产品设计的构成要素主要包括三个方面，即目的、用途和功能构成的设计内容要素；以形态、色彩、光、运动构成的设计形式要素；以材料和加工技术等构成的设计实质要素。产品设计师应站在使用者、制造者的立场，以便满足使用者需求，便于生产和销售为目的去从事产品设计。（二）用途与功能用途是指产品的作用和功能，即产品的使用性，或指产品可应用的方面或范围，用途是“体”的外在表现。......
2025-09-29
搬运任务的定义及要素分析
【摘要】：表3.6列出了各种几何形状工件的三种输送形式。图3.11抓取的基本形式图3.12在箱体中三个摆放维度未分拣的工件然而，由于工件本身具有平移和旋转自由度或定向选项，因此从另一方面来说，其取代了输送形式。表3.7工件在预定或定位上的自由度定义中的每个顺序或定位程度以0～3的级别进行评估。图3.16硬币的标志图3.17在不同传送带上工件在运输中的状态改变在生产工件的运输过程中，重要的是确保工件保持其预定状态。
在实际中，工件几乎从未作为单独的组件出现，通常与其他工件分批进行生产。这意味着它们以一定的批量生产，并且需要通过运输工具从一个生产站输送到另一个生产站。从本质上讲，这种特殊情况是本书背后的主要动机。如果工件是以所谓的“一件式”生产的，或者换句话说，一次一件，则可以省掉目前在搬运技术方面所做的一部分努力。
然而，经济和技术考虑因素是生产的重要部分。例如，如果将螺钉用作产品的连接技术，则在组装工厂中单独生产螺钉几乎没有必要，因为如此小量地生产它们在经济上没有意义。通常是从批量供应商那里大量购买螺钉并供给各个装配站。但是，此过程需要将一部分螺钉从整批供应中移除或使用技术设备移除，这些工作行为可能导致错误或中断，从而可能导致整个装配线停工。这意味着工作行为可能导致工厂可用性降低。
在搬运技术方面，我们区分了三种可能的类别，用于将工件运送到各自的生产站。输送到工作站的各个部件主要由用于装配工件的较大单元或承载单元组成，有专门为此目的设计的载体架。
工件输送的另一种形式是未分类的工件堆积。例如，螺钉或清洗器等小零件可以作为散装材料运输到箱子中的装配位置。这种存储的优点是显而易见的，它允许更具成本效益的存储，并且不依赖于工件几何形状；但是，缺点也很明显。通常，必须从存储单元手动移除工件，因为可用的技术解决方案通常是不柔性且昂贵的。
当需要搬运大量产品或产品需要特别小心地搬运时，总是将工件分拣到生产站。如果划痕可能会损坏产品，那么未分类的输送通常是不可能的。表3.6列出了各种几何形状工件的三种输送形式。
表3.6 不同形状工件的输送（来源：Warnecke, Schraft）
当人们试图从工件供应中拿出工件时，这些不同的存储选项对工件和抓取技术有着明显的影响。当零件已经作为在抓取位置的单个组件出现时，有时甚至不需要查看零件，这样做显然更容易。
但是，如果首先必须在根据特定特征精确定位之前从箱中取出零件，那么该过程需要更长的时间，从而增加整个装配站的节拍时间。
对于抓取可以定义位6种基本情式（图3.11）。这些所谓的工件“输送形式”在生产操作中以各种方式实现，它们决定了使用机械手成功抓取零件所需的时间和精力。
在箱体中三方向位置不确定的工件如图3.12所示。
图3.11 抓取的基本形式
图3.12 在箱体中三个摆放维度未分拣的工件
然而，由于工件本身具有平移和旋转自由度或定向选项，因此从另一方面来说，其取代了输送形式。这些可以在坐标系中描述，可以使用参考坐标系来确定平移和旋转自由度。为了在空间位置和空间旋转方面获得工件状态的描述，应该定义好预定状态。
从箱体中拿出单一维度摆放的工件如图3.13所示。
图3.13 从箱体中拿出单一尺寸的工件
工件平移和旋转的自由度就是由于这个目的来被描述（图3.14）。
图3.14 平移和旋转自由度
旋转自由度指定为方向自由度（DO），平移自由度指定为定位自由度（PD）。表3.7列出了工件在输送到机械手时可能具有的各种顺序。
表3.7 工件在预定或定位上的自由度（来源： Warnecke, Schraft）
定义中的每个顺序或定位程度以0～3的级别进行评估。如果指定0，则工件完全没有排列的定义，无论是方向还是定位。定义的自由度越高，评估级别越高。如果指定了3，则所有旋转轴或平移轴都已定义（表3.8）。(https://www.chuimin.cn)
表 3.8 工件的预定状态- 概况 （来源：Warnecke, Schraft）
预定状态为3/3的工件在位置和方向上完全定义，这是工件夹持的理想状态。机械手不需要定位或定心。
重要的是确保在抓取过程和后续搬运行为期间保持该预定状态。
如果工件具有对称性，则可以省略一些预定步骤，因为对称性简化了方向性，工件不必在所有自由度上定向。表3.9列出了一个没有任何对称轴的工件（具有形状特征的立方体）和一个围绕W轴对称的工件（具有旋转对称的圆盘）之间的比较。
很明显，如果要将预定状态从0/0转移到3/3，则必须通过定位设备执行更多步骤。在圆盘形工件的情况下，工件的位置已经完全定义，预定状态为3/1。
表3.9 工件对称性对预定状态的影响（来源： Warnecke, Schraft）
MPG-PLUS与1欧元硬币的大小对比如图3.15所示。
图3.15 MPG-PLUS与1欧元硬币的大小对比（来源：SCHUNK）
如果圆盘被标记并需要对齐，情况就会改变。例如，包装在钱币收藏家专辑中的硬币被旋转并定向到V和U轴，允许数字或标志在包装中面朝上（图3.16）。其中，硬币的大小及其前后方向都至关重要。在该实例中还必须考虑硬币的旋转位置，以便在包装中获得所需的外观（图3.17）。
搬运技术中，在搬运之前和之后描述工件的预定状态是很重要的。该描述可用于快速确定搬运装置必须提供多少轴或自由度才能完全解决任务。
图3.16 硬币的标志
图3.17 在不同传送带上工件在运输中的状态改变
在生产工件的运输过程中，重要的是确保工件保持其预定状态。即使是物流中的微小干扰也可能导致运输后相当大的费用，以确保仍然可以牢固地抓住工件。例如，当在传送带上运输时，工件会失去一个或两个自由度（图3.18）。
图3.18 在食品生产中失去预定状态的例子（来源：Robomotion）
这就意味着，对于技术执行，对称组件可以在高阶状态下更具成本效益地进行转移。换句话说，在生产中尤其重要的是确保为不具有对称性的工件保持预定状态。一旦工件达到某个预定状态，通常建议保持此预定状态。虽然这看起来很简单，但由于特定的工作空间条件或制造工艺，在实践中并不总能实现。
工件经常被加工成用于生产的零散物体（图3.19），如摩擦式磨削。这意味着它们从已分拣的情况变为未分拣。在分拣的仓库或托盘上的存储也可能是昂贵的，并且通常优选大量存储，如适用于螺丝等小型部件。增加工件种类和减少批量可能会使分类托盘上的存储成本过高。这意味着，为了装配或加工工件，需要手动分离和搬运工件，或者是使用复杂的自动化技术解决方案。
目前，“料箱分拣”不再是一个不可能的选择，因为市场上有价格合理的高性能计算机和传感器。然而，建立这样的解决方案仍然需要相当大的支出，这意味着只能在有限的程度上实现柔性。
图3.19 在加工设备（a）前面散装存放工件（b）（来源： SCHUNK）
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