CN111037270A - 一种零件自适应的薄片自动化装配设备及装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种零件自适应的薄片自动化装配设备及装配方法，设备中，进料装置、装配装置和出料装置分布于机械手外周，进料装置一侧还设有厚度检测装置；机械手的手爪包括真空吸盘机构、平行气爪机构和三点式气爪机构；装配装置中设有装配工位，装配工位处为通孔结构，装配工位的下方设有夹紧机构，装配工位的一侧设有拧紧机构，装配工位的上方设有压紧机构。其方法是装配基体预先设置于装配工位上，机械手从进料装置上吸取薄片零件送入厚度检测装置进行厚度检测，检测结果合格后送入装配基体上；机械手从进料装置上夹取螺母送入装配基体上；装配装置完成螺母及薄片零件在装配基体上的装配工作，形成成品由机械手送入出料装置。

Description

一种零件自适应的薄片自动化装配设备及装配方法

技术领域

本发明涉及机械工程装备的自动化装配技术领域，特别涉及一种零件自适应的薄片自动化装配设备及装配方法。

背景技术

工业生产过程中，存在大量多种类、多数量、高精度、高重复性的零件装配工作，其工艺流程耗时费力，且对劳动者的专业素质要求较高。随着科技的发展，智能制造逐渐成为发展趋势，高强度、大密度的人工劳动已经不能满足当下对产品大批量生产和性能一致性的需求，因此，自动化设备的开发和应用具有良好的市场前景。

发明内容

本发明的目的在于克服现有技术的不足，提供一种零件自适应的薄片自动化装配设备，该设备可代替人工操作，实现薄片零件的自动化装配，有效提高其装配效率和装配精准性。

本发明的另一目的在于提供一种通过上述装配设备实现的零件自适应的薄片自动化装配方法，该方法可实现薄片零件在装配基体上的自动、快速、精准装配。

本发明的技术方案为：一种零件自适应的薄片自动化装配设备，包括机械手、进料装置、装配装置和出料装置，进料装置、装配装置和出料装置分布于机械手外周，进料装置一侧还设有厚度检测装置；机械手的手爪包括抓取薄片零件用的真空吸盘机构、抓取螺母用的平行气爪机构和抓取成品用的三点式气爪机构；装配装置中设有装配工位，装配工位设于动力机构上，装配工位处为通孔结构，装配工位的下方设有夹紧机构，装配工位的一侧设有拧紧机构，装配工位的上方设有压紧机构。其中，通过进料装置送入需要进行装配的零件，利用机械手按实际需要抓取相应的零件放入装配装置的装配工位中，与装配装置上已预先放置的装配基体进行装配，装配动作由装配装置完成，最后形成的成品由机械手夹取放入出料装置中，并由出料装置送出至后续的处理工序。

所述机械手包括连接部、机械手臂、真空吸盘机构、平行气爪机构和三点式气爪机构，真空吸盘机构、三点式气爪机构和平行气爪机构分别设于连接部的外侧面上，连接部的顶面与机械手臂连接。其中，真空吸盘机构采用真空吸取的方式，主要适用于吸取多种不同直径、不同尺寸或形状的薄片零件；三点式气爪机构利用三个气爪的开合动作，主要适用于夹取具备一定厚度的圆形零件；平行气爪机构利用两个U型卡块的开合动作，形成带有半六角形内槽的U形槽，主要适用于抓取六角螺母或六角螺栓等零件；机械手臂则采用现有通用的机器人手臂即可。

连接部呈长方体状，真空吸盘机构、三点式气爪机构和平行气爪机构分布于相邻的三个外侧面上。

所述真空吸盘机构包括真空吸盘、吸盘连接件和滑动连接板，真空吸盘通过吸盘连接件固定安装于滑动连接板上；真空吸盘机构与连接部的连接处设有第一连接板，第一连接板上设有第一导轨，第一导轨上设有相配合的第一滑块，滑动连接板与第一滑块固定连接。其中，第一导轨和第一滑块的配合使用，第一滑块可在第一导轨上根据实际需要进行上下移动，以保证真空吸盘接触到零件，再根据圆形薄片零件的直径尺寸选择相应的吸嘴对零件进行吸取即可。

真空吸盘包括相配合的内圈吸嘴和外圈吸嘴，内圈吸嘴从真空吸盘的顶端引入真空(其引入处为内圈出气孔)，外圈吸嘴从真空吸盘的外侧引入真空(其引入处为外圈出气孔)，保证两组吸嘴之间的独立运作，内圈吸嘴和外圈吸嘴分成内外两圈均匀开孔，分别用于吸取不同直径尺寸的圆形薄片零件。

所述平行气爪机构包括第一U型卡块、第二U型卡块、第二壳体、第二活塞杆、第二活塞、第二弹簧和第二连杆，第二活塞杆、第二活塞、第二弹簧和第二连杆分别设于第二壳体内，第一U型卡块和第二U型卡块设于第二壳体的一侧，第二活塞杆设于第二壳体内的中部，第二活塞设于第二活塞杆上，第二弹簧套于第二活塞杆上，且第二弹簧上端与第二活塞底面固定连接，第二活塞杆外周分布有两个第二连杆，各第二连杆的上端与第二活塞底面铰接，各第二连杆的下端与第一U型卡块或第二U型卡块铰接。向平行气爪机构充入气体时，第二活塞克服第二弹簧的预紧力向外运动，通过第二连杆转化为第二连杆下端与第一U型卡块、第二U型卡块的铰接处(可采用滑动式铰接块的结构形式)沿半径轨道向外的运动，从而控制第一U型卡块、第二U型卡块松开夹取的零件，反之受第二弹簧的预紧力作用夹紧零件。

平行气爪机构与机械手连接部的连接处设有第二连接板，平行气爪机构通过第二连接板安装于机械手连接部上。

平行气爪机构中，第一U型卡块与第二U型卡块对称安装，但第一U型卡块和第二U型卡块长度不等。在第一U型卡块与第二U型卡块合拢夹取六角螺栓或六角螺母等零件的过程中，依靠长度较长的U型卡块的导向作用来纠正零件的摆放方向，保证稳定夹取该零件。

所述三点式气爪机构包括第一壳体、第一活塞杆、第一活塞、第一弹簧、第一连杆和夹爪手指，第一活塞、第一活塞杆、第一弹簧和第一连杆分别设于第一壳体内，第一壳体底部分布有三个夹爪手指，第一活塞杆设于第一壳体内的中部，第一活塞设于第一活塞杆上，第一弹簧套于第一活塞杆上，且第一弹簧上端与第一活塞底面固定连接，第一活塞杆外周分布有三个第一连杆，各第一连杆的上端与第一活塞底面铰接，各第一连杆的下端与夹爪手指铰接。向三点式气爪机构充入气体时，第一活塞克服第一弹簧的预紧力向下运动，通过第一连杆转化为第一连杆下端与夹爪手指铰接处(可采用滑动式铰接块的结构形式)沿半径轨道向外的运动，从而控制三个夹爪手指松开夹取的零件，反之受第一弹簧的预紧力作用夹紧零件。

三点式气爪机构与机械手连接部的连接处设有第三连接板，三点式气爪通过第三连接板安装于机械手连接部上。

三点式气爪机构中，对于夹持的圆形零件，为确保三点式气爪机构夹紧过程中不对圆形零件边缘造成损伤，夹爪手指长度在传统夹爪的基础上延长20～40mm；各夹爪手指的下端内侧设有橡胶垫。可有效保证在夹紧过程中不接触圆形零件的其他部分且防止零件划伤。三点式气爪机构中还设有位置传感器，该位置传感器一般为三点式气爪机构的自带标准件，固定于其第一外壳外侧的卡槽内，利用位置传感器可实时监测到气爪所处的位置，便于工业机器人对该夹紧力的控制。

所述进料装置包括进料托盘和进料传送机构，进料托盘设于进料传送机构上并由进料传送机构输送至进料工位；

进料托盘上设有薄片区、底座区、螺母区和次品区，薄片区中还分布有多个导流槽。使用时，进料托盘分成多个区域，每个区域摆放一种零件，且具有明显的区域标识，形状相似但尺寸不同的零件隔离摆放，其中次品区主要用于放置经厚度检测装置检测后显示厚度不合格的薄片零件。此外，考虑到薄片零件可能会完全贴合在托盘上，真空吸盘机构进行真空吸取时可能会由于空气压力作用无法取出，所要在每个零件的放置位置上开设U型或其它形状的导流槽，方便真空吸盘机构中吸嘴的吸取。

进料传送机构包括相连接的进料电机和第一无尘引动器，进料托盘通过相应的托盘支架设于第一无尘引动器上，进料电机驱动第一无尘引动器带动进料托盘进行输送。在本申请中，进料电机可采用安川伺服电机，第一无尘引动器可采用THK型号为CKRF5-06-0250A-0-AQ-SB-RJ的无尘引动器，该组合精度高，定位精度达0.01mm，可满足机械手的抓取精度，所选的无尘导轨洁净级为10级，不会对内部环境产生污染。

所述厚度检测装置设于进料工位的一侧，厚度检测装置包括旋转气缸、连接臂、测量探针和检测平台，连接臂的一端与旋转气缸的输出端连接，连接臂的另一端设有至少两个测量探针，检测平台位于测量探针下方。测量时，旋转气缸先回到原位，留出检测平台上的测量空间，机械手吸取薄片零件放到检测平台上后，再旋转气缸摆动，使其中一个测量探针压紧薄片零件，另一个探针压紧于测量平台上，最后根据两个测量探针之间的高度差，得出薄片零件的厚度，与设定的薄片零件厚度进行比较即可。该结构中，各测量探针固定在连接臂上，在旋转气缸的驱动下，由连接臂带动各测量探针运动，旋转气缸的动作分成两步：一般是先旋转90度，再向下压紧，压紧过程中，测量探针根据伸缩量减去顶数值即可得到薄片零件的厚度。

所述装配装置中，动力机构包括主动齿轮、从动齿轮和驱动电机，驱动电机的输出端与主动齿轮连接，主动齿轮与从动齿轮啮合连接，从动齿轮的中部设有第一通孔，第一通孔处为装配工位。其中，从动齿轮与装配基体同轴设置，从动齿轮除了起到动力传动的作用外，主要还作为装配平台，利用其转动带动拧紧装置及螺母进行转动，实现将螺母拧紧于装配件上。驱动电机为伺服电机，驱动电机的外周设有第一电机固定支架，驱动电机的输出端与主动齿轮之间还设有相连接的联轴器和力矩传感器。其中，力矩传感器可实时向螺母自动装配系统的控制系统反馈装配式产生的力矩，使动力装置依据这些数据实时进行调整和控制，从而准确完成装配。

动力机构中还设有气动机构，气动机构包括通孔旋转接头、套筒、进气管和出气管，通孔旋转接头中部带有第二通孔，第二通孔位于第一通孔下方，且第二通孔与第一通孔相通，进气管设于通孔旋转接头的外周，套筒设于进气管的外周，出气管设于从动齿轮上。出气管外接下述夹紧机构中的夹紧气缸、压紧机构中的无杆气缸、拧紧装置中的拧紧气缸等，为各气缸的动作提供动力。通孔旋转接头与套筒之间还设有气动旋转滑环，该结构与现有通用的气动机构相同。

所述装配装置中，夹紧机构包括顶舌、装配底座、夹紧气缸、气缸延伸支架、第一气缸固定支架和固定底座，夹紧装置通过固定底座安装于机架上，装配底座位于装配工位处，顶舌的顶端位于装配底座外周，夹紧气缸通过第一气缸固定支架安装于固定底座上，装配底座固定安装于第一气缸固定支架顶部，夹紧气缸的活动端与气缸延伸支架连接，顶舌的下端与气缸延伸支架铰接，第一气缸固定支架上还设有活动支点，顶舌的中部铰接于活动支点处。其中，顶舌有两个，对称设于装配底座的两侧；气缸延伸支架呈横杆状，夹紧气缸的输出端与气缸延伸支架的中部固定连接，两个顶舌的下端分别与气缸延伸支架的两端铰接。夹紧装置利用顶舌的开合动作来实现装配件的夹紧或放松，夹紧气缸带动气缸延伸支架动作，使各顶舌绕其与气缸延伸支架两端的铰接处及第一气缸固定支架上的活动支点摆动，从而实现打开或闭合的动作，但在该过程中，顶舌的上端始终位于上述从动齿轮的第一通孔内。

所述装配装置中，压紧机构包括滑动气缸、第二气缸固定支架、旋转电机、第二电机固定支架、安装支架、压杆、连杆、第二导轨和第二滑块，压紧装置通过安装支架设于机架上，滑动气缸通过第二气缸固定支架固定于安装支架上，滑动气缸的一端与旋转电机连接，旋转电机的输出端通过连杆与压杆连接，旋转电机固定于第二电机固定支架上，第二电机固定支架与第二滑块固定连接，第二导轨设于安装支架上，第二滑块与第二导轨配合相接。其中，连杆和压杆形成绕旋转电机输出端旋转的L型结构，连杆的一端与旋转电机的输出端连接，连杆的另一端与压杆连接。为了使压紧装置中压杆所产生的压力与螺母的需求相适应，滑动气缸的一侧还设有压力调节阀，可方便对滑动气缸的压力进行实时调节。连杆及压杆绕旋转电机输出端旋转时，为了避免其转动幅度过大而发生碰撞现象，在旋转电机输出端一侧的案子支架上还设有缓冲限位件。压紧装置利用其压杆的升降运动及旋转运动，将螺母压紧于装配基体相应的位置上。当螺母放置于装配基体上之后，启动旋转电机，使压杆转动至螺母正上方，然后再启动无杆气缸，使旋转电机、第二电机固定支架、连杆和压杆都随着第二滑块的滑动下降至压杆末端压紧于螺母上为止。

所述装配装置中，拧紧机构包括拧紧气缸、第三气缸固定支架、滑块驱动器、第三滑块和U型扳手，装配工位相对的两侧各设有一个U型扳手，各U型扳手分别通过一个第三滑块与滑块驱动器连接，滑动驱动器与拧紧气缸的输出端连接，拧紧气缸通过第三气缸固定支架安装于动力装置上装配工位的一侧。需要拧紧螺母时，拧紧气缸动作后，通过滑块驱动器带动其一端的第二滑块滑动，使相应的U型扳手向另一端的U型扳手靠拢从而夹紧螺母，再利用从动齿轮的转动将螺母拧紧；或者滑块驱动器带动其两端的第二滑块同时向中心滑动，使两个U形扳手靠拢夹紧螺母，再利用从动齿轮的转动将螺母拧紧。其中，滑块驱动器采用市面通用的滑块驱动元件即可。此外，在U型扳手上还可设置竖直滑块驱动件及相应的气缸，由该气缸及竖直滑块驱动件向下压紧U型扳手，使其在拧紧过程中也给螺母提供一个向下的压紧力。

此外，装配装置中，位于装配工位的上方还可设置视觉检测装置，其主要作用是配合机械手将螺母放置于装配基体上，确保螺母放置位置精准。在本申请中，视觉检测装置可采用市面通用的监控装置，连接螺母自动装配系统外置的控制系统使用即可。

所述出料装置包括成品托盘、出料传送机构和三维测量仪器，成品托盘设于出料传送机构上并由出料传送机构进行输送，成品托盘上分布有若干成品放置槽，三维测量仪器横跨置于出料传送机构及成品托盘上。

出料传送机构包括相连接的出料电机和第二无尘引动器，成品托盘通过相应的托盘支架设于第二无尘引动器上，出料电机驱动第二无尘引动器带动成品托盘进行输送。在本申请中，出料传送机构的具体结构其实与进料传送机构相同，出料电机可采用安川型号为SGM7J-01A的伺服电机，第二无尘引动器可采用THK型号为CKRF5-06-0250A-0-AQ-SB-RJ的无尘引动器，该组合精度高，定位精度达0.01mm，可满足机械手的抓取精度，所选的无尘导轨洁净级为10级，不会对内部环境产生污染。此外，利用三维测量仪器对成品的表面形貌进行测量，为检测部件高度是否合格，采用非接触式厚度测量装置对零件上表面到零件表面之间的高度进行测量，在本申请中，三维测量仪器Keyence型号为TM-040的高速、高精度CCD测量仪器。

本发明通过上述装配设备实现一种零件自适应的薄片自动化装配方法，包括以下步骤：

(1)装配基体预先设置于装配装置中的装配工位上，由装配装置中的夹紧机构夹紧；

(2)薄片零件及螺母由进料装置送入，机械手从进料装置上吸取薄片零件后，先送入厚度检测装置进行厚度检测；

若检测结果合格，则由机械手送入装配工位处的装配基体上；

若检测结果不合格，则由机械手送回进料装置上，并重新吸取新的薄片零件，送入厚度检测装置进行厚度检测；

(3)机械手从进料装置上夹取螺母，送入装配工位处的装配基体上；

(4)启动装配装置中的压紧机构，由压紧机构将螺母压紧；

(5)启动装配装置中的拧紧机构，由拧紧机构夹紧螺母；

(6)启动装配装置中的动力机构，由动力机构带动拧紧机构及螺母旋转，从而完成螺母及薄片零件在装配基体上的装配工作，形成成品；

(7)机械手从装配工位上抓取成品后，送入出料装置，并由出料装置送入后续的处理工序。

本发明相对于现有技术，具有以下有益效果：

本零件自适应的薄片自动化装配设备及装配方法可代替人工操作，实现薄片零件在装配基体上的自动、快速、精准装配，其自动化程度高，可有效提高其装配效率和装配精准性。

本零件自适应的薄片自动化装配设备中，在进料装置处设置厚度检测装置，可在薄片零件装配前先淘汰不合格的零件，避免不合格零件进入装配流程，较大程度提高成品的合格率。

本零件自适应的薄片自动化装配设备中，机械手为多功能的机械手爪，可完成多种类别零件的抓取和放置，因此在同一装配基体的装配过程中，不同种类零件的抓取均可通过同一机械手完成，克服了现有工程中需要配备多个机械手的缺陷，有效降低设备成本，减少设备占地面积。

本零件自适应的薄片自动化装配设备中，装配装置上实现了全自动装配，无需人工操作，可有效克服目前手工装配螺母效率低下的缺点，实现螺母在装配基体上的自动、快速、精准装配，提高工作效率，且避免了操作人员直接接触零件和设备，能够有效保障精密仪器的清洁；同时，改善在轴向布置螺母装配机器需要较大的空间的问题，还能避免自动化装配螺母可能带来的螺纹损伤的问题，在提高装配效率的同时，简化装配系统结构。

附图说明

图1为本零件自适应的薄片自动化装配设备的整体结构示意图。

图2为图1中进料装置和厚度检测装置的俯视图。

图3为进料托盘的结构示意图。

图4为进料传送机构的结构示意图。

图5为机械手中连接部、真空吸盘机构、平行气爪机构和三点式气爪机构的结构示意图。

图6为图5所示结构的平面视图

图7为真空吸盘的结构示意图。

图8为图7的A-A截面视图。

图9为平行气爪机构的结构示意图。

图10为三点式气爪机构的结构示意图。

图11为三点式气爪机构中壳体内部的结构示意图。

图12为装配装置的结构示意图。

图13为动力机构的结构示意图。

图14为动力机构的剖面示意图。

图15为夹紧机构的结构示意图。

图16为图15所示夹紧机构的平面视图。

图17为压紧机构的结构示意图。

图18为图17所示压紧机构的平面视图。

图19为拧紧机构的结构示意图。

图20为出料装置的结构示意图。

图21为厚度检测装置的结构示意图。

上述各图中，各附图标记所示部件如下：a为机械手，b为进料装置，c为装配装置，d为出料装置，e为厚度检测装置；

1为机架，2为动力机构，2-1为主动齿轮，2-2为从动齿轮，2-3为驱动电机，2-4为第一通孔，2-5为第一电机固定支架，2-6为联轴器，2-7为力矩传感器，2-8为通孔旋转接头，2-9为套筒，2-10为进气管，2-11为出气管，2-12为第二通孔，3为压紧机构，3-1为滑动气缸，3-2为第二气缸固定支架，3-3为旋转电机，3-4为第二电机固定支架，3-5为安装支架，3-6为压杆，3-7为连杆，3-8为第一导轨，3-9为第二滑块，3-10为缓冲限位件，4为夹紧机构，4-1为顶舌，4-2为装配底座，4-3为夹紧气缸，4-4为气缸延伸支架，4-5为第一气缸固定支架，4-6为固定底座，4-7为活动支点，5为拧紧机构，5-1为拧紧气缸，5-2为第三气缸固定支架，5-3为滑块驱动器，5-4为第三滑块，5-5为U型扳手，6为视觉检测机构；

7为连接部，8为机械手臂，9为真空吸盘机构，9-1为真空吸盘，9-2为吸盘连接件，9-3为滑动连接板，9-4为第一连接板，9-5为第一导轨，9-6为第一滑块，10为平行气爪机构，10-1为第一U型卡块，10-2为第二U型卡块，10-3为第二壳体，10-4为第二活塞杆，10-5为第二活塞，10-6为第二弹簧，10-7为第二连杆，10-8为第二连接板，11为三点式气爪机构，11-1为第一壳体，11-2为第一活塞杆，11-3为第一活塞，11-4为第一弹簧，11-5为第一连杆，11-6为夹爪手指，11-7为卡槽；

12为进料托盘，12-1为薄片区，12-2为底座区，12-3为螺母区，12-4为次品区，12-5为导流槽，13为进料传送机构，13-1为进料电机，13-2为第一无尘引动器，13-3为托盘支架；

14为旋转气缸，15为连接臂，16为测量探针，17为检测平台；

18为成品托盘，19为出料传送机构，20为三维测量仪。

具体实施方式

下面结合实施例，对本发明作进一步的详细说明，但本发明的实施方式不限于此。

实施例

本实施例一种零件自适应的薄片自动化装配设备，如图1所示，包括机械手a、进料装置b、装配装置c和出料装置d，进料装置、装配装置和出料装置分布于机械手外周，进料装置一侧还设有厚度检测装置e；机械手的手爪包括抓取薄片零件用的真空吸盘机构、抓取螺母用的平行气爪机构和抓取成品用的三点式气爪机构；装配装置中设有装配工位，装配工位设于动力机构上，装配工位处为通孔结构，装配工位的下方设有夹紧机构，装配工位的一侧设有拧紧机构，装配工位的上方设有压紧机构。其中，通过进料装置送入需要进行装配的零件，利用机械手按实际需要抓取相应的零件放入装配装置的装配工位中，与装配装置上已预先放置的装配基体进行装配，装配动作由装配装置完成，最后形成的成品由机械手夹取放入出料装置中，并由出料装置送出至后续的处理工序。

上述各装置的具体结构如下：

(1)机械手

如图1或图5所示，机械手包括连接部7、机械手臂8、真空吸盘机构9、平行气爪机构10和三点式气爪机构11，真空吸盘机构、三点式气爪机构和平行气爪机构分别设于连接部的外侧面上，连接部的顶面与机械手臂连接。其中，真空吸盘机构采用真空吸取的方式，主要适用于吸取多种不同直径、不同尺寸或形状的薄片零件；三点式气爪机构利用三个气爪的开合动作，主要适用于夹取具备一定厚度的圆形零件；平行气爪机构利用两个U型卡块的开合动作，形成带有半六角形内槽的U形槽，主要适用于抓取六角螺母或六角螺栓等零件；机械手臂则采用现有通用的机器人手臂即可。

连接部呈长方体状，真空吸盘机构、三点式气爪机构和平行气爪机构分布于相邻的三个外侧面上。

如图6所示，真空吸盘机构包括真空吸盘9-1、吸盘连接件9-2和滑动连接板9-3，真空吸盘通过吸盘连接件固定安装于滑动连接板上；真空吸盘机构与连接部的连接处设有第一连接板9-4，第一连接板上设有第一导轨9-5，第一导轨上设有相配合的第一滑块9-6，滑动连接板与第一滑块固定连接。其中，第一导轨和第一滑块的配合使用，第一滑块可在第一导轨上根据实际需要进行上下移动，以保证真空吸盘接触到零件，再根据圆形薄片零件的直径尺寸选择相应的吸嘴对零件进行吸取即可。

如图7或图8所示，真空吸盘包括相配合的内圈吸嘴9-7和外圈吸嘴9-8，内圈吸嘴从真空吸盘的顶端引入真空(其引入处为内圈出气孔9-9)，外圈吸嘴从真空吸盘的外侧引入真空(其引入处为外圈出气孔9-10)，保证两组吸嘴之间的独立运作，内圈吸嘴和外圈吸嘴分成内外两圈均匀开孔，分别用于吸取不同直径尺寸的圆形薄片零件。

如图9所示，平行气爪机构包括第一U型卡块10-1、第二U型卡块10-2、第二壳体10-3、第二活塞杆10-4、第二活塞10-5、第二弹簧10-6和第二连杆10-7，第二活塞杆、第二活塞、第二弹簧和第二连杆分别设于第二壳体内，第一U型卡块和第二U型卡块设于第二壳体的一侧，第二活塞杆设于第二壳体内的中部，第二活塞设于第二活塞杆上，第二弹簧套于第二活塞杆上，且第二弹簧上端与第二活塞底面固定连接，第二活塞杆外周分布有两个第二连杆，各第二连杆的上端与第二活塞底面铰接，各第二连杆的下端与第一U型卡块或第二U型卡块铰接。向平行气爪机构充入气体时，第二活塞克服第二弹簧的预紧力向外运动，通过第二连杆转化为第二连杆下端与第一U型卡块、第二U型卡块的铰接处(可采用滑动式铰接块的结构形式)沿半径轨道向外的运动，从而控制第一U型卡块、第二U型卡块松开夹取的零件，反之受第二弹簧的预紧力作用夹紧零件。

平行气爪机构与机械手连接部的连接处设有第二连接板10-8(如图5所示)，平行气爪机构通过第二连接板安装于机械手连接部上。

平行气爪机构中，第一U型卡块与第二U型卡块对称安装，但第一U型卡块和第二U型卡块长度不等。在第一U型卡块与第二U型卡块合拢夹取六角螺栓或六角螺母等零件的过程中，依靠长度较长的U型卡块的导向作用来纠正零件的摆放方向，保证稳定夹取该零件。

如图10或图11所示，三点式气爪机构包括第一壳体11-1、第一活塞杆11-2、第一活塞11-3、第一弹簧11-4、第一连杆11-5和夹爪手指11-6，第一活塞、第一活塞杆、第一弹簧和第一连杆分别设于第一壳体内，第一壳体底部分布有三个夹爪手指，第一活塞杆设于第一壳体内的中部，第一活塞设于第一活塞杆上，第一弹簧套于第一活塞杆上，且第一弹簧上端与第一活塞底面固定连接，第一活塞杆外周分布有三个第一连杆，各第一连杆的上端与第一活塞底面铰接，各第一连杆的下端与夹爪手指铰接。向三点式气爪机构充入气体时，第一活塞克服第一弹簧的预紧力向下运动，通过第一连杆转化为第一连杆下端与夹爪手指铰接处(可采用滑动式铰接块的结构形式)沿半径轨道向外的运动，从而控制三个夹爪手指松开夹取的零件，反之受第一弹簧的预紧力作用夹紧零件。

三点式气爪机构与机械手连接部的连接处设有第三连接板(图中未示出)，三点式气爪通过第三连接板安装于机械手连接部上。

三点式气爪机构中，对于夹持的圆形零件，为确保三点式气爪机构夹紧过程中不对圆形零件边缘造成损伤，夹爪手指长度在传统夹爪的基础上延长20～40mm；各夹爪手指的下端内侧设有橡胶垫。可有效保证在夹紧过程中不接触圆形零件的其他部分且防止零件划伤。三点式气爪机构中还设有位置传感器，该位置传感器一般为三点式气爪机构的自带标准件，固定于其第一外壳外侧的卡槽11-7内，利用位置传感器可实时监测到气爪所处的位置，便于工业机器人对该夹紧力的控制。

(2)进料装置

如图2所示，进料装置包括进料托盘12和进料传送机构13，进料托盘设于进料传送机构上并由进料传送机构输送至进料工位；

如图3所示，进料托盘上设有薄片区12-1、底座区12-2、螺母区12-3和次品区12-4，薄片区中还分布有多个导流槽。使用时，进料托盘分成多个区域，每个区域摆放一种零件，且具有明显的区域标识，形状相似但尺寸不同的零件隔离摆放，其中次品区主要用于放置经厚度检测装置检测后显示厚度不合格的薄片零件。此外，考虑到薄片零件可能会完全贴合在托盘上，真空吸盘机构进行真空吸取时可能会由于空气压力作用无法取出，所要在每个零件的放置位置上开设U型或其它形状的导流槽12-5，方便真空吸盘机构中吸嘴的吸取。

如图4所示，进料传送机构包括相连接的进料电机13-1和第一无尘引动器13-2，进料托盘通过相应的托盘支架13-3设于第一无尘引动器上，进料电机驱动第一无尘引动器带动进料托盘进行输送。在本申请中，进料电机可采用安川伺服电机，第一无尘引动器可采用THK型号为CKRF5-06-0250A-0-AQ-SB-RJ的无尘引动器，该组合精度高，定位精度达0.01mm，可满足机械手的抓取精度，所选的无尘导轨洁净级为10级，不会对内部环境产生污染。

(3)厚度检测装置

如图2所示，厚度检测装置设于进料工位的一侧，如图21所示，厚度检测装置包括旋转气缸14、连接臂15、测量探针16和检测平台17，连接臂的一端与旋转气缸的输出端连接，连接臂的另一端设有至少两个测量探针，检测平台位于测量探针下方。测量时，旋转气缸先回到原位，留出检测平台上的测量空间，机械手吸取薄片零件放到检测平台上后，再旋转气缸摆动，使其中一个测量探针压紧薄片零件，另一个探针压紧于测量平台上，最后根据两个测量探针之间的高度差，得出薄片零件的厚度，与设定的薄片零件厚度进行比较即可。该结构中，各测量探针固定在连接臂上，在旋转气缸的驱动下，由连接臂带动各测量探针运动，旋转气缸的动作分成两步：一般是先旋转90度，再向下压紧，压紧过程中，测量探针根据伸缩量减去顶数值即可得到薄片零件的厚度。

(4)装配装置

如图12所示，装配装置包括机架1、动力机构2、压紧机构3、夹紧机构4、拧紧机构5和视觉检测机构6。

如图13或图14所示，动力机构包括主动齿轮2-1、从动齿轮2-2和驱动电机2-3，驱动电机的输出端与主动齿轮连接，主动齿轮与从动齿轮啮合连接，从动齿轮的中部设有第一通孔2-4，第一通孔处为装配工位。其中，从动齿轮与装配基体同轴设置，从动齿轮除了起到动力传动的作用外，主要还作为装配平台，利用其转动带动拧紧装置及螺母进行转动，实现将螺母拧紧于装配件上。驱动电机为伺服电机，驱动电机的外周设有第一电机固定支架2-5，驱动电机的输出端与主动齿轮之间还设有相连接的联轴器2-6和力矩传感器2-7。其中，力矩传感器可实时向螺母自动装配系统的控制系统反馈装配式产生的力矩，使动力装置依据这些数据实时进行调整和控制，从而准确完成装配。

动力机构中还设有气动机构，气动机构包括通孔旋转接头2-8、套筒2-9、进气管2-10和出气管2-11，通孔旋转接头中部带有第二通孔2-12，第二通孔位于第一通孔下方，且第二通孔与第一通孔相通，进气管设于通孔旋转接头的外周，套筒设于进气管的外周，出气管设于从动齿轮上。出气管外接下述夹紧机构中的夹紧气缸、压紧机构中的无杆气缸、拧紧装置中的拧紧气缸等，为各气缸的动作提供动力。通孔旋转接头与套筒之间还设有气动旋转滑环，该结构与现有通用的气动机构相同。

如图15或图16所示，夹紧机构包括顶舌4-1、装配底座4-2、夹紧气缸4-3、气缸延伸支架4-4、第一气缸固定支架4-5和固定底座4-6，夹紧装置通过固定底座安装于机架上，装配底座位于装配工位处，顶舌的顶端位于装配底座外周，夹紧气缸通过第一气缸固定支架安装于固定底座上，装配底座固定安装于第一气缸固定支架顶部，夹紧气缸的活动端与气缸延伸支架连接，顶舌的下端与气缸延伸支架铰接，第一气缸固定支架上还设有活动支点4-7，顶舌的中部铰接于活动支点处。其中，顶舌有两个，对称设于装配底座的两侧；气缸延伸支架呈横杆状，夹紧气缸的输出端与气缸延伸支架的中部固定连接，两个顶舌的下端分别与气缸延伸支架的两端铰接。夹紧装置利用顶舌的开合动作来实现装配件的夹紧或放松，夹紧气缸带动气缸延伸支架动作，使各顶舌绕其与气缸延伸支架两端的铰接处及第一气缸固定支架上的活动支点摆动，从而实现打开或闭合的动作，但在该过程中，顶舌的上端始终位于上述从动齿轮的第一通孔内。

如图17或图18所示，压紧机构包括滑动气缸3-1、第二气缸固定支架3-2、旋转电机3-3、第二电机固定支架3-4、安装支架3-5、压杆3-6、连杆3-7、第二导轨3-8和第二滑块3-9，压紧装置通过安装支架设于机架上，滑动气缸通过第二气缸固定支架固定于安装支架上，滑动气缸的一端与旋转电机连接，旋转电机的输出端通过连杆与压杆连接，旋转电机固定于第二电机固定支架上，第二电机固定支架与第二滑块固定连接，第二导轨设于安装支架上，第二滑块与第二导轨配合相接。其中，连杆和压杆形成绕旋转电机输出端旋转的L型结构，连杆的一端与旋转电机的输出端连接，连杆的另一端与压杆连接。为了使压紧装置中压杆所产生的压力与螺母的需求相适应，滑动气缸的一侧还设有压力调节阀，可方便对滑动气缸的压力进行实时调节。连杆及压杆绕旋转电机输出端旋转时，为了避免其转动幅度过大而发生碰撞现象，在旋转电机输出端一侧的案子支架上还设有缓冲限位件3-10。压紧装置利用其压杆的升降运动及旋转运动，将螺母压紧于装配基体相应的位置上。当螺母放置于装配基体上之后，启动旋转电机，使压杆转动至螺母正上方，然后再启动无杆气缸，使旋转电机、第二电机固定支架、连杆和压杆都随着第二滑块的滑动下降至压杆末端压紧于螺母上为止。

如图19所示，拧紧机构包括拧紧气缸5-1、第三气缸固定支架5-2、滑块驱动器5-3、第三滑块5-4和U型扳手5-5，装配工位相对的两侧各设有一个U型扳手，各U型扳手分别通过一个第三滑块与滑块驱动器连接，滑动驱动器与拧紧气缸的输出端连接，拧紧气缸通过第三气缸固定支架安装于动力装置上装配工位的一侧。需要拧紧螺母时，拧紧气缸动作后，通过滑块驱动器带动其一端的第二滑块滑动，使相应的U型扳手向另一端的U型扳手靠拢从而夹紧螺母，再利用从动齿轮的转动将螺母拧紧；或者滑块驱动器带动其两端的第二滑块同时向中心滑动，使两个U形扳手靠拢夹紧螺母，再利用从动齿轮的转动将螺母拧紧。其中，滑块驱动器采用市面通用的滑块驱动元件即可。此外，在U型扳手上还可设置竖直滑块驱动件及相应的气缸，由该气缸及竖直滑块驱动件向下压紧U型扳手，使其在拧紧过程中也给螺母提供一个向下的压紧力。

此外，如图12所示，位于装配工位的上方还可设置视觉检测装置6，其主要作用是配合机械手将螺母放置于装配基体上，确保螺母放置位置精准。在本申请中，视觉检测装置可采用市面通用的监控装置，连接螺母自动装配系统外置的控制系统使用即可。

(5)出料装置

如图20所示，出料装置包括成品托盘18、出料传送机构19和三维测量仪器20，成品托盘设于出料传送机构上并由出料传送机构进行输送，成品托盘上分布有若干成品放置槽，三维测量仪器横跨置于出料传送机构及成品托盘上。

出料传送机构包括相连接的出料电机和第二无尘引动器，成品托盘通过相应的托盘支架设于第二无尘引动器上，出料电机驱动第二无尘引动器带动成品托盘进行输送。在本申请中，出料传送机构的具体结构其实与进料传送机构相同，出料电机可采用安川型号为SGM7J-01A的伺服电机，第二无尘引动器可采用THK型号为CKRF5-06-0250A-0-AQ-SB-RJ的无尘引动器，该组合精度高，定位精度达0.01mm，可满足机械手的抓取精度，所选的无尘导轨洁净级为10级，不会对内部环境产生污染。此外，利用三维测量仪器对成品的表面形貌进行测量，为检测部件高度是否合格，采用非接触式厚度测量装置对零件上表面到零件表面之间的高度进行测量，在本申请中，三维测量仪器Keyence型号为TM-040的高速、高精度CCD测量仪器。

本实施例通过上述装配设备实现的零件自适应的薄片自动化装配方法，包括以下步骤：

(1)装配基体预先设置于装配装置中的装配工位上，由装配装置中的夹紧机构夹紧；

(2)薄片零件及螺母由进料装置送入，机械手从进料装置上吸取薄片零件后，先送入厚度检测装置进行厚度检测；

若检测结果合格，则由机械手送入装配工位处的装配基体上；

若检测结果不合格，则由机械手送回进料装置上，并重新吸取新的薄片零件，送入厚度检测装置进行厚度检测；

(3)机械手从进料装置上夹取螺母，送入装配工位处的装配基体上；

(4)启动装配装置中的压紧机构，由压紧机构将螺母压紧；

(5)启动装配装置中的拧紧机构，由拧紧机构夹紧螺母；

(6)启动装配装置中的动力机构，由动力机构带动拧紧机构及螺母旋转，从而完成螺母及薄片零件在装配基体上的装配工作，形成成品；

(7)机械手从装配工位上抓取成品后，送入出料装置，并由出料装置送入后续的处理工序。

如上所述，便可较好地实现本发明，上述实施例仅为本发明的较佳实施例，并非用来限定本发明的实施范围；即凡依本发明内容所作的均等变化与修饰，都为本发明权利要求所要求保护的范围所涵盖。

Claims (10)

1.一种零件自适应的薄片自动化装配设备，其特征在于，包括机械手、进料装置、装配装置和出料装置，进料装置、装配装置和出料装置分布于机械手外周，进料装置一侧还设有厚度检测装置；机械手的手爪包括抓取薄片零件用的真空吸盘机构、抓取螺母用的平行气爪机构和抓取成品用的三点式气爪机构；装配装置中设有装配工位，装配工位设于动力机构上，装配工位处为通孔结构，装配工位的下方设有夹紧机构，装配工位的一侧设有拧紧机构，装配工位的上方设有压紧机构。

2.根据权利要求1所述一种零件自适应的薄片自动化装配设备，其特征在于，所述机械手包括连接部、机械手臂、真空吸盘机构、平行气爪机构和三点式气爪机构，真空吸盘机构、三点式气爪机构和平行气爪机构分别设于连接部的外侧面上，连接部的顶面与机械手臂连接；

所述真空吸盘机构包括真空吸盘、吸盘连接件和滑动连接板，真空吸盘通过吸盘连接件固定安装于滑动连接板上；真空吸盘机构与连接部的连接处设有第一连接板，第一连接板上设有第一导轨，第一导轨上设有相配合的第一滑块，滑动连接板与第一滑块固定连接；

真空吸盘包括相配合的内圈吸嘴和外圈吸嘴，内圈吸嘴从真空吸盘的顶端引入真空，外圈吸嘴从真空吸盘的外侧引入真空；

所述平行气爪机构包括第一U型卡块、第二U型卡块、第二壳体、第二活塞杆、第二活塞、第二弹簧和第二连杆，第二活塞杆、第二活塞、第二弹簧和第二连杆分别设于第二壳体内，第一U型卡块和第二U型卡块设于第二壳体的一侧，第二活塞杆设于第二壳体内的中部，第二活塞设于第二活塞杆上，第二弹簧套于第二活塞杆上，且第二弹簧上端与第二活塞底面固定连接，第二活塞杆外周分布有两个第二连杆，各第二连杆的上端与第二活塞底面铰接，各第二连杆的下端与第一U型卡块或第二U型卡块铰接；

平行气爪机构与机械手连接部的连接处设有第二连接板，平行气爪机构通过第二连接板安装于机械手连接部上；

所述三点式气爪机构包括第一壳体、第一活塞杆、第一活塞、第一弹簧、第一连杆和夹爪手指，第一活塞、第一活塞杆、第一弹簧和第一连杆分别设于第一壳体内，第一壳体底部分布有三个夹爪手指，第一活塞杆设于第一壳体内的中部，第一活塞设于第一活塞杆上，第一弹簧套于第一活塞杆上，且第一弹簧上端与第一活塞底面固定连接，第一活塞杆外周分布有三个第一连杆，各第一连杆的上端与第一活塞底面铰接，各第一连杆的下端与夹爪手指铰接；

三点式气爪机构与机械手连接部的连接处设有第三连接板，三点式气爪通过第三连接板安装于机械手连接部上。

3.根据权利要求1所述一种零件自适应的薄片自动化装配设备，其特征在于，所述进料装置包括进料托盘和进料传送机构，进料托盘设于进料传送机构上并由进料传送机构输送至进料工位；

进料托盘上设有薄片区、底座区、螺母区和次品区，薄片区中还分布有多个导流槽。

4.根据权利要求3所述一种零件自适应的薄片自动化装配设备，其特征在于，所述厚度检测装置设于进料工位的一侧，厚度检测装置包括旋转气缸、连接臂、测量探针和检测平台，连接臂的一端与旋转气缸的输出端连接，连接臂的另一端设有至少两个测量探针，检测平台位于测量探针下方。

5.根据权利要求1所述一种零件自适应的薄片自动化装配设备，其特征在于，所述装配装置中，动力机构包括主动齿轮、从动齿轮和驱动电机，驱动电机的输出端与主动齿轮连接，主动齿轮与从动齿轮啮合连接，从动齿轮的中部设有第一通孔，第一通孔处为装配工位；

动力机构中还设有气动机构，气动机构包括通孔旋转接头、套筒、进气管和出气管，通孔旋转接头中部带有第二通孔，第二通孔位于第一通孔下方，且第二通孔与第一通孔相通，进气管设于通孔旋转接头的外侧，套筒设于通孔旋转接头的外周，出气管设于从动齿轮上。

6.根据权利要求1所述一种零件自适应的薄片自动化装配设备，其特征在于，所述装配装置中，夹紧机构包括顶舌、装配底座、夹紧气缸、气缸延伸支架、第一气缸固定支架和固定底座，夹紧装置通过固定底座安装于机架上，装配底座位于装配工位处，顶舌的顶端位于装配底座外周，夹紧气缸通过第一气缸固定支架安装于固定底座上，装配底座固定安装于第一气缸固定支架顶部，夹紧气缸的活动端与气缸延伸支架连接，顶舌的下端与气缸延伸支架铰接，第一气缸固定支架上还设有活动支点，顶舌的中部铰接于活动支点处。

7.根据权利要求1所述一种零件自适应的薄片自动化装配设备，其特征在于，所述装配装置中，压紧机构包括滑动气缸、第二气缸固定支架、旋转电机、第二电机固定支架、安装支架、压杆、连杆、第二导轨和第二滑块，压紧装置通过安装支架设于机架上，滑动气缸通过第二气缸固定支架固定于安装支架上，滑动气缸的一端与旋转电机连接，旋转电机的输出端通过连杆与压杆连接，旋转电机固定于第二电机固定支架上，第二电机固定支架与第二滑块固定连接，第二导轨设于安装支架上，第二滑块与第二导轨配合相接。

8.根据权利要求1所述一种零件自适应的薄片自动化装配设备，其特征在于，所述装配装置中，拧紧机构包括拧紧气缸、第三气缸固定支架、滑块驱动器、第三滑块和U型扳手，装配工位相对的两侧各设有一个U型扳手，各U型扳手分别通过一个第三滑块与滑块驱动器连接，滑动驱动器与拧紧气缸的输出端连接，拧紧气缸通过第三气缸固定支架安装于动力装置上装配工位的一侧。

9.根据权利要求1所述一种零件自适应的薄片自动化装配设备，其特征在于，所述出料装置包括成品托盘、出料传送机构和三维测量仪器，成品托盘设于出料传送机构上并由出料传送机构进行输送，成品托盘上分布有若干成品放置槽，三维测量仪器横跨置于出料传送机构及成品托盘上。

10.根据权利要求1～9任一项所述装配设备实现一种零件自适应的薄片自动化装配方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)装配基体预先设置于装配装置中的装配工位上，由装配装置中的夹紧机构夹紧；

(2)薄片零件及螺母由进料装置送入，机械手从进料装置上吸取薄片零件后，先送入厚度检测装置进行厚度检测；

若检测结果合格，则由机械手送入装配工位处的装配基体上；

若检测结果不合格，则由机械手送回进料装置上，并重新吸取新的薄片零件，送入厚度检测装置进行厚度检测；

(3)机械手从进料装置上夹取螺母，送入装配工位处的装配基体上；

(4)启动装配装置中的压紧机构，由压紧机构将螺母压紧；

(5)启动装配装置中的拧紧机构，由拧紧机构夹紧螺母；

(6)启动装配装置中的动力机构，由动力机构带动拧紧机构及螺母旋转，从而完成螺母及薄片零件在装配基体上的装配工作，形成成品；

(7)机械手从装配工位上抓取成品后，送入出料装置，并由出料装置送入后续的处理工序。

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