CN110303217B - 一种多机器人自动线缆焊锡装配单元 - Google Patents

一种多机器人自动线缆焊锡装配单元 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种多机器人自动线缆焊锡装配单元，属于智能制造领域，解决机器人自动线缆焊锡操作中，多机器人协同作业装配单元的布局、多工位转换、机器人工件标定的技术问题，提高传统线缆焊锡工艺的工作效率。本发明包括机器人线缆焊锡操作的轨迹规划及单元运作过程中所需夹具及装置的设计。所述夹具包括电烙铁夹具和工件夹具，均具结构简单，使用方便，夹持可靠的特点；所述装置为自动出锡装置，具有结构尺寸小，电路简单，外观精致的特点。本发明通用性强，只改变电烙铁夹具的孔位排布及尺寸，便可配合各类工业机器人进行全自动生产线使用，减少作业时间，降低工人劳动强度。

Description

一种多机器人自动线缆焊锡装配单元
技术领域
本发明属于智能制造领域，具体为一种多机器人自动线缆焊锡装配单元。
背景技术
线缆焊锡是一种劳动密集型工艺，可重复性强。现有电子装联工艺过于繁琐，需工人两手伏案，一只手送锡，一只手操作电烙铁，工人对工作的责任态度，疲劳度都是影响焊锡质量的直接因素，且熟练工人培养周期长，延长工时，适合机器人代替人进行焊锡操作，引入机器人提供自动化焊锡迫切需要。
现已有的机器人焊锡工艺自动化程度低，多工位加工实现差且焊锡工具不具备通用性，增加简单工艺的设计成本及设备购入成本。为解决上述缺陷，提出一种多机器人自动线缆焊锡装配单元，通过机器人与单元内所设计装置协同作业，增强该工艺自动化程度与多工位实现，提高工作效率，缩短工时。
发明内容
为了克服现有技术的上述局限性，本发明提供一种多机器人自动线缆焊锡装配单元。
本发明采用的技术方案是：一种多机器人自动线缆焊锡装配单元，包括电烙铁夹具(1)、工件夹具(2)、自动出锡装置(3)、收集架(4)、通气泵(5)、气杆(6)、推板(7)、传送带(8)、散热除尘装置(9)，工件夹具(2)位于单元中心，四台机器人两两分布于单元对角线两端，分为焊锡机器人与送线机器人，末端装有电烙铁夹具(1)的工业机器人为焊锡机器人，末端装有手爪的工业机器人为送线机器人，针对某批次待焊工件的线缆焊锡操作包括以下几个步骤：
步骤1、送线机器人夹持待焊工件至工件夹具(2)装夹台(30)斜面(3010)，通气泵(5)收缩气杆(6)紧拉夹紧装置(3006)逐渐压紧工件接触推板(7)，推板(7)触发气路系统行程开关，气杆(6)停止收缩夹紧工件；
步骤2、操作焊锡机器人使电烙铁笔尖以夹角α接触定位点a1(3007)，α为电烙铁笔尖与定位点a1(3007)法线所张夹角，范围为30°～45°，此为焊锡机器人相对位姿P1(10)，焊锡机器人相对位姿P2(11)与焊锡机器人相对位姿P1(10)关于定位点a1(3007)法线成对称姿态，焊锡机器人相对位姿P3(12)即电烙铁笔尖垂直接触定位点a1(3007)，在示教器中记录三个焊锡机器人相对位姿位置信息，以焊锡机器人相对位姿P3(12)操作电烙铁笔尖垂直接触定位点a2(3008)并记录位姿信息，此即焊锡机器人相对位姿P4(13)，以焊锡机器人相对位姿P4(13)沿装夹台(30)+Y方向垂直接触定位点a3(3009)，到达并记录焊锡机器人相对位姿P5(14)位置信息，最后以焊锡机器人相对位姿P5(14)沿装夹台(30)+Z方向移动一段距离到达焊锡机器人相对位姿P6(15)，记录当前位姿信息，运用矩阵运算求得工具坐标系{T}(18)相对腕部坐标系{W}(17)位姿变换，借助当前位置定位点a1(3007)、定位点a2(3008)、定位点a3(3009)所构成的平面，确定工件尺寸并获取工件的相对位置矩阵PG；
步骤3、基于工件的相对位置矩阵PG及机器人焊锡工装夹具仿真模型，通过仿真示教记录工艺轨迹所需路径点，工艺接入点(19)、融锡点(20)、焊锡推平起始点(21)、焊锡推平结束点(22)、退出点(23)，在实际工作单元中，示教得到焊锡工艺起始点(24)，焊锡机器人经初始位姿插补至焊锡工艺起始点(24)即移动轨迹，同时将焊锡工艺起始点(24)和工艺接入点(19)分别作为过渡起始点和过渡终止点，进行运动学插补获得过渡插补轨迹，实现对机器人移动轨迹和工艺轨迹的光滑拼接，完成机器人完整焊锡操作轨迹；
步骤4、对角线两端机器人同时进行焊锡操作，完成当前位置焊锡任务，送线机器人将成品送至收集架(4)；
步骤5、通气泵(5)驱动工件夹具(2)装夹台(30)上抬，装夹台(30)底部换位滑轮(3004)进入压块(29)间隙(2904)，通过行程开关限制转动角度为90°，完成工位转换，重复步骤1、4、5，实现装配单元连续给料与多工位自动焊锡操作。
作为优选，所述步骤3，建立与实际工作单元几何特性、运动特性一致的仿真工作单元，针对每一批工件焊锡操作，通过仿真示教记录焊锡工艺轨迹所需路径点，其包括工艺接入点(19)、融锡点(20)、焊锡推平起始点(21)、焊锡推平结束点(22)、退出点(23)，工艺接入点(19)为焊锡机器人安全工作位置，距离指定焊点正上方3mm～5mm，确保机器人不与单元内各零件发生碰撞；融锡点(20)为自动出锡装置(3)送锡与送线机器人送线的信号位置点，位于指定焊点底端，距焊点底端法线方向1mm～2mm，以便线缆送入；焊锡推平起始点(21)位于焊点中部，紧贴焊点；焊锡推平结束点(22)位于焊点顶端；退出点(23)与工艺接入点(19)重合。
作为优选，所述电烙铁夹具(1)，电烙铁夹具夹具体(25)装配轴(2502)中心钻有沉头孔(2503)，螺栓穿过沉头孔(2503)，不会发生切向位移且与右活动夹块(26)轮毂处通孔(2603)形成过盈配合。
作为优选，所述电烙铁夹具(1)，左、右活动夹块(27)、(26)，右活动夹块(26)轮毂处为通孔(2603)，左活动夹块(27)轮毂处为盲孔，左、右活动夹块(27)、(26)中心为沉头孔(2602)，通过螺栓穿过沉头孔(2602)，限制左、右活动夹块(27)、(26)法向位移。
作为优选，所述工件夹具(2)，工件夹具夹具体(28)凸台(2803)上均布L形槽(2804)，用于限定工位，压块(29)中空部分与凸台(2803)留有间隙(2904)，间隙(2904)宽度为17.6mm～18mm，用于装夹台(30)旋转。
作为优选，所述工件夹具(2)，装夹台(30)台面四周凸字形滑道(3001)末端为斜面(3010)，用于待焊工件的放置，倾角范围为6°～8°。
作为优选，所述自动出锡装置(3)，机架(31)后部为斜槽(3101)，用于焊锡丝的放置，斜槽(3101)与水平线倾角为42°～45°，机架(31)外部摇杆(35)上有通孔(3501)，其直径范围为2mm～3.5mm，用于橡胶管(37)穿过，摇杆(35)绕机架(31)转动，改变橡胶管(37)角度，从而改变送锡角度，送锡角度为-55°～0°。
作为优选，所述自动出锡装置(3)定轴轮系(33)，上齿轮(3302)通过销与腰鼓形滑槽(3304)装配，腰鼓形滑槽的长度限制在5mm，改变上齿轮(3302)与腰鼓形滑槽(3304)间的相对位置，可允许不同直径的焊锡丝通过定轴轮系(33)啮合点。
作为优选，所述气杆(6)均布于通气泵(5)四周，每一方有两根气杆(6)，推板(7)与气杆(6)连接，可横向微调，调动范围为2mm～3mm。
作为优选，所述工件夹具夹具体(28)、收集架(4)、传送带(8)、散热除尘装置(9)均与单元固连，不随工位转换而转动。
本发明的有益效果为：解决目前电子装联工艺中未引入多机器人实现多工位协作加工与自动焊锡工艺所需夹具与装置不具备通用性的问题，起到提高传统工艺自动化水平，减少人力成本和管理成本，提高工作效率的效果。
附图说明
图1为本发明的多机器人自动线缆焊锡装配单元俯视图。
图2为本发明的标定工具坐标系焊锡机器人相对位姿P1、P2示意图。
图3为本发明的标定工具坐标系焊锡机器人相对位姿P3示意图。
图4为本发明的标定工具坐标系焊锡机器人相对位姿P4示意图。
图5为本发明的标定工具坐标系焊锡机器人相对位姿P5示意图。
图6为本发明的标定工具坐标系焊锡机器人相对位姿P6示意图。
图7为本发明的焊锡机器人坐标系定义图。
图8为本发明的焊锡工艺轨迹路径点示意图。
图9为本发明的电烙铁夹具结构示意图。
图10为本发明的电烙铁夹具夹具体结构示意图。
图11为本发明的右活动夹块结构示意图。
图12为本发明的工件夹具局部剖视图。
图13为本发明的换位滑轮放大结构示意图。
图14为本发明的压块、工件夹具夹具体工装剖视图。
图15为本发明的装夹台结构示意图。
图16为本发明的自动出锡装置内部结构示意图。
图17为本发明的自动出锡装置轴测图。
图18为本发明的定轴轮系结构示意图。
图19为本发明图1中A处放大结构示意图。
图中：1-电烙铁夹具；2-工件夹具；3-自动出锡装置；4-收集架；5-通气泵；6-气杆；7-推板；8-传送带；9-散热除尘装置；10-焊锡机器人相对位姿P1；11-焊锡机器人相对位姿P2；12-焊锡机器人相对位姿P3；13-焊锡机器人相对位姿P4；14-焊锡机器人相对位姿P5；15-焊锡机器人相对位姿P6；16-机器人基坐标系{B}；17-腕部坐标系{W}；18-工具坐标系{T}；19-工艺接入点；20-融锡点；21-焊锡推平起始点；22-焊锡推平结束点；23-退出点；24-工艺起始点；25-电烙铁夹具夹具体；26-右活动夹块；27-左活动夹块；28-工具夹具夹具体；29-压块；30-装夹台；31-机架；32-步进电机；33-定轴轮系；34-控制器；35-摇杆；36-壳板；37-橡胶管；38-出锡头。
具体实施方式
参照图1至图19，一种多机器人自动线缆焊锡装配单元，包括电烙铁夹具1、工件夹具2、自动出锡装置3、收集架4、通气泵5、气杆6、推板7、传送带8、散热除尘装置9。
本实施例中，四台机器人两两分布于工件夹具2对角处，分别为焊锡机器人与送线机器人，焊锡机器人末端为电烙铁夹具1，送线机器人末端为手爪，送线机器人将工件经传送带8夹持至工件夹具2装夹台30斜面3010，气路系统安装在工件夹具2通孔2802、2902、3011内，气路系统包括通气泵5和行程开关，通气泵5四周均布气杆6，每一方有两根气杆6，气杆6通过装夹台30内壁通孔3012与夹紧装置3006固连，气杆6收缩可带动夹紧装置3006收缩，夹紧装置3006经凸字形滑道3001滑动压紧工件撞击推板7触发气路系统行程开关，推板7可横向微调，调动范围为2mm～3mm，当气杆6停止收缩，实现工件夹持。
本实施例中，定义{B}为机器人基坐标系、{W}为腕部坐标系、{T}为工具坐标系，所述工具坐标系标定，即求得工具坐标系{T}18相对腕部坐标系{W}17的齐次变换矩阵
Figure GDA0002932827390000051
矩阵转换关系为
Figure GDA0002932827390000052
式中：通过机器人正运动学求得腕部坐标系{W}17相对基坐标系{B}16的变换矩阵
Figure GDA0002932827390000053
依据焊锡机器人相对位姿P1 10、焊锡机器人相对位姿P2 11、焊锡机器人相对位姿P3 12对定位点a1 3007的不同姿态示教及焊锡机器人相对位姿P4 13、焊锡机器人相对位姿P514、焊锡机器人相对位姿P6 15对定位点a2 3008、定位点a3 3009的不同方向示教，获取工具坐标系{T}18相对基坐标系{B}16的变换矩阵
Figure GDA0002932827390000061
再经由定位点a1 3007，a2 3008，a3 3009所构成的平面，确定工件尺寸并获取工件的相对位置矩阵PG。
本实施例中，机器人焊锡操作轨迹即一条从初始位形到最终位形的路径，使机器人焊锡过程中不发生干涉，位形空间内从初始位形到最终位形的一条路径被定义为一个连续映射γ，连续映射γ给出了机器人运动轨迹的完整描述，路径规划算法通常不显示连续映射γ，故通过示教器移动焊锡机器人经过一系列沿路径分布的点，即工艺接入点19、融锡点20、焊锡推平起始点21、焊锡推平结束点22、退出点23，应用机器人逆运动学，将中间点所描述的过渡位姿转换成一组期望关节角θ，路径生成器生成用θ，
Figure GDA0002932827390000062
和
Figure GDA0002932827390000063
构造的轨迹，从而实现焊锡操作。
本实施例中，所述电烙铁夹具1，电烙铁夹具夹具体25下部为法兰盘2507，法兰盘2507上均布四个螺纹通孔2506，螺纹通孔2506通过内六角螺钉与机器人末端连接；电烙铁夹具夹具体25上部为装配轴2502，装配轴2502通过心轴2504与底部法兰盘2507连为一体，心轴2504四周由厚度为7mm的加强筋2505加以结构稳固，装配轴中心钻有沉头孔2503，通过螺栓螺母与右活动夹块26通孔2603形成过盈配合，装配轴上端有键2501，通过键2501与左、右活动夹块27、26实现轴孔配合。
本实施例中，所述电烙铁夹具1，左、右活动夹块27、26对称安置在电烙铁夹具夹具体25装配轴2502上，右活动夹块26轮毂处为通孔，左活动夹块27轮毂处为盲孔，左、右活动夹块27、26中心均钻有沉头孔2602，通过螺栓穿过沉头孔2602，限制左、右活动夹块27、26的法向位移；左、右活动夹块27、26的上端开有样条曲线槽2601，可通过多边形特点使电烙铁的圆形截面自动定心，防止电烙铁上下窜动。
本实施例中，所述工件夹具2，工件夹具夹具体28中心为凸台2803，凸台2803中心为通孔2802，通孔2802四周开有L形槽2804，当换位滑轮3004位于L形槽2804中时，则限定当前工位。
本实施例中，所述工件夹具2，压块29呈半中空结构：上部实体部分中心为通孔2902，通孔2902的四周开有十字形通槽2903，以便于换位滑轮3004的轮体载入；下部中空部分与凸台2803形成过渡配合，其间留有间隙2904，间隙2904宽度为17.6mm～18mm，用于装夹台30旋转。压块29能有效防止焊屑进入工件夹具2内部，以减少焊屑与滑道间的摩擦磨损，提高工位转换精度。
本实施例中，所述工件夹具2，装夹台30台面上部均布四个定位元件3005，定位元件3005被设计为圆弧壁面，以增大其与待焊工件间的接触面积，装夹台30台面下部开有凸字形滑道3001，凸字形滑道3001的上方置有夹紧装置3006，定位元件3005与夹紧装置3006上有定位点a1 3007、定位点a2 3008与定位点a3 3009，凸字形滑道3001的末端与四个6°～8°的斜面3010相连，斜面3010用于待焊工件的放置；装夹台30底部与传动轴3002固连，传动轴3002四周均布螺纹孔3003，螺纹孔3003用于换位滑轮的装入。
本实施例中，所述自动出锡装置3定轴轮系33，上齿轮3302通过销与长度为5mm的腰鼓形滑槽3304装配，下齿轮3303通过销固定于孔3305中，改变上齿轮3302与腰鼓形滑槽3304间的相对位置，以允许不同粗细的焊锡丝通过定轴轮系33啮合点。
本实施例中，所述自动出锡装置3，焊锡丝卷安装在机架后部斜槽3101中，斜槽3101与水平线倾角为42°～45°，焊锡丝经出锡嘴3601向外送锡，出锡嘴3601接橡胶管37，橡胶管37穿过摇杆35上直径为2mm～3.5mm的通孔3501，绕机架31转动，以改变送锡角度，送锡角度为-55°～0°；橡胶管37末端装有出锡头38，出锡头38与电烙铁固连，融锡量由出锡头38当次运载的焊锡丝长度直接控制。
本实施例中，所述自动出锡装置3，自动装置即控制器34，控制器34为单片机，电机齿轮3201安装在步进电机32上，通过控制步进电机32的转速与电源通断，来控制电机齿轮3201与定轴轮系33之间的传动比，从而间接控制出锡速度。
本实施例中，散热除尘装置9与自动出锡装置3为同种单片机控制，焊锡操作过程中叶片转动，防止过多焊屑粘连待焊工件。
本实施例中，工件夹具夹具体28、收集架4、传送带8、散热除尘装置9均与单元固连，不随工位转换而转动。
本发明描述的具体实施仅用于解释本发明，不用于限定本发明，所述装置均可在不违背本发明精神的前提下单独使用。本领域的普通技术人员可以对本发明的技术方案进行修改或同等变换，这些修改或同等变换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (10)

1.一种多机器人自动线缆焊锡装配单元，包括电烙铁夹具(1)、工件夹具(2)、自动出锡装置(3)、收集架(4)、通气泵(5)、气杆(6)、推板(7)、传送带(8)、散热除尘装置(9)，工件夹具(2)位于单元中心，四台机器人两两分布于单元对角线两端，分为焊锡机器人与送线机器人，末端装有电烙铁夹具(1)的工业机器人为焊锡机器人，末端装有手爪的工业机器人为送线机器人，针对某批次待焊工件的线缆焊锡操作包括以下几个步骤：
步骤1、送线机器人夹持待焊工件至工件夹具(2)装夹台(30)斜面(3010)，通气泵(5)收缩气杆(6)紧拉夹紧装置(3006)逐渐压紧工件接触推板(7)，推板(7)触发气路系统行程开关，气杆(6)停止收缩夹紧工件；
步骤2、操作焊锡机器人使电烙铁笔尖以夹角α接触定位点a1(3007)，α为电烙铁笔尖与定位点a1(3007)法线所张夹角，范围为30°～45°，此为焊锡机器人相对位姿P1(10)，焊锡机器人相对位姿P2(11)与焊锡机器人相对位姿P1(10)关于定位点a1(3007)法线成对称姿态，焊锡机器人相对位姿P3(12)即电烙铁笔尖垂直接触定位点a1(3007)，在示教器中记录三个焊锡机器人相对位姿位置信息，以焊锡机器人相对位姿P3(12)操作电烙铁笔尖垂直接触定位点a2(3008)并记录位姿信息，此即焊锡机器人相对位姿P4(13)，以焊锡机器人相对位姿P4(13)沿装夹台(30)+Y方向垂直接触定位点a3(3009)，到达并记录焊锡机器人相对位姿P5(14)位置信息，最后以焊锡机器人相对位姿P5(14)沿装夹台(30)+Z方向移动一段距离到达焊锡机器人相对位姿P6(15)，记录当前位姿信息，运用矩阵运算求得工具坐标系{T}(18)相对腕部坐标系{W}(17)位姿变换，借助当前位置定位点a1(3007)、定位点a2(3008)、定位点a3(3009)所构成的平面，确定工件尺寸并获取工件的相对位置矩阵PG；
步骤3、基于工件的相对位置矩阵PG及机器人焊锡工装夹具仿真模型，通过仿真示教记录工艺轨迹所需路径点，工艺接入点(19)、融锡点(20)、焊锡推平起始点(21)、焊锡推平结束点(22)、退出点(23)，在实际工作单元中，示教得到焊锡工艺起始点(24)，焊锡机器人经初始位姿插补至焊锡工艺起始点(24)即移动轨迹，同时将焊锡工艺起始点(24)和工艺接入点(19)分别作为过渡起始点和过渡终止点，进行运动学插补获得过渡插补轨迹，实现对机器人移动轨迹和工艺轨迹的光滑拼接，完成机器人完整焊锡操作轨迹；
步骤4、对角线两端机器人同时进行焊锡操作，完成当前位置焊锡任务，送线机器人将成品送至收集架(4)；
步骤5、通气泵(5)驱动工件夹具(2)装夹台(30)上抬，装夹台(30)底部换位滑轮(3004)进入压块(29)间隙(2904)，通过行程开关限制转动角度为90°，完成工位转换，重复步骤1、4、5，实现装配单元连续给料与多工位自动焊锡操作。
2.根据权利要求1所述的一种多机器人自动线缆焊锡装配单元，其特征在于：所述步骤3，建立与实际工作单元几何特性、运动特性一致的仿真工作单元，针对每一批工件焊锡操作，通过仿真示教记录焊锡工艺轨迹所需路径点，其包括工艺接入点(19)、融锡点(20)、焊锡推平起始点(21)、焊锡推平结束点(22)、退出点(23)，工艺接入点(19)为焊锡机器人安全工作位置，距离指定焊点正上方3mm～5mm，确保机器人不与单元内各零件发生碰撞；融锡点(20)为自动出锡装置(3)送锡与送线机器人送线的信号位置点，位于指定焊点底端，距焊点底端法线方向1mm～2mm，以便线缆送入；焊锡推平起始点(21)位于焊点中部，紧贴焊点；焊锡推平结束点(22)位于焊点顶端；退出点(23)与工艺接入点(19)重合。
3.根据权利要求1所述的一种多机器人自动线缆焊锡装配单元，其特征在于：所述电烙铁夹具(1)，电烙铁夹具夹具体(25)装配轴(2502)中心钻有沉头孔(2503)，螺栓穿过沉头孔(2503)，不会发生切向位移且与右活动夹块(26)轮毂处通孔(2603)形成过盈配合。
4.根据权利要求1所述的一种多机器人自动线缆焊锡装配单元，其特征在于：所述电烙铁夹具(1)，左、右活动夹块(27)、(26)，右活动夹块(26)轮毂处为通孔(2603)，左活动夹块(27)轮毂处为盲孔，左、右活动夹块(27)、(26)中心为沉头孔(2602)，通过螺栓穿过沉头孔(2602)，限制左、右活动夹块(27)、(26)法向位移。
5.根据权利要求1所述的一种多机器人自动线缆焊锡装配单元，其特征在于：所述工件夹具(2)，工件夹具夹具体(28)凸台(2803)上均布L形槽(2804)，用于限定工位，压块(29)中空部分与凸台(2803)留有间隙(2904)，间隙(2904)宽度为17.6mm～18mm，用于装夹台(30)旋转。
6.根据权利要求1所述的一种多机器人自动线缆焊锡装配单元，其特征在于：所述工件夹具(2)，装夹台(30)台面四周凸字形滑道(3001)末端为斜面(3010)，用于待焊工件的放置，倾角范围为6°～8°。
7.根据权利要求1所述的一种多机器人自动线缆焊锡装配单元，其特征在于：所述自动出锡装置(3)，机架(31)后部为斜槽(3101)，用于焊锡丝的放置，斜槽(3101)与水平线倾角为42°～45°，机架(31)外部摇杆(35)上有通孔(3501)，其直径范围为2mm～3.5mm，用于橡胶管(37)穿过，摇杆(35)绕机架(31)转动，改变橡胶管(37)角度，从而改变送锡角度，送锡角度为-55°～0°。
8.根据权利要求1所述的一种多机器人自动线缆焊锡装配单元，其特征在于：所述自动出锡装置(3)定轴轮系(33)，上齿轮(3302)通过销与腰鼓形滑槽(3304)装配，腰鼓形滑槽(3304)的长度限制在5mm，改变上齿轮(3302)与腰鼓形滑槽(3304)间的相对位置，可允许不同直径的焊锡丝通过定轴轮系(33)啮合点。
9.根据权利要求1所述的一种多机器人自动线缆焊锡装配单元，其特征在于：所述气杆(6)均布于通气泵(5)四周，每一方有两根气杆(6)，推板(7)与气杆(6)连接，可横向微调，调动范围为2mm～3mm。
10.根据权利要求1所述的一种多机器人自动线缆焊锡装配单元，其特征在于:所述工件夹具夹具体(28)、收集架(4)、传送带(8)、散热除尘装置(9)均与单元固连，不随工位转换而转动。
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