CN112427911B - 高精度装配系统及装配方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了高精度装配系统及装配方法，所述装配系统包括上料模块、装配模块、装配作业模块、测控模块以及装配信息模块；装配作业模块包括机器人、六自由度位移台，六自由度位移台安装在产品装配台上，六自由度位移台用于装配产品，所述机器人用于抓取上料模块上的待装配产品并移动至六自由度位移台的正上方；测控模块包括测量模块，测量模块两组相同的测量装置相对布置组成；测量装置包括线激光传感器和视觉相机，线激光传感器和视觉相机与六自由度位移台通信连接。本发明能够通平面过机器人实现产品的搬运，通过六自由度位移台实现产品在装配过程中的精密调姿；机器人和六自由度位移台相互配合，共同实现具有高精度装配要求的产品装配过程。

Description

高精度装配系统及装配方法

技术领域

本发明涉及机械装配技术领域，具体涉及高精度装配系统及装配方法。

背景技术

对于存在配合止口、有高精度装配要求且自身刚性较好的大尺寸产品，可采用多自由度机器人运动机构、力-机器视觉-激光位移传感多信息耦合位姿调整等技术，攻克产品的柔性对接、柔性抓取以及柔性装配。但对于本身材质特殊、刚性较弱且没有配合止口的大尺寸产品，装配过程中产品之间不能磕碰，则不宜采用柔性对接，实现高精度小间隙装配比较困难。机器人的夹具与机器人末端存在精度损失，夹具与待装配零件之间存在精度损失，零件的姿态具有不确定性，都会在一定程度上影响装配精度。

发明内容

本发明的目的在于提供高精度装配系统，解决现有技术采用机器人装配导致装配精度较低的问题，能够实现刚性较弱且没有配合止口的大尺寸产品的高精度小间隙装配。

此外，本发明还提供基于上述高精度装配系统的装配方法。

本发明通过下述技术方案实现：

包括上料模块、装配模块、装配作业模块、测控模块以及装配信息模块；

所述上料模块用于待装配产品的存储、上料，主要包括产品存储库及根据产品的结构特征和装配系统功能要求制定的产品上料台和产品工装，产品工装拆卸式安装在产品上料台上；

所述装配模块包括产品装配台及装配时所需各种托架、固定机构、升降机构等，用于安装装配作业模块；

所述装配作业模块包括机器人、六自由度位移台，所述六自由度位移台安装在产品装配台上，所述六自由度位移台用于装配产品，所述机器人用于抓取上料模块上的待装配产品并移动至六自由度位移台的正上方；

所述测控模块包括测量模块和控制模块，所述测量模块由两组相同的测量装置相对布置组成；所述测量装置包括线激光传感器和视觉相机，所述线激光传感器和视觉相机与六自由度位移台通信连接，所述控制模块主要包含电机、驱动器、PLC、PC机、上位机软件、线激光、视觉相机、各类控制算法、机器人控制柜等，其主要功能是驱动机械构件按照所设计的功能进行作业，获取装配过程中的各类信息；

所述装配信息模块用于对装配过程中的信息进行采集、数据处理和数据存储，并向装配系统中的其它模块发出相应指令。

本发明所述机器人的末端安装有视觉相机、六维力传感器、夹具快换等工业自动化元件，用以辅助完成机器人的各种动作，其功能是完成装配系统的抓取、搬运动作。六自由度位移台安装于产品装配台上，主要功能是进行高精度位姿调整。机器人和六自由度位移台相互配合，共同完成产品的精密装配。

本发明所述装配信息模块是整个装配模型样机的大脑。该系统对装配过程信息进行采集，按照人工设计的逻辑进行数据处理、存储等工作，结合人机交互的指令，向装配系统中各模块发出指令。

对于200kg以下负载的传统机器人，重复定位精度约为0.01mm~0.05mm，单轴分辨率约为0.02mm，角位置分辨率约为0.02°。若需要装配的产品之间没有配合止口且产品本身材质特殊、尺寸较大、刚度、强度较低，那么，机器人在抓取产品之后无法进行精密调姿，则难以满足产品高精度的装配需求。

例如，对于直径500mm半球体，上下半球体进行装配，要求同轴度≤0.10mm，则机器人的调整角度至少应达到0.01°。在装配时，即使能够测得产品姿态将信息反馈给机器人，对于传统机器人也是很难实现这么精密角度的调整。

六自由度位移台在六个自由度上的移动都具有较高精度，一般情况下，200kg负载的六自由度位移台重复定位精度能够达到0.01mm，角位置分表率能够实现0.001°，因此能够精准地实现产品的姿态调整。

但是六自由度位移台本身在X、Y、Z三个方向上的行程较小，且自身无法实现抓取搬运等功能。

因此，本发明将六自由度位移台与机器人进行组合，机器人实现产品的抓取搬运，六自由度位移台实现产品的精密调姿，共同实现具有高精度装配要求的产品装配过程。

在本发明中，所述机器人用于抓取移动待装配产品并将待装配产品移动至六自由度位移台上方；所述线激光传感器和视觉相机用于测量待装配产品在六自由度位移台上方时的位置信息，所述六自由度位移台根据线激光传感器测量的位置信息调整装配姿态；

综上，本发明能够通平面过机器人实现产品的搬运，通过六自由度位移台实现产品在装配过程中的精密调姿；机器人和六自由度位移台相互配合，共同实现具有高精度装配要求的产品装配过程。

进一步地，所述测量装置包括水平安装板、水平方向平移机构和垂直方向平移机构，所述水平安装板的内测设置有半圆形槽；

所述水平方向平移机构和垂直方向平移机构分别设置在水平安装板的顶部和底部，所述水平方向平移机构设置在六自由度位移台外侧，所述线激光传感器和视觉相机安装在水平方向平移机构上。

本发明通过设置水平方向平移机构和垂直方向平移机构能调整线激光传感器在水平方向和竖直方向的位置，实现对不同尺寸的待装配产品的位置信息测量。

进一步地，线激光传感器至少设置有3个，所述线激光传感器与水平方向平移机构一一对应设置。

进一步地，水平方向平移机构包括两组水平直线位移台，两组水平直线位移台呈90°夹角布置在水平安装板上，所述两组水平直线位移台与半圆形槽的径向平行，所述线激光传感器和视觉相机安装在水平直线位移台上。

进一步地，垂直方向平移机构包括垂直支架，所述垂直支架上沿垂直方向安装有导向杆及升降机构。

一般的，具有高精度重复精度的线激光位移传感器在Z轴和X轴的测量距离比较短（例如，某型号线激光，Z轴重复精度可达到0.2μm，但Z轴可测量范围仅18mm）。对于尺寸变化较大的产品而言缺乏通用性。设置水平和垂直两个方向的高精度运动模组（水平方向平移机构和垂直方向平移机构），携带线激光传感器和视觉相机进行轴线和径向的移动，调整线激光的测量空间，可使高精度线激光适应更大范围的测量要求。

进一步地，还包括与六自由度位移台可拆卸式连接的装配工装，所述装配工装用于固定其中一个待装配产品；还包括与产品上料区可拆卸式连接的移动工装，所述移动工装用于固定待装配产品。

进一步地，还包括底座和机器人支承座；

所述机器人安装在机器人支承座上，所述机器人支承座和产品装配台均安装在底座上。

进一步地，还包括护栏，所述护栏设置在整个装配系统外侧。

进一步地，还包括机器人控制柜，所述机器人控制柜与机器人的抓取端通信连接。

一种高精度装配系统的装配方法，包括以下步骤：

S1、机器人将第一待装配产品从产品上料区上抓取并移动至六自由度位移台正上方；

S2、机器人将第一待装配产品向下移动至距离六自由度位移台上的装配工装顶端5-10mm时，停止；

S3、线激光传感器对第一待装配产品进行扫描，获取第一待装配产品的位置信息，通过位置信息计算第一待装配产品的轴线姿态；

S4、线激光传感器将获取的轴线姿态信息反馈给六自由度位移台；

S5、六自由度位移台根据接收到的轴线姿态信息进行调姿，使六自由度位移台的自身轴线与第一待装配产品的轴线对齐；

S6、六自由度位移台沿轴线方向向上移动，使第一待装配产品装入装配工装内；

S7、机器人抓取与第一待装配产品配合的第二装配产品进行装配。

采用本发明所述方法不经不仅能够实现刚性较弱且没有配合止口的大尺寸产品的高精度小间隙装配，解决现有技术采用机器人装配导致装配精度较低的问题，且具有准度高的优点。

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

1、本发明能够通平面过机器人实现产品的搬运，通过六自由度位移台实现产品在装配过程中的精密调姿；机器人和六自由度位移台相互配合，共同实现具有高精度装配要求的产品装配过程。

2、本发明设置水平和垂直两个方向的高精度运动模组，携带线激光进行轴线和径向的移动，调整线激光的测量空间，可使高精度线激光适应更大范围的测量要求。

3、本发明通过设置水平方向平移机构和垂直方向平移机构能调整线激光传感器在水平方向和竖直方向的位置，实现对不同尺寸的待装配产品的位置信息测量。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：

图1为装配系统的结构示意图；

图2为测量装置的主视图；

图3为测量装置的侧视图；

图4为测量装置的俯视图

图5为第一待装配产品和第二待装配产品装配示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-护栏，2-产品上料台，3-机器人，4-六自由度位移台，5-测量装置，6-产品装配台，7-底座，8-机器人支承座，9-机器人控制柜，10-第一待装配产品，11-第二待装配产品，51-线激光传感器，52-水平方向直线位移台，53-水平安装板，54-垂直支架，55-升降机构。

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明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1：

如图1-图5所示，包括上料模块、装配模块、装配作业模块、测控模块以及装配信息模块；

所述上料模块用于待装配产品的存储、上料，主要包括产品存储库及根据产品的结构特征和装配系统功能要求制定的产品上料台2和产品工装，产品工装拆卸式安装在产品上料台上；

所述装配模块包括产品装配台6及装配时所需各种托架、固定机构、升降机构等，用于安装装配作业模块；

所述装配作业模块包括机器人3、六自由度位移台4，所述六自由度位移台4安装在产品装配台6上，所述六自由度位移台4用于装配产品，具体地：所述六自由度位移台4的顶部通过螺栓安装有装配工装，所述装配工装用于固定其中一个待装配产品，所述六自由度位移台4用于装配产品，所述机器人3用于抓取上料模块上的待装配产品并移动至六自由度位移台4的正上方；

所述测控模块包括测量模块和控制模块，所述测量模块两组相同的测量装置5相对布置组成；所述测量装置5包括线激光传感器51和视觉相机，所述线激光传感器51和视觉相机与六自由度位移台4通信连接，所述线激光传感器51用于测量待装配产品在六自由度位移台4上方时的位置信息，所述六自由度位移台4根据线激光传感器51测量的位置信息调整装配姿态，所述控制模块主要包含电机、驱动器、PLC、PC机、上位机软件、线激光、视觉相机、各类控制算法、机器人控制柜等，其主要功能是驱动机械构件按照所设计的功能进行作业，获取装配过程中的各类信息；

所述装配信息模块用于对装配过程中的信息进行采集、数据处理和数据存储，并向装配系统中的其它模块发出相应指令。

在本实施例中，所述线激光传感器51和视觉相机均设置有4个，4个线激光传感器51和视觉相机在六自由度位移台4外侧同一周向上均匀布置，4个线激光传感器51分布圆周四个舵面，相互垂直。

在本实施例中，所述机器人3和六自由度位移台4构成装配作业模块，在机器人3的末端安装有视觉相机、六维力传感器、夹具快换等工业自动化元件，用以辅助完成机器人3的各种动作，其功能是完成装配系统的抓取、搬运动作。六自由度位移台4安装于产品装配台6上，主要功能是进行高精度位姿调整。机器人3和六自由度位移台4相互配合，共同完成产品的精密装配。

本实施例以最大外径500mm，总重量50kg，装配同轴度要求≤0.1mm的回转体产品，为例进行装调过程说明，如图3所示。

装配方法包括以下步骤：

S1、机器人3将第一待装配10产品从产品上料区2上抓取并移动至六自由度位移台4正上方；

S2、机器人3将第一待装配产品10向下移动至距离六自由度位移台4上的装配工装顶端5-10mm时，停止；

S3、4个线激光传感器51对第一待装配产品10进行扫描，获取第一待装配产品10至少两个截面的位置信息，从而得到两个截面圆心的坐标，计算得到第一待装配产品10的轴线姿态；

S4、线激光传感器51将获取的轴线姿态信息反馈给六自由度位移台4；

S5、六自由度位移台4根据接收到的轴线姿态信息进行调姿，由于六自由度位移台4的角位置分辨率可达0.001°，所以六自由度位移台4能够通过调整，使使六自由度位移台4的自身轴线与第一待装配产品10的轴线对齐；

S6、六自由度位移台4沿轴线方向向上移动，使第一待装配产品10装入装配工装内；

S7、机器人3抓取与第一待装配产品10配合的第二装配产品11进行装配。

本实施例中第一待装配产品10和第二装配产品11均为半球体结构。

本实施例能够通平面过机器人3实现产品的搬运，通过六自由度位移台4实现产品在装配过程中的精密调姿；机器人3和六自由度位移台6相互配合，共同实现具有高精度装配要求的产品装配过程。

实施例2：

如图1-图5所示，本实施例基于实施例1，所述测量装置5包括水平安装板53、水平方向平移机构和垂直方向平移机构，所述水平安装板53的内测设置有半圆形槽；

所述水平方向平移机构和垂直方向平移机构分别设置在水平安装板53的顶部和底部，所述水平方向平移机构设置在六自由度位移台4外侧，所述线激光传感器51和视觉相机安装在水平方向平移机构上；

所述水平方向平移机构包括两组水平直线位移台52，两组水平直线位移台52呈90°夹角布置在水平安装板53上，所述两组水平直线位移台52与半圆形槽的径向平行，所述线激光传感器51和视觉相机安装在水平直线位移台52上，通过水平直线位移台52的移动实现线激光径向移动；

所述垂直方向平移机构包括垂直支架54，所述垂直支架54上沿垂直方向安装有导向杆及升降机构55，带动水平安装板53进行上下平移，实现测量元器件（线激光传感器51和视觉相机）垂直方向上的移动。

在本实施例中，所述线激光传感器51设置有4个，4个线激光传感器51在六自由度位移台4外侧同一周向上均匀布置。

在本实施例中，通过设置水平方向平移机构和垂直方向平移机构能调整线激光传感器51和视觉相机在水平方向和竖直方向的位置，实现对不同尺寸的待装配产品的位置信息测量。

在本实施例中，测量装置采用四组线激光传感器51，测头呈夹角90°布置，通过分别测量圆面最高点获得圆截面上四个点的位置信息，根据点信息确定圆，求得圆心位置信息，通过升降测量两个截面，求得两个圆截面的圆心坐标，从而可确定圆心所在轴线的姿态，即确定中心轴线的姿态（方向）信息。

在本实施例中，整个测量装置整体呈“Γ”形，由测量元器件（包括线激光位移传感器51、视觉相机等）、水平安装板53、水平直线位移台52、垂直支架54及升降机构55等组成。采用十字滑台运动机构实现整体上下升降和前后移动的功能，在使用过程中通过对移动滑台的位置规划避免与机器人干涉。

本实施例所述的测量装置5可适用于除半球体之外的其他产品，柱体、椎体均可，只需要根据产品的具体尺寸调整水平、垂直两个方向上位移机构的行程，使其既满足测量需求，同时不与装置及产品发生干涉。

实施例3：

如图1-图5所示，本实施例基于实施例1，还包括底座7和机器人支承座8；

所述机器人3安装在机器人支承座8上，所述机器人支承座8和产品装配台6均安装在底座7上；还包括护栏1，所述护栏1设置在整个装配系统外侧。

以上所述的具体实方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.高精度装配系统，其特征在于，包括上料模块、装配模块、装配作业模块、测控模块以及装配信息模块；

所述上料模块用于待装配产品的存储、上料；

所述装配模块包括产品装配台（6），用于安装装配作业模块；

所述装配作业模块包括机器人（3）、六自由度位移台（4），所述六自由度位移台（4）安装在产品装配台（6）上，所述六自由度位移台（4）用于装配产品，所述机器人（3）用于抓取上料模块上的待装配产品并移动至六自由度位移台（4）的正上方；

所述测控模块包括测量模块和控制模块，所述测量模块由两组相同的测量装置（5）相对布置组成；所述测量装置（5）包括线激光传感器（51）和视觉相机，所述线激光传感器（51）和视觉相机与六自由度位移台（4）通信连接；所述线激光传感器（51）用于测量待装配产品在六自由度位移台（4）上方时的位置信息，所述六自由度位移台（4）根据线激光传感器（51）测量的位置信息调整装配姿态；

所述装配信息模块用于对装配过程中的信息进行采集、数据处理和数据存储，并向装配系统中的其它模块发出相应指令。

2.根据权利要求1所述的高精度装配系统，其特征在于，所述测量装置（5）包括水平安装板（53）、水平方向平移机构和垂直方向平移机构，所述水平安装板（53）的内测设置有半圆形槽；

所述水平方向平移机构和垂直方向平移机构分别设置在水平安装板（53）的顶部和底部，所述水平方向平移机构设置在六自由度位移台（4）外侧，所述线激光传感器（51）和视觉相机安装在水平方向平移机构上。

3.根据权利要求2所述的高精度装配系统，其特征在于，所述线激光传感器（51）至少设置有3个，所述线激光传感器（51）与水平方向平移机构一一对应设置。

4.根据权利要求2所述的高精度装配系统，其特征在于，所述水平方向平移机构包括两组水平直线位移台（52），两组水平直线位移台（52）呈90°夹角布置在水平安装板（53）上，所述两组水平直线位移台（52）与半圆形槽的径向平行，所述线激光传感器（51）和视觉相机安装在水平直线位移台（52）上。

5.根据权利要求2所述的高精度装配系统，其特征在于，所述垂直方向平移机构包括垂直支架（54），所述垂直支架（54）上沿垂直方向安装有导向杆及升降机构（55）。

6.根据权利要求1所述的高精度装配系统，其特征在于，还包括与六自由度位移台（4）可拆卸式连接的装配工装，所述装配工装用于固定其中一个待装配产品；还包括与产品上料区（2）可拆卸式连接的移动工装，所述移动工装用于固定待装配产品。

7.根据权利要求1所述的高精度装配系统，其特征在于，还包括底座（7）和机器人支承座（8）；

所述机器人（3）安装在机器人支承座（8）上，所述机器人支承座（8）和产品装配台（6）均安装在底座（7）上。

8.根据权利要求1所述的高精度装配系统，其特征在于，还包括护栏（1），所述护栏（1）设置在整个装配系统外侧。

9.根据权利要求1所述的高精度装配系统，其特征在于，还包括机器人控制柜（9），所述机器人控制柜（9）与机器人（3）的抓取端通信连接。

10.一种基于权利要求1-9任一项所述的高精度装配系统的装配方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1、机器人（3）将第一待装配产品（10）从产品上料区（2）上抓取并移动至六自由度位移台（4）正上方；

S2、机器人（3）将第一待装配产品（10）向下移动至距离六自由度位移台（4）上的装配工装顶端5-10mm时，停止；

S3、线激光传感器（51）对第一待装配产品（10）进行扫描，获取第一待装配产品（10）的位置信息，通过位置信息计算第一待装配产品（10）的轴线姿态；

S4、线激光传感器（51）将获取的轴线姿态信息反馈给六自由度位移台（4）；

S5、六自由度位移台（4）根据接收到的轴线姿态信息进行调姿，使六自由度位移台（4）的自身轴线与第一待装配产品（10）的轴线对齐；

S6、六自由度位移台（4）沿轴线方向向上移动，使第一待装配产品（10）装入装配工装内；

S7、机器人（3）抓取与第一待装配产品（10）配合的第二装配产品（11）进行装配。