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自動(dòng)化制造機(jī)器中的閉環(huán)傳感器系統(tǒng)
1.科學(xué)和工業(yè)研究學(xué)會(huì),材料科學(xué)與制造業(yè)的關(guān)系,南非,ashaik@csir.co.za
2.土瓜灣-祖魯納塔爾大學(xué),機(jī)械工程學(xué)院,南非,brightg@ukzn.ac.za
3.馬西大學(xué),技術(shù)工程學(xué)院,新西蘭,wlxu@masey.ac.nz
xxx譯
摘要:自動(dòng)化多軸機(jī)器中的大部分多是以閉環(huán)控制為運(yùn)作方式的。在空間中的結(jié)束時(shí)刀具頭的確切的位置,是不是立刻響應(yīng)。為軟件控制的機(jī)器人或自動(dòng)化制造機(jī)器作計(jì)算,估計(jì)那里的刀具頭相應(yīng)的位置。這常常是以監(jiān)測(cè)傳感器軸線跟蹤軌道并行運(yùn)動(dòng)和回轉(zhuǎn)軸或齒輪來(lái)達(dá)到的。低精度應(yīng)用這一系統(tǒng),是合適的。然而,定位誤差經(jīng)常發(fā)生。這種方法可能不適合高精度機(jī)器人及自動(dòng)化機(jī)床。還需要一個(gè)傳感器系統(tǒng),能夠保證獲取準(zhǔn)確的空間坐標(biāo)的工具,以點(diǎn)或終止時(shí)直接反應(yīng)。此項(xiàng)活動(dòng)的目的是研究設(shè)計(jì)低成本的傳感器系統(tǒng),該系統(tǒng)將精確定位刀具點(diǎn)在空間坐標(biāo)中直接由‘閉環(huán)’控制。這有助于減少錯(cuò)誤,以閉環(huán)控制的為依托。這種系統(tǒng)能夠無(wú)縫集成與現(xiàn)有技術(shù)的運(yùn)動(dòng)控制。該傳感器系統(tǒng)能夠找到刀具頭在二維空間中的位置。簡(jiǎn)單補(bǔ)充和修改,使其適應(yīng)于3維空間所在的刀具頭。這是模塊化,除了魯棒及誤差補(bǔ)償例外,會(huì)在幾乎任何環(huán)境下。
關(guān)鍵詞:自動(dòng)化,制造業(yè),閉環(huán)控制
1.序言
需要有一個(gè)傳感器系統(tǒng),能提供直接反饋的最終效應(yīng)器的空間坐標(biāo)必需精確的裝配和加工。該研究的目的是要為設(shè)計(jì)一個(gè)平行機(jī)器人將擁有一個(gè)完整的傳感系統(tǒng)。該傳感器系統(tǒng)應(yīng)成本低,并定位刀具點(diǎn)空間坐標(biāo)直接或間接減少錯(cuò)誤,在‘開(kāi)環(huán)’控制中。該系統(tǒng)應(yīng)能無(wú)縫整合現(xiàn)有技術(shù),為運(yùn)動(dòng)控制盡可能找到刀具頭在二維空間位置。與簡(jiǎn)單的修改應(yīng)該使本身適用地點(diǎn)在三維空間。應(yīng)該模塊化,能充分健全和誤差補(bǔ)償工作,在幾乎任何環(huán)境下。有許多技術(shù)可用于目的把物體定位在空間中。這些都是全球定位系統(tǒng)(GPS-與10米的精確度,差分全球定位系統(tǒng)解決方案[1],減少失誤小于5厘米);鄰近位置,通過(guò)藍(lán)牙技術(shù),WiFi和蜂窩網(wǎng)絡(luò)(立場(chǎng)是,推導(dǎo)了解細(xì)胞與哪個(gè)設(shè)備是溝通)和三角測(cè)量系統(tǒng)(用激光,超聲波等)。此外,還有成像方法用來(lái)確定方位。[2]論述了一種低成本解決方案雇用一臺(tái)攝像機(jī)和LCD(液晶顯示器)屏幕上找到一個(gè)對(duì)象的坐標(biāo),在二維高準(zhǔn)確性。vslam(視覺(jué)同步位置和測(cè)繪)系統(tǒng)用于移動(dòng)機(jī)器人使用相機(jī)建立一個(gè)地圖,其周?chē)鸀閷?dǎo)航用途。此外,還有圖像處理技術(shù)能確定運(yùn)動(dòng)從幀所提供的照相機(jī)。這些圖象也提供有關(guān)環(huán)境,并完全被動(dòng)的。準(zhǔn)確性和決議不過(guò)依靠多遠(yuǎn)對(duì)象攝像是和決議的相機(jī)本身。所有這些技術(shù)都適合大型定位物體在一個(gè)比較大的空間,例如定位人們?cè)诮ㄖ颷3]。在工業(yè)方面,但是,機(jī)器人武器用于裝配,焊接或噴漆動(dòng)議在密閉空間和地位年底效應(yīng)必須下大決心與毫米波至亞毫米級(jí)決議案。對(duì)于制造業(yè)而言,解決數(shù)控機(jī)器范圍從微到納米。作此用途激光干涉儀技術(shù),有時(shí)被用來(lái)。這些位置傳感系統(tǒng)具有優(yōu)良的決議以及精度和使用制造業(yè)環(huán)境中的IC(積體電路)設(shè)計(jì),原型設(shè)計(jì)和制造工作。一個(gè)光外差干涉儀的設(shè)計(jì)在美國(guó)航天局的噴氣推進(jìn)實(shí)驗(yàn)室可以測(cè)量直線位移與誤差為20時(shí)30分(微微米,10-12米)。網(wǎng)格編碼器,提供另一種解決辦法;電網(wǎng)發(fā)了言optra有一個(gè)覆蓋范圍可達(dá)380毫米×380毫米。其準(zhǔn)確性和可重復(fù)性在于,在相同遠(yuǎn)程激光干涉儀(即微納米決議)。兩個(gè)格編碼器和激光器干涉儀是昂貴的技術(shù),通常是耗資數(shù)十萬(wàn)至數(shù)百萬(wàn)美元。此外,他們無(wú)法衡量的絕對(duì)位置直接;兩者都使用條紋圖(由于光波干擾),來(lái)衡量相對(duì)位移。該整合這些位移測(cè)量耦合隨著知識(shí)的末端效應(yīng)初始位置產(chǎn)生當(dāng)前的情況。
2.建立傳感器反饋系統(tǒng)
這里的定位末端效應(yīng)是指機(jī)器人在現(xiàn)實(shí)世界中空間的問(wèn)題,首先是規(guī)約于尋找自己在二維平面里的位置通過(guò)確定一個(gè)參考點(diǎn)。一般地點(diǎn)問(wèn)題,在三維空間,是解決重兩個(gè)二維平面直角。這樣的安排,2條軸線相吻合,如果參考點(diǎn),每架飛機(jī)相逢時(shí),其結(jié)果是一個(gè)3軸傳感系統(tǒng)定位。本文試圖文件解決辦法是找到最終效應(yīng),在二維平面。經(jīng)過(guò)考慮后對(duì)所提供的實(shí)物數(shù)量(超聲波,紅外光,無(wú)線電波,等等)使用時(shí),定位物體,因此決定了激光將是最適合的原因。1鐳射光傳感器,可為條件提供一個(gè)數(shù)字輸出。相對(duì)模擬傳感器均需要數(shù)字化,用于數(shù)字系統(tǒng)。模擬信號(hào)是妥協(xié)大氣的影響,溫度,濕度和非屏蔽噪音來(lái)自周邊機(jī)械。三角利用無(wú)線電,超聲波或紅外線強(qiáng),不適合用來(lái)作為多重思考從周?chē)砻嬖斐筛蓴_和提供不可靠的結(jié)果。它們還要求調(diào)制與解調(diào),以分清信號(hào)產(chǎn)生從任何可以創(chuàng)造環(huán)境。該建議傳感器的概念,采用了一種直接的方法,與激光重視年底效應(yīng)和一個(gè)傳感器網(wǎng)格(一網(wǎng)格的激光傳感器,同樣間隔陳列館和專(zhuān)欄)直接安裝以上。這是一個(gè)很自然的選擇作為連貫性的雷射光,使找到年底效應(yīng),在二維空間容易,如果激光束仍然是垂直傳感器飛機(jī)在任何時(shí)候都。末端效應(yīng)'的位置是一樣的傳感器這是刺激(在一個(gè)二維平面,深度不意思)。這種垂直約束的,可以強(qiáng)制執(zhí)行通過(guò)使用傾斜感應(yīng)器,可以告訴取向一個(gè)對(duì)象,更正,然后再作出保留完成垂直效應(yīng)。也是固有的性質(zhì)以及機(jī)器人能足以促成這一條件。該機(jī)動(dòng)工作機(jī)就是這樣一個(gè)例子,因?yàn)樗难b置,迫使其最后影響保持平行,基于在任何時(shí)候。
必須強(qiáng)調(diào)的是,這個(gè)傳感器系統(tǒng)要求只有位(1或0)信息,為每一個(gè)傳感器。每次傳感器或是受激或不受激。這使得數(shù)據(jù)處理和傳輸簡(jiǎn)單得多,并提出控制更加容易。該解決方案是為了限制傳感器彼此之間的距離。如果小于傳感器之間的距離時(shí),這將是一個(gè)死區(qū)域跟蹤,將徹底丟失信號(hào)。該雷射光探測(cè)器phototransistors一達(dá)林頓裝置。目前制作技術(shù)可容納數(shù)百萬(wàn)晶體管的銀子硅這些制備方法,可以用來(lái)興建一個(gè)探測(cè)器的屏幕上的一個(gè)偶然和實(shí)際的決議案。決議影響到數(shù)據(jù)輸出,更大的決議,意味著更多的數(shù)據(jù),每單位面積(更傳感器)。一種混合型制度,將涉及到一個(gè)傳感器網(wǎng)格以相對(duì)低廉的決議案。每個(gè)傳感器提供了一個(gè)檢查站。知道確切的空間它們之間的距離探測(cè)器提供控制器手段,限制失誤的招致。而非積累誤差從一個(gè)極端到下誤差的存在,只是與以往探測(cè)器。
圖1.1。傳感器的預(yù)期系統(tǒng)圖框。
3.機(jī)電一體化設(shè)計(jì)
機(jī)電一體化設(shè)計(jì)包括3部分將機(jī)械,電子和軟件組件。作為在[4],在這期間機(jī)電一體化,是用來(lái)為一體化微機(jī)控制系統(tǒng),電氣系統(tǒng)和機(jī)械系統(tǒng)。機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì),測(cè)試電子硬件和軟件控制,其目的是驗(yàn)證命題。機(jī)械設(shè)計(jì)也著手探索并行的機(jī)制。這些設(shè)計(jì)文件提供一個(gè)簡(jiǎn)單的原型。該規(guī)范對(duì)解決問(wèn)題方面是輕松的,因?yàn)檫@是說(shuō)明即制作技術(shù),可以產(chǎn)生一個(gè)屏,采用現(xiàn)實(shí)的決議案。更多的重點(diǎn)放在了建立一個(gè)廉價(jià)的制度,它可以減少失誤。
機(jī)械結(jié)構(gòu):
機(jī)械結(jié)構(gòu)是基于一個(gè)柔性接機(jī)和地點(diǎn)并聯(lián)工業(yè)機(jī)器人。這是一個(gè)規(guī)模適應(yīng)設(shè)計(jì)包括4鉸接武器4個(gè)伺服馬達(dá);一盤(pán)底相應(yīng)器與所附激光;球杯關(guān)節(jié)和裝配架。整個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)是600毫米長(zhǎng)四百毫米寬和500毫米高。數(shù)字1.2和1.3 ,說(shuō)明部分和大體。
圖1.2 。對(duì)機(jī)械零件有意義的這一立場(chǎng)激光:
(一)球軸承,(二)改性軸承插座,(三)交流伺服電機(jī)與上臂連接和安裝托架,(四)項(xiàng)下臂組成,(五)激光和激光安裝
必須指出的是,下臂組件一起舉行途經(jīng)二泉水(未顯示),一個(gè)僅低于'肘'和其他略高于'腕' ,為每個(gè)前臂。球杯關(guān)節(jié)給予很大程度的自由。這些被制作的球是來(lái)自軸承凹槽中的,上面的可以自由搖動(dòng)的裝置,從各個(gè)方向,而下手臂可以上,下,左,右,可甚至旋轉(zhuǎn)約'肘'測(cè)序,對(duì)自己基本運(yùn)動(dòng)(誘導(dǎo)旋轉(zhuǎn)對(duì)伺服)。該激光可以走動(dòng)一段空間,這是大約半球下面敏感性區(qū)(廣場(chǎng)割喉式列于伺服裝配架,圖1.3(一)。準(zhǔn)則并行機(jī)制設(shè)計(jì)其次,作為提供[5]。
圖1.3。所有部件組合后的結(jié)構(gòu):(一)所有伺服展開(kāi)與上臂和下
臂附激光,(二)減少手臂依戀激光完
效應(yīng),(三)關(guān)節(jié)臂'肘'聯(lián)合,(四)完成組合
電子硬件:
所設(shè)計(jì)的系統(tǒng),是一種混合型正如上文第1.2。這種分析,是因?yàn)榈偷?毫米直徑的主導(dǎo)型包裝的激光傳感器。此外,在PCB上軌道路由感應(yīng)器,緩沖器和數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器占據(jù)顯著的空間,而無(wú)法可以避免的。改善解決更小的裝配費(fèi)用應(yīng)使用,最好是表面貼裝,但這些貨源不能,在表面進(jìn)行了比較。每一個(gè)傳感器網(wǎng)格組成,64 bp103 phototransistors安排在一個(gè)8x8的網(wǎng)格。該分析(各中心之間的連續(xù)2傳感器),是18毫米兩行和項(xiàng)目。這種光敏三極管具有日光過(guò)濾,以防止不法行為刺激環(huán)境光線。它是敏感光波長(zhǎng)范圍600-900納米。650奈米鑰匙扣激光被用來(lái)作為傳感器的興奮劑。這是廉價(jià)和有效的解決方案。雖然輸出權(quán)力的這種激光小于1兆瓦,但它足以把光敏三極管。遙感信號(hào),要緩沖/擴(kuò)增,以確保該電壓等級(jí)的輸出從lpt133是正確的數(shù)字范圍(0-0.8伏特為邏輯0和3.5-5伏為邏輯1),根據(jù)[6]為妥善電子設(shè)計(jì)。為此,每個(gè)傳感器一欄是通過(guò)一個(gè)晶體管驅(qū)動(dòng)器內(nèi)部1uln2803,其中包括8個(gè)晶體管司機(jī)。8驅(qū)動(dòng)芯片使用,而每欄。產(chǎn)出從每個(gè)uln2803是美聯(lián)儲(chǔ)到一個(gè)平行的串行數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)爐,74ls166以串?dāng)?shù)據(jù)傳輸?shù)絇C上。8輸出串行線,從數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器輸入到Atmel公司atmega8515微控制器。還有8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)和各位代表一個(gè)傳感器的現(xiàn)狀。該控制器用來(lái)傳輸8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù)傳送到PC機(jī)通過(guò)其串行通信口收發(fā)器與PC機(jī)的RS232串口端口。它還控制著74ls166數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器與伺服電動(dòng)機(jī)。微控制器,使數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換器及鐘表數(shù)據(jù)傳給他們每個(gè)人。
軟件:
該軟件主要有兩部分組成,即微控制器代碼和用戶(hù)界面。微控制代碼:有
4個(gè)部分,以微控制器代碼,即接收和解讀指令,由電腦;傳感器的數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)傳輸及伺服旋轉(zhuǎn)。接收和解讀指令-有命令為活化,傳感器數(shù)據(jù)采集,數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)讓和伺服旋轉(zhuǎn)。這些告訴控制器當(dāng)運(yùn)行相應(yīng)的例程。傳感器數(shù)據(jù)采集-這個(gè)例行使/禁用;擦亮及鐘表數(shù)據(jù)列并行,以串行轉(zhuǎn)換器。[7],為一個(gè)完整的說(shuō)明如何用達(dá)到這個(gè)目標(biāo)。數(shù)據(jù)傳輸一旦'傳感器數(shù)據(jù)采集'例行成后,8個(gè)字節(jié)的數(shù)據(jù),等待轉(zhuǎn)移。該串口的電腦作品與ASCII的字符集。每一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)一個(gè)號(hào)碼范圍0-255必須發(fā)出了微控制器的串口途經(jīng)三ASCII字符(1個(gè)字符對(duì)于每一種數(shù)百人,幾十本單位兩位數(shù)),代表號(hào)碼(0-九,其中以ASCII是0x30-0x39十六進(jìn)制樂(lè)譜)??偣灿?2個(gè)字符位元組(4個(gè)字節(jié)每數(shù)據(jù)字節(jié),其中包括完成字節(jié)字符)從控制器到PC上。用波特率9600(比特每秒),并包括一個(gè)校驗(yàn)位(9bits每字節(jié)),需要0.03s以完成。伺服輪換-作為有4個(gè)伺服馬達(dá),4脈寬調(diào)制信號(hào)都必須產(chǎn)生。來(lái)襲命表明某一伺服和長(zhǎng)度其脈沖寬度。脈寬值,將收到在3個(gè)字節(jié)??偣灿?6個(gè)字符字節(jié)從電腦控制器(4字節(jié)每伺服)定位激光視需要。需一段時(shí)間才能做到這一點(diǎn),是0.015秒(9600波特率)。計(jì)時(shí)器內(nèi)的控制器將確保該P(yáng)WM信號(hào)符合預(yù)期射程1-2ms。
用戶(hù)界面-用戶(hù)界面提供了一個(gè)可視化展示收到的數(shù)據(jù),64色的各界代表64phototransistors。展示例行搜查通過(guò)每一個(gè)數(shù)據(jù)字節(jié)(欄),為低比特(行)和改變顏色的對(duì)應(yīng)圓(藍(lán)色時(shí),沒(méi)有刺激,時(shí)為紅色,刺激)。該接口還允許用戶(hù)選擇二,為控制;要么通過(guò)鼠標(biāo)或選擇網(wǎng)格。隨著鼠標(biāo),用戶(hù)可以手動(dòng)控制激光和舉措,它的任何地方它的機(jī)械限制。當(dāng)選擇的是網(wǎng)格積極激光將自己的定位,首先找到一個(gè)參考點(diǎn),然后沿行和欄目。它會(huì)把所有的傳感器都被選定用戶(hù)。
控制設(shè)計(jì)概述:
傳感器網(wǎng)格提供直接反饋的立場(chǎng)該激光/工具頭在離散點(diǎn)的空間。該目的網(wǎng)
格是復(fù)位累積誤差在定位控制系統(tǒng)。坐標(biāo)的傳感器是儲(chǔ)存在控制軟件。當(dāng)誤差積累,需要加以復(fù)位結(jié)束效應(yīng)移至傳感器是最接近結(jié)束效應(yīng)。一旦它被定位和傳感器感應(yīng),能否反饋它有錯(cuò)誤,其定位它然后修改位置傳感器和復(fù)位誤差。
4.性能/運(yùn)行
新穎的這一傳感器系統(tǒng)的虛假與事實(shí),即它能確定位置的末端效應(yīng),直接,只要所提到的限制嚴(yán)格保持。它沒(méi)有確定的位置,從作為計(jì)算在激光三角測(cè)量系統(tǒng)和它沒(méi)有整合的位移,作為在激光干涉儀。 新穎的機(jī)械設(shè)計(jì),與4裝置同樣重視本末端效應(yīng)。安排并配置有優(yōu)勢(shì)比較容易控制,簡(jiǎn)化運(yùn)動(dòng)學(xué)模型,并補(bǔ)充說(shuō):僵硬。
傳感器網(wǎng)格:
傳感器網(wǎng)格是對(duì)微控制器的運(yùn)作之后的意圖綜合各項(xiàng)職能,。這個(gè)項(xiàng)目目前還處于測(cè)試階段與目前正在整合到系統(tǒng)中。很多工作中,仍然需要以確保屏幕妥善工程同所有的數(shù)據(jù)轉(zhuǎn)換和傳輸例程。該第二個(gè)版本的畫(huà)面,目前正在設(shè)計(jì)提高分辨率和系統(tǒng)的可重復(fù)性。
機(jī)械結(jié)構(gòu):
最重要的一環(huán),機(jī)械結(jié)構(gòu),是關(guān)節(jié)部件。模擬模型的建立是為了模擬和動(dòng)畫(huà)其動(dòng)向,以確保它完全符合設(shè)計(jì)要求。該結(jié)果表明,在圖1.4。一項(xiàng)議案發(fā)生器重視每個(gè)伺服頭,是一套以跟隨諧波功能。年底效應(yīng)分子的議案,歷時(shí)整個(gè)一系列的敏感性地區(qū)。最重要的激光安裝仍然是平行傳感器網(wǎng)格印刷電路板(傳感器平面)在其整個(gè)議案,是為了確保該激光光束始終垂直探測(cè)器。奇異,為這一機(jī)制發(fā)生時(shí),武器是完全延長(zhǎng)或折疊時(shí),上層和小腿的共線。這種情況是可以避免
在模擬演習(xí)中,可避免的現(xiàn)實(shí)。
5.結(jié)論
目標(biāo)是建立一個(gè)平行的機(jī)器人與集成傳感器系統(tǒng)已經(jīng)得到滿(mǎn)足。機(jī)械工程系統(tǒng)與控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)。該唯一的問(wèn)題,與機(jī)械方面是球接頭。他們沒(méi)有提供足夠的定位精確性和可重復(fù)性。使用高性能
球接頭或接頭兼容,在未來(lái)的版本的機(jī)器人將消除這個(gè)問(wèn)題。該傳感器系統(tǒng)是成本低,并提供直接反饋。決議是目前唯一的問(wèn)題,而是正如剛才制作技術(shù)可以解決這個(gè)問(wèn)題。這個(gè)系統(tǒng)采用模塊化和便于列入現(xiàn)有的系統(tǒng)。三維位置,是有可能與兩個(gè)這些傳感器網(wǎng)格放置在成直角對(duì)方。傳感器網(wǎng)格,也是穩(wěn)健的,是不會(huì)受環(huán)境光。公平的比較與最佳做法的行業(yè)可只可同一個(gè)傳感器系統(tǒng),它大致同一決議和準(zhǔn)確性。這一項(xiàng)目旨在測(cè)試該理論認(rèn)為,這種制度可能造成的,如果將是有益的。因此,它已完成了它的為此目的,而是一個(gè)編造屏幕,可以提供適當(dāng)?shù)亩啃阅艿拇胧?
圖1.4。模擬激光刀具頭的運(yùn)動(dòng):A和B
自下而上的看,C和D方面的看,E和F高層看
參考文獻(xiàn)
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