周錦華,史曉平,安建飛（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院,呼和浩特　010051）

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機(jī)器人工具快速更換裝置的研究

周錦華,史曉平,安建飛
（內(nèi)蒙古工業(yè)大學(xué)機(jī)械學(xué)院,呼和浩特010051）

摘 要：介紹了能有效提高機(jī)械手作業(yè)能力且實(shí)現(xiàn)機(jī)械手與工具的快速更換的關(guān)鍵部件—工具快速更換裝置的關(guān)鍵技術(shù)及工作工作原理。通過工具快速更換裝置，能夠使機(jī)器人執(zhí)行多項(xiàng)作業(yè)，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的功能多元化，縮短作業(yè)準(zhǔn)備時(shí)間，有助于進(jìn)一步提高工作效率，減輕工人的勞動(dòng)傷害及疲勞程度。

關(guān)鍵詞：機(jī)器人；工具；快速更換裝置

機(jī)器人工具快換裝置通過使機(jī)器人自動(dòng)更換不同的末端執(zhí)行器，這使機(jī)器人的應(yīng)用更具柔性。這種裝置被廣泛應(yīng)用于自動(dòng)點(diǎn)焊、弧焊、材料抓舉、沖壓、檢測(cè)、卷邊、裝配、材料去除、毛刺清理、包裝等操作，具有生產(chǎn)線更換快速、有效降低停工時(shí)間等多種優(yōu)勢(shì)。

1　國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

1989年，美國(guó)ATI公司開始研制機(jī)器人末端執(zhí)行器，使機(jī)器人的生產(chǎn)率顯著提高。ATI自動(dòng)化公司所研制的型號(hào)為QC-20的機(jī)器人工具快換裝置。QC-20由一個(gè)主盤和一個(gè)工具盤組成，當(dāng)帶有主盤的機(jī)器人手臂對(duì)準(zhǔn)工具盤時(shí)，鎖緊端口內(nèi)流過壓縮空氣并推動(dòng)主盤中的滾珠，滾珠被精確的推進(jìn)鎖環(huán)并被緊鎖，解鎖時(shí)在解鎖端口供給空氣壓力時(shí)滾珠松開。

日本專利昭58-137593的工具快速更換裝置。這種裝置使機(jī)械手和安裝在機(jī)器人手腕上的非圓形軸通過拔銷連接，通過設(shè)在手爪庫上的凸輪面拉出拔銷，由外套上的彈簧壓入拔銷來實(shí)現(xiàn)機(jī)械手的自動(dòng)更換，但是這種裝置存在連接剛度差的問題。

哈爾濱工程大學(xué)研制的一種用于水下作業(yè)機(jī)器人的更換裝置。這種工具快速更換裝置體積和重量大，驅(qū)動(dòng)方式是液壓驅(qū)動(dòng)，而且不能傳遞信號(hào)，這使它的應(yīng)用受到很大的限制。但是在實(shí)際應(yīng)用中由于作業(yè)內(nèi)容、作業(yè)對(duì)象、作業(yè)方式等各方面的制約，要求機(jī)器人工具快速更換裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、經(jīng)濟(jì)性好、連接剛度好、體積小、操作簡(jiǎn)單、重量輕、更換迅速。

2　快速更換裝置的關(guān)鍵技術(shù)

利用機(jī)器人工具快速更換裝置是一種涉及多種技術(shù)應(yīng)用的復(fù)雜系統(tǒng)，設(shè)計(jì)機(jī)器人工具快速更換裝置系統(tǒng)方案要綜合考慮各種因素和關(guān)鍵技術(shù)，確保機(jī)器人工具快速更換裝置系統(tǒng)能夠迅速、安全、準(zhǔn)確地完成更換工作。機(jī)器人工具快速更換裝置面臨的關(guān)鍵技術(shù)主要包括一下幾個(gè)方面：

（1）由于在機(jī)器人作業(yè)環(huán)境下，對(duì)機(jī)器人的作業(yè)質(zhì)量以及控制精度要求高，在更換裝置過程中必須要保證安全可靠，不允許更換裝置掉落、碰撞等安全問題。因此要求鎖緊裝置在鎖緊壓力瞬間丟失的情況下，也能使機(jī)器人側(cè)與工具側(cè)保持鎖緊狀態(tài)。并且要具有足夠大的鎖緊力和牢固性以保證末端操作器的正常作業(yè)。鎖緊機(jī)制在目前主要分為鋼球式鎖緊、凸輪式鎖緊、卡盤式鎖緊、活塞插銷式鎖緊和膨脹式鎖緊等。為了能實(shí)現(xiàn)其預(yù)定的功能，需根據(jù)不同的作業(yè)環(huán)境、載荷做出相應(yīng)的設(shè)計(jì)；

（2）工具快速更換裝置要具有極高的重復(fù)精度，穩(wěn)定性要可靠；

（3）因?yàn)楣ぞ呖鞊Q裝置機(jī)器人鎖緊工具側(cè)，伴隨機(jī)器人以一定加速度移動(dòng)時(shí)，加上執(zhí)行工具的偏心、自身重力，會(huì)形成很大的力矩。如果抗力矩能力差，機(jī)器人側(cè)和工具側(cè)之間會(huì)形成張角，造成總線信號(hào)中斷、漏水/氣，嚴(yán)重的會(huì)造成工具脫落，在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)考慮工具快速更換裝置的抗力矩能力；

（4）在機(jī)器人工具快速更換裝置鎖緊和松開時(shí)需要切換機(jī)制為其提供動(dòng)力源，工業(yè)中氣動(dòng)切換切換應(yīng)用較多。在特殊環(huán)境中，電磁式切換及液壓式切換也有應(yīng)用。切換機(jī)制的選擇應(yīng)在滿足作業(yè)能力前提下，根據(jù)經(jīng)濟(jì)性、快速性、環(huán)境限制和工作壽命等方面綜合選擇。

3　快速更換裝置的工作原理

如圖1所示，當(dāng)主盤靠近工具盤時(shí)，切換控制接頭10里的壓縮空氣按照?qǐng)D示方向進(jìn)入固定側(cè)氣缸內(nèi)， 并推動(dòng)活塞16向交換側(cè)體11方向運(yùn)動(dòng)，這時(shí)活塞16會(huì)推動(dòng)鎖緊鋼珠23，鎖緊鋼珠23在連接支架17的限位孔里被推出，同時(shí)滾動(dòng)到交換側(cè)體11對(duì)應(yīng)凹槽里，與此同時(shí)有對(duì)應(yīng)數(shù)量的撥出鋼珠24退到活塞16的預(yù)留凹槽里。隨著活塞16的前進(jìn)交換側(cè)體11會(huì)被禁錮到固定側(cè)1上。這時(shí)交換側(cè)體11的凹槽與鎖緊鋼珠23的定位加上外部導(dǎo)柱7與導(dǎo)套12的定位實(shí)現(xiàn)整個(gè)工具的精準(zhǔn)定位。同時(shí)個(gè)固定側(cè)D-SUB插頭6與交換側(cè)D-SUB插座13連接實(shí)現(xiàn)信號(hào)的一次性接通。

如圖2所示，切換控制接頭10里的壓縮空氣進(jìn)入固定側(cè)體5氣缸內(nèi)，壓縮空氣推動(dòng)活塞16后退，同時(shí)活塞會(huì)撥動(dòng)鋼珠24，鋼珠24撥動(dòng)交換側(cè)體11，使交換側(cè)2彈離固定側(cè)1，鎖緊鋼珠23隨著活塞16的運(yùn)動(dòng)到活塞16斜面上避開交換側(cè)，這時(shí)交換側(cè)2可以輕松脫離固定側(cè)1，同時(shí)固定側(cè)D-SUB插座13成功分離實(shí)現(xiàn)信號(hào)的一次性斷開。

4　結(jié)束語

機(jī)器人工具快速更換裝置的應(yīng)用，擴(kuò)大了機(jī)器人手爪的應(yīng)用范圍，降低了工人使用傳統(tǒng)方法更換工具的時(shí)間及危險(xiǎn)性，提高了機(jī)器人的工作效率，降低了機(jī)器人的成本，而且保證了工作的穩(wěn)定性，具有廣泛推廣應(yīng)用的價(jià)值。

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DOI:10.16640/j.cnki.37-1222/t.2016.03.196