CN103288045B - 一种薄壁圆柱筒形微零件的内壁夹持装置和方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于力/位混合控制的薄壁(10-200微米)圆柱筒形零件的内壁夹持装置和方法。所述装置包括：底座，左固定座，移动夹持端，固定夹持端，右固定座，电机安装架，步进电机，丝杆，螺母，转接头，推拉轴，两个支撑轴。本发明基于显微视觉图像和夹持作用力信息，通过步进电机驱动移动夹持端完成零件的内壁夹持。夹持过程中显微视觉摄像头安装在移动夹持端和固定夹持端上方，根据显微视觉图像控制移动夹持端靠近零件，当移动夹持端和被夹持零件内壁接触后通过压阻应变片检测零件受到的夹持作用力，根据作用力调整步进电机的进给，以实现零件无损夹持的目的。

Description

一种薄壁圆柱筒形微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，尤其是一种基于力/位混合控制的薄壁圆柱筒形微零件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(通常壁厚为10-200微米)，传统的夹持装置或方法在夹持位移和夹持力控制方面无法满足精密装配要求，夹持过程中极易损坏零件，因此亟需一种薄壁圆柱筒形零件内壁夹持装置和方法来实现该类零件的无损夹持。

发明内容

本发明针对现有技术中薄壁圆柱筒形零件内壁夹持方面的不足，提出了一种基于力/位混合控制的薄壁圆柱筒形零件内壁夹持装置和方法，以实现薄壁圆柱筒形零件的无损内壁夹持，提高零件夹持的可靠性。

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内壁夹持装置，该装置包括：底座1，左固定座2，移动夹持端3，固定夹持端5，右固定座6，电机安装架7，步进电机8，丝杆9，螺母10，转接头11，推拉轴12，两个支撑轴17、18，其中：

所述底座1置于所述夹持装置的底部，其左右两端各设有一凸起，右凸起的中部顶端开设有半圆形的第一推拉轴孔；所述第一推拉轴孔的两侧以及左凸起的相应位置处开设有第一安装孔，用于安装所述支撑轴17、18；

所述左固定座2通过螺钉与所述底座1的左凸起相连，所述右固定座6通过螺钉与所述底座1的右凸起相连，所述右固定座6的底部开设有半圆形的第二推拉轴孔，其与所述底座1右凸起顶端开设的第一推拉轴孔相配合；

所述移动夹持端3位于所述左固定座2的右侧，其侧面中部贯设有一第三推拉轴孔；所述第三推拉轴孔的两侧分别开设有两个第二安装孔20、22，供所述支撑轴17、18穿入；所述移动夹持端3顶端的夹持部位为半圆柱结构，其直径略小于被夹持的圆柱筒形零件内径；

所述固定夹持端5位于所述移动夹持端3的右侧，其侧面中部开设有一第四推拉轴孔；所述第四推拉轴孔的两侧分别贯设有两个第三安装孔25、28，供所述支撑轴17、18穿入；所述固定夹持端5顶端的夹持部位为半圆柱结构，其直径和被夹持的圆柱筒形零件内径相同；

所述推拉轴12依次穿过所述第三推拉轴孔、所述第四推拉轴孔、所述第二推拉轴孔和所述第一推拉轴孔，最后与位于所述右固定座6右侧的转接头11的一端通过顶丝固连；所述螺母10套装在丝杆9上；所述电机安装架7与所述右固定座6固连；所述步进电机8通过螺钉安装在所述电机安装架7上；

通过丝杆9、螺母10、转接头11、推拉轴12、移动夹持端3的连接，将所述步进电机8的输出依次转换为丝杆9的旋转运动和螺母10的前后运动，并通过推拉轴12最终传递至所述移动夹持端3上，使其能够沿固定支撑轴17、18进行平行移动，进而使所述移动夹持端3的夹持部位与所述固定夹持端5的夹持部位组成一直径小于被夹持零件的内径的圆柱，插入到薄壁圆柱筒形零件4的内部，实现内壁夹持。

根据本发明的另一方面，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，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1，在所述夹持装置的上方固定显微视觉摄像头，将摄像头对准移动夹持端和固定夹持端的顶部；

步骤2，将被夹持的薄壁圆柱筒形零件放置在移动夹持端和固定夹持端顶部组成的圆柱上，通过显微视觉摄像头采集移动夹持端和固定夹持端的顶部图像，并根据所述图像分别提取移动夹持端顶部移动零件夹持部位和固定夹持端顶部固定零件夹持部位半圆柱的圆弧轮廓；

步骤3，根据所述步骤2提取到的移动零件夹持部位和固定零件夹持部位的外侧圆弧和被夹持零件的内径尺寸，计算移动夹持端和被夹持零件内壁之间的间隙，此间隙就是移动夹持端需要移动的位移量；

步骤4，将所述步骤3确定的移动夹持端需要移动的位移量作为目标值，开启步进电机，通过推拉轴控制移动夹持端沿着支撑轴平行移动，从而使得半圆柱结构的移动零件夹持部位逐渐靠近所述薄壁圆柱筒形零件的内壁；

步骤5，当移动的位移量达到目标值时即判定所述移动零件夹持部位接触到所述薄壁圆柱筒形零件的内壁，然后根据压阻应变片实时检测所述移动零件夹持部位对被夹持零件内壁的挤压作用力，当所述挤压作用力达到某一特定值时停止步进电机的进给；

步骤6，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，控制步进电机反向转动，释放移动夹持端对零件的夹持，将移动夹持端和固定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，以确定夹持运动的位移量；采用步进电机推进移动夹持端沿支撑轴做反复运动，实现对薄壁圆柱筒形零件的夹持和释放；实时检测移动夹持端对微力传感器的挤压作用力，以确保对零件的无损夹持。

附图说明

图1为本发明夹持装置的三维视图；

图2为本发明夹持装置的主视图；

图3为本发明夹持装置的俯视图；

图4为本发明夹持装置的左视图；

图5为本发明夹持装置中移动夹持端和推拉轴的正面视图；

图6为本发明夹持装置中移动夹持端和推拉轴的背面视图；

图7为本发明夹持装置中固定夹持端的三维视图。

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。

图1为本发明夹持装置的三维视图，图2为本发明夹持装置的主视图，图3为本发明夹持装置的俯视图，图4为本发明夹持装置的左视图，图5为本发明夹持装置中移动夹持端和推拉轴的正面视图，图6为本发明夹持装置中移动夹持端和推拉轴的背面视图，图7为本发明夹持装置中固定夹持端的三维视图，如图1-7所示，本发明的夹持装置包括：底座1，左固定座2，移动夹持端3，固定夹持端5，右固定座6，电机安装架7，步进电机8，丝杆9，螺母10，转接头11，推拉轴12，锁紧螺母13、两个支撑轴17、18，其中：

所述底座1置于所述夹持装置的底部，其通过设置于所述底座1的装置安装孔14与隔振平台相连，用于固定所述夹持装置；所述底座1左右两端各设有一凸起，右凸起的中部顶端开设有半圆形的第一推拉轴孔；所述第一推拉轴孔的两侧以及左凸起的相应位置处开设有第一安装孔，用于安装支撑轴17、18；

所述左固定座2通过螺钉15与所述底座1的左凸起相连，所述右固定座6通过螺钉15与所述底座1的右凸起相连，所述右固定座6的底部开设有半圆形的第二推拉轴孔，其与所述底座1右凸起顶端开设的第一推拉轴孔相配合，使得推拉轴12能够插入其内；所述左固定座2和右固定座6上与所述第一安装孔位置对应之处均垂直开设有两个螺纹孔，用于安装顶丝16以固定所述支撑轴17、18，如图2、3所示；

所述移动夹持端3位于所述左固定座2的右侧，其侧面中部贯设有一第三推拉轴孔，使得推拉轴12能够插入其内，并通过锁紧螺母13将所述推拉轴12的一端与所述移动夹持端3固定在一起；所述第三推拉轴孔的两侧分别开设有两个第二安装孔20、22，用于安装第一轴套21、23，以供所述支撑轴17、18穿入，由此实现所述移动夹持端3沿固定支撑轴17、18的平行移动；所述移动夹持端3的顶端的夹持部位设计为半圆柱结构，所述半圆柱的直径略小于被夹持的圆柱筒形零件内径，所述夹持装置夹持零件时将半圆柱结构的移动零件夹持部位插入到薄壁圆柱筒形零件的内部；夹持部位下方设计为铰链结构，所述铰链的侧面粘贴有压阻应变片19，用于检测零件夹持过程中(即所述移动夹持端3沿着支撑轴17、18运动的过程)铰链部位的形变，以确定移动零件夹持部位与被夹持零件内壁之间的挤压作用力，即夹持力的大小；如图5、6所示。

所述固定夹持端5位于所述移动夹持端3的右侧，其通过靠近底部的固定孔安装在底座1上；所述固定夹持端5侧面中部开设有一第四推拉轴孔，使得推拉轴12能够插入其内；所述第四推拉轴孔的两侧分别贯设有两个第三安装孔25、28，用于安装第二轴套26、27，以供所述支撑轴17、18穿入；所述固定夹持端5的顶端的夹持部位设计为半圆柱结构，所述半圆柱的直径和被夹持的圆柱筒形零件内径相同，所述夹持装置夹持零件时将半圆柱结构的固定零件夹持部位插入到薄壁圆柱筒形零件的内部；夹持部位下方设计为铰链结构，所述铰链的侧面粘贴有第二压阻应变片24，用于检测零件夹持过程中铰链部位的形变，以确定固定零件夹持部位与被夹持零件内壁之间的挤压作用力；所述固定夹持端5的侧面还贯设有走线孔，用于导出第一和第二压阻应变片19、24的信号线，所述第一和第二压阻应变片19、24的信号线连接至后续信号处理装置，如图7所示。

所述移动零件夹持部位与固定零件夹持部位组成一圆柱，该圆柱的直径小于被夹持零件的内径，使得所述夹持装置夹持零件时该圆柱能够插入到薄壁圆柱筒形零件4的内部，以实现零件的内壁夹持，如图1、2所示。

由上可知，所述支撑轴17分别插入轴套23、27，支撑轴18分别插入轴套21、26，并分别通过顶丝来固定，如图3、5、7所示。

所述推拉轴12插入移动夹持端3上的第三推拉轴孔内，一端通过推拉轴12上的轴肩定位于移动夹持端3的侧壁，另一端通过锁紧螺母13固定在所述第三推拉轴孔内，从而将推拉轴12与移动夹持端3固定在一起；同时所述推拉轴12依次穿过固定夹持端5上的第四推拉轴孔，右固定座6上的第二推拉轴孔和底座上的第一拉轴孔，最后与位于所述右固定座6右侧的转接头11的一端通过顶丝固连，所述转接头11的另一端通过螺钉与螺母10固连；所述螺母10套装在丝杆9上，用于将丝杆9的旋转运动转变为螺母10的前后运动；所述电机安装架7与所述右固定座6固连，所述转接头11、螺母10和丝杆9置于所述电机安装架7所形成的空间中；所述步进电机8通过螺钉安装在所述电机安装架7上，用于推动所述移动夹持端3沿着支撑轴17和18平行运动，为夹持装置提供动力；通过上述丝杆9、螺母10、转接头11、推拉轴12、移动夹持端3的连接，可将所述步进电机8的输出转换为丝杆9的旋转运动，将丝杆9的旋转运动转变为螺母10的前后运动，并将螺母10的前后运动通过推拉轴12最终传递至所述移动夹持端3上，从而使得所述移动夹持端3能够沿固定支撑轴17、18进行平行移动，在所述固定夹持端5的配合下，实现对于所述薄壁圆柱筒形零件4的内壁夹持，如图1、2、3、5、6所示。

本发明同时还提出一种使用所述夹持装置对薄壁圆柱筒形零件内壁进行夹持的方法，该方法包括以下步骤：

步骤1，在所述夹持装置的上方固定显微视觉摄像头，将摄像头对准移动夹持端和固定夹持端的顶部；

步骤2，将被夹持的薄壁圆柱筒形零件放置在移动夹持端和固定夹持端顶部组成的圆柱上，通过显微视觉摄像头采集移动夹持端和固定夹持端的顶部图像，并根据所述图像分别提取移动夹持端顶部移动零件夹持部位和固定夹持端顶部固定零件夹持部位半圆柱的圆弧轮廓；

步骤3，根据所述步骤2提取到的移动零件夹持部位和固定零件夹持部位的外侧圆弧和被夹持零件的内径尺寸，计算移动夹持端和被夹持零件内壁之间的间隙，此间隙就是移动夹持端需要移动的位移量；

步骤4，将所述步骤3确定的移动夹持端需要移动的位移量作为目标值，开启步进电机，通过推拉轴控制移动夹持端沿着支撑轴平行移动，从而使得半圆柱结构的移动零件夹持部位逐渐靠近所述薄壁圆柱筒形零件的内壁；

步骤5，当移动的位移量达到目标值时即判定所述移动零件夹持部位接触到所述薄壁圆柱筒形零件的内壁，然后根据压阻应变片实时检测所述移动零件夹持部位对被夹持零件内壁的挤压作用力，当所述挤压作用力达到某一特定值，比如50毫牛时停止步进电机的进给；

也就是说，当所述移动零件夹持部位与被夹持零件未接触时，根据步骤3提取的移动夹持端和被夹持零件之间的间隙控制步进电机的进给量；当所述移动零件夹持部位与被夹持零件发生接触时，根据步骤5中压阻应变片检测的所述移动零件夹持部位对被夹持零件的挤压作用力控制步进电机的运动，实现对所述零件内壁的无损夹持。

步骤6，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，控制步进电机反向转动，释放移动夹持端对零件的夹持，将移动夹持端和固定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 (9)

1.一种薄壁圆柱筒形微零件内壁夹持装置，其特征在于，该装置包括：底座(1)，左固定座(2)，移动夹持端(3)，固定夹持端(5)，右固定座(6)，电机安装架(7)，步进电机(8)，丝杆(9)，螺母(10)，转接头(11)，推拉轴(12)，两个支撑轴(17、18)，其中：

所述底座(1)置于所述夹持装置的底部，其左右两端各设有一凸起，右凸起的中部顶端开设有半圆形的第一推拉轴孔；所述第一推拉轴孔的两侧以及左凸起的相应位置处开设有第一安装孔，用于安装所述支撑轴(17、18)；

所述左固定座(2)通过螺钉与所述底座(1)的左凸起相连，所述右固定座(6)通过螺钉与所述底座(1)的右凸起相连，所述右固定座(6)的底部开设有半圆形的第二推拉轴孔，其与所述底座(1)右凸起顶端开设的第一推拉轴孔相配合；

所述移动夹持端(3)位于所述左固定座(2)的右侧，其侧面中部贯设有一第三推拉轴孔；所述第三推拉轴孔的两侧分别开设有一个第二安装孔(20、22)，供所述支撑轴(17、18)穿入；所述移动夹持端(3)顶端的夹持部位为半圆柱结构，其直径略小于被夹持的薄壁圆柱筒形微零件内径；

所述固定夹持端(5)位于所述移动夹持端(3)的右侧，其侧面中部开设有一第四推拉轴孔；所述第四推拉轴孔的两侧分别贯设有一个第三安装孔(25、28)，供所述支撑轴(17、18)穿入；所述固定夹持端(5)顶端的夹持部位为半圆柱结构，其直径和被夹持的薄壁圆柱筒形微零件内径相同；

所述推拉轴(12)依次穿过所述第三推拉轴孔、所述第四推拉轴孔、所述第二推拉轴孔和所述第一推拉轴孔，最后与位于所述右固定座(6)右侧的转接头(11)的一端通过顶丝固连；所述螺母(10)套装在丝杆(9)上；所述电机安装架(7)与所述右固定座(6)固连；所述步进电机(8)通过螺钉安装在所述电机安装架(7)上；

通过丝杆(9)、螺母(10)、转接头(11)、推拉轴(12)、移动夹持端(3)的连接，将所述步进电机(8)的输出依次转换为丝杆(9)的旋转运动和螺母(10)的前后运动，并通过推拉轴(12)最终传递至所述移动夹持端(3)上，使其能够沿支撑轴(17、18)进行平行移动，进而使所述移动夹持端(3)的夹持部位与所述固定夹持端(5)的夹持部位组成一直径小于被夹持零件的内径的圆柱，插入到薄壁圆柱筒形微零件(4)的内部，实现内壁夹持；

所述移动夹持端(3)和固定夹持端(5)的夹持部位下方均为铰链结构，所述铰链的侧面均粘贴有压阻应变片，用于检测零件夹持过程中铰链部位的形变，以确定所述夹持部位与被夹持零件内壁之间的挤压作用力的大小。

2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述底座(1)通过设置于所述底座(1)的装置安装孔(14)与隔振平台相连，用于固定所述夹持装置。

3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述左固定座(2)和右固定座(6)上与所述第一安装孔位置对应之处均垂直开设有一个螺纹孔，用于安装顶丝(16)以固定所述支撑轴(17、18)。

4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述固定夹持端(5)通过靠近底部的固定孔安装在底座1上。

5.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述转接头(11)的另一端通过螺钉与螺母(10)固连。

6.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述固定夹持端(5)的侧面还贯设有走线孔，用于导出第一和第二压阻应变片(19、24)的信号线，使其与后续信号处理装置连接。

7.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述转接头(11)、螺母(10)和丝杆(9)置于所述电机安装架(7)所形成的空间中。

8.根据权利要求1所述的装置，其特征在于，所述推拉轴(12)一端通过推拉轴(12)上的轴肩定位于移动夹持端(3)的侧壁，另一端通过锁紧螺母(13)固定在所述第三推拉轴孔内，从而将推拉轴(12)与移动夹持端(3)固定在一起。

9.一种使用权利要求1所述的夹持装置对薄壁圆柱筒形微零件内壁进行夹持的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤1，在所述夹持装置的上方固定显微视觉摄像头，将摄像头对准移动夹持端和固定夹持端的顶部；

步骤2，将被夹持的薄壁圆柱筒形微零件放置在移动夹持端顶端的夹持部位和固定夹持端顶端的夹持部位组成的圆柱上，通过显微视觉摄像头采集移动夹持端和固定夹持端的顶部图像，并根据所述图像分别提取移动夹持端顶端的夹持部位和固定夹持端顶端的夹持部位半圆柱的圆弧轮廓；

步骤3，根据所述步骤2提取到的移动零件夹持部位和固定零件夹持部位的外侧圆弧和被夹持零件的内径尺寸，计算移动夹持端和被夹持零件内壁之间的间隙，此间隙就是移动夹持端需要移动的位移量；

步骤4，将所述步骤3确定的移动夹持端需要移动的位移量作为目标值，开启步进电机，通过推拉轴控制移动夹持端沿着支撑轴平行移动，从而使得半圆柱结构的移动零件夹持部位逐渐靠近所述薄壁圆柱筒形微零件的内壁；

步骤5，当移动的位移量达到目标值时即判定所述移动零件夹持部位接触到所述薄壁圆柱筒形微零件的内壁，然后根据压阻应变片实时检测所述移动零件夹持部位对被夹持零件内壁的挤压作用力，当所述挤压作用力达到某一特定值时停止步进电机的进给；

步骤6，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，控制步进电机反向转动，释放移动夹持端对零件的夹持，将移动夹持端和固定夹持端从所述薄壁圆柱筒形微零件内取出。