机器人工具快速更换装置的研究

2016-04-21周锦华史晓平安建飞内蒙古工业大学机械学院呼和浩特010051

山东工业技术 2016年3期

周锦华,史晓平,安建飞（内蒙古工业大学机械学院,呼和浩特　010051）

机器人工具快速更换装置的研究

周锦华,史晓平,安建飞
（内蒙古工业大学机械学院,呼和浩特010051）

摘要：介绍了能有效提高机械手作业能力且实现机械手与工具的快速更换的关键部件—工具快速更换装置的关键技术及工作工作原理。通过工具快速更换装置，能够使机器人执行多项作业，实现机器人的功能多元化，缩短作业准备时间，有助于进一步提高工作效率，减轻工人的劳动伤害及疲劳程度。

关键词：机器人；工具；快速更换装置

机器人工具快换装置通过使机器人自动更换不同的末端执行器，这使机器人的应用更具柔性。这种装置被广泛应用于自动点焊、弧焊、材料抓举、冲压、检测、卷边、装配、材料去除、毛刺清理、包装等操作，具有生产线更换快速、有效降低停工时间等多种优势。

1　国内外研究现状

1989年，美国ATI公司开始研制机器人末端执行器，使机器人的生产率显著提高。ATI自动化公司所研制的型号为QC-20的机器人工具快换装置。QC-20由一个主盘和一个工具盘组成，当带有主盘的机器人手臂对准工具盘时，锁紧端口内流过压缩空气并推动主盘中的滚珠，滚珠被精确的推进锁环并被紧锁，解锁时在解锁端口供给空气压力时滚珠松开。

日本专利昭58-137593的工具快速更换装置。这种装置使机械手和安装在机器人手腕上的非圆形轴通过拔销连接，通过设在手爪库上的凸轮面拉出拔销，由外套上的弹簧压入拔销来实现机械手的自动更换，但是这种装置存在连接刚度差的问题。

哈尔滨工程大学研制的一种用于水下作业机器人的更换装置。这种工具快速更换装置体积和重量大，驱动方式是液压驱动，而且不能传递信号，这使它的应用受到很大的限制。但是在实际应用中由于作业内容、作业对象、作业方式等各方面的制约，要求机器人工具快速更换装置结构简单、经济性好、连接刚度好、体积小、操作简单、重量轻、更换迅速。

2　快速更换装置的关键技术

利用机器人工具快速更换装置是一种涉及多种技术应用的复杂系统，设计机器人工具快速更换装置系统方案要综合考虑各种因素和关键技术，确保机器人工具快速更换装置系统能够迅速、安全、准确地完成更换工作。机器人工具快速更换装置面临的关键技术主要包括一下几个方面：

（1）由于在机器人作业环境下，对机器人的作业质量以及控制精度要求高，在更换装置过程中必须要保证安全可靠，不允许更换装置掉落、碰撞等安全问题。因此要求锁紧装置在锁紧压力瞬间丢失的情况下，也能使机器人侧与工具侧保持锁紧状态。并且要具有足够大的锁紧力和牢固性以保证末端操作器的正常作业。锁紧机制在目前主要分为钢球式锁紧、凸轮式锁紧、卡盘式锁紧、活塞插销式锁紧和膨胀式锁紧等。为了能实现其预定的功能，需根据不同的作业环境、载荷做出相应的设计；

（2）工具快速更换装置要具有极高的重复精度，稳定性要可靠；

（3）因为工具快换装置机器人锁紧工具侧，伴随机器人以一定加速度移动时，加上执行工具的偏心、自身重力，会形成很大的力矩。如果抗力矩能力差，机器人侧和工具侧之间会形成张角，造成总线信号中断、漏水/气，严重的会造成工具脱落，在设计时应考虑工具快速更换装置的抗力矩能力；

（4）在机器人工具快速更换装置锁紧和松开时需要切换机制为其提供动力源，工业中气动切换切换应用较多。在特殊环境中，电磁式切换及液压式切换也有应用。切换机制的选择应在满足作业能力前提下，根据经济性、快速性、环境限制和工作寿命等方面综合选择。

3　快速更换装置的工作原理

如图1所示，当主盘靠近工具盘时，切换控制接头10里的压缩空气按照图示方向进入固定侧气缸内，并推动活塞16向交换侧体11方向运动，这时活塞16会推动锁紧钢珠23，锁紧钢珠23在连接支架17的限位孔里被推出，同时滚动到交换侧体11对应凹槽里，与此同时有对应数量的拨出钢珠24退到活塞16的预留凹槽里。随着活塞16的前进交换侧体11会被禁锢到固定侧1上。这时交换侧体11的凹槽与锁紧钢珠23的定位加上外部导柱7与导套12的定位实现整个工具的精准定位。同时个固定侧D-SUB插头6与交换侧D-SUB插座13连接实现信号的一次性接通。

如图2所示，切换控制接头10里的压缩空气进入固定侧体5气缸内，压缩空气推动活塞16后退，同时活塞会拨动钢珠24，钢珠24拨动交换侧体11，使交换侧2弹离固定侧1，锁紧钢珠23随着活塞16的运动到活塞16斜面上避开交换侧，这时交换侧2可以轻松脱离固定侧1，同时固定侧D-SUB插座13成功分离实现信号的一次性断开。