CN111618548A - 一种便于交互作业的微小零件自动装配设备的系统 - Google Patents

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王晓东
王乾州
张习文
罗怡
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Abstract

本发明属于精密微小零件自动装配技术领域，提供了一种便于交互作业的微小零件自动装配设备的系统。所述的便于交互作业的微小零件自动装配设备的系统结构中，装配作业模块与作业工作台模块固定安装在支架和平台中的光学平台上，基于机器视觉的精密测量模块通过由立柱、支座和安装板组成的支架结构连接于支架和平台中的光学平台上，且整个基于机器视觉的精密测量模块位于装配作业模块上方。本发明能实现对微小零件进行自动装配的功能，且由于特殊的模块间布置形式，可在设备两侧及人员侧空出大量工作空间，以便于进行装配零件的上下料、安装过程监测或其他交互作业等。

Description

一种便于交互作业的微小零件自动装配设备的系统
技术领域
本发明属于精密微小零件自动装配技术领域，涉及一种用于微小零件的自动装配系统。
背景技术
近些年，随着移动设备的迅速崛起与信息技术的蓬勃发展，几乎所有机电设备都在朝着微型化，便携化的方向发展。人们试图在更小的空间内去容纳以往无法想象的更多的功能，从而促进了微机电相关技术领域的蓬勃发展。
对于微机电产品来说，零件的加工制造与零件的装配安装是最重要的两个环节，而零件的装配安装更是至关重要。若零件的制造环节在可允许范围内出现小量偏差，在装配环节时可对其进行补偿安装，从而有可能达到更高的性能水平；如若在制造环节已经达到炉火纯青的技术，而装配环节却出现较大误差，则整体产品的性能则势必会受到较大影响。因而可见微机电产品装配环节对整体性能的决定性作用。对于微小器件的安装装配来说，手工装配又存在明显的短板——完全依赖工人技术水平而造成安装性能参差不齐、重复劳动过多无法解放人类双手、在更小尺度下人类手工根本无法完成，因此，用于微小零件的自动装配系统便成为这一切的重中之重。
发明专利号为CN201920089722.7的徐振源等人设计的多传感融合的复杂多构型微零件自动微装配设备，包括微装配在线检测系统、微装配输送主轴及托板快换系统、微装配机械手及换手系统。实时在线检测、微零件的预存储、位置定位、工位转运、提供装配基准、装配完成后的固化存放、微零件的拾取、位姿调整、涂胶操作、零件装配等。但该设备工作空间狭小，各组成部分间相互遮挡不便于装配过程的直接监视与干预，且自动上下料过程难以实现。发明专利号为CN201010049459.2的叶坤等人发明的一种加速度计组件自动装配系统和方法，利用机器视觉装置实现对装配零件的精确识别及位置、姿态的检测，利用具有力感知功能的真空吸附装置和精密位移平台实现对装配零件的拾取、移动和放置，实现了对加速度计组件的自动装配。但此装配系统其操作作业模块安置在系统左侧，仅在系统右侧有少量空闲空间可被用于其他交互性操作(诸如在系统侧方实现自动上下料等)，不适用于如今的自动化生产线模式。
上述微机电装配系统设备中，虽为特定的工序提供了复杂的操作，但对于系统两侧工作空间造成了过量压缩，增加诸如自动上下料等操作的不便程度，不适用于一侧上料另一侧下料的自动化生产线模式，急需进行改进。
发明内容
为解决微小零件精密装配中两侧工作空间狭小、装配系统中各组成部分(主要为机械臂)间易发生互相干涉、预留给自动上下料的空间过小等问题，本发明提供了一种便于交互作业的微小零件自动装配设备的系统结构。该微小零件自动装配设备系统结构包含四个部分：一套装配作业模块，一套基于机器视觉的精密测量模块，一套作业工作台模块，以及支架和平台。
本发明的技术方案如下：
一种便于交互作业的微小零件自动装配设备的系统，包括装配作业模块、基于机器视觉的精密测量模块、作业工作台模块、支架和平台；装配作业模块与作业工作台模块固定安装在支架和平台中的光学平台1上，基于机器视觉的精密测量模块位于装配作业模块的上方，通过支架和平台中的视觉模块安装板12连接与固定；
所述的装配作业模块，主要由装配作业X向移动导轨2、装配作业Y向移动导轨3、夹持执行器4、装配作业Z向移动导轨5及三根导轨相应的控制板卡组成；三根导轨相互垂直安装，其中，装配作业X向移动导轨2沿水平方向安装在支架和平台中的光学平台1上，装配作业Y向移动导轨3沿水平方向垂直安装于装配作业X向移动导轨2之上，装配作业Z向移动导轨5沿竖直方向安装于装配作业Y向移动导轨3之上；夹持执行器4垂直安装于装配作业Z向移动导轨5的滑块上；使用夹持执行器4来完成自动装配任务，根据需求，更换不同结构类型的夹持执行器4来完成不同零件的拾取搬运与装配任务；装配作业X向移动导轨2、装配作业Y向移动导轨3和装配作业Z向移动导轨5分别在X、Y、Z三个方向各拥有一个自由度，实现在工作空间内任意一点的定位；
所述的基于机器视觉的精密测量模块，主要由工业相机10及相配套的图像采集卡、环形光源14、相机连接板11、一根视觉测量X向导轨6、一根视觉测量Y向导轨7和一根视觉测量Z向导轨9组成；视觉测量X向导轨6、视觉测量Y向导轨7和视觉测量Z向导轨9相互垂直安装，其中，视觉测量X向导轨6与装配作业X向移动导轨2保持平行，安装于支架和平台中的视觉模块安装板12上，视觉测量Y向导轨7沿水平且与视觉测量X向导轨6垂直的方向安装于视觉测量X向导轨6之上，视觉测量Z向导轨9通过直角连接件8沿竖直且垂直于视觉测量Y向导轨7的方向安装于视觉测量Y向导轨7之上；环形光源14与工业相机10同轴且一起安装在相机连接板11上，并作为一个整体安装在视觉测量Z向导轨9的滑块之上；在基于机器视觉的精密测量模块中，视觉测量X向导轨6、视觉测量Y向导轨7和视觉测量Z向导轨9分别在X、Y、Z三个方向上各拥有一个自由度，工业相机10在视觉测量工作空间内可实现任意一点的定位；
所述的作业工作台模块，由具有绕Z轴旋转自由度的旋转式工作台16，及相配套的控制板卡组成；旋转式工作台16被安装在光学平台1上，其拥有的绕Z轴旋转的自由度，可在水平面内对零件的姿态进行调整，从而将待装配零件间进行姿态对准。
所述的支架和平台，平台是光学平台1，支架是主要由一个视觉模块安装板12、两根立柱15和四个固定座13所组成；其中，两个固定座13用来连接并固定光学平台1与立柱15，另两个固定座13用来连接立柱15与视觉模块安装板12，视觉模块安装板12与光学平台1保持平行。
本发明的有益效果：
(1)基于机器视觉的精密测量模块通过立柱与安装板安装于装配作业模块正上方，因而可使整个装配系统两侧及人员侧空出大量工作空间，便于进行其他操作(如待装配零件的上下料等)。
(2)装配系统除少数零件须额外特殊加工外，其余大部分零件均采用模块化设计，方便单个模块功能的调试与升级，且可根据实际装配零件的需要进行相应的组合与分解，降低设计成本与后期维护成本。
附图说明
图1为本发明一种便于交互作业的微小零件自动装配设备的系统结构示意图。
图中：1光学平台；2装配作业X向移动导轨；3装配作业Y向移动导轨；4夹持执行器；5装配作业Z向移动导轨；6视觉测量X向导轨；7视觉测量Y向导轨；8直角连接件；9视觉测量Z向导轨；10工业相机；11相机连接板；12视觉模块安装板；13固定座；14环形光源；15立柱；16旋转式工作台。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
在本说明中，假定待装配零件由2个部件组成，但不局限于2个部件。其中待装配零件的部件1被安装在旋转式工作台16某一固定上料位置处(即后文提到的理想待装配位置)，在装配过程中本装配系统的机械臂不对其进行拾取操作；待装配零件的部件2为可拾取部分，被安装在旋转式工作台16某上料位置处(即后文提到的理想待拾取位置)，机械臂可拾取部件2并将其安装至部件1上。
首先，采用人工或机器自动上料的方式将待装配零件各部件安置至旋转式工作台16上。而后，控制基于机器视觉的精密测量模块与装配作业模块各导轨，将夹持执行器4与工业相机10移动至理想待拾取位置。通过视觉测量系统对待装配部件2的位置进行测量，得到夹持执行器4与待装配部件2对应拾取特征点位的位置偏差，并控制装配作业模块各导轨对夹持执行器4进行相应的位置调整，拾取待装配部件2。而后，控制基于机器视觉的精密测量模块与装配作业模块各导轨，将夹持执行器4与工业相机10移动至理想待装配位置附近处。通过视觉测量系统对待装配部件2进行测量，得到待装配部件2的位置与姿态信息。之后，控制装配作业模块各导轨将待装配部件2退出相机视场空间，并检测待装配部件1的姿态信息，得到待装配部件1与待装配部件2的姿态偏差。控制旋转式工作台16对待装配部件1进行姿态调整(旋转一定角度等)。控制基于机器视觉的精密测量模块各导轨再次检测此时待装配部件1与待装配部件2的位置偏差，并控制装配作业模块各导轨对待装配部件2进行位置调整。而后，控制装配作业模块各导轨执行安装过程。至此，装配过程完成，控制各导轨退至安全位置以便下次装配。采用人工或机器自动下料的方式将已装配零件取下以进行下一步连结等工序。

Claims (1)

1.一种便于交互作业的微小零件自动装配设备的系统，其特征在于，该系统包括装配作业模块、基于机器视觉的精密测量模块、作业工作台模块、支架和平台；装配作业模块与作业工作台模块固定安装在支架和平台中的光学平台(1)上，基于机器视觉的精密测量模块位于装配作业模块的上方，通过支架和平台中的视觉模块安装板(12)连接与固定；
所述的装配作业模块，主要由装配作业X向移动导轨(2)、装配作业Y向移动导轨(3)、夹持执行器(4)、装配作业Z向移动导轨(5)及三根导轨相应的控制板卡组成；三根导轨相互垂直安装，其中，装配作业X向移动导轨(2)沿水平方向安装在支架和平台中的光学平台(1)上，装配作业Y向移动导轨(3)沿水平方向垂直安装于装配作业X向移动导轨(2)之上，装配作业Z向移动导轨(5)沿竖直方向安装于装配作业Y向移动导轨(3)之上；夹持执行器(4)垂直安装于装配作业Z向移动导轨(5)的滑块上；使用夹持执行器(4)来完成自动装配任务，根据需求，更换不同结构类型的夹持执行器(4)来完成不同零件的拾取搬运与装配任务；装配作业X向移动导轨(2)、装配作业Y向移动导轨(3)和装配作业Z向移动导轨(5)分别在X、Y、Z三个方向各拥有一个自由度，实现在工作空间内任意一点的定位；
所述的基于机器视觉的精密测量模块，主要由工业相机(10)及相配套的图像采集卡、环形光源(14)、相机连接板(11)、一根视觉测量X向导轨(6)、一根视觉测量Y向导轨(7)和一根视觉测量Z向导轨(9)组成；视觉测量X向导轨(6)、视觉测量Y向导轨(7)和视觉测量Z向导轨(9)相互垂直安装，其中，视觉测量X向导轨(6)与装配作业X向移动导轨(2)保持平行，安装于支架和平台中的视觉模块安装板(12)上，视觉测量Y向导轨(7)沿水平且与视觉测量X向导轨(6)垂直的方向安装于视觉测量X向导轨(6)之上，视觉测量Z向导轨(9)通过直角连接件(8)沿竖直且垂直于视觉测量Y向导轨(7)的方向安装于视觉测量Y向导轨(7)之上；环形光源(14)与工业相机(10)同轴且一起安装在相机连接板(11)上，并作为一个整体安装在视觉测量Z向导轨(9)的滑块之上；在基于机器视觉的精密测量模块中，视觉测量X向导轨(6)、视觉测量Y向导轨(7)和视觉测量Z向导轨(9)分别在X、Y、Z三个方向上各拥有一个自由度，工业相机(10)在视觉测量工作空间内可实现任意一点的定位；
所述的作业工作台模块，由具有绕Z轴旋转自由度的旋转式工作台(16)，及相配套的控制板卡组成；旋转式工作台(16)被安装在光学平台(1)上，其拥有的绕Z轴旋转的自由度，可在水平面内对零件的姿态进行调整，从而将待装配零件间进行姿态对准；
所述的支架和平台，平台是光学平台(1)，支架是主要由一个视觉模块安装板(12)、两根立柱(15)和四个固定座(13)所组成；其中，两个固定座(13)用来连接并固定光学平台(1)与立柱(15)，另两个固定座(13)用来连接立柱(15)与视觉模块安装板(12)，视觉模块安装板(12)与光学平台(1)保持平行。
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