華偉 江天寶

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基于功能分析的機(jī)器人執(zhí)行端系統(tǒng)設(shè)計(jì)

華偉 江天寶

（東莞技研新陽電子有限公司）

針對機(jī)器人執(zhí)行端系統(tǒng)傳統(tǒng)設(shè)計(jì)方法操作煩瑣、耗時大、設(shè)計(jì)效率較低等問題，提出一種基于功能分析的執(zhí)行端系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法。首先對機(jī)器人執(zhí)行端系統(tǒng)設(shè)計(jì)功能需求和功能進(jìn)行分析，得出系統(tǒng)組件構(gòu)成的初步方案；然后采用系統(tǒng)裁剪方法對組件精簡化處理；最后得到最佳設(shè)計(jì)方案?；诠δ芊治龅臋C(jī)器人執(zhí)行端設(shè)計(jì)可有效提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率，對豐富機(jī)器人執(zhí)行端設(shè)計(jì)思路具有重要意義。

功能分析；創(chuàng)新設(shè)計(jì)方法；機(jī)器人執(zhí)行端

0 引言

機(jī)器人執(zhí)行端系統(tǒng)的輸入輸出包括能量、物質(zhì)、運(yùn)動、指令和信息5要素，通常這5要素在系統(tǒng)中從輸入到輸出隨時間而變化，故又稱為能量流、物質(zhì)流、運(yùn)動流、指令流和信息流。機(jī)器人執(zhí)行端系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法由設(shè)計(jì)開發(fā)人員根據(jù)設(shè)計(jì)需求，參照類似產(chǎn)品，結(jié)合自身實(shí)踐經(jīng)驗(yàn)及相關(guān)設(shè)計(jì)手冊進(jìn)行，其過程大致包括確定產(chǎn)品結(jié)構(gòu)方案；原始尺寸計(jì)算和強(qiáng)度、剛度、可靠度等校核。當(dāng)產(chǎn)品不滿足強(qiáng)度、剛度、可靠度等方面的要求時，則須重新調(diào)整原始方案并重復(fù)同樣的計(jì)算。這種需求→方案→校核（計(jì)算）→調(diào)整的循環(huán)設(shè)計(jì)流程，其重復(fù)次數(shù)主要由設(shè)計(jì)精度和設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)而定，該設(shè)計(jì)方法操作煩瑣、耗時大、設(shè)計(jì)效率較低。若從系統(tǒng)的功能分析設(shè)計(jì)入手，可大幅減少后繼設(shè)計(jì)工時，提升設(shè)計(jì)時效和精度。

機(jī)器人執(zhí)行端系統(tǒng)的功能分析包括對設(shè)計(jì)任務(wù)提出的系統(tǒng)功能中最低要求及希望達(dá)到的要求進(jìn)行綜合分析，探討功能實(shí)現(xiàn)可行性、多項(xiàng)功能間兼容性、相似功能可替代性等[1-5]。通過功能分析，首先確定出功能參數(shù)，作為進(jìn)一步設(shè)計(jì)的依據(jù)，再提出可行的解決方案。解決方案的尋求，可按原動部分、傳動部分及執(zhí)行部分分別進(jìn)行討論，較為常用的辦法是先從執(zhí)行部分開始討論。

1 機(jī)器人執(zhí)行端設(shè)計(jì)功能需求

系統(tǒng)設(shè)計(jì)流程圖如圖1所示。本文以4軸SCARA機(jī)器人為主體構(gòu)成異形元件插件系統(tǒng)為例，介紹機(jī)器人執(zhí)行端設(shè)計(jì)思路。SCARA機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成如圖2所示，產(chǎn)品功能定義從用戶的需求分析開始，得到產(chǎn)品的需求定義表，經(jīng)過格式化的需求輸入，形成設(shè)計(jì)產(chǎn)品的準(zhǔn)確、全面的定義。功能需求主要考慮異形插件機(jī)器人執(zhí)行端的功能和執(zhí)行端的夾持功能2個方面。

1) 異形插件機(jī)器人執(zhí)行端的功能

①工作對象：電子元件（各種形狀）；

②系統(tǒng)對工作對象的作用：夾持，包括夾持端座、（開）夾持端座、（合）夾持端座；

③系統(tǒng)能夠自動地適應(yīng)元件的外形，并且能保持元件姿態(tài)。

2) 執(zhí)行端的夾持功能

執(zhí)行端實(shí)現(xiàn)夾持的功能初步思路有電動夾持和氣動夾持2種。

①氣動夾持存在的缺陷

當(dāng)有多種電元件要插件時，不同元件需要設(shè)計(jì)不同的夾持端座，一種夾持端座一般情況下只能對應(yīng)一種元件，各單元組合后結(jié)構(gòu)重量較重，影響機(jī)器人安裝元件的穩(wěn)定性。

②電動夾持存在的缺陷

控制復(fù)雜，制作成本較高，只能解決部分元件的夾持問題。

圖1 設(shè)計(jì)流程

圖2 SCARA機(jī)器人系統(tǒng)構(gòu)成

2 機(jī)器人執(zhí)行端設(shè)計(jì)功能分析

執(zhí)行端基本結(jié)構(gòu)如圖3所示，機(jī)器人移動支架連接Z氣缸、X氣缸和電磁閥；X氣缸驅(qū)動夾持端座，夾持端座夾持電子元件通用性較差；電子元件安裝到PCB板不穩(wěn)定；壓縮空氣、電源給電磁閥提供能量，電磁閥控制氣缸。

圖3 執(zhí)行端基本結(jié)構(gòu)圖

2.1 系統(tǒng)組件分析

系統(tǒng)組件分析的作用：分清層級和建立組件之間的聯(lián)系，合理匹配組件，優(yōu)化結(jié)構(gòu)，降低成本，提高組件價值，明確組件之間的關(guān)系，理清系統(tǒng)功能結(jié)構(gòu)，找出系統(tǒng)中價值低的組件并實(shí)施普及剪裁，從而全面優(yōu)化系統(tǒng)功能，減少實(shí)現(xiàn)功能的消耗，使系統(tǒng)以很小的代價獲得更大的價值，從而提高系統(tǒng)的理想度。

在對執(zhí)行端的標(biāo)準(zhǔn)描述中找出組件并按控制工具、能量源、結(jié)構(gòu)作用對象和工具進(jìn)行排列，通過箭頭將各組件的關(guān)系進(jìn)行聯(lián)接，并注明組件與組件之間的相互關(guān)系，這樣就建立一個組件模型。

通過對系統(tǒng)組件的分析，明確系統(tǒng)作用的對象、系統(tǒng)組件、子系統(tǒng)組件、超系統(tǒng)組件和組件間的相互功能和功能屬性，進(jìn)一步明確問題發(fā)生的部位為夾持端座。執(zhí)行端組件分析模型如圖4所示。

2.2 功能價值分析

從功能貢獻(xiàn)、問題影響、成本分配、理想度指標(biāo)等方面，對系統(tǒng)的組件進(jìn)行評價，得到理想度計(jì)算結(jié)果（見圖5）和理想度診斷分析結(jié)果（見圖6），并得出對現(xiàn)有系統(tǒng)的改善方向：

1) 通過增加其功能貢獻(xiàn)來改進(jìn)區(qū)域C中的系統(tǒng)組件支架、夾持端座；

系統(tǒng)組件功能貢獻(xiàn)/%問題影響/%成本分配理想度指標(biāo) 實(shí)際值百分比/%計(jì)算值百分比/% X氣缸24203070.4673913043414 Z氣缸2420200470.3412698412610 支架14204090.274468085108 夾持端座04010200 電磁閥380150352.2933333333368

2) 通過降低其成本來改進(jìn)區(qū)域B中系統(tǒng)的組件 Z氣缸；

3) 為簡化和理想化系統(tǒng)，得出按以下順序刪除/改善系統(tǒng)組件的建議：系統(tǒng)組件Z氣缸→系統(tǒng)組件支架→系統(tǒng)組件夾持端座。

3 機(jī)器人執(zhí)行端設(shè)計(jì)最佳方案

基于上述功能分析，本文采用系統(tǒng)裁剪法進(jìn)行組件數(shù)量精簡，以降低系統(tǒng)成本，優(yōu)化功能結(jié)構(gòu)，合理布局系統(tǒng)架構(gòu)，消除過度、有害和重復(fù)的功能，提高系統(tǒng)理想化程度。裁剪須遵守“裁剪掉系統(tǒng)的某些組件，但保留這些組件有用功能”的原則。系統(tǒng)裁剪方法如圖7所示。

方法1：若沒有組件B，組件B也就不需要組件A的作用；

方法2：組件B能自我完成組件A的功能；

方法3：系統(tǒng)或超系統(tǒng)中其他的組件可以完成組件A的功能；

方法4：系統(tǒng)的新添組件可以完成組件A的功能。

圖7 系統(tǒng)裁剪方法

系統(tǒng)裁剪后組件A的功能替代順序?yàn)椋?/p>

1) 組件B自我實(shí)現(xiàn)組件A的功能；

2) 系統(tǒng)中其他組件能夠?qū)崿F(xiàn)組件A的功能；

3) 超系統(tǒng)組件能實(shí)現(xiàn)組件A的功能；

4) 系統(tǒng)外新組件C實(shí)現(xiàn)組件A的功能。

功能替代順序：受體→系統(tǒng)→超系統(tǒng)→新系統(tǒng)。根據(jù)系統(tǒng)裁剪方法，圖8給出了異形插件執(zhí)行端的組件裁剪結(jié)果，并按優(yōu)先順序得到2個改進(jìn)方案。

方案1：去除Z氣缸，用超系統(tǒng)中的SCARA機(jī)器人Z軸代替，見圖9(a)。

方案2：去除Z/X氣缸、電磁閥、夾持端座，引入真空吸嘴代替，見圖9(b)。

4　結(jié)語

本文提出了基于功能分析的機(jī)器人執(zhí)行端系統(tǒng)設(shè)計(jì)方法，對執(zhí)行端系統(tǒng)功能需求和功能進(jìn)行分析，并采用系統(tǒng)裁剪方法進(jìn)行組件數(shù)量精簡，降低系統(tǒng)成本，優(yōu)化功能結(jié)構(gòu)，合理布局系統(tǒng)架構(gòu)，消除過度、有害、重復(fù)等功能，提高系統(tǒng)理想化程度?；诠δ芊治龅臋C(jī)器人執(zhí)行端設(shè)計(jì)可有效提升系統(tǒng)設(shè)計(jì)效率，對豐富機(jī)器人執(zhí)行端設(shè)計(jì)思路具有重要意義。

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Design of Robot Executive Based on Function Analysis

Hua Wei Jiang Tianbao

(SHIN TECH GROUP Dongguan Branch)

Focusing on the problem that the traditional design method of robot execution system is cumbersome, time-consuming and low in design efficiency, an innovative design method of execution system based on functional analysis was presented. Firstly, the functional requirements and functional analysis of the robot execution system was explored, obtaining the preliminary scheme of the system components. Secondly, using the system cutting method to streamline process the components. Finally the best design can be gotten. The results show that the design method of execution system can improve the efficiency of system design, and is of great significance to enrich the design idea of the robot execution.

Functional Analysis; Innovative Design Method; Robot Execution

華偉，男，1970年生，工程師，本科，主要從事機(jī)械設(shè)備開發(fā)工作。

江天寶，男，1977年生，工程師，本科，主要從事工業(yè)機(jī)器人和工業(yè)智能制造系統(tǒng)的開發(fā)和研究。