CN102658532A - 薄壁圆柱筒形零件的内壁夹持装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于精密装配中薄壁(10-200微米)圆柱筒形零件内壁夹持装置和方法。本发明基于显微视觉图像和夹持反馈力信息，通过控制直线电机运动实现夹持的闭环控制。夹持过程中显微视觉摄像头安装在夹持端上方，根据显微视觉图像控制夹持装置靠近零件，当夹持装置和零件接触后通过微力传感器感知夹持力，根据反馈力信号控制夹持装置运动。实验证明，本发明能够提高薄壁圆柱筒形零件夹持的准确性和可靠性，能够实现零件的无损夹持，满足精密装配的需求。

Description

薄壁圆柱筒形零件的内壁夹持装置和方法

技术领域

本发明涉及精密装配技术领域，尤其是一种薄壁圆柱筒形零件的内壁夹持装置和方法。

背景技术

精密装配领域中存在一类薄壁圆柱筒形零件，装配时零件外壁需要和其它零件接触，因此需要夹持装置从内壁夹持零件；零件装配完成后，夹持装置应该能从零件中顺利取出。由于此类零件属于薄壁类(通常壁厚10-1000微米)，传统的夹持方法或夹持装置在夹持位移和夹持力控制方面无法满足装配要求，夹持过程中极易损坏零件，因此亟需一种新型的基于显微视觉和力觉控制的夹持方法和装置来实现零件的无损夹持。

发明内容

本发明的目的在于提供一种精密装配中薄壁圆柱形零件的内壁夹持装置和方法，采用基于显微视觉和力觉的夹持控制方法，来克服传统夹持器的不足、提高薄壁圆柱形零件夹持的准确性和可靠性。

为达到上述目的，根据本发明的一方面，提出一种薄壁圆柱筒形零件的内壁夹持装置，其特征在于，该装置包括：固定架1、电机固定板2、直线电机3、夹持座4、上固定板5、硅胶垫6、微力传感器7、夹持端8、锥形活塞9、橡胶弹簧10、支撑轴11、螺钉12、定位顶丝13、螺钉14和直线轴承16，其中，上固定板5、硅胶垫6、微力传感器7、夹持端8均分为两部分，且相对中心轴线对称设置；

固定架1将夹持装置固连到底座平台；电机固定板2用于直线电机3的安装固定，并通过螺钉12与固定架1相连；直线电机3安装在电机固定板2上；夹持座4用于支撑轴11的安装；

上固定板5和夹持座4之间通过螺钉14相连，用于安装定位顶丝13；定位顶丝13用于将支撑轴11固定在夹持座4上；

硅胶垫6安装在夹持座4、上固定板5和微力传感器7之间，用以夹紧两个对称的夹持端8；微力传感器7安装在夹持端8与硅胶垫6之间，用于检测夹持过程中夹持端8和被夹持零件之间的夹持力；

左右对称的两个夹持端8安装在两个微力传感器7之间；锥形活塞9和橡胶弹簧10安装在两个夹持端8中间形成的孔内；夹持端8上安装有两个直线轴承16，支撑轴11插入直线轴承16内，通过两根支撑轴11将对称的两个夹持端8串联起来；

夹持端8的内壁上开有上窄下宽的锥形孔槽，两个对称的夹持端8内部形成一个锥形孔，在所述锥形孔内安装有锥形活塞9；

在所述锥形孔内、锥形活塞9的顶部安装有橡胶弹簧10。

根据本发明的另一方面，提出一种使用所述的夹持装置夹持薄壁圆柱筒形零件内壁的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1，在夹持装置的上方固定显微视觉摄像头，将摄像头对准夹持装置的夹持端；将薄壁圆柱筒形零件放置在两个夹持端顶部组成的圆柱上；

步骤2，通过所述显微视觉摄像头采集夹持端图像，并提取夹持端顶部半圆柱的外侧圆弧和被夹持零件内侧圆弧的轮廓；

步骤3，根据所述步骤2提取到的夹持端顶部半圆柱的外侧圆弧和被夹持零件内侧圆弧的轮廓信息，计算夹持端和被夹持零件之间的间隙，由此确定夹持运动的位移量；

步骤4，将所述步骤3确定的夹持运动的位移量作为目标，工控机通过多轴控制卡控制直线电机，以驱动锥形活塞运动，将直线电机竖直方向的上下运动转换为夹持端沿着支撑轴的水平夹持运动，使夹持端逐渐靠近所述薄壁圆柱筒形零件的内壁；

步骤5，当夹持端接触到所述薄壁圆柱筒形零件的内壁后，实时采集微力传感器检测到的夹持端与所述薄壁圆柱筒形零件内壁之间的夹持力信号，并将所述夹持力信号发送给工控机；

步骤6，工控机接收到所述夹持力信号后，通过多轴控制卡终止直线电机3的运动；

步骤7，移动所述夹持装置以操控被夹持零件进行精密装配，完成装配后，工控机通过多轴控制卡控制直线电机进行反向运动，带动锥形活塞向下运动，同时硅胶垫提供的弹性力使得两个对称的夹持端互相靠近，由此将所述夹持装置的夹持端从所述薄壁圆柱筒形零件内取出。

本发明采用显微视觉摄像头采集夹持过程中的图像，以确定夹持装置的位移；采用多轴控制卡控制直线电机驱动锥形活塞运动，将直线电机的运动转换为夹持端的运动；采用微力传感器检测夹持端和被夹持零件之间的夹持力，确保实现无损夹持。实验证明，本发明能够实现薄壁圆柱筒形零件的内壁夹持，可以满足精密装配中无损夹持的需要。

附图说明

图1为本发明薄壁圆柱筒形零件内壁夹持装置主视图；

图2为沿着图1主视图上A-A轴线的剖视图；

图3为本发明薄壁圆柱筒形零件内壁夹持装置的俯视图；

图4为本发明夹持装置夹持端的三维视图；

图5为本发明使用夹持装置夹持薄壁圆柱筒形零件内壁的方法流程图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。

本发明的夹持装置主要包括：固定架1、电机固定板2、直线电机3、夹持座4、上固定板5、硅胶垫6、微力传感器7、夹持端8、锥形活塞9、橡胶弹簧10、支撑轴11、螺钉12、定位顶丝13、螺钉14和直线轴承16，其中，上固定板5、硅胶垫6、微力传感器7、夹持端8均分为两部分，且相对中心轴线对称设置。

图1为本发明薄壁圆柱筒形零件内壁夹持装置主视图，图2为沿着图1主视图上A-A轴线的剖视图，如图1和图2所示，在本发明的夹持装置中，固定架1将夹持装置固连到底座平台；电机固定板2用于直线电机3的安装固定，并通过螺钉12与固定架1相连(如图3所示)；直线电机3安装在电机固定板2上，与多轴控制卡之间通过有线进行双向通讯，用于接收并根据所述多轴控制卡的指令，推动锥形活塞9实现夹持运动，即为所述夹持装置的运动提供动力；所述多轴控制卡与直线电机3之间通过有线进行双向通讯，借助工控机对直线电机3进行驱动控制；夹持座4用于支撑轴11的安装；上固定板5和夹持座4之间通过螺钉14相连，用于安装定位顶丝13(如图3所示)；定位顶丝13用于将支撑轴11固定在夹持座4上；硅胶垫6安装在夹持座4、上固定板5和微力传感器7之间，用以夹紧两个对称的夹持端8；微力传感器7安装在夹持端8与硅胶垫6之间，用于检测夹持过程中夹持端8和被夹持零件之间的夹持力；左右对称的两个夹持端8安装在两个微力传感器7之间，锥形活塞9和橡胶弹簧10安装在两个夹持端8中间形成的孔内。

夹持端8上安装有两个直线轴承16(如图4所示)，支撑轴11插入直线轴承16内，通过两根支撑轴11将对称的两个夹持端8串联起来；所述夹持端8的顶部为半圆柱形状，因此，两个对称的夹持端8的顶部组成一个圆柱，夹持端8的内壁上开有上窄下宽的锥形孔槽，两个对称的夹持端8内部形成一个锥形孔，在所述锥形孔内安装有锥形活塞9，锥形活塞9呈上窄下宽，锥形孔槽的锥度与锥形活塞9的锥度相同，在所述锥形孔内、锥形活塞9的顶部安装有橡胶弹簧10，橡胶弹簧10为夹持操作完成后锥形活塞9的退回提供弹性力，即橡胶弹簧10利用其弹性将锥形活塞9推出，使得夹持端8放松夹持，由此可将直线电机3竖直方向的运动转换为夹持端8沿支撑轴11的左右平移，即水平夹持运动；被夹持的薄壁圆柱筒形零件15套装在两个夹持端8的顶部组成的圆柱上，从而夹持端8的左右平移运动就可实现从内壁夹持、放松夹持零件的目的。

本发明同时还提出一种使用所述夹持装置夹持薄壁圆柱筒形零件内壁的方法，其流程图如图5所示，该方法包括以下步骤：

步骤1，在夹持装置的上方固定显微视觉摄像头，将摄像头对准夹持装置的夹持端；将薄壁圆柱筒形零件放置在两个夹持端顶部组成的圆柱上；

步骤2，通过所述显微视觉摄像头采集夹持端图像，并提取夹持端顶部半圆柱的外侧圆弧和被夹持零件内侧圆弧的轮廓；

步骤3，根据所述步骤2提取到的夹持端顶部半圆柱的外侧圆弧和被夹持零件内侧圆弧的轮廓信息，计算夹持端和被夹持零件之间的间隙，由此确定夹持运动的位移量；

步骤4，将所述步骤3确定的夹持运动的位移量作为目标，工控机通过多轴控制卡控制直线电机，以驱动锥形活塞运动，根据设计锥形活塞的锥度将直线电机竖直方向的上下运动转换为夹持端沿着支撑轴的水平夹持运动(通过修改锥度可改变锥形活塞竖直方向运动和夹持端水平运动的比例关系)，使夹持端逐渐靠近所述薄壁圆柱筒形零件的内壁；

步骤5，当夹持端接触到所述薄壁圆柱筒形零件的内壁后，实时采集微力传感器检测到的夹持端与所述薄壁圆柱筒形零件内壁之间的夹持力信号，并将所述夹持力信号发送给工控机；

步骤6，工控机接收到所述夹持力信号后，通过多轴控制卡终止直线电机3的运动；

也就是说，当夹持端和被夹持零件未接触时，根据步骤3得到的提取夹持端和被夹持零件之间的间隙控制直线电机运动；当夹持端和被夹持零件发生接触时，根据步骤5中微力传感器检测的夹持端和所述薄壁圆柱筒形零件之间夹持力信号终止直线电机3运动，实现对所述薄壁圆柱筒形零件的内壁夹持。

步骤7，移动所述夹持装置以操控被夹持零件进行精密装配，完成装配后，工控机通过多轴控制卡控制直线电机进行反向运动，带动锥形活塞向下运动，同时硅胶垫提供的弹性力使得两个对称的夹持端互相靠近，由此将所述夹持装置的夹持端从所述薄壁圆柱筒形零件内取出。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种薄壁圆柱筒形零件的内壁夹持装置，其特征在于，该装置包括：固定架(1)、电机固定板(2)、直线电机(3)、夹持座(4)、上固定板(5)、硅胶垫(6)、微力传感器(7)、夹持端(8)、锥形活塞(9)、橡胶弹簧(10)、支撑轴(11)、螺钉(12)、定位顶丝(13)、螺钉(14)和直线轴承(16)，其中，上固定板(5)、硅胶垫(6)、微力传感器(7)、夹持端(8)均分为两部分，且相对中心轴线对称设置；

固定架(1)将夹持装置固连到底座平台；电机固定板(2)用于直线电机(3)的安装固定，并通过螺钉(12)与固定架(1)相连；直线电机(3)安装在电机固定板(2)上；夹持座(4)用于支撑轴(11)的安装；

上固定板(5)和夹持座(4)之间通过螺钉(14)相连，用于安装定位顶丝(13)；定位顶丝(13)用于将支撑轴(11)固定在夹持座(4)上；

硅胶垫(6)安装在夹持座(4)、上固定板(5)和微力传感器(7)之间，用以夹紧两个对称的夹持端(8)；微力传感器(7)安装在夹持端(8)与硅胶垫(6)之间，用于检测夹持过程中夹持端(8)和被夹持零件之间的夹持力；

左右对称的两个夹持端(8)安装在两个微力传感器(7)之间；锥形活塞(9)和橡胶弹簧(10)安装在两个夹持端(8)中间形成的孔内；夹持端(8)上安装有两个直线轴承(16)，支撑轴(11)插入直线轴承(16)内，通过两根支撑轴(11)将对称的两个夹持端(8)串联起来；

夹持端(8)的内壁上开有上窄下宽的锥形孔槽，两个对称的夹持端(8)内部形成一个锥形孔，在所述锥形孔内安装有锥形活塞(9)；

在所述锥形孔内、锥形活塞(9)的顶部安装有橡胶弹簧(10)。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述直线电机(3)与多轴控制卡之间通过有线进行双向通讯，用于接收并根据所述多轴控制卡的指令，推动锥形活塞(9)实现夹持运动，即为所述夹持装置的运动提供动力。

3.根据权利要求2所述的装置，其特征在于，所述多轴控制卡与直线电机(3)之间通过有线进行双向通讯，借助工控机对直线电机(3)进行驱动控制。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述夹持端(8)的顶部为半圆柱形状，两个对称的夹持端(8)的顶部组成一个圆柱。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述锥形活塞(9)呈上窄下宽。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，锥形孔槽的锥度与锥形活塞(9)的锥度相同。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，橡胶弹簧(10)为夹持操作完成后锥形活塞(9)的退回提供弹性力，橡胶弹簧(10)利用其弹性将锥形活塞(9)推出，使得夹持端(8)放松夹持，由此可将直线电机(3)竖直方向的运动转换为夹持端(8)沿支撑轴(11)的左右平移，即水平夹持运动。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，被夹持的薄壁圆柱筒形零件(15)套装在两个夹持端(8)的顶部组成的圆柱上。

9.一种使用权利要求1所述的夹持装置夹持薄壁圆柱筒形零件内壁的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1，在夹持装置的上方固定显微视觉摄像头，将摄像头对准夹持装置的夹持端；将薄壁圆柱筒形零件放置在两个夹持端顶部组成的圆柱上；

步骤2，通过所述显微视觉摄像头采集夹持端图像，并提取夹持端顶部半圆柱的外侧圆弧和被夹持零件内侧圆弧的轮廓；

步骤3，根据所述步骤2提取到的夹持端顶部半圆柱的外侧圆弧和被夹持零件内侧圆弧的轮廓信息，计算夹持端和被夹持零件之间的间隙，由此确定夹持运动的位移量；

步骤4，将所述步骤3确定的夹持运动的位移量作为目标，工控机通过多轴控制卡控制直线电机，以驱动锥形活塞运动，将直线电机竖直方向的上下运动转换为夹持端沿着支撑轴的水平夹持运动，使夹持端逐渐靠近所述薄壁圆柱筒形零件的内壁；

步骤5，当夹持端接触到所述薄壁圆柱筒形零件的内壁后，实时采集微力传感器检测到的夹持端与所述薄壁圆柱筒形零件内壁之间的夹持力信号，并将所述夹持力信号发送给工控机；

步骤6，工控机接收到所述夹持力信号后，通过多轴控制卡终止直线电机3的运动；

步骤7，移动所述夹持装置以操控被夹持零件进行精密装配，完成装配后，工控机通过多轴控制卡控制直线电机进行反向运动，带动锥形活塞向下运动，同时硅胶垫提供的弹性力使得两个对称的夹持端互相靠近，由此将所述夹持装置的夹持端从所述薄壁圆柱筒形零件内取出。

10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，通过修改锥度改变锥形活塞竖直方向运动和夹持端水平运动的比例关系。

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