谈谈机器人快换盘的安全性
2022年04月29日
机器人快换盘，行业内又叫换枪盘，快换装置，快速更换器、快换器等，它是应用在工业机器人末端的一种柔性连接工具，是工业机器人应用系统中非常重要的组成部分，其作用是让单台工业机器人在应用过程中自动切换不同的末端执行工具，以增加工业机器人使用的柔性，具有生产线更换快速、有效降低停工时间，一机多用等多种优势，充分发挥机器人的性能，提高工业机器人的性价比机器人快换盘被广泛应用于自动点焊、弧焊、机床上下料、自动搬运，3C电子，新能源电池，半导体，冲压、检测、装配、打磨、包装码垛等行业。
毫无疑问，在工业机器人使用的过程中，保证自动化过程的安全性是首要考虑因素，机器人快换盘因为需要在不同的末端执行工具之间不断地自动切换，这对于安全性就提出了更高的要求，机器人快换盘主要通过两种途径来保证其安全性：第一是快换盘本身的机械锁紧机构，第二是通过外部控制单元，下面我们就这两种情况分别进行阐述。
机器人快换盘分为机器人侧（Robot side），简称R侧和工具侧（Tool side），简称T侧两部分，机器人侧安装在机器人末端，工具侧和执行工具（焊枪，机械手，夹具等）安装在一起，机器人侧主要由快换盘本体，机械锁紧机构，选配模块，和控制单元四部分组成，工具侧是配合机器人侧使用的，相对简单，没有控制单元部分，其余部分和机器人侧保持一致。在行业内，目前全球主流的机械锁紧机构有如下几种：
第一种：钢珠加弹簧自复位式锁紧机构，如图1所示，整套锁紧机构由大推力弹簧、活塞、钢珠、凸轮组成。其工作原理是：活塞与凸轮连接，在压缩空气和弹簧的作用下推动钢珠完成锁紧；松开时活塞带动凸轮退回，此时钢珠可以收回；当锁紧机构意外掉气时钢球在末端工具的重力作用下会由锁紧平台移动至安全平台，此时在大推力弹簧推力与工具重力的作用下实现钢珠对凸轮的抱死，安全平台和大推力弹簧的双重保险锁紧机构在系统意外掉气时有着较高安全性，该种机构代表型企业有瑞士史陶比尔，上海桥田智能等。
图1 钢珠加弹簧自复位式锁紧机构
第二种：钢珠无弹簧式锁紧机构，整套锁紧机构由活塞、钢珠、凸轮组成。其工作原理是：活塞与凸轮连接，在压缩空气的作用下推动钢珠完成锁紧；松开时活塞带动凸轮退回，此时钢珠可以收回；当锁紧机构意外掉气时钢球在末端工具的重力作用下会由锁紧平台移动至安全平台，此时在工具重力的作用下实现钢珠对凸轮的抱死。安全平台设置的锁紧机构在意外掉气时提供了基本的安全和保护，该种机构代表型企业有美国ATI，德国雄克等。
第三种：卡爪式锁紧机构，如图2所示，整套锁紧机构由活塞、卡爪、凸轮组成。其工作原理是：活塞与凸轮连接，在压缩空气的作用下带动卡爪完成锁紧；松开时活塞带动凸轮收回卡爪；当锁紧机构意外掉气时凸轮在弹簧力的作用下保持顶出，依靠弹簧力保护的锁紧机构在意外掉气时具备了基本的安全和保护，该种机构代表企业有日本NITTA等。
图2 卡爪式锁紧机构
以上我们从机械锁紧机构角度阐述了机器人快换盘如何实现安全的，接下来我们从快换盘的外部控制单元部分看如何实现双重安全保证的。从上述的机械机构分析，快换盘锁紧机构的动力主要来源于内部的气缸，因此对于安全性来说，就是要实现对气缸松开气源的控制，以防止意外解锁的发生，目前行业常用的控制方式有以下几种：
第一种：单阀直接控制方式，如图3所示，这是最简单的控制方式，无额外的安全防护措施，由PLC或机器人信号直接控制，其优点是控制简单；缺点是无额外安全措施，任何位置、任何时间均可以用外部指令解锁。
图3 单阀直接控制方式
第二种：单阀安全控制方式，如图4所示，额外增加安全防护措施，PLC或机器人信号需要经过安全电路控制，其优点是控制简单，增加额外安全措施，安全电路通过指定安全位置才可以解锁；其缺点是安全电路单一，安全等级不足。
图4 单阀安全控制方式
第三种：双阀控制方式，如图5所示，使用2个电磁阀实现安全控制，安全位置检测信号增加为双重检测，其优点是有安全保护回路，使用更加可靠的安全开关，使用两个电磁阀，安全气路更加可靠；缺点是主气路依然是单个阀，没有实现真正的冗余。
图5 双阀控制方式
第四种：PLd级双阀控制方式，如图6所示，使用两个更高可靠性的安全电磁阀实现安全控制，不仅安全位置检测信号增加为双重检测，而且对快换运行状态及电磁阀的运行状态实时诊断，当检测到故障时快换自动报警并保持安全锁紧状态，其优点是电路增加状态监控安全保护回路，使用更加可靠的电磁阀，主气路使用两个电磁阀，安全气路真正实现冗余，整体可达PLd；缺点是价格较高。
图6 PLd级双阀控制方式
第五种：桥田安全控制盒方式，如图7所示，是桥田公司开发专用于快换盘的安全控制盒，安全等级达到PLd,Cat.3，控制盒中集成综合信号诊断功能，可以实现以下状态监控：
● 快换锁紧和松开动作的监控，即防止内部机械故障
● 气源压力状态的监控，即运行中始终对锁紧气源监测
● 电磁阀状态的监控，即防止阀体机械故障
● 对安全开关状态监控，即及时反馈故障信号
● 对安全输出回路内部监控，即防止器件失效
● 对安全输出回路锁定功能，即故障时必须重置
● 对安全输出回路的初始化要求，即设备上电必须执行重置操作，完成内部自检功能
以上介绍的各种外部气路控制方式，安全性能逐步递增，在全球机器人快盘换制造厂商中，目前安全性能达到PLd,Cat.3的屈指可数，桥田作为国内机器人快换盘细分领域的先驱者，已达到国际先进水平，以前工业机器人所用的快换盘几乎都是外资品牌垄断，随着国内制造业的兴起，国家对核心零部件的重视和支持，一批机器人关键部件实现完全的国产化，桥田作为其中一份子贡献了属于桥田人的工业价值。
作为智能装配与自动化行业盛会，AHTE通过展示装配技术，传输技术，机器人集成，供料及连接技术解决方案，驱动-控制-测试技术，推动汽车，电子、半导体，医疗器械，家电制造，食品包装，新能源、机械制造等行业的自动化升级改造。
AHTE 2022（第十五届上海国际工业装配与传输技术展览会）将于2022年7月6-9日再次登陆上海新国际博览中心E1-E3馆。
图文来源：桥田智能设备
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2022年7月6-9日 上海
AHTE 2022 第十五届上海国际工业装配与传输技术展览
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