用于自動(dòng)裝配的靈活?yuàn)A具，夾鉗

研究人員開發(fā)了一種基于六足機(jī)的可重構(gòu)夾具，可用于組裝一系列汽車前燈。

夾具對(duì)于大多數(shù)裝配和加工過程至關(guān)重要。他們的設(shè)計(jì)至關(guān)重要，因?yàn)樗鼈儗?duì)生產(chǎn)力，成本和質(zhì)量有直接影響。據(jù)估計(jì)，40％被拒絕的零件源于不適當(dāng)?shù)膴A具。

大多數(shù)燈具專為特定部件或操作而設(shè)計(jì)。然而，制造，存儲(chǔ)，檢索和設(shè)置專用夾具可能是昂貴的。實(shí)際上，這種固定裝置占裝配系統(tǒng)總成本的10％至20％。此外，專用夾具通常需要較長的交付時(shí)間來生產(chǎn)。因此，專用工裝夾具僅適用于大批量，低混合生產(chǎn)。

另一方面，柔性工裝夾具設(shè)計(jì)為可重復(fù)使用。當(dāng)然，真正的“一刀切”夾鉗是不可行的，因?yàn)榇嬖诟鞣N各樣的工件幾何形狀和操作要求。但是，靈活的夾具可以設(shè)計(jì)成適合需要類似操作的類似產(chǎn)品系列。與專用固定裝置相比，柔性固定裝置的初始成本較高，但其總擁有成本較低，因?yàn)樗鼈兛梢匀菁{多種產(chǎn)品。

靈活的無論是否有工人協(xié)助，都可以實(shí)現(xiàn)轉(zhuǎn)換。這種方法將允許中小型企業(yè)（SME）采用自動(dòng)化，其中產(chǎn)品種類多，批次小。

為了滿足靈活組裝的需求，我們開發(fā)了一種基于無動(dòng)力Gough-Stewart并聯(lián)機(jī)構(gòu)的可重構(gòu)夾具，也稱為六腳架。夾具的定位由機(jī)器人完成。

相關(guān)的研究

多年來已經(jīng)開發(fā)出各種可重新配置和靈活的固定裝置。例如，麻省理工學(xué)院的Harry Asada博士和研究人員開發(fā)了一種可重構(gòu)的模塊化快速夾鉗系統(tǒng)。該系統(tǒng)依靠垂直和水平夾具連接到帶有磁性卡盤的工作臺(tái)上。根據(jù)工件的幾何形狀，機(jī)器人可以重新定位模塊，然后將它們鎖定到位。該系統(tǒng)是為生產(chǎn)操作開發(fā)的，批量大小在20到100個(gè)單位之間。然而，使用磁性卡盤使該系統(tǒng)僅用于非磁性工件。

卡內(nèi)基梅隆大學(xué)的研究人員開發(fā)了一種模塊化，可編程，適形的夾緊系統(tǒng)，用于在加工過程中固定渦輪葉片。它使用一個(gè)鉸接的八邊形框架，位于刀片的任意部分周圍。框架的下半部分采用氣動(dòng)柱塞，在釋放狀態(tài)下，氣動(dòng)柱塞可自由地與葉片輪廓相符。高強(qiáng)度皮帶用于將葉片的凸起部分壓靠在鎖定的柱塞上。

最靈活的方法是使用特殊機(jī)器人作為固定裝置。通用汽車公司和美國宇航局開發(fā)了用于工作保持的特殊伺服執(zhí) 這些機(jī)器人執(zhí)行器使生產(chǎn)減少到一個(gè)批量。然而，由于它們的高成本，這種致動(dòng)器對(duì)于SME是不可行的。

靈活的夾具

我們的夾具基于hexapods。六足可以在所有六個(gè)自由度中移動(dòng)。我們的hexapod沒有動(dòng)力。必須手動(dòng)或通過機(jī)器人將其移動(dòng)到位，然后用鎖定套管或液壓系統(tǒng)固定到位。

六足機(jī)有兩個(gè)由六個(gè)連桿連接的板。底板剛性連接到機(jī)器人單元。頂板配有模塊化工件定位組件和機(jī)器人工具更換器的工具側(cè)。換刀裝置使機(jī)器人能夠重新定位六腳架。

并聯(lián)機(jī)構(gòu)的六個(gè)連桿中的每一個(gè)都由兩個(gè)預(yù)加載的萬向節(jié)和一個(gè)帶有集成流體力學(xué)制動(dòng)器的棱柱接頭組成。萬向節(jié)將連桿連接到頂板和底板，旨在最大限度地減少后沖。一旦達(dá)到合適的配置，棱柱接頭用于將機(jī)構(gòu)鎖定就位。

工件定位組件是與工件接觸的夾具的一部分。其設(shè)計(jì)取決于工件的幾何形狀和制造操作。結(jié)果，我們無法設(shè)計(jì)出真正的通用定位系統(tǒng)。相反，我們提出了一種可重新配置的方法，提供有限的靈活性，以適應(yīng)一系列工件。

為了評(píng)估我們的柔性夾具的能力，我們用它來組裝一系列汽車燈。工件定位組件的設(shè)計(jì)基于對(duì)整個(gè)產(chǎn)品系列的常見幾何特征的分析。我們確定安裝孔是定位和夾緊工件的合適特征。但是，不同型號(hào)的孔徑不同。為了使定位組件符合整個(gè)系列的部件，定心銷是可互換的。為了最大限度地減少人為干預(yù)并加快重新配置過程，引腳可由機(jī)器人更換。氣動(dòng)杠桿夾將工件固定到位。

初步測試表明，在組裝過程中需要額外的支持。因此，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種新的定位組件，使用定心元件來補(bǔ)充夾緊系統(tǒng)。定心元件定位并支撐燈的主燈泡的孔。不同的型號(hào)具有不同直徑的孔，因此座椅元件也可由機(jī)器人更換。

評(píng)估夾具

我們的首要任務(wù)是評(píng)估hexapod本身。對(duì)于自動(dòng)裝配，可重新配置的夾具必須能夠精確且可重復(fù)地定位工件。因此，我們需要評(píng)估鎖定機(jī)構(gòu)的剛度和重新定位后六腳架的位置精度。

hexapod的鎖定機(jī)制對(duì)于準(zhǔn)確性和可重復(fù)性至關(guān)重要。當(dāng)釋放制動(dòng)器并且六腳架可以自由移動(dòng)時(shí)，它由機(jī)器人定位。當(dāng)制動(dòng)器啟動(dòng)時(shí)，保持力作用在六腳架連桿上的桿上。如果鎖定制動(dòng)器會(huì)破壞夾具的最終位置，則無論機(jī)器人的定位精度如何，六腳架都無法正確定位。

另一個(gè)重要特征是鎖定機(jī)構(gòu)的剛度。在機(jī)器人組裝期間，力施加在工件上，因此傳遞到固定裝置。如果夾具不夠堅(jiān)硬，那些力將取代夾具和工件。

我們的測試裝置由一個(gè)夾具組成，底板連接到固定在地板上的堅(jiān)硬金屬柱上。我們的機(jī)器人是ABB IRB 140，配備了ATI工業(yè)自動(dòng)化的Delta力和扭矩傳感器以及DESTACO的QC-30換刀裝置。

為了便于定位測量，沒有使用定位組件。為了測量六足機(jī)器上特定點(diǎn)的位置，我們使用了GOM的Athos 3D光學(xué)測量系統(tǒng)。精確到±0.04毫米，系統(tǒng)使用立體三角測量
以點(diǎn)云的形式獲得表面數(shù)據(jù)。對(duì)于每次測量，進(jìn)行三到五次掃描以獲得頂部和底部六足板上的點(diǎn)的足夠幾何數(shù)據(jù)。根據(jù)這些測量結(jié)果，提取六足機(jī)器人頂板上的三個(gè)點(diǎn)并計(jì)算它們相對(duì)于底板的位置。通過測量hexapod平臺(tái)上的三個(gè)不同點(diǎn)，我們能夠確定相對(duì)于六足基座的位置和旋轉(zhuǎn)位移。

以20種配置測量位置重復(fù)性。選定的點(diǎn)在工作空間包絡(luò)內(nèi)均勻分布，因此我們可以測量制動(dòng)器驅(qū)動(dòng)對(duì)六足機(jī)器最終位置的影響。機(jī)器人用于重新定位六足機(jī)器人。

測量參考位置和方向兩次。第一次測量是在六足機(jī)器人連接到機(jī)器人并且仍然兼容時(shí)進(jìn)行的。然后，機(jī)構(gòu)被鎖定，換刀器脫開，機(jī)器人的末端執(zhí)行器縮回。然后，進(jìn)行第二位置測量以確定頂板的位置和取向。通過這種方式，我們能夠確定六足鎖定是否對(duì)位置精度有任何影響。

對(duì)數(shù)據(jù)的分析表明，由于位置鎖定引起的平均位移為0.08毫米，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.08毫米。旋轉(zhuǎn)位移的平均值為0.9毫弧度，標(biāo)準(zhǔn)偏差為0.0005毫弧度。

我們的測試表明，使用換刀器將機(jī)器人連接到六腳架會(huì)產(chǎn)生一些負(fù)面影響。在解耦期間，板被推開大約1毫米。力量相當(dāng)大并且引起機(jī)器人的可見運(yùn)動(dòng)。幸運(yùn)的是，這個(gè)問題可以通過使用電磁夾具來解決。

在X方向上觀察到最大位移，在Z方向上觀察到最小位移。這是不同方向和配置下機(jī)構(gòu)剛度的非線性的結(jié)果。因?yàn)槊撻_工具更換器產(chǎn)生的力垂直于頂板作用，所以在六腳架機(jī)構(gòu)連桿上施加不同方向的力。當(dāng)在Z方向上施加載荷時(shí)，機(jī)構(gòu)連桿之間的角度和作用在它們上的力通常小于X和Y方向上的角度，從而產(chǎn)生更好的剛度和鎖定可重復(fù)性。

3D掃描系統(tǒng)的精度太低，無法可靠地測量夾具的可重復(fù)性，但夾具的性能超出了我們的預(yù)期。需要更精確的測量來確定鎖定機(jī)構(gòu)的實(shí)際可重復(fù)性，但我們確定該夾具可以可靠地用于組裝車燈。

在用于重復(fù)性測量的20個(gè)點(diǎn)中的6個(gè)點(diǎn)測量六足的剛度。六足機(jī)器被鎖定，機(jī)器人在六個(gè)方向上施加力（沿著六足機(jī)器人的基座坐標(biāo)系的所有軸的正向和負(fù)向平移以及沿Z軸的正向和負(fù)向旋轉(zhuǎn)）。通過在機(jī)構(gòu)鎖定時(shí)將夾具推向每個(gè)方向0.3毫米來產(chǎn)生力。力的大小取決于機(jī)器人和六足機(jī)器人在給定配置和方向上的組合剛度。使用安裝在機(jī)器人手腕上的傳感器測量力和扭矩。在每個(gè)方向上施加力之前和之后進(jìn)行一組3D測量以確定位移的大小和方向。

這些測量結(jié)果為我們概述了六足機(jī)器人整個(gè)工作空間的剛度特性。僅考慮與外部載荷方向共線的力和變形的分量來計(jì)算剛度。所有方向上所有點(diǎn)的平均剛度約為每毫米1,780牛頓。

在不同方向上觀察到不同的剛度值。X和Z方向的平均剛度分別測量為每毫米1,328.8牛頓和每毫米1,333.4牛頓。由于機(jī)制的對(duì)稱性，這些值是相似的。在Z方向上，剛度相當(dāng)高 - 每毫米2,323.4牛頓。這是可以預(yù)期的，因?yàn)榱阃扰c該方向上的載荷之間的角度最小。Z方向上的更大剛度是有益的，因?yàn)榇蠖鄶?shù)組裝操作沿著該軸施加力。

案例研究評(píng)估

為了測試我們的夾具，我們用它來組裝各種汽車燈。

組裝燈是一個(gè)多步驟的過程。首先，將塑料外殼手動(dòng)插入半自動(dòng)機(jī)器中的固定裝置中。接下來，裝配工安裝各種子部件，例如燈高度調(diào)節(jié)電機(jī)，燈泡座和金屬隔熱罩。然后，用伺服螺絲刀驅(qū)動(dòng)的自攻螺釘固定組件。

通常，每個(gè)燈光模型需要兩個(gè)燈具：一個(gè)用于左燈，一個(gè)用于右燈。當(dāng)引入新的燈光模型時(shí)，必須設(shè)計(jì)和制造新的燈具。這增加了交貨時(shí)間并增加了成本。此外，舊部件的固定裝置必須存放10至15年，因此可以一年幾次小批量生產(chǎn)備件。并且，由于汽車供應(yīng)商通常同時(shí)生產(chǎn)多種型號(hào)的燈，因此存儲(chǔ)不同的燈具變得昂貴。

我們的目標(biāo)是開發(fā)一種機(jī)器人裝配單元，配備靈活的無源固定裝置，可以組裝一系列燈具，只需極短的轉(zhuǎn)換時(shí)間和成本。第一次實(shí)驗(yàn)選擇了兩種不同的汽車燈。我們之所以選擇這些模型是因?yàn)樗鼈兙哂蟹浅２煌膸缀涡螤睿枰?/span>

三個(gè)可重新配置的燈具用于工作保持。其中兩個(gè)配備氣動(dòng)夾具，一個(gè)配備有定心元件。

模型之間的轉(zhuǎn)換分為三個(gè)步驟。首先，將三個(gè)六腳架重新定位到預(yù)定的模型特定配置。然后，夾具的定心銷和定心元件被移除并使用專用的機(jī)器人末端執(zhí)行器存儲(chǔ)在特殊的托盤中。最后，安裝了新的定心元件。

機(jī)器人重新配置已成功測試多次。來自Universal Robots的UR10機(jī)器人用于移動(dòng)六足機(jī)器人。模塊化元件的交換是手動(dòng)完成的。

我們還評(píng)估了夾具在裝配過程中的表現(xiàn)。整個(gè)裝配順序 - 插入零件，安裝子組件和驅(qū)動(dòng)螺釘 - 是通過可重新配置的固定裝置固定工件完成的。成功完成了幾個(gè)裝配循環(huán)。即使夾持不是最理想的，燈殼的插入也是可靠的。安裝子組件時(shí)未發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)確性問題。施加在工件上的力不會(huì)導(dǎo)致任何可觀察到的夾具位移。

雖然測試處于初步階段并且需要進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)，但可重新配置的燈具顯示出降低燈具成本和縮短轉(zhuǎn)換時(shí)間的巨大潛力。