崔 航，伍希志，鄧旻涯

（1.東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.中南林業(yè)科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

家具打磨機(jī)器人末端執(zhí)行器全自動(dòng)快換裝置研究

崔 航1，伍希志2，鄧旻涯2

（1.東北林業(yè)大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，黑龍江 哈爾濱 150040；2.中南林業(yè)科技大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南 長(zhǎng)沙 410004）

隨著“中國(guó)制造2025”和智能制造的大力推進(jìn)，越來(lái)越多家具企業(yè)開(kāi)始采用機(jī)器人進(jìn)行打磨。提供一種機(jī)器人末端執(zhí)行器的全自動(dòng)快換裝置，首先根據(jù)快換裝置的使用要求和關(guān)鍵性能，進(jìn)行快換裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；然后采用有限元仿真對(duì)快換結(jié)構(gòu)的兩個(gè)典型工況進(jìn)行強(qiáng)度校核，結(jié)果表明最大Mises應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料許用應(yīng)力，符合強(qiáng)度要求。該快換裝置無(wú)需額外動(dòng)力進(jìn)行裝配，且具有一定彈性，使機(jī)器人打磨家具時(shí)能更好地貼合打磨表面，提高打磨效果。

打磨；機(jī)器人；自動(dòng)快換；有限元；末端執(zhí)行器

木質(zhì)家具表面的美觀性在很大程度上取決于打磨質(zhì)量的好壞，家具廠商對(duì)家具涂裝前的打磨非常重視。不論是實(shí)木家具企業(yè)還是板式家具企業(yè)，工作量最多、人員最集中的就是打磨車(chē)間，將打磨稱之為人海戰(zhàn)術(shù)不為過(guò)。由于打磨工作環(huán)境惡劣、容易發(fā)生事故風(fēng)險(xiǎn)，并且打磨產(chǎn)生的粉塵還有可能影響工人的身體健康，因此伴隨著“中國(guó)制造2025”戰(zhàn)略實(shí)施和智能制造的大力推進(jìn)，越來(lái)越多的家具企業(yè)開(kāi)始采用機(jī)器人代替人工進(jìn)行打磨[1-2]。

為了獲得良好的涂裝效果，在家具打磨過(guò)程中，需要選用若干粗細(xì)不同的砂紙，因而機(jī)器人打磨時(shí)需要不斷更換打磨工具。如果使用手動(dòng)更換打磨工具，不僅需要占用大量人力，而且機(jī)器人需要停機(jī)等待，極大地降低了機(jī)器人打磨效率。與手動(dòng)更換相比，全自動(dòng)快換系統(tǒng)依靠自身手臂自動(dòng)更換打磨工具，不僅節(jié)約了用人成本、提高機(jī)器人打磨效率，而且提高了操作的安全性[3-4]。

國(guó)外在機(jī)器人工具快換裝置技術(shù)方面比較先進(jìn)，生產(chǎn)的機(jī)器人工具快換裝置具有各自的特點(diǎn)，起步早，專業(yè)化程度高，但價(jià)格昂貴，技術(shù)不對(duì)外[5-6]。美國(guó)DE-STA-CO公司生產(chǎn)的自動(dòng)快換裝置能夠提供出色的重量負(fù)載比，QC系列可以集成I/O模塊和空氣連接模塊，允許連接間隙2.5 mm，且當(dāng)氣壓供給失敗時(shí)能夠防止墜落[7]。美國(guó)ATI是機(jī)器人工具快換裝置的知名制造商，其生產(chǎn)的型號(hào)QC-20由一個(gè)主盤(pán)和一個(gè)工具盤(pán)組成，空氣流過(guò)鎖緊端口并推動(dòng)主盤(pán)中的滾珠，滾珠被精確地推進(jìn)鎖緊環(huán)并被鎖住，直到解鎖端口有空氣壓力供給時(shí)，滾珠才被松開(kāi)[8]。國(guó)內(nèi)研發(fā)了快換裝置的較少，且大多數(shù)產(chǎn)品都存在質(zhì)量差、可靠性較低等缺點(diǎn)[9-11]。

由上述可見(jiàn)，氣動(dòng)式是機(jī)器人自動(dòng)快換飛最常用驅(qū)動(dòng)方式。氣動(dòng)式快換裝置具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，但同時(shí)也存在以下缺點(diǎn)：（1）空氣具有可壓縮性，工作穩(wěn)定性較差；（2）工作壓力低（一般為0.3～1 MPa），結(jié)構(gòu)尺寸不易過(guò)大，總輸出力不宜過(guò)大；（3）噪聲較大，在高速排氣時(shí)要加消聲器；（4）需要提供氣源，安裝配套成本較高。因此，針對(duì)家具打磨機(jī)器人末端執(zhí)行器更換，本研究提供一種機(jī)器人自裝配的自動(dòng)快換工具，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人末端打磨工具全自動(dòng)更換。

1 自動(dòng)快換裝置設(shè)計(jì)

1.1 快換裝置的構(gòu)成

機(jī)器人快換裝置可以使機(jī)器人更換不同的末端執(zhí)行器，且能夠讓不同的介質(zhì)（例如氣體、電信號(hào)、液體等）從機(jī)器人手臂連通到末端執(zhí)行器，從而增加機(jī)器人打磨家具的柔性。機(jī)器人快換裝置示意如圖1所示，通常包括與機(jī)器人手臂連接的主動(dòng)盤(pán)、與末端執(zhí)行器連接的工具盤(pán)、機(jī)械臂適應(yīng)盤(pán)、工具適應(yīng)盤(pán)及其他輔助部件。

機(jī)器人快換裝置連接機(jī)器人手臂與末端執(zhí)行器，設(shè)計(jì)時(shí)需要考慮以下關(guān)鍵性能：

圖1 機(jī)器人快換裝置Fig.1 Robot quick changer

（1）抗力矩能力。因?yàn)闄C(jī)器人快換裝置連接機(jī)器人手臂與末端執(zhí)行器，伴隨機(jī)器人以一定加速度移動(dòng)時(shí)，由于執(zhí)行器的偏心、自身重力，會(huì)形成很大的力矩；如果快換裝置抗力矩能力差，機(jī)器人末端手臂和末端執(zhí)行器之間會(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。

（2）本體重量。如果快換裝置重量過(guò)大，一方面會(huì)減小機(jī)器人的負(fù)載能力，另一方面會(huì)影響末端執(zhí)行器的定位精度。

（3）精度和可靠性。快換裝置需要準(zhǔn)確定位和鎖緊，定位不準(zhǔn)可能造成自身結(jié)構(gòu)損壞，且快換裝置需要重復(fù)進(jìn)行鎖緊和解鎖。

（4）失電保護(hù)功能?？鞊Q裝置需要在失電情況下，防止末端執(zhí)行器從機(jī)器人手臂上墜落。

1.2 自動(dòng)快換裝置設(shè)計(jì)

根據(jù)快換裝置的使用要求和關(guān)鍵性能，快換裝置不僅要準(zhǔn)確定位和鎖緊、提供足夠抗力矩能力，而且還要可靠地傳遞介質(zhì)?？鞊Q整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括機(jī)器人端主盤(pán)1、工具盤(pán)2、轉(zhuǎn)接板3、彈簧4。機(jī)器人端主盤(pán)如圖3所示，固定在手臂末端，中間是定位孔，用于與工具盤(pán)定位，圓周上均勻分布4個(gè)凸臺(tái)，用于與工具盤(pán)的軸向和周向限位。工具盤(pán)結(jié)構(gòu)如圖4所示，內(nèi)圓周上均勻分布4個(gè)凸臺(tái)，每個(gè)凸臺(tái)中間都有一個(gè)卡槽，用于與主盤(pán)凸臺(tái)配合進(jìn)行限位，限制主盤(pán)與工具盤(pán)的軸向移動(dòng)和軸向旋轉(zhuǎn)；工具盤(pán)中間有定位軸，定位軸上部是導(dǎo)向圓錐體，下部是圓柱體，與主盤(pán)的定位孔配合進(jìn)行定位，用于限制主盤(pán)與工具盤(pán)的平面方向的移動(dòng)，打磨工具安裝在工具盤(pán)下端。轉(zhuǎn)接板3可以繞定位軸旋轉(zhuǎn)，并可以在工具盤(pán)內(nèi)上下移動(dòng)，用于主盤(pán)與工具盤(pán)的介質(zhì)傳遞。彈簧4既可為快換提供預(yù)緊力，又給快換帶來(lái)彈性，使機(jī)器人打磨家具時(shí)能更好地貼合打磨表面，提高打磨效果，彈簧在卡槽內(nèi)彈性變形力應(yīng)大于打磨壓力。

圖2 快換整體結(jié)構(gòu)Fig.2 The whole structure of quick changer

圖4 工具盤(pán)結(jié)構(gòu)Fig.4 Tool disk structure

1.3 自動(dòng)更換過(guò)程

機(jī)器人打磨工具自動(dòng)更換過(guò)程如下：第一步，機(jī)器手臂帶動(dòng)主盤(pán)移動(dòng)到工具盤(pán)正上方，通過(guò)定位軸導(dǎo)向和定位作用，主盤(pán)只可相對(duì)工具盤(pán)上下移動(dòng)和軸向旋轉(zhuǎn)，再向下運(yùn)動(dòng)主盤(pán)凸臺(tái)卡入轉(zhuǎn)接板卡槽，并向下壓縮轉(zhuǎn)接板，使轉(zhuǎn)接板運(yùn)動(dòng)到最低極限位置，主盤(pán)下表面與工具盤(pán)上表面接觸。第二步，機(jī)器手臂帶動(dòng)主盤(pán)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，使主盤(pán)凸臺(tái)位于工具盤(pán)卡槽的正下方。第三步，機(jī)器手臂帶動(dòng)主盤(pán)向上移動(dòng)，由于彈簧壓縮力和夾具自重的作用下，主盤(pán)凸臺(tái)卡入工具盤(pán)卡槽內(nèi)。由于工具盤(pán)定位軸與定位孔接觸、主盤(pán)凸臺(tái)與工具盤(pán)卡槽3個(gè)表面的接觸及彈簧壓縮力，使得主盤(pán)與工具盤(pán)5個(gè)自由度完全固定、軸向可微小距離彈性移動(dòng)，這樣既保證了快換裝置連接的可靠性，又使其具有一定彈性。第四步，任務(wù)完成后，快換卸載過(guò)程如下，機(jī)器手臂帶動(dòng)主盤(pán)向下壓縮轉(zhuǎn)接板和彈簧到最下極限位置，然后順時(shí)針旋轉(zhuǎn)，使主盤(pán)旋轉(zhuǎn)到達(dá)極限位置，再垂直向上移動(dòng)機(jī)器手臂，執(zhí)行更換下一個(gè)打磨工具。

2 典型工況結(jié)構(gòu)仿真

根據(jù)機(jī)器人打磨家具工作情況，可將其分為空載和打磨家具兩種典型工況。機(jī)器人空載工況時(shí)，主要承受打磨工具、快換裝置等的自重力和慣性力，對(duì)于快換結(jié)構(gòu)，該工況下比較危險(xiǎn)的受力是垂直向下的自重力和慣性力。機(jī)器人打磨家具時(shí)，承受自重力、慣性力、向上的支撐力、打磨產(chǎn)生的扭矩等，對(duì)于快換結(jié)構(gòu)，此時(shí)向上的支撐力雖然較大，但在豎直方向上的承載截面也較大，快換承受的應(yīng)力較小，其打磨產(chǎn)生的扭矩主要由4個(gè)凸臺(tái)承受，快換結(jié)構(gòu)的應(yīng)力可能更大。因此，本研究主要分析快換結(jié)構(gòu)空載工況和打磨工況，空載工況主要考慮垂直向下的自重力和慣性力，打磨工況主要考慮打磨產(chǎn)生的扭矩。

快換結(jié)構(gòu)材料是鋁合金，彈性模量為6.8×104MPa，泊松比為0.33，許用應(yīng)力195 MPa。假定空載工況主盤(pán)固定，工具盤(pán)承受垂直向下載荷400 N，快換主要承載結(jié)構(gòu)的Mises應(yīng)力如圖5所示。主盤(pán)整體應(yīng)力比較小，凸臺(tái)連接處應(yīng)力比較大，最大應(yīng)力20.69 MPa，位于凸臺(tái)連接邊角處；工具盤(pán)整體應(yīng)力比較小，卡槽連接處應(yīng)力比較大，最大應(yīng)力18.25 MPa，位于卡槽內(nèi)緣邊角處?？鞊Q結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)安全。

圖5 空載工況快換結(jié)構(gòu)的Mises應(yīng)力Fig.5 The Mises stress of quick changer at no load conditions

假定打磨工況主盤(pán)固定，工具盤(pán)承受軸向扭矩30 N·m，快換主要承載結(jié)構(gòu)的Mises應(yīng)力如圖6所示。主盤(pán)整體應(yīng)力比較小，凸臺(tái)連接處應(yīng)力比較大，最大應(yīng)力59.61 MPa，位于凸臺(tái)與卡槽接觸面的連接邊角處；工具盤(pán)整體應(yīng)力比較小，卡槽連接處應(yīng)力比較大，最大應(yīng)力44.68 MPa，位于卡槽與凸臺(tái)接觸面的邊角處?？鞊Q結(jié)構(gòu)最大應(yīng)力遠(yuǎn)小于許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)安全。

圖6 打磨工況快換結(jié)構(gòu)的Mises應(yīng)力Fig.6 The Mises stress of quick changer at grinding conditions

3 結(jié)論與討論

本研究提供一種機(jī)器人打磨家具的全自動(dòng)彈性快換裝置。與傳統(tǒng)的氣動(dòng)剛性快換裝置相比，不僅無(wú)需提供外部動(dòng)力源，而且自身具有一定彈性，使機(jī)器人打磨家具時(shí)能更好地貼合打磨表面，提高打磨效果。本研究首先根據(jù)快換裝置的使用要求和關(guān)鍵性能，詳細(xì)介紹了彈性全自動(dòng)快換裝置的結(jié)構(gòu)和使用過(guò)程；然后采用有限元仿真對(duì)兩個(gè)典型工況進(jìn)行了強(qiáng)度校核，結(jié)果表明最大Mises應(yīng)力遠(yuǎn)小于材料許用應(yīng)力，結(jié)構(gòu)安全。

在家具打磨過(guò)程中，快換裝置可以使一臺(tái)機(jī)器人更換多種粗細(xì)不同的打磨工具，增加機(jī)器人的生產(chǎn)柔性。按照動(dòng)力方式不同，常見(jiàn)的快換裝置可分為手動(dòng)式、氣動(dòng)式、電動(dòng)式等。手動(dòng)式快換需要人力配合完成主盤(pán)與工具盤(pán)的連接，不適合全自動(dòng)化生產(chǎn)；氣動(dòng)式是最常用的驅(qū)動(dòng)方式，具有設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單、價(jià)格便宜等優(yōu)點(diǎn)，但需要提供氣源和噪聲較大；電動(dòng)式采用小型直流電動(dòng)和齒輪傳動(dòng)，成本較高、故障較多；這些快換裝置通常都是將主盤(pán)與工具盤(pán)剛性連接。針對(duì)機(jī)器人家具打磨，為了使打磨工具更好地貼合打磨表面，提高打磨效果，希望快換裝置具有一定的彈性，因此本研究的彈性快換裝置適合機(jī)器人家具打磨的工具更換。本研究采用理論和仿真方法驗(yàn)證了快換裝置設(shè)計(jì)方案，后續(xù)可按照設(shè)計(jì)方案加工產(chǎn)品，驗(yàn)證快換裝置的可靠性，并進(jìn)一步提升產(chǎn)品性能。

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Research on automatic quick changer of end actuator for furniture grinding robot

CUI Hang1, WU Xizhi2, DENG Minya2
(1. Northeast Forestry University, College of Mechanical and Electrical Engineering, Harbin 150040, Heilongjiang, China;2.College of Materials Science and Engineering, Central South University of Forestry and Technology, Changsha 410004, Hunan, China)

With the “Made in China 2025” and intelligent manufacturing vigorously promoting, more and more furniture companies began to use robots to polish. This paper presents a fully automatic quick-change device for the robot end actuator. Firstly, according to the requirements and key performance of the quick-change device, the structure design of the quick-change device is carried out. Then,strength test of the quick-change structure are carried out at two typical cases by fi nite element simulation. The results show that the maximum Mises stress is much smaller than the material allowable stress, consistent with the strength requirements. The quick-change device without additional power for assembly has a certain fl exibility, so that it could be better fi t the polished surface and improve the grinding effect at grinding furniture.

polish; robot; automatic quick changer; fi nite element; end actuator

10.14067/j.cnki.1673-923x.2017.12.025

http: //qks.csuft.edu.cn

S781.61；TP242；V245.1

A

1673-923X(2017)12-0159-04

2017-08-31

國(guó)家“863”計(jì)劃項(xiàng)目（2013AA040203）；國(guó)家自然科學(xué)基金青年基金資助項(xiàng)目（51305045）

崔 航，研究方向：機(jī)械電子工程

伍希志，博士，講師；E-mail：wuxizhi2006@126.com

崔 航，伍希志，鄧旻涯.家具打磨機(jī)器人末端執(zhí)行器全自動(dòng)快換裝置研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2017, 37(12):159-162.

[本文編校：文鳳鳴]