5 V; S, ^7 c( R8 t0 V8 s' k: T好的，希望以后能有一些測試結果。
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" A) ?8 q2 j5 r' l' _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。
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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。
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8 h0 `6 S2 i# d+ T主要是把XY的定位方式，換成浮動錐銷。 8 [0 v) b- E1 ^( ?
: u# i" k, |9 v* W( V# T& X8 x
當然，這個版本沒有出設計，我自己留個底，可能以后用得著。
: \% g* H6 Z( W {% F快換裝置的設計V2.2
3 @: w3 V: T. W6 s& l' C1 A6 L我懂。
q* k& q" f6 C* s7 b0 o1 P: L) p$ J* l& I V v, i
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？ ) D. L7 p0 @' y& Q, i
9 Z$ W% U% P3 H) j* |+ Z
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。 : ]8 q6 M9 x+ F2 V$ G
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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。 1 H" m# s% t4 r% S0 w
: s* C1 }# s/ u( g1 J' E( {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。
1 Y, Q5 i/ a$ e y* s
* c7 [" v5 n; V4 E9 h) l! E, I5 @不過，我們還是有解決辦法的。
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2 Q9 B% B0 ?/ m; }4 A: u* o2 T' j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。 ' m C% y/ y' s, y
& I8 ]& K% c6 l# c! Z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。
# q. l8 \8 A: ^8 B9 A! U
& g: R6 d/ _8 ~; O! [- N不過對系統精度的貢獻，還需要做更多的測試。 7 T" ?8 p- p/ f$ H. Q
- A# l4 w! z" s: L j/ a- [ n3 m4 C還有，你們的60針電接口是怎么解決的？ * _% k, V+ b. f. `, P6 Y( D
7 p7 B$ i/ L7 D- o' C7 R
用的Pogo Pin，我們提要求，找供應商做的。 ) Q2 Z$ J7 k% k& n1 T
! m4 H, B( M! I! K& N- Q6 R
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。 1 K, u- a# X& B5 _1 u. j; E7 j* ?
5 B: k) d: ~. |" c1 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。 2 E7 m- ?" F9 f/ j1 V% E
# D7 Z% J% c! M% z/ E6 N8 ~當然，對于電磁鐵和針腳式電接口，我們也做了隔熱處理。
+ _: D: L' ?9 j: d4 w$ I; e- `" E" o; j1 w# L) \+ C! w9 c
采用隔熱板，隔熱陶瓷等，有效隔離其熱源。 2 @# V# A% I) a { [( c: h$ W: g
- ^4 [1 @& a# C好的。 ! k" ]' r4 i; F5 k
# ?! }! U4 l& y. F, s* u8 x
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) |2 d) G+ `! D' v. J: h6 {* F( [
可以。
# s1 B1 L M+ f4 M' B d1 B! i
5 i) P' Y7 k, ^9 ~在我公號里，回復“快換裝置”即可下載。 0 {8 [/ B; D+ L, A9 I8 X+ T
' M* _( |% t, ^" a' I0 f+ y
好的，多謝你。
1 z: E+ ?" y: O( r, D$ L9 }2 T) Z' P6 z: p" ~7 ]9 q3 k* b
沒事。 0 X. ~: H6 F2 l; ^
* w) m; z: @* l! V U+ r% Q相關閱讀：
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發表于 2019-9-30 20:47:15
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