CN112247959B - 一种空间展开臂高精度自动装配方法 - Google Patents

Abstract

一种空间展开臂高精度自动装配方法，属于机械装配技术领域，利用热熔胶将根部并联机构静平台固定到工作台面上，通过螺纹连接的方式将根部支撑工装与根部并联机构及根部关节进行连接，并利用定位销保证其相对位置关系；根据已知尺寸信息将臂间并联机构放置工作台合适位置，并利用热熔胶将其静平台固定，然后依次通过螺栓连接的方式将六维力传感器、臂间支撑工装及臂间关节串联到臂间并联机构上；机械臂能够抓取臂杆调整其位姿并在装配过程中起到对臂杆的重力卸载作用。计算机通过运动控制器实时控制根部并联机构、和机械臂的运动，另外，通过六维力传感器，可以实现对根部关节、臂杆、臂间关节的高精度装配。

Description

一种空间展开臂高精度自动装配方法

技术领域

本发明涉及一种空间展开臂高精度自动装配方法，属于机械装配技术领域。

背景技术

随着航天技术的发展，航天产品朝着高精度化、模块化、智能化方向发展，比如，高精准的对地观测卫星，对其加工装配精度要求越来越高，卫星天线空间展开臂的展开指向精度将直接影响天线工作质量。目前，空间展开臂装配主要还是由人工完成，人工装配需要借助专用工装和相应位姿测量设备在装配过程中边测边调，装配过程无法控制装配应力，卸掉工装后展开臂的指向精度可能又会达不到要求，需要重新装配，整个装配过程反复冗杂，人工成本及时间成本很高，而且，目前对卫星天线展开精度要求越来越高，人工装配越来越难以胜任。因此，空间展开臂的装配工作需要高精度自动化设备以提高其装配效率及精度，研制空间展开臂高精度自动化装配设备正当其时，是展开臂装配方向的发展趋势。

发明内容

本发明要解决的技术问题是：克服现有技术的不足，提供了一种空间展开臂高精度自动装配方法，利用热熔胶将根部并联机构静平台固定到工作台面上，通过螺纹连接的方式将根部支撑工装与根部并联机构及根部关节进行连接，并利用定位销保证其相对位置关系；根据已知尺寸信息将臂间并联机构放置工作台合适位置，并利用热熔胶将其静平台固定，然后依次通过螺栓连接的方式将六维力传感器、臂间支撑工装及臂间关节串联到臂间并联机构上；机械臂能够抓取臂杆调整其位姿并在装配过程中起到对臂杆的重力卸载作用。计算机通过运动控制器实时控制根部并联机构、和机械臂的运动，另外，通过六维力传感器，可以实现对根部关节、臂杆、臂间关节的高精度装配。

本发明目的通过以下技术方案予以实现：

一种空间展开臂高精度自动装配方法，包括如下步骤：

S1、将根部并联机构、机械臂、臂间并联机构均固定到工作台面的预设位置上，然后将根部支撑工装安装在根部并联机构上，将根部关节安装在根部支撑工装上，将臂间支撑工装安装在臂间并联机构上，将臂间关节安装在臂间支撑工装上，将六维力传感器安装在臂间支撑工装和臂间并联机构之间；

S2、利用两台经纬仪建站测量根部关节的位姿，通过根部并联机构调整根部关节的位姿，使根部关节转动轴线垂直于水平面，角度误差小于0.005°，最后锁定根部并联机构的位姿；

S3、利用四台经纬仪组网建站测量臂间关节相对根部关节的位姿，通过臂间并联机构调整臂间关节相对于根部关节的位姿，使臂间关节相对于根部关节的位姿与理论位置误差不超过0.1mm，与理论角度误差不超过0.002°；

S4、利用机械臂将臂杆放置根部关节和臂间关节之间，使用螺栓将臂杆一侧法兰与根部关节的法兰连接；

S5、拖动臂间关节的法兰与臂杆的另一侧法兰对接，拖动过程中，六维力传感器传感器的力的变化不超过2N、力矩变化不超过1N·m；根据臂间并联机构的位姿变化确定臂间关节的法兰与臂杆的另一侧法兰之间的间距；

S6、根据S5中的间距，在位姿变化确定臂间关节的法兰与臂杆的另一侧法兰之间增加垫片，然后将臂间关节的法兰与臂杆的另一侧法兰连接；连接过程中，如果臂间关节相对于根部关节的位姿与S3中的相对位姿相比位置偏差超过0.3mm或角度偏差超过0.006°，则返回S5，否则转入S7；

S7、将根部关节从根部支撑工装上拆下，将臂间关节从臂间支撑工装上拆下，利用四台经纬仪组网建站测量臂间关节相对于根部关节的位姿与理论位置误差不超过0.5mm，与理论角度误差不超过0.01°。

上述空间展开臂高精度自动装配方法，优选的，利用热熔胶将根部并联机构、机械臂、臂间并联机构均固定到工作台面的预设位置上。

上述空间展开臂高精度自动装配方法，优选的，根部并联机构和根部支撑工装连接过程中、根部支撑工装和根部关节连接过程均采用定位销进行定位。

上述空间展开臂高精度自动装配方法，优选的，根部并联机构和根部支撑工装之间、根部支撑工装和根部关节之间均利用螺钉连接。

上述空间展开臂高精度自动装配方法，优选的，六维力传感器和臂间并联机构之间、六维力传感器和臂间支撑工装之间、臂间支撑工装和臂间关节之间利用螺钉连接。

上述空间展开臂高精度自动装配方法，优选的，S5中，臂间并联机构(9)为力位混合控制状态。

上述空间展开臂高精度自动装配方法，优选的，S5中，根据臂间并联机构的位姿变化确定臂间关节的法兰与臂杆的另一侧法兰之间各螺栓连接点间距。

一种空间展开臂高精度自动装配系统，包括根部并联机构、根部支撑工装、根部关节、臂杆、机械臂、臂间关节、臂间支撑工装、六维力传感器、臂间并联机构、经纬仪测量系统、计算机控制终端；

所述根部支撑工装用于根部并联机构和根部关节之间的转接；所述根部并联机构用于调整根部关节的位姿；

所述臂间支撑工装用于臂间并联机构和臂间关节之间的转接；所述臂间并联机构用于调整臂间关节的位姿；

所述六维力传感器用于测量所述臂间支撑工装和臂间并联机构之间的力和力矩；

所述经纬仪测量系统用于测量根部关节的位姿、臂间关节的位姿、根部关节和臂间关节的相对位置；

所述机械臂用于将臂杆安放在根部关节和臂间关节之间；

所述计算机控制终端用于控制根部并联机构、臂间并联机构、机械臂，并获取六维力传感器和经纬仪测量系统的测量结果。

本发明相比于现有技术具有如下有益效果：

1)本发明的自动装配方法与传统人工装配相比，具有装配精度高，装配速度快的优点，人工装配边测边调，零部件位姿无法定量调整，而本发明的并联机构调姿平台运动分辨率位置可达0.01mm，角度可达0.001°，整个装配过程可在数小时内完成，装配效率能够提高10倍以上。

2)本发明自动装配方法中的并联机构及机械臂不仅有调姿功能，而且能够平衡关节及臂杆的重力，起到重力卸载作用，因此，不再需要额外重力卸载工装，工作台面也无须选定类似气浮平台式高精度台面，方便建立独立的工作区域。

3)本发明的自动装配方法具备装配应力检测功能，利用安装在并联机构与零部件之间的六维力传感器能够实时监控装配应力，从而可以将装配应力控制在低应力装配允许范围内，大大减小工装拆除后装配应力释放对展开臂展开指向精度的影响。

4)本发明的自动装配方法适应能力强，能够根据通过设计加工专用支撑工装以及改变机械臂和并联机构的空间摆放位置实现对于不同型号空间展开臂的自动化装配，通过一定的改装，也可以实现对空间机械臂或其他零部件进行高精度自动装配。

附图说明

图1为本发明的自动装配设备示意图。

图2为本发明的控制系统示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明的实施方式作进一步详细描述。

一种空间展开臂高精度自动装配方法，包括如下步骤：

S1、将根部并联机构1、机械臂5、臂间并联机构9均固定到工作台面的预设位置上，然后将根部支撑工装2安装在根部并联机构1上，将根部关节3安装在根部支撑工装2上，将臂间支撑工装7安装在臂间并联机构9上，将臂间关节6安装在臂间支撑工装7上，将六维力传感器8安装在臂间支撑工装7和臂间并联机构9之间；

S2、利用两台经纬仪建站测量根部关节3的位姿，通过根部并联机构1调整根部关节3的位姿，使根部关节3转动轴线垂直于水平面，角度误差小于0.005°，最后锁定根部并联机构1的位姿；

S3、利用四台经纬仪组网建站测量臂间关节6相对根部关节3的位姿，通过臂间并联机构9调整臂间关节6相对于根部关节3的位姿，使臂间关节6相对于根部关节3的位姿与理论位置误差不超过0.1mm，与理论角度误差不超过0.002°；

S4、利用机械臂5将臂杆4放置根部关节3和臂间关节6之间，使用螺栓将臂杆4一侧法兰与根部关节3的法兰连接；

S5、拖动臂间关节6的法兰与臂杆4的另一侧法兰对接，拖动过程中，六维力传感器8传感器的力的变化不超过2N、力矩变化不超过1N·m；根据臂间并联机构9的位姿变化确定臂间关节6的法兰与臂杆4的另一侧法兰之间的间距；

S6、根据S5中的间距，在位姿变化确定臂间关节6的法兰与臂杆4的另一侧法兰之间增加垫片，然后将臂间关节6的法兰与臂杆4的另一侧法兰连接；连接过程中，如果臂间关节6相对于根部关节3的位姿与S3中的相对位姿相比位置偏差超过0.3mm或角度偏差超过0.006°，则返回S5，否则转入S7；

S7、将根部关节3从根部支撑工装2上拆下，将臂间关节6从臂间支撑工装7上拆下，利用四台经纬仪组网建站测量臂间关节6相对于根部关节3的位姿与理论位置误差不超过0.5mm，与理论角度误差不超过0.01°。

作为本发明的一种优选方案，利用热熔胶将根部并联机构1、机械臂5、臂间并联机构9均固定到工作台面的预设位置上。

作为本发明的一种优选方案，根部并联机构1和根部支撑工装2连接过程中、根部支撑工装2和根部关节3连接过程均采用定位销进行定位。根部并联机构1和根部支撑工装2之间、根部支撑工装2和根部关节3之间均利用螺钉连接。

作为本发明的一种优选方案，六维力传感器8和臂间并联机构9之间、六维力传感器8和臂间支撑工装7之间、臂间支撑工装7和臂间关节6之间利用螺钉连接。

作为本发明的一种优选方案，S5中，臂间并联机构9为力位混合控制状态。根据臂间并联机构9的位姿变化确定臂间关节6的法兰与臂杆4的另一侧法兰之间各螺栓连接点间距。

一种空间展开臂高精度自动装配系统，包括根部并联机构1、根部支撑工装2、根部关节3、臂杆4、机械臂5、臂间关节6、臂间支撑工装7、六维力传感器8、臂间并联机构9、经纬仪测量系统、计算机控制终端；

所述根部支撑工装2用于根部并联机构1和根部关节3之间的转接；所述根部并联机构1用于调整根部关节3的位姿；

所述臂间支撑工装7用于臂间并联机构9和臂间关节6之间的转接；所述臂间并联机构9用于调整臂间关节6的位姿；

所述六维力传感器8用于测量所述臂间支撑工装7和臂间并联机构9之间的力和力矩；

所述经纬仪测量系统用于测量根部关节3的位姿、臂间关节6的位姿、根部关节3和臂间关节6的相对位置；

所述机械臂5用于将臂杆4安放在根部关节3和臂间关节6之间；

所述计算机控制终端用于控制根部并联机构1、臂间并联机构9、机械臂5，并获取六维力传感器8和经纬仪测量系统的测量结果。

实施例：

一种空间展开臂高精度自动装配系统，包括根部并联机构1、根部支撑工装2、根部关节3、臂杆4、机械臂5、臂间关节6、臂间支撑工装7、六维力传感器8、臂间并联机构9、经纬仪测量系统、计算机控制终端，如图1所示。根部并联机构1负责调整根部关节3的空间位姿，使用前需先利用热熔胶将根部并联机构1静平台固定到工作台面上，通过螺纹连接的方式将根部支撑工装与根部并联机构及根部关节进行连接，并利用定位销保证其相对位置关系；根据已知尺寸信息将臂间并联机构9放置工作台合适位置，并利用热熔胶将其静平台固定，然后依次通过螺栓连接的方式将六维力传感器8、臂间支撑工装7及臂间关节6串联到臂间并联机构9上；机械臂5能够利用本发明的专用工装抓取臂杆4调整其位姿并在装配过程中起到对臂杆4的重力卸载作用。

本发明控制系统如图2所示，计算机控制终端为人机交互终端，采用经纬仪测量图1装配系统中涉及到的位姿，测量数据能够及时传递给计算机，计算机通过运动控制器实时控制根部并联机构1、9和机械臂5的运动，另外，通过六维力传感器8，可以实现对于臂间并联机构9的力位混合控制。

具体实施方式如下：

1)设备固定连接，将根部并联机构1、机械臂5和臂间并联机构9的底座利用热熔胶固定到工作台面指定的位置上，并依次连接好根部支撑工装2、根部关节3、臂杆4、臂间关节6、臂间支撑工装7以及六维力传感器8；

2)调整根部关节3位姿，利用两台经纬仪建站测量根部关节3的位姿，通过根部并联机构1调整根部关节3的位姿，使其转动轴线垂直于水平面，角度误差小于0.005°，调整完毕后，锁定根部并联机构1的位姿；

3)调整臂间关节6位姿，利用四台经纬仪组网建站测量臂间关节6相对根部关节3的位姿，通过臂间并联机构9调整臂间关节6相对于根部关节3的位姿，位置误差控制在0.1mm内，角度误差控制在0.002°内；

4)臂杆4左侧法兰连接，调整臂杆4的位姿，利用四台经纬仪组网建站测量臂杆4相对于根部关节3的位姿，通过机械臂5将臂杆4放置两关节间理论位置，使用螺栓将臂杆4左侧法兰与根部关节3右侧法兰连接；

5)测算臂间关节6左侧法兰与臂杆4右侧法兰间隙，将臂间并联机构9切换至力位混合控制状态，控制六维力传感器在当前状态下，力的变化在2N内，力矩变化在1N·m，用手拖动臂间关节6左侧法兰与臂杆4右侧法兰对接，控制程序根据臂间并联机构的位姿变化计算出两法兰界面间各个螺栓连接点应垫垫片厚度；

6)臂杆4右侧法兰连接，根据步骤5中的结果，垫好垫片后，用螺栓将臂间关节6左侧法兰与臂杆4右侧法兰连接，若连接过程中臂间关节6位姿相对于步骤3的位姿变化，位置超过0.3mm，角度超过0.006°则计算机上位机控制界面发出警报，提示连接错误，则重复步骤5重新连接；

7)位姿复检，臂杆连接完成后，重新测量臂间关节6相对根部关节3的位姿，保证位置误差在0.5mm内，角度误差在0.01°内。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

本发明虽然已以较佳实施例公开如上，但其并不是用来限定本发明，任何本领域技术人员在不脱离本发明的精神和范围内，都可以利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出可能的变动和修改，因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化及修饰，均属于本发明技术方案的保护范围。

Claims (8)

1.一种空间展开臂高精度自动装配方法，其特征在于，包括如下步骤：

S1、将根部并联机构（1）、机械臂（5）、臂间并联机构（9）均固定到工作台面的预设位置上，然后将根部支撑工装（2）安装在根部并联机构（1）上，将根部关节（3）安装在根部支撑工装（2）上，将臂间支撑工装（7）安装在臂间并联机构（9）上，将臂间关节（6）安装在臂间支撑工装（7）上，将六维力传感器（8）安装在臂间支撑工装（7）和臂间并联机构（9）之间；

S2、利用两台经纬仪建站测量根部关节（3）的位姿，通过根部并联机构（1）调整根部关节（3）的位姿，使根部关节（3）转动轴线垂直于水平面，角度误差小于0.005°，最后锁定根部并联机构（1）的位姿；

S3、利用四台经纬仪组网建站测量臂间关节（6）相对根部关节（3）的位姿，通过臂间并联机构（9）调整臂间关节（6）相对于根部关节（3）的位姿，使臂间关节（6）相对于根部关节（3）的位姿与理论位置误差不超过0.1mm，与理论角度误差不超过0.002°；

S4、利用机械臂（5）将臂杆（4）放置于根部关节（3）和臂间关节（6）之间，使用螺栓将臂杆（4）一侧法兰与根部关节（3）的法兰连接；

S5、拖动臂间关节（6）的法兰与臂杆（4）的另一侧法兰对接，拖动过程中，六维力传感器（8）的力的变化不超过2N、力矩变化不超过1N·m；根据臂间并联机构（9）的位姿变化确定臂间关节（6）的法兰与臂杆（4）的另一侧法兰之间的间距；

S6、根据S5中的间距，在臂间关节（6）的法兰与臂杆（4）的另一侧法兰之间增加垫片，然后将臂间关节（6）的法兰与臂杆（4）的另一侧法兰连接；连接过程中，如果臂间关节（6）相对于根部关节（3）的位姿与S3中的相对位姿相比位置偏差超过0.3mm或角度偏差超过0.006°，则返回S5，否则转入S7；

S7、将根部关节（3）从根部支撑工装（2）上拆下，将臂间关节（6）从臂间支撑工装（7）上拆下，利用四台经纬仪组网建站测量臂间关节（6）相对于根部关节（3）的位姿与理论位置误差不超过0.5mm，与理论角度误差不超过0.01°。

2.根据权利要求1所述的一种空间展开臂高精度自动装配方法，其特征在于，利用热熔胶将根部并联机构（1）、机械臂（5）、臂间并联机构（9）均固定到工作台面的预设位置上。

3.根据权利要求1所述的一种空间展开臂高精度自动装配方法，其特征在于，根部并联机构（1）和根部支撑工装（2）连接过程中、根部支撑工装（2）和根部关节（3）连接过程均采用定位销进行定位。

4.根据权利要求1所述的一种空间展开臂高精度自动装配方法，其特征在于，根部并联机构（1）和根部支撑工装（2）之间、根部支撑工装（2）和根部关节（3）之间均利用螺钉连接。

5.根据权利要求1所述的一种空间展开臂高精度自动装配方法，其特征在于，六维力传感器（8）和臂间并联机构（9）之间、六维力传感器（8）和臂间支撑工装（7）之间、臂间支撑工装（7）和臂间关节（6）之间利用螺钉连接。

6.根据权利要求1~5之一所述的一种空间展开臂高精度自动装配方法，其特征在于，S5中，臂间并联机构（9）为力位混合控制状态。

7.根据权利要求1~5之一所述的一种空间展开臂高精度自动装配方法，其特征在于，S5中，根据臂间并联机构（9）的位姿变化确定臂间关节（6）的法兰与臂杆（4）的另一侧法兰之间各螺栓连接点间距。

8.一种空间展开臂高精度自动装配系统，其特征在于，包括根部并联机构（1）、根部支撑工装（2）、根部关节（3）、臂杆（4）、机械臂（5）、臂间关节（6）、臂间支撑工装（7）、六维力传感器（8）、臂间并联机构（9）、经纬仪测量系统、计算机控制终端；

所述根部支撑工装（2）用于根部并联机构（1）和根部关节（3）之间的转接；所述根部并联机构（1）用于调整根部关节（3）的位姿；

所述臂间支撑工装（7）用于臂间并联机构（9）和臂间关节（6）之间的转接；所述臂间并联机构（9）用于调整臂间关节（6）的位姿；

所述六维力传感器（8）用于测量所述臂间支撑工装（7）和臂间并联机构（9）之间的力和力矩；

所述经纬仪测量系统用于测量根部关节（3）的位姿、臂间关节（6）的位姿、根部关节（3）和臂间关节（6）的相对位姿；

所述机械臂（5）用于将臂杆（4）安放在根部关节（3）和臂间关节（6）之间；

所述计算机控制终端用于控制根部并联机构（1）、臂间并联机构（9）、机械臂（5），并获取六维力传感器（8）和经纬仪测量系统的测量结果。

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