CN111136452A - 一种便携式螺栓预拧紧机械手及其使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种便携式螺栓预拧紧机械手，在底座的竖直转轴上套装有可转动的立柱；在立柱的背面分别安装有散热风扇、四个电机驱动器以及两个电连接器，共同覆盖有一个保护壳，上述的四个电机驱动器分别与各自对应的电机控制连接；电机一的固定端与立柱固定连接，电机一的输出端与谐波减速器一的输入端固定连接；线性模组的固定接口与立柱固连，线性模组的输入端与电机二的输出轴连接，线性模组的输出端与大臂连接；大臂通过谐波减速器二与小臂连接；电机三通过中空轴与柔性手爪传动连接。本发明还公开了一种自动化螺栓预拧紧方法。本发明装置及方法，实现了对螺栓自动识别、定位放置、预拧紧的全自动化操作。

Description

一种便携式螺栓预拧紧机械手及其使用方法

技术领域

本发明属于螺栓装配技术领域，涉及一种便携式螺栓预拧紧机械手，本发明还涉及一种自动化螺栓预拧紧方法。

背景技术

螺纹是机械设备中的常见连接方式，在机械领域有着广泛的应用。在传统的装配生产工艺中，一般由人工将螺栓放置在螺孔处，并手工拧进一定的行程，对螺栓进行预拧紧，再由专用的螺栓拧紧设备或压力机进行拧紧。这一过程耗费人力物力，降低了生产效率和自动化程度。因此现有的螺栓拧紧生产线还没有达到完全的自动化，无法实现从选取螺栓、正确放置及预拧紧全程的自动化，而纯人工操作的成本高，劳动强度大，生产效率较低。

发明内容

本发明的目的是提供一种便携式螺栓预拧紧机械手，解决了现有技术中对螺栓自动识别、定位放置、预拧紧全自动化程度低，人工作业成本高，劳动强度大，生产效率较低等问题。

本发明的另一目的是提供一种自动化螺栓预拧紧方法，实现从选取螺栓、正确放置及预拧紧全程的自动化流水操作。

本发明所采用的技术方案是，一种便携式螺栓预拧紧机械手，包括底座，底座的竖直转轴上套装有可转动的立柱；

在立柱的背面分别安装有散热风扇、四个电机驱动器以及两个电连接器，两个电连接器通过各自的固定组件固定在立柱上，前述立柱背面安装的七个电气部件共同覆盖有一个保护壳；上述的四个电机驱动器分别与各自对应的电机控制连接，即电机一与电机驱动器一对应连接，电机二与电机驱动器二对应连接，电机三与电机驱动器三对应连接，电机四与电机驱动器四对应连接；

谐波减速器一及电机一安装在立柱下部，电机一的固定端与立柱固定连接，电机一的输出端与谐波减速器一的输入端固定连接；

在立柱的正面安装有线性模组，电机二固定在立柱顶部，线性模组的固定接口与立柱固连，线性模组的输入端与电机二的输出轴连接，线性模组的输出端与大臂连接；大臂通过谐波减速器二与小臂连接，大臂与谐波减速器二的固定端固定连接，谐波减速器二的输入端通过带轮一和带轮四与电机四连接，谐波减速器二的输出端与小臂固定连接；电机三通过带轮二和带轮三与中空轴传动连接，中空轴再与柔性手爪的输出轴传动连接；

大臂的上表面设置有大臂上盖，电机三和电机四均安装在大臂上盖上，大臂上盖上端面固定连接有电机外壳。

本发明采用的另一个技术方案是，一种自动化螺栓预拧紧方法，利用上述的便携式螺栓预拧紧机械手，按照以下步骤实施：

步骤1：准备，

根据工况需求，依据生产线的作业要求设置套筒料盘、螺栓料盘和机械手的位置，将机械手固定在设定的位置并对其初始位置进行标定，将工装和工件放置于生产线之上，初始化相机的各项参数，依据套筒料盘上套筒的型号和位置设置套筒信息靶标，依据螺栓料盘上螺栓的型号和位置设置套筒信息靶标；

步骤2：识别工件上的螺孔尺寸及其位置，

通过联动运动控制机械手的移动，即电机驱动器一发出控制指令给电机一，驱动立柱绕着底座做回转运动；电机驱动器二发出控制指令至电机二，驱动线性模组实现大臂沿着立柱做垂直升降运动；电机驱动器四发出控制指令至电机四，驱动小臂实现绕着大臂输出端的谐波减速器二做回转运动；电机驱动器三发出控制指令至电机三，驱动柔性手爪实现绕着小臂输出端做回转运动；立柱的回转运动、大臂的升降运动、小臂的回转运动协调联动运动，控制相机在三维空间移动至工件的上方，对工件上螺孔位置及尺寸信息实施采集；

步骤3：辨识及抓取套筒，

通过协调配合立柱的回转运动、大臂的升降运动、小臂的回转运动，控制相机移动至套筒料盘的套筒信息靶标上方，进行靶标信息的读取，根据所识别的工件上螺孔的信息匹配套筒的型号，当完成匹配后，根据匹配信息，控制机械手的柔性手爪移动至对应套筒的上方，通过线性模组的垂直运动带动柔性手爪向下运动，为了便于与套筒的对准配合，同时驱动柔性手爪做回转运动，当电机二检测到柔性手爪与套筒接触的力觉反馈信息时，减小柔性手爪的下降速度，当电机二检测到柔性手爪与套筒完全配合的力觉反馈信息时，启动磁吸组件，实现套筒的磁吸卡紧，控制线性模组向上运动，完成一个确定的套筒的识别与抓取；

步骤4：辨识及抓取螺栓，

如上所述，通过联动运动控制机械手移动至螺栓料盘上方，并确保相机在螺栓料盘的螺栓信息靶标的正上方，进行螺栓型号及位置信息的读取，根据所识别的工件上螺孔的信息及所选取的套筒的信息确定合适的螺栓型号，根据匹配信息，通过联动运动控制机械手，使柔性手爪移动至所需要的螺栓正上方，通过线性模组带动柔性手爪向下运动，为了便于与套筒的对准配合，同时驱动柔性手爪进行回转运动，当电机二检测到柔性手爪与螺栓接触的力觉反馈信息时，减小柔性手爪的下降速度，当电机二检测到柔性手爪与螺栓完全配合的力觉反馈信息时，加大磁吸组件的磁吸力，实现选定的螺栓的吸附及抓紧，再控制线性模组向上运动，从螺栓料盘中取出所选定的螺栓；

步骤5：预拧紧螺栓，

通过联动运动控制机械手移动至步骤2所识别的对应螺孔位置上方，通过相机的视觉反馈确保机械手所携带的螺栓位于螺孔位置的正上方，控制线性模组向下移动带动柔性手爪向下运动，同时驱动柔性手爪做回转运动；为了实现螺旋运动，根据螺栓的螺距，当电机二检测到柔性手爪与螺孔接触的力觉反馈信息时，严格控制柔性手爪下行和旋转实现螺旋运动，当电机二检测到柔性手爪与螺孔初步配合的力觉反馈信息时，增加柔性手爪回转运动的扭矩，减小回转速度，此时在弹簧一的压缩作用下，实现螺栓的自适应预拧紧操作，当电机三检测到柔性手爪与螺孔配合的力觉反馈信息达到要求时，关闭柔性手爪的回转运动，控制柔性手爪向上移动，实现套筒与螺栓的分离；

步骤6：放回套筒，

通过联动运动控制机械手移动至步骤3所识别的套筒位置，采取与套筒抓取相反的流程，完成套筒的放回，关闭柔性手爪的磁吸组件，控制柔性手爪向上移动，实现柔性手爪与套筒的分离，

至此完成工件上一个螺孔的螺栓的抓取及预拧紧操作；

步骤7：机械手复位，

重复步骤2至步骤6，直到工件上所有螺孔完成对应螺栓的抓取及预拧紧操作；

当工件上所有螺孔完成螺栓的装配之后，机械手复位至初始位置，等待下一个工件的螺栓抓取及预拧紧操作，实现流水作业。

本发明的有益效果是，该种机械手包含一个垂直移动关节和三个水平回转关节，可对水平面内不同位置螺栓和螺纹孔进行定位与抓取；该机械手回转关节的传动方式采用多级带传动的后置结构，可减小机械手末端的转动惯量，提高负载能力，更便于控制信号接线；磁吸式的柔性手爪可以对螺栓进行放置和预拧紧，并且磁吸式的柔性手爪还可以根据不同螺栓的型号自动更换套筒，实现同工位不同型号螺纹装配；该机械手还配备有视觉感知器件，可以实现螺纹孔、螺栓、套筒的识别与定位，以便通过视觉驱动实现机械手的准确作业；该机械手的电气控制部件内置于机械手本体之内，与常见机械手相比，无需搭建外置控制柜，有效集机械与控制系统于一体，结构更加紧凑便携。

附图说明

图1是本发明机械手在生产线上的安装位置示意图；

图2是本发明机械手工作对象(工件)的结构示意图；

图3是与本发明机械手配套的套筒料盘的结构示意图

图4是与本发明机械手配套的螺栓料盘的结构示意图；

图5是本发明机械手(带保护壳)的结构示意图一；

图6是本发明机械手(去掉保护壳)的结构示意图二；

图7是本发明机械手中的小臂和柔性手爪的传动结构示意图；

图8是本发明机械手中的带轮的柔性张紧结构示意图；

图9是本发明机械手中的大臂上的U型槽结构示意图；

图10是本发明机械手中的柔性手爪的结构示意图。

图中，1.生产线，2.机械手，3.工件，4.工装，5.套筒料盘，6.螺栓料盘，2-1.底座，2-2-A.谐波减速器一，2-2-B.谐波减速器二，2-3.立柱，2-4-A.电机一，2-4-B.电机二，2-4-C.电机三，2-4-D.电机四，2-5.电机外壳，2-6.固定组件，2-7.电连接器，2-8.外壳，2-9.大臂上盖，2-10-A.带轮一，2-10-B.带轮二，2-10-C.带轮三，2-10-D.带轮四，2-10-E.带轮五，2-10-F.带轮六，2-11.大臂，2-12.小臂，2-13.小臂盖板，2-15.中空轴，2-16.输出轴，2-17-A.轴承一，2-17-B.轴承二，2-18.轴承端盖，2-19.手爪轴，2-20.手爪法兰，2-21.线性模组，2-22.模组防尘罩，2-23-A.电机驱动器一，2-23-B.电机驱动器二，2-23-C.电机驱动器三，2-23-D.电机驱动器四，2-24.散热风扇，2-25-A.拖链转接件一，2-25-B.拖链转接件，2-26.拖链，2-27.导向平键，2-28.弹簧一，2-29.磁吸组件，2-30-A.同步带一，2-30-B.同步带二，2-30-C.同步带三，2-31-A.大臂端盖，2-31-B.小臂端盖，2-32.带轮固定件；3-1.底座，3-2.螺纹孔，3-3.圆台；5-1.套筒信息靶标，5-2.套筒；6-1.螺栓信息靶标，6-2.螺栓，6-3.螺栓编码孔位，7.相机，8.柔性手爪，9-1-A.张紧螺栓一，9-1-B.张紧螺栓二，9-2-A.L型板一，9-2-B.L型板二，9-3-A.电机滑台一，9-3-B.电机滑台二，9-4-A.弹簧二，9-4-B.弹簧三，9-5-A.固定凸台一，9-5-B.固定凸台二，10-1.凹槽，10-2-A.U型槽一，10-2-B.U型槽二，10-2-C.U型槽三，10-2-D.U型槽四，10-3-A.槽口一，10-3-B.槽口二。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

参照图1和图5，是本发明机械手在工作现场的安装位置示意图，本发明机械手1的工作对象是工件3，每个工件3对应安置在一个工装4之上，所有工装4设置在生产线1上，工件3随工装4依次在生产线1上向前传送。在生产线1的同侧设置有机械手2、以及配套的套筒料盘5和螺栓料盘6，套筒料盘5和螺栓料盘6分别位于机械手2两边，且布置在机械手2的作业空间范围之内；机械手2的小臂2-12最前端配置有抓取螺栓用的柔性手爪8及用于识别定位的相机7。

参照图2，工件3的一种具体结构是，在长方体的底座3-1上表面的中心有一个圆台3-3，该圆台3-3的上表面开有七个螺纹孔3-2，其中一个螺纹孔3-2设置在圆台3-3的中心，另外六个螺纹孔3-2环绕在该中心位置的螺纹孔3-2周围，绕成一圈。

参照图3，与本发明机械手2配套的套筒料盘5的一种结构是，在套筒料盘5盘面上设置有不同编码位置，每个编码位置对应预置有一个套筒5-2，所有套筒5-2的开口朝下，在套筒料盘5盘面的一角设置有套筒信息靶标5-1，套筒信息靶标5-1可采用二维码、条形码、特定形状等形式，用于记录套筒料盘5内不同编码位置及对应的套筒5-2的型号；套筒料盘5的形状和其内布置套筒5-2的数量、型号、位置等可根据实际需要制作，不限于图3实施例所示的结构形式。

参照图4，与本发明机械手2配套的螺栓料盘6的一种结构是，在螺栓料盘6的盘面上开有多个螺栓编码孔位6-3，每个螺栓编码孔位6-3中预置有一个螺栓6-2，且所有螺栓6-2的头部向上，便于相机7进行识别及柔性手爪8进行抓取；在螺栓料盘6盘面的一角设置有螺栓信息靶标6-1，螺栓信息靶标6-1可采用二维码、条形码、特定形状等形式，用于记录螺栓料盘6内不同编码孔位及对应的螺栓6-2的型号；螺栓料盘6的形状和其内布置螺栓6-2的数量、种类、位置等可根据实际需要制作，不限于图4实施例所示的结构形式。

套筒料盘5还可以拓展(也可以是扳手料盘)，根据需要包含适用于外六角螺栓的套筒库、适用于内六角螺栓的六角扳手库、适合于什字沉头螺钉的什字螺丝刀库、适合于一字螺钉的一字螺丝刀库等。

对应的，螺栓料盘6也可以拓展，根据需要分别对应设置为包含外六角螺栓库、内六角螺栓库、什字螺钉库、一字螺钉库等。

参照图5、图6、图7，本发明机械手2的结构是，包括底座2-1，底座2-1固定在生产线1旁边，用于支承整个机械手2，底座2-1的竖直转轴上套装有可转动的立柱2-3；

在立柱2-3的背面(背向生产线1的一面)分别安装有散热风扇2-24、四个电机驱动器(编号分别为2-23-A、2-23-B、2-23-C、2-23-D)以及两个电连接器2-7(电连接器2-7用于导线连接及转接)，两个电连接器2-7通过各自的固定组件2-6固定在立柱2-3上，前述立柱2-3背面安装的七个电气部件共同覆盖有一个保护壳2-8，使得整个控制部分与立柱2-3一体安装，并且统一设置在保护壳2-8内部，称为潜入式控制，避免了另外单独搭建控制柜，大大提升了机械手2的灵活度；上述的四个电机驱动器分别与各自对应的电机(编号分别为2-4-A、2-4-B、2-4-C、2-4-D)控制连接，即电机一2-4-A与电机驱动器一2-23-A对应连接，电机二2-4-B与电机驱动器二2-23-B对应连接，电机三2-4-C与电机驱动器三2-23-C对应连接，电机四2-4-D与电机驱动器四2-23-D对应连接；

谐波减速器一2-2-A及电机一2-4-A安装在立柱2-3下部，电机一2-4-A的固定端与立柱2-3固定连接，电机一2-4-A的输出端与谐波减速器一2-2-A的输入端固定连接，电机一2-4-A带动谐波减速器一2-2-A来驱动立柱2-3相对于底座2-1转动，提供机械手2在水平回转运动过程中的精准控制及驱动力；

在立柱2-3的正面(面对生产线1的一面)安装有线性模组2-21，电机二2-4-B固定在立柱2-3顶部，线性模组2-21的固定接口与立柱2-3固连，线性模组2-21的输入端与电机二2-4-B的输出轴连接，线性模组2-21的输出端与大臂2-11连接，线性模组2-21驱动大臂2-11上下移动实现竖直方向的运动；大臂2-11通过谐波减速器二2-2-B与小臂2-12连接，大臂2-11与谐波减速器二2-2-B的固定端固定连接，谐波减速器二2-2-B的输入端通过带轮一2-10-A和带轮四2-10-D与电机四2-4-D连接，谐波减速器二2-2-B的输出端与小臂2-12固定连接，电机四2-4-D用于驱动小臂2-12绕谐波减速器二2-2-B轴线做回转运动；电机三2-4-C通过带轮二2-10-B和带轮三2-10-C与中空轴2-15传动连接，中空轴2-15再与柔性手爪8的输出轴2-16传动连接，提供柔性手爪8的回转运动；

大臂2-11的上表面设置有大臂上盖2-9，电机三2-4-C和电机四2-4-D均安装在大臂上盖2-9上，大臂上盖2-9上端面固定连接有电机外壳2-5，用于保护电机三2-4-C和电机四2-4-D；

参照图7，小臂2-12和柔性手爪8的传动结构是，电机四2-4-D输出轴固定连接有带轮一2-10-A，带轮一2-10-A通过同步带二2-30-B与带轮四2-10-D传动连接，带轮四2-10-D与谐波减速器二2-2-B的输入端固定连接，谐波减速器二2-2-B的输出端与小臂2-12后端连接，通过电机四2-4-D的回转，将动力传递至谐波减速器二2-2-B的输出端，提供小臂2-12的回转运动；电机三2-4-C输出端固定连接有带轮二2-10-B，带轮二2-10-B通过同步带一2-30-A与带轮三2-10-C传动连接，带轮三2-10-C与小臂2-12后端的中空轴2-15输入端固定连接，中空轴2-15的输出端(即图7中的下端)与带轮五2-10-E固定连接，带轮五2-10-E通过同步带三2-30-C与带轮六2-10-F传动连接，带轮六2-10-F与小臂2-12前端的输出轴2-16传动连接，输出轴2-16再与柔性手爪8传动连接，驱动柔性手爪8进行回转运动。

参照图8、图9，带轮二2-10-B需要感受螺栓6-2拧紧到位后的张紧力，带轮二2-10-B采用的柔性张紧结构是，包括张紧螺栓二9-1-B，张紧螺栓二9-1-B通过L型板二9-2-B连接在电机滑台二9-3-B上，张紧螺栓二9-1-B另一端穿过大臂2-11上的固定凸台二9-5-B，因此L型板二9-2-B与凸台9-5-B将张紧螺栓二9-1-B定位；张紧螺栓二9-1-B上套有弹簧三9-4-B，弹簧三9-4-B一端固定于凸台9-5-B上，另一端固定于L型板二9-2-B上；电机滑台二9-3-B上开有螺纹孔和与电机三2-4-C安装用的定位孔，电机三2-4-C通过定位孔和螺栓安装在电机滑台二9-3-B上；大臂2-11上的凹槽10-1中对应电机滑台二9-3-B开有槽口二10-3-B，电机三2-4-C及其传动轴在槽口二10-3-B中可前后滑动，电机固定螺栓穿过两边的U型槽二10-2-B和U型槽四10-2-D，因此电机滑台二9-3-B可在大凹槽10-1内前后滑动；

当带轮二2-10-B装好时，张紧螺栓二9-1-B上的弹簧三9-4-B受压，螺栓9-1-B受弹簧三9-4-B的推力，以及同步带一2-30-A张紧后传递给L型板二9-2-B的拉力，两个力平衡，实现自适应张紧；当带轮二2-10-B使用一段时间，同步带一2-30-A及带轮二2-10-B由于材料长时间受拉力作用，出现松弛时，弹簧三9-4-B推动L型板二9-2-B与电机滑台二9-3-B一起滑动，电机三2-4-C也向后滑动，将带轮二2-10-B上的同步带一2-30-A张紧，重新实现自适应张紧。

参照图8、图9，同样的道理，带轮一2-10-A也需要感受螺栓6-2拧紧到位后的张紧力，带轮一2-10-A采用的柔性张紧结构是，包括张紧螺栓一9-1-A，张紧螺栓一9-1-A通过L型板一9-2-A连接在电机滑台一9-3-A上，张紧螺栓一9-1-A另一端穿过大臂2-11上的固定凸台一9-5-A，因此L型板一9-2-A与凸台9-5-A将张紧螺栓一9-1-A定位，张紧螺栓一9-1-A上套有弹簧二9-4-A，弹簧二9-4-A一端固定于凸台9-5-A上，另一端固定于L型板一9-2-A上；电机滑台一9-3-A上开有螺纹孔和与电机四2-4-D安装用的定位孔，电机四2-4-D通过定位孔和螺栓连接在电机滑台一9-3-A上；大臂2-11上的凹槽10-1对应于电机滑台一9-3-A开有槽口一10-3-A，电机四2-4-D及其传动轴在槽口一10-3-A中可前后滑动，电机固定螺栓穿过两侧的U型槽一10-2-A和U型槽三10-2-C，因此电机滑台一9-3-A可在凹槽10-1内前后滑动；

当带轮一2-10-A装好时，张紧螺栓一9-1-A上的弹簧二9-4-A受压，螺栓9-1-A受弹簧二9-4-A的推力，以及同步带二2-30-B张紧后传递给L型板一9-2-A的拉力，两个力平衡，实现自适应张紧；当带轮一2-10-A使用一段时间，同步带二2-30-B及带轮一2-10-A由于材料长时间受拉力作用，出现松弛时，弹簧二9-4-A推动L型板一9-2-A与电机滑台一9-3-A一起滑动，电机四2-4-D也向后滑动，将带轮一2-10-A上的同步带二2-30-B张紧，重新实现自适应张紧。

参照图10，柔性手爪8的结构是，包括输出轴2-16，在输出轴2-16外表面上部固定套装有带轮六2-10-F，带轮六2-10-F通过带轮固定件2-32与输出轴2-16固定为一体，输出轴2-16外表面下部通过一对轴承(即轴承一2-17-A和轴承二2-17-B)支承在小臂下盖2-13内的轴承安装座中，该对轴承下方通过轴承端盖2-18支承，轴承端盖2-18通过螺钉与小臂下盖2-13固定连接；在输出轴2-16的内孔中套装有手爪法兰2-20，手爪法兰2-20下端面通过埋头螺钉与输出轴2-16下端面固定连接，保证手爪法兰2-20与输出轴2-16一起回转；手爪法兰2-20内孔中套装有手爪轴2-19，手爪轴2-19为阶梯轴，手爪轴2-19上部(细颈)圆周面装有弹簧一2-28，弹簧一2-28的下端顶压在手爪轴2-19阶梯面上，弹簧一2-28的上端顶压在手爪法兰2-20上端台阶内沿，手爪轴2-19下部(粗径)圆周面的导槽中装有导向平键2-27，手爪法兰2-20内腔壁上对应开有键槽，通过手爪轴2-19上的导向平键2-27与弹簧一2-28配合，使得手爪轴2-19可以在与输出轴2-16一同回转的同时上下滑动；手爪轴2-19下端通过插钉连接有磁吸组件2-29，磁吸组件2-29通电后利用磁力吸附套筒5-2及螺栓6-2，实现对套筒5-2及螺栓6-2的吸附及抓取。

参照图5、图6、图7，机械手2的走线方式设置是，小臂2-12的下表面设置有小臂盖板2-13；相机7固定连接在小臂盖板2-13最前端；大臂盖板2-9上固定连接有大臂端盖2-31-A，小臂盖板2-13下表面固定连接有小臂端盖2-31-B；大臂盖板2-9密封在大臂端盖2-31-A的部分处开有走线孔，大臂侧面末端开有走线孔；小臂盖板2-13密封在大臂端盖2-31-B的部分处开有走线孔；柔性手爪8的电气接线走线可通过小臂2-12的内腔，穿过小臂盖板2-13上的走线孔至中空轴2-15，再穿过中空轴2-15至大臂盖板2-9，通过大臂盖板2-9上的走线孔至大臂内腔，通过大臂内腔，穿过大臂侧面末端的走线孔至拖链2-26。拖链2-26一端通过拖链转接件2-25-A与大臂2-11中的电气部件连接，拖链2-26另一端通过拖链转接件2-25-B与立柱2-3中的电气部件连接。使得整个线路分布于机械手内，避免了外置接线，使得结构紧凑美观。

上述的所有电气部件均与总控制器连接，另外通过(工业数码)相机7，能够对套筒料盘5、螺栓料盘6上的相关信息进行扫描，获取位置及目标信息，总控制器负责各个电气部件的信息收集、处理、动作指令的输出，实现整体协调一致的操作。

电机三2-4-C的输出轴上设置有扭矩感知机构，能够感知螺栓拧紧转动过程中的扭矩阻力大小，并反馈给电机驱动器2-23-C和机械手2的总控制器，通过触觉驱动控制实现螺纹拧紧扭矩的自适应性预拧紧。

本发明的工作原理是，柔性手爪8根据所要抓取的螺栓换取所需型号的套筒(或者扳手)，相机7扫描套筒料盘5中的套筒信息靶标5-1，得到所需套筒的型号及位置信息，柔性手爪8移至套筒料盘5中预先摆放好的套筒上方，柔性手爪8上磁吸组件2-29通电电磁铁吸合，被锁定的套筒进入柔性手爪8中，换刀工序完成；然后，机械手2移至螺栓料盘6上方扫取螺栓信息靶标6-1，得到需要抓取的螺栓型号及位置信息，对锁定的螺栓进行抓取，锁定的螺栓与前一步换好的套筒套装牢靠；在生产线1上的每一个工装4上固定有一个工件3，每一个工装4移动至工作位置进行短暂停留，在此停留期间，机械手2移至工件3上将锁定的螺栓拧入在预定的螺钉孔中，待预拧紧作业完成后，柔性手爪8移回至套筒料盘5，磁吸组件2-29断电电磁铁失去磁力，本次使用的套筒放回，方便下次取用，完成一个螺栓的抓取及预拧紧。

本发明装置的工作过程是，按照以下步骤实施：

步骤1：准备。

根据实际工况需求，依据生产线1的作业要求设置套筒料盘5、螺栓料盘6和机械手2的位置，将机械手2固定在设定的位置并对其初始位置进行标定，将工装4和工件3放置于生产线1之上，在机械手2末端安装好相机7，初始化相机7的各项参数，依据套筒料盘5上套筒5-1的型号和位置设置套筒信息靶标5-1，依据螺栓料盘6上螺栓6-2的型号和位置设置套筒信息靶标6-1。

步骤2：识别工件3上的螺孔尺寸及其位置。

通过联动运动控制机械手2的移动，即电机驱动器一2-23-A发出控制指令给电机一2-4-A，驱动立柱2-3绕着底座2-1做回转运动；电机驱动器二2-23-B发出控制指令至电机二2-4-B，驱动线性模组2-21实现大臂2-11沿着立柱2-3做垂直升降运动；电机驱动器四2-23-D发出控制指令至电机四2-4-D，驱动小臂2-12实现绕着大臂2-11输出端的谐波减速器二2-2-B做回转运动；电机驱动器三2-23-C发出控制指令至电机三2-4-C，驱动柔性手爪8实现绕着小臂2-12输出端做回转运动；立柱2-3的回转运动、大臂2-11的升降运动、小臂2-12的回转运动协调联动运动，控制相机7在三维空间移动至工件3的上方，对工件3上螺孔3-2位置及尺寸信息实施采集。

步骤3：辨识及抓取套筒5-2。

通过协调配合立柱2-3的回转运动、大臂2-11的升降运动、小臂2-12的回转运动，控制相机7移动至套筒料盘5的套筒信息靶标5-1上方，进行靶标信息的读取，根据所识别的工件3上螺孔3-2的信息寻找所要匹配的套筒5-2的型号，当完成匹配后，根据匹配信息，控制机械手2的柔性手爪8移动至对应套筒5-2的上方，通过线性模组2-21的垂直运动带动柔性手爪8向下运动；为了便于与套筒5-2的对准配合，同时驱动柔性手爪8做回转运动，当电机二2-4-B检测到柔性手爪8与套筒5-2接触的力觉反馈信息时，减小柔性手爪8的下降速度；当电机二2-4-B检测到柔性手爪8与套筒5-2完全配合的力觉反馈信息时，启动磁吸组件2-29，磁吸组件2-29吸住套筒5-2，实现套筒5-2的磁吸卡紧；再控制线性模组2-21向上运动，完成选定的套筒5-2的识别与抓取。

步骤4：辨识及抓取螺栓6-2。

通过联动运动控制机械手2移动至螺栓料盘6上方，并确保相机7在螺栓料盘6的螺栓信息靶标6-1的正上方，进行螺栓6-2型号及位置信息的读取，根据所识别的工件3上螺孔3-2的信息及所选取的套筒5-2的信息确定合适的螺栓型号；根据匹配信息，通过联动运动控制机械手2，使柔性手爪8移动至所选定的螺栓6-2正上方；通过线性模组2-21带动柔性手爪8向下运动，为了便于与套筒5-2的对准配合，同时驱动柔性手爪8进行回转运动，当电机二2-4-B检测到柔性手爪8中的套筒5-2与选定的螺栓6-2接触的力觉反馈信息时，减小柔性手爪8的下降速度，当电机二2-4-B检测到柔性手爪8中的套筒5-2与选定的螺栓6-2完全配合的力觉反馈信息时，加大磁吸组件2-29的磁吸力，实现选定的螺栓6-2的吸附及抓紧；再控制线性模组2-21向上运动，从螺栓料盘6中取出所选定的螺栓6-2。

步骤5：预拧紧螺栓。

通过联动运动控制机械手2移动至步骤2所识别的对应螺孔3-2位置上方，通过相机7的视觉反馈确保机械手2所携带的螺栓6-2位于准备安装位置的螺孔3-2正上方，控制线性模组2-21向下带动柔性手爪8向下运动，同时驱动柔性手爪8做回转运动；为了实现螺旋运动，根据螺栓6-2的螺距，当电机二2-4-B检测到柔性手爪8中的螺栓6-2与螺孔3-2接触的力觉反馈信息时，严格控制柔性手爪8下行和旋转实现螺旋运动，当电机二2-4-B检测到柔性手爪8中的螺栓6-2与螺孔3-2初步配合的力觉反馈信息时，增加柔性手爪8回转运动的扭矩，减小回转速度，此时在弹簧一2-28的压缩作用下，实现螺栓6-2的自适应预拧紧操作；当电机三2-4-C检测到柔性手爪8中的螺栓6-2与螺孔3-2配合的力觉反馈信息达到要求时，关闭柔性手爪8的回转运动，减小磁吸组件2-29的磁吸力，消除对该拧紧的螺栓6-2的吸附力；控制柔性手爪8向上移动，实现套筒5-2与该拧紧的螺栓6-2的分离。

步骤6：放回套筒5-2。

通过联动运动控制机械手2移动至步骤3所识别的套筒5-2位置，采取与抓取套筒5-2相反的流程，完成套筒5-2的放回，关闭磁吸组件2-29，套筒5-2归位；控制柔性手爪8向上移动，实现柔性手爪8与套筒5-2的分离；

至此完成工件3上一个螺孔3-2的螺栓6-2的抓取及预拧紧操作。

步骤7：机械手2复位。

重复步骤2至步骤6，直到工件3上所有螺孔3-2均完成对应螺栓6-2的抓取及预拧紧操作；

当工件3上所有螺孔3-2完成螺栓6-2的装配之后，机械手2复位至初始位置，等待下一个工件3的螺栓抓取及预拧紧操作，实现流水作业。

Claims (9)

1.一种便携式螺栓预拧紧机械手，其特征在于：包括底座(2-1)，底座(2-1)的竖直转轴上套装有可转动的立柱(2-3)；

在立柱(2-3)的背面分别安装有散热风扇(2-24)、四个电机驱动器以及两个电连接器(2-7)，两个电连接器(2-7)通过各自的固定组件(2-6)固定在立柱(2-3)上，前述立柱(2-3)背面安装的七个电气部件共同覆盖有一个保护壳(2-8)；上述的四个电机驱动器分别与各自对应的电机控制连接，即电机一(2-4-A)与电机驱动器一(2-23-A)对应连接，电机二(2-4-B)与电机驱动器二(2-23-B)对应连接，电机三(2-4-C)与电机驱动器三(2-23-C)对应连接，电机四(2-4-D)与电机驱动器四(2-23-D)对应连接；

谐波减速器一(2-2-A)及电机一(2-4-A)安装在立柱(2-3)下部，电机一(2-4-A)的固定端与立柱(2-3)固定连接，电机一(2-4-A)的输出端与谐波减速器一(2-2-A)的输入端固定连接；

在立柱(2-3)的正面安装有线性模组(2-21)，电机二(2-4-B)固定在立柱(2-3)顶部，线性模组(2-21)的固定接口与立柱(2-3)固连，线性模组(2-21)的输入端与电机二(2-4-B)的输出轴连接，线性模组(2-21)的输出端与大臂(2-11)连接；大臂(2-11)通过谐波减速器二(2-2-B)与小臂(2-12)连接，大臂(2-11)与谐波减速器二(2-2-B)的固定端固定连接，谐波减速器二(2-2-B)的输入端通过带轮一(2-10-A)和带轮四(2-10-D)与电机四(2-4-D)连接，谐波减速器二(2-2-B)的输出端与小臂(2-12)固定连接；电机三(2-4-C)通过带轮二(2-10-B)和带轮三(2-10-C)与中空轴(2-15)传动连接，中空轴(2-15)与柔性手爪(8)的输出轴(2-16)传动连接；

大臂(2-11)的上表面设置有大臂上盖(2-9)，电机三(2-4-C)和电机四(2-4-D)均安装在大臂上盖(2-9)上，大臂上盖(2-9)上端面固定连接有电机外壳(2-5)；

上述的所有电气部件均与总控制器连接。

2.根据权利要求1所述的便携式螺栓预拧紧机械手，其特征在于：与机械手(2)配套的套筒料盘(5)的一种结构是，在套筒料盘(5)盘面上设置有不同编码位置，每个编码位置对应预置有一个套筒(5-2)，所有套筒(5-2)的开口朝下，在套筒料盘(5)盘面的一角设置有套筒信息靶标(5-1)。

3.根据权利要求1所述的便携式螺栓预拧紧机械手，其特征在于：与机械手(2)配套的螺栓料盘(6)的一种结构是，在螺栓料盘(6)的盘面上开有多个螺栓编码孔位(6-3)，每个螺栓编码孔位(6-3)中预置有一个螺栓(6-2)，且所有螺栓(6-2)的头部向上；在螺栓料盘(6)盘面的一角设置有螺栓信息靶标(6-1)。

4.根据权利要求1所述的便携式螺栓预拧紧机械手，其特征在于：所述的电机三(2-4-C)的输出轴上设置有扭矩感知机构。

5.根据权利要求1所述的便携式螺栓预拧紧机械手，其特征在于：所述的小臂(2-12)和柔性手爪(8)的传动结构是，电机四(2-4-D)输出轴固定连接有带轮一(2-10-A)，带轮一(2-10-A)通过同步带二(2-30-B)与带轮四(2-10-D)传动连接，带轮四(2-10-D)与谐波减速器二(2-2-B)的输入端固定连接，谐波减速器二(2-2-B)的输出端与小臂(2-12)后端连接；电机三(2-4-C)输出端固定连接有带轮二(2-10-B)，带轮二(2-10-B)通过同步带一(2-30-A)与带轮三(2-10-C)传动连接，带轮三(2-10-C)与小臂(2-12)后端的中空轴(2-15)输入端固定连接，中空轴(2-15)的输出端与带轮五(2-10-E)固定连接，带轮五(2-10-E)通过同步带三(2-30-C)与带轮六(2-10-F)传动连接，带轮六(2-10-F)与小臂(2-12)前端的输出轴(2-16)传动连接，输出轴(2-16)与柔性手爪(8)传动连接。

6.根据权利要求1所述的便携式螺栓预拧紧机械手，其特征在于：所述的柔性手爪(8)的结构是，包括输出轴(2-16)，在输出轴(2-16)外表面上部固定套装有带轮六(2-10-F)，带轮六(2-10-F)通过带轮固定件(2-32)与输出轴(2-16)固定为一体，输出轴(2-16)外表面下部通过一对轴承支承在小臂下盖(2-13)内的轴承安装座中，该对轴承下方通过轴承端盖(2-18)支承，轴承端盖(2-18)通过螺钉与小臂下盖(2-13)固定连接；在输出轴(2-16)的内孔中套装有手爪法兰(2-20)，手爪法兰(2-20)下端面通过埋头螺钉与输出轴(2-16)下端面固定连接；手爪法兰(2-20)内孔中套装有手爪轴(2-19)，手爪轴(2-19)为阶梯轴，手爪轴(2-19)上部圆周面装有弹簧一(2-28)，弹簧一(2-28)的下端顶压在手爪轴(2-19)阶梯面上，弹簧一(2-28)的上端顶压在手爪法兰(2-20)上端台阶内沿，手爪轴(2-19)下部圆周面的导槽中装有导向平键(2-27)，手爪法兰(2-20)内腔壁上对应开有键槽；手爪轴(2-19)下端通过插钉连接有磁吸组件(2-29)。

7.根据权利要求1-6所述的便携式螺栓预拧紧机械手，其特征在于：所述的机械手(2)的走线方式设置是，小臂(2-12)的下表面设置有小臂盖板(2-13)；相机(7)固定连接在小臂盖板(2-13)最前端；大臂盖板(2-9)上固定连接有大臂端盖(2-31-A)，小臂盖板(2-13)下表面固定连接有小臂端盖(2-31-B)；大臂盖板(2-9)密封在大臂端盖(2-31-A)的部分处开有走线孔，大臂侧面末端开有走线孔；小臂盖板(2-13)密封在大臂端盖(2-31-B)的部分处开有走线孔；柔性手爪(8)的电气接线走线通过小臂(2-12)的内腔，穿过小臂盖板(2-13)上的走线孔至中空轴(2-15)，再穿过中空轴(2-15)至大臂盖板(2-9)，通过大臂盖板(2-9)上的走线孔至大臂内腔，通过大臂内腔，穿过大臂侧面末端的走线孔至拖链(2-26)；

拖链(2-26)一端通过拖链转接件(2-25-A)与大臂(2-11)中的电气部件连接，拖链(2-26)另一端通过拖链转接件(2-25-B)与立柱(2-3)中的电气部件连接。

8.根据权利要求7所述的便携式螺栓预拧紧机械手，其特征在于：所述的相机(7)能够对套筒料盘(5)、螺栓料盘(6)上的相关信息进行扫描，获取位置及目标信息；总控制器负责各个电气部件的信息收集、处理、动作指令的输出，实现整体协调一致的操作。

9.一种自动化螺栓预拧紧方法，利用权利要求1-8所述的便携式螺栓预拧紧机械手，其特征在于，按照以下步骤实施：

步骤1：准备，

根据工况需求，依据生产线(1)的作业要求设置套筒料盘(5)、螺栓料盘(6)和机械手(2)的位置，将机械手(2)固定在设定的位置并对其初始位置进行标定，将工装(4)和工件(3)放置于生产线(1)之上，初始化相机(7)的各项参数，依据套筒料盘(5)上套筒(5-1)的型号和位置设置套筒信息靶标(5-1)，依据螺栓料盘(6)上螺栓(6-2)的型号和位置设置套筒信息靶标(6-1)；

步骤2：识别工件(3)上的螺孔尺寸及其位置，

通过联动运动控制机械手(2)的移动，即电机驱动器一(2-23-A)发出控制指令给电机一(2-4-A)，驱动立柱(2-3)绕着底座(2-1)做回转运动；电机驱动器二(2-23-B)发出控制指令至电机二(2-4-B)，驱动线性模组(2-21)实现大臂(2-11)沿着立柱(2-3)做垂直升降运动；电机驱动器四(2-23-D)发出控制指令至电机四(2-4-D)，驱动小臂(2-12)实现绕着大臂(2-11)输出端的谐波减速器二(2-2-B)做回转运动；电机驱动器三(2-23-C)发出控制指令至电机三(2-4-C)，驱动柔性手爪(8)实现绕着小臂(2-12)输出端做回转运动；立柱(2-3)的回转运动、大臂(2-11)的升降运动、小臂(2-12)的回转运动协调联动运动，控制相机(7)在三维空间移动至工件(3)的上方，对工件(3)上螺孔(3-2)位置及尺寸信息实施采集；

步骤3：辨识及抓取套筒(5-2)，

通过协调配合立柱(2-3)的回转运动、大臂(2-11)的升降运动、小臂(2-12)的回转运动，控制相机(7)移动至套筒料盘(5)的套筒信息靶标(5-1)上方，进行靶标信息的读取，根据所识别的工件(3)上螺孔(3-2)的信息匹配套筒(5-2)的型号，当完成匹配后，根据匹配信息，控制机械手(2)的柔性手爪(8)移动至对应套筒(5-2)的上方，通过线性模组(2-21)的垂直运动带动柔性手爪(8)向下运动，为了便于与套筒(5-2)的对准配合，同时驱动柔性手爪(8)做回转运动，当电机二(2-4-B)检测到柔性手爪(8)与套筒(5-2)接触的力觉反馈信息时，减小柔性手爪(8)的下降速度，当电机二(2-4-B)检测到柔性手爪(8)与套筒(5-2)完全配合的力觉反馈信息时，启动磁吸组件(2-29)，实现套筒(5-2)的磁吸卡紧，控制线性模组(2-21)向上运动，完成一个确定的套筒(5-2)的识别与抓取；

步骤4：辨识及抓取螺栓(6-2)，

通过联动运动控制机械手(2)移动至螺栓料盘(6)上方，并确保相机(7)在螺栓料盘(6)的螺栓信息靶标(6-1)的正上方，进行螺栓(6-2)型号及位置信息的读取，根据所识别的工件(3)上螺孔(3-2)的信息及所选取的套筒(5-2)的信息确定合适的螺栓型号，根据匹配信息，通过联动运动控制机械手(2)，使柔性手爪(8)移动至所需要的螺栓(6-2)正上方，通过线性模组(2-21)带动柔性手爪(8)向下运动，为了便于与套筒(5-2)的对准配合，同时驱动柔性手爪(8)进行回转运动，当电机二(2-4-B)检测到柔性手爪(8)与螺栓(6-2)接触的力觉反馈信息时，减小柔性手爪(8)的下降速度，当电机二(2-4-B)检测到柔性手爪(8)中的套筒(5-2)与螺栓(6-2)完全配合的力觉反馈信息时，加大磁吸组件(2-29)的磁吸力，实现选定的螺栓(6-2)的吸附及抓紧，再控制线性模组(2-21)向上运动，从螺栓料盘(6)中取出所选定的螺栓(6-2)；

步骤5：预拧紧螺栓(6-2)，

通过联动运动控制机械手(2)移动至步骤2所识别的对应螺孔(3-2)位置上方，通过相机(7)的视觉反馈确保机械手(2)所携带的螺栓(6-2)位于螺孔(3-2)位置的正上方，控制线性模组(2-21)向下移动带动柔性手爪(8)向下运动，同时驱动柔性手爪(8)做回转运动；为了实现螺旋运动，根据螺栓(6-2)的螺距，当电机二(2-4-B)检测到柔性手爪(8)中的螺栓(6-2)与螺孔(3-2)接触的力觉反馈信息时，严格控制柔性手爪(8)下行和旋转实现螺旋运动，当电机二(2-4-B)检测到柔性手爪(8)中的螺栓(6-2)与螺孔(3-2)初步配合的力觉反馈信息时，增加柔性手爪(8)回转运动的扭矩，减小回转速度，此时在弹簧一(2-28)的压缩作用下，实现螺栓(6-2)的自适应预拧紧操作，当电机三(2-4-C)检测到柔性手爪(8)中的螺栓(6-2)与螺孔(3-2)配合的力觉反馈信息达到要求时，减小磁吸组件(2-29)的磁吸力，关闭柔性手爪(8)的回转运动，控制柔性手爪(8)向上移动，实现柔性手爪(8)中的套筒(5-2)与螺栓(6-2)的分离；

步骤6：放回套筒(5-2)，

通过联动运动控制机械手(2)移动至步骤3所识别的套筒(5-2)位置，采取与套筒(5-2)抓取相反的流程，完成套筒(5-2)的放回，关闭磁吸组件(2-29)，控制柔性手爪(8)向上移动，实现柔性手爪(8)与套筒(5-2)的分离；至此完成工件(3)上一个螺孔(3-2)的螺栓(6-2)的抓取及预拧紧操作；

步骤7：机械手(2)复位，

重复步骤2至步骤6，直到工件(3)上所有螺孔(3-2)完成对应螺栓(6-2)的抓取及预拧紧操作；

当工件(3)上所有螺孔(3-2)完成螺栓(6-2)的装配之后，机械手(2)复位至初始位置，等待下一个工件(3)的螺栓抓取及预拧紧操作，实现流水作业。

Images