CN106312500B - 一种微小尺寸装配推送装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种微小尺寸零件装配推送装置，所述装置采用两分支四关节微型机械手实现微小尺寸零件的精确推送；所述两分支四关节微型机械手包括主轴本体与机械手分支，所述的主轴本体后端与两个主轴电机相连，两个主轴电机分别提供用于实现推送过程进给的直线往复运动与用于配合分支关节运动完成零件位姿调整的旋转运动，主轴本体前端通过铰链与机械手分支相连；所述的机械手分支包括两个分支支撑构件、两个分支指尖构件和四个分支关节铰链。以及提供一种微小尺寸零件装配推送方法。本发明提供一种工作柔性好好且控制相对简单的微小尺寸装配推送装置及方法。
Description
技术领域
本发明涉及精密机械制造与自动化控制领域，尤其是涉及面向一种微小尺寸装配推送装置及其实现方法。
背景技术
随着人类社会的不断进步与科学技术的持续发展，对于机械制造的精度、速度、稳定性等方面提出了更高的要求，尤其是在微型精密机械总成或系统装配方面。微型精密机械一般由若干微型零件通过配合、紧固、焊接等方式组装而成，零件的几何尺寸一般在零点几个毫米到十几个毫米之间，所要求的装配精度在微米级到毫米级之间，尺寸跨度较大。在微小零件装配系统过程中，在线检测系统通过高精度摄像头、激光测距仪、红外干涉仪等手段对目标零件进行检测，根据不同的装配精度要求给出不同零件的径向角度检测精度；基于上述操作获得的零件位置数据，调整目标零件的位置坐标与平衡姿态；根据既定的离线编程控制程序，向执行部件发出指令，移动零件位置即可实现两个不同零件之间的装配，从而实现高精度的微型零件装配。
微型机械手为微型零件装配过程中的关键机构，一般由微型夹持器或真空吸附式夹持器组成，配合机器视觉传感器或者位置/角度传感器进行工作，可以完成微小零件的拾取、移动和装配。微型机械手是实现微装配的关键部分，其性能直接关系到装配的成败。当前微型机械手主要存在工作柔性较差、功能单一，且需要复杂的控制程序。
发明内容
为了解决微型精密机械装配领域中微型机械手存在的工作柔性较差、控制复杂的不足，本发明提供一种工作柔性好好且控制相对简单的微小尺寸装配推送装置及方法。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：
一种微小尺寸零件装配推送装置，所述装置采用两分支四关节微型机械手实现微小尺寸零件的精确推送；所述两分支四关节微型机械手包括主轴本体与机械手分支，所述的主轴本体后端与两个主轴电机相连，两个主轴电机分别提供用于实现推送过程进给的直线往复运动与用于配合分支关节运动完成零件位姿调整的旋转运动，主轴本体前端通过铰链与机械手分支相连；
所述的机械手分支包括两个分支支撑构件、两个分支指尖构件和四个分支关节铰链，所述分支支撑构件的两端通过铰链分别与分支指尖构件、主轴本体相连；所述分支支撑构件与机械手主轴本体铰接部分为分支第一关节，所述分支支撑构件与分支指尖构件铰接部分为分支第二关节。
进一步，所述的分支支撑构件为轻质合金钢管件，分支指尖构件为钛合金拨叉触针件，指尖角小于5度。
再进一步，每个机械手分支通过两个分支关节电机实现分支平面运动；两个分支配合运动，与主轴运动相叠加，实现在狭小物理空间内对微小尺寸零件的夹持、翻转、推送、卡塞动作。
一种微小尺寸零件装配推送方法，根据零件与接口接触面上的推力和压力、零件与接触面的摩擦系数的变化、零件与机械手的摩擦系数的变化，建立微小尺寸零件装配推送运动模型，实现机械手本体、分支的协调、配合运动，步骤如下：
①建立装配推送过程的机械手与零件接触动力学模型，在XOY平面内，机械手指尖构件与零件产生两点接触，触点分别为A和B，A表示Y方向下侧指尖，B 表示Y方向上侧指尖，所涉及的主要参数与变量为：零件中分厚度为d1，两指尖触点之间的距离为d2，触点A到零件Y方向下端面的距离为d3，两个指尖关节之间的距离为d4，零件的水平方向倾斜角度为θ，零件的竖直方向倾斜角度为β，机械手主轴本体进给速度为Vp，触点B处的法向与切向接触力分别为触点A处的法向与切向接触力分别为
②机械手进入预备工作状态，各分支关节电机启动，两个分支分别水平伸直，与零件接触，并向目标方向推送；
③推送至接近目标位置处，距目标位置≥两个零件长度，将零件进行倾斜，即在XOY平面内旋转角度θ，并分别计算触针与零件接触的法向力与切向力：
λn＝d1d2excosθ+(eθ+d1 2ex)sinθ (1)
λt＝(eθ+d2 2ex)cosθ+d1d2exsinθ (2)
其中，ex、eθ分别为机械手进给方向与平面旋转方向的关节阻尼系数；
④执行倾斜动作，两触针与零件保持接触粘性状态，且需满足如下动力学条件：
其中，μ是接触摩擦阻尼系数；
⑤倾斜动作完成后，继续向目标位置进给，两触针继续与零件保持接触粘性状态，两触点处的法向力需满足以下动力学条件：
⑥到达目标位置，零件角度状态必须以0或者π作为最终状态，机械手分支以足够的速度反方向运动，脱离零件的惯性摩擦作用，推送过程完毕。
本发明的有益效果主要表现在：
1)整体结构简单，刚性好，制造成本较低。
2)机械手具有四个关节，结合机械手本体的两个运动自由度，可以实现在狭小空间内的灵活操作，工作柔性好。
3)基于几何角度关系的动力学控制方法，控制简单，稳定性较好。
附图说明
图1是机械手结构示意图；
图2是零件装配过程步骤示意图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明作进一步描述。
参照图1，一种微小尺寸零件装配推送装置，采用两分支四关节微型机械手实现微小尺寸零件的精确推送；微型机械手结构简单，能够在狭小工作空间内保持较好的工作刚性与灵活性。
如附图1所示，两分支四关节微型机械手由主轴本体与机械手分支组成，可实现平面运动与旋转运动三个自由度，以满足装配允许空间内的运动需求。主轴本体后端(非工作端)与两个主轴电机相连，分别提供直线往复运动与旋转运动，其中直线往复运动实现推送过程进给，旋转运动配合分支关节运动完成零件位姿调整；主轴本体前端(工作端)通过铰链与机械手分支相连。
机械手分支由两个分支支撑构件、两个分支指尖构件、四个分支关节铰链组成，分支支撑构件通过铰链分别与分支指尖构件、主轴本体相连；分支支撑构件与机械手主轴本体铰接部分为分支第一关节，与分支指尖构件铰接部分为分支第二关节，如附图1所示。为了使机械手运动轻盈且保证足够的的机械强度，分支支撑构件为轻质合金钢管件，分支指尖构件为钛合金拨叉触针件；分支指尖构件的指尖角小于5度，保证拾取过程具有足够的初始锐利度。每个机械手分支通过两个电机实现分支平面运动；两个分支配合运动，与主轴运动相叠加，实现在狭小物理空间内对微小尺寸零件的夹持、翻转、推送、卡塞等动作。
参照图2，一种微小尺寸零件装配推送方法，根据零件与接口接触面上的推力和压力、零件与接触面的摩擦系数的变化、零件与机械手的摩擦系数的变化，建立微小尺寸零件装配推送运动模型，实现机械手本体、分支的协调、配合运动，执行步骤如附图2所示，具体步骤如下：
①建立装配推送过程的机械手与零件接触动力学模型(见附图1)，在XOY平面内，机械手指尖构件与零件产生两点接触，触点分别为A(Y方向下侧指尖)、B(Y 方向上侧指尖)，所涉及的主要参数与变量为：零件中分厚度(总厚度的一半)为d1，两指尖触点之间的距离为d2，触点A到零件Y方向下端面的距离为d3，两个指尖关节之间的距离为d4，零件的水平方向倾斜角度为θ，零件的竖直方向倾斜角度为β，机械手主轴本体进给速度(X轴负方向)为Vp，触点B处的法向与切向接触力分别为触点A处的法向与切向接触力分别为
②机械手进入预备工作状态，各分支关节电机启动，两个分支分别水平伸直，与零件接触，并向目标方向(X轴负方向)推送。
③推送至接近目标位置处(距目标位置≥两个零件长度)，将零件进行倾斜，即在XOY平面内旋转角度θ，并分别计算触针与零件接触的法向力与切向力：
λn＝d1d2excosθ+(eθ+d1 2ex)sinθ (1)
λt＝(eθ+d2 2ex)cosθ+d1d2exsinθ (2)
其中，ex、eθ分别为机械手进给方向与平面旋转方向的关节阻尼系数。
④执行倾斜动作，两触针与零件保持接触粘性状态，且需满足如下动力学条件：
其中，μ是接触摩擦阻尼系数。
⑤倾斜动作完成后，继续向目标位置进给，两触针继续与零件保持接触粘性状态，两触点处的法向力需满足以下动力学条件：
⑥到达目标位置，零件角度状态必须以0或者π作为最终状态，机械手分支以足够的速度反方向运动，脱离零件的惯性摩擦作用，推送过程完毕。
最后，还需要注意的是，以上列举的仅是本发明的一个具体实施例。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多变形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明的保护范围。
Claims (3)
1.一种微小尺寸零件装配推送装置，其特征在于：所述装置采用两分支四关节微型机械手实现微小尺寸零件的精确推送；所述两分支四关节微型机械手包括主轴本体与机械手分支，所述的主轴本体后端与两个主轴电机相连，两个主轴电机分别提供用于实现推送过程进给的直线往复运动与用于配合分支关节运动完成零件位姿调整的旋转运动，主轴本体前端通过铰链与机械手分支相连；
所述的机械手分支包括两个分支支撑构件、两个分支指尖构件和四个分支关节铰链，所述分支支撑构件的两端通过铰链分别与分支指尖构件、主轴本体相连；所述分支支撑构件与机械手主轴本体铰接部分为分支第一关节，所述分支支撑构件与分支指尖构件铰接部分为分支第二关节；
每个机械手分支通过两个分支关节电机实现分支平面运动；两个分支配合运动，与主轴运动相叠加，实现在狭小物理空间内对微小尺寸零件的夹持、翻转、推送和卡塞动作。
2.如权利要求1所述的一种微小尺寸零件装配推送装置，其特征在于：所述的分支支撑构件为轻质合金钢管件，分支指尖构件为钛合金拨叉触针件，指尖角小于5度。
3.一种如权利要求1所述的微小尺寸零件装配推送装置实现的推送方法，其特征在于：根据零件与接口接触面上的推力和压力、零件与接触面的摩擦系数的变化、零件与机械手的摩擦系数的变化，建立微小尺寸零件装配推送运动模型，实现机械手本体、分支的协调、配合运动，步骤如下：
①建立装配推送过程的机械手与零件接触动力学模型，在XOY平面内，机械手指尖构件与零件产生两点接触，触点分别为A和B，A表示Y方向下侧指尖，B表示Y方向上侧指尖，所涉及的主要参数与变量为：零件中分厚度为d1，两指尖触点之间的距离为d2，触点A到零件Y方向下端面的距离为d3，两个指尖关节之间的距离为d4，零件的水平方向倾斜角度为θ，零件的竖直方向倾斜角度为β，机械手主轴本体进给速度为Vp，触点B处的法向与切向接触力分别为触点A处的法向与切向接触力分别为
②机械手进入预备工作状态，各分支关节电机启动，两个分支分别水平伸直，与零件接触，并向目标方向推送；
③推送至接近目标位置处，距目标位置≥两个零件长度，将零件进行倾斜，即在XOY平面内旋转角度θ，并分别计算指尖构件与零件接触的法向力与切向力：
λn＝d1d2excosθ+(eθ+d1 2ex)sinθ (1)
λt＝(eθ+d2 2ex)cosθ+d1d2exsinθ (2)
其中，ex、eθ分别为机械手进给方向与平面旋转方向的关节阻尼系数；
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⑤倾斜动作完成后，继续向目标位置进给，两指尖构件继续与零件保持接触粘性状态，两触点处的法向力需满足以下动力学条件：
⑥到达目标位置，零件角度状态必须以0度或者180度作为最终状态，机械手分支以足够的速度反方向运动，脱离零件的惯性摩擦作用，推送过程完毕。
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