機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)大學機械學院,呼和浩特　010051）

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機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)大學機械學院,呼和浩特010051）

摘 要：介紹了能有效提高機械手作業(yè)能力且實現(xiàn)機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，能夠使機器人執(zhí)行多項作業(yè)，實現(xiàn)機器人的功能多元化，縮短作業(yè)準備時間，有助于進一步提高工作效率，減輕工人的勞動傷害及疲勞程度。

關(guān)鍵詞：機器人；工具；快速更換裝置

機器人工具快換裝置通過使機器人自動更換不同的末端執(zhí)行器，這使機器人的應用更具柔性。這種裝置被廣泛應用于自動點焊、弧焊、材料抓舉、沖壓、檢測、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、有效降低停工時間等多種優(yōu)勢。

1　國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

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

日本專利昭58-137593的工具快速更換裝置。這種裝置使機械手和安裝在機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現(xiàn)機械手的自動更換，但是這種裝置存在連接剛度差的問題。

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

2　快速更換裝置的關(guān)鍵技術(shù)

利用機器人工具快速更換裝置是一種涉及多種技術(shù)應用的復雜系統(tǒng)，設(shè)計機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)，確保機器人工具快速更換裝置系統(tǒng)能夠迅速、安全、準確地完成更換工作。機器人工具快速更換裝置面臨的關(guān)鍵技術(shù)主要包括一下幾個方面：

（1）由于在機器人作業(yè)環(huán)境下，對機器人的作業(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。為了能實現(xiàn)其預定的功能，需根據(jù)不同的作業(yè)環(huán)境、載荷做出相應的設(shè)計；

（2）工具快速更換裝置要具有極高的重復精度，穩(wěn)定性要可靠；

（3）因為工具快換裝置機器人鎖緊工具側(cè)，伴隨機器人以一定加速度移動時，加上執(zhí)行工具的偏心、自身重力，會形成很大的力矩。如果抗力矩能力差，機器人側(cè)和工具側(cè)之間會形成張角，造成總線信號中斷、漏水/氣，嚴重的會造成工具脫落，在設(shè)計時應考慮工具快速更換裝置的抗力矩能力；

（4）在機器人工具快速更換裝置鎖緊和松開時需要切換機制為其提供動力源，工業(yè)中氣動切換切換應用較多。在特殊環(huán)境中，電磁式切換及液壓式切換也有應用。切換機制的選擇應在滿足作業(yè)能力前提下，根據(jù)經(jīng)濟性、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，當主盤靠近工具盤時，切換控制接頭10里的壓縮空氣按照圖示方向進入固定側(cè)氣缸內(nèi)， 并推動活塞16向交換側(cè)體11方向運動，這時活塞16會推動鎖緊鋼珠23，鎖緊鋼珠23在連接支架17的限位孔里被推出，同時滾動到交換側(cè)體11對應凹槽里，與此同時有對應數(shù)量的撥出鋼珠24退到活塞16的預留凹槽里。隨著活塞16的前進交換側(cè)體11會被禁錮到固定側(cè)1上。這時交換側(cè)體11的凹槽與鎖緊鋼珠23的定位加上外部導柱7與導套12的定位實現(xiàn)整個工具的精準定位。同時個固定側(cè)D-SUB插頭6與交換側(cè)D-SUB插座13連接實現(xiàn)信號的一次性接通。

如圖2所示，切換控制接頭10里的壓縮空氣進入固定側(cè)體5氣缸內(nèi)，壓縮空氣推動活塞16后退，同時活塞會撥動鋼珠24，鋼珠24撥動交換側(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的運動到活塞16斜面上避開交換側(cè)，這時交換側(cè)2可以輕松脫離固定側(cè)1，同時固定側(cè)D-SUB插座13成功分離實現(xiàn)信號的一次性斷開。

4　結(jié)束語

機器人工具快速更換裝置的應用，擴大了機器人手爪的應用范圍，降低了工人使用傳統(tǒng)方法更換工具的時間及危險性，提高了機器人的工作效率，降低了機器人的成本，而且保證了工作的穩(wěn)定性，具有廣泛推廣應用的價值。

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