本帖最后由 羅羅日記 于 2019-9-30 22:12 編輯
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' d% T, G8 c$ [# N8 Z這兩天太忙了,本來該前兩天發出來,拖到今天,我內心有點過意不去。 - h. l7 F0 p) Y) T3 c
這不,剛剛回來,吃了個橘子,馬上就開機,今晚發了,明天回家。 $ q% ]2 r. a I: Z0 ^. {
老鐵,看到來頂帖。
8 g- p: W' C+ E% }羅羅,我常常在一些機器人末端上,看到有快換裝置的應用。
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0 k7 R9 [( F6 _; }你能說說,快換裝置是怎么回事嗎? 0 B6 ^9 B0 {: E. g
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可以。
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4 m: }1 D% K* w' G7 q你說的機器人應用,是屬于自動化范疇的。 * b) \+ Z: `: {- J2 Q
7 j0 {) v0 L4 E9 H0 ^那種快換裝置(Quick Changer/Tool Changer),分為兩側,主側和副側。 $ S* ^+ W1 g0 [" M$ X4 p
0 ?) ]8 @4 m3 }% v8 G1 M) Q主側裝在機器人末端,副側裝在工具端。 ; Z, O& q; f; p" Y3 j7 {, o c. C
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副側常常和工具固連,放在工具架上,一個工具用一個副側。 ( z2 O+ i: E) r4 P
+ A* U. A e6 a; I* K機器人末端,會根據工藝需要,自動更換不同的工具(執行器),來協同機器人運動軸,完成不同的動作,處理不同的物料等。
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嗯哼,我大體明白了。 + ^' g5 V& @, d* F8 i: p4 q$ E
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其實,在做三坐標測量機時,有一段時間,我的主要工作內容,就是快換裝置的設計。
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你們為什么要用快換裝置?
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因為當時,采取了一個Z軸的配置,根據不同的應用,用快換裝置,自動更換不同的檢測頭。
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8 v$ V( A& T7 T/ A3 K& S/ A. ^怎么更換的?能顯示得具體一些嗎?
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: k) e% i# O+ K% z, b/ r* v好的,我做了一個PPT,名叫《測頭更換流程》。
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. H7 n' O% F7 q- C! V在公號羅羅日記里,回復測頭,即可下載播放,觀看測頭更換的流程。
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7 \' m. q6 @) W) M! X- `& ~! [好的,我晚點去看看。
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不過,我想問,為何只配置一個Z軸呢? / S8 a' U5 z; J
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其實,我們當時有兩個方案。
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' g; w3 ~, J @3 O/ n第一種是3只Z軸:一個探針Z1軸,一只二維光學鏡頭和一只三維光學鏡頭Z2軸,另外一個Z3軸,留給粗糙度檢測鏡頭,或者激光干涉儀。
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此配置方案的優點是測頭固定,沒有因為更換測頭,引入的重復性誤差。
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缺點是測頭都掛在Z軸,導致重量變大,對運動速度有不利的影響,對結構剛性要求高。 / W) l) ~- @2 L" i7 L0 K/ c
& c5 E5 I' }1 l& l) ~1 k而且檢測的時候,旁邊的測頭會在一定程度上,影響檢測頭的檢測范圍,測量深度等。
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* c7 y4 B7 ?/ a6 c5 K; V& Z那么,第二種配置呢?
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$ O- z, `& E2 Q n/ O只有一個Z軸。 - z4 \; n( z( ]
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根據需要,快速更換檢測頭,其他檢測頭不用時,放置于測頭架上。
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( f( {5 O9 G, O$ m/ O& v4 c比如,三維共聚焦光學檢測頭,二維光學檢測頭,探針測頭,激光干涉儀等輪換到Z軸上。 $ r( z& t: S- H
( ?% M0 e4 Z" X7 j- {3 q& O此配置方案的優點是重量輕,可以實現高速運動,缺點是需要更換測頭,精度依賴于更換時的重復定位精度和校調。 9 |& G0 T; ]2 F1 @6 f
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你們為何用第二種方案?
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最主要的是第一種太重了,想要達到需要的精度,結構設計非常有挑戰。
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另外,我們考察CMM三家主要競爭對手,海克斯康、蔡司、三豐的設計,他們Z上大部分只有一個軸。
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可以說,快速更換,是行業里的一個發展趨勢。 ; u' D/ s# w# Q* y0 ]9 h" N
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所以,我們最后決定用第二種方案。
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' [8 ]9 |8 {: F& X好的,明白。
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但是,你們為什么不買現成的快換產品呢?
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因為市場上現有的產品,不滿足我們的使用要求。 , Q) S- G2 k2 Y& U0 O" }
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最重要的是,我們有一個很特別的要求:希望裝置是中空的結構。 . {: ?' o- X# d7 }% l
$ s- U. d6 s! S3 |因為,中間我們要放置相機和光學器件,這個完全沒有產品滿足要求。 ], \/ s1 q8 Y
D; T- L0 j* l另外,電接口和氣接口數量,不滿足我們的應用要求。
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我們希望總重量小于2Kg,這一點,到是有不少的供應商可以做到。
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但是,我們電接口數量多達60,沒有一家供應商可以達到。 @) v- {- g- M* \# C0 U! y
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而且,問了幾家供應商,都不愿意定做,畢竟我們需要的數量太少,可能他們覺得沒啥錢賺,投入精力不劃算吧。 . E* V: @( i% x( J
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OK。你們研究的,比較知名的供應商有哪些? % \1 k2 [( ]% u% i& o8 E
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ATI, Schunk(雄克),Applied Robotics,KOSMEK(考世美),Gimatic等。 3 `5 w9 \* Z0 Y/ ]! x5 t5 Q/ _6 T, g
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我有2張表格,如下圖,從原理和參數方面,對比了幾家供應商。
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5 N1 A, j- ?$ H+ K0 q同時,也對比了幾家競爭對手,快換裝置的做法。 快換裝置原理對比
2 ]0 g) S# {) M4 w快換裝置參數對比 / o2 [# ]' x0 W
競爭對手快換裝置對比
* A5 w* k4 ~4 H/ G( R/ u9 K$ W' Q: V通過上面的原理對比,你應該能夠看出。
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' l6 J# G+ c+ O3 v* q3 \2 r6 c我們主要考慮:重復性,定位,預載,安全鎖緊,釋放,電接口數量,氣動接口,載荷等設計要點。 & H: x# S" j2 Z. e( g4 E/ e
0 h2 u& D7 C/ q定位:競爭對手是V型槽和高硬度鋼球定位。
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當V型槽由兩個鋼球構成時,另一邊則是一根鋼棒,當V型槽是兩根鋼棒構成時,另一邊則是鋼球。
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% t( R5 @5 ]) \/ K: x: ?大量的論文研究表明,這種定位方法,在動態耦合時,重復性是最好的。
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4 z2 D. e8 V) c1 q, d比如《Kinematic couplings: A review ofdesign principles and applications》中有提到,可以達到0.01um的重復性。(更多相關文章可以參考http://pergatory.mit.edu/kinematiccouplings/html/documents.html) ) |4 D! z9 D# ?4 F
7 S) e1 S* U7 j' f' ^$ x. Y但是因為是點接觸,所以剛性不是很高,一般用于輕載荷,低加速度。
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2 c6 \: P/ o* t7 M+ P( M1 U而自動化方面的供應商,定位方式有所不同。 5 ]* L3 ~; ~# e" c4 S
% s7 O) V0 Z2 C$ s: o( |在XY方向,他們大都是定位銷和定位孔定位。 9 S( T, o' D5 F5 Q* n6 @/ [
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當然也有用錐面定位的,比如KOSMEK(考世美),這種浮動錐面定位,優點是可以顯著提高重復性。 " T) j. N6 W; E5 V0 P/ D; @+ l
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從上面參數對比表,可以看出,只有考世美實現的重復性是最高的,達到3um。 ; C# K- w1 D) p# v3 b& g/ f6 k9 u
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而對于Z方向定位,都是用接觸大面定位。 , p$ ?' t7 L+ ?! e9 \) x- G
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工廠自動化方面的定位方式,好處是,接觸面大,剛性好,但是缺點就是重復性差一些。 ) H& B* K" p& S! B
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預載:預載荷的大小,在很大程度上,決定了動態耦合的剛性,預載的加載方式,可能會帶來沖擊,應當避免沖擊。 7 M; b1 A( f" A- f
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我們中途有提到用薄型氣缸,后來就是因為沖擊被否決了。 % y8 t7 i2 o+ N$ P x
7 u2 x5 ]1 e, z9 \0 d- f; i7 U安全鎖緊:就是系統突然斷電斷氣時,工具側不能掉下來,應該是鎖住的狀態,不然會出現安全等問題。 + _* z. n# H) `$ A
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釋放:釋放和預載是相反的,簡單理解就是解除連接。
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3 t) s# `& A# h# r3 P6 y電接口:共60針,擺放在外側,便于維護。 1 b/ {7 x: i" J% Q h* x
' M+ H# u0 j7 [( R氣接口:除了用于氣缸,另外預留2路氣體,作為氣體冷卻備用。 7 n. h% j2 H! K$ g; {% ?
; L1 E! D5 S. I. t; q載荷:6Kg,重心位置不超過結合面200mm。
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既然沒有滿足要求的設計,那你們只有自己做了?
6 s- a+ f3 a" C& o- p" k1 m, A. m沒錯。
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因為我們載荷比較大,同時重復性要求高(X,Y:±50um,Z±15um,中心軸±0.25°)。 - `4 M5 E# h* y6 z! s+ P% _
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所以,我們參考海克斯康,機械鉤子式快換裝置,做出了第一個版本的設計。 4 D5 p# T. h; ~. y
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原理如下圖。 快換裝置的設計V1.0 : ~3 T% S- L n' n2 a+ k
用鋼球和V型槽定位,壓簧做預載,用機械鉤子,來鉤住被連接的副側模組。
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' j/ D4 e3 s; _8 y+ k/ K: {這里,我們用中空的氣缸來釋放,因為中間的位置,被相機和光學模組占用了。
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中空的氣缸是自己做的嗎?
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$ c, I& |2 A7 d: p8 D1 X是的,當時倒角太小,密封圈的裝配還挺費勁,抹了潤滑油,還用熱水燙了一下,才壓進去。
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后來你們做測試沒有,效果如何?
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# F; u. G2 W$ y- s) y0 w, ^; k對于上面的設計V1.0,后面我有測試其重復性和靜態剛性(因為實驗條件有限,沒有做動態剛性測試)。 # Q/ q6 \/ }# i5 L
( u+ y5 [) F' a1 T) R測試方法是: , |% d( p9 }# I1 }5 g( T
(1)重復性 利用現有的Z運動平臺,把快換裝置裝在平臺上。 5 G/ S& Z7 _9 Q. I7 O$ t6 T
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相機和主側模組在一起,掛在平臺上。
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通過馬達微調到想要的位置后,用機械鎖緊Z軸,避免電機位置變化引入誤差。
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同時,在快換裝置的下側,豎立兩塊板,當氣缸通斷氣的時候,實現釋放和預載,釋放后,光學測量模組,可以落在豎立的兩塊板上(板頂部貼有緩沖橡膠)。 4 @) g$ c$ n0 e4 X$ o( A
]( Z% K: W$ t J6 W) R$ T7 r預載后,通過相機拍照,看位于其正下方的標準校準玻璃,分析圖像在XY方向的移動量,來測量XY的重復性。
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1 R8 E( S [1 L- t% ?+ u測試結果是:XY方向重復性±48um<±50um,Z方向±10um<要求±15um。達標。同時,因為相機有清晰的成像,所以中心軸傾斜也沒問題。
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* p% r6 \) W2 [9 C$ U7 l0 U(2)靜態剛性的測試 直接加載一組力,力的作用線,通過耦合后模組的質心,然后還是看相機圖像在XY方向的平移量。 2 a( J. E5 B" b* N0 N* F( Q
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因為項目要求的是動態剛性(0.1um),所以這里測試的靜態剛性,只能作為參考。
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剛性測試結果是,波動幅度最大到250um/gf。
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_+ `1 _, T- L7 q/ P對于動態剛性,暫時先通過CAE模擬,來分析其動態剛性。 # Z& S6 j) Z2 |7 J3 B, ?, e4 j
' S9 l# S- N6 U6 l% H后面通過做瞬態分析,發現剛性不是很好。
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1 w: t% A% ]9 v5 {! Y因為檢測末端點,在運動“穩定”后,相對于工件的位移變化,已經達到10um。
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結論是系統剛性不足,各個模塊,特別是快換裝置,都必須繼續提高剛性。
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所以,你們后面有繼續更新設計,對嗎?
% T' }2 u" v2 c3 `8 a; N$ A! a
( N+ d3 b/ J* A) z: o% ~是的。
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其實,對于上面的概念,我們在CAE結果還沒出來時,就做了一些局部的更新。 快換裝置的設計V1.1
. h9 G9 ]6 E5 [+ I% p從V1.0更新到V1.1。
: V& d% l) f. G. S
# [7 X( S. c- e- @2 c主要是把鉤子約束軸承,變換了位置,因為V1.0中,鉤子是旋轉到水平位置,可能有水平分力。 $ K0 {, w2 F/ J2 r. d+ R8 j
$ m8 |% I+ n- K* j# G" a9 q9 n- [+ R! F3 IV1.1中,因為約束在側面,當調整好約束軸承位置后,鉤子是直線往上走,沒有水平分力。 ) m Q# j- C2 ?, B. ]
) V1 g2 x/ ?* b, g& W) B后來有繼續升級設計嗎? - m* Z- h3 r: [
1 p; R( \9 q. x F! c' [
有的。
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8 h, F; b+ Z- O因為V1版本的結構件挺多的,顯得不夠簡單。 2 l0 I% P1 R) x4 b n2 K
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另外,沒有經過長期的測試,氣缸可靠性可能是一個問題。
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/ g" _ T* C9 |( l8 @所以,后來做了一個新的版本,V2.0。
: s+ V, j7 w0 ?" }9 \3 r快換裝置的設計V2.0 , Y& c. Z, Y _0 {3 Y
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" S8 ]9 `/ W- |' N. a! K7 A. M- w因為,電磁鐵比自己做的氣缸穩定可靠。
9 q. ^" I3 g2 @6 ~+ |8 J/ T! r& o! r a2 L4 J5 T) v2 q( Z* J1 [
嗯,明白。 ; l5 d' Y" C) t0 W* g% g( X
0 o. a" A2 |* X2 r# q- z* y1 J6 r
那你這個概念,其實,還是沒有提高快換裝置的剛性,對嗎?
) V9 d% \' v, c$ M, X. I `; z) Z) i0 a8 L9 y+ p& m! \
沒錯。
3 P' P$ W; } @8 q4 `% M: r8 D0 f6 v2 \
所以,后面又升級到V2.1。 快換裝置的設計V2.1
7 G5 ]2 H+ y( g& h$ V+ x主要的考慮因素,就是提高剛性。 ; v1 @0 Q* K' ]3 [2 I
- L, |4 J7 \. L I& S* D% x/ b
這里把原來的鋼球加V型鋼柱定位方式,變成了XY方向用柔性定位銷,Z方向用大面接觸。 . Y* `0 e* E# X5 b% C/ m8 `
1 u7 D9 o) A% \0 X" I7 o1 @
這種做法,會損失一定的重復性吧? . O R; u N2 }
% @# X& k7 k ?1 A {8 x& Z
是的。
: k( M# N* \4 k2 O" \2 P1 E, Q0 P7 C6 i8 [# B- B# P
正如前面所說,鋼球加V型槽的動態耦合,能夠達到的重復性是最高的。 $ A% `3 c4 E% q+ s
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但是,我們升級到V2.1,其實也是有原因的。
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因為這種概念,能夠達到的重復性還是相當高的。 , Y- K- P4 u" c2 L
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其實,我們是參考了總部位于瑞士,主要用于工件裝甲的System 3R的做法。
; i8 i7 V, ^) C% \: y N8 USystem 3R快換裝置的設計 / x8 Z7 C6 [9 d
System 3R:X,Y方向,由四組柔性彈片,配合高硬度凸臺來定位,之所以用柔性體,是為了避免Z方向的過約束,因為Z方向,是用四個面接觸來定位。 / u: F0 _! U9 a0 u& y4 V7 O0 B: M* f
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目前,V2.1這個方案,正在等待物料,后續會有一些測試。
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好的,希望以后能有一些測試結果。 ' z! M! S4 |) J9 {' J v& g4 X
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我會跟蹤的,有結果,我會寫在這篇文章的評論里,歡迎你關注。 9 Y3 q* H* ]" A1 _& b, D
K! R$ {: x! s/ t; \( F對了,后來,我自己又參考考世美的做法,做了一個版本,V2.2。
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主要是把XY的定位方式,換成浮動錐銷。
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當然,這個版本沒有出設計,我自己留個底,可能以后用得著。
# v6 @# J. a! e4 y快換裝置的設計V2.2
) V, Q. G- k) x/ o+ a我懂。
3 l! B5 O# }- j' @- T2 o6 u3 E* ?7 k) L+ c3 K. ~
我還有一點疑問,電磁鐵和相機,都會產生熱量吧,對精度有影響吧?
6 f" o& B4 u9 M a) O. `, A& Y7 E+ C1 e' s# H- \* L0 Y: Y
當然,因為后面V2的方案都引入了電磁鐵,電磁鐵會引入一個熱功率,瞬間功率高達25瓦。
3 J; N/ j9 E* U) G0 Z# U! X$ A- K* ^0 Y7 }$ t- K0 B
不過,因為用的時間很少,大概只有5/1000,所以實際的熱功率很小,只有零點幾瓦。
' z* I" D; u7 [
$ k v7 p% n' N- N* W到是相機本身會發熱,最后的散熱設計,是需要重點考慮的問題。 5 X- X+ b$ p1 u8 q8 p
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不過,我們還是有解決辦法的。
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" I" t, n0 ?& J) R0 ]6 h2 N! Q對于相機,采用封閉包圍的散熱片,加上外接的空氣,來冷卻它。
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前兩天測試了一下,效果還是很明顯的,可以降低相機溫度15度,從原來的43度,降低到28度。
5 _9 Y: k6 Q/ X! Y# K$ c5 o0 T1 m T+ S3 L( s
不過對系統精度的貢獻,還需要做更多的測試。
8 w0 O( D$ m! X3 m/ ]! e
. n* S1 a+ k. y& h4 K7 r0 w/ q' T還有,你們的60針電接口是怎么解決的?
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' V0 E9 K4 C% v$ {2 h; M用的Pogo Pin,我們提要求,找供應商做的。 & Y; O! h0 w; |
" s: i4 \6 m& O" ~3 t" {! ]' q) n因為,沒有現成的模塊有那么多針腳,同時,有些模擬信號需要做屏蔽保護。
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4 O& {: G9 S! V7 s2 T8 u同時,還考慮了Pogo Pin的接觸力,因為這會降低電磁鐵的預載力。
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3 s. j, E( K. p6 i: C當然,對于電磁鐵和針腳式電接口,我們也做了隔熱處理。 0 y, T% d9 z& z
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采用隔熱板,隔熱陶瓷等,有效隔離其熱源。 7 Y3 x& n; v5 ]& T/ S/ t9 a
* Z0 t$ {6 b9 v5 M
好的。 ; u& P8 b+ _; P6 s% U I
- I0 M1 l# u, t% w. V
羅羅,最后,我還有一個要求,你上面的原理,參數對比,以及不同的設計版本PPT,能分享給我嗎?
2 G5 w% K* Y5 \% {
9 Z4 d u: ^8 S! h9 N+ [可以。 . Q% f* M, z8 f. S# z4 Y
/ Q0 }8 c' O' w
在我公號里,回復“快換裝置”即可下載。
+ e9 B6 y5 s: {) k
: Y2 U) }# a: b好的,多謝你。 $ {0 z f9 Q' |' o/ z8 G3 ]- ]
( u$ j: d0 C& n' G沒事。 9 p* t) X. [7 n# Q; U Y
: M) y2 @+ k* M2 X
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