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自动选择和夹持系统的尺寸
Johannes Schmalza*, Gunther Reinharta
摘要:迄今为止，夹钳的尺寸选择设计在大多数情况下是依靠经验完成的。在每个抓握的部分都有无数的解决方案，这样就很耗费时间找到最优夹具体部分和方案。然而,很少有方法可以应用这一方案,特别是考虑到夹具系统的灵活性的时候。本文将提出一种方法如何把经济、灵活性和功能标准结合起来，自动找到合适的夹钳。
copy;爱思唯尔于2014年发表。这在CC BY-NC-ND许可证上是一个开放的文章。
copy;作者于2014在爱思唯尔发表。
在国际科学委员会2014年第五届人的会议的责任下选择和同行评审。
Chair Prof. Dr. Matthias Putz matthias.putz@iwu.fraunhofer.de.
关键词:处理;方法
- 背景
夹钳作为人类把握技术类比的一点，在研究(生产)中一直是一个重要的主题。将夹钳搬运,移动和有时甚至操纵货物在自动化工业过程使用不同的原则传输的力量处理设备相连在一起。因此夹钳是处理任务被有效执行的工具。夹钳损坏将使整个生产系统停止。记住15 - 70%的产品的总成本估计花在修理[1],夹持系统有一个良好的工作状态对产品成本的影响是显著的。所选的夹钳和其特点配合所需的特征和特定部分的方案会严重影响夹钳工作的性能和耐用性。这就是为什么不要忘记将夹钳、夹钳的工作环境和操作设备完全契合的结合在一起。提到的因素有许多次要的,它们中的一些也相互影响,多标准的选择和尺寸问题,使得可行夹钳选用具有高档的复杂性[2]。选择和设计钳子的尺寸这一过程在行业中主要是直观的基于经验[2,3]。考虑到方案的复杂性和市场上各种各样的夹钳,似乎非常值得怀疑理论上夹钳系统总是有最好的结合方案。因此,对研究解决方案必须给予支持,找到合适的夹钳系统方案,记住,夹钳系统本身必须能够控制商品精度尺寸。方法覆盖这个方法会大大降低找到合适的夹具所需的时间,同时由于没有分别只有部分适当的抓握的解决方案或过度设计而避免了许多额外费用。
- 目标和方法
在如何选择一个夹钳时找到一个结构化的方式的想法不是全新的,有几个例子在文学讨论这个话题。找到解决问题的不同方法,从理论框架建议采取哪些步骤[4、5、6、7],(专家)系统[2、3、8、9、10],使用软件来处理问题复杂性的任务是相当困难和复杂的。经常被遗忘的话题是,在大多数情况下的夹钳必须适应特定的任务。这尤其适用于机床夹钳(如平行夹钳等),钳口的设计整体性能起着重要的作用。很简单但非常有效的方法,这一挑战是Pedrazzoli等人的方法 .[11]。研究不仅提供了解决方案的选择过程,一些夹具制造商还在他们的主页提供工具,方便客户找到合适的钳子。当然这些工具总是局限于特定公司的夹钳,常常不是很直观的使用,用户必须至少有一个粗略的概念，知道自己正在找的什么样的夹钳。
批判性的回顾文献提到的几个点,可以总结出一些结论。首先没有一个方法使用当前状态计算机辅助的全部潜力的可能性,像在过去几年里CAD数据的分析。其次,大多数的方法只考虑一个抓握的原则。当寻找最好的拟合夹钳系统时不考虑几个原则似乎是不准确的。在相同的水平比较，每个原则都有自己的特殊性。如前所述之间有一个紧密联系的设计/尺寸操作元素(钳口,吸盘)和夹具的选择本身。这一事实在大多数现有的方法中被人们忽视。更加令人关注的是当前改变框架的生产和组装导致进一步的需求。更多个人产品动态小批量产品的生命周期原因[12]。它们在产品和生产机器之间的联系，又对夹钳有巨大的影响。因此,必须寻找其它途径来加强夹持系统的灵活性。在实践中,这意味着有一个钳子(需要时)能够控制尽可能多的部分,而不损失性能。现在系统的灵活性通常是通过使用钳子不断变化的系统。这些系统供应标准化的媒体接口，允许快速交换不同的夹钳。这种方法提高了灵活性,但也有一些缺点比如必须提供不使用的夹钳的存储空间。项目机构的作者表明,智能规划的方案和夹钳系统可以减少额外的钳子。
总而言之,需要一个框架自动比较不同的钳子,找到一个最适合要求的。目标是有一个方法,基于用户的信息完全自动选择最佳拟合夹钳。在实践中方法的结果应该是一个包含操作元素的尺寸的夹具的解决方案的中性描述。这个描述可以反应夹钳在市场上的供应。减少任务的复杂性是可行的，实现工具中三个最常见的类型的夹钳是平行夹具,角夹具和真空夹具。体系结构设计方法应该允许其他或新的夹钳的实现方式。这也适用于处理非刚性的商品。
- 开发方法的过程示例
开发这样一个方法,有四个步骤:
- .处理系统的描述
系统的描述是必要的,因为这是能够自动处理信息的基础要求。因此,描述必须是一个集成的数字表示覆盖所有属性影响的过程。第四章在必须考虑的领域给出了更深的见解。
2）.系统的因素之间关系
对一个特定的目标优化时，知道所需的所有因素并不足以描述一个引人入胜的过程模型。在不同的因素相互作用的情况下,有必要确定不同因素之间的相互作用。这里的主要问题是必须考虑大量的可能的交互。从复杂性管理领域的多个域矩阵的方法可以被证明是有价值的,为了分析和观察在一个结构化方法的链接。连接不同的因素还包括输入的定义所需的所有计算,比如操作元素的尺寸。
3）.定义目标函数
定义目标函数是系统描述和分析之间密切联系的。建立目标函数意味着建立一个树结构开始所需的属性的钳子(目标函数所描述的),而覆盖所有其他因素之间数学系统的联系。下面的解算器的目标是定义目标函数必须涵盖经济、灵活性和功能标准。这个操作是很重要的,要记住不同因素的权重可能不平等。
分析系统大多数是面向目标的和有效的,有意义的定义目标函数描述系统的其余部分和之前的联系。
- .系统的解决
解决系统是比较所有获得信息的方式和总体框架,找到最合适的夹具系统。总之,主要的挑战是一个多目标问题不同因素的相互作用。解决类似的问题是运筹学领域的焦点,在考虑提供一大堆解决方案决定的几个标准[13]。团结所有提供的方法是改变用户的(冲突)目标一致的解决方案。为了解决问题，必须先确认合适的解算器。有几个例子在文学描述这些方法的应用领域的夹钳。Agrawal等[2]例如多属性决策方法用于夹钳的选择。Dattaamp; Debb[14]决定使用多目标决策方法。其他例子的方法,可以使用统计方法,线性规划或遗传的算法。找到合适的解决方案,评估标准必须开发最好的拟合方法。其中一个是肯定的处理数据的速度,这可能成为一个考虑变量过程操作元素尺寸的瓶颈。
- 处理系统的描述
关于基本的第一步,系统的描述,Pham amp; Yeo [15]定义的五个领域是必要的来描述处理过程:
1.环境
2.处理设备(“机器人”)
3.组件
4.工作
5.夹钳
每一个域与其他交互,无法在进一步分析中排除。
首先使用文献和自己的考虑表示,当选择和尺寸夹钳大约150因素必须被考虑。这个显示任务的复杂性和说明了为什么只能强调最重要的属性。跟踪并能够自动处理系统有必要开发一个结构来描述。
4.1.环境
环境涵盖了所有影响夹钳的外部因素。例如，物理参数如温度、湿度或钳子来处理食品的限制。一方面这些因素很容易为用户确定,另一方面它们很困难来自动确定。因此,这些信息将最有可能需要由用户通过一份调查问卷手动给系统。因为大多数的因素在这一领域是强制性的因素,这提供了一个可能缓解搜索通常作为一个整体的夹钳可以排除之前更详细的搜索。
4.2.处理设备
处理设备处理过程是一个关键因素,因为它提供了机械手爪的力量转移。慎重考虑处理设备的重要性在于,在大多数情况下,将是最昂贵的关键的系统的一部分。例如处理设备(自动化)设备移动夹持比如机器人。必须考虑的重要因素是负载能力,机械接口和成本。处理设备一个例子可能是决定性的钳子将是当有一个现有的处理设备与特定的负载能力。可能降低夹具的重量将是一个重要的因素。这个示例还显示,根据事实是否有处理设备选择一个钳子的过程中必须有区别。可以看到,钳子和处理设备之间的接口是一个点,可以检查在任何等级的复杂性。因为有许多论文只涵盖了这个任务,似乎并不考虑处理设备的选择。这同样适用于所有主题各自的路径规划是不同的工作的一部分。
4.3.工作
过程域包含所需的所有因素,描述和爪应该如何表现。例子涉及的零件数量,周期时间,公差,等。有一个链接到其他领域,作为例子的过程描述限制关键的地方是不允许的。像前的域可以是任何在本例中,它是最有可能的,由用户手动收集所需的信息[16]。等级的复杂性,作为一个可能包括方法比如自动装配过程的序列测定。
4.4.组件
除了爪,一部分是必须考虑的核心部分。因此,使用CAD数据自动收集信息提供了广泛的可能性。这一领域收集信息,如部分的几何形状、材料、重量等等。参数的进一步处理,使它们可用一个框架的核心部分。特别是很少有人注意的分析在过去的一部分。如果,真的方法只使用简化模型,这可能是由于这些作品的起源。然而,存在更多的可能性与今天可用的CAD系统/数据。可以认为,质量分析部分是中央后给出夹钳使用建议。原因之一是夹钳常常必须适应特定的工件几何或特征。可能关键点的位置不仅限制了一部分,也来自工作域的信息。
4.5.夹钳
钳子的准确描述具有很高的重要性,因为它是任何计算至关重要。除了描述的因素特别调查的后果不同的属性在完整的系统至关重要。定义爪的不同属性如何影响握紧点比如张角的钳子或真空供应的特点。另一个是不同的夹钳和不同操作之间的交互元素和尺寸的模式。这意味着要确定哪一种操作元素符合特定的钳子。在一个标准化的方法发现尺寸操作策略元素是研究的核心目标之一。对于这个任务,与其他领域可能会导致一些迭代循环,随着维度不仅取决于握紧力也握紧点,材料/操作元素组合部分,爪只是仅举几例。
- 改进的方法
这种方法是基于CAD模型的一部分。方法分析所有可能的点,也考虑可能会有干扰的对象。对于各种钳子有一个模板握紧的点必须是什么样子,如平行表面平行夹或与一个特定曲率表面真空夹等等。此外,握紧的点是排名根据他们的距离等因素的重心部分。重要的是,程序不是寻找一个握紧的点,而是为所有理论上可行的,覆盖不同握紧的原则。这种区分方法与其他方法不同。这样做的好处之一是在这个早期阶段处理比较不同部分的握紧的点的可能性,之前提到的可能性提供共性,一个强大的杠杆提高灵活性。这个例子表面当有多个部分来处理很难做到的手工。握紧的点与其他特征领域的“部分”的材料比如实例部分的材料。与其他领域的特点“处理装置”,“过程”和“环境”然后可以预选可能的夹钳(图2)。例子显示排除部分的几何平行夹使用。这进一步简化了过程的解决方案空间缩小。握紧的点在第一步定义然后导致第二步,第一步是可能的操作元素的尺寸。尺寸应该基于类似于Pedrazzoli等之一的过程自动完成[11]，考虑信息的所有域。尺寸完成时,握紧的力量,依靠的特征部分,握紧的原理和操作元素在第三步计算。一个额外的可能未来的增强可以实现有限元分析检查,部分是否能够承受扣人心弦的部队应用的操作元素。根据前三个步骤的知识,然后可以定义一组可能的夹钳中性要求的解决方案。些要求又比较实际夹钳使用运筹学的方法存储在数据库中。在最后一步所有可能的触手也排名基于目标函数考虑特定特征域比如夹钳的成本。
- 结论
一个示例应用程序的算法可以寻找一个合适的钳子在处理很多不同的部分比如物流的书籍。在长期,也牢记数字工厂,这种算法可以取代耗时处理实验今天执行。这也提供了选择的可能性夹在产品开发的早期阶段不需要身体的一部分。
想进一步推向cyber-physical系统来表示在下一年,本文提出的算法将变得至关重要。在这样一个系统中,机器人会自动决定哪些需要钳子和任务使用特定部分介绍的方法。
参考文献
[1]Tompkins J, White J. A, Bozer Y. A, Frazelle E. H, Tanchoco J. M. A. and Trevino J. Facilities Planning. 3rd edn.New York: Wiley; 2003.
[2]Agrawal V. P, Verma A, Agrawal S. Computer-aided evaluation and selection of optimum grippers. International Journal of Production Research 1992; 30:11, 2713-2732.
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