CN111571642B - 坐标式机器人对机器人部件组装 - Google Patents

Abstract

一种将辅助部件组装至主要部件的方法包括：用第一臂端工具抓取主要部件，其中第一臂端工具附接到第一机械臂；和用第二臂端工具抓取辅助部件，其中第二臂端工具附接到第二机械臂。将主要部件移动到接合位置，其中主要部件上的接合面处于适当的位置和方向，以使辅助部件附接到其上。移动第二臂端工具以使辅助部件与主要部件的接合面接合，和利用附接到接合机械臂的接合工具在主要部件和辅助部件之间形成接头。

Description

坐标式机器人对机器人部件组装

技术领域

本发明涉及无夹具部件组装系统和部件组装方法。

背景技术

制造系统通常对部件、子组件和/或组件进行移动、转换或操作，这些部件、子组件和/或组件必须精确定位并固定就位以便进行制造和组装操作。例如，钣金件或钢板、子组件或组件可能需要精确定位并固定就位，以在车辆组装厂或在诸如电器、飞机、家具和电子器件等物品的组装线上进行组装、焊接和检查操作。部件定位夹具通常用于该目的。

部件定位夹具通常包括多个固定销和一个或多个夹持装置，该多个固定销配置成安装到部件限定的多个定位孔中，该一个或多个夹持装置配置成将部件固定就位。部件定位夹具通常仅可用于一个特定的部件尺寸和/或形状，并且在定位和固定不同尺寸和/或形状的部件时通常需要改进或重做。在制造工厂中通常需要多个部件定位夹具以达到各种部件以及各种组装和制造操作的需求。因此，虽然当前系统实现了其预期目的，但是需要一种用于组装部件的新的改进的系统和方法，更具体地，使用无夹具部件组装系统来组装部件，其中机器人互相通信以确定各部件彼此间的相对位置。

发明内容

根据本发明的若干方面，一种将辅助部件组装至主要部件的方法包括：用第一臂端工具抓取主要部件，其中第一臂端工具附接到第一机械臂；用第二臂端工具抓取辅助部件，其中第二臂端工具附接到第二机械臂。安装在第二臂端工具上的摄像机对主要部件进行视觉检测，并定位主要部件的至少一个基准特征。将由摄像机测量的主要部件的至少一个基准特征的位置与存储在第二控制器中的参考坐标系进行比较，其中第二控制器适于控制第二机械臂和第二臂端工具移动。计算由摄像机测量的主要部件的至少一个基准特征的位置与参考坐标系之间的偏差。将偏差信息记录在第二控制器中，并通过机器人对机器人通信架构将存储在第二控制器中的偏差信息发送到第一控制器，其中第一控制器适于控制第一机械臂和第一臂端工具移动。基于从第二控制器接收的偏差信息在第一控制器中创建坐标系，将主要部件移动到接合位置，其中，主要部件上的接合面处于适当的位置和方向，以便辅助部件附接到其上。将所创建的坐标系从第一控制器发送到第二控制器，其中该创建的坐标系包括主要部件移动后的至少一个基准特征的位置，利用所创建的坐标系和至少一个基准特征的位置，基于所述创建的坐标系来识别辅助部件在主要部件上的接合面相对于至少一个基准特征的位置，和移动第二臂端工具以使辅助部件与主要部件的接合面接合。

根据本发明的另一方面，该方法还包括利用附接到接合机械臂的接合工具在主要部件和辅助部件之间形成接头。

根据本发明的另一方面，其中利用附接到接合机械臂的接合工具在主要部件和辅助部件之间形成接头还包括：利用附接到接合机械臂的焊接工具将辅助部件焊接到主要部件。

根据本发明的另一方面，该方法还包括在移动第二臂端工具使辅助部件与主要部件的接合面接合的同时，监测由安装在第二机械臂上的测力计测量的力，其中测力计适于测量第二机械臂和第二臂端工具施加在辅助部件上的力以确定主要部件和辅助部件何时接触，以及测量辅助部件与主要部件保持接触的力。

根据本发明的另一方面，该方法还包括在利用附接到接合机械臂的接合工具在主要部件和辅助部件之间形成接头的同时，持续监测由安装在第二机械臂上的测力计测得的力，并且改变主要部件和辅助部件的位置以实现预定力安排。

根据本发明的另一方面，该方法还包括在利用附接到接合机械臂的接合工具在主要部件和辅助部件之间形成接头的同时，持续监测由安装在第二机械臂上的测力计测得的力以检测主要部件和辅助部件间的热变形，以及响应于主要部件和辅助部件之间的热变形来改变主要部件和辅助部件的位置和施加在主要部件和辅助部件之间的力。

根据本发明的另一方面，将主要部件移动到接合位置，其中主要部件上的接合面处于适当的位置和方向以便辅助部件附接到其上，还包括：移动第一机械臂和第一臂端工具，同时相对于第一臂端工具移动主要部件，以将主要部件移动到接合位置，其中主要部件上的接合面处于适当的位置和方向以便辅助部件附接到其上。

根据本发明的另一方面，相对于第一臂端工具移动主要部件，还包括：铰接安装在第一臂端工具上的耳轴，其中耳轴将主要部件支撑在第一臂端工具内，并且能够单自由度移动以将主要部件相对于第一臂端工具转动。

根据本发明的另一方面，视觉检测主要部件还包括：利用安装在第二臂端工具上的摄像机对主要部件进行视觉检测。

根据本发明的另一方面，视觉检测主要部件还包括：利用安装在固定位置处的摄像机对主要部件进行视觉检测。

根据本发明的若干方面，部件组装系统包括安装到第一机械臂上的第一臂端工具和安装到第二机械臂上的第二臂端工具，其中第一臂端工具适于抓取主要部件，第二臂端工具适于抓取辅助部件。非接触式检测装置适于视觉检测主要部件并定位主要部件上的基准特征。第一控制器适于控制第一机械臂移动，并且第二控制器适于控制第二机械臂移动，并将由摄像机测量的主要部件的基准特征的位置与存储在第二控制器中的参考坐标系进行比较，其中第二控制器还适于计算由摄像机测量的主要部件的基准特征的位置与参考坐标系之间的偏差，并将偏差信息记录在第二控制器中。机器人对机器人通信架构使第一控制器和第二控制器互相连接，其中第二控制器通过机器人对机器人通信架构将偏差信息发送到第一控制器，并且第一控制器适于基于从第二控制器接收的偏差信息创建坐标系并将主要部件移动到接合位置，其中主要部件上的接合面处于适当的位置和方向以便辅助部件附接到其上。测力计安装在第二臂端工具上，其中测力计适于测量当主要部件与辅助部件接触时接合面的反作用力。

根据本发明的另一方面，部件组装系统还包括安装到接合机械臂上的接合工具，其中接合工具适于在主要部件和辅助部件之间形成接头。

根据本发明的另一方面，接合工具为适于将辅助部件焊接到主要部件的焊接工具。

根据本发明的另一方面，第二控制器适于基于预定力安排来改变主要部件和辅助部件之间测得的反作用力。

根据本发明的另一方面，第二控制器适于响应于主要部件和辅助部件间的热变形来改变主要部件和辅助部件之间测得的反作用力。

根据本发明的另一方面，该部件组装系统还包括安装在第一臂端工具上的耳轴，该耳轴适于将主要部件支撑在第一臂端工具上，并且可绕轴线转动以使主要部件能够相对于第一臂端工具转动。

根据本发明的另一方面，该部件组装系统还包括致动器和编码器，该致动器安装在第一臂端工具上，并且适于使耳轴相对于第一臂端工具转动，该编码器附接到耳轴，并且适于测量耳轴相对于第一臂端工具的角位置，其中致动器和编码器与第一控制器通信，当使主要部件移动到接合位置时，第一控制器结合控制第一机械臂移动来控制耳轴转动。

根据本发明的另一方面，非接触式检测装置为安装在固定位置的摄像机。

根据本发明的另一方面，非接触式检测装置为安装在第二臂端工具上的摄像机。

根据本发明的另一方面，第一和第二机械臂是六轴铰接机械臂。

根据本文提供的说明，其他应用领域将变得显而易见。应当理解的是，该说明和具体示例仅用于说明目的，并不旨在限制本公开的范围。

附图说明

本文描述的附图仅用于说明目的，并不旨在以任何方式限制本公开的范围。

图1是根据示例性实施例的部件组装系统的透视图；

图2是根据示例性实施例的将辅助部件组装至主要部件的方法的流程示意图。

具体实施方式

以下描述本质上仅是示例性的，并不旨在限制本公开、应用或用途。

参考图1，本发明的部件组装系统总体上用10表示。部件组装系统10包括第一机械臂12和第二机械臂16，第一机械臂上安装有第一臂端工具14；第二机械臂上安装有第二臂端工具18。第一臂端工具14适于在组装过程中抓取并固定主要部件20。第二臂端工具18适于在组装过程中抓取并固定辅助部件22。

作为非限制性示例，主要部件20和辅助部件22可以是配置为车辆行李箱盖或举升门的面板。可替选地，主要部件20和辅助部件22可以是飞机机身面板、家用电器门板、椅子扶手、或配置成连接或附接到另一子部件的任何其它子部件。主要部件20和辅助部件22可由任何适合的材料做成，诸如金属、塑料、复合材料等。如图1的示例性实施例中所示的主要部件20和辅助部件22是车辆车架部件。更具体地，主要部件20是车架，辅助部件22是附接到主要部件20的诸如支架的子部件。

第一机械臂12和第二机械臂16可以是可编程机械臂，可包括手部、腕部、肘部和肩部(未示出)，并且可由气动装置和/或电子装置远程控制。作为非限制性示例，第一机械臂12和第二机械臂16可以是六轴铰接机械臂、笛卡尔机械臂、球形或极坐标机械臂、选择顺应性组装机械臂等。在一个非限制性示例中，第一机械臂12和第二机械臂16可以是六轴铰接机械臂。

部件组装系统10包括安装在第二机械臂16上的摄像机24。摄像机24视觉检测主要部件20并定位主要部件20上的基准特征26。

第一控制器28适于控制第一机械臂12移动，并且第二控制器30适于控制第二机械臂16移动。第一和第二系统控制器28、30是非通用电子控制装置，其具有预编程的数字计算机或处理器、用于存储诸如控制逻辑、软件应用、指令、计算机代码、数据、查找表等数据的存储器或非瞬态计算机可读介质、以及收发器或输入/输出端口。计算机可读介质包括能够由计算机访问的任何类型的介质，诸如只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、硬盘驱动器、光盘(CD)、数字视频光盘(DVD)或任何其他类型的存储器。非瞬态计算机可读介质不包括传输瞬态电信号或其它信号的有线、无线、光学或其它通信链路。非瞬态计算机可读介质包括可永久存储数据的介质以及可存储数据并随后覆盖数据的介质，诸如可重写光盘或可擦除存储装置。计算机代码包括任何类型的程序代码，包括源代码、目标代码和可执行代码。

第二控制器30还适于将由摄像机24测量的主要部件20的基准特征26的位置与存储在第二控制器30中的参考坐标系进行比较。该坐标系是主要部件20和辅助部件22进行组装所在的虚拟三维位置空间。参考坐标系提供了主要部件20在坐标系内的参考位置的三维位置信息。

检测摄像机24与第二控制器30通信。第二控制器30使用来自检测摄像机24的信息确定主要部件的位置。第二控制器30还适于计算由摄像机24测量的主要部件20的基准特征26的位置与参考坐标系之间的偏差，并将该偏差信息存储在第二控制器30中。检测摄像机24可以安装在固定位置，或者可替选地，检测摄像机24可以安装在第二臂端工具18上。

第一控制器28使第一机械臂12移动并驱动第一臂端工具14以控制主要部件20的位置。第二控制器30使第二机械臂16移动并驱动第二臂端工具18以控制辅助部件22的位置。第一机械臂12和第二机械臂16基于存储在存储器中或提供给控制器28、30的可执行代码通过第一和第二控制器28、30进行移动。机器人对机器人通信架构32使第一控制器28和第二控制器30相互连接。机器人对机器人通信架构32允许第一机械臂12和第二机械臂16相互通信并且共享用于第一和第二控制器28、30协调主要部件20和辅助部件22移动的信息。第二控制器30通过机器人对机器人通信架构32将偏差信息发送到第一控制器28。

耳轴42安装在第一臂端工具14上。耳轴42适于将主要部件20支撑在第一臂端工具14上，并可绕轴线转动以使主要部件20能够相对于第一臂端工具14转动。致动器44安装在第一臂端工具14上。致动器44使耳轴42以及支撑在耳轴42上的主要部件20相对于第一臂端工具14转动。编码器46附接到耳轴42，并且测量耳轴42相对于第一臂端工具14的角位置。致动器44和编码器46与第一控制器28通信。当使主要部件20移动到接合位置时，第一控制器28结合控制第一机械臂12移动来控制耳轴42转动。

测力计36安装在第二机械臂16上，并且适于测量第二机械臂16施加在辅助部件22上的力。当辅助部件22与主要部件20接触时，第二控制器30监测由测力计36测量的力，以确定辅助部件22何时接触主要部件20。一旦主要部件20和辅助部件22接触，第二控制器30继续监测由测力计36测量的力，从而监测施加在主要部件28和辅助部件30之间的力。

第一和第二机械臂12、16适于由第一和第二控制器28、30基于位置控制或力控制来控制。当系统控制器28、30采用位置控制时，基于第一和第二机械臂12、16在部件组装系统10的工作空间内的三维位置来控制第一和第二机械臂12、16。当采用位置控制时，控制第一和第二机械臂12、16保持在特定位置。当系统控制器28、30采用力控制时，基于由测力计36测量的力反馈来控制第一和第二机械臂12、16。

第一和第二控制器28、30可以采用力控制来进行控制，其中一旦主要部件20和辅助部件22接触，第一和第二控制器28、30将采用来自测力计36的反馈以预定力使主要部件20和辅助部件22之间保持接触。第一和第二控制器28、30还可以基于预定力安排来改变在主要部件20和辅助部件22之间测得的力。

另外，可预期的是，在主要部件20和辅助部件22之间引入预荷载，以抵消焊接期间发生的预期热变形，或者响应在焊接期间检测到的热变形。主要部件20和辅助部件22进行焊接时会引起主要部件20和辅助部件22的热膨胀和变形。为了解决这个问题，第一和第二机械臂12、16可以在焊接开始之前在主要部件20和辅助部件22之间施加额外的力。例如，可预期的是，在焊接之前在预组装的主要部件20和辅助部件22中引入预荷载或弯曲。无塑性变形的弯曲会在成品部件中引入预荷载。当焊接完成时，辅助部件22在主要部件20上的方向和位置会以可预测的方式作用于主要部件20和辅助部件22之间新形成的焊缝。

接合机械臂38包括安装在其上的接合工具40。接合工具40适于接合主要部件20和辅助部件22。控制接合机械臂38使接合工具40接合主要部件20与辅助部件22。接合机械臂38可以是可编程机械臂，可包括手部、腕部、肘部和肩部(未示出)，并且可以由气动装置和/或电子装置远程控制。作为非限制性示例，接合机械臂38可以是六轴铰接机械臂、笛卡尔机械臂、球形或极坐标机械臂、选择顺应性组装机械臂等。在一个非限制性示例中，接合机械臂38可以是六轴铰接机械臂。

应当理解的是，接合工具40可以是适于接合由不同材料制成具有不同特性的子部件的任何类型的接合工具。在图1所示的示例性实施例中，接合工具40是适于将主要部件20和辅助部件22进行焊接附接的焊接工具。

参考图2，部件组装方法总体上以50表示。一种利用部件组装系统10组装主要部件20和辅助部件22的方法包括：用第一臂端工具14抓取52主要部件20，用第二臂端工具18抓取54辅助部件22。在抓取52和54主要部件20和辅助部件22后，主要部件20和辅助部件22在部件组装系统10的工作空间内彼此相对定位。

通过安装在第二机械臂16上的摄像机24对主要部件20进行视觉检测56来确定主要部件20的位置。摄像机24定位58主要部件20的基准特征26。第二控制器30将主要部件20的基准特征26的位置与位于第二控制器30的存储器中的参考坐标系进行比较60。

在将主要部件20的实际位置与参考坐标系进行比较60之后，第二控制器30计算62由摄像机24测量的主要部件20的基准特征26的位置与参考坐标系之间的偏差。然后将该偏差记录64在第二控制器30中，并由机器人对机器人通信架构发送66到第一控制器28。

第一控制器28获取来自第二控制器30的偏差信息，并且创建68坐标系，以及将主要部件20移动70到接合位置。第一机械臂12移动第一臂端工具14，并且耳轴42相对于第一臂端工具14移动主要部件20，从而将主要部件移动到接合位置。在接合位置，主要部件20的接合面34处于适当的位置和方向，以便辅助部件22附接到其上。

在移动主要部件20之后，第一控制器28将新创建的坐标系和基准特征26的位置发送到第二控制器30。第二控制器30利用主要部件20的新位置信息移动78辅助部件22，并使辅助部件22与主要部件20接合。

同时，当第二机械臂16和第二臂端工具18移动辅助部件22使其与主要部件20的接合面34接合时，第二控制器30监测84由安装在第二机械臂16上的测力计36测量的力。通过监测84由测力计36测量的力，第二控制器30可以准确检测到辅助部件22何时与主要部件20接触。

一旦主要部件20和辅助部件22已互相接触，安装在接合机械臂38上的接合工具40在主要部件20和辅助部件22之间形成86接头。可预期的是，在主要部件20和辅助部件22之间引入预荷载以抵消焊接期间发生的预期热变形。主要部件20和辅助部件22进行焊接时会引起主要部件20和辅助部件22的热膨胀和变形。为了解决这个问题，第一和第二机械臂12、16可以在焊接开始之前向主要部件20和辅助部件22施加额外的力。作为非限制性示例，可在焊接之前在辅助部件22中引入预荷载或弯曲。无塑性变形的弯曲会引入预荷载。当焊接完成时，焊接的辅助部件会以可预测的方式作用于主要部件20上新形成的焊缝。

同时，当在主要部件和辅助部件之间形成86接头时，第二控制器30持续监测88和改变90主要部件20和辅助部件22之间的力。主要部件20和辅助部件22之间测得的力可以基于预定力安排而变化。可替选地，响应于接合期间主要部件20和辅助部件22之间检测到的热变形来改变主要部件20和辅助部件22之间测得的力。

可对任意数量的辅助部件22或多个不同的子部件22重复上述过程，从而构建其上附接有多个不同子部件22的主要部件20。

本发明的部件组装系统10提供若干优点。可以在不使用专用夹具的情况下组装部件。另外，在焊接前和焊接过程期间，部件可受到外力的影响，从而产生可预测的热变形和材料特性。最后，本发明的部件组装系统10可按照如上描述执行，并且柔性的适应不同类型的辅助部件并改变在其中形成的部件的特性。

本发明的描述本质上仅仅是示例性的，并且不脱离本公开的主旨的变化旨在落入本发明的范围内。这种变化不应视为背离了本发明的精神和范围。

Claims (10)

1.一种将辅助部件组装至主要部件的方法，所述方法包括：

用第一臂端工具抓取主要部件，其中所述第一臂端工具附接到第一机械臂；

用第二臂端工具抓取辅助部件，其中所述第二臂端工具附接到第二机械臂；

安装在所述第二臂端工具上的摄像机对所述主要部件进行视觉检测；

定位所述主要部件的至少一个基准特征；

将由所述摄像机测量的主要部件的至少一个基准特征的位置与存储在第二控制器中的参考坐标系进行比较，其中所述第二控制器适于控制所述第二机械臂和第二臂端工具移动；

计算由所述摄像机测量的主要部件的至少一个基准特征的位置与所述参考坐标系之间的偏差；

将所述偏差信息记录在所述第二控制器中；

通过机器人对机器人通信架构将存储在所述第二控制器中的偏差信息发送到第一控制器，其中所述第一控制器适于控制所述第一机械臂和第一臂端工具移动；

基于从所述第二控制器接收的偏差信息在所述第一控制器中创建坐标系；

将所述主要部件移动到接合位置，其中所述主要部件上的接合面处于适当的位置和方向以便所述辅助部件附接到其上；

将所述创建的坐标系从所述第一控制器发送到所述第二控制器，其中所述创建的坐标系包括将所述主要部件移动后的至少一个基准特征的位置；

利用所述创建的坐标系和所述至少一个基准特征的位置，基于所述创建的坐标系来识别所述辅助部件在所述主要部件上的接合面相对于所述至少一个基准特征的位置；以及

移动所述第二臂端工具以使所述辅助部件与所述主要部件的接合面接合。

2.根据权利要求1所述的方法，还包括，利用附接到接合机械臂的接合工具在所述主要部件和所述辅助部件之间形成接头。

3.根据权利要求2所述的方法，其中利用附接到接合机械臂的接合工具在所述主要部件和所述辅助部件之间形成接头还包括：

利用附接到所述接合机械臂的焊接工具将所述辅助部件焊接到所述主要部件。

4.根据权利要求1所述的方法，还包括：

移动所述第二臂端工具以使所述辅助部件与所述主要部件的所述接合面接合；

同时，监测由安装在所述第二机械臂上的测力计测量的力，其中所述测力计适于测量由所述第二机械臂和第二臂端工具施加在所述辅助部件上的力以确定所述主要部件和所述辅助部件何时接触，以及测量所述辅助部件与所述主要部件保持接触的力。

5.根据权利要求4所述的方法，还包括：

利用附接到接合机械臂的接合工具在所述主要部件和所述辅助部件之间形成接头；

同时，持续监测由安装在所述第二机械臂上的所述测力计测得的力；以及

改变所述主要部件和所述辅助部件之间的位置以实现预定力安排。

6.根据权利要求4所述的方法，还包括：

利用附接到接合机械臂的接合工具在所述主要部件和所述辅助部件之间形成接头；

同时，持续监测由安装在所述第二机械臂上的测力计测得的力以检测所述主要部件和所述辅助部件之间的热变形；以及

响应于所述主要部件和所述辅助部件之间的热变形来改变所述主要部件和所述辅助部件之间的位置和施加在所述主要部件和所述辅助部件之间的力。

7.根据权利要求1所述的方法，其中将所述主要部件移动到接合位置，其中所述主要部件上的接合面处于适当的位置和方向以使所述辅助部件附接到其上，还包括：

移动所述第一机械臂和第一臂端工具，并且同时相对于所述第一臂端工具移动所述主要部件，以将所述主要部件移动到接合位置，其中所述主要部件上的接合面处于适当的位置和方向以便所述辅助部件附接到其上。

8.根据权利要求7所述的方法，其中相对于所述第一臂端工具移动所述主要部件，还包括：

铰接安装在所述在第一臂端工具上的耳轴，其中所述耳轴将所述主要部件支撑在所述第一臂端工具内，并且能够单自由度移动以将所述主要部件相对于所述第一臂端工具转动。

9.根据权利要求1所述的方法，其中视觉检测所述主要部件还包括：

利用安装在所述第二臂端工具上的摄像机对所述主要部件进行视觉检测。

10.根据权利要求1所述方法，其中视觉检测所述主要部件还包括：

利用安装在固定位置处的摄像机对所述主要部件进行视觉检测。

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