用于自動裝配的靈活夾具，夾鉗

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

夾具對于大多數(shù)裝配和加工過程至關(guān)重要。他們的設(shè)計至關(guān)重要，因為它們對生產(chǎn)力，成本和質(zhì)量有直接影響。據(jù)估計，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。然而，制造，存儲，檢索和設(shè)置專用夾具可能是昂貴的。實際上，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)計為可重復(fù)使用。當(dāng)然，真正的“一刀切”夾鉗是不可行的，因為存在各種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，因為它們可以容納多種產(chǎn)品。

靈活的無論是否有工人協(xié)助，都可以實現(xiàn)轉(zhuǎn)換。這種方法將允許中小型企業(yè)（SME）采用自動化，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)了一種基于無動力Gough-Stewart并聯(lián)機構(gòu)的可重構(gòu)夾具，也稱為六腳架。夾具的定位由機器人完成。

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上。根據(jù)工件的幾何形狀，機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柱塞，在釋放狀態(tài)下，氣動柱塞可自由地與葉片輪廓相符。高強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) 這些機器人執(zhí)行器使生產(chǎn)減少到一個批量。然而，由于它們的高成本，這種致動器對于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自由度中移動。我們的hexapod沒有動力。必須手動或通過機器人將其移動到位，然后用鎖定套管或液壓系統(tǒng)固定到位。

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

并聯(lián)機構(gòu)的六個連桿中的每一個都由兩個預(yù)加載的萬向節(jié)和一個帶有集成流體力學(xué)制動器的棱柱接頭組成。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)計基于對整個產(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，不同型號的孔徑不同。為了使定位組件符合整個系列的部件，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，引腳可由機器人更換。氣動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，我們設(shè)計了一種新的定位組件，使用定心元件來補充夾緊系統(tǒng)。定心元件定位并支撐燈的主燈泡的孔。不同的型號具有不同直徑的孔，因此座椅元件也可由機器人更換。

評估夾具

我們的首要任務(wù)是評估hexapod本身。對于自動裝配，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，我們需要評估鎖定機構(gòu)的剛度和重新定位后六腳架的位置精度。

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

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

我們的測試裝置由一個夾具組成，底板連接到固定在地板上的堅硬金屬柱上。我們的機器人是ABB IRB 140，配備了ATI工業(yè)自動化的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。為了測量六足機器上特定點的位置，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
以點云的形式獲得表面數(shù)據(jù)。對于每次測量，進(jìn)行三到五次掃描以獲得頂部和底部六足板上的點的足夠幾何數(shù)據(jù)。根據(jù)這些測量結(jié)果，提取六足機器人頂板上的三個點并計算它們相對于底板的位置。通過測量hexapod平臺上的三個不同點，我們能夠確定相對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。選定的點在工作空間包絡(luò)內(nèi)均勻分布，因此我們可以測量制動器驅(qū)動對六足機器最終位置的影響。機器人用于重新定位六足機器人。

測量參考位置和方向兩次。第一次測量是在六足機器人連接到機器人并且仍然兼容時進(jìn)行的。然后，機構(gòu)被鎖定，換刀器脫開，機器人的末端執(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位置精度有任何影響。

對數(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，使用換刀器將機器人連接到六腳架會產(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)大并且引起機器人的可見運動。幸運的是，這個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構(gòu)剛度的非線性的結(jié)果。因為脫開工具更換器產(chǎn)生的力垂直于頂板作用，所以在六腳架機構(gòu)連桿上施加不同方向的力。當(dāng)在Z方向上施加載荷時，機構(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構(gòu)的實際可重復(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個點中的6個點測量六足的剛度。六足機器被鎖定，機器人在六個方向上施加力（沿著六足機器人的基座坐標(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)）。通過在機構(gòu)鎖定時將夾具推向每個方向0.3毫米來產(chǎn)生力。力的大小取決于機器人和六足機器人在給定配置和方向上的組合剛度。使用安裝在機器人手腕上的傳感器測量力和扭矩。在每個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器人整個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算剛度。所有方向上所有點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。由于機制的對稱性，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，因為六足腿與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，因為大多數(shù)組裝操作沿著該軸施加力。

案例研究評估

為了測試我們的夾具，我們用它來組裝各種汽車燈。

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

通常，每個燈光模型需要兩個燈具：一個用于左燈，一個用于右燈。當(dāng)引入新的燈光模型時，必須設(shè)計和制造新的燈具。這增加了交貨時間并增加了成本。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)商通常同時生產(chǎn)多種型號的燈，因此存儲不同的燈具變得昂貴。

我們的目標(biāo)是開發(fā)一種機器人裝配單元，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)換時間和成本。第一次實驗選擇了兩種不同的汽車燈。我們之所以選擇這些模型是因為它們具有非常不同的幾何形狀，但需要類

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

模型之間的轉(zhuǎn)換分為三個步驟。首先，將三個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器人末端執(zhí)行器存儲在特殊的托盤中。最后，安裝了新的定心元件。

機器人重新配置已成功測試多次。來自Universal Robots的UR10機器人用于移動六足機器人。模塊化元件的交換是手動完成的。

我們還評估了夾具在裝配過程中的表現(xiàn)。整個裝配順序 - 插入零件，安裝子組件和驅(qū)動螺釘 - 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。安裝子組件時未發(fā)現(xiàn)準(zhǔn)確性問題。施加在工件上的力不會導(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)一步的實驗，但可重新配置的燈具顯示出降低燈具成本和縮短轉(zhuǎn)換時間的巨大潛力。