柔性夹具装配中的六自由度可重构机械手设计.docVIP

文献出处网址： /Xplore/login.jsp?url=http%3A%2F%2F%2Fiel5%2F7916%2F21826%2pdfauthDecision=-203 文献出处翻译示例: /other/ieee.htm 柔性夹具装配中的六自由度可重构机械手设计 Benny H. B. Yeung and James K. Mills, Member, IEEE 摘要:本文主要描述了基于使用柔性夹具(FFA)的机器人的六自由度重构机械手的设计过程。对于传统夹具来说FFA是一种新的技术，例如在汽车车身装配中，对零部件的夹持和装配多采用多爪机械手机器人来取代传统夹具。而本文的目标就是设计、制造并测试用于FFA的可重构机械手。这种机械手可以精确快速的夹持不同形状的部件，并能选择适合的点进行夹持以便有足够的空间来让焊枪进入。这种新的三爪机械手的整体设计过程可以分为概念，配置和参数化设计包括扭转系统的计算、运动仿真和机械设计。每个爪都有两个可动关节并和夹持部件有两个接触点。并通过有限元法来分析机械手部件在载荷作用下的模拟挠度从而确定相关关键设计参数。最后就得出了机械手的工作和运动模型。并对金属机械手在夹持汽车车身面板时的性能进行了测试。得出重构机械手可以实现其所被要求达到的效果。 关键词：设计自动化，灵巧机械臂，有限元法，柔性制造系统，机器人运动学 I.绪论 本文主要论述了在当今汽车制造业中柔性夹具(FFA)的发展逐渐取代了传统固定夹具。在装配中使用传统夹具不仅费钱而且制造和安装都需要很长的时间。而这种新型可重构机械手的FFA技术，不但可以进行夹持处理同时还能起到固定板的作用。而本文主要针对FFA技术设计出相配套的多爪可重构机械手。 在汽车制造业中，传统的夹具被认为是汽车车身装配中最基本的安全和精确的定位装置。当零件被一个或多个专用夹具夹在一起后，焊接机器人就可以将其焊接起来形成组件。而针对每个钣金件装配都必须设计出唯一的夹具。但当和柔性夹具系统相比时，为装夹不同几何形状的零件而设计和制造的专用夹具的费用将是巨大的，因为它的设计过程相当复杂并且需要新的夹具模型还有就是其生产线也发生了改变。这样的一个典型装配厂的夹具从设计、制造到安装的费用大概是每年$100万到$200万[2]。 一种被称作FFA的新技术就很有效的解决了这个难题。在FFA机器人工作单元中，被绑在一起的钣金零件只需简单的放置在大体的位置就可以。然后通过可重构机械手每个机器人夹持钣金零件的一部分，从而实现精确空间定位同时避免由夹具夹持所带来的零件变形。当别的机器人需要对其进行装配时，机器人之间还可以很好的实现交接。当然需要焊接的地方还必须有足够的空间来来让安装在机器人上的焊枪进入。通过这种方法就不再需要传统的固定夹具了。在采用可重构机械手的装配过程中，夹具再也不需要随着不同的零件大小和形状的改变而改变了。在为一个新车模型装配不同零部件时唯一需要修改的就只是为机械手和机器人控制软件编写新的编程。在FFA零件处理机器人工作单元中，机器人机械手必须具备以下的能力： 1)能夹持各种不同形状和大小的零件； 2)在夹住零件后可以实现快速固定； 3)将零件固定在可以和其它绑定零件进行交换的地方。 总而言之，机械手必须能提供和常规夹具相同的功能同时还要实现可重构机械手的功能。这样的要求需要一个非常规的设计并且不可避免的会增加整个系统的复杂性。虽然这种复杂会很不利的导致成本的增加，但传统固定夹具的成本更高。 虽然现在有许多关于机器人的设计方法，但关于机械手的设计流程和准则方面的出版物还是比较少的。文献3也提出了一套相应的机械手设计准则，但是也只是针对简单几何形状的零部件的夹取。尽管如此，这样一些简单设计、形状较小、较轻且是刚性规则零件在本文中还将被提及。在确定可重构机械手的详细设计过程前必须对汽车覆盖件几何形状以及零部件的定位理论进行详细研究。而其设计方法将在第三部分进行详细的讨论。 本文共分五个部分。在第二部分将讨论机械手设计理念和设计规格提出的背景。第三部分对可重构机械手的设计过程进行了阐述。接着第四部分对机械手的性能进行了检测。最后第五部分对本文进行了一个总结。 II.背景 在这一部分，主要涉及了可重构机械手设计的相关书籍和理论。整个设计过程是基于各类型的机械手的夹持理论。而物体夹持这一概念也不断的在发展。接着概述了现有的可重构机械手的设计和汽车零部件装夹技术最后对机械手设计的规格和要求进行了一个总结。 A.物体夹持 为了可以用可重构机械手夹持零部件，首先夹具必须先要固定。 对于刚体来说，自由度(DOF)就是指为了让物体保持特定位置和方向所需要限制的独立参数个数。一个无约束的非平面物体有6个自由度（三个移动和