产品的可装配性与产品的结构要素密切相关，主要包括材料、形状、连接方式、精度等。根据产品的装配工艺过程，可以对不同产品的设计对最终的装配工艺的影响进行分析。不同的连接方法一般还要求采用特定的装配工装和装配工具完成最终的装配，也对装配的工艺安排有一定的影响。......
2023-11-22
工艺力对产品的影响
【摘要】：图4.11三指机械手中工件的抛光工艺在图4.12所示的情况下，如果要从货架或底座上取下工件，则不能始终保证搬运系统定位的足够精度。图4.12从货架上取走工件补偿装置安装在机械手和搬运系统之间。图4.16FTC运动的可能性图4.17FTC传感器模块在装配阀体中的应用柔性和刚性传感器是有区别的。图4.18FTC传感器的剖视图图4.19FTC位置传感器测量原理这些传感器有不同的尺寸。
在搬运技术的特定任务中，可能会产生额外的工艺力，该力可以分为已知或可计算的工艺力和未知或不可预见的工艺力。
例如，在进行装配或加工操作时，这些力通过工件传递到机械手上。在一定程度上，可以预先计算这些力，并相应地选择机械手，有助于防止加工时工件的掉落。
在设计系统时，也可能会产生事先不知道的力，如在公差非常严格的货架上装夹工件时。这些力通常会导致工序中断，直到自动化系统的调试或启动阶段才被检测到。其他类似的挑战也可能发生，如由于工件的污染。下面，将仔细审视可预测的工艺力。
随着已知工艺力的引入，这不再仅仅是一个搬运问题，而是一个工件价值创造问题，即搬运过程转化为加工过程。对于抓取技术，这种工件加工工艺应始终单独考虑。这是因为除了实际的操作力外，机械手现在还必须承受工艺力。如图4.11所示，在抛光过程中，工件以作用力方向尽可能牢固地支撑在三指机械手的手指中。这种加工方式使机械手承受的力明显高于仅涉及搬运的情况。但是，即使是简单的装配或拆卸任务，也可能产生对工件和搬运系统都构成潜在风险的力。
图4.11 三指机械手中工件的抛光工艺（来源：SCHUNK）
在图4.12所示的情况下，如果要从货架或底座上取下工件，则不能始终保证搬运系统定位的足够精度。例如，搬运系统无法达到一定的放置精度。更精确的搬运系统可能会危及整个应用程序的经济效率。每次取料时，这些相对不准确的位置都会使工件和机器人臂受到可能损坏工件的力，并导致机器人长期磨损。机械手部件也会受到恒定负载的负面影响。被动补偿装置可以在X和Y方向上补偿搬运装置和工件之间的定位误差。
图4.12 从货架上取走工件（来源：SCHUNK）
补偿装置安装在机械手和搬运系统之间。该工作原理如图4.13所示，在机器人工具中心点与工件中心线之间的螺栓抓取点处显示偏移d。图（a）是一个极端的例子，说明了右爪指在完全闭合之前和补偿装置能够补偿图（b）中的偏移之前如何首先与螺栓接触。图（c）说明了机器人如何处理补偿装置以及机械手和工件，仍然显示偏移d。只有在补偿装置锁定后，才能在图（d）中纠正偏移。
图4.13 工作原理：补偿单元取走位置偏移的螺栓
然后，可以在机械手中以已知位置连接螺栓，工件的中心线与机器人的中心线对齐。补偿单元通常用于机器人不够精确的连接任务，用于放置工件。在装配之前，将装置切换到“柔性”位置，补偿因部件不准确造成的偏移。
根据设计的不同，这种补偿装置可以补偿毫米范围内的偏移量，角度偏移为几度。
除了用于在补偿过程中锁定补偿装置（通常通过气动方式），锁定功能还使得机械手在搬运过程中不可能相对于搬运系统移动。这对于空间条件很重要，因为它可以帮助防止碰撞。因此，也可以通过传感器检测锁定功能，以确保气动系统有效工作。
Z方向的补偿也可能是必要的。在这种情况下，有一种特殊的补偿装置可以向Z方向移动。图4.14显示了这种基于弹簧元件的补偿装置的设计，没有弹簧的补偿装置基于弹性体。每种设计在尺寸、质量和价格上都有其优势。为了选择理想的解决方案，用户有必要就应用与制造商协商。补偿单元没有计算模板，就像抓取过程一样。
图4.14 Z方向的补偿单元（来源：SCHUNK）
在装配过程中连接部件时，避免对移动顺序进行严格的编程总是有帮助的，因为这可能会在连接过程中损坏部件，或者如果部件无法装配在一起，则会导致装配过程停止。
被动式插入装置是确保工艺可靠设计的一种手段。
图4.15显示了手动装配过程和使用技术解决方案的比较。技术解决方案的实现方式与手动解决方案类似，通过手指的触摸感来感觉工件和底座的配合位置。手指轻轻松开工件，让它找到正确的位置。原则上，这与安装在机器人臂和抓手之间的补偿装置的工作方式相同。
图4.15 人工与机器人执行连接工序的比较
1-机械臂;2-机械装配;3-机械手快换系统;4-机械手基爪;5-工件:6-基座;7-机械手手指;8-传感器单元。
机器人的重复精度当然比人类高，并且可以在0.1 mm内找到精确的连接位置。然而，连接操作通常是“无响应”的，本身就是工件和臂上的应变。与连接相关的工艺力在这里是未知的，机械手臂不能适应它们。
许多测量技术可用于帮助检测这些工艺力。这里只包括那些与搬运链中可以模块化集成的组件兼容的测量技术。在工件加工过程中检测工艺力有助于过载保护，并且越来越多地被用于过程控制和质量保证。现代机器人控制系统在控制单元上提供快速的传感器输入，允许机器人通过回避编程的工件行程，实时对过大的接触力值做出反应。稳定的接触力可确保记录的加工质量一致，并可使用记录的传感器数据进行跟踪。
此外，通过检测抛光轮上的均匀接触压力，可以自动调整机器人的运动路径，如沿着工件的循环。这意味着不必为工件几何中的每个轮廓变化编写新程序，从而减少了工件变化所涉及的编程工作。
这种过程数据采集模块的一个例子就是所谓的可折叠车顶控制（FTC）（图4.16）传感器模块（图4.17），它可以安装在机械手和搬运设备之间。
其作用是记录平移运动方向上的力和各个方向上的倾斜力矩，并在毫秒内将这些数据传输到搬运设备的控制单元。
图4.16 FTC运动的可能性
图4.17 FTC传感器模块在装配阀体中的应用（来源：SCHUNK）
柔性和刚性传感器是有区别的。柔性传感器由安装在内核上的二极管等元件组成，这些二极管通过光圈向光敏传感器发出光。如果二极管芯核相对于配有接收器的外环倾斜，则位置变化会转化为电信号。这些数据被转换成运动学数据，如果知道集成弹簧组的反作用力（图4.18中的5），则该数据构成计算力和扭矩的基础。在FTC移动传感器的横截面上可以看到这些弹簧组（图4.19）。
图4.18 FTC传感器的剖视图（来源：SCHUNK）
图4.19 FTC位置传感器测量原理
这些传感器有不同的尺寸。图4.19所示的传感器可以检测到高达300 N的力和高达15 N·m的扭矩，同时考虑到要测量的力和扭矩的方向。传感器允许的工件位移在X、Y和Z方向最大为±1.4 mm，在旋转方向最大为±1.4°。 传感器可以像补偿装置一样锁定。在这种情况下，可以选择一个气动执行机构来防止移动，例如，机器人和机械手以及工件共同进行快速移动时。在此移动过程中无法进行测量。
通过使用应变计（DMS）从而可以吸收力和扭矩的传感器提供了一种替代有缺陷的弹簧力测量传感器的可能性。根据力的方向，可以在计量杆上应用DMS技术。
图4.20所示为不同型号大小的FT传感器，图4.21所示为力和力矩传感器固定时的测量原理。
图4.20 不同型号大小的FT传感器（来源：SCHUNK）
图4.21 力和力矩传感器固定时的测量原理
基于这种测量原理的工业传感器组件可以覆盖8～40 000 N的负载测量范围。它们可以检测到的力分量fx、fy和fz的分辨率高达1/320 N，扭矩分量mx、my和mz的分辨率高达1/8 000 N·m。当结合内置温度补偿作为标准时，工序流中的这种高水平测量精度可在较大的温度范围内保持，即使在温度波动的情况下也能使用。现代组件提供各种接口和测量范围，用于连接和分析记录的测量结果。
这样，即使在不同的应用中，也能保持机器人工作站的柔性。
一个实际的例子是，生产的板件（钢板）包含不可见区域的变形，其表面质量和表面粗糙度参数对随后的深度冲压工艺的结果至关重要。机器人能够巧妙地抽出成品板材，即具有精细表面结构的板材，准备好并由检验人员进行检验。
图4.22所示为FT传感器中的电路元器件。
图4.22 FT 传感器剖视图以及对应的电路元器件 （来源：SCHUNK）
定期检查垂直回火辊架的目的是检测板材或辊介质上的不规则性，这些不规则性可能在较长的距离内影响整个批次的产品。首先，在开卷机芯轴周围包裹几米厚的纸；然后，将板材撑平使其具有张力，并在整个板材宽度上稍微研磨1 m长的长度。
磨削机器人正越来越多地用于最初的磨削工作，这些工作最初是由人工完成的。机器人首先将磨石与板材平行，其倾斜角度约为45°，根据角度高度不同，倾斜角度也不同。然后，机器人在由传感器控制的整个板材宽度上移动。接触压力保持在40 N左右，大致相当于检查员手动初始研磨的力。因此，减轻了检查人员的负担，因为该区域很难进入，这也大大提高了初始研磨的可重复性。机器人在大多数板材上都能完美地完成任务，因此检查员只需目视检查地面，并对任何潜在的非常规现象进行分类。
目前，约80%的板材的初磨是自动化的。机器人需要约5 min的时间完成研磨过程。只有较厚的薄片在磨削过程中可能会经历残余应力的突然重新分布，即所谓的快速作用效应，传感器还不能对其进行处理。对于非常高质量等级的要求，如对于非常薄的板材，板材的张紧部分可能会发生振动，要求机器人进行大幅度的调整，降低磨削速度。
下一步是进一步优化打磨模式的加工时间和质量，以便将来在此类系统上使用解决方案，因为只有有限的时间段可供检查。关于配备自动化表面检查的可能性的讨论已经在进行中，由于错误检测的技术复杂性，到目前为止还不可能实现自动化表面检查。因为所有的机器人应用组件都是标准化的——从传感器到软件——模块化解决方案可以非常有效地传输到其他具有类似要求的应用。
图4.23中的研磨机器人以精确测量的力撞击张紧薄板的表面，产生均匀的打磨模式。安装在机器人和钢表面之间的力-力矩传感器将参数传递给机器人控制系统。
图4.23 由机器人进行的初始打磨工序（来源：Becker Automation）
难以接近的情况和可用的自动化系统上缺乏重建可能性使图4.24中机器人的装配工序复杂化。然而，研磨机器人大大方便了检查员的工作。由于传感器的存在，研磨结果的质量是可复制的，可以与手动打磨相媲美。它甚至可以检测到钢板表面最小的不规则。
图4.24 初始打磨工序的组件装配（来源：Becker Automation）
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