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。

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

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。