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标题: 机器人末端的快换装置,有哪些设计要点? [打印本页]

作者: 罗罗日记    时间: 2019-9-30 20:47
标题: 机器人末端的快换装置,有哪些设计要点?
本帖最后由 罗罗日记 于 2019-9-30 22:12 编辑
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这两天太忙了,本来该前两天发出来,拖到今天,我内心有点过意不去。
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这不,刚刚回来,吃了个橘子,马上就开机,今晚发了,明天回家。
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老铁,看到来顶帖。

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罗罗,我常常在一些机器人末端上,看到有快换装置的应用。
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你能说说,快换装置是怎么回事吗?
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可以。

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你说的机器人应用,是属于自动化范畴的。

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那种快换装置(Quick Changer/Tool Changer),分为两侧,主侧和副侧。
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主侧装在机器人末端,副侧装在工具端。
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副侧常常和工具固连,放在工具架上,一个工具用一个副侧。

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机器人末端,会根据工艺需要,自动更换不同的工具(执行器),来协同机器人运动轴,完成不同的动作,处理不同的物料等。
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嗯哼,我大体明白了。

- s0 d) k! q/ ~" E
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其实,在做三坐标测量机时,有一段时间,我的主要工作内容,就是快换装置的设计。
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你们为什么要用快换装置?

8 t5 a! s, Q$ r& U# m7 ~. T' V/ P/ K, A1 M! l$ J6 @
因为当时,采取了一个Z轴的配置,根据不同的应用,用快换装置,自动更换不同的检测头。

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怎么更换的?能显示得具体一些吗?

8 O+ K% E+ K0 t- I$ }* `/ N1 a2 J2 C- Q1 ]( S* f
好的,我做了一个PPT,名叫《测头更换流程》。
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在公号罗罗日记里,回复测头,即可下载播放,观看测头更换的流程。

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好的,我晚点去看看。
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不过,我想问,为何只配置一个Z轴呢?
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其实,我们当时有两个方案。
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第一种是3只Z轴:一个探针Z1轴,一只二维光学镜头和一只三维光学镜头Z2轴,另外一个Z3轴,留给粗糙度检测镜头,或者激光干涉仪。

2 z, N  \: k' Z3 |
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此配置方案的优点是测头固定,没有因为更换测头,引入的重复性误差。

5 o" O1 U+ t/ P6 _
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缺点是测头都挂在Z轴,导致重量变大,对运动速度有不利的影响,对结构刚性要求高。
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6 L+ j: M) z, U% l/ g
而且检测的时候,旁边的测头会在一定程度上,影响检测头的检测范围,测量深度等。
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5 E# f4 a& O6 D, Q) [/ k! v
那么,第二种配置呢?

4 p. ^. `& r. V* `$ L, b( B
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只有一个Z轴。

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& _7 v3 N; S- y, z7 {  e$ ^
根据需要,快速更换检测头,其他检测头不用时,放置于测头架上。
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比如,三维共聚焦光学检测头,二维光学检测头,探针测头,激光干涉仪等轮换到Z轴上。

7 _% q: l3 z5 Q1 a
6 M% r: p* N7 t
此配置方案的优点是重量轻,可以实现高速运动,缺点是需要更换测头,精度依赖于更换时的重复定位精度和校调。
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你们为何用第二种方案?
4 Q$ v  ~2 K% V, q! t$ h; v

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最主要的是第一种太重了,想要达到需要的精度,结构设计非常有挑战。
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! L  X. u5 b4 `: g, [3 s% |7 G" Y. t
事实上,我们没做到。(更多内容,可以参考《记三坐标测量机设计经历》//www.szfco.com/thread-993787-1-1.html

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另外,我们考察CMM三家主要竞争对手,海克斯康、蔡司、三丰的设计,他们Z上大部分只有一个轴。
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可以说,快速更换,是行业里的一个发展趋势。
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所以,我们最后决定用第二种方案。

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好的,明白。
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但是,你们为什么不买现成的快换产品呢?

8 i# d9 a. y- p8 ~1 D. S" P6 Y
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因为市场上现有的产品,不满足我们的使用要求。
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最重要的是,我们有一个很特别的要求:希望装置是中空的结构。
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因为,中间我们要放置相机和光学器件,这个完全没有产品满足要求。
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另外,电接口和气接口数量,不满足我们的应用要求。

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我们希望总重量小于2Kg,这一点,到是有不少的供应商可以做到。
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但是,我们电接口数量多达60,没有一家供应商可以达到。

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而且,问了几家供应商,都不愿意定做,毕竟我们需要的数量太少,可能他们觉得没啥钱赚,投入精力不划算吧。
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OK。你们研究的,比较知名的供应商有哪些?

, ]" a6 N7 T) x
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ATI, Schunk(雄克),Applied Robotics,KOSMEK(考世美),Gimatic等。
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我有2张表格,如下图,从原理和参数方面,对比了几家供应商。

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同时,也对比了几家竞争对手,快换装置的做法。
[attach]490705[/attach]
快换装置原理对比

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[attach]490706[/attach]
快换装置参数对比

3 t. b2 Q6 Z$ w6 r: u( X
[attach]490707[/attach]
竞争对手快换装置对比
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通过上面的原理对比,你应该能够看出。
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# ~7 U7 Y: K. c( S" g# _5 d
我们主要考虑:重复性,定位,预载,安全锁紧,释放,电接口数量,气动接口,载荷等设计要点

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定位:竞争对手是V型槽和高硬度钢球定位。

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当V型槽由两个钢球构成时,另一边则是一根钢棒,当V型槽是两根钢棒构成时,另一边则是钢球。

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大量的论文研究表明,这种定位方法,在动态耦合时,重复性是最好的。
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. c5 }, G6 g/ i9 N( b/ Q
比如《Kinematic couplings: A review ofdesign principles and applications》中有提到,可以达到0.01um的重复性。(更多相关文章可以参考http://pergatory.mit.edu/kinematiccouplings/html/documents.html)

, B1 H5 V1 F0 ?. H. F$ `/ {0 C6 z2 M, W/ ?3 m) d. w, g
但是因为是点接触,所以刚性不是很高,一般用于轻载荷,低加速度。

6 z% y- e5 U% U* ]; S* B3 A3 ]% J9 c) o4 l! P2 \
而自动化方面的供应商,定位方式有所不同。
1 @8 c; V) U5 U+ \, S* ~
4 w5 P) Z1 k6 R$ o/ }5 ~, s0 \$ |
在XY方向,他们大都是定位销和定位孔定位。
  b* d, t, J: h- ]2 W

% E! v  v) x( p5 K5 B. B( V5 j
当然也有用锥面定位的,比如KOSMEK(考世美),这种浮动锥面定位,优点是可以显著提高重复性。

) X& y  {. O5 J9 m! V
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从上面参数对比表,可以看出,只有考世美实现的重复性是最高的,达到3um。
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而对于Z方向定位,都是用接触大面定位。

2 b( k8 X: u& O# K5 l+ U0 B. l$ m; d9 F/ J& i
工厂自动化方面的定位方式,好处是,接触面大,刚性好,但是缺点就是重复性差一些。

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预载:预载荷的大小,在很大程度上,决定了动态耦合的刚性,预载的加载方式,可能会带来冲击,应当避免冲击。
8 l- e9 l! g9 u

( `  _# M1 M& n
我们中途有提到用薄型气缸,后来就是因为冲击被否决了。

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! o8 }% O" N# _4 S
安全锁紧:就是系统突然断电断气时,工具侧不能掉下来,应该是锁住的状态,不然会出现安全等问题。

* r1 ^' z* L6 b+ G! L8 `+ Z. r$ ]/ U+ ~, i4 r, c& E8 C/ f
释放:释放和预载是相反的,简单理解就是解除连接。
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4 F7 f) R. O; H
电接口:共60针,摆放在外侧,便于维护。
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气接口:除了用于气缸,另外预留2路气体,作为气体冷却备用。
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载荷:6Kg,重心位置不超过结合面200mm。
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既然没有满足要求的设计,那你们只有自己做了?
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没错。
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因为我们载荷比较大,同时重复性要求高(X,Y:±50um,Z±15um,中心轴±0.25°)。

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所以,我们参考海克斯康,机械钩子式快换装置,做出了第一个版本的设计。

& m# u  P1 z. T- U& H: t4 g+ n  n2 O% t) P2 ?
原理如下图。
[attach]490708[/attach]
快换装置的设计V1.0

8 H& x( ^% ]5 D2 v* V
用钢球和V型槽定位,压簧做预载,用机械钩子,来钩住被连接的副侧模组。
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这里,我们用中空的气缸来释放,因为中间的位置,被相机和光学模组占用了。
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中空的气缸是自己做的吗?

( J, {' X6 F& L! A- b7 D8 `+ H$ n- M( y+ |
是的,当时倒角太小,密封圈的装配还挺费劲,抹了润滑油,还用热水烫了一下,才压进去。
7 d% P* ]& X( _, Q

( P5 s: o4 D  X- b
后来你们做测试没有,效果如何?
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对于上面的设计V1.0,后面我有测试其重复性和静态刚性(因为实验条件有限,没有做动态刚性测试)。
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7 R4 u6 {8 E1 W! m2 Z" L
测试方法是:
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(1)重复性
利用现有的Z运动平台,把快换装置装在平台上。
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相机和主侧模组在一起,挂在平台上。
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7 ^! z0 W5 W5 u* ]1 ?
通过马达微调到想要的位置后,用机械锁紧Z轴,避免电机位置变化引入误差。

* W  h# M- {* m  T( J# \7 ]8 r, F7 |/ S1 o' e
同时,在快换装置的下侧,竖立两块板,当气缸通断气的时候,实现释放和预载,释放后,光学测量模组,可以落在竖立的两块板上(板顶部贴有缓冲橡胶)。

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预载后,通过相机拍照,看位于其正下方的标准校准玻璃,分析图像在XY方向的移动量,来测量XY的重复性。
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测试结果是:XY方向重复性±48um<±50um,Z方向±10um<要求±15um。达标。同时,因为相机有清晰的成像,所以中心轴倾斜也没问题。

4 x% X1 b- @/ k. G+ S  I, w+ ~4 m$ t! i1 [& m, W
(2)静态刚性的测试
直接加载一组力,力的作用线,通过耦合后模组的质心,然后还是看相机图像在XY方向的平移量。

; s7 r0 q, [! f0 o3 i+ B3 ?. {  Y+ x- v% b
因为项目要求的是动态刚性(0.1um),所以这里测试的静态刚性,只能作为参考。
8 P. ~0 S8 D& r; J

* k; B' p- T# r, q
刚性测试结果是,波动幅度最大到250um/gf。

8 u, y8 o$ y8 @
. e8 p8 x; `8 m$ v, I6 G" }
对于动态刚性,暂时先通过CAE模拟,来分析其动态刚性。

  l6 p1 {0 v% G1 G3 k
9 Z' ]: Y8 r$ j4 K9 v
后面通过做瞬态分析,发现刚性不是很好。
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因为检测末端点,在运动“稳定”后,相对于工件的位移变化,已经达到10um。
8 v" h) D4 i" C+ ?" H
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结论是系统刚性不足,各个模块,特别是快换装置,都必须继续提高刚性。
  m' O3 W- w$ r3 x
: H: Z6 g; s6 \: J& b9 `7 F2 x+ C
所以,你们后面有继续更新设计,对吗?
/ m0 J( }+ D0 p5 |$ N& v# d( q

. m# `7 ]( p; a! `5 v
是的。

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其实,对于上面的概念,我们在CAE结果还没出来时,就做了一些局部的更新。
[attach]490709[/attach]
快换装置的设计V1.1
$ D3 `2 B1 U- V2 I0 X
从V1.0更新到V1.1。

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主要是把钩子约束轴承,变换了位置,因为V1.0中,钩子是旋转到水平位置,可能有水平分力。
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V1.1中,因为约束在侧面,当调整好约束轴承位置后,钩子是直线往上走,没有水平分力。

4 K4 Q; j1 o. \, P) D# O7 Z+ P2 o, p" C  e
后来有继续升级设计吗?

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有的。
) }4 H- D$ {: y) Y1 j

' u9 p" v( ?0 c3 B$ }5 c9 D
因为V1版本的结构件挺多的,显得不够简单。

+ R! N; @2 P* H8 C; ?! u3 v0 O9 ?1 o5 H, S1 h
另外,没有经过长期的测试,气缸可靠性可能是一个问题。

6 ]" l- x0 h& m& O
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所以,后来做了一个新的版本,V2.0。

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[attach]490710[/attach]

快换装置的设计V2.0

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这个版本,最主要的改变,是把气缸预载,换成失电保护电磁铁预载(关于失电保护电磁铁,可以参阅《5个来自欧美的优质电磁铁供应商,再也不怕选不到合适的电磁铁了》//www.szfco.com/thread-984878-1-1.html)。
' J5 h5 m, z" {: q" C3 X2 T' C

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因为,电磁铁比自己做的气缸稳定可靠。
4 y+ M* {% A: n( Q( N- K

; j6 V- ]2 P" s) U+ x# R& D9 Q4 Q
嗯,明白。

- ?+ A9 C) \& v- Y- ]! B5 t2 ^4 h, F! N; M( ~/ l0 P! e
那你这个概念,其实,还是没有提高快换装置的刚性,对吗?

0 S; W' J" N+ P  @& v  R  C* t9 ^+ X, |) J$ C7 R) l
没错。
* q* c9 o1 y$ R3 e- B. @- G/ F
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所以,后面又升级到V2.1。
[attach]490711[/attach]
快换装置的设计V2.1

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主要的考虑因素,就是提高刚性。
! r8 l' C( A4 U7 n
) z9 }9 n' d7 _- |! u
这里把原来的钢球加V型钢柱定位方式,变成了XY方向用柔性定位销,Z方向用大面接触。
3 u9 e5 Q! M! _' T) i* C/ n
+ V/ K: u1 m& i  z# V# J# r
这种做法,会损失一定的重复性吧?

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9 _5 E. L8 O) ]) w
是的。
( f6 G( K4 T! F
; r6 G" W- P( e0 u
正如前面所说,钢球加V型槽的动态耦合,能够达到的重复性是最高的。

% y) s. T0 `8 }* g
8 B/ |; z6 s5 n6 D5 d6 C% h
但是,我们升级到V2.1,其实也是有原因的。
  g3 d) D- j$ U/ q+ j& p
- ]" m1 x9 b8 P% }9 q) @1 `
因为这种概念,能够达到的重复性还是相当高的。
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2 a! u: I# A# I9 P7 A  c6 @
其实,我们是参考了总部位于瑞士,主要用于工件装甲的System 3R的做法。

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[attach]490712[/attach]

System 3R快换装置的设计

+ X8 ~. X. {* O# }* k
System 3R:X,Y方向,由四组柔性弹片,配合高硬度凸台来定位,之所以用柔性体,是为了避免Z方向的过约束,因为Z方向,是用四个面接触来定位。
( x6 |2 s0 y0 R) v
% U5 i- `! E# u8 o  d4 Z# P9 j
目前,V2.1这个方案,正在等待物料,后续会有一些测试。

) ]# M  f" [9 q. n. E9 E1 x
" _5 L1 Z3 L' z7 Y: R# l+ h$ |
好的,希望以后能有一些测试结果。

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% Y1 t. N' v, F' x
我会跟踪的,有结果,我会写在这篇文章的评论里,欢迎你关注。
7 ~3 k9 m- W  l3 \& Q
- ]5 Y# b( T8 ~, A
对了,后来,我自己又参考考世美的做法,做了一个版本,V2.2。

9 X8 N  m' o/ v! x/ I; C* |
! r2 Y  W* s9 n& e# t5 G5 Z
主要是把XY的定位方式,换成浮动锥销。

) r! @! ~. Y9 m- I& y
$ \0 W6 H! D0 E6 ~3 k# J# ]# ^1 a8 D( B
当然,这个版本没有出设计,我自己留个底,可能以后用得着。

; b& `- ?9 e4 b8 z( y- ^' z8 Y7 g4 s6 @
[attach]490713[/attach]
快换装置的设计V2.2

) a0 c3 M* ~, Y% l: @
我懂。
7 C( t# L+ o3 n+ O. _2 e) L

- M7 ^. x# W) d4 g9 t
我还有一点疑问,电磁铁和相机,都会产生热量吧,对精度有影响吧?

2 f0 ~1 U! t2 g# h1 m: c0 @8 h3 c6 N% F( `8 {
当然,因为后面V2的方案都引入了电磁铁,电磁铁会引入一个热功率,瞬间功率高达25瓦。
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3 X! Y7 [) E: P, D6 n1 |
不过,因为用的时间很少,大概只有5/1000,所以实际的热功率很小,只有零点几瓦。

& {, D" J) l: ^0 b7 |
+ H: x: o, x6 b# I, s/ h
到是相机本身会发热,最后的散热设计,是需要重点考虑的问题。
- ]5 v# o7 C; c# o  I
2 N# V1 c* M1 d7 @' P
不过,我们还是有解决办法的。
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对于相机,采用封闭包围的散热片,加上外接的空气,来冷却它。
6 s. [0 }' H3 X, o8 `2 Z
' t6 @  l9 x6 T% d2 f/ E) H
前两天测试了一下,效果还是很明显的,可以降低相机温度15度,从原来的43度,降低到28度。
( L0 o* A% ~9 n/ u/ m  B; b2 Z; p
; n4 P7 F6 f/ r- `! A3 [" r- b, G
不过对系统精度的贡献,还需要做更多的测试。

: {  f( C2 y: r) q- H
& F5 H2 O: ]. C  e/ M
还有,你们的60针电接口是怎么解决的?
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用的Pogo Pin,我们提要求,找供应商做的。

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因为,没有现成的模块有那么多针脚,同时,有些模拟信号需要做屏蔽保护。
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同时,还考虑了Pogo Pin的接触力,因为这会降低电磁铁的预载力。
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% }" z( j; L1 _, V, i6 z' @2 q
当然,对于电磁铁和针脚式电接口,我们也做了隔热处理。
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" H2 l7 E# W+ {, |8 j7 w3 `
采用隔热板,隔热陶瓷等,有效隔离其热源。

0 c+ n& o( \1 e! F0 I
& O$ t  ~) {* I5 o+ k+ q
好的。
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罗罗,最后,我还有一个要求,你上面的原理,参数对比,以及不同的设计版本PPT,能分享给我吗?
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, ]  I( O! }3 n
可以。

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在我公号里,回复“快换装置”即可下载。

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5 H+ n" ^/ H% m. y- k4 l. P
好的,多谢你。

0 P3 {% ?+ }2 Y* q  v, d( k
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没事。

# m9 ^& ~( E4 @# A1 _7 Q2 _* _7 v& Q
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作者: Leo_20180309    时间: 2019-10-1 19:07
受益匪浅
作者: 罗罗日记    时间: 2019-10-1 19:13
|Leo_20180309发表于 10-01 19:07受益匪浅
老铁,国庆好
作者: 远祥    时间: 2019-10-2 11:37
很好的资料,收藏了!感谢楼主分享!
作者: 罗罗日记    时间: 2019-10-2 12:09
|远祥发表于 10-02 11:37很好的资料,收藏了!感谢楼主分享!
感谢收藏
作者: hj1230    时间: 2019-10-2 16:42
感谢楼主分享,很不错的学习资料
作者: 罗罗日记    时间: 2019-10-2 19:31
|hj1230发表于 10-02 16:42感谢楼主分享,很不错的学习资料
客气客气
作者: 东莞88888    时间: 2019-10-8 15:36
感谢楼主的分享
作者: 罗罗日记    时间: 2019-10-8 19:38
|东莞88888发表于 10-08 15:36感谢楼主的分享
客气了老铁
作者: Moore    时间: 2019-10-9 14:41
学习了
作者: 罗罗日记    时间: 2019-10-9 15:07
|Moore发表于 10-09 14:41学习了<img class="emotion" src="//www.szfco.com/static/image/smiley/default/handshake.gif" smilieid="17 border=" 0"="" alt="">
[握手]
作者: 菜鸟8587    时间: 2019-12-27 18:54
11
作者: 罗罗日记    时间: 2019-12-28 18:07
|菜鸟8587发表于 12-27 18:5411
感谢老铁支持
作者: 鹰头猫    时间: 2019-12-30 10:37
好像市场上的快换不是一个东西...现在快换也开始做非标了吗
作者: 高达SD    时间: 2020-1-18 14:33
感谢分享2 B& D0 T; D9 D2 ?: l* s

作者: juz1005    时间: 2020-2-3 20:10
罗罗,你的公众号怎么找,是微信吗
作者: 罗罗日记    时间: 2020-6-20 10:48
juz1005 发表于 2020-2-3 20:10
9 w! @( I- `: h1 b! H罗罗,你的公众号怎么找,是微信吗
* j" Z: O) k/ i' c5 a, ?
微信里搜公众号:罗罗日记# k, H3 F  m, b: p4 z9 j

作者: 小蔡    时间: 2020-6-20 14:16
写的很好!但感觉目前主流的还是活塞加钢球锁紧的结构吧。# _5 j( e* u& V  M" y) I& Y
而且我怎么看ATI的快换和BL的快换是一样的,是不是BL给ATI做OEM了。
作者: 罗罗日记    时间: 2020-6-22 15:57
|小蔡发表于 06-20 14:16写的很好!但感觉目前主流的还是活塞加钢球锁紧的结构吧。<br>! N* L- i$ {8 v6 g
而且我怎么看ATI的快换和BL的快换是一样的,是不是BL给ATI做OEM了。
是的,主流还是气缸加钢球锁紧。至于ATI和BL的内部关系,就不是太了解了,ATI是美国品牌,BL是日本品牌,谁吃掉谁,我猜不透
作者: 攻城狮_jhjiang    时间: 2020-6-27 11:09
感谢楼主分享,很不错的学习资料
作者: 攻城狮_jhjiang    时间: 2021-3-4 09:46
感谢楼主的分享 文字挺多,尽然全看完了,整个改进过程比较丰富
作者: xydyl16888    时间: 2021-3-25 18:16
不错,学习了!
作者: wugehaoniu    时间: 2021-3-26 08:47
谢谢分享。学习中。赞,顶
作者: 0388    时间: 2021-3-26 13:59
感谢收藏
作者: 老铁yy    时间: 2021-10-26 14:58
看不懂 再看看
作者: 柏拉图OL    时间: 2021-12-24 15:31
学习了( A: m4 B+ ?, P- i* H% {2 k

作者: laozzzji    时间: 2021-12-30 11:37
很不错,楼主公司哪里的
作者: i5系列机械臂    时间: 2021-12-31 16:33
也设计了一种电磁推杆的快换装置,还没做精度测试,可以参考,谢谢题主
作者: 清风@扬逸    时间: 2022-1-3 09:43
受益匪浅
作者: 普赛斯    时间: 2022-4-21 09:11
学习学习
作者: WANGFENG11    时间: 2023-11-6 17:58
很好的资料,感谢楼主
作者: 特务兔    时间: 2023-11-13 10:36
学习了
作者: 喂我袋盐    时间: 2023-11-13 12:01
感谢分享
作者: ericshen12    时间: 2024-9-20 07:29
感谢分享
作者: cangzhoumj    时间: 2024-9-22 07:56
挺全面




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