家具打磨机器人末端执行器全自动快换装置研究

崔 航，伍希志，邓旻涯

（1.东北林业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040；2.中南林业科技大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004）

家具打磨机器人末端执行器全自动快换装置研究

崔 航1，伍希志2，邓旻涯2

（1.东北林业大学 机电工程学院，黑龙江 哈尔滨 150040；2.中南林业科技大学 材料科学与工程学院，湖南 长沙 410004）

随着“中国制造2025”和智能制造的大力推进，越来越多家具企业开始采用机器人进行打磨。提供一种机器人末端执行器的全自动快换装置，首先根据快换装置的使用要求和关键性能，进行快换装置结构设计；然后采用有限元仿真对快换结构的两个典型工况进行强度校核，结果表明最大Mises应力远小于材料许用应力，符合强度要求。该快换装置无需额外动力进行装配，且具有一定弹性，使机器人打磨家具时能更好地贴合打磨表面，提高打磨效果。

打磨；机器人；自动快换；有限元；末端执行器

木质家具表面的美观性在很大程度上取决于打磨质量的好坏，家具厂商对家具涂装前的打磨非常重视。不论是实木家具企业还是板式家具企业，工作量最多、人员最集中的就是打磨车间，将打磨称之为人海战术不为过。由于打磨工作环境恶劣、容易发生事故风险，并且打磨产生的粉尘还有可能影响工人的身体健康，因此伴随着“中国制造2025”战略实施和智能制造的大力推进，越来越多的家具企业开始采用机器人代替人工进行打磨[1-2]。

为了获得良好的涂装效果，在家具打磨过程中，需要选用若干粗细不同的砂纸，因而机器人打磨时需要不断更换打磨工具。如果使用手动更换打磨工具，不仅需要占用大量人力，而且机器人需要停机等待，极大地降低了机器人打磨效率。与手动更换相比，全自动快换系统依靠自身手臂自动更换打磨工具，不仅节约了用人成本、提高机器人打磨效率，而且提高了操作的安全性[3-4]。

国外在机器人工具快换装置技术方面比较先进，生产的机器人工具快换装置具有各自的特点，起步早，专业化程度高，但价格昂贵，技术不对外[5-6]。美国DE-STA-CO公司生产的自动快换装置能够提供出色的重量负载比，QC系列可以集成I/O模块和空气连接模块，允许连接间隙2.5 mm，且当气压供给失败时能够防止坠落[7]。美国ATI是机器人工具快换装置的知名制造商，其生产的型号QC-20由一个主盘和一个工具盘组成，空气流过锁紧端口并推动主盘中的滚珠，滚珠被精确地推进锁紧环并被锁住，直到解锁端口有空气压力供给时，滚珠才被松开[8]。国内研发了快换装置的较少，且大多数产品都存在质量差、可靠性较低等缺点[9-11]。

由上述可见，气动式是机器人自动快换飞最常用驱动方式。气动式快换装置具有设计简单、价格便宜等优点，但同时也存在以下缺点：（1）空气具有可压缩性，工作稳定性较差；（2）工作压力低（一般为0.3～1 MPa），结构尺寸不易过大，总输出力不宜过大；（3）噪声较大，在高速排气时要加消声器；（4）需要提供气源，安装配套成本较高。因此，针对家具打磨机器人末端执行器更换，本研究提供一种机器人自装配的自动快换工具，实现机器人末端打磨工具全自动更换。

1 自动快换装置设计

1.1 快换装置的构成

机器人快换装置可以使机器人更换不同的末端执行器，且能够让不同的介质（例如气体、电信号、液体等）从机器人手臂连通到末端执行器，从而增加机器人打磨家具的柔性。机器人快换装置示意如图1所示，通常包括与机器人手臂连接的主动盘、与末端执行器连接的工具盘、机械臂适应盘、工具适应盘及其他辅助部件。

机器人快换装置连接机器人手臂与末端执行器，设计时需要考虑以下关键性能：

图1 机器人快换装置Fig.1 Robot quick changer

（1）抗力矩能力。因为机器人快换装置连接机器人手臂与末端执行器，伴随机器人以一定加速度移动时，由于执行器的偏心、自身重力，会形成很大的力矩；如果快换装置抗力矩能力差，机器人末端手臂和末端执行器之间会形成张角，造成总线信号中断、漏水/气，严重的会造成工具脱落。

（2）本体重量。如果快换装置重量过大，一方面会减小机器人的负载能力，另一方面会影响末端执行器的定位精度。

（3）精度和可靠性。快换装置需要准确定位和锁紧，定位不准可能造成自身结构损坏，且快换装置需要重复进行锁紧和解锁。

（4）失电保护功能。快换装置需要在失电情况下，防止末端执行器从机器人手臂上坠落。

1.2 自动快换装置设计

根据快换装置的使用要求和关键性能，快换装置不仅要准确定位和锁紧、提供足够抗力矩能力，而且还要可靠地传递介质。快换整体结构如图2所示，包括机器人端主盘1、工具盘2、转接板3、弹簧4。机器人端主盘如图3所示，固定在手臂末端，中间是定位孔，用于与工具盘定位，圆周上均匀分布4个凸台，用于与工具盘的轴向和周向限位。工具盘结构如图4所示，内圆周上均匀分布4个凸台，每个凸台中间都有一个卡槽，用于与主盘凸台配合进行限位，限制主盘与工具盘的轴向移动和轴向旋转；工具盘中间有定位轴，定位轴上部是导向圆锥体，下部是圆柱体，与主盘的定位孔配合进行定位，用于限制主盘与工具盘的平面方向的移动，打磨工具安装在工具盘下端。转接板3可以绕定位轴旋转，并可以在工具盘内上下移动，用于主盘与工具盘的介质传递。弹簧4既可为快换提供预紧力，又给快换带来弹性，使机器人打磨家具时能更好地贴合打磨表面，提高打磨效果，弹簧在卡槽内弹性变形力应大于打磨压力。

图2 快换整体结构Fig.2 The whole structure of quick changer

图4 工具盘结构Fig.4 Tool disk structure

1.3 自动更换过程

机器人打磨工具自动更换过程如下：第一步，机器手臂带动主盘移动到工具盘正上方，通过定位轴导向和定位作用，主盘只可相对工具盘上下移动和轴向旋转，再向下运动主盘凸台卡入转接板卡槽，并向下压缩转接板，使转接板运动到最低极限位置，主盘下表面与工具盘上表面接触。第二步，机器手臂带动主盘逆时针旋转，使主盘凸台位于工具盘卡槽的正下方。第三步，机器手臂带动主盘向上移动，由于弹簧压缩力和夹具自重的作用下，主盘凸台卡入工具盘卡槽内。由于工具盘定位轴与定位孔接触、主盘凸台与工具盘卡槽3个表面的接触及弹簧压缩力，使得主盘与工具盘5个自由度完全固定、轴向可微小距离弹性移动，这样既保证了快换装置连接的可靠性，又使其具有一定弹性。第四步，任务完成后，快换卸载过程如下，机器手臂带动主盘向下压缩转接板和弹簧到最下极限位置，然后顺时针旋转，使主盘旋转到达极限位置，再垂直向上移动机器手臂，执行更换下一个打磨工具。

2 典型工况结构仿真

根据机器人打磨家具工作情况，可将其分为空载和打磨家具两种典型工况。机器人空载工况时，主要承受打磨工具、快换装置等的自重力和惯性力，对于快换结构，该工况下比较危险的受力是垂直向下的自重力和惯性力。机器人打磨家具时，承受自重力、惯性力、向上的支撑力、打磨产生的扭矩等，对于快换结构，此时向上的支撑力虽然较大，但在竖直方向上的承载截面也较大，快换承受的应力较小，其打磨产生的扭矩主要由4个凸台承受，快换结构的应力可能更大。因此，本研究主要分析快换结构空载工况和打磨工况，空载工况主要考虑垂直向下的自重力和惯性力，打磨工况主要考虑打磨产生的扭矩。

快换结构材料是铝合金，弹性模量为6.8×104MPa，泊松比为0.33，许用应力195 MPa。假定空载工况主盘固定，工具盘承受垂直向下载荷400 N，快换主要承载结构的Mises应力如图5所示。主盘整体应力比较小，凸台连接处应力比较大，最大应力20.69 MPa，位于凸台连接边角处；工具盘整体应力比较小，卡槽连接处应力比较大，最大应力18.25 MPa，位于卡槽内缘边角处。快换结构最大应力远小于许用应力，结构安全。

图5 空载工况快换结构的Mises应力Fig.5 The Mises stress of quick changer at no load conditions

假定打磨工况主盘固定，工具盘承受轴向扭矩30 N·m，快换主要承载结构的Mises应力如图6所示。主盘整体应力比较小，凸台连接处应力比较大，最大应力59.61 MPa，位于凸台与卡槽接触面的连接边角处；工具盘整体应力比较小，卡槽连接处应力比较大，最大应力44.68 MPa，位于卡槽与凸台接触面的边角处。快换结构最大应力远小于许用应力，结构安全。

图6 打磨工况快换结构的Mises应力Fig.6 The Mises stress of quick changer at grinding conditions

3 结论与讨论

本研究提供一种机器人打磨家具的全自动弹性快换装置。与传统的气动刚性快换装置相比，不仅无需提供外部动力源，而且自身具有一定弹性，使机器人打磨家具时能更好地贴合打磨表面，提高打磨效果。本研究首先根据快换装置的使用要求和关键性能，详细介绍了弹性全自动快换装置的结构和使用过程；然后采用有限元仿真对两个典型工况进行了强度校核，结果表明最大Mises应力远小于材料许用应力，结构安全。

在家具打磨过程中，快换装置可以使一台机器人更换多种粗细不同的打磨工具，增加机器人的生产柔性。按照动力方式不同，常见的快换装置可分为手动式、气动式、电动式等。手动式快换需要人力配合完成主盘与工具盘的连接，不适合全自动化生产；气动式是最常用的驱动方式，具有设计简单、价格便宜等优点，但需要提供气源和噪声较大；电动式采用小型直流电动和齿轮传动，成本较高、故障较多；这些快换装置通常都是将主盘与工具盘刚性连接。针对机器人家具打磨，为了使打磨工具更好地贴合打磨表面，提高打磨效果，希望快换装置具有一定的弹性，因此本研究的弹性快换装置适合机器人家具打磨的工具更换。本研究采用理论和仿真方法验证了快换装置设计方案，后续可按照设计方案加工产品，验证快换装置的可靠性，并进一步提升产品性能。

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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

国家“863”计划项目（2013AA040203）；国家自然科学基金青年基金资助项目（51305045）

崔 航，研究方向：机械电子工程

伍希志，博士，讲师；E-mail：wuxizhi2006@126.com

崔 航，伍希志，邓旻涯.家具打磨机器人末端执行器全自动快换装置研究[J].中南林业科技大学学报，2017, 37(12):159-162.

[本文编校：文凤鸣]