立式精锻机自动上料机械手三维设计【三维SW】
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附录一 外文译文机械手生产设计的进化和发展摘要信息物理系统的出现已经在机器人协作制造的背景下提高了利用率。完成这样要求的一种方法是通过制造更便宜的，更加容易制造的机器人，它们能够通过中小企业进行制造。为了解决这个问题，本实验利用了快速原型机制造技术开发能够通过信息物理生产系统开发的可定制机器人操作器。因此，本研究有助于设计连接型和快速原型机器人。这种方法同时考虑了实现机器人机械手所需的软件和硬件的发展。此外，生成设计，一种被用来进化和人工智能为基础的方法，用于设计机器人关节之间的链接模块。该组件已被定义为理想的设计并且通过此方法，它可以有利于与快速原型耦合的生成设计方法的大部分。本文还探讨了基于因特网控制技术的机器人机械手的控制结构在信息物理系统中的贯彻。1.介绍1.1信息物理系统CPPS由自主合作系统（例如智能机器）和子系统（例如智能工厂）组成。它们依靠着情境而来互相联系。在所有生产层次上，从过程级到工厂级和生产级。实施CPPS的主要驱动因素之一是生产系统的连续适应性和进化的需要，不断变化的生产系统需求可以追溯其起源于易变的客户行为和不断发展的产品。需要适应顾客的需要也就暗示着生产系统需要利用有高效率的生产系统同时也适应制造环境的需要。由于机器人提供高效率和精确性，同时不牺牲灵活性，信息物理生产系统的出现带来了机器人的增加利用。也就是说，随着协作和连接机器人的出现，机器人的发展趋势正在发生变化。这一趋势在达沃斯世界经济论坛上也得到了强调，它将先进的机器人识别为工业4.0背后的主要技术驱动力之一。1.2合作和可联系的机器人技术这就是说，这并不意味着人类将完全从车间中移除。事实上，在详细的研究和实验的基础上，菲佛认为，在将来的车间内，人类的经验将仍然是需要的。由此可见，人类和机器人在制造业合作的需求将在未来几年内增加。为了证实这一说法，布鲁斯对机器人公司的关键管理者进行了讨论，并基于这种CIN对这种日益增长的需求的反应，实际上可以看出所有主要机器人制造商是如何引入他们的阵容的。为了在CPPS中贯彻实施，这些机器人需要容易地连接到控制制造操作的控制系统。CPPS的核心是分散或局部控制。这种本地化的CPPS是通过使用具有嵌入式处理和联网能力的机器来实现的。这些能力拥有着分布式认知控制的第三个特性。这种分布式控制越来越受欢迎，具有使用认知处理来分析从机器传感器收集的数据的能力，这允许对CPPS控制的分散。持续适应的需求也推动了实施插装生产概念方法的发展。插装生产允许根据生产需要从生产系统中添加和移除生产系统的不同元件。这种插头和生产的概念也允许模块化生产系统的开发。正如几位作者所解释的，Schleipen等人、OnRi和MaEDA。插装的概念不仅必须支持机械功能，而且还需要开发新的和改进的软件和控制范例。1.3机器人的民主化大公司有专门的开发团队，也有实现这些技术的投资潜力。据国际机器人联盟(International Federation for Robotics)报道，2015年全球机器人销量增长了15%，达到253,748台，创造了一年以来的最高水平。这些先进的制造技术同样也不能被说成中小企业，尽管中小企业比大公司占了最大的比例。因此，如果正如Sommer所描述的那样，中小企业并不是工业4.0的第一个受害者，那么就有必要使机器人技术的使用民主化。技术的民主化是指更多的人快速获得技术的过程。满足这一需求的一种方法是通过开发更廉价和更可定制的机器人来促进机器人的实现，这些机器人可以很容易地由中小型企业实现。由于中小型企业对工业4.0技术的投资意愿较低，提供更便宜的机器人可能会增加机器人的使用。此外，使机器人易于连接和训练也可以解决中小型企业对机器人使用和实现的任何保留。这些方法同时提供了一个机器人平台的可能性，可以为中小企业广泛变化的需求定制，也会增加机器人技术和工业4.0技术。1.4实验目标为了应对这些挑战，本研究旨在利用快速原型技术开发可定制的机器人操作器，这些技术可以在信息物理生产系统中实现。为了尽量减少机械手的重量和成本，这种方法利用了一种生成设计技术来设计机器人关节之间的连接。生成设计是一种进化和人工智能方法，并在第2节中进一步讨论。其他处理类似的方法也在第3节中提出。第4节描述了用于开发机器人机械手的方法。第5节给出原型设计和实现。本研究的结论和未来工作将在第6节提出。2 生成设计生成设计并不是一个新概念，它有时被称为进化设计，它指的是在这个计算过程中使用的搜索技术和进化算法。在参考文献11中，本特利和韦克菲尔德描述了一个原型设计系统，该系统使用一种遗传算法从零起点进化出新的概念设计。在这种方法中，原型系统创建了新的设计，并使用遗传算法对这些设计进行迭代优化。遗传算法利用了这些原理。在自然中发现的进化首先产生一个解决方案，然后“复制”最适合的解决方案。通过随机交叉和变异操作将这些适合父母的基因型组合起来，生成后代。宾利和韦克菲尔德的设计系统由三个要素组成:在设计过程中，适当地表示实体对象，使计算机能够有效地操纵候选设计。xA改进的遗传算法从零进化出这样的代表设计。xEvaluation软件指导演进过程。正如参考文献12所解释的，概念设计过程可以作为一个优化过程提出。为了达到一个解决方案并确定一组规则，以评估针对特定设计问题的解决方案的适用性。这些方法充分利用了进化计算的创造性，以便发现可能没有被人类设计者发现的解决方案。因此，这种设计技术可以用来提高设计开发对人类设计师的支持，同时在设计过程的中心保持设计师。Krish在其生成设计过程中也描述了这种协同开发方法。Krish解释了设计师如何明确定义约束信封，其中定义了解决方案的几何可行性。正如Sun等人所解释的，使用这种进化技术进行设计自动化不仅可以提高设计的功能，而且还可以减少开发时间，降低成本，特别是在设计复杂组件时。3 当前发展状况在本节中，作者展示了与本研究主题相关的艺术状态。使用生成设计。生成设计的一个应用在一个具有相对复杂特征的典型微球端铣刀的设计中得到了解释。通过生成设计方法对该产品进行分析，生成所需运动轴的数量和性质。本研究在设计一种新型五轴激光机的过程中进行了分析。另一个应用是Lee的一个进化系统用于自动机器人设计。这项工作探索了不同的设计问题，从机器人的简单行为控制器，到复杂的行为控制器，最后是完成一个完整的机器人系统，包括控制器和物理结构。生成设计的一个有趣的应用是Saravanan等人在机器人夹子的设计中获得了最优的几何尺寸。基于他们实验的成功，本研究的作者得出结论，这项工作为进一步研究如何利用智能技术解决复杂的工程优化问题打开了方便之门。生成设计也被用来优化3D打印应用。其中一种方法是asadio - eydivand等在骨组织工程中使用3D打印支架。本研究成功地利用进化算法探索不同的3D打印参数。正如Onal等人所解释的那样，打印机器人的能力为现代的、真实的机器人应用程序引入了一种快速且低成本的制造方法。采用3D打印技术开发基于折纸结构的机器人。虽然这些机器人目前还没有合适的工业应用，但它们展示了3D打印技术的实用性，以成本效益的方式打印复杂结构，同时为新的创新设计打开了大门。Bulgarelli等也采用了类似的方法，开发了一种低成本、开源的3D打印技术的机器人手。本研究采用的一种有趣的方法是，开发的硬件和软件都是在线提供的，以促进社区的进一步改进。开源社区为了促进机器人的民主化。Armesto等实际上认为，3D打印技术的广泛应用使机器人社区有机会接触到更广泛的公众。本研究实际上提出了一种用于工程教育的低成本可打印机器人的设计。在文献综述中，作者可以得出结论，没有办法将3D打印的机器人与在CPPS中使用的生成设计方法结合起来。如第1节所述，这种方法将降低实现成本，从而维持机器人的民主化，从而支持中小型企业执行CPPS。4 支撑着生成设计的过程为了保证CPPS的即插即用概念，需要使用一种方法来考虑信息网络透视图。因此，为了开发这样的系统，需要采用一种方法。本文对几种设计方法进行了综述。虽然它们都突出了CPPS的多个透视图，但这些都没有说明从需求到最终设计的设计过程。这种缺乏CPPS的设计方法也得到了Fisher等人的强调。因此，设计了基本的设计周期26。该设计过程如图1所示，因此在本研究中使用，以开发网络连接的机器人机械手。CPPS设备的这个设计过程描述了从目标(需求)到方法(经过批准的设计)的设计周期。在这一设计过程中，设计者可以利用人工智能的生成设计技术来自动化设计合成、模拟和评估活动。也就是说，这并不能消除设计过程中的设计师。本研究提供的设计过程是一个人在循环系统。因此，虽然设计过程的一些活动可能是自动化的，但最终决定批准设计的还是设计师。图1 一个CPPS设备的生成设计周期此外，设计周期说明了在CPPS的合成设计过程中，物理和网络组件是如何被考虑的。此外，为了满足系统的要求，CPPS设备还必须使用可实现技术，如可配置性、模块化、可诊断性和可连接性。5 原型的设计和实现5.1物理组件的设计物理组件设计过程导致机器人机械手的物理接口。物理系统设计利用一组机器人关节模块，其中一些模块由一个链路模块连接。机器人机械手一旦产生和装配，本质上就是一个铰接机器人，如图2所示。机械手是在关节模块中使用步进电机驱动的。5.1.1可构成设计为了满足不同工业应用的定制要求，通过选择、添加和移除关节和链路模块来配置物理机器人机械手设计。机器人机械手的主要结构如图2所示，其自由度为6。这意味着机械手是由六个关节组成的，每个关节都是一个转动关节。六自由度确保末端执行器能够到达机械手工作空间内的任何位置和方向。采用不同的步进电机尺寸和齿轮比，以最大限度地提升1.5公斤的负荷。5.1.2 3d打印设计由于机器人的机械手主要是快速原型，在原型制作过程中需要考虑几个因素和限制因素。融合沉积模型(FDM)和立体成像(SLA)作为快速成型的过程。这个过程是根据每个部分的几何形状来选择的。其中一个侧面有重要几何形状的部件是使用SLA的3D打印的，例如特别设计的齿轮。把重要的几何形状与支撑材料放在一起，对保持几何形状是很重要的。图2 机械手的装配模型另一方面，在一个侧面有一个平面的部分是用FDM印刷的，那一面被放在了印刷床上。当3D打印部件在内部和不可到达的部分需要支撑材料时，也鼓励使用FDM。在这些情况下使用可溶性支架，使支架材料在后处理过程中易于移动。在设计3D打印时，考虑的一个重要因素是重量的最小化。在使用CAD建模的同时，设计了几个部件，以使壁厚达到最小。这第一步导致了寻找其他可能的减肥方法。这包括减少连接模块的直径，导致所有内部部件也变得更小，因而更轻。5.2生成设计另一种减轻重量的方法是在不必要的大体积的零件上制造出洞。因此，如第1.4节所述，连接机器人关节的链接模块是选择性的，作为演示生成设计使用的理想案例研究。在Autodesk发明人CAD系统中使用形状生成器函数实现了生成设计练习。5.2.1构建容量和设计约束第一步是创建部件模型的构建卷或近似。一个圆柱形的形状被用作链接模块的原始构建卷。在定义了构建卷之后，下一步是定义隔离区域。生成设计过程在创建引导形状时不会修改这些区域。最后给出了应用于该零件的约束和力。然后在自动模拟临时设计解决方案时使用这些标准，以评估每个解决方案满足设计需求的能力。基于机器人机械手的设计，本案例研究使用的标准是在中轴线上可以承受的力。图3所示的模型说明了应用于链路模块的初始构建量和设计约束。需要注意的是，这个物理组件的设计是为了通过电力驱动的线路而需要的隔离区域。5.2.2形状的生成根据指定的设计标准，在Autodesk Inventor中运行了一个形状生成器研究。该算法生成的网格如图4所示。图3 生成设计约束图4 由生成设计过程产生的网格网格可以作为设计者的指导。通过剪切、挤压和其他特性编辑来修改构建卷模型。设计师的编辑改变了。从近似到组件设计的生成设计。5.2.3结果生成设计练习的结果如图5所示。这种设计保持了相同的结构完整性，但在重量和建造时间上都大大减少了，因此也降低了机器人操纵器的整体成本。5.3 网络组件设计5.3.1要求该设备控制系统的设计目标是鼓励与其他系统的集成，并鼓励系统集成商进一步开发。集成必须以简单和快速的方式在硬件和软件领域进行。系统必须基于标准化或开源软件控制和开发工具。为了维护一个民主的设计，控制硬件必须基于商业上的货架部件(COTS)，从而实现低成本的解决方案。图5 生成设计的训练结果5.3.2工业因特网基于因特网硬件的工业网络作为控制系统的骨干。有多个相关的工业因特网协议，为这个解决方案选择的是EtherCAT。EtherCAT是一个基于标准因特网物理层(Ethernet PHY)的工业网络。网络是确定性的，可以在实时环境中使用。它支持比其他工业网络更短的周期，这使得它适合运动控制应用。除了适当的性能，EtherCAT还提供了其他因素，使它适合用于机器人技术民主化的系统。当网络建立在因特网的基础上时，他们通常需要一个托管的网络交换机，每一个EtherCAT设备都有两个因特网PHYs，通过一个daisy链配置来连接它们，如果一个环形网络拓扑足够的话，就可以消除对网络交换机的需求。此外，EtherCAT的从属设备负责控制网络的时间，而不需要专门的主网络控制器。因此，EtherCAT网络中的主设备可以使用通用COTS Ethernet网络接口卡(NIC)，从而降低实
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