英语原文共 29 页
柔性装配与检测单元设计规则
Paul G. RANKY
机械工程系，英国萨里郡吉尔福德萨里大学
摘要：
世界上每一个领先的机构和制造公司都在为处理柔性自动化的某些方面而努力。这是因为他们发现，在削减制造成本和交货期，并最终留在未来的业务中，关键问题在设计、制造订货和产品，而不是库存。本文讨论了如何在装配业务中实现上述目标，并给出了如何设计灵活的装配检查单元和系统的设计规则。固体模型模拟以及作者的工业、实验室经验都证明了这些规则的合理性。
关键词：柔性装配，机器人，FMS，CIM，生产控制
引言
短期目标是利用并行过程模拟和实体模型动画系统来设计和模拟由工业机器人和外围设备组成的通用机器人化组装和检查单元，由我们设计或集成，以实现小批量生产的极高灵活性、制造质量和生产力水平。
该概念的核心是开发一种智能化的通用组装和检测单元，能够使用直接访问材料处理系统（例如 AGV自动引导车辆）来更换部件、工具（即机器人手）、变更柔性组件送料和定向装置，并能够通过标准数据通信网络（例如 MAP生产自动化协议或其他 LAN局域网）与外部世界通信。
在成功地演示了原型电池的开发之后，长期的想法是复制设备，并将它们连接在一起，演示如何将这些电池用作学术界的研究工具，以及在工业系统中作为高效、混合生产、灵活组装/检查的构建块。
当作为一个工作系统实现时，该概念的潜在用户的主要经济利益是，通过开发智能和通用单元，可以节省单个定制开发成本，这在大多数情况下是多余的，并导致刚性系统，不能对产品不同系列、不同批量的变化作出反应，也不能满足以混合模式生产产品的要求。这种制度代表了最先进技术的进步，应被视为对未来竞争优势的投资。
在研究方面，所提出的系统和所展示的模拟结果告诉我们能够：
- 提供不同的自动、半自动和手动生成的组装策略，以及如何更准确的设计灵活的自动化工艺。
- 设计、仿真和实现机器人化装配与强大的 CAD CAM 实体模型设计、仿真和操作控制系统充分结合。
- 离线编写和执行任务级机器人装配和检验程序，展示了高度集成，但仍然是模块化和灵活的系统设计方法。
- 设计并实现了智能机器人刀具和夹持器，该刀具和夹持器之间具有自动的机械、电子和气动再耦合装置，为实时决策提供在线计算能力。
- 设计并实现一个可编程远程中心合规 (RCC) 表，其可容纳由 AGVs（自动引导车辆）装载到组装检查区域的托盘部件。
- 必要时重新设计并将模块化、灵活的夹具系统集成到单元中，可由机器人自动组装。
- 将各种不同的接触和非接触传感器集成到系统中，以增加其感知器能力，并在 3D 中检测和减少其定位和定向误差。
- 使我们能够测试不同的生产控制规则和基于规则的计划策略，并向相关方演示它们。
总之，我们的任务是模拟不同的策略和系统设计概念，创建研究工具，并演示上述方法可以克服概述的设计和集成问题，并且可以为协助学术界和设计者以及生产控制人员的工业柔性自动化系统的设施制定规则。
1.设计标准和一般考虑
设计灵活的装配和检验系统的目标是使公司的生产设施能够适应产品设计中所需要的变化，并对市场需求作出反应，而不需要大型和耗时的投资计划。
为了以最小的成本实现期望的高生产率和最短的生产时间，柔性装配和检验系统应该是 CIM（计算机集成制造）概念的一部分，集成了业务数据处理、CAD、CAM 和柔性生产。
重要的是我们要认识到，计算机集成制造技术有一个共同的知识、原理和规则基础，可应用于广泛的不同过程，即不仅是机械加工，而且也可应用于装配、检验、焊接等。对这些重要原则的认识应该是参与设计和实施灵活生产设施的各方的共同利益。
一般而言，柔性组装和检查系统采用计算机控制机器人、材料处理、给料和部件定向装置、接触和非接触传感器（例如图像处理或机器视觉系统）以模块化方式连接在一起，在材料处理和数据处理方面处理高级分布数据处理和自动化材料流。通过这样的集成模块化，灵活的系统可以在非常小的批次或单独生产货物，他们可以自适应和经济地工作，与过去为大批量生产而设计的刚性、专用系统相比，他们的控制、编程、错误恢复和集成到更大的系统中大大简化了。
在设计灵活的装配和检验系统或其他制造系统时，必须从待装配部件的分析开始，通常从重新设计开始。装配、检验和一般制造的设计至关重要。在这一领域，CAD CAM 系统需要与专家系统一起工作，并且应该越来越多地更好地了解车间中可能存在的情况以及成本。
最好的解决办法是完全避免组装，但在许多情况下，由于功能限制、必须使用不同的材料（例如橡胶、塑料和钢材在同一子组件中）、由于维护、所需的组件移动性或上述原因的组合，这是不可能的。
如果无法避免组装，则部件或子组件应适合灵活的机器人化组装（参考文献：1-4）。
一般来说，这种情况可以通过以下方式来保证：
1.形状（一维装配顺序；“Z-堆叠”）。
2.机械紧固件（消除和或简化）。
3.重量（通过精心设计和应力分析消除多余重量）。
4.材料（使用替代材料，包括塑料、HSLA 钢、复合材料等。以减轻体重，提高质量）。
5.机械接口（设计成出于操作目的抓取部件，并使用标准的组配式固定装置进行组装）。
6.制造精度要求（尽可能松散的公差尺寸，与产品性能和组装工艺设备精度重复性要求一致）。
7.部件定向（设计能够具有一致和稳定定向且不会堵塞的部件）。
总之，为了能够设计和操作由能够在材料处理和数据方面彼此通信的单元构建的柔性组装系统，应提供：
1.适当的模块化产品设计，最好使用实体建模 CAD CAM 系统，以便能够创建包含所有重要设计和制造数据以及与特定产品相关角色的实体模型数据库。（必须强调的是，其他 CIM 子系统也应访问该数据库。）
2.待组装部件的适当尺寸精度，以避免卡住和其他组装失效。
3.组装过程中，无需对某些尺寸值或性能特征进行调整和过程中检查。
4.组装部件的计算机全程监督、控制和报告生成。
5.物料质量控制和全面、真实的过程控制，从组装站到单元和系统控制器的必要实时反馈回路。
6.接受单个产品和混合批次组装的可能性，以便适应各种不同的订单和组装顺序以及系统中的动态变化（例如，细胞故障）。
为满足上述要求，柔性组装和检查系统的单个单元通常应包括以下构件：
- 机械臂（或手臂，及其控制器）。
- 必要的抓取器和/或机器人工具，包含机载处理和传感能力（最好存储在工具箱中，实现机器人自动换手）。
- 零件送料机构（配备必要的传感器，能够向单元控制器报告各种状态信息）。
- 托盘式部件对接（如需要），提供标准部件定位装置；（注意：假设部件以已知方向和位置输送至每个单元）。
- 其它电子和基于传感器的（视觉、力、扭矩传感、位置校准等）器械，与单元连接，用于引导、安全或实时生成反馈数据。
- 模块化夹具技术结合机载传感和处理能力。
从控制的角度来看，电池控制器应该是一台功能强大的微型或微型计算机，用于实时执行操作控制、诊断和通信任务是一个关键问题。应该能够处理和支持：
- 多轴控制、运动控制、加速度控制等。
- 梯田中的数字和模拟。
- 与远程控制器和 LAN（局域网）的标准通信接口。
- 标准外围设备，例如教学挂件、磁盘单元、显示器、键盘、操作员面板（如果电池是独立设备，则这些是重要的外围设备，作为单独的单元编程和操作。在大多数情况下，当多个单元链接在一起时，外围设备如键盘或显示器仅用于-panic-情况下以及调试和维护期间。）
- 工具更换设备和工具库数据管理，使单元能够存储和管理几个工具（即：机器手）。
- 部件对接和部件识别任务（对于通常到达标准尺寸托盘的部件，即已知方向和位置的特定系统内的标准尺寸），最好使用直接存取材料处理系统（例如：AGV）和能够将数据存储在机载微芯片中的无线编码托盘。
- 安全装置和专家诊断软件，包括联锁、内置错误检测传感器、检漏传感器（对于液压机器人），电源中断控制，传感器的额外电源，或需要单独电源的工具等，最好是细胞诊断专家系统。
单元控制器还应该运行系统软件，通常由操作系统、操纵器特定模块、编程语言解释器或编译器以及与外部世界保持联系的通信程序组成。
2.单元编程和装配、系统编程任务概述
应使用独立于机器人和机器人语言、面向任务、交互性和用户友好语言或语言生成器（利用图形和 AI 技术并生成依赖于机器人的代码），如果有的话，在单元上执行时只需略微更改，最好离线完成单元编程。
目前，离线机器人程序生成器的主要问题是它们假设一个完美的机器人（在几何和动态行为方面完美），而现实世界明确指出每个机器人携带不同的位姿误差（对于重复性和精确度测量，位姿意味着三维位置和方向误差；注意这些问题在参考文献中详细讨论。20 和 25）、动态错误、路径控制错误和其他类型的错误。需要强调的是，在准确装配检查任务的情况下，实时机器人重新校准装置和个性化离线编程方法（换句话说，系统考虑并补偿系统中每个机器人的不同误差）越来越重要，目前正在由本文作者以及全球许多其他机构进行研究。
在为灵活的装配和检查系统编程时，应该使动态操作调度系统（与实时的容量检查和平衡程序一起工作并与其他 CIM 数据库通信）能够从不同的替代装配和/或检查序列和/或替代生产路径中进行选择。
通常，针对智能装配检查系统，只要单元控制器有要求，无论它们是否由系统分析员或工艺规划师预先计划，检查操作应自动请求和执行。类似地，装配序列及其可能的替代方案最好是自动生成，或者在人力的辅助下生成，很好地利用前面提到的基于实体模型的 CAD CAM 数据库和嵌入到 CIM 架构中的专家系统。
3.系统中的单元工装和工具运输
正如我们之前所强调的，自动机器人换手，或者在单元级别上更换工具对于整体的装配系统提供所需的工艺路线灵活性和短工具更换（即，机器人换手）时间是非常重要的。
如果工业机器人在使用不同的工具时能够像人类操作者一样改变其末端执行器，那么它将变得更加通用，并允许小批量生产的自动组装，或个别产品混合在一起，主要是在专用机械不经济的领域。与专用设备相比，它使用的机器人也更少，因为机器人更愿意更换工具（即手），而不是分配许多不同的专用刚性组装头和其他设备的工作量[2,5]。
从反面来说，改变抓取器和机器人工具需要花费宝贵的时间，因此通过增加机器人化组装和检查单元的通用性和路径灵活性，往往会增加周期时间（除非不可避免的并行活动如零件更换，例如，用它编程）。平均而言，驱动臂到抓取器储存条的时间为几秒钟。然后，机械臂必须移动到部件给料站，这可能需要几秒钟。使用一个工具完成工作后，必须再次更换，这可能需要额外花费 2-4 秒（根据参考文献 2 中报告的经验）。
在系统级别上也会不必要地使用宝贵的时间，但形式不同。在这里，需要携带和更换整个刀库内容或根据实际需要部分更新工具库，在当前时间表的每个部分方案中描述。如果 AGV 能够拾取整个工具（即：机器人手），并且单元能够对接它们，则可通过使用基于 AGV 的部件运输系统经济地解决此任务。（通常，单元机器人自己负责更换工具的内容。即使在这项活动上花费了宝贵的生产时间，这可能是一个经济的解决方案。
在工业机器人上快速更换工具有不同的解决方案。这些方法包括：
- 将自动力工具储存在机架系统中，并具有标准机械接口，以便机器人能够以任何顺序轻松地拾取它们中的任何一个（图 1 和图 2）。
- 另一种方法安排工具周围气动索引或伺服驱动磁盘，或如果只有两个或三个工具在一个头， 彼此相隔30-90°。这种解决方案非常有效，因为工具或手指更换时间（根据作者执行的实验）可低至 0.5-1 秒。另一方面，主要的问题是这样的换刀器往往变得太大，从而阻止了某些操作由机器人执行。（在这种情况下，必须单独更换手指或工具，耗费更多时间。）
- 使用自动手动更换系统重新耦合整个手腕或动力工具（图 3 和图 4）。
图1
使用 IBM 7565 机器人组装模块化夹具，请注意图中左侧的自动驱动、自动更换工具（气动扳手），由作者和他在密歇根大学的 ME416 FMS 班学生设计。
图2
在模块化夹具的试验性灵活组装操作期间，自动操作的 nutrunner（即气动扳手）在运行中。
图3
照片显示了 Ranky 型自动机器人换手器（Mark 1I 版本），能够在 4 秒内自动重新连接不同机器人工具的 2 个 pneumatic 和 8 个电子接头。
图4
Ranky 型 ARHC 的关键组件之一是这些收集手指重新连接从机械臂到标准机器人工具接口的气动和电子电源。
由于自动机器人换手在柔性单元中非常重要，因此我们总结设计和选择机器人换手装置时最重要的标准是：
- 重量应足够轻，以避免降低机器人的负载能力。
- 纵向和轴向尺寸应足够小，以不限制否则可能进行的操作。
- 扭矩转移能力一般取决于工作，但通常应很高。
- 联轴器刚度通常与工作有关，但必须足以防止补偿臂的整体挠度。
- 可能的气动连接管路数量应至少为两条。
- 如果
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