'5 15 Y ..s
0 )
HET ONTWERPEN VAN GRIJPERS EN HOUDERS T.B.V. INDUSTRIELE ROBOTS Door: L.C.W.M. Geujen Rapportnr.: 0302 Juni 1986
Opdrachtgever Docent Segeleider Gekommiteerde Afdeling Vakgroep Groep Afstudeerperiode
H.T.S. Venlo Ir. G.S.J. Peters Ing. H. Bultsn
Prof. Ir. J. van 8ragt Werktuigbouwkunde THE Produktietechnologie en Automatisering Sedrijfsmechanisatie 660306 - 860618
JI-
...........,..
-
. ._ _ "11 . . . ""'. .' I
• ir 'er¥o controlled, .ss.-bly hand with quick change fingertips de¥ice
.....
INHOUO$OPGAVE
ondetwerp
pagina
Voorwoord Opdracht Samenvatting - Nederlands - Duits 1.
Inleiding
Voorstudie Literatuuronderzoek naar de ontwerpaspekten 2. 1 • 1 Ooel 2.1.2 Werkwijze 2.1.3 Resultaten eisen ten aanzien van de ontwerpcatalogus - een beschrijving van de ontwerpaspekten 2.
-1-
-3-
2.1
2.2 2.2.1 2.2.2 2.2.3
Onderzoek naar de vorm van de ontwerpcatalogus Doel Werkwijze Resultaten - hat opstellen van een specificatie - voorbeelden uit de literatuur 2.2.4 Conclusie - consequentie van de doelstelling - het opstellen van een menu
-5-6-8-
-1D-1 1 -
-13-
3.
Conclusies en aanbevelingen
-15-
4.
Literatuurlijst
-16-
Bijlagen
1. Beschrijving van de verzamelde ontwerpaspekten 58 pagina's voorzien van een inhoudsopgave en literatuurlijst 2. Ontwerpen op maakbaarheid en montage Prof. G. Boothroyd [8] 4 pagina's 3. Expert system guides CAD for automatic assembly Colin Runciman 4 pagina's 4. Een voorbeeld van een uitgewerkt flowchart 7 pagina's
..
VOOfWOord
Dit afstudeer-rapport vormt een samenvattend overzicht van het verrichte onderzoek dat is uitgevoerd om mijn studia aan de H.T.S. - Venlo. afdeling werktuigbouwkunde. te completeran Het onderzoek werd uitgevoerd bij de vakgroep Produktietechnologie- en Automatisering. groep Badrijfsmechanisatia. van de afdeling Werktuigbouwkunde aan de Technische Hogeschool te Eindhoven. Ik wil graag iadereen bedanken die een bijdrage geleverd heeft aan hat onderzoek. In hat bijzendar gaat mijn dank uit naar ing. H. Bulten an ir. G.S.J. Peters veor hun motiverende an aducatieve begeleiding.
juni
1986
L.C.W.M. Geujen
I.H.B.O. - Venlo/H.T.S. Afstud.eropdracht Bedrijf: THE
Code Datum Afdeling Student Docent Begeleider Gekommitteerde:
wa6-Ui
januarie 86 W
Geujen Ir. G. Peters Ing. H. Sultan Prof.lr.J.v.8ragt
Titel: Grijpers en houders t.b.v. industriele robots
Projektomschrijving: Voor industriele robots dienen voor diverse toepassingen grijpers en houders te worden geconstrueerd. T.b.v. de ontwerpers van deze grijpers en houdars dient een onderzoek te worden verricht am te verkrijgen: - een 5ystematische indeling van grlJpers en houders - het uitwerken van ontwerp- en funktieaspekten die van belang zijn Het onderzoek dient te worden afge5loten met een eindver5lag dat als leidraad kan fungeren bij het construeren van grijpers en houders.
Samenvatting
Gedurende de afstudeerperiode is er een voorstudie verricht am een catalogus op te stellen dat als 1eidraad kan fungaren bij het ontwerpen van grijpers an houders ten behoeve van industriele robots. Tijdens hat ondarzoak ward a1 snel duide1ijk dat het gekozen onderwerp zeer omvangrijk is, getuige da vele uitvoeringen van da robotgrijpers en -houders. Zoals uit hat bovenstaanda blijkt z~Jn er invload op hat ontwerp, vandaar dat eerst moest worden in de ontwerpaspekten van de Uitgaande van dit inzicht kon de vorm van den.
veel faktoren van een inzicht verworven robotgrijper en -houder. de catalogus bepaald wor-
In dit rapport worden de resultaten van hat onderzoek samengevat weergegeven. Het rapport dient als basis voor aen varvolgstudie naar de ontwerpcatalogus voor grijpers an houders ten behoeve van industriala robots.
Zusammenfassung
Wahrend der Oiplomperiode ist aine Vorstudie geleistet nach dem arstellen aines Katalogen der zum Leitfaden gebraucht werden kann bei dem Entwurf von Graifern und Haltern fur Industrierobotar. Wah rend der Untersuchung wurde schnell deutlich dass der gewahlter Objekt sehr umfangreich ist. wenn mann die viele Ausfuhrungen der Robotergreifern und -Halter in Anbetracht nimmt. Wie sich aus dem Vorgehenden herausstellt sind viele Faktoren von Einfluss auf dem Entwurf, deswegen musste an erster Stella einen Einblick in die Entwurfaspekte dar Robotergreifer und -Halter errungen werden. Hit Hilfe dieser Einblick konnte die Form des Katalogen bestimmt werden. In diesar Bericht wird eine Zusammenfassung gegaben von den Resultaten der Untersuchung. Oer Bericht soll einen Grundlage bilden fur eine weitere Untersuchung nach einem Entwurfkatalog fur Greifer und Halter ~ur Industrieroboter.
-1-
1.
In1ei~in9
Bij het ontwerpen van rObot-system.n blijkt hat ontwerpen van een grijper of houder de meeste problemen te geven. Het maakt niet uit hoe geavanceerd de robot-arm is. als de grijper of houder niet geschikt is voor de taak. kan deze niet naar tevredenheid worden uitgevoerd. waardoor het hele robot-systeam niet maer voldoat. cen universele grijper is lang een wens geweest en in de loop der jaren zijn er diverse complexe grijpersystemen ontwikkeld, waarbij de menselijke hand, met zijn 32 vrijheidsgraden en zijn duizenden positie-, kracht- en temperatuur-sensoren. als voorbeeld heeft gediend. Het niet perfekta technische model van het biologische exemplaar dat tot nu toe ontwikkeld is, is zwaar, onhandig en duur. Het is daarom beter om grijpers af te stemmen op specifieke taken. Ze moeten modulair en verwisselbaar zijn. Het aanpassen van de grijper aan ean specifieke taak brengt veela1 beproevingen met zich mee, voordat ze in de praktijk bruikbaar zijn. Oit leidt tot kostenverhogingen. Het gebruiken van hulpmiddelen bij hat ontwerpen kan deze kosten drukken. fen ontwerpcata1ogus is zo'n hulpmiddel. In het begin van het onderzoek ging de gedachte uit naar een catalogus waarin de volgende punten zouden zijn opgenomen. - een systematische indeling van robotgrijpers en -houders - een uitwerking van ontwerp- en funktieaspekten die van belang zijn. Gedurende de afstudeerperiode is verder doorgedacht over de wijze waarop een dergelijk verslag als leidraad kan fungeren voor het antwerpen van grijpers en houders. Dit heeft geresulteert in een vooronderzoek naar het opstellen van een ontwerpcatalogus. De voorstudie is op te splitsen in twee stappen. - Oe eerste stap bestaat uit een literatuuronderzoek naar de ontwerpaspekten van de robotgrijper en -houder. Figuur 2 (pag. 1) geeft een overzicht van alle verzamelde ontwerpaspekten. Een korte toelichting op elk van deze aspekten is te vinden in bijlage 1.
-2-
Tijdens het onderzoek is vastgesteid dat er telkens verschillende faktoren van invloed zijn op het ontwerp van de robotgrijper of -houder, wat blijkt uit de grote hoeveelheid verschillende uitvoeringen die in de praktijk aan te treffen zijn. Het hieruit voortvloeiende probleem is: welke vorm moet een ontwerpcatalogus hebben opdat het een, voor de constructeur, bruikbaar hulpmiddel is. - Tijdens het tweede deel van het onderzoek werd dieper op deze vraag ingegaan. In eerste instantie werd gedacht aan een kant en klare ontwerpcatalogus die de constructeur zonder meer kan gebruiken voor het maken van iedere grijperconstructie. Het zou gedetailleerd moeten zijn. Echter deze opzet zou slechts leiden tot een complex Ieerboek waarin onderwerpen als kinematica en materiaalkunde een plaats zouden vinden. Een dergelijke catalogus zou niet aIleen te groot worden maar ook te omslachtig zijn om ermee te kunnen werken. Uit deze beschouwing kon de conclusie getrokken worden dat de ontwerpcatalogus zich moet beperken tot de specifieke grijperaspekten en niet moet uitwijden over algemeen werktuigbouwkundige zaken. Een dergelijke catalogus moet tevens gebruikt kunnen worden om een ontwerper van produkten of van gereedschap te duiden op speciale aanpassingen die hij in zijn ontwerp kan verwerken, opdat het makkeIijker met de grijper gehanteerd kan worden. Een optimaal produkt- of gereedschapontwerp bespaart de construkteur van een robotgrijper of -houder veel moeite en dus ook kosten . Zoals gezegd bevat dit verslag de resultaten van de voorstudie. Achtereenvolgens zal voor beide delen van het onderzoek het doel, de werkwijze en de resultaten besproken worden. Verder zullen nog enkele conclusies getrokken en aanbevelingen gemaakt worden voor het aansluitend onderzoek. Opmerkingen 1. Daar waar gebruik gemaakt is van gegevens uit de literatuur wordt dit vermeld. Om op een eenvoudige manier naar de gebruikte literatuur te verwijzen wordt gebruik gemaakt van haakjes met een nummer, bv. (1]. Het nummer correspondeert met het nummer van het boek op de literatuurlijst achter in het verslag. 2.
de eenvoud van het verslag zal daar waar produkt en gereedschap bedoeld wordt gesproken worden over component en daar waar robotgrijper en - houder bedoeld wordt slechts gesproken worden over grijper. V~~r
-3-
2. 0, yoor,tudi.
loals in de inleiding is vermeld is het onderzoek in twee stappen opgede.ld, te weten: 2.1 een literatuuronderzoek naar de ontwerpaspekten van.de grijper 2.2 een onderzoek naar de vorm van de ontwerpcatalogus
2.1 H,t lit.r,tyuroDd'rzptk D"r d. oDtwtrp •• D.kt.n 2.1.1
~
Oit onderzoek was erop gericht om ontwerpaspekten te verzamelen en te rangschikken, zodlt niet alleen .en overzicht van, maar ook eerl inzicht i.n de materia gek.z'.ejl.r:1 kon worden_ 2. 1 .2 Werkwl.;ze Om doelgericht te werken, om op te letten dat ar Diet teveel tijd aan een bepaald onderwerp bestead wordt en om het onderzoek makkelijk ta kunnen bijsturen werd gebruik gemaakt van een methode die gebaseerd is op de projektplanning van v. Bragt (zie [1]). Figuur 1 (pag. 4) geeft deze werkwijze in grote 1ijnen ..eer. 2.1.3 Resultaten
. Zoals uit figuur is op te make~ is, heeft het eerste deel van het onderzoek twee resultaten opgeleverd, te weten: a. een lijst met eisen ten aanzien van de ontwerpcatalogus b. een beschrijving van de.ontwerpaspekten.
-4-
orienta tie vaststellen doel en werkwijz
plannen van de werkzaamheden
uitvoeren van de geplande werkzaamheden verzamelen van literatuur bij hat onderwerp • verzamelen en rangschikken van grijperaspekten · dieper onderzoeken van bepaalde aspekten
bespreking met begeleider(s) • checken van de vordaringen • bespreken van de knelpunten · opstellen van eisen t.a.v. de ontwerpcatalogus
sa
ja lijst met eisen t.a.v. de ontwerpcatalogus (zie 2. 1 . 3 a)
beschrijving ontwerpaspekten (zie 2.1.3 b)
figuur 1: werkwijze bij het literatuuronderzoek naar de ontwerpaspekten van de grijper
-5-
a. Eisen ten aanzien van de ontwerpcatalogus Tijdens de gesprekken met de begeleider(s) zijn enkele eisen naar voren gekomen, waaraan een ontwerpcatalogus zou moeten voldoen. Deze eisen vormen de basis voor het onderzoek naar de vorm van de ontwerpcatalogus. De volgende eisen werden geopperd: Zowel de onervaren als de ervaren constructeur moet gebruik kunnen maken van de ontwerpcatalogus. De onervaren construkteur beschikt het liefst over gedetailleerde documentatie. terwijl de ervaren constructeur reeds genoe9 heeft aan een checklijst, zodat hij kan controleren of hij geen belangrijke punten bij het ontwerp vergeten is, waardoor hij een volledige specificatie krijgt. De catalogus moet een systematische en overzichtelijke ingang gaven in het ontwerpen van grijpers. Het overzicht is noodzakelijk voor een duidelijke analyse van het grijpprobleem. De duidelijke struktuur is nodig om een goede synthese te kunnen maken. De informatie moet snel toegankelijk en gemakkelijk te hanteren zijn. De nadruk moet liggen op specifieke grijperproblemen en niet op algemeen werktuigbouwkundige zaken. De aspekten moeten niet te ver uitgediept worden, want op die manier is men bezig leerboeken te schrijven. De aspekten moeten kort maar krachtig toegelicht worden en daar waar het nodig is moet verwezen worden naar bijbehorende literatuur voor verdere gedetailleerde informatie. De catalogus moet een getrapte opdeling bezitten. De belangrijke kenmerken van de grijper moet in meer gedetailleerde kenmerken opgesplitst worden. De catalogus moet een verzameling van speciale grijperuitvoeringen bevatten die een oplossing bieden voor speciale grijperproblemen. De catalogus moet duiden op het vereenvoudigen van het grijperontwerp door het aanpassen van de component.
-6-
b. fen beschrijviog van de ontwerpaspekten. De beschrijving (zie bijlage 1) gaat uit van het overzicht op pag. 7. Gezien tegen de achtergrond van de eisen die aan de ontwerpcatalogus te stellen zijn kan met betrekking tot het overzicht de onderstaande punt en opgemerkt worden. Het overzicht bestaat uit aen rangschikking van de uit de literatuur verzamelde ontwerpaspekten. Het mag duidelijk zijn dat de indeling niet gelijkwaardig is. De hoofdkenmerken van de grijper zijn in het ovarzicht niet van de meer gedetailleerde of afgeleide kenmerkan te onderscheiden. De indeling is niet geIijkwaardig en bevat tevens geen struktuur. Een struktuur is noodzakelijk om onderlinge verbanden tussen de ontwerpaspekten aan te geven. De grijper vormt altijd een onderdeel van een geautomatiseerde machine en zal daarom duidelijk hierop moeten worden afgestemd. Haast de in het overzicht genoemde groepen van grijperaspekten kan er nog duidelijk een andere groep onderscheiden worden. Namelijk de werkplek, de omgeving van de grijper speelt een belangrijke rol. De omgeving legt veelal grate beperkingen op aan de te antwerpen grijper.
-7IONTWERPASP~KTEN VAN DE GRIJPERSI
iii IilTTfl•nni,
I.
~g:
1.1
atmetingen a geometric b. special. kenmerkefl
1.2
1.3
‘.4 1.5
I.’
2
Robetp.eekten
3.
sriioerssoekten
6. Aso.kt.n van a tee- •n afverimriehtjno
5.
Flexibiliteit
2.1
hanteergewicht
3.1.
4.1 de masimale plaatsings-Iopneemkracht
5.1
redenen voor fletibiliteit
2.2
b.w.gingsverloop a. maicimale yersoelling en y.rtragiflg C. ber.ilcbaarheid positie C. uityoerbaarheid beweging
opsluitiflg van de component a. kTaChtSlUjtjflg C. vormiluiting
4.2 toegank.la3khea.d inrichting
3.2
*1 ui tkrachtgroot te
4.3 geordende of ongeordend. toevoer
3.3
aantal gri~psrelementen
5.2 •anier.n voor vergroting fleacibilit.it 5.2.1 gri)persnstelling 5.2.2 meervoudige grijpers 5.2.3 complianti.
3.6
gra)pergewiCht
3.5
procesbewalcing mbv.sensora a. voortgingscontroi.. C. Cijaturing
3.6
rep.teeronnauwlceuraghnd
3.7
werkomstandigheden
3.0
opbouw a. modulair C. specifiek
eateriaal a. elasticiteit b brosheid C. magnetism. onnauwkeorigheld a. vorm.onnaUwkeurigheid C. massa_onnauwlceurlgheld C. finishing onnauwkeurightid C vorm_onnauwkeUriQhttd lot. de temperatuu
onnauwnurigheid a. positioneren C. repeteren 2.4
aansturing gTIjPCT
2.5
Icoppeling a. .enduidigheld bevestigiflg C. gri)perverwisseling
aggregati .toes tand oppervlaktegesteldheid a. globale Iceuze grijpmethodt C. go.dIc.ur produkt
2.6
omst.lti~d.n a. gemak grljperverwisSeliflg C. eenyoud van aanpasa.n of verwisselen progra.wI.~
5.2.1 griiperinst.J.ling
aantallen componenten 3.9
I.?
invloed t.mperatuur op a. grijp.ruitvO.r,ng C. welalagen proces
i.e
meerdere onderdelen
veiligheid a. overbelaating en b.schadigin~ C. componentverlies c. operator
3.10 onderhoud 3.11 kJ..nm.ethoden 3.11.1 mechanhsch 3.11.2 magn.tisch 3.11.3 ond.r—Ioverdruk
I. wanneer
5.2 3 compliant,.
2. aJ.gemeen
1
3. problemen Ci) instelling
2. waarom
4. manieren a. handmatig I. aanpassing spanvlalcken 2. instellen spanvlakken 3. ,.nstellen spankrachtgrootte C. automatjsch I. goede gri)pereigenschappen 2. minimale inateltijd 3. sensorgestuurde instelling gn)pervlakken 4. groot instelbereili spanlcracht
3. actieflpassjec
dod
5.2.2 meervoudipe orilpers
I. toepassingen 3.11.1 Mechaniscl,
J.fl.Z Maefaetksfl
I.
VOOrd.1.n
I.
wool- en nadelen permanent magnet
2.
madden
2.
voordelen elektromagneet
3.
vi ngergri ~per
3.
2. madden
4.
UltvOering spanvlalc a. instelbar. gri3pbek b. Uitwlsselbar. gra3pb.k C. vormaanpass.nd. gri~pb.k d. Meervoudige grijpb.k
magnetische hantering a. magnetische eigenschappen C. minimal. spleet C. oppervlakt.conditie
4.
kenmerlcen wnagn.tische kracht
4. begrenzing toepassingen
S.
tenperatuurbereilc
5.
6.
uitvoering grijper a. inwendig of uitwendjg C. meervoudig aandri2ving ipanbeweging a. pneumatiach C. hydraulisch C. elektrisch
7.
aandrijfel.msnten
S.
•t.3fh.id m.chanhsn,.
S.
5panb~weglngen
to. II. versterken kracht I,. koppeling 13. glpaarde elementen
3.11.3 Onder- of nerdruk
A. Onderdruk I
.
voordelen
3. toepasaingen
5. eAten aan component 6. onderdrulc door
S. Overdruk inwendig of uitwendig gri)p..
2. eanieren a. multigri)per I. toepassing 2. mogeli3lcheden C. wisselsyateem I. toepaas,ng 2. redenen voor verwisseling 3. nadelen 4. manieren a. handatatig I. toepassing 2. belangrijke aspeicten C. sutomatiach I. toepassing 2. manieren a. carroussel C. magazi)n
-1-
2.2 HIt onderzoek naar de voT! yan de ontwerpcatalogus
2.2.1
~
Het is belangrijk vast te stellen wat een constructeur wil doen met een ontwerpcatalogus en welke vorm die daarom moet krijgen. 2.2.2 Werkwiize Om duidelijke eisen t.a.v. ean ontwerpcatalogus te kunnan formularen moest er een onderzoek verricht worden naar: - de grate lijn die een constructeur volgt bij het ontwerpan van een grijper - het doel van een ontwerpcatalogus - de vormgeving van aen ontwerpcatalogus Zoals reeds in de inleiding is gesteld was het bepalen van de vorm van de ontwerpcatalogus een knelpunt in het verrichtte onderzoek. Om tach voldoende informatie en nieuwe aanknopingspunten te krijgen ben ik met verschillende deskundigen gaap praten. Tijdens de gesprekken zijn diverse interessante gezichtspunten naar voren gekomen die in het vo!gende zijn verwerkt. Figuur 3 (pag. 9) geeft aan op welke wijze er gewerkt is. 2.2.3 Resultaten Tijdens het onderzoek is een inzicht verworvan in de wijze waarop een grijperontwerp tot stand komt. Bij het ontwerpen kan grofweg onderscheid gemaakt worden in 3 stappen. 1. De eerste stap wordt gevormd door hat opstellen van een duidelijke specificatie. Uitgaande van het gestelde ontwerpprobleem wordt een lijst van eisen en randvoorwaarden opgesteld waaraan het te realiseren ontwerp moet voldoen. 2. Uitgaande van deze specificatie moat een aantal alternatieven opgesteld worden. Hierbij moet gebruik gemaakt worden van creativiteit en inventiviteit. 3. Uit de alternatieven maakt men een keuze die men vervolgens optimaliseert (belangrijk is het optimaliseren van de techniek in combinatie met de kosten). Tijdens het ontwerpen moet er een terugkoppeling mogelijk zijn zoals in figuur 4 (pag. 9) is aangegeven.
-9-
( start) I
•
orienta tie
vaststellen doel en werkwijze ~
plannen van de werkzaamheden
uitvoeren van de werkzaamheden . vaststellen grate lijn bij antwerpen bepalen doel ontwerpcatalogus bepalen vorm ontwerpcatalagus
bespreking met begeleider(s) harzien visia ontwerpcatalogus •
/
L
specificatie ontwerpcatalogus
figuur 3: de werkwijze bij het ontwikkelen van een specificatie van de ontwarpcatalogus
,
1. apstellen
specificatie
~
... 2.
opstellen van alternatieven
figuur 4: de grote lijn van hat ontwerpen
I
3. optimaliseren
keuze
-10-
Het oostellen van aen specificatie Figuur 5 geeft aan wat er zoal bij hat opstellen van aen specificatie komt kijken.
formuleren probleem
~--
analyseren
struktureren
figuur 5: hat opstallen van aen specificatia Hat opstellen van een of meerdere specificaties begint met hat duidelijk formuleren van het ontwerpprobleem. Omdat het probleem vaak te complex is moet het in kleinere stukken worden onderverdeeld. Een analyse van deze deelproblemen levert randvoorwaarden oP. die aangeven binnen welke grenzen er naar de oplossing van het probleem moet worden gezocht. Naast deze randvoorwaarden kunnen er ten aanzien van het ontwerp enkele eisen worden opgesteld. Omdat niet aIle randvoorwaarden en eisen even belangrijk z1Jn is het nodig om hierin een rangschikking aan te brengen (struktureren)~ De randvoorwaarden en eisen die de maaste restricties opleggen aan hat te realisaran antwerp zijn daarbij de voornaamste.
-11-
De te stellen eisen zijn onder te verdelen in: - vaste eisen waaraan het ontwerp zeker moet voldoen omdat het anders niet bruikbaar is - variabele eisen die tijdens het ontwerpen nog veranderd of aangepast kunnen worden - wensen ten aanzien van het antwerp die slechts een grotere waardering van hat ontwerp opleveren als ze erin verwerkt zijn. Door de rangschikking van de eisen en de randvoorwaarden kunnen er enkele specificaties worden opgesteld. De specificatie vormt de basis voor het antwerp. Hat grate voordeel van een duideIijke specificatie ligt voor de hand. Door een grondige analyse van het ontwerpprobleem is hat niet aIleen duidelijk wat men precies wil gaan ontwerpen, maar ook waaraan het antwerp moet voldoen.
-12-
V09rbeelden uit de literatuur Er zijn in de literatuur verschillende voorbeelden aan te treffen van ontwerpcatalogussen. Binnen het kader van dit verslag zullen daarom ankele van deze in het kort ter sprake komen. Een van de mensen die zich op dit gebied verdienstelijk gemaakt hebben is K. Roth [3]. Het doel van zijn ontwerpcatalogussen is de belangrijke kenmerken van de gekozen onderwerpan eruit te lichten en steeds weer bruikbare oplossingen en variatiemogelijkheden overzichtelijk weer te geven. In de praktijk wordt zo'n catalogus toegepast om: - het spectrum van mogelijke oplossingen te vergroten - de keuze uit bijzonder geschikte oplossingen te vergemakkelijken - het systematisch gericht werken te ondersteunen. Onder laiding van prof. Boothroyd (8] is het UMass-systeem ontwikkeld (zie bijlage 2). Oit systeem heeft als doel onderdelen te classifieeren naar hun geschiktheid tot automatisch aanvoeren en positioneren en daaruit riehtlijnen te formuleren voor het ontwerpen van onderdelen die goedkoop zijn te maken en te monteren. Het handboek geeft een gedisciplineerde wijze van aanpakken. Het vereanvoudigt grondvormen en dealt za in categorian in op aen wijze die het de gebruiker mogelijk maakt op eenvoudige wijze de gegeven handleiding te volgen. In bijlage 3 [7] is een artikel opgenomen over de ontwikkeling van het OEM-systeem (Design for Economic Manufacturel. dat gebaseerd is op de kennis van deskundigen (een expert-systeeml. Dit systeem moet het CAD voor automatische assemblage sturen. Oaartoe moet het vragen stellen over zaken als kosten en produktie. Door het gaven van kennis aan de ontwerper omtrent optimale produkt-configuraties, produktie- en assemblage-kosten, moet een deze met OEM aen evaluatie van de alternatieven kunnen maken.
-13-
2.2.4 Conclusie Uitgaande van de resultaten van het verrichte onderzoek kon het volgende doel van de ontwerpcatalogus geformuleerd worden. De ontwerpcatalogus voor robotgrijpers moet de onervaren constructeur helpen bij het plaatsen van zijn probleemgebied. Zodoende kan hij gerichter op de details van het specifieke grijperprobleem ingaan. Met de catalogus moet de constructeur meerdere duidelijke specificaties kunnen opstellen. Oaarbij moet hij de niet relevante informatie kunnen omzeilen, zodat hij snel kan werken. Consequentie van de doelstelling De catalogus moet de grote lijn voor het ontwerpen van de grijper uitstippelen en daar waar het nodig is moet hij verwijzen naar meer gedetailleerder informatie. Om niet relevante informatie te kunnen· omzeilen moeten prioriteiten gesteld worden om vervolgens via aen vraag en antwoordspel slechts die informatie op te pikken, die van belang is voor het ontwerp. Aldus kunnen ten behoeve van het ontwerp aen of meerdere specificaties worden opgesteld. Deze werkwijze duidt op een menu-opzet. Oe oostellen van een menu Om het maken van een menu te vergemakkelijken moet ar zoveel mogelijk gebruik gemaakt worden van de informatie die in da literatuur beschikbaar is. Er zijn namelijk beschrijvingen en keuzeschema's die zonder meer over te nemen zijn. Echter het gebruik van de informatie stelt weI de eis dat hat menu modulair opgebouwd moet zijn. opdat iedere informatie gemakkalijk in hat geheel kan worden geplaatst. Om tot een dergelijk menu te komen moet een aantal stappen doorlopen worden, te weten: 1. hat maken van een beschrijving van de ontwerpaspekten van de grijper. Deze beschrijving is reeds gemaakt. zie hiervoor pagina 6.
-14-
2. het maken van een flowchart. Op grond van de in de flowchart gesteide vragen wordt de gebruiker in een bepaalde richting geleid. In de flowchart moet niet alleen een rangschikking zijn aangebracht in de prioriteit van de ontwerpaspekten. maar moeten tevens de onderlinge verbanden duidelijk worden weergegeven. In bijlage 4 is aen voorbeeld opganomen. 3. het maken van beschrijvingen.In de flowchart gaat men op grand van de gestelde vragen een keuze maken. Om de vragen in de flowchart te kunnen toelichten en te definieren moet er een beschrijving zijn. Deze beschrijving kan O.a. bastaan uit een checklijst of een keuze-schema. In bijlage 4 zijn hiervan enkala voorbeelden opgenomen. 4. de laatste stap bestaat uit het maken van een menu. Nu alle ingredienten bekend zijn is het aenvoudig om dit menu samen te stellen.
-15-
3. Conclusies en ,anbeveling.n
1. Tijdens het maken van de beschrijving zijn gebleken dat de hoeveelheid ontwerpaspekten enorm is en voor elke grijper weer andere aspekten bepalend zijn voor het ontwerp. Om de ontwerpcatalogus toch tot aen sueces te maken, moet het gebied dat men met de catalogus wil bestrijken afgebakend wordan. Gadacht is aan: - aan ontwerpcatalogus die is afgestamd op een bepaalde componentfamilia. De hiermee ta ontwerpan grijper is in staat nagenoeg dezelfde componenten te grijpen. - aen ontwerpeatalogus die geschikt is voor het ontwerpen van een bepaald grijpertype. In deze catalogus wordt diaper ingegaan op de fundamantale aigenschappen van de betreffende grijper. 2. Tijdens het onderzoek is van veel varschillende literatuurbronnen gebruik gemaakt. Om de juistheid van ontnomen gegevens in een later stadium van het onderzoek nag te kunnen controleren is het belangrijk am duidelijk de literatuurbron te vermelden. Een goed hulpmiddel bij het literatuuronderzoek vormen de literatuurverwijzingen in de bronnen die gebruikt zijn. 3. De catalogus moet de ontwerper informatie verschaffen met betrekking tot; - optimale grijperconfiguratie. welk type grijper en welke uitvoering passen het beste bij het grijpprobleem - de produktie van de grijper, kan het antwerp gemaakt worden - de kosten van de grijper
-16-
Lit.ratuurlij,t 1. Projekt strategie J.H. van Bragt Centrale Groep B.H. Licht 1985; Philips; Eindhoven 2. Het ontwerpen van discrete industriele systemen Ir. R. Overwater De constructeur: jan. 1985; nr. 1 3. Konstruieren mit Konstruktionskatalogen
K. Roth 1982; Springer Verlag; Berlin 4. Robot- en hanteersystemen voor flexibele produktieautomatisering C.F.H. Boatsman 1985; Waltman; Oelft 5. Toevoerinrichtingen Ir. G.S.J. Peters diktaat H.T.S.-Venlo 6. Hethodisch ontwerpen Ir. G. Heester diktaat H.T.S.-Venlo 7. Expert system guides CAO for automatic assembly Colin Runciman Assembly Automation August 1985 The Cotsworld Press; Oxford 8. Ontwerpen op maakbaarheid en montage Prof. G. Boothroyd HB-Produktie-techniek; no. 15; 21 augustus 1984 9. Het antwerp van een flexibele grijper voor het richten van lasprodukten H.J.H. Broekman verslag r2 opdracht; 1985; THE
BIJLAGE 1 BESCHRIJVING VAN DE VERZAMELOE ONTWERPASPEKTEN 58 pagina's voorzien van een aigan inhoudsopgave, inleiding en literatuurlijst
INHOUOSOPGAVE VAN DE GRIJPERASPEKTEN
pagina
ond'rwerp Korte inleiding
-1-
Korte toelichting op de indeling (van de ontwerpaspekten van de grijperl aen totaaloverzicht v~n de verzamalda ontwerpaspekten
-2-
1. Componentaspekten 2. Robotaspekten
-3-
-4-
•
3. Grijperaspekten
-9-
-12-
3.11.1 Mechanisch
-20-
3.11.2 Magnetisch
-29-
3.11.30nder-/overdruk
-32-
4. Aspekten van de toe- en afvoerinrichting
-36-
5. Flexibili teit
-38-
5.2.1 Grijperinstelling
-41-
5.2.2 De meervoudige grijper
-45-
5.2.3 Compliantie
-53-
Literatuurlijst
-57-
-1-
Korte inleiding In deze bijlage is de informatie vastgelegd die gedurende het begin van de afstudeerfase verzameld en gerangschikt is. Deze beschrijving moet de inzicht in het ontwerpen van grijpers vergroten en dient tevens als basis voor de verdere ontwikkeling van de ontwerpsystematiek zoals die in het eindverslag is voorgesteld. Om de grote hoeveelheid informatie makkelijk toegankelijk te maken en de leesbaarheid te vergroten is er een overzicht van de verzamelde ontwerpaspekten bijgevoegd op pagina 3. De indeling van iedere afzonderlijke groep aspekten wordt voor de beschrijving ervan herhaald.
-2-
Korte toelichting oR de indeling De ontwerpaspekten van de robotgrijpers en -houders zijn talrijk. In het Komende deel zijn de voornaamste kenmerken verzameld. Om het overzicht te behouden is een indeling gebruikt die voornamelijk ontleend is aan Boatsman (11. Oe indeling wordt in het volgende deel verder toegelicht.
toe- en afvoerinrichtin
3.grijperaspekten figuur 1: indeling ontwerpaspekten van de grijper
VAN DE
1.1
1.2
1.3
afmetingen a. geometrie b. speciale kenmerken .aterinl a. elllticHeit b. brosheid c. magnetisme
2.
IOb9tUHktto
3.
'ri ;9.£1 'HU,o
2.1
hanteergewicht
3.\
4.1 de maMimale pl •• t.ings-/opneemkracht
5.1
2.2
bewegingsverloop . a. maximale versnellinS en vertraglng b. bereilebaaThetd positie c. uitvoerbaarheld beweg~ng
opsluiting v.n de compen.nt •. krachtsluiting b. vermsluiting
4.2 toegankelijkheid inrichting
3.2
.luitkrachtgrootte
4.3 geordende of ongeordenoe toevoer
5.2 Manieren voor vergroting fle.ibiliteit S.?1 grijperinstelling 5.2.2 meervoudige grijpers 5.2.3 compllantie
3.3
aantal grijperelementen
J.4
grijpersewicht
3.5
procesbew'king mbv.sensors •. veortgangscentrole b. bijsturing
3.6
repeteeronnauwkeurigheid
3.7
werkomstandigheden
l.a
opbo" ... a. modulair b. specHiek
3.9
veiligneid a. overbelasting en besch.digin b. componentverlies e. eperator
2.3
onn~uw~eurigheid
onnauwkeurigheid a. positioneren b. repeteren
a. vorm-onnauwkeurigheid O. mass.-onnauwkeurigheid C.
d 1.4 1.5
1.6
finishing-onnauwkeurigheid vOTm-onnauWkeurigheid icm. de temperatuu
2.4
aansturing grijper
2.5
Icoppeling •. eenduidigheid beve$tig~ng b. grijperverwisseling
asgregatietoestand oppervlaktegesteldheid a. globale keuze grijpmethode b. goedkeur produkt ~~ntallen
2.6
omsteltijden a. gemak grijperverwisselLng b. eenvoud van aanpassen of verwi$selen programm
.2.1 qrijperinstellinc S.2.3 compliantlfl
2. algemeen
invioed temperatuur op a. grijperuitvoering b. weisiagen proces
I.e
meerdere onderdelen
4 • •anier.n
a. handmatig 1. aanpassing spanvlakken 2. instellen spanvlakken J. inste11en spankracntgreotte b. aut_atisch 1. goede grljpereigenscnappen 2 . • inimale instelttjd 3. ,ensorgestuurde ins telling grijpervlakken 4. groot instelbereik spankracnt
J.l0 enderhoud
3.11 klemmethoden ~.1'.1
1. doe1
3. probl8ften bij inste11ing
componenten
I.T
redenen veer fleMibiliteit
mechanisch
3.11.2 magnetisch
3.ll.30nder-/overdruk
J. actief/passief
5.2.2 me,rv9udioe qrijoers 1. toepa s singen
voer- en "'Id.len permanent
I.
voordelen
1.
2.
nadelen
2.
veoTd.!en elektromagneet
l.
vingergrijper
3.
4.
uitvoering ,panv1ak •• instelbare grijpbek b. uit-iss.lbare grijpb.k c. yormaanpassend. grijpbek o. me.rvoudige grijpbek
magnetisch. hanterlng a. magnetiseh' eigen$Chappen b. minimal. spleet c. oppervlakteconditie
5.
Ii.
uitvoering Irijp.r •. inwendig of uitw.ndi9 b. meervoudig ..ndrijv!ng .panb.weging a. pn._.tisch b. "rd.-.ull seh c. e1ektrisch
e.
stijf".id mtchanisme
9.
spanbtwtgingen
10. sp.nb.reik
13. I.p.ard. _l,..nt.n
2. manieren
n
3. 11 . 1 t!1!cb'niteh
4.
kenrnerken magnetisehe kracht
S.
temper.tuurbereik
01 unlink
A. Onderdrul< 1. voorde1en
2. nadelen l. toepassingen
4. begrenzing to.passingen 5. eis.n .an e .....pon.nt Ii. onderdruk door
e.
Ov.rdruk
inw9naig of uitwendig Irijp.
a. IDultigrijper 1. teep. ssi ng 2. MOg.lijkheden b. _isselsylteem 1. toepassing 2. redenen voor verwisseling 3. nadelen 4. manieren a. ",no.atig I. toepassing 2. bel,ngrijke asp.kt.n b . • ut .....atilc" 1. toepusing 2 ••• ni.r.n a. carrous.e1 b ...agni jn
-4-
1.
Cgmponentaspekten
1. 1
a fmeti ngen a. geometrie b. speciale kenmerken
1.2
materiaal a. elasticiteit b. brosheid c. magnetisme
1.3
onnauwkeurigheid a. vorm-onnauwkeurigheid b. massa-onnauwkeurigheid c. finishing-onnauwkeurigheid d. vorm-onnauwkeurigheid iem. de temperatuur
1.4
aggregatietoestand
1.5
oppervlaktegesteldheid a. globale keuze grijpmethode b. goedkeur produkt
1.S
aantallen componenten
1.1
invloed temperatuur op a. grijperuitvoering b. welslagen proces
1.8
meerdere onderdelen
-5-
1.
ComDOn.nt.sp.kt.n De te hanteren component bepaalt voor een groot deel de uitvoering van de grijper. Om ten behoeve van hat grijperontwerp een specificatielijst op te stellen. moeten de volgende aspekten bekeken worden.
1.1
De afmetiogen van de component is een aspekt dat in enkele facetten te splitsen is, namelijk: a. de geometrie van de component. Deze is belangrijk voor de keuze van de grijpmethode en de uitvoering van de grijpvlakken van de grijper. Enkele interessante gaometrische kenmerken zijn: - kogelrondheid - loodrecht op elkaar staande. platte vlakkan - evenwijdige, platte vlakken - cilindrische vlakken - platte vlakken - gekromde vlakken Voorts kan de component combinaties van'de genoemde kenmerken bezitten of uit een willekeurige vorm bestaan. b. uit de afmetingen kunnen speciale kenmerken worden afgeleid zoals stabiliteit op vlakken an hellingen, rolgeschiktheid en de mogelijkheid tot aanhaken. Deze eigenschappen zijn bepalend voor de wijze waarop men een toe- en afvoerinrichting maakt (zie 4.3), De afmetingen van de component zijn o.a, bepalend voor de zwaartepuntsligging. Sij de inklemming moet erop gelet worden dat de arm tussen het zwaartepunt en de robotpols zo klein mogelijk gehouden wordt opdat een klein koppel ontstaat tijdens het bewegen. Hierdoor kunnen de grijperkrachten laag gehouden worden. Daarnaast zijn de afmeting bepalend voor hat traagheidsmoment en daarmee voor het optredend massatraagheidsmoment. De afmeting in combinatie met het soortelijk gewicht van de component bepalen het gawicht. Deze is o.a. maatgevend voor de nodige stijfheid van het grijpermechanisme.
-6-
1.2
Enkele belangrijke eigenschappen van het materiaa1 waaruit de component is opgebouwd zijn: a. de elasticiteit; de elasticiteit bepaalt de mate van vormvastheid van de component. welke bepalend is voor de grijpkrachtgrootte bij een krachtgesloten opsluiting (zie 3.1) van de component in de grijper. b. de brosheid van de component, die eveneens beperkend is voor de grijpkrachtgrootte. c. indien de component magnetische eigenschappen bezit kan deze magnetisch gegrepen worden.
1.3
De onnauwkturigheid van de component is te anderscheiden in: a. de vorm-onnauwkeurigheig; welke toleranties zijn toegelaten op de funktionele maten; het kennen van deze toleranties is belangrijk voor de juiste positionering van de component in oa. de toe- en afvoerinrichting en in de grijper. b. de massa-onnauwkeurightid; in situaties waarin de nominale massa van de component grenst aan de massa die de robot kan hanteren of waar de massa tolerantie erg groot is en de toelaatbare massa dreigt te overschrijden. moet met deze onnauwkeurigheid rekening gehouden worden. c. de finishing-onnauwkeurigheid; welke oppervlaktekwaliteit bezit de component: is de ruwheid. kleur etc. in orde. d. de vorm-onnauwkeurigheid in combinatie met de temperatuur; de vorm-toleranties zijn afhankelijk van de temperatuur van de component; de meeste materialen zetten uit bij een hogere temperatuur. Bij de keuze van de grijpmethode moet in aanmerking worden genomen dat de bovengenoemde onnauwkeurigheden ten gevolge van het grijpproces kunnen veranderen. Door ean te hoge grijpkracht kan de component aen grotere vorm-onnauwkeurigheid krijgen, terwijl bij eenzelfde grijpkracht en een hogere temperatuur van de component de vervorming groter zal zijn.
1.4
De a99regatietoestand is van belang voor de wijze waarop de component gehanteerd wordt. Figuur 2 laat een flowchart zien waarmee de component geclassificeerd kan worden. De aggregatie-toestanden vormen de basis voor dit flowchart.
-7-
J
TI IWITEREJI STOFFEIf
I
1
1
VAITI STOnEM
I
IIOOG-VISI.ElJZE STOPrElI
J
I
I VLOE I &AU: STOrFU
I
I
GASVOIUU
I
I.V.
I
I
iOOOICTEJf\
I
1
GElltEDSC'IIAPP1!1f
I
1
I I. V.
15$111 IOfIJ:lC
-I..A8TOORTS -PUKTLAS-
moR-
APpARAAT .o5Ll.1pAPPARAAT • ...TERIAAL SPUtT
I£t1JII-
it.OTU
I
1
I I.V. -USTEII PRtIFIELSTAAl. eOPlI:OIIIERS BI,I GIETSTUUEH
,
OEFOItMlnBAAlt
I
I
I PRODUUEIfI
A1'V ALSTOFFEIf
I
v.
LOIUJf
-cROElCl ZUP -TOFFEES .SpUITlJ!I VAIf KIT 91.1 AUTOftAJIIJ!I
I
JlIET DI70RKEERBAAR
I
-1.1 ...
I
I
B.V. B.V. -SpAlfElC -IliUM -SLAXKElC -TAAft -SLIERTE.. -Itt.!DIMGTABAI • STOFFElC -BUD.WATTIJII lfERVEIt' -1O$1"I11/NS
,
1
I
GEUED-
PItODUITIJ!I
H'U1.PSTOFFEIt'
L
I
'CHAPP!. L I.V.
I.V.
-RUBIER
-VLO!1 BARI
OtrvOlUlROLLEII -HYLOIf 1000D BI.1 GRASIlAAI MACBtlfE -aoItSTELHAUH
%ED -GUS -SPUITVEIlP'
1.S
pRtlOuntll
STOFFEII
I
I
B.V.
-KOELWA1'EJI. -ItOEt.OLtI -SBERV'ET
figuyr 2: indeling van te hanteren stoffen: ontnomen aan
I
I
I HULp-
B.V. -BU.ASKOP VOOR
8ESCHnMGAS IIJ LASSEN
(1)
De oDperylaktegesteldheid van de component is bepalend Yoor: a. de globale keuze van de wijze yan gtiiD,n; in de regel maakt men het liefst gebruik van yacuum grijpers (zie 3.11.3) omdat deze goedkoop en eenyoudig is. Hierbij is van belang dat het grijpoppervlak glad, schoon en niet poreus is. Indien dit niet het geyal is wordt voor een van de andere grijpers gekozen. Een daaryan is de mechanische grijper waarbij vaak het principe van de krachtsluiting (zie 3.1)
B.V.
-AMiO"-ARC .o5PUIT1USSEII ICET HUISH. GASSE"
-8-
wordt toegepast. 8ij deze grijpmethode is de wrijvingscoefficient maatgevend voor de klemkracht. De coefficient is made afhankelijk van de ruwheid van het oppervlak en van de mate van oppervlaktevervuiling (is hat oppervlak nat of droog etc), b. de goedkeyr van de component; ten gevolge van de inklemming kan het oppervlak van de component beschadigd worden. is dit geoorloofd. 1.6
Het aantal componenten is van balang. Er kan oa. onderscheid worden gemaakt in: - aantal afzonderlijke componenten die binnen een grijpcyclus gehanteerd moeten worden - aantal verschillende componenten die met eenzelfde grijper moeten worden gegrepen - het totaal aantal componenten dat gagrepen moet worden. De aantallen componenten zijn van grote invloed op de uitvoering van de grijper. In het ~oofdstuk over flexibiliteit (Zi8 5) wordt op dit punt dieper ingegaan.
1.7
De temperatuyr van de component is van invloed 00: a. de yitvgering van de griiper; als de componenttemperatuur beduidend hoger of lager is dan de kamartemperatuur. dan zullen de grijpbekken en de grijpvingers hierop worden aangepast. b. het welslagen vln hat proces, een robot met grijper kan gebruikt worden om een gloeiende billet uit een oven op te pakken am aan een hydraulische pers toe te voeren. Als de component te koud is leidt het persgereedschap schade. Om dit te voorkomen kan Qen temperatuursensor in de grijper worden ingebouwd die gekoppeld is aan het besturingssysteem van de robot.
1.6
Tot dusver is slechts gesproken over een enkelvoudige component. Het is ook mogelijk dat de component uit meerdere onderdelen is opgebouwd. De verbinding van de onderdelen kan zowel vorm- als kracht-gesloten zijn. terwijl de onderdelen de mogeheid kunnen bezitten afzonderlijk te bewegen. De krachtgesloten verbinding kan als nadeel hebben dat ze gevoelig is voor optredende proceskrachten. zoals versnellingsen vertragingskrachten. Het is dus belangrijk aandacht te schenken aan de samenstelling van de component.
-9-
2.
Robota.p.kten
2.1
hant •• rgewicht
2.2
bewegingsverloop a. ma~imale versnelling en vertraging b. bereikbaarheid positie c. uitvoerbaarheid beweging
2.3
onnauwkeurigheid a. posi tioneren b. repeteren
2.4
aansturing grijper
2.5
koppeling a. eenduidigheid bevestiging b. grijperverwisseling
2.6
omsteltijden • a. gemak grijperverwisseling b. eenvoud van aanpassen of verwisselen programma
-10-
2.
Robotaspekten
Welke eigenschappen bezit de reeds voorhanden zijnde robot. V~~r het grijperontwerp zijn de vo1gende aspekten van belang. 2.1
Het hantaergewicht bepaalt walk gewicht de robot maximaal aan de arm kan hanteren, opdat hij niet overbelast wordt. De sam van het gewicht van de component en de grijper mogen het hanteergewicht van de grijper niet overschrijden. Oak de statische koppels op de pols zijn in de robotspecificatie vastgelegd en bepalen mede de grijpergeometrie.
2.2
Met betrekking tot het grijperontwerp zijn de volgende facetten van het bewegingsyerlgop van belang: a. de maximale versnel1ingen en yertragingen die optreden tijdens het grijpproces. Ze zijn maatgevend voar de ver5ne11ings- en vertragingskrachten die ten gevolge van de beweging op de grijper en de component werken. b. is de gewenste beweging uitvoerbaar. Kan de robot bepaalde bewegingen uitvaeren. 8epalend hiervoor zijn het aantal vrijheidsgraden van de robot. Indien de bewegelijkheid beperkt is kan dit verholpen worden door de grijper enkale vrijheidsgraden te geven (extra bewegingseenheden). c. is de gewenste positie bereikbaar. Bepalend hiervoor zijn de afmetingen alsmede het werkgebied van de robot (cartesisch, sferisch etc.). Hoe groter de robot, hoe groter zijn werkbereik.
2.3
Welke onnauwkeurigheid bezit de robot. Er kan onderscheid gemaakt worden in : a. de Dositioneer-onnauwkeurigheid. dat wil zeggen het plaatsen van de robotarm (en dus de grijper) op de nominale maat. b. de reoeteer-onnauwkeurigheid; dit is onnauwkeurigheid van de machine-beweging bij het herhalen van een handeling ten opzichte van de vorige handeling. De repeteeronnauwkeurigheid wordt oa. bepaald door: - de positioneer-onnauwkeurigheid van de robot (punt al - de vorm-onnauwkeurigheid van de component - de stijfheid van de robot.
-11 -
2.4
Welke mogelijkheden bezit de besturing van de robot om de griiper aan te sturen. Welke mogelijkheden bezit de besturing voor het verwerken van sensorinformatie (zie 3.5) indien deze gebruikt wordt.
2.5
Welke eigenschappen bezit de IsQggeling tussen de robotarm en de grijper, met betrekking tot: a. de ~ingyig1.9h~id van de bevestiging van de grijper aan de robotpols. b. de m2geJ.j.jkhl;j.g tot grijplrvirwis§lJ,ing.
2.S
De omstlJ,tijd is de tijd die nadig is om de robot en de grijper geschikt te maken voor een nieuwe werksituatie. Om de benuttingsgraad van de robot haag te kunnen maken is het be!angrijk dat de omsteltijd laag gehouden wordt. Bepalend vaor de omsteltijd is: a. het gemak waarmee de grijper kan worden uitgewis§eJ,d. b. de eenyoud waarmee een programma kan worden aangepast of gew;j.ueJ,d .
-12-
3.
Grijperasp,kten
3.1
opsluiting van de component a. krachtsluiting b. vormdui ting
3.2
sluitkrachtgrootte
3.3
aantal grijperelementen
3.4
grijpergewicht
3.5
procesbewaking mbv.sensors a. voortgangscontrole b. bijsturing
3.6
repeteeronnauwkeurigheid
3.7
werkomstandigheden
3.8
opbouw a. modulair b. specifiek
3.9
veiligheid a. overbelasting en beschadiging b. componentverlies c. operator
3.10onderhoud 3.11 klemmethoden 3.11.1 mechanisch 3.11.2 magnetisch 3.1'.30nder-/overdruk
-13-
3.
Grijperaspekten In het komende deel zullen enkele aspekten van de grijperconstructie worden toegelicht.
3.t
De opsluiting van de component kan op twee manieren gebeuren, te weten: a. door middel van krachtsluiting. Door het uitoefenen van aen houdkracht wordt de com~onent tijdens de hantaercyclus vastgehoudan. De houdkracht kan gevormd worden door : - een wrijvingskracht die ontstaat door de normaalkracht die de grijperbekken op de component verricht in combinatie met de wrijvingscoefficient tussen beide oppervlakken - een magnetische kracht die ontstaat door het inschakelen van aen elaktromagneet of door hat gebruik van aen permanent magneat. De wijze van krachtsluiting kan slechts wordan toegepast als de component magnetische eigenschappen bezit. - een onder- of overdruk die in een kleine afgesloten ruimte wordt gecreeerd. - een kleefkracht als gevolg van een kleefmiddel aan de grijper of aan de component. Meer bijzonderheden over deze methoden van krachtsluiting zijn te vinden onder punt 3.11. b. door middel van vormsluiting; door hat vastle9sen van aIle 6 vrijheidsgraden (3 rotaties en 3 translaties) is de positie van de component in de grijper eenduidig bepaald. de component is dan vormgesloten ingeklemd. Indien de component een bepaalde symmetrie vertoont (bv. rotatiesymmetriel dan leidt dit tot een vermindering van het aantal effectieve vrijheidsgraden.
3.2
De sluitkrachtgrootte wordt door enkele parameters bepaald. Zowel voor kracht- als voor vormsluiting is aen klemkracht noodzakelijk. Bij de vormsluiting is deze slechts nodig voor hat in stand houden van de sluiting, zodat da klemkracht bij deze sluiting gering is. Bepalend voor de sluitkrachtgrootte zijn: - het materiaal van de component (zie 1.2) de eis aan de oppervlaktekwaliteit na het 9r~Jpen (zie 1.5b) - de tamperatuur van de component (zie 1.7b) - het gewicht van de component (zie 1.1b) - de ma~satraaghaid van de component (zie 1.1b) - de zwaartepuntsligging van de component {zie 1.1b} - de kwetsbaarheid van de component (zie 1.2)
-14-
- de maximaal optredende versnallingen en vertragingen (zie 2.2a) - kracht- of vormsluiting (zie 3.1l - de geeiste veiligheid (zie 3.9) - de krachten die tijdens hat hanteringsproces op de component werken en ontstaan door: weerstandskrachten uitgeoefend door het werkmedium . krachten die nodig zijn voor het opnemen/plaatsen van de component in de toe-/afvoerinrichting (zie 4.1) Opmerking. De klemkracht kan met behulp van verschillende technieken worden gerealiseerd. Onder 3.11 worden deze technieken genoemd en verder uitgewerkt. De parameters die van invloed zijn op de grootte van de klemkracht wordt voor elk van de technieken apart behandeld. 3.3
Het aantal grijperelementen. Uitgaande van de gekozen wijze van opsluiting (zie 3.11 kiest men het aantal grijperelementen. Het aantal elementen kan 1,2,3 of 4 zijn en kan zowel eenledig als meerledig, zich aanpassend worden uitgevoerd.
3.4
Het griipergewicht moet zo laag mogelijk zijn. opdat een zo groot mogelijk componentgewicht gehanteerd kan worden. De som van beide mag het hanteergewicht van de robot niet overschrijden.
3.5
Om het grijpproces te kunnen bewaken worden soms sensors toegepast. De procesbewaking is te splitsen in voortgangscontrole en in bii§turing. a. De vQortgangscontrole bestaat uit het controleren of het grijpproces aan bepaalde voorwaarden voldaan heeft, zodat een volgende stap van het proces gestart kan worden. De controla kan bijvoorbeeld bestaan uit het vaststellen van de aanwezigheid van de component alvorens de grijper sluit. b. De bi-jsturing van het grijpproces bestaat uit het optimaliseren van dit proces door middel van teruggekoppelde sensorinformatie naar de besturing van de robot. Een voorbeeld hiervan is het herpositioneren (fijnpositionerenl van de component in de grijper.
-15-
Er zijn drie type sensoren. namelijk: a. visuele sensoren die de algemene situatie van de omgeving detecteren b. taktiele sensoren die de direkte dynamische relatie tot de component kunnen detecteren; ze zijn in staat om de verplaatsing en de snelheid van de component te meten c. een benaderingssensor die de ruimtelijke situatie tot de component binnen een klein bereik detekteert; binnen een klein bereik kan de afstand tot de component gemeten worden (ontnomen aan [2]) Tabel 1 geeft een overzicht van de toepassingsmogelijkheden van de verschillende type sensoren. Voor het onderhoud is het noodzakelijk dat de sensors of sensormodules verwisselbaar worden uitgevoerd. 8ij het ontwerpen van de grijper moet hiermee rekening gehouden worden. Typische sensorfunkties zijn: meting van de relatieve beweging van de component in de grijper - meting van de grijpkracht registratie van de aanwezigheid van de component bepalan van de grijpsnelheid en -beweging (bij servogestuurde grijpers) meting van de momentan in het mechanisme (bij assemblage)
_SOft
IIlOUti
;:n"""'.bh ....
!1~""Pi'" ... PN ••..",...
t "'.... = ~~1p m 01&'1""'. .... _ ~~
ii':~t:·"·
Dr.'IIC'I'lll
%MI'08"''l'I0II
.0:'
Ol-OW CO"I" •• I 01' Ob,J Contacc Po.1\1_ arut AN. 'QrQi atrin. to Cr•• ~ ~l.4t: Pore. D:1.cr1IJvU,CNl Of\. 'lncn $llrrac. Pere. 4(' U. M4 ,,*"iat tt.b.U.ft 01.pl........e ot Ottjec;,
au,
~t:~.1Qft
SMG"iq
of OtlJ .$t
'-'c. .,
nne...
tlaac.lc JllcMht.lua Of
ltu"t'ace
at"....
Object
TYPIC'~
I~
JIIll:rQ '.UCD
"atria: eont"~ St,..ln Oauc_ Pns.~
o.t"toQr
Strain Gaue.
Rflllet'" I PhOco_*"ur Ball an4: Photo ••n.or Stl'&1a. aaliS.
Potentia. Strain
(law• •
:: ".1...
R;!&~!:':·l~~::.tn A..... llli~n;~O::~an.u,or ! :::0"::. Dl.hAc. ::;!:!Jl CloM Dl.'ance b.t ...... 3."lo,r AM ObJect ".lat.1v. !ftcl,lnats,on "'Cb' ot ..ct a~l1"'U"" WOfK.
..
....1.
tl'l. fToUa1t7
~.:Ut:aru:. ~'.14u ..n.. ) V1 ...
~::!!::: 10ft
:~.. S."u",tlOft ~;.ew-. Is:!:
.. If
".n.~tlon
O~J
,t
h.t!to,. ot ODJau Surrac.
laace Sen_ttl"
DhtrUtt.tC1Oft ot oao 01uanci
LEJ).
£ ....cane.
L&ItO ~P1\o'to"uaA.tnOl'"
or ObJect
ap.'CUl. Dl"'ance to Otf.J'"'
_Uo" or oc.Ject
Ce-nter Po.a1tloa or Objut
"ans. '1..n4e'"
V14"1~"''''' t.Mce~u.
....
Anile ot -.tra Aua ot ObJ.c. S.'VttlOft of Ob,ect. Uftlqld C!u,,..e,.,.taUc. ot ObJeci
ColoI'" or o.JHt L.f.M end JII--... ot Yerte'
Color nu ... YtCH
e....toa
.... ..
1. . . . 5_MlJ'
tabel 1: toepassingen van de diverse type sensoren ontnomen aan (4]
-16-
3.6
De repeteeronnauwkeurigheid is hat vermogen am opeenvalgende handelingen binnen een bepaalde talerantie uit te voeren. Bij een grijper wordt daze bepaald door: - de wrijving tussen de bewegende delen van het mechanisme - de varm- en plaatstoleranties van de te grijpen component - dewijze van opsluiting van de component - de grijptechniek (klemmethodel - de grijpkracht - de spelingen in het grijpermechanisme - het aantal vrijheidsgraden van de grijper
3.7
De werkomstandigheden vereisen sams speciale aanpassingen om de grijper zander veel storingen te laten funktioneren en minder anderhevig te maken aan slijtage. Enkele zaken waaraan de grijper kan blootstaan zijn: - straling - corrosie - staf - yacht - hage en lage temperaturen - trillingen
3.8
Afhankelijk van de toepassing kunnen grijpereenheden op twee verschillende manieren opgebouwd zijn, ts weten: a. als een modulaire grijper waarbij de diverse zelfstandige bewegingseenheden naar wens met elkaar of met andere eenheden te combineren zijn (zie figuur 3 en 4). De yoordelen van deze bouwwijze zijn: - eanvoudige snelle aanpassing aan verschillende hanterings-situaties - aen optimaal aangepast bewegingsverloop De nadelen zijn: - de grate benodigde bouwruimte - het grate gewicht bij grijpers met meerdere draai- en schuifbewegingen. b. als een soecifieke grijper die voor een bepaalde toepassing ontwarpen is. De mechanismen en aandrijvingen zijn bij deze grijper op een zo klein mogelijke ruimte geconcentreerd Izie figuur 5). De voardelen van deze bouwwijze zijn: - kleine afmatingen an een gering gewicht - grote prestatiemogelijkheden Het grote nadeel van deze 9r~Jper is het geringe aanpassingsvermogen. De grijper kan slechts beperkt toegepast worden.
-17-
01
figuur 3: karakteristieke bouwgroepen en bouwvormen van grijpers
figuyr 4: een modullire grijper
figuyr
~:
een specifieke grijper
-18-
3.9
Een belangrijk aspekt is de veiligheid van de grijper. Er kan onderscheid gemaakt worden in veiligheidseisen ten aanzien van: a. de beveiliging van de apperatuur tegen overbelasting en beschadiging b. de beveiliging tegen componentverlies bij het wegvallen van de hulpenergie of bij ,beschadiging van de component c. de eisen die gesteld worden ten aanzien van de veiligheid van de operator die met de installatie moet werken. (Er kan gevaar van letsel bestaan). De volgende adviezen zijn ontnomen aan (9]. Ten aanzien van het grijperontwerp kunnen de volgende punten worden opgemerkt: - bij de vormgeving moeten scherpe kanten en hoeken zoveel mogelijk vermeden worden vormsluiting moet worden nagestreefd; de grijper moet zo geconstrueerd zijn dat hij bij het uitvoeren van elke beweging voldoende grijpkracht kan uitoefenen opdat de component geklemd blijft van situatie tot situatie moet bekeken worden of het veiliger is om bij het wegvallen van de hulp-energie de component in de grijper te houden of om de component gecontroleerd te laten vallen,dat wil zeggen, op een plaats waar geen gevaar bestaat voor mens of machine het hanteergewicht van de robot is het totale gewicht dat deze aan zijn arm kan manipuleren. Hoe zwaarder de grijper is hoe geringer het gewicht van de te hanteren component kan zijn.
3.10 De grijper moet zodanig geconstrueerd worden dat onderhoud eenvoudig mogelijk is. Het onderhoud betreft: - controle - na-instelling - reiniging - smering - wisseling In de praktijk worden grijperconstructies veelal overgedimensioneerd opdat minder onderhoud nodig is en de grijper een langere levensduur heeft omdat ze niet kritisch belast wordt.
-19-
3.11 De component kan op twee verschillende manieren opgesloten worden (zie 3.1), namelijk door middel van kracht- en vormsluiting. De onderstaande klemmethoden geven mogelijkheden aan hoe de klemming gerealiseerd kan worden. 3.11.1 mechanisch 3.11.2 magnetisch 3.11.3 onder-/overdruk Andere mogelijkheden, die minder uitgebreid behandeld worden zijn: - punkterende griipers. die de op te tillen component punkteren: ze worden gebruikt om lappen doeken, rubbere pakken of poreuze platen te hanteren kleyende griipers, die door middel van een kleefstof componenten grijpen, welke niet op een van de andere methoden aan een grijpvlak gegrepen kunnen worden; hat grote nadeel van deze methode is dat de kleverigheid niet lang bewaard blijft hakende grijpers opt!llen en yerplaatsen op een dun platvorm of spa tel snel-wissel verbindiogen (bajonetsluitingl uitscheppen of gieten
-20-
3.11.1 "eehaniseh 1.
voordelen
2.
nadelen
3.
vingergrijper
4.
uitvoering spanvlak a. instelbare grijpbek b. uitwisselbare grijpbek c. vormaanpassende grijpbek d. meervoudige grijpbek
5.
uitvoering grijper a. inwendig of uitwendig b. meervoudig
6.
aandrijving spanbeweging a. pneumatisch b. hydraulisch c. elektrisch
7.
aandrijfelementen
8.
stijfheid mechanisme
9.
spanbewegingen
10. spanbereik
1" versterken kracht 12. koppeling 13. gepaarde elementen
-21-
3.11.1 De mechanische 9[iiper
De mechanische grlJper bestaat uil gepaarde elementen, die de component in een omspannende beweging (vingergrijper) of in een tangbeweging (tanggrijperJ pakl. 1. De grote voordelen van mechanische grijpers zijn:
- de grote krachtdichtheid - de geschiktheid om de grijper in een specifieke vorm te gieten, waardoor nagenoeg al1e vormen gegrepen kunnen worden - de nauwkeurigheid van de grijper. 2. Het nadeel van deze techniek is dat hij niet toegepast kan worden als: - de component te kwelsbaar is - de gestelde eisen met betrekking tot de repeteernauwkeurigheid zo gering zijn dat bij gegeven componenteigenschappen een goedkopere oplossing mogelijk is - de afmetingen van de component te groot zijn en daarom een te complexe en dus te zware grijper vereisen. 3. Een speciale mechanische grijper is de vingergrijper (zie liguur 61. die gebaseerd is op de menselijke hand (de meest universele grijper). Elke vinger is meestal opgebouwd uit 3 schakels, welke door middel van een kabel of stangenmechanisme aangedreven worden. Een grijper kan 3.4 of 5 vingers bevatten. Fen bijzondere grijper is de softgripoer, die de volgende speciale eigenschappen bezit: - een gelijkmatig verdeelde grijpkracht (zie figuur 1) - een goede contouraanpassing (zie figuur 8) De aandrijving van deze grijper geschiedt door middel van aangepaste rollen en twee staaldraden. Een is voor het spannen, de ander voor het lossen (zie figuur 9).
figuUf 6: een mechanische vingergrijper
-22-
t
"
.,'.......... I'IIk!IIIIIII ....' I~ ...... ' .... (I(I)lb) ...m .... ____
'MeIr"'"
I
'1. I
ONIfInft,AObjeb,II~.COIl'l....,h.....
~
. . . ~ A 0 • •_
'
_:.)N
"
. . . . . . . . . .....
......... .....
. . 1tIPIf). • ........NIII • iiIII
figuur 1: galijkmatig verdaelda grijpkracht
figuur 8: goada eontouraanpassing
g _ _---l-~ . - ----1':\ "\2.1
-
®._., lIt
..... Dw .....; It) pi . . . . . . . ..
"un-. If OftffMl; II ,""""...... C ........
figuur 9: de lehamatischa voorstalling van de a.ndrijving van de softgripper
-23-
4. Er ZlJn vetschillende uitvoeringsvormen mogelijk voor het soanvlak van de het grijpbekken. zodat een grijper in staat is de verschillend gevormde componenten te pakken. De volgende uitvoeringen zijn mogelijk: a. instelbare grijpmallen, die op een bepaalde maat of vorm worden ingesteld Izie figuur 10) b. uitwisselbare grijpbekken, met verschillende vormen, die gemakkelijk te verwisselen zijn (zie figuur 11) c. vormaanpassende grijpbekken, welke zich vanzelT aan de vorm van de component aanpassen. Oit bekken kan bestaan uit rubber (zie figuur 12 + 1J) d. meervoudige bekken, die geschikt zijn twee of meer verschillende componenten te grijpen (zie figuur 14)
2. ahasten. gevolgd door fi.atie
1 werbtukCOI'Itour yast;elegd
figuur 10: grijpsysteem met instelbare grijpmallen
figuyr t1:
ta~ggrijper
met uitwisselbare grijpbekken
, yolledig omsfui11tf1-1e gree!)
-24
figuur 12: vormaanpassend grijpofgaan met lamellen
rubber
figuur 13: een vormaanpassende bek
figyUf 14: een meervoudige bek
-25-
5. De te a. b.
srijper kan op verschillende manieren worden uitgevoerd, weten: inwending of uitwendig spannend als meervoudig~ grijper (zie flexibiliteit h5.)
5. De aandriiving van de spanbeweging kan met behulp van de volgende energievormen gedaan worden: a. pneumatisch. De voordelen van deze aandrijvingsvorm zijn: - lichte constructie - goedkoop in aanschaf - verkrijgbaar in vele afmatingen - eenvoudige energietoevoer met luchtslangen - geschikt voor toepassing bij aen grijper die snel bewegingen moet uitvoeren. De nadelen zijn: - het geluid van de uitlaat - de olie die in de lucht zit vervuild de leidingen b. hydraulisch. De voordelen hiervan ten opzichte van pneumatische aandrijving zijn: - grotere spankrachten mogelijk - klein ere inbouwmaten. De nadelen zijn: - de kans op lekkage is groot - er is een ag9regaat nodig c. elektrisch. Deze vorm van aandrijving geniet vaker de voorkeur omdat de hoofdbeweging van de robot evenals de besturing ervan elektrisch zijn uitgevoerd. Voorts zijn elektrische hoek en/of wegmelders eenvoudig op de elektromotoren te monteren. Het grote nadeel van deze aandrijfvorm is de kans op een vermoeiingsbreuk van de elektrische kabels als de robot veel bewegingen moet uitvoeren. 7. De aandrijfelementen van de grijper kunnen zijn: - lineaire cilinders - draaicilinders - draaivleugelcilinders - luchtmotor - elektromotor
-26-
8. Hat dat kan die
grijpermechanisme moet voldoende stijfheid bezitten opde component in ieder geval nauwkeurig gepositioneerd worden. Het de stijfheid van het mechanisme wordt ook van de aandrijving bedoeld.
9. De grijper kan verschillende spanbewegingen maken, namelijk: - Iineair ltransierend) - roterend - een combinatie van beide (zi& figuur 1Sl Omdat de aandrijving ofweI uit een translerende of een roter~nd aandrijfelement bestaat zijn veelal mechanismen nodig om bovenstaande spanbewegingen te realiseren (zie figuren 15 en 17) De specifleke eigenschappen van elk mechanisme worden bepaald door de dimensies.
af---J. I I
11 d I /
1'f 111
2
~
1. ~tI.U! lIII SPAIIIlI:'nGIlfG 2. " ___ D "'Clll't.t~"IC£ liPAJIlIEWEGllIG 1. IlOnllllNDI 'PAN_nlllG 4. _II.uI
figuur 15: omvormen van lineaire naar roterende beweging
figuyr 1S: kinematische schema's voor verschillende spanbewegingen
..
figuur 17: overzicht van enkele kinematische schema's van grijpermechanismen
-27-
to. Het spanbereik van de
9r~Jper. De spankracht is een funktie van de spanopening. De meeste grijpercatalogussen gaven deze t'unktie weer.
11. Hat yersterken van de kracht van de aandrijving kan gebeu-
ran door middel van: - aan hefboom (zie figuur 18a) - boogstrekking; dit kan zowel met aan mechanis~a (kniahafboom) als met een elastisch elemant (gespannen bladveer). (zie figuur lab) - een nokmechanisme, by. een wig (zie figuur 18c)
r
a
c b
figuur 18
a. hefboom; b. boogstrekking; c. wig
-Z8-
12. Oe koppeling tussen iandriivin9 en gtiiper-meshanisme kan geschieden.met: - een kniehefboom - een wig (nokmechanisme) - een ket ting - een tandriem - een tandheugel en tandwielen - tandwielen - een harmonic drive - een worm en wormwiel De laatste drie koppelingen worden in combinatie met een elektrische aandrijving gebruikt. 13. De indeling van mechanische grijpers kan gemaakt worden door te kijken naar de geplarda eiementen. Er kan onderseheid gemaakt worden in het: - stangenmechanisme - type (zie figuur 19a) - tandheugel/tandrondsel - type (zie figuur 19b) - nok - type (zie figuur 1ge) - schroefspil - type (zie figuur 19d) - riem/riemschijf - type (zie figuur 1ge1 - combinaties van voorafgaande typen 7ie de onderstaande figuren.
_.1Y1>f -.c.
Qri\>!>
figuur 19: gepaarde elementen
_led or.-maUt
-29-
3.11.2 HagD&tisch
1.
voor- en nadelen permanent magneet
2.
voordelen elektromagneet
3.
magnetische hantering a. magnetische eigenschappen b. minimale spleet c. oppervlakteconditie
4.
kenmerken magnetische kracht
5.
temperatuurbereik
-30-
3.11.2 Magnetisch Voor het klemmen worden zowel permanent- als elektromagneten gebruikt. 1. De permanent magneet. De voordelen zijn: - de grote betrouwbaarheid - de toepasbaarheid in e~plosieve omgeving - door de veldlijnen aan te passen is ondiepe magnetisering mogelijk, zodat dunne platen gemakkelijk gegrepen kunnen worden - geen energieverbruik De nadelen zijn: - het gegrepen voorwerp behoudt een gering magnetisme het zogenaamde remanent magnetisme - er is een lossingsmechanisme noodzakelijk (zie Tiguur 20a) - de magneet raakt gemakkelijk vervuild met spanen ed. 2.
pe grote voordelen vande elektromagneet ten opzichte van de permanent magneet zijn: - gemakkelij~ in het gebruik - het demagnetiseren van de component is mogelijk door gebruik te maken van wisselstroom oT door het omkeren van de polar i tei t.
3. Het magnetisch hanteren van d. component is slechts mogelijk als: a. de component magnetische eigenschappen bezit, zodat hij met de magneet kan worden weggenomen. b. de luchtspleet tussen de magneet en de component minimaal is; de grijpmethode vereist een oppervlak contact; onregelmatig gevormde OT gekromde oppervlakken beinvloeden het houdvermogen. c. de oppervlakteconditie van de component goed is; het oppervlak moet het liefst glad, droog en schoon zijn. leltoft of ,"tOft
.pUII«. piPIWr
~ 'x
t222
. ~~;~,'
Tiguur 20: a. permanent-magneet met lossingsmechanisme; b. magnetische grijper met een cilinder die voorkomt dat meer dan een voorwerp gegrepen wordt
-31-
4. De kenmerken van de magnetische kracht zijn: - in de fluxrichting is deze groat; loodrecht daarop is hij klein. vandaar dat de component langs hat oppervlak de nei9ing tot schuiven vertoont. Oe component moet dus goed onder de magneet hangen. - de kracht moet groot zijn bij aen groot componentgewicht in combinatie met een klein contactoppervlak. - bij de permanent magneet is de omvang van het magneetblok bepalend voor de grootte van de kracht. Bij de elektromagneet is de stroomsterkte bepalend voor de flux en daarmee voor de grootte van de kracht. De grijpkracht wordt bepaald door:
F = W* A
waarbij F = de magnetische kracht W = de magnatische veldsterkte A = hat pooloppervlak
5. De magneten kunnsn voor het volgende temperatuurbereik worden toegepast. De permanent magneet is te iebruiken tot een temperatuur van ~ 95 ·C. Speciale magneten kunnen zelfs tot ~ 480 ·C gebruikt worden. Elektromagneten kunnsn in verband met de kwetsbare isola tie slechts tot een temperatuur van ~ 60 ·C gebruikt worden, terwijl speciale uitvoeringen toepasbaar zijn tot ~ 150 ·C.
-32-
3.tl.3 Onder- of
oy.r~ruk
A. Onderdruk 1. voordelen
2. nadelen 3. toepassingen
4. begrenzing toepassingen
5. eisen aan component 6.
onderdruk door
B. Overdruk inwendig of uitwendig grijpen
-33-
3.11.3 Onder-/overdruk Grijpers'die klemmen met behulp van onder- of overdruk zijn pneumatisch aangedreven. Ze createn de druk in een kleine afgesloten ruimte. De grijpers die met onderdruk werken worvaak vacuum-grijpers genoemd. A. De vacuum griipe[ 1. De voorSel,n van deze 9r~JPers z~Jn: - ze zijn goedkoop. licht en eenvoudig de aandrijfelementen zitten niet aan de grijper bevestigd dus mindar gewicht aan de robotarm - de zuignappen die zorgen voor het afsluiten van de kleine ruimte kunn~n zich in zekere mate aan de yorm van de component aanpassen. zodat de grijpmethode ook geschikt is voor het grijpen van gekromde oppervlakken - er is slechts een grijpoppervlak 2. De nadelen van deze grijpmethode zijn: - er bestaat een gevaar dat de component langs het oppervlak gaat glijden. vandaar dat de repetaer- en positioneer-onnauwkeurigheid niet groot is - het lassen van de component moet eventueel geforceerd gebeuren - voor luchtstroomgrijpers (die niet werken met een va-cuumpomp) is een lange tijd nodig voor het opbouwen van d~ onderdruk. terwijl ze een hoog energieverbruik hebben
.
3. De toepassingen van deze methode zijn: - het hanteren van brosse en breekbare componenten - het hanteren van componenten die niet of moeilijk met mechanische grijpers te grijpen zijn - het hanteren van plastic componenten - het hanteren van dun plaatmateriaal - het hanteren van componenten met grate afmetingen
figuur 21: vacuumgrijpers a. voor eieren; b. met een kogelkoppeling voor optimale contouraanpassing
c
-34-
4. De begrenzing van de toepassing wordt gevormd door: - de temperatuur van de component en de werkomgevingi de vacuumcups zijn van kunststof en zijn niet bestand tegen temperaturen die hoger zijn dan ~ 100 'C. - de aanwezigheid van een aggressief, corroderend milieu, dat de vacuum cups kan aantasten. - vermindering van het klemvermogen door vervuiling van de cups in een vuile omgeving S. Oe eisen aan de component. - het spanvlak moet glad en niet poreus zijn - het spanvlak mag niet vervuild zijn 8ij voorkeur wordt een grote vacuumcup met een kleine drukval toegepast. De grijpkracht F is: F
=A *
~ P
waarbij A = het ingesloten grijpoppervlak AP = het drukverschil met de omgeving (onderdruk)
B. Klemmen met overdruk Oit type grijper bestaat uit elastische elementen (hulsenl, die de component klemmen als ze opgeblazen worden (overdruk). Er worden twee verschillende technieken gebruikt, namelijk: 1. inwendig grijpendi er wordt een huls in de opening van de component gebracht en vervolgens opgeblazen. waardoor de component wordt opgesloten (zie figuur 22). 2. uitwendig grijpendi de elastische huls wordt om de component geschoven en opgeblazen (zie figuur 23). Een speciale uitvoering van deze grijper is de vingergrijper (zie figuur 24) die is opgebouwd uit enkele vingers die slechts aan de buitenkant rekbaar zijn. Zodoende gaan ze in opgeblazen toestand naar binnen toe en klemmen op die manier de component. Deze grijptechniek is bijzonder geschikt voor het hanteren van brosse produkten zoals glazen flessen.
figuur 22: een inwendige grijper
figuur 23: het grijper van flessen
0)
figuur 24: een pneumatische vingergrijper
-36-
4. Asp.kt." ya" d. to.- .n afyo.rinrichting
4.1 de maKimale plaatsings-/opneemkracht 4.2 toegankelijkheid inrichting 4.3 geordende of ongeordende toevoer
-31-
4.
Aspekten van de to.- In afyolrinrichting Er volgt nu een korte beschouwing van enkele aspekten die beschouwd moeten worden bij het ontwerpen van een grijper.
4.1
De maximale plaatsingl-/oDneemkracht; om in kracht in/uit een afvoer-/toevoerinrichting te plaatsen/nemen is een bepaalde kracht nodig. De grootte van deze kracht is van belang bij de bepaling van de klemkrachtgrootte als men gekozen heeft voor een krachtgesloten klemming van de component in de grijper.
4.2
De toegankelijkheid tot de toe-/afvoerlnrichtiD9~ er mogen geen belemmeringen zijn om de component uit/in de toe-/afv~erinrichting te nemen/plaatsen. Alle grijpvlakk_n van de component moeten in een keer gegrepen kunnen worden. Voor slecht toegankelijke inrichtingen moet men vaak kleinegrijpers of speciale hulpmiddelen gemaakt bedenken.
4.3
Oe geordende of ongegrdende toevoer; de voorkeur gaat uit naar een goed gedefinieerde toevoer van de component aan de grijper. Vandaar dat men meestal kiest voor een geordende toevoer. Hierdoor kan de robot evenals de grijper eenvoudiger worden uitgevoerd. Dure en complexe oplossingen zijn zodoende overbodig en stellen de robot in staat sneller te werken. Het ordenen van de componente" gebeurt veelal door gebruik te maken van speciale geometrische kenmerken van de component (zie 1. 1 ). Figuur 25 geeft aan wat bij het ontwerpen van een toevoerinrichting zoal komt kijken .
.. :;:.. . .~.. II . ~ iia ..:I i..~ .. t It:!C!5 I ii . !.. ;... ;. ..,n=> ;:: ;.. ~. WI
a
;:
_c
.. a.
woo
ow
.....'tE1lu....
~
': ::J
~
'fUI!OUIII.G
VAIl lIEf ~
vtUOUOlllO
~_'Ta.CIllnll
oPv:.t.~
ftllU"l'VlC "TOI.IAAllTIII
-~,,;
?ol:~
....'\'t v •• O I l _ t i l
Gl.Ull_
.Mnw·4rs&'T1IIct"
l.~-I.IGGI.
GIIoliEUISCU VOIIK
$'1'.,.0 nWUI'IIlT
$'1'....11. ClGII.SCHA''''•
• ICllTIOIGI...sT41111ofTIl't
..!
• i
I Ii!
I·
I
i
:;9 i..iiI!:,. :I": ..... ~;;; ..
!
:.I ..
~
-E!.
i
~
i
I i .. ;:: ~!: ::sA'8 .. .....
I".
figyyr 25: belangrijke invloedsfaktoren bij de vormgeving van toevoerrichtingen; ontnomen aan [1] .
-38-
5.
fl.xibiliteit
S.1
redenen voor flexibiliteit
5.2 manieren voor vergroting flexibiliteit 5.2.1 grijperinstelling 5.2.2 meervoudige grijpers 5.2.3 compliantie
-39-
5.
Flexibiliteit Flexibele grijpers kunnen snel en eenvoudig aangepast worden aan de eigenschappen van meerdare componenten. De grijpar moat als het ware per component ingesteld kunnen worden. In hat komende deel zal voor de mechanische grijper bekeken worden wat voor consequenties deze eis met zich meebrengt.
5.1 Er kunnen varschillende redenen z~Jn am de flexibiliteit van het hantaringssysteem te vergroten, namelijk omdat: - in de praktijk snelle modelwisselingen optreden door: . kleinere produktvolumes . de kortere lavensduur van hat componantontwerp snellere systemen gevraagd zijn, welke aan hogere versnellingskrachten blootstaan naast snellere systemen ook nauwkeuriger systemen gewenst zijn, die zowel beter positioneren als repeteren kunnen er een aanpassingsvermogen wordt gevraagd zodat een breed scala van componenten biqnen een componentfamilie kan worden gehanteerd er verschillende componenten qua vorm'en gewicht moeten worden gefabriceerd. 5.1 De manieren yoor hat v,rgroten van de flexibiliteit zijn: 5.2.1 het instellen van de griiper 5.2.2 de meervoudig8 griiper 5.2.3 cQmplantie
De fleKibele grijper is niet zoals de specifieke grijper afgestemd op de componenteiganschappen, maar gaat uit van een klemtechniek (grijpmethode). Opmerking. Hat uitgangspunt van de bestpreking van de grijperinstelling en de meervoudige grijper wordt gevormd door da indeling zoals die op de volgende pagina staat afgebeeld (ontnamen aa·n (1]).
-40-
GlltJPIR I II S TEL L I N G
- 0'
Y I R .. I S S'E L 1 H G
I
I uSttLLING
l
I
I
r
II
lWmllATtG SPAMVLAXWBRUTtE
I YORlIGEVIMG DOOR: -YlB8PAM~
-OMVORIIEII ..;01If1'E1( B.V. VAM liARS
IU'IUIVL.AII.-
IN SPAJIKIL\CKT U(STELLING
I YOOIl!EELD: -tNSTEL8Al\£ SCHAKELLElfGTEN -lllS'l'ELlIAII£ SCHAftlIlli:ltEN -lIISTELlAItE
VEEa-.
LUCI!'1'- OF OLl£-DRUX
,
1
T
..;oIU JPEas Elf - ...... _ .... _ -GEUEDSCHAPPIN OOIlZAKEH: -AMOER PRODUXT PRODUCiUlf -ASSEIUILAGE YAM IlEERDiU PRODUXT -SOOIl'1'ElI -TEIIPEUTl1UasI lfVLO&DBN -DEFEXT G£JtAKEH -YlRSLEtttl ONDBRI)ELElf ...oHDERHOUl)
-IMSTELLBK YAM SCHAKELLENOTEN SCHAMIEUM SPAMYt..\.IOtEH SPAlfIt1tACKTEM OORZAKEH: -AMDER PRODUXT IlAKTEUH -tNSTELLINGSYERLOOP TtJDEHS GEBRUIX -YlRSLEttN lLEIlENTEH YAM GJUJPIR INIOF GEUEDSCKAP
I
I VERwtSl>ELIMG
If
AUTOI4ATISCB .................. VAll
SPAMVLAKKEN ZONDER SINSOUH
I VOOIl8£ELD : -SPECIALE YOIUlGEYIHG VAM II£T SPANYLAK
-WAGN'ETI SEal IIG VAM I.JZEaPOBDBR
III~
IWiDIIATIGII AUTOWATISCH
I
VAll
SPAJlYl.A.UEH IIIET
SEJtSOUN
I YOORB£El.D: -lNSttLl.Elf YAM SPAMBEaEl1t U.S.Y. PN'E'IJV.AT tSCHE • lttDItAULlSCHK OF STAPPElOlOTOUII -llfSTELl.Elf VAM DB SPAfiIJlACKTGROO'l'l'E •• B.V. VEER- OF DRUI.-A.FSTEl.1.111G
BELAMCiRIJU ASPUTElf; -EENDUUUGE CiRIJPERMONTAGE -DElIOKTAGE -EN'ERGU:TOIVOIR -IlfI'OItIU.1' 11VITWISSELIIIG
B£LAMGlllJU ASPEltTEN -UNIVERSUL OPNAMESYSXE.II -UGISTRATIE II.S.1'. PLAA1'SElI Ell WEGHUElI -BESTVIlIMG -XOH'TROLE OP CiRIJPEItl'UNItTIES
-llfEKGIE'l'nRVOER
figuur 26: indeling van grijperinstelling en -verwi~selin9
-41-
5.2.1 griiperinstelling 1. wanneer 2. algemeen 3. problemen bij ins telling
4. manieren a. handmatig 1. aanpassing spanvlakken 2. instellen spanvlakken 3. instellen spankrachtgrootte b. 3utomatisch 1. goede grijpereigenschappen 2. minimale insteltijd 3. sensorgestuurde ins telling grijpervlakken 4. groat instelbereik spankracht
-42-
5.2.1 Griiperinstelling 1.
Het instellen van de grijper is nodig a1s: - men een andere component hanteren wil de grijperinstelling door gebruik verlopen is - de grijperelementen versleten zijn en vervangen moeten worden.
2. Enkele belanariike a~oekten bi; het instellen van de grijper zijn de beweging, positie en orienta tie van hat spanvlak ten opzichte van de component. De voarwaarden voar het instellen zijn: - trefzekerheid - uitvoerbaarheid in aan karte tijd De instelling geldt met name voar: - de spankracht - hat spanvlak 3. De probleman bi; de instelling zijn: - de maatafwijkingen van de componenten - de vormafwijkingen van de companenten - de vormvastheid van de componenten - de positie en orientatie van de companenten in de taevoerinrichting - de aanwezige spankracht ten gavolge van veren of magnetische werking - de aanwezigheid van hulpstoffen. zoals vet - de aanwezigheid van afvalstoffen, zoals spanen - de mogelijkheid tot componentbreuk tijdens het hanteren. 4. De instelling kan op de volgende manieren gedaan worden: ~ handmatig - automatisch
-43-
a. handmatig Deze wijze van instelling beperkt zich tot: 1. de aanpassing van de spanvlakken. Door deze in overstemming te brengen met de produktvlakken wordt de ops1uiting geoptimaliseerd. De technieken die voor de optimalisatie van de spanvlakken gebruikt worden zijn: - verspanen - omvormen - gieten van kunsthars 2. het ins telleR van de spanvlakken door middel van het instellen van : - de schakels - de scharnieren - het verplaatsen van spanvlakken - de spanv1akken ze1f (instelbare grijpmallenl J. de instelling van de spankrachtgrootte. De spankracht van de grijper kan worden ingesteld door middel van een veer QT door hat regelen van de olieof luchtdruk op de aandrijfelementen.
-44-
b. automatisch Bij de automatische grijperinstelling wordt gestreefd naar: 1. goede grijpereigenschappen, waarbij die van de menselijke hand centraal staan. De belangrijkste kenmerken van dit type grijper zijn: - meer dan twee vingerelementen, welke onafhankelijk van elkaar kunoen bewegen - vingerelementen opgebouwd uit meerdere schakels die onafhankelijk van elkaar kunnen bewegen. 2. het mioimaliseren van de insteltijd, bijvoorbeeld door het automatisch laten aanpassen van het spanvlak aan de componentvorm. 3. de sensorgestuurde instelling van de griipylakken. kan uilgevoerd worden met behulp van: - stappenmotoren - hydraulische cilinders - pneumatische cilinders Bij automatische instelling kan onder scheid gemaakt • worden tussen: - instelling van de spanvlakken met sensoren - ins telling van de spanvlakken zander sensoren 4. een groot ~nstelbereik van de spankracht is mogelijk door middel van eeo veer of door het regelen van de olie- of luchtdruk op de aandrijfelementen.
-45-
5.2.2 meervoudige grijpers 1. toepassingen 2. manieren a. multigrijper 1. toepassing 2. mogelijkheden b. wisselsysteem 1. toepassing 2. redenen voor verwisseling 3. nadelen 4. manieren a. handmatig 1. toepassing 2. belangrijke aspekten b. 8utomatisch 1. toepassing 2. manieren a. earrouss.l b. magazijn
-46-
S.2.2 De meervoudige grijper
1. Oeze grijper wordt toegepast als de volgende zaken gehanteerd moeten worden: - meerdere dezelfde componenten - aen component op verschillende manieren - meerdere componenten op verschillende manieren - meerdere versies van een component - meerdere verschillende componenten 2. De meervoudige grijper kan op verschillende manieren worden uitgevoerd: a. als multi-grijper b. als wisselgriiper c. als yniversale erijp@r
-41-
a. De multigriiper Oit soort eenheden zijn opgebouwd uit meer dan een 9[lJen kuonen zodoende meer als een component tegelijk pakken. 1. Deze grijpers worden toegepast VOOI de assemblage of bewerking: - van een beperkt aantal componenten grijper - met korte cyclustijden - met batch-produktie ~
2. Het deze grijper kan: - parallel processing gedaan worden; bijvoorbeeld het in een beweging laden en ontladen van een machine - serieel processing gedaan worden; bij een assemblage van verschillende onderdelen haalt de grijper aIle 00derdelen op alvorens alles in een handeling geassembleerd wordt.
figuur 27: een multigrijper
-48-
b. Wisselsystemen 1. Bij deze systemen kunnen zowel de grijperbekken, de grijpervingers als de grijper zeIT verwisseld worden. Deze methode wordt speciaal voor assemblage of bewerkingen toegepast met een: - lange assemblagetijd - hoge benuttingsgraad van de machine - groat aantal te assembleren onderdelen - batch-gewijze produktie 2. Redenen voor de yerwisseli09 van de grijper(delen) kan
zijn: - het vervaardigen van andere componenten - onderhoud aan de grijper - het vervangen of repareren van versleten grijperelementen - het defekt raken van een grlJper - het laten afkoelen van een grijper(deell ten gevolge van het hanteren van componenten met een hoge temperatuur - het assembleren van diverse soorten componenten - het uitvoeren van een andere bewerking. bv. van slijpen naar lassen - wanneer kleinere. maar gelijkvormige componenten moeten worden opgenomen - meerdere c?mponenten tot aen geassembleerd moeten worden. waarbij probleman optreden met: de componenttoevoar de componentmontage de componentbevestiging de controle op geassembleerde componenten de afvoer van geassembleerde componenten - specifieka grijpers kunnen niet universeel worden uitgevoerd. ze gaan uit van een bepaalde component, niet van een grijpidee. 3. De Qadelen yan wisselsystemen zlJn: - langere cyclustijden door het verwisselen - er worden extra kosten gemaakt voor hat copieran van grijpers of delen ervan. Hat is nodig om de verwisseldelen ta standariseren zodat de beschikbaarheid van de delen vergroot wordt. 4. Oe verwisseling kan zowel automatische als handmatig 9abeuren.
-49-
a. handmatige verwisseling 1. Oeze wordt toegepast als:
- de omstelfrequentie relatief 1aa9 is - de grijpers constructief zeer verschillend zijn opgebouwd - het automatische wisselsysteem technisch en/of economisch niet optimaal inzetbaar is. 2. Belangrijke aspekten bii de handmatigegriiperyerwisseling 1ijn: eenvoudige montage an demontage moet mogelijk zijn - gebruik eenvoudig grijperaansluitingen gebruik een eenvoudig energieaansluitsysteam gebruik een eenvoudig besturingsaansluitsysteem. De aansturing van de aandrijfelementen en de terugkoppeling van eventuale sensorinformatie moet eenvoudig te realiseren zijn.
-50-
b. automatischa yerwisseliQ9 1. Deze manier pait men toe als van hat systaam aen ~e flexibiliteit geeist wordt. Dit is het geval indien er veel wisselingen nodig zijn of als de cyclustijd klein gehouden moet worden. 2. De robot is in staat zelf de grijpers te verwisselen. Fr zijn twe, minieren yan aytomatisch wisselen mogelijk, namelijk: a. door middel van een verwisselsysteem aan de robotpols, de zogenaamde carroyssel (zie figuur 29) b. met behulp van een magaziin met grijpers. aIle voorzien van een snelkoppeling voor een snelle en eenvoudige verwisseling (zie figuur 28)' Indien er van een magiZlJn gebruik gemaakt wordt. moeten enkele punten nider beschouwd worden. te weten: - de juiste opnameinrichting yan het magazijn voor de positionering van de grijpers een registratiesysteem voor de plaatsing van de grijper in het magazijn controle op de afgifte van de in het magazijn te plaatsen grijpers controle op de juiste opname van de grijpers betrouwbare en eenvoudige koppeling van elektrische pneumatische of hydraulische leidingen voor de aansturing van de grijper betrouwbare en eenvoudige koppeling ten behoeve van de informatieoverdracht naar het besturingssysteem.
figuur 28: een grijperverwisselmagazijn
-51-
figuur 29: een c3rroussel
-52-
c. de uniyersele grijper Een speciale flexibele grijper is de universele grijper, die speciaal voor assemblagewerkzaamheden benut wordt waarbij een beperkte groep verschillende componeten gebruikt wordt. De universaliteit is geldt in de praktijk slecht vaar een nauwkeurig omschreven taepassingsgebied. De universele grijper maet binnen de assemblagecyclus alle handelingen kunnen uitvaeren. Veelal heeft de menselijke hand model gestaan voar de universele grijper. Als de opzet van de universele grijper niet slaa9t, dan kan er nag gekozen worden voor grijperverwisseling of voor een multigrijper. Als er tijdens een assemblage niet-grijphandelingen verricht moeten worden d3n kan gekozen worden uit: - meerdere robots die of voor grijp- of voor niet-grijp handelingen gebruikt worden. - een verwisselsysteem dat het gebruik van grijper en g.reedschap toestaat. De modulaire opbouw van de grijper verdient de voorkeur.
Multifunction gripper 1 2 3 4 5 6 7 8 9
Attac~nt for automatic change of the gripper
Air inlet for activating the gripper Pneumatic cylinders . Gripping area for the shaft Gripping area for the gear wheels and the synchronizing hubs . Gripping area for the synchronizing cones Gripping area .for the assembled gearshaft Displaceable fingers Locking piston for the gripping fingers
figuur 30: een universele grijper voor het assembleren van 10 verschillende, gelijksoortige onderdelen van een transmissie-as van een personenauto
-53-
5.2.3 comgliantie 1. doel 2. waarom J. actief/passief
.
-54-
5.2.3
Cgmpliantie
1. Het ~ van compliantie is het verkleinen van de krachtswerking waardoor: - montagewerk verricht kan worden door relatief kleinere robots die geringere krachten kunnen uitoefenen - beschadigingen aan de componenten en grijpers wordt beperkt. 2. Waarom is compliantie nodig: - de robot is niet in staat om op die plaats te komen waar je graag wilt zijn. Het lukt hem niet de component op de nominale maat te plaatsen. de plaats waar je wilt assembleren bevindt zich niet op de nominale plaats. 3. Passi,flactief De compliantie heeft tot taak de toleranties te compenseren die oa. ontstaan door het onnauwkeurig positioneren of vormtoleranties in de componenten. Deze toleranties kunnen zawel uit laterale- als uit hoekfouten bestaan (zie figuur 31l. Fr kan onderscheid gemaakt wor'den in passieve en acactieve compliantie. - passieve compliantie berust op het mechanisch compenseren van de toleranies. Het mechanisme, dat tussen de robotpols en de grijper aangebracht wordt reageert op assemblagekrachten (zie figuur 32 + 33) - actieve compliantie maakt gebruik van sensors. De teruggekoppelde sensorinformatie wordt terugsestuurd naar het besturingssysteem, welke de grijperbeweging optimaliseerd (zie figuur 34)
W l$ --. r ,
\
~
I
~ ~
_.
LATERAL ERROR
11
. ANGULAR ERROR
•
llilli C.I
Ibl
Definition of Lateral and Angular Error
figuur 31: defenitie van de laterale- en de hoekfouten
-55-
swiftl points \
\ I \t
Remote Centre Compli4rrn~ (RCC): the rods QTe micuiated on the plates by QTticul4tions equivall"nt to stuit:els. point C is the RCC (ie tlte cenn of spherical movements of the pin)
figuur 32: een pas sieve compliant
t
-- ....... '
-...
if
figuur 33: een montagevoorbeeld met behulp van een passieve compliant
-56-
FORCE I MOMENT OETECTOR •
• A&Q
1
:,..
_11ft. JTlvtn
· .a.
1>
,~
'-,ot ' •• tI ••
*. tCfl...
:. .
:
0.,
..,.M, I. 0......
o.t lI·a
FINE MOTION DRIVER • .....a .....
System
,t;". oAr .1:» .8. .._ •• r
• 11110l.Il1'1011
110,.,..
• ft ..... ON.'
10 ...
.s., .s.,
Conti; urat!an
fiquur 34: een systeem werkend met passieve compliantie
-57-
Literatuurlijst 1. Robot- en hanteersystemen voor flexibele produktie automatisering. C.F.M. Boatsman, m.m.v. J. Stoute 1985: Waltman; Oelft 2. De universele robothand P.W.J. leenders Verslag I2-eindstudie opdracht 1983; TH-Eindhoven 3. Automatiseren met robots (antwerp an programmering van industriale robotsystemen) Christian Blume, Rudiger Dillmann 1e druk 1983; Kluwer technische boeken B.V.: Oeventer 4. Total sensory system for robot control and its design approach R. Masuda en K. Hasagawa (Japan), W.T. Gong (China) 11th international symposion on industrial robots 1976; lapan Industrial Robot Assosiation (lIRA): Tokio 5. Robot components and systems (volume 4) diversen 1984; Kogan Page Ltd.; London 6. Industrial robots an robotics Edward Kafrissen 1984; Reston Publishing Company inc.; 7. Robotics in practice Josaph F. Engelberger 2e druk 1981; Kogan Page ltd.; london
-58-
8. Grippers. tools and fixtures for flexibele automated assembling Christian Johansson and Nils Martensson Annals of the CIRP Vol. 34/1/1985 9. Handhabungssysteme: Entscheidungshilfen und Einsatzerfahrungen aus technischer Sicht. B. Brodbeck e.v.a. 1981; VOl Verlag GmbH; Dusseldorf 10. Planung und Einsatz von Industrieroboter Arbeitsplatz Analysen. Auslegung und Anwendung von Handhabungssystemen E.F. Schinke 1981 ;
11. Industrieroboter J. Volmer e.v.a. 1981; YEO Ver.lag Technik Serlin 12. Handbuch Industrieroboter Sauweise. Programmierung. Anwendung. Wirtschaftlichtkeit Horst H. Raab 1981; Friedr. Vieweg & Sohni Braunschweig/Wiesbaden 13. Robot application engineer Tony Boden 1986; Asea; Apeldoorn 14. Overzicht van grijpers Terpstra 1986: Asea; Apeldoorn
BIJLAGE 2
ONTWERPEN OP MAAKBAARHEIO EN MONTAGE Prof. G. Boothroyd (8] 4 pagina's
Ontwerpen op maakbaarheid en montage
Prof. G. Boothroyd
------------_. ----..., Professor Boothroyd is verbonden
, niet biidragen. Van de welvaart erae- nologie6n. Oit betekent det wi; de rende activiteiten in Ameriks is het beste appalaNur en technieken effiaan de Un;verstteit van Massachuverbazingwekkend hoge percentage ciint georganiseerd moeten toep.... Sfttts in Amherst en als een vsn de van 70% toe te achrijven aan het sen om tot een produktiebeaturlng te eergten reeds jaren werk1'8Sm un concrete produkten producerende be- komen, die goed ontwo.rpen produk· het vrsagstulc hoe effieienter "'drijfsleven, terwijl de rest voomame- ten van hoge lewaliteit is. sen keel goed eV8nrueel geautomatisHrd - lean liile wordt opgebracht door de land- voortbrengt. Oe praktijk van alledag worden gemonreerd. Telkenmale bouwen de winning van grondstoffen. leert clat wij durin, op enke'e uitzonheeft /"Iii ervaten dat hiertoe onto Oe eonclusie is. due gerechtvaardigd deringen na. onvofdoende slagen. werpWllzigingen nodig Zlfn_ Wijz;· I dat wi;, indien wit geen tech'lmogische gingen die hel moge/iilt: maken voorsprong kunnen behouden in hat I ondl2trdelen .3Ufomat;sch aan te voortbrengen van produkten, geen Produceerbaarheid voeren en te monteren. dan wei het geld meer overhouden voor de beta- In het algemHn realiseert men zieh aantal onderdelen te verminderen fing van de vele verworvenheden die onvoldoende det de meest geevan· af andere dfflingen asn te brengffn, . onze maatschappij voortbrengt om ceerde produktiemethoden weinig nut die het samenbouwen belangrijk weNaart OVer te laten gs.n in wellijn. hebben, indien het ontwerp van het I kunnen vereenvoudigffn. produkt een efficiente toepassing yan Oe redact;e is van meniflg, dar in d" I Op dit moment ervaren wi; reeds hoe deze methoden niet mogelijt maakt. zeer op deze verworvenheden nood- Deze kant van het ontwerppraces montage belangrijke tat zeer be<1 gedwongen moet worden bezuinigd. langrijke praduktiviteitsverhoginnoemt men meestal de produceer. I gen realiseerbasr zijn, indien hierbaarheid. De industrie begint lieh dit zoeken dus naar mogeliikhed~n de mee reeds in het ontwerpstadium , produktiviteit van de voortbrengmgs- langzamerhand te realisere". Ook beI mHr rekening wordl gehauden. processen belangrijk te verhagen door gr!jpt men dat deze eerste S\4f' van het ! Oema/ve zal zij in de niffuwe redtlc- ; de toepassing van dEl n;euwste tach· Yoortbrengingsproces ven doorslagI fione's opzet van MB·PraduktieI teehniek hierasn meer asndtlcht ! ! schenken. Een praktisch systeem - met imposante mogelijkI De bijdrage van prof. BoothrO'ld heden maakt duidefijk hoe s{erk de sa· Design for Assembly - A Designers Handbook is het laatste resultaat van I menhang ;s (ussen on twerp, projarenlang onderzoekwerk aan de Universite!t van Massachusetts in duktie en montage, ongeacht waar samenwerking met de University of Salford Industrial Center in England. 1 onderdelen worden gePl'oduceerd. Oorspronkeliik werd het project gefinancierd door de National Science : De .auteur beschrijft in het navol· Foundation met medewerking van enkele bedriiven wearonder de Xerox . ge~de artlkel het onder zijn leiding Corp. ontwikkeld UMass-systeem voor Het doel was onderdelen te classifieeren naar hun geschiktheid tot ontwerpen op hand- of automati· automatisch aanvoeren en positioneren en daaruit richtlilnen ta formule· . sene montage; ren voor het ontwerpen van onderdelen die goedkoop ziin ta maken an te __ .. monteren. Het handboek geeft een gedisciplineerde wiize van aanpakken. Het Inleiding vereenvoudigt grandvormen en deelt ze in categorieen in op een wijze die ledereen weet. of dient te weten. dethet de gebruiker mogelijk maalct op eenvoudige wilze de gegeven de huidige economische problemen handleiding fe volgen. het gevolg zijn. wellicht veroorzaakt Sidney Uebson van Xerox legt: Oe aanpak is praktisch. Xerox lal in de ziin. door het achterblijven van de komende 10 jaarhanderden miljoenen besparel1 door de-toepassing van hebproduktiviteit in de industrie. de gegeven grondregels. Het is redeliik te verwachten dat consequente ben gezamenlijk de laatstetwintig jaar toepassing 10 tot 20 pracent besparing op de fabrieksverrekenprijs geeft. en in het bi;zonder in de jaten '78-'82 Het eerste deel van het handboek geeft een classificatie die duidelijk maalet meer uitgegeven dan verdiend en in welke mate een prodiJktmontage zich leent vaor automatisering. meer op welzi;n gerichte maatregelen Oe defen 2. 3 en 4 houden zich bezig met het ontwerpen 'lOOt eenvoud!g tegenom en dan wi; konden betalen. De hanteren en te monteran delen vOOt handmontage. De delen 5 en 6 geven produktiviteitsstijging is sterk aehter· analysesystemen en clsssificaties voor produkten die zich lenen voor gebleven bi; de groei van de welvaart gemachaniseerde montage. en de eisen die de gemeenschap Daamaast is het boek "Automatic Assembly" van Booth~ovd, Poli en "telde aan het welzijn. Murch een Goede ondersteuning en een handig naslagwerk. Het besChfii:J ~lIe maatschappelijke activiteiten kunde apparaten die _baschikbaar zUn voor het aanvoeren, rich~en en ')en worden verdeeld in die welke positioneren van onderdalen met daaropvolgende montage. _ Nelvesrt creeren en die welke daaraan
I
I I
II · II
I j-\Wii
I
I
I
i
I
I
I\
------_.
__.Wi;
0 _ 4_ _ _.. ' ,
~
Jrg. 50 • No. 15 • 21 augustus 1984
357
.1IIi::::==___________________________________U~N~I~VV~'t~h~r~tl~~~u~r_·~lv~IMK~~~U~~~·~n_n_l_1U~·~t_jl_I_".V_I'_I_j\_~_~ jevende invloed is op de kosten van let produkt. Oaarom is "producee,oaarheid" vandaag een onderwerp dat .n het middelpunt van da belangste'ling staat. Oit moet niet aileen leiden tot eenvoudig te fabriceren onderdelen. maar ook tot eenvoudig8 efficiente montage van daze ondardalen. He' is Ie hopen dat op den duur aile onderdelen zo wordan ontworpen dat zij lawai eenvoudig Ii;n ta fabrice,en als gemaldle.ijk te asaemblaren. Hiervoor is prim air een goede voorlichting nodig aen de ontwerpers. opdat daze in de keuze van de vormgeving van de onderdelen begrijpen wat de consequentie. zi;n vOOt de fabricage en de montage. Aileen op daze wijze ltan worden voorkomen dat het produkt onnodig kostbaar wordt. Omdat veel montagewerk relatief ar· beidsinlensief is en vealal voor een belangrijk deel de kosten van de produktie bepaalt. is het reaelijk bij het antwerpan bijzondafe aandacht te gevan aan de monteerbaarheid. Oaartoe is 'onder 'iniin leiding het UMasssysteem ontwikkeld. Met dil systeem ltan een waarde-oordeel worden uilgeaproke!, over de montage-efficiency c.q. de monteerbaarheid van aen constructia. De twae belangrijkste kostenbesparende factoren zijn: 1. het gemak van hanteren en monteren van een onderdeel; 2. of he' minimaliseren van het aantal onderdelen in een produkt.
Het is duidelijk dat de ontwerpe, al 3. een schatting voor elk onderdeel van de te verwachten benodigde rekening moet houden met de vraag of extra tiid als resultaat van de spehet onderdeel automatisch gemonciale eigenschappen van hat dasbeteerd moat kunnen worden. In het i lreHend onderdeel. algameen is hat wei zoo dal een onderdeel dat aUlomatisch monteer- Voor de bepaling van de waarde ven baar is, oak met de hand eenvoudig elk van daze factoren is de volgena. verwerkbaar is. toeliehting van belang: ! Ontwerpea voor handmontag8 , Ad. 1. Sepaling van het thaoretisch Latan wii veronderstellen, dat een minimale aanta. onderdelen (NMI- na bepeald produkt uit drie onderdelen uitvoarige studies - uit de methode bastaet. Elk onderdeel vraagt twee volgens het UMass-systeem. Oit gaat seconden om het te pakken. verplaat- er vanuit dat onderdelen een eenheid sen, richten. positioneren en op ziin dienen te vormen, behalve indien ten plaats te schuiven. Oat wil zeggen. dat van de volgendecriteria een fol speelt: de ideale of minimale montagetiid 6 a. de delen dienen ten - opzichte van seconden bedraagt. Oit getal is het elkaar te kunnen bewegsn VOOf het uitgangspunt of ijkpunt voor de beoorgoed functionsren van het produkt; deling van de monteerbaarheld. b. da delen moeten op goede gronden Stel. dat de totale montagedid 12 van verschillende materialen worseconden bedraagt. dan is de manta· den gemaskt. Gedacht kan worden ge-efficiency 50%. Oit getal WOldt veraan de noodzast van elektrische Kregen door de theoretische minimale isolatia. Hier zijn verschillende mamontagetijd (TIIA) te delen door de tarialen nooelzakelijk. De wens gemiddelde raile tijd (TE~ en deze kleurverschillen un te brengen is verhouding om te zetten in pracenten. geen reden voor het toepHsen van Om deze rekenwiize te kunnen gebruiverschillende materialen onken ziin drie factoren .yan belang: derdelen; 1. een methode tef bepaling van net c. de deling in meerdere onderdelen theoretisch minimale aantal onderis noodzakeliik voor de opbouw delen (NM); van de funclias van het produkl. 2. een schatting van de minimaal movoor het goede gebruik of voor gelijke tijd voor het hanteren en eventuale reperaties. positioneren en het minimum 'lOaf In figuur 1 wordt een samenbouw het bevestigen (resp. TH en Tit van getoond. die opnieuw is pntworpen op een onderdeel; basis van de hi.rvoor genoemde crite-
l
I I
C.".
,
1
stltlen schroeven
Seide lactoran worden van groot belang geacht. onafhankelijk van de i vraag of wij over hand- dan wei geautomatiseerde montage spreken. Tach is het gemak van honteren an plastic delenl ~ monteran sterk afhankelijk van da en veers/of ~ vraag of met da hand dan wei automa(oS"') tisch wordt gewerkt. Het zal duidelijk lijn dal het belangrijkste criterium bij de bepaling van de ~. (~. nylOIJ opsJuitring J ~ po) monteerbaarheid de kosten liin en deze op hun beurt lijn direct gekopaluminium zuigeT ~ aluminium zuifJ(ff peld aan hat aantal te monteren onderdelan. Osarnaast blijkt een ondeldeel dat gemaldlelHk met de hand kan worden gepakt, gericht en gemonplastic pompblole teerd. lang niet altijd oak. automatisch eenvoudig te varwerken. Nearn als voorbeeld maar een eenvoudig "ja, plastic pompb/ole voonian ven fin in 86n van de kopein· 'al den gaparat nummer om te begrijpen hoe eenvoudig deze met de hand goed is te monteren en hoe eindalooa veet ingewikitelder dal wordt ala men hat Figuur 1 ~htpompje; bBstaanci onrwerp (al met 7 de/en un OQ/c functioneren mtit 4 ckH(fJ" tracht te automaliseren. {QJ
¥
~~-I
6 (, ())
1
368
Jrg. 50 • No. 16 • 21 augustus 1984
! I
I
\.
J _ _ _ _ _ _ _ _ _ _-.::O:.:.=.;NTWE:..:.;.:::.:;RP:..:.:EN..;....;:O:.;...P.:.;.:.;.MAA~K.;.;;;.;.3J'~lAR...;.;..;;HE=IO..... EN...o..;.M;...;;.O....;..NT..._;.;;.AGE
iI. 8ij dlt vntwerp moeten de zuiger n de "eer bewegen ten opzichte van et blok. terwrjl de deksel afneembaar lent te zijn voor de montage en ntuels rep.tatle. Het minimum ntal onderdelen is du. vier lb. ten plichta van de ~en van het oar· rankelijke antwerp (at.
d. 2 ScHetting van de ga_ringst mogeke tijd van hanteren en monteren ITH De eTVaring heeft galeerd, dat schattingen njet absoluut wiver n te ziin, omdat dezelfde waarn in de noemer en de teller terugkoen. Dus zolang geen andere wasr· n exact ziin bepaeld, kan worden werkt met getallen van 1 seconde or TH en 1 second. voor TI. dus aal 2 seconden per onderdeel.
n,.
f
i
... 1
fbi
. 3. De benodigde extra tijd bepand voor de monteerbaarheid voigt Igens het UMass-systeem uit de oeilijkheidsgraad. Hiervoor worden tallen gegeven. Zowel voor het hanren (OM' als voor het monteren (01). or een eenvoudig onderdeel kan de oeilij":heidsgraad nul zi;n. Dan zi;n en 01 nul en word! de theoratisehe d TH of TI van 1 seconde ook h9ald. de moeillj~neidsgraad 3. dan ontan dus tijden van 1 + 3 is 4 conden. Oeza moeilijlcheidsgraden n verkregen door vele onderdeten te kijken op hun hanteer· en monteer· erheid en deze onder te brengen in n tweecijferige elassificatie. een r hanteerbaarheid en een voor onteerbaarhaid. De resultaten wor· n vergeleken met gang baM calculaagavens dan wei met montageperimenten. Deze ctassiflcaties gen dus een soort controleli;sten, op sis waaTVan montagetijden kunnen rden geschaf. ur 2 geeft een voorbeetd van het uitaat van het toepassen van het aSS-SV$teem op een eomplexer ulet. Hler zljn belangrijke besparinn verkregen door het terugbrengen het aental onderdelen en door de beterlng van de monteerbaarheld de andere. De kosten daa/den rdoor met 15 gulden per produlet. is een gelukkig voorbeeld, want er ook voorbeetden waer het Ideinere tal onderde'en gep.ard gast met zodanlge kostenstijging van de plexere onderdelen die dan nodi; • dat een geringere of geheel geen paring wordt verkregen. Toeh reno rt oak in die gevallen de ingreep
F'If1UU" 2 Fundatiepllfllt - deelmontage; hilt bestlflfnde antwerp (al heeh 17 onderdelen. 'e!Wijl her gfJwijtigde ontwerp slechts 36 foSSIl anderde'tm ken'. (Uh: "Design fo,. Manual Assembly Cllse Study", door Paul P. Dargie. O;lJbloIXero~ reportl
..
.
door het geringere aantal magazijn- tische aanpak vantwee elsmen-ten, die nummers, betere repareerbaarheid, dilcwijls over het hoofd worden gezien; eenvoudiger kwaliteitsbeheersing e.d. In de eerste plaats de studie van de Een veel gehoorde opmerking is dat vorm van de onderdelen vanuit het dele actlviteit elgenlijk waarda-analy· oogpunt van hanteerbasrheia en mono se is. Oat lijlct er Inderdaad op. Tach I teerbaarheid en in de twefilde plaats helpt het S'(Steem btijkbaar bij het door de bepaling van de moeilijkheidsanalyseren, want het.voorbeetd uit graad van het montageproees van het flguur 2 hed reeds een uitvoerige produletontwerp. wa.fda-analvse ondergaan. De verklaring moet wellicht worden gezocht in Ontwerpen voor het feit. det bij waarde-analyse naar automatisch monteren besparingen op de fabricage ven on- De meeste produleten worden met de derdelen wordt gekeken en minder hand gemonteerd. Het idee van autonaar de montagetijd van die onderde- matisering leidt veelal tot een kritische len. Eenvoudige. goedkope. maar beschouwtng van het ontwerp en tot functionele onderdelen werden bij een ander ontwerp. Oit op lieh 'avert waarde-analyse over het hoofd gezien, meestal al sen belangrijke besparing tarwljl UMass zic~ ui! hoofde v~n de _ op. ook bij handmontage. De winst montagekosten rlcht op elemlnatie ! van automatisch monteran is in de van lovee' mogelijk van dergelijke praletijk dllcwijls VOOT een groter deel te onderdelen. dan ken aan het nieuwe ontwerp dan aan het automatiseren. Daar is voor· i alsnog het measte te verdienen. zie Waarde-ana1vse .is een waardevot ge- ; flguur 3. reedschap bij het ontwerpen en de onderdelenfabricage. Zlj maalet ge-, Het UMass-systeem voor automatiseh bruik van kostenfactoren uit allerlei I monteren omvat dan ook meer ontafdelingen; inkoop, marketing en ser- . werpaaowijlingen dan sutomatisevice· inbegrepen. De getallen volgen ringsvoorschriften. ult de klantenbenadering van hat pro- In de preletiik blijken de kosten van duktontwerp, van de fabricagekosten, montage sterk afhenkelijk te zi;n van de levensduur en de aankoopprocedu- . de problemen van het samenbouwen res. De fabrleagekosten volgen meest- zelf. Het riehten en pakken van de al uit standaardtlfden. Oaarom Is het onderdelen is betrakkelljk eenvoudig UMass-systeem aanvullend op deze blj de handmontage. Oit is dikwijls traditionele aanpak door een pra9ma- onverwacht moeilijk te automat;sere";
I
I
I!
MB ____________________~O~N~~ERP~EN~O~PM~AA~K~BAA~R~HE~ID~EN_M~ON_TA~GE
eindmontage _ dHlmontage' _
I
I ~, ..
"'"
~ ..
'"
I
.
I
I
I
I
I
t,,~
..,i! .$
t
'5 .... -i E.Q
i!
~.
c::~
8.c: .9.3
~j
.' J! '-
.c;E
•
Q.c;
j~
~~
FlflWf 3 Verdeltm van VfII'fIChillfmde montlf. gemethodtm in proctmttm van dee/mont... go tm eindmont8(llJ$
.
Men gaat zelfs lover om te zeggen dat, indlen ean onderdeel 8utomatisch aengevoerd, gepakt en gepositioneerd kan worden, het ook automatisch gemonteerd ken worden.
(e)
(b)
(
Figuur 4 (s} .. oorspronketijk antwerp ibl .. herzitm ontwerp
In veel gavellen dlenen onderdelen opnieuw te worden ontworpen om automatisch hanteren en monteren mogelijk te maken.
HfIt oorspronkBlijkB ontwerp ial had 21 onderde/en. wa_an 14 niet automatisch 1iln Ie IIBrwerlcen. Her lIerzitm8 ontwerp fbJ heeft nag 16 onderdelen, wearvan 8f 6 niet automatisch kunnen worden gemonteerd. fUit: "Product ONign for Assembly». S/aford Univenity Industria' Center LId'.
Figuur 4 toont hiervan een voorbeeld. Het gaat am een produkt uit de elektrotechnische industrie, namelijk ean deel van ean besturingssysteem van een aquariumverwarmingselement. Typerend is hat U-vormige draaddeef. Automatisch onhanteerbaar in het oorspronkelijke ontwerp, eenvaudig in de heniening. Tach bli;ven In het nieuwe ontwerp 6 onderdelen .nog moeilijk hanteerbaar, tegen 14 in het oorspronkelijke antwerp. Het oorspronkelijke antwerp (8' had 21 onderdalen, waarvan 14 niet automa-
tisch zij" te verwerken. Het harziene ot:ltwerp (bl heeft nag 160nderdefen. waarvan ar 8 niet automatisch kunnen worden gemonteerd. (Ult: "Product Design for Assembly". Salford University Industrial Center Ltd.'.
Conclusie Het UMass-systeem is beschikbaar in de vorm van een handboek en in de vorm van ean computerprogramma voor ean microcomputer. Het enige vergelijkbare systeem dat de schrijver
kent is het "Hitachi"-systeam. dat weI iets leg! over de monteerbaarheid van een onderdeel. maar niet ingaat op de invloed van het aantal toegepa!te onderdelen. Ook de mogelijkheld van aanvoeren en positionersn wordt door het Hltachi-systeem niet onderzocht. Elk systeem dar de ontwerper stimuleert en helpt onderdelen te- takanen die eenvoudig zijn ta monteran, is bruikbaar door da grote invloed die hat heeft op de produktiviteit. Oak hier is de aandacht voor het probleem in Japan groter dan elders.
BIJlAGE 3 EXPERT SYSTEM GUIDES CAD FOR AUTOMATIC ASSEMBLY Colin Runciman 4 pagina's
_ _ _ _ _ _ _ _ DESIGN' EXpert system guides CAD fOr automatic assembly A knowledge-based system is under development to provide component designers at CAD workstations with estimated costs andproposed design modifications. for automated manufacture. by Colin Runciman. Departmento/Computer Science. University a/York and K.en Swift. Department o/Engineering Design and Manu/acture, University 0/ Hull THE DESIGN of products that are easily manufilctured and assembled is a difficult decision-making task that few do well. Designers know that design governs product performance, bl'· "are!y appreciate the impact it has (~ ,.anufacture.ln fact, thedesignt>fa product larce1y dictates how it is made and what it costs to produce; sub.. stantial reductions in manufacturing costs can result from revisions at the design stage, and such savings can crucially affect the success of a product. Frequently t the benefits of ,uch redesign are realised too late. Since engineering design is not readily amenable to precise SCientific formulalion, the solution to this problem is not obvious. In concept, Design for Economic Manufacture (OEM) integrates the design process with the issues of manulacturing. planning and product costIDg. The chief requirement of OEM is the timely provision to the designer of knowledge about optimal product .,:r '"tgurations. manufacturing and a~mbly costs, allowing him to make quantitative assessment of alternatives. Many attempts have been made LO fulfil this concept: none has been taken up widely, Whereas impressive developments nave been made in manufacture of components (long lasting forming dies and cutting tools. new types of machine tools and computer control) there have been few comparable develop.. ments in assembly.lll Assembly research is unlikely to make up this defi~it unless the area of design is Included. For example, automatic li:edinl and orientating cannot be used for a whole range of current industria! component designs. and automatic assembly costs can increase by more than 600% if the design is nJt 'assembly compatible', Research in this area has produced a 'Design fur ,'(ssembly Handbook ': this incor')Orates a general classification or ~lIembly
AutOtMtion August 1986
duc/ ....lIlg
cetlam1v
componunl dUb/un + Boumpl..,.,,,. ruqu""m..... &
tftloAftl'~lf~(f
Lt:'!'tatn,y
o
o
KEY T loolong lime
o des.go advice M methodo/sOlullOll E ethclenc¥ mftUIIUle
C
COSI
f o "
geoeralieed.tl9 Qflentahon n""'ittnUHlun
c costing
R svstem leedrAle
Fill_ I: Solution StIlles
components in lenns of their suitability for automation.t~l Use of the handbook can significantly reduce manufacturing costs but it requires a large amount of component-coding and fonn-filling. Recent developments in technique for designing information systems, the availability of considerabl~ computing power at modest cost and t\te increasing popularity of CAD systems in industry suggest that an effective OEM solution may be within reach. Computer-aided design for assembly could be pursued by the development of conventional programs to support a separate activity of analysis, requiring a suitable representation of the design to be prepared as input.!"! The use of a knowledge-based expert system, 13.91 is preferred. The knowledge contained in such a system can be accessed and modified far more
conveniently; explanations of decisions can be supplied if required; varying lines of analysis and their relative importance can be handled. If the ground data for the inferences of this system can be captured directly from the design drawing then analysis can be conducted automatically and its results made iivaiiable at the CAD workstation to prom",t immedia!.c revision ifnecessary. In the field of design for assembly the problem of ensuring that corn~, ponents can be handled automatically is one of the most difficult lor the designer. This handling problem IS widely regarded as the main iii ':i6r limiting the application of autom;.tl.(': assembly in industry. An expert system is now described that. for a given component desigll. estimates the costs of handling and assembly equipment, advises Ihc 147
DESIGH _ _ _ _.........- _ designer of difficulties that components present for automatic handling durina manufacture, and suggests design improvements. Two main sources of expertise have been used. The first is a senior member of staff in a coUaboratini company that produces automatic assembly equipment: a system able to provide accurate cost-estimates in this. com·, pany fulfills one major role of a DEM consultant; for if the company can successfully apply a, tool to prepare estimates from drawings. then design in their client companies could anticipate. assembly costs by embedding the same tool in CAD workslations. The second source is the 'De...iKnjor Assembly Handbook 'PI In the design of this system it has been attempted to model the stages of deduction used by human experts solving the component handling problem and aJso the detailed knowledge that they use at each stage. The four major stages are illustrated in Fig. I and described in succeeding sections. The general feeding, problem is to decide whether a given component can be fed automatically at all. An attempt to solve it may result in advice that no suitable feeding method is known for this component or thal it can only be handled by incurrina a penalty of extra tooling time T. In each case there may be a standard type of minor design change that reduces or eliminates the problem. Often remedies can be conveniently attached to a rule by which the problem is inferred: this has the advantage of making plain where the intent of a remedy is simply to ensure that some particular antecedent of the problem im pi icalion cannot be satisfied. In this phase, although some rules are certainties, the majority require a representation of uncertainty. (In practice. uncertainty of some conclusions may only be resolved by building a pilot handling system.) The orientation problem is to determine a method by which a stream of randomly orientated components can be uniformly orientated to a specified attitude. Also to be determined are the associated orientation efficiency and a measure of orientation complexity as refl~'ed in tooling lime. Again there may be scope for design advice when there is no solution or only unattractive solutions. Orientation efficiency is the probability that a component randomly orientated on entry to the orientating device leaves it correctly orientated. (This is invariably tess than
I, so that some components must be, recycled.) Often more than one redesign proposal can be made; the best choice between alternatives may depend on functional or manufacturina constraints currently not represented in thissytem. The presentation problem is to determine a method of presentina components to the orientation zone or zones suitably streamed, and a method for transferring orientated componelllS to the assembly zone. The problem is solved by reducing it to a series of sub-problems, each corresponding to the selection of a particular tooling element. Once aaain, solutions have associated toolina times. if part thickness < O.2Smm or part diameter < 0.2Smm then possibly problem: parts will shingle tooling time: IOh remedy: thicken contact face if • part bend-bow > material thickness and part thickness < 0.2Smm then certainly probJem: parts will shingle remedy: thicken contact lace or flatten
parts
Fla.l: Examp.e General FeediDl Rules
if rotational symmetry and concelaled end-la-end asymmetry and mass not at geo,nctric centre and part envelope isa longcyJinder thep possibly method: orientate using swing tooling efficiency: 0.5 tooling time: ISh if rotational symmetry and concelaed end-to-cnd symmetry and (mass at geometric centre or part envelope is nOla lona cylinder) then certainly redesign: add external stcp or chamfer Fii- 3: ExampleOrienratioa Rules
if part thickness < 1mm and
maxdimensionlmindimension > 10. then certainly method: negative track tooling time: IOh if part thickness> I mm and max dimensiOn/min dimension .:s;; 10 then certainly method: wiper blade tooling time: 2h Fl". 4: Example Presentation Rules
Few rules used in the solution oCme presentation problem involve un· certainty. Solutions for the preccdin& phases guarantee that there will be a solution here and no further desian advice is issued.
Coating Finally, the costine problem is to detennine the total necessary costs. This phase is almost algorithmic, using standard fonnulae to combine previously determined toolilll times and information about equipment and material costs. However, the problem of achieving a required feedrate can introduce uncertainty: if the required rate is higher than the maximum feedrate from avaiJable bowl-feeders ofthe previously selected type then the cost of multiple feeder schemes must -be compared with an estimntcd rost of developing a single feeder with higher output rate. For example, the maximum feedrate Fmax attainable in a particular feeding unit can be calculated from the formula: Fmax = 60. V.ElL part per minute where V is the maximum useful conveyin& velocity (mm/s), E is the orientation efficiency and L is the maximum dimension ofthe component (mm). The strategy and detailed rules oC precedina sections arc implemented using the logic prosramming language Prolog.t6.7) The system has three main components: knowled&e base, inter~reter and CAD interface: this section contains brief remarks about the first two, and foUowina sections discuss issues of the third. At each stage, rules of the knowledge base are interpreted using backward chaining, with results carried forward as additional elements in the knowledge base for subsequent stages. Potential inefficiencies ofbackward chaining and limitations of the knowledge base are offset by a si mple mechanism to accept advice from the user in the fonn of suggested or assumed solutions for one or more stages. The interpreter cmt provide explanations similar to those discussed.lSI . . As yet there is no conSCtll>US about the treatment of uncertainty ill expen systems. '. .. certainty factors can be computed in a number of ways ransln& from awful to questionable. '91 Here too, the approach has been to imitate the human expert. with the consequence that no attempt has been made to quantify the degree of uncertainty attached to a particular Au
It 1986
_ _ _ _ _ _ _ DESIGN piece of knowledge beyond counting the number of uncertainties involved in a possible solution, with a fixed limit beyond which solutions are rejected altogether. This expert system can be used .;onversationally. with the user ,upplying infonnation on request. But ~his involves separation of evaluation :rom design. and error-prime transfer lf information from drawings: neither )f these is wanted. It is, therefore, the lim to determine relevant properties )f a design automatically by direct malysis of engineering drawings as hey are produced. If all ground data -equired for the expert system to Iddress the automation problems are nade available in this way, results can le applied at the CAD workstation to )rompt immediate revision if neces.[ Note, however, that if some 's!K;ntial properties should prove lifficult to extract from drawings, .utomatic extraction degrades graceuily with the introduction of conersational elements. A representation of component lrawings is needed that is adequate for he task of determining relevant lroperties. But it is not the intention to )ropose an alternative representation or drawings in CAD systems. Rather. a ery simple representation is used that an be easily derived from whatever ¢presentation isalrcady available. Consider components that are otationally symmetric (over 60% of omponents in some major engineerng industries). Often these can be icscribed by a rotational section that is polygon contained in a halfplane ded by the axis ofsymmetry. An ,bVIOUS representation is the cycle of .lanar (X. Y) co-ordinates for the onsecutive vertices of the polygon, ut at an arbitrary point to form a list, ,here the line of symmetry is by onvention the X-axis of the cordinate system. It is essential to
know, for example, whether such a component also has end-to-end symmetry. This property is readily defi ned in terms of the co-ordinate ring, and the definition can be formulated as Prolog clauses. (In the most efficient logic program formulations the computations correspondinl to auxiliary phrases of the definition are merged; but notice that direct. formulation of the definition is both possible and adequate.) •A component has end-to-end symmetry if its co-ordinate ring is composed of two common-ended arcs such that in each arc the sequences of Y values and of differences between successive X values are palindromic.' Among other properties that are treated similarly are those of asymmetric parts to do with projections, recesses, tilting and resting positions. One distinctive requirement of this expert system is the abilit9 to identify minor variations in the ground data (the component designs) that would lead to major reductions in handling costs. This may be contrasted with well-known applications such as the interpretation of medical symptoms or geological phenomena. where the data cannot be varied. Fig. 7 illustrates a design modification proposed by this system for the solution of an orientation problem arising in a real application. Such design advice can be presented simply as a small text retrieved from a rule in the knowledge base, as illustrated earlier. A more attractive method of communicating suggested design revision is by displaying necessary alterations to the drawing. This must be achieved without undue intrusion of details about drawings into rules of the knowledge base. The solution is to treat the CAD-interface component as an encapsulation that defines drawing
140.401 ~ (30.301 ' t50.301
40
I
30
\
tl0,301
110.301
l
20
}
(l0.101
10
\
IlO.l01 10
20
30
40
50
60
70'
·11.5: E"ample o(Compoaeat Presentation. bl Automation Au
It'
985
(10. 101
---(40.201
I
150.101
C bas _ end _ to _ end_symmetry:
C compose_Lot_arcs (AO. AI). AO ii _ symmetric _ arc, Al is _ symmetric _ arc. Ccomposed_of_arcs(AO.Al): [1. {RJ, J, [S], K] appended _ form C, UR]. J. [Sll appended _ form AO, [[S]. K, I. (Rll appendecL form A1. A is _a _ symmetric _arc: A has -y_va! ues Ys, palindromic Ys, A has-,,_differences XOs, palindromicXDs. palindromic P: P bas..reverse P.
as an abstract data type: other parts of the system observe and manipulate drawings· through the sole agency of defining predicates, with validity independent of representations such as the co-ordinate ring. Redrawinl operations can be treated in this way since logic program clauses defining predicates can be interpreted eUnilogically as a recipe ;or constructing objects satisfYing these predicates. So within the rules of the knowledge base, formulation of redrawing is reduced to a simple proposition; the problem of point and line transformation, and constraints under which it must be achieved, are isolated in a separate component. At present. this com· ponent is a straightforward applic.a· tion of the powerful list-processing techniques possible in Prolog. Yet to be investigated is more explicit representations of redraughting expertise. Indu.~.1 application
How well does such a system perform in practice? By comparing the recorded costs of automation systems recently produced by our collaborating company, previous estimates produced in the company, and results of this system, a partial answer can be given. In its present form the system has an average error of around 10%, compared with an average error for human experts of less than 8% for the range of components investigated. Further details on performance measurements· can be found in reference !~I. Measuring the quality of the system's design advice is more subjective and must be based on discussion with experts. The issue of problem diagnosis and remedy by redesign has, of course. been discussed with the consultant expert. but conclusions from such enquiry are liable to prejudice. Since knowledg'':'in
DESIGN______________ In thl: Idi·haJUJ dc:.i"n end-to-cnd asymml."lry is too slight lor reliable orientation in an automatic handlinisystem: a remedy is to reduce the external diameter so that the part can be I~-d aJUJ orientated in II. slQt supported by its head. with the allis of rotation \ crt!"',,I.
I-if&. 7: Example 01 Redrawi....
this area of tbe system is of general benel'it (yet not considered sensitive by the collaborators) it is intended to seek a wider assessment of generated redesign proposals.. Allbough tbis work is at an early stage. panicularly on the problem of determining and presenting design revisions, results so far are encouraging. Knowledge-based systems can be successfully applied to acbieve the goals of OEM for engineering components. An automatic consultant, resident in the CAD workstation, can supply adv ice in the form of annotations and proposed revisions to drawings without distracting the designer by additional tasks. In addition to potential benefits for existing CAD users, such a develop-
I
ment provides a futber argument for the wider adoption of CAD tecbniques. 0
Acknowledgements We thank Mr D, Nunn our con~ultant cJC.pert, and Dr M. A. Sabin the Computer-Aided Engineerina Coordinator of the Science and
Engineerina Research.Council of Great Britain (SERC). This work was .-rtially supported by
SERCfunds.
Reference. I, M, Andreasen. S. Kahlen and T. lund.
Design lor .4ssembl,v. lFS (Publications) Ltd andSpringcr-Verlag. (1983). 2. G. Boothroyd. Denim lor Assembly Hand· book. De.-rtment of Mechanical Encineering. University of Musachusetts and Salford .University Industrial Centre limited (1982).
3. M. A. Bramer, 'A Survey and Critil.'al
Review of Ellpert Systems Rl:5earch', pp. 486·S07 in Prot',>l.'dings a/British CUmpUll!r SudetyCon/erem:e( J981).
4. p, Dewhurst and G. Boothroyd. 'ComputetAided Desian for Assembly', Assembly
Engineering. pp.
18~22(FebruatY
1983).
S. P. Hammond and M. Seqot. A PROLOG .Shell for Logic- Based Expert Systems, De.-rtment ofComputina. Imperial Coli. .
I.onOOn(l983).
.
6, p, Roussel. Prolog: Manuel de Rel
Luminy (1915). 7. M. J. Spivey, University 0/ York Portable Prolutl System. Department of Computer Science. University ofYork (June 1984). 8: K. G. Swift and P. A. Firth, 'Knowl", Based Expert Systems in Dcsicn for Automalic Handling.' pp. 117-126 in Prot:l!edingJ u/5lh I nJernatiOlfQ1 Conjitren('e on Assembly
AUlcJmatiun, Paris(May 1984). 9. P. H. Winston, Arti/kial Intei!igence (2nd Edition), Addlson-Wcs.lCY(l984). .
DE NG? CAmeo
THE ANSWER IS
... WORLD'S LARGEST INDEX DRIVE MANUFACTURER (CAMCO offer you the economy of their volume pIOduction~ ... WORLD'S WIDEST PRODUCT RANGE (CAMCO offer over 1,000 variations-to . . . your I8Iection PfOC8I*l ... WORLD'S HIGHEST INDEX SPEEDS ISuperior design and fully ground-solid tooled came, allow Ipeeda of 2,000 Indexeel
Min to be achievedl
.* WORLD'S MOST COMPREHENSIVE CAM ANALYTICAL ENGINEERING (CAMCO'.4O yea,.' experience with cama ofhn you legendary Cam
AnaIytic;eI
Engineering and Application Knowledgel. Fot your Rotary and Une.rlnduing Problem-Conlutt the Market Leaders·. • . .
«:Amc:o " MOf&informationcircle313
150
SkU Hou. ., Falrecrea Ti'IICM Eatetee
Dedworth. Road, WlndlOl',
Tel: Wlndaor (cmi36) . . Telex: amm ,SKIL-G81
a.n.•• En{Iiend
UllAGE
It
EEN VOORBEELO VAN EEN UITGEWERKT FLOWCHART 7 pagina's
-1-
raadpleeg checklijst (zie pag.2)
de documentatie
a raadpleeg checklijst (zie pag.2)
zijn karakteristieken obotarm bekend ja
-2-
Checklijst documentatie -
tekenin9 component model component materiaal-specificatie component vorm van levering (geordend of ongeordendl kwantum van levering
Checklijst karakteristieken robotarm - hanteergewicht - werkbereik - welk type werkgebied (sferisch. cartesisch, etc)
-3-
l
11 1l.AJlft1lE.
,
1 .&Ift ITOI'R.II
I
J
norru
I
i
I
I IIXIG-YlSlEUZI
YLOI1U.1lI.
ITOI'f'IJI
ITOl'nJl
....
. I
-
J
l
GASVOUICZ
ITO""
-un -oat:n I I I . IOfOI1'RS ..utJ11l» VAIl
ll1T IU .wroIWIU
I
I
, "'4 ....
IIET
I
.~.1IU.a
I
I
GhUD-
IOlAPPC,.
. I .fQUIIE....... I· I
I
l
AnA&.l1OnlJl
I
, , I
~
~-:1
I
I
•• Y.
I.V.
-&$1&1 -IDU:JI
aL.dTOOfrTS
•• Y.
•. V.
-111ft.
-SPAnll -1U&U1I
-&11. .
-<
APPAlt.MT ..."UPAPPA.""T
-sLIII1TP
-a.utllG-
T""'I -II.AD-
I'I'OI't'D -JlAnn
....UJI
"1111wrrlJl
• P\IIIT1.AJ-
-..nln"""
1'IlOFla.1fAAL -oPS~as
Sl. Glntn'W1U
III.YIIt
-TAAJlT
-IiOllnwS
I _IDICIlAPPD
...... ..Y.
OII"IOIIIII'Ou.lll ...-n.oIC 1l00aD IU GJlASIlAAI MCIlI.
...,..nUWLEJI
I
1 fIIOIWft.II j
..Y •
....
."....1
au
eG......
-'"ITYUI'
'''''IT
schema voor de component-classificering [4]
JlUUL'JTOI'rIII
. ..
1
-aoa..ATD
·SOCLOLJI
."£a''IT
I
I
IIULJIftO'f'T'D
",>DUIT&JI
..Y.
L
.~
YOQIIl
.SeHUGAS 11.1
us.,..
I
..Y .
-AIIGOII-AaC
""IDUnEII ..r 11\11111. OUSD
~.
~
<
'
__
~
k
"
~
.
_
-4-
J
HANTEER-INRICHTINGEN
1
[
.
.
I
IYlfalllOOJf IWtrUItTOISTIlJ'.EIf
..~ .srUURDI IWITEIaTOESTIlJ'.EM
r I
VII"
~£RD
YASTCiEJ>ROGAA.IIEiRD _GIIICSVElWXIP
"":ClIfGSVDLOOP
I
I
.
I
U.'flL..iAU IIl11GUlGU
'.'at.1 PII.O
Elf lIPECIJlCiSVOI.GORDI
SIf _GlIfGSVOI.GOIlDr
f
L
GEDlfOlKZJl IIWIGIIfGD Ell BPEOIIfGSYOUiORDI
IIfSTELlIAU _GlllGElI
II IEllCtlfGSYOLGOItDI
I IIO«UIfIl$TVURD
J PUln' TOr PUln'.-sTUItUIG
I 8.V. lIA.rrUIAUT0MA41
in~eling
8.V.
I
PUlfTUSI0801' IDtrAGEllOllO'l' LAAD- 1& LOSR08Ol'
IOHTlllU IlAAHUSTUIlIKG
..v.
PtCi 1& PUCI-
UIUT
USTIIt-8LAVI SYSTEIIIIt
I
I
SPOI'l'ROa:7l' LAUOIOT
.
I.V. OHZIT'l'AnL
van de component-hantering (41
•• Y.
..Y •
I lfUG.\U'l"OIIUT POaTAALIlEL4DJJfGS:-IlACllIICE
TlLIOPEIt41'01W1
- 5-
richten van produkten
Il-__
- ---11
f.
acti::f
pass~ef
I veloppakken
I
I niet oppakken
r-
weI oppakken
I:
I
eenzijdig contact 1
materiaaleiqenschap qrijper
- -,I;
vacuulIlqri j per
niet oppakken - -- -~
lIeerzijdiq contact
r--r-- J
II
~ vinqerqrijper
klelllqrijper
bovenkant/onderkant
1
zijkant/zijkant
overzicht voor het maken van keuzes voor het ontwerp Van een richtsysteem (9)
-6-
flexibel klemmen
t
I: - =
Il·_ 1
gelijk.matiqe krachtverdeIinq
,I vor1Dqesloten
krachtgesloten
~t ongelijk.matiqe krachtverdel.lnq •I
I.
l.uchtcilinders
evenaartjes elastisch .kussen
verwisselbare bekken Ilechanische drukveren
instelbare pennen
overzicht voor het maken van keuzes voor hat ontwerpen van een fle~ibele
kleminrichting £9]
-7-
--::;t 1
ILlXT1USCB
I __ ..J
llOTl1lEI(DE BllIIGIIfG
•
SPAll BlWlGIItG
energievormen. energieomvormers en bewegingsvormen voor grijpers bij hanteersystemen [4]
