家具打磨機(jī)器人末端執(zhí)行器全自動快換裝置研究

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 長沙 410004）

家具打磨機(jī)器人末端執(zhí)行器全自動快換裝置研究

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 長沙 410004）

隨著“中國制造2025”和智能制造的大力推進(jìn)，越來越多家具企業(yè)開始采用機(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；然后采用有限元仿真對快換結(jié)構(gòu)的兩個典型工況進(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。該快換裝置無需額外動力進(jìn)行裝配，且具有一定彈性，使機(jī)器人打磨家具時能更好地貼合打磨表面，提高打磨效果。

打磨；機(jī)器人；自動快換；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，家具廠商對家具涂裝前的打磨非常重視。不論是實木家具企業(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間，將打磨稱之為人海戰(zhàn)術(shù)不為過。由于打磨工作環(huán)境惡劣、容易發(fā)生事故風(fēng)險，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“中國制造2025”戰(zhàn)略實施和智能制造的大力推進(jìn)，越來越多的家具企業(yè)開始采用機(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)器人打磨時需要不斷更換打磨工具。如果使用手動更換打磨工具，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。與手動更換相比，全自動快換系統(tǒng)依靠自身手臂自動更換打磨工具，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，起步早，專業(yè)化程度高，但價格昂貴，技術(shù)不對外[5-6]。美國DE-STA-CO公司生產(chǎn)的自動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)氣壓供給失敗時能夠防止墜落[7]。美國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QC-20由一個主盤和一個工具盤組成，空氣流過鎖緊端口并推動主盤中的滾珠，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，滾珠才被松開[8]。國內(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[9-11]。

由上述可見，氣動式是機(jī)器人自動快換飛最常用驅(qū)動方式。氣動式快換裝置具有設(shè)計簡單、價格便宜等優(yōu)點，但同時也存在以下缺點：（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)尺寸不易過大，總輸出力不宜過大；（3）噪聲較大，在高速排氣時要加消聲器；（4）需要提供氣源，安裝配套成本較高。因此，針對家具打磨機(jī)器人末端執(zhí)行器更換，本研究提供一種機(jī)器人自裝配的自動快換工具，實現(xiàn)機(jī)器人末端打磨工具全自動更換。

1 自動快換裝置設(shè)計

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、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盤、與末端執(zhí)行器連接的工具盤、機(jī)械臂適應(yīng)盤、工具適應(yīng)盤及其他輔助部件。

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)計時需要考慮以下關(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。因為機(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時，由于執(zhí)行器的偏心、自身重力，會形成很大的力矩；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)行器之間會形成張角，造成總線信號中斷、漏水/氣，嚴(yán)重的會造成工具脫落。

（2）本體重量。如果快換裝置重量過大，一方面會減小機(jī)器人的負(fù)載能力，另一方面會影響末端執(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 自動快換裝置設(shè)計

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)。快換整體結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括機(jī)器人端主盤1、工具盤2、轉(zhuǎn)接板3、彈簧4。機(jī)器人端主盤如圖3所示，固定在手臂末端，中間是定位孔，用于與工具盤定位，圓周上均勻分布4個凸臺，用于與工具盤的軸向和周向限位。工具盤結(jié)構(gòu)如圖4所示，內(nèi)圓周上均勻分布4個凸臺，每個凸臺中間都有一個卡槽，用于與主盤凸臺配合進(jìn)行限位，限制主盤與工具盤的軸向移動和軸向旋轉(zhuǎn)；工具盤中間有定位軸，定位軸上部是導(dǎo)向圓錐體，下部是圓柱體，與主盤的定位孔配合進(jìn)行定位，用于限制主盤與工具盤的平面方向的移動，打磨工具安裝在工具盤下端。轉(zhuǎn)接板3可以繞定位軸旋轉(zhuǎn)，并可以在工具盤內(nèi)上下移動，用于主盤與工具盤的介質(zhì)傳遞。彈簧4既可為快換提供預(yù)緊力，又給快換帶來彈性，使機(jī)器人打磨家具時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 工具盤結(jié)構(gòu)Fig.4 Tool disk structure

1.3 自動更換過程

機(jī)器人打磨工具自動更換過程如下：第一步，機(jī)器手臂帶動主盤移動到工具盤正上方，通過定位軸導(dǎo)向和定位作用，主盤只可相對工具盤上下移動和軸向旋轉(zhuǎn)，再向下運動主盤凸臺卡入轉(zhuǎn)接板卡槽，并向下壓縮轉(zhuǎn)接板，使轉(zhuǎn)接板運動到最低極限位置，主盤下表面與工具盤上表面接觸。第二步，機(jī)器手臂帶動主盤逆時針旋轉(zhuǎn)，使主盤凸臺位于工具盤卡槽的正下方。第三步，機(jī)器手臂帶動主盤向上移動，由于彈簧壓縮力和夾具自重的作用下，主盤凸臺卡入工具盤卡槽內(nèi)。由于工具盤定位軸與定位孔接觸、主盤凸臺與工具盤卡槽3個表面的接觸及彈簧壓縮力，使得主盤與工具盤5個自由度完全固定、軸向可微小距離彈性移動，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，快換卸載過程如下，機(jī)器手臂帶動主盤向下壓縮轉(zhuǎn)接板和彈簧到最下極限位置，然后順時針旋轉(zhuǎn)，使主盤旋轉(zhuǎn)到達(dá)極限位置，再垂直向上移動機(jī)器手臂，執(zhí)行更換下一個打磨工具。

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，主要承受打磨工具、快換裝置等的自重力和慣性力，對于快換結(jié)構(gòu)，該工況下比較危險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，承受自重力、慣性力、向上的支撐力、打磨產(chǎn)生的扭矩等，對于快換結(jié)構(gòu)，此時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個凸臺承受，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。假定空載工況主盤固定，工具盤承受垂直向下載荷400 N，快換主要承載結(jié)構(gòu)的Mises應(yīng)力如圖5所示。主盤整體應(yīng)力比較小，凸臺連接處應(yīng)力比較大，最大應(yīng)力20.69 MPa，位于凸臺連接邊角處；工具盤整體應(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

假定打磨工況主盤固定，工具盤承受軸向扭矩30 N·m，快換主要承載結(jié)構(gòu)的Mises應(yīng)力如圖6所示。主盤整體應(yīng)力比較小，凸臺連接處應(yīng)力比較大，最大應(yīng)力59.61 MPa，位于凸臺與卡槽接觸面的連接邊角處；工具盤整體應(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彈性快換裝置。與傳統(tǒng)的氣動剛性快換裝置相比，不僅無需提供外部動力源，而且自身具有一定彈性，使機(jī)器人打磨家具時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)介紹了彈性全自動快換裝置的結(jié)構(gòu)和使用過程；然后采用有限元仿真對兩個典型工況進(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。

在家具打磨過程中，快換裝置可以使一臺機(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。按照動力方式不同，常見的快換裝置可分為手動式、氣動式、電動式等。手動式快換需要人力配合完成主盤與工具盤的連接，不適合全自動化生產(chǎn)；氣動式是最常用的驅(qū)動方式，具有設(shè)計簡單、價格便宜等優(yōu)點，但需要提供氣源和噪聲較大；電動式采用小型直流電動和齒輪傳動，成本較高、故障較多；這些快換裝置通常都是將主盤與工具盤剛性連接。針對機(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證了快換裝置設(shè)計方案，后續(xù)可按照設(shè)計方案加工產(chǎn)品，驗證快換裝置的可靠性，并進(jìn)一步提升產(chǎn)品性能。

[1]劉曉紅.打磨木家具的決竅[J].家具,2006,154(6):52-53.

[2]伍希志,林 彬,程軍圣,等.裂紋鋼板的止裂孔與CFRP加固及其疲勞壽命預(yù)測研究[J].天津大學(xué)學(xué)報,2017,50(2):154-158.

[3]陳有權(quán).機(jī)器人作業(yè)工具快速更換技術(shù)[D],哈爾濱:哈爾濱工業(yè)大學(xué),2011.

[4]許井泉,梅 濤,駱敏舟.空間機(jī)器人手爪自動更換裝置的研制[J].工業(yè)儀表與自動化裝置,2006(4):13-16.

[5]湯志東,贠 超.全自動快換裝置快速接頭技術(shù)綜述[J].浙江大學(xué)學(xué)報(工學(xué)版),2017,51(3):461-470.

[6]湯志東,贠 超.全自動快換裝置精準(zhǔn)對接技術(shù)研究[J].北京航空航天大學(xué)學(xué)報,2016,42(12):1-13.

[7]Beom-Sahng Ryuh, Sang Min Park, Gordon R,et al.An automatic tool changer and integrated software for a robotic die polishing station[J]. Mechanism and Machine Theory, 2006,41(4): 415-458.

[8]David Gyimothy, Andras Toth. Experimental evaluation of a novel automatic service robot tool changer[J]. Advanced Intelligent Mechatronics(AIM2011). Budapest, Hungary, 2011,(7): 1046-1051.

[9]陳 磊.救援機(jī)器人“用兵一時”更應(yīng)“養(yǎng)兵千日”[N].科技日報,2013-05-21.

[10]杜維杰.水下作業(yè)機(jī)械手與工具自動對接技術(shù)研究[D].哈爾濱:哈爾濱工程大學(xué),2005.

[11]高自成,李立君,王朋輝,等. 油茶果采摘機(jī)器人采摘頭設(shè)計與分析[J]. 中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報,2016,36(4):114-118.

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

國家“863”計劃項目（2013AA040203）；國家自然科學(xué)基金青年基金資助項目（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)行器全自動快換裝置研究[J].中南林業(yè)科技大學(xué)學(xué)報，2017, 37(12):159-162.

[本文編校：文鳳鳴]