CN106568399A - 一种基于激光辅助对中的轴孔自动化装配方法 - Google Patents

一种基于激光辅助对中的轴孔自动化装配方法 Download PDF

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Abstract

一种基于激光辅助对中的轴孔自动化装配方法，包括以下步骤：一：装配轴零件(3)向装配孔零件(5)趋近；二：装配轴零件(3)位姿粗调；三：装配轴零件(3)位姿精调；四：装配轴零件(3)第一阶段进给；五：装配轴零件(3)第二阶段进给及花键轴段装配阶段；通过以上步骤，可以实现复杂装配条件下的轴孔零件自动化对中装配，提高了轴孔装配效率和质量，解决了复杂条件下无法实现轴孔自动化装配的问题。本发明中使用了激光辅助对中技术，能实现对轴孔轴线误差的快速精确非接触检测，避免轴孔配合过程中零件表面结构产生损伤，提高调节效率和准确性，降低了工人的劳动强度，提升了装配的自动化程度，缩短了产品的制造周期。

Description

一种基于激光辅助对中的轴孔自动化装配方法
【技术领域】
本发明提供一种基于激光辅助对中的轴孔自动化装配方法，尤其涉及一种针对复杂装配条件下的基于激光辅助对中的轴孔装配的方法，属于装配自动化技术领域。
【技术背景】
随着航空航天、汽车、国防等领域的高精尖技术的发展，对装配技术提出了具有挑战性的要求，例如RV减速器、航空发动机等高精度装配等。轴孔装配是工业生产环节中非常关键的部分，装配的质量往往影响产品的最终质量。
目前，关于轴孔装配研究中的轴孔零件都相对简单，很少涉及到阶梯轴、花键轴等较为复杂的装配情况。以航空发动机中的风扇单元体与核心机单元体的装配为例：装配过程可以分为两个阶段，第一阶段是轴伸入孔内，轴孔之间有较大间隙(约0.1mm)；第二阶段是到达配合面或键槽配合处。两个阶段内的装配要求是不一样的：第一阶段中孔的内壁有大量薄壁结构，不允许发生碰撞，故不能使用接触式测量手段；第二阶段配合精度很高，但允许较小力的碰撞。所以在这种情况下，单靠简单的力、位置控制是无法实现顺利装配的。目前，航空发动机的装配依然主要靠人工的方式完成，这种方法对工人的技术经验水平要求较高，并且导致装配工人工作量很大、效率低，发动机装配的质量也不能得到充分保证。所以，引入非接触式的测量手段，实现较为复杂轴孔自动化装配是形势所趋。
【发明内容】
1、目的：本发明的目的是为复杂条件下的轴孔装配提供一种新方法，实现全自动化装配，提高轴孔装配效率和质量。
2、技术方案：
本发明涉及一种针对复杂装配条件下的基于激光辅助对中的轴孔装配系统，用于对轴、孔零件进行装配，该系统具体包括有测量系统、装配部件及工装系统、执行机构、控制系统等；
所述测量系统包括有激光检测系统、装配接触力检测系统及数据采集系统等；所述激光检测系统包括有轴端激光发生器、孔端激光发生器、PSD位置传感器。所述装配接触力检测系统包括有六维力传感器。
所述装配部件及工装系统包括有装配轴零件、装配孔零件、孔件固定工装、激光器固定工装等；
该装配孔零件安装在所述孔件固定工装上，位置固定；所述装配轴零件为阶梯轴，并且具有花键结构，安装在所述执行机构的末端，在所述轴件固定工装与执行机构之间安装有所述六维力传感器；
所述测量系统中的激光发生器分为两组，每组三个，一组安装在所述装配轴零件的末端面上，另一组安装在所述装配孔零件的末端面上，激光器全部均匀布置且均与所述装配轴零件的花键齿呈固定位置角度关系；所述PSD位置传感器固定在与装配轴线方向垂直的平面上，它的作用是将所述激光发生器发出的激光点信息转化为二维平面上的坐标信息。
本发明提供一种基于激光辅助对中的轴孔自动化装配方法，该方法包括以下步骤：
步骤一：装配轴零件(3)向装配孔零件(5)趋近：控制执行机构(1)带动装配轴零件(3)进行粗定位，实现装配轴零件(5)向装配孔零件的趋近，使装配轴零件(3)大部分落到装配孔零件(5)的延伸圆柱包络面内；
步骤二：装配轴零件(3)位姿粗调：打开所述轴端激光发生器(4)及PSD位置传感器(7)开关，控制执行机构(1)进行装配轴零件(3)的位姿粗调,使所述PSD位置传感器(7)能接收到所有所述轴端激光器(4)发射出的激光束，并能正常反馈坐标数据；
步骤三：装配轴零件(3)位姿精调：打开所述孔端激光发生器(6)开关，根据轴端激光发生器(4)与孔端激光发生器(6)打到PSD位置传感器(7)上的两组激光点的坐标位置信息，计算分别由两组激光点组成的三角形之间的相对位置关系，进而逆推出为使装配轴零件(3)与装配孔零件(5)的轴线的角度位置误差，据此计算出执行机构(1)所需要的补偿量，控制系统(8)通过此补偿量控制执行机构(1)进行装配轴零件的精确调姿，直至装配轴零件(3)与装配孔零件(5)的轴线误差小于固定阈值；
步骤四：装配轴零件(3)第一阶段进给：完成位姿精调后的装配轴零件(3)在执行机构(1)的控制下进行第一阶段直线进给，在此过程中保持所述激光检测系统开启，并实时反馈两组激光点组成的三角形之间的相对位置关系误差；如果误差值大于设定阈值，则需停止进给，并对装配轴零件(3)进行微调，使装配轴零件(3)与装配孔零件(5)的轴线误差保持在一定范围以下；如果误差值在设定阈值以下，则持续进给，直至装配轴零件前端面到达第二装配阶段起始点；
步骤五：装配轴零件(3)第二阶段进给及花键轴段装配阶段：所述激光检测系统关闭，装配接触力检测系统开启，根据六维力传感器(2)进行装配力反馈，进而由控制系统(8)对装配过程进行力柔顺控制，直至第二阶段装配结束。
其中，在步骤三中所述的“计算分别由两组激光点组成的三角形之间的相对位置关系，进而逆推出为使装配轴零件(3)与装配孔零件(5)的轴线的角度位置误差”，其作法如下：
定义由三个轴端激光发生器中心点连线组成的等边三角形为内部初始三角形，该等边三角形的边长设为l0；定义由三个孔端激光发生器中心点连线组成的等边三角形为外部初始三角形，该等边三角形的边长设为L0；定义由三个轴端激光发生器及孔端激光发生器各自投射到PSD位置传感器上的三个激光点组成的两个三角形为投影三角形，并假设六个激光点的坐标为(Xi，Yi)，i＝1,2…6；
当内外两个投影三角形完全相似且边长等于原始边长(均为等边三角形)，但两个等边三角形的形心位置不重合时，装配轴零件存在X-Y方向上的位置误差ΔX、ΔY，误差计算公式如下：
当内外两个投影三角形相似且边长均等于原始边长(均为等边三角形)，两个等边三角形的形心位置也重合，但两三角形的方向不一致时，表明装配轴零件存在周向旋转误差θ，计算公式如下：
或
或
当内部投影三角形为等腰三角形，并且底边等于原始边长l0时，表明装配轴存在俯仰角度误差α，计算公式如下：
式中M代表该等腰三角形的腰长；
当内部投影三角形为等腰三角形，但底边不等于原始边长l0时，表明装配轴存在旋转误差β，计算公式如下：
通过以上步骤，可以实现复杂装配条件下的轴孔零件自动化对中装配，提高了轴孔装配效率和质量，解决了复杂条件下无法实现轴孔自动化装配的问题。
3、优点及功效：
本发明中使用了激光辅助对中技术，能实现对轴孔轴线误差的快速精确非接触检测，避免轴孔配合过程中零件表面结构产生损伤，提高调节效率和准确性；利用自动化执行机构进行自动化装配，降低了工人的劳动强度，提高了装配整体效率和质量，提升了装配的自动化程度，缩短了产品的制造周期。
【附图说明】
图1是本发明所述方法流程图。
图2是本发明所涉及的轴孔装配系统结构示意图。
图3是本发明具体实施例中装配轴轴端向视图。
图4是本发明具体实施例中装配孔端面向视图。
图5～图9是本发明中PSD位置传感器接收屏上可能出现的激光点位分布示意图。
图中符号说明如下：
1、执行机构； 2、六维力传感器； 3、装配轴零件；
4、轴端激光发生器； 5、装配孔零件； 6、孔端激光发生器；
7、PSD位置传感器； 8、控制系统； 9、外花键；
10、内花键；
【具体实施方式】
了使本领域的技术人员更好的理解本发明的技术方案，下面结合附图对本发明作详细介绍。
如图2、3、4所示，轴端激光发生器4安装在装配轴零件3末端，与装配轴零件3上外花键9呈固定位置角度关系；孔端激光发生器6安装在装配孔零件5末端，与装配孔零件5上的内花键10呈固定位置角度关系；这样，当内外花键可以正确配合时，轴端激光发生器4与孔端激光发生器6打到PSD位置传感器7上的激光点会有确定的相对位置关系，如图5所示。
如果装配轴零件3与装配孔零件5不同心时，会呈现出如图6所示的点位分布；如果装配轴零件3存在绕装配轴线方向的旋转误差时，会呈现出如图7所示的点位分布；如果装配轴零件3存在相对于装配孔零件5的俯仰角度误差时，会呈现出如图8所示的点位分布；如果装配轴零件3存在相对于装配孔零件5的偏转角度误差时，会呈现出如图9所示的点位分布。
本发明一种基于激光辅助对中的轴孔自动化装配方法，见图1所示，该方法包括以下步骤：
步骤一：装配轴零件3向装配孔零件5趋近：控制执行机构1带动装配轴零件3进行粗定位，实现装配轴零件5向装配孔零件的趋近，使装配轴零件3大部分落到装配孔零件5的延伸圆柱包络面内；
步骤二：装配轴零件3位姿粗调：打开所述轴端激光发生器4及PSD位置传感器7开关，控制执行机构1进行装配轴零件3的位姿粗调,使所述PSD位置传感器7能接收到所有所述轴端激光器4发射出的激光束，并能正常反馈坐标数据。
步骤三：装配轴零件3位姿精调：打开所述孔端激光发生器6开关，根据轴端激光发生器4与孔端激光发生器6打到PSD位置传感器7上的两组激光点的坐标位置信息，计算分别由两组激光点组成的三角形之间的相对位置关系，进而逆推出为使装配轴零件3与装配孔零件5的轴线的角度位置误差，据此计算出执行机构1所需要的补偿量，控制系统8通过此补偿量控制执行机构1进行装配轴零件的精确调姿，直至装配轴零件3与装配孔零件5的轴线误差小于固定阈值。
步骤四：装配轴零件3第一阶段进给：完成位姿精调后的装配轴零件3在执行机构1的控制下进行第一阶段直线进给，在此过程中保持所述激光检测系统开启，并实时反馈两组激光点组成的三角形之间的相对位置关系误差。如果误差值大于设定阈值，则需停止进给，并对装配轴零件3进行微调，使装配轴零件3与装配孔零件5的轴线误差保持在一定范围以下；如果误差值在设定阈值以下，则持续进给，直至装配轴零件前端面到达第二装配阶段起始点。
步骤五：装配轴零件3第二阶段进给及花键轴段装配阶段：所述激光检测系统关闭，装配接触力检测系统开启，根据六维力传感器2进行装配力反馈，进而由控制系统8对装配过程进行力柔顺控制，直至第二阶段装配结束。

Claims (2)

1.一种基于激光辅助对中的轴孔自动化装配方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
步骤一：装配轴零件(3)向装配孔零件(5)趋近：控制执行机构(1)带动装配轴零件(3)进行粗定位，实现装配轴零件(5)向装配孔零件的趋近，使装配轴零件(3)大部分落到装配孔零件(5)的延伸圆柱包络面内；
步骤二：装配轴零件(3)位姿粗调：打开所述轴端激光发生器(4)及PSD位置传感器(7)开关，控制执行机构(1)进行装配轴零件(3)的位姿粗调,使所述PSD位置传感器(7)能接收到所有所述轴端激光器(4)发射出的激光束，并能正常反馈坐标数据；
步骤三：装配轴零件(3)位姿精调：打开所述孔端激光发生器(6)开关，根据轴端激光发生器(4)与孔端激光发生器(6)打到PSD位置传感器(7)上的两组激光点的坐标位置信息，计算分别由两组激光点组成的三角形之间的相对位置关系，进而逆推出为使装配轴零件(3)与装配孔零件(5)的轴线的角度位置误差，据此计算出执行机构(1)所需要的补偿量，控制系统(8)通过此补偿量控制执行机构(1)进行装配轴零件的精确调姿，直至装配轴零件(3)与装配孔零件(5)的轴线误差小于固定阈值；
步骤四：装配轴零件(3)第一阶段进给：完成位姿精调后的装配轴零件(3)在执行机构(1)的控制下进行第一阶段直线进给，在此过程中保持所述激光检测系统开启，并实时反馈两组激光点组成的三角形之间的相对位置关系误差；如果误差值大于设定阈值，则需停止进给，并对装配轴零件(3)进行微调，使装配轴零件(3)与装配孔零件(5)的轴线误差保持在预定范围以下；如果误差值在设定阈值以下，则持续进给，直至装配轴零件前端面到达第二装配阶段起始点；
步骤五：装配轴零件(3)第二阶段进给及花键轴段装配阶段：所述激光检测系统关闭，装配接触力检测系统开启，根据六维力传感器(2)进行装配力反馈，进而由控制系统(8)对装配过程进行力柔顺控制，直至第二阶段装配结束；
通过以上步骤，能够实现复杂装配条件下的轴孔零件自动化对中装配，提高了轴孔装配效率和质量，解决了复杂条件下无法实现轴孔自动化装配的问题。
2.根据权利要求1所述的一种基于激光辅助对中的轴孔自动化装配方法，其特征在于：在步骤三中所述的“计算分别由两组激光点组成的三角形之间的相对位置关系，进而逆推出为使装配轴零件(3)与装配孔零件(5)的轴线的角度位置误差”，其作法如下：
定义由三个轴端激光发生器中心点连线组成的等边三角形为内部初始三角形，该等边三角形的边长设为l0；定义由三个孔端激光发生器中心点连线组成的等边三角形为外部初始三角形，该等边三角形的边长设为L0；假设六个点的坐标为(Xi，Yi)，i＝1,2…6；
当内外两个投影三角形完全相似且边长等于原始边长即均为等边三角形，但两个等边三角形的形心位置不重合时，装配轴零件存在X-Y方向上的位置误差ΔX、ΔY，误差计算公式如下：
Δ X = X 1 + X 2 + X 3 3 - X 4 + X 5 + X 6 3 Δ Y = Y 1 + Y 2 + Y 3 3 - Y 4 + Y 5 + Y 6 3
当内外两个投影三角形相似且边长均等于原始边长即均为等边三角形，两个等边三角形的形心位置也重合，但两三角形的方向不一致时，表明装配轴零件存在周向旋转误差θ，计算公式如下：
θ = a r c t a n Y 2 - Y 1 X 2 - X 1 - a r c t a n Y 5 - Y 4 X 5 - X 4
或
或
当内部投影三角形为等腰三角形，并且底边等于原始边长l0时，表明装配轴存在俯仰角度误差α，计算公式如下：
α = arccos 3 2 · l 0 M 2 - ( l 0 2 ) 2
式中M代表该等腰三角形的腰长；
当内部投影三角形为等腰三角形，但底边不等于原始边长l0时，表明装配轴存在旋转误差β，计算公式如下：
β = arccos l 0 p .
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