CN113804111B - 一种适用于精密装配的变径空间姿态测量装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种适用于精密装配的变径空间姿态测量装置及方法，涉及精密装配技术领域，其技术方案要点是：上测量组件，安装在变径组件的一侧，用于测量装配件的位置和倾斜姿态信息；下测量组件，安装在变径组件的另一侧，用于测量被装配件的位置和倾斜姿态信息；变径组件，安装在安装组件的端部，用于调节上测量组件、下测量组件的可测量径向范围；安装组件，用于将测量系统驱使至装配件与被装配件之间的工作区域。实现弱刚性、弱硬度零件的小间隙高精度自动化装配，解决手工精密装配一致性差、劳动强度高、对人工技艺要求高的问题，同样克服了自动化装配中大负载机器人定位精度和重复定位精度不能满足精密装配的问题。

Description

一种适用于精密装配的变径空间姿态测量装置及方法

技术领域

本发明涉及精密装配技术领域，更具体地说，它涉及一种适用于精密装配的变径空间姿态测量装置及方法。

背景技术

随着我国工业技术的发展，越来越多的工业产品通过工业机器人实现自动化装配，包括汽车、电视、空调、电池等。军工、航天等高新科技领域的产品同样面临自动化装配的转型。

目前，产品中的装配结构大部分属于普通配合精度，产品自身的刚度、强度、硬度比较高，机器人通过点位示教和导向柔顺的方式即可实现产品的装配。但是在军工领域中，会涉及到小间隙高精度的装配需求，这类产品的配合尺寸公差接近过渡配合，装配双边间隙通常在0.05mm-0.1mm之间。另一方面，精密零件的表面硬度和刚度差，不能接受大的装配挤压力和磕碰撞击等。此工况下，仅依靠机器人的定位精度和重复定位精度难以完成产品装配。

因此，研究设计一种能够克服上述缺陷的适用于精密装配的变径空间姿态测量装置及方法是我们目前急需解决的问题。

发明内容

为解决现有技术中的不足，本发明的目的是提供一种适用于精密装配的变径空间姿态测量装置及方法，本发明实现弱刚性、弱硬度零件的小间隙高精度自动化装配，解决手工精密装配一致性差、劳动强度高、对人工技艺要求高的问题，同样克服了自动化装配中大负载机器人定位精度和重复定位精度不能满足精密装配的问题。

本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：

第一方面，提供了一种适用于精密装配的变径空间姿态测量装置，包括上测量组件、下测量组件、变径组件和安装组件；

所述上测量组件，安装在变径组件的一侧，用于测量装配件的位置和倾斜姿态信息；

所述下测量组件，安装在变径组件的另一侧，用于测量被装配件的位置和倾斜姿态信息；

所述变径组件，安装在安装组件的端部，用于调节上测量组件、下测量组件的可测量径向范围；

所述安装组件，用于将由上测量组件、下测量组件、变径组件组成的测量系统驱使至装配件与被装配件之间的工作区域。

进一步的，所述变径组件包括支撑件、上支撑板、下支撑板、驱动齿轮和变径齿轮；

所述支撑件与安装组件的端部固定连接，上支撑板、下支撑板均安装在支撑件上；

所述变径齿轮位于上支撑板、下支撑板之间，且通过轴承结构同时与上支撑板、下支撑板的中心转动连接；

所述驱动齿轮与支撑件转动连接，支撑件安装有用于驱使驱动齿轮转动的变径电机，驱动齿轮与变径齿轮啮合；

所述上支撑板、下支撑板的表面均设有多个沿变径齿轮径向方向分布的导轨滑块组件，上测量组件、下测量组件安装在相应的导轨滑块组件上；

所述变径齿轮设有呈弧形的内部轨道，内部轨道活动连接有上下连杆，上下连杆的端部与相应的导轨滑块组件连接；

当变径齿轮转动时，上测量组件、下测量组件在相应导轨滑块组件和内部轨道共同限制下沿变径齿轮径向方向做变径运动。

进一步的，所述支撑件包括支架和多个连接座；

所述上支撑板、下支撑板通过多个连接座对称固定，且至少一个连接座与支架固定连接；

所述驱动齿轮、变径电机均安装在支架上。

进一步的，至少一个所述导轨滑块组件设有限位开关组件；

限位开关组件，用于实现导轨滑块组件到位后变径电机的停止控制；或，与变径电机的伺服控制程序共同实现导轨滑块组件到位后变径电机的停止控制。

进一步的，所述导轨滑块组件包括沿变径齿轮径向方向分布的导轨以及与上测量组件或下测量组件固定连接的滑块，滑块与导轨活动套接；

所述上下连杆套中部套设有变径轴承，变径轴承与内部轨道活动连接，且上下连杆的两端分别与变径齿轮两侧对应的滑块固定连接。

进一步的，所述上测量组件、下测量组件均包括CCD相机以及多个点激光器；

所述CCD相机安装在变径组件对应侧面的中心，且测量方向沿背离相应侧面设置；

多个所述点激光器沿变径组件圆周方向均匀分布，且测量方向沿指向变径组件中心设置。

进一步的，所述安装组件包括安装板、转台、旋转伺服电机和连接板；

所述安装板与外部设备固定连接；

所述转台与旋转伺服电机通过联轴器连接，旋转伺服电机可驱动转台做旋转运动，转台与旋转伺服电机作为整体固定安装在安装板上；

所述连接板与转台表面固定连接。

进一步的，该测量装置可用于：

装配件与被装配件之间的双边间隙为0.05mm-0.1mm；

和/或，装配件与被装配件之间的端面具有至少一段平面。

第二方面，提供了一种适用于精密装配的变径空间姿态测量方法，该测量方法用于如第一方面中任意一项所述的一种适用于精密装配的变径空间姿态测量装置，包括以下步骤：

通过驱动执行机构将装配件和被装配件调整至初步对准位置；

通过安装组件将上测量组件、下测量组件驱使至装配件与被装配件之间的工作区域；

上测量组件测量装配件的位置和倾斜姿态信息后得到上测量结果，将上测量结果与上模板之间的偏差结果与相应的预设阈值进行比较；若偏差结果不小于预设阈值，则控制驱动执行机构重新调整装配件的位置，直至偏差结果小于预设阈值；

以及，下测量组件测量被装配件的位置和倾斜姿态信息后得到下测量结果，将下测量结果与下模板之间的偏差结果与相应的预设阈值进行比较；若偏差结果不小于预设阈值，则控制驱动执行机构重新被装配件的位置，直至偏差结果小于预设阈值。

进一步的，所述上模板和下模板的获得过程具体为：

通过人工或者机器人示教方式将装配件模板和被装配件模板装配在一起；

通过驱动执行机构将装配件模板、被装配件模板沿背离装配方向移动脱离装配状态；

通过驱使上测量组件对装配件模板进行测量，测量结果作为上模板；

通过驱使下测量组件对被装配件模板进行测量，测量结果作为下模板。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1、本发明提出的一种适用于精密装配的变径空间姿态测量装置，实现了弱刚性、弱硬度零件的小间隙高精度自动化装配，解决手工精密装配一致性差、劳动强度高、对人工技艺要求高的问题，同样克服了自动化装配中大负载机器人定位精度和重复定位精度不能满足精密装配的问题；此外，可以适应更大的重量和更大的尺寸，在工作范围内可以兼容多种尺寸和形状特征，不需要针对特定的产品设计测量系统，可适用于表面贵重、脆弱类零件的装配，通过测量-调整-测量-装配的方式，实现零件的无碰撞和无挤压装配；

2、本发明以装配完成的状态倒推装配之前的零件位置信息，建立测量基准模板，即上模板和下模板，绕过求解上下测量相机和点激光组之间位置关系矩阵，通过标准模板匹配方式解决视觉CCD相机测量带来的图像处理和图像识别不稳定性问题；同时利用变径齿轮内部轨道结合轴承的方式，实现点激光的位置变化，使得本发明适用一种尺寸到兼容一段尺寸范围，提高了测量装置和方法的通用性。

3、本发明可以应用于以下任意组合的场景：装配产品之间的双边间隙为0.05mm-0.1mm之间；装配产品的端面具有一小段平面；装配产品为弱刚性、弱硬度，不能接受磕碰挤压等；在一定尺寸范围内，可兼容尺寸结构；装配产品不适用采用接触式的测量方式。

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是本发明实施例中装配产品的示意图；

图2是本发明实施例中的整体结构示意图；

图3是本发明实施例中的整体布局示意图；

图4是本发明实施例中的整体俯视图；

图5是本发明实施例中沿变径齿轮中心剖开后的局部示意图；

图6是本发明实施例中的整体正视图；

图7是本发明实施例中的测量流程示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-装配件；2-被装配件；3-安装板；4-转台；5-旋转伺服电机；6-连接板；7-支架；8-连接座A；9-变径电机；10-驱动齿轮；11-连接座B；12-变径齿轮；13-上支撑板；14-下点激光器D；15-下点激光器安装板D；16-下点激光器C；17-下点激光器安装板C；18-上点激光器A；19-上点激光器安装板A；20-上点激光器B；21-上点激光器安装板B；22-上测量CCD相机；23-上点激光器C；24-上点激光器安装板C；25-上测量CCD相机安装板；26-上下连杆B；27-上导轨滑块组件C；28-下测量CCD相机安装板；29-上下连杆C；30-变径轴承C；32-上导轨滑块组件A；33-下支撑板；34-上点激光器D；35-上点激光器安装板D；36-下点激光器A；37-下点激光器安装板A；38-下测量CCD相机；39-连接座C；40-上导轨滑块组件B；41-限位开关组件；42-上导轨滑块组件D；43-固定轴；44-角接触轴承；45-上下连接杆B；46-下点激光器B；47-下点激光器安装板B；48-变径轴承B。

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。

需说明的是，当部件被称为“固定于”或“设置于”另一个部件，它可以直接在另一个部件上或者间接在该另一个部件上。当一个部件被称为是“连接于”另一个部件，它可以是直接或者间接连接至该另一个部件上。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

实施例：一种适用于精密装配的变径空间姿态测量装置，由安装组件、变径组件、上测量组件和下测量组件构成，适用的装配产品如图1所示，装配产品由装配件和被装配件组成。

如图2所示，安装组件由安装板3、转台4、旋转伺服电机5、连接板6组成。安装板3可以与外部设备通过连接螺栓固连，转台4与旋转伺服电机5通过联轴器连接，旋转伺服电机5可驱动转台做旋转运动，转台4与旋转伺服电机5作为整体通过螺钉固定连接于安装板3。连接板6与转台4上表面通过螺钉固定连接。

如图3-图5所示，变径组件由支架7、连接座A8、驱动齿轮10、连接座B11、连接座C39、上支撑板13、下支撑板33、变径齿轮12、上下连杆C29、上下连杆B26、变径轴承B48、变径轴承C30、限位开关组件41、固定轴43、机械限位块31、角接触轴承44、变径电机9及上下连接杆B45组成。

支架7是测量系统的主体结构支撑零件，它的尾部有3个连接座安装于圆周方向，分别为连接座A8、连接座B11、连接座C39，在头部靠近连接板6的位置安装有变径电机9，通过电机法兰的螺钉与支架7连接，变径电机9通过联轴器与驱动齿轮10连接，驱动齿轮10和变径齿轮12之间为齿轮啮合连接，驱动齿轮10作为主动轮驱动变径齿轮12旋转。变径齿轮12与角接触轴承44的外圈为过盈配合连接，角接触轴承44的内圈与固定轴43同样为过盈配合连接。上支撑板13与下支撑板33安装于连接座A8、连接座B11、连接座C39上，通过螺钉固定连接，而固定轴43通过螺钉与上支撑板13和下支撑板33连接。

如图2与图6所示，上测量组件由上点激光器A18、上点激光器安装板A19、上导轨滑块组件A32、上点激光器B20、上点激光器安装板B21、上导轨滑块组件B40、上点激光器C23、上点激光器安装板C24、上导轨滑块组件C27、上点激光器D34、上点激光器安装板D35、上导轨滑块组件D42、上测量CCD相机22、上测量CCD相机安装板25组成。

上测量组件包含4套点激光器、4套导轨滑块组件和1个CCD相机，上导轨滑块组件A32、上导轨滑块组件B40、上导轨滑块组件C27、上导轨滑块组件D42分别安装与上支撑板13的四周横梁上，上点激光器安装板A19通过螺钉安装于上导轨滑块组件A32中的滑块上，上点激光器A18通过螺钉安装于上导轨滑块组件A32，其余3套的连接方式与A套的方式一致。上测量CCD相机安装板25通过螺钉安装于上支撑板13的中间位置，上测量CCD相机22通过螺钉与上测量CCD相机安装板25固定。

上点激光器安装板C24与下点激光器安装板C17通过上下连杆C29固定连接在一起，上点激光器C23和下点激光器C16通过这种固定连接实现同步运动，上下连杆C29与变径轴承C30的内圈过盈连接，变径轴承C30的外圈与变径齿轮12的内部轨道为滚动摩擦接触。在其中一套导轨滑块上安装限位开关组件41，限位开关组件41的正负限位开关分别通过螺钉固定在上支撑板13上，限位开关组件41的挡片固定连接在滑块上，实现电气软限位。

下测量组件由下点激光器A36、下点激光器安装板A37、下点激光器B46、下点激光器安装板B47、下点激光器C16、下点激光器安装板C17、下点激光器D14、下点激光器安装板D15、下测量CCD相机38、下测量CCD相机安装板28组成。下测量组件的安装方式与上测量组件完全一致，此处不再详细介绍。

工作过程：本发明工作时，将安装板3安装在装配设备机架上，外部执行机构六轴机器人将装配件1移动至被装配件2的正上方位置，旋转伺服电机5驱动转台4将测量系统旋转到装配件1和被装配件2的中间位置，变径电机9旋转带动驱动齿轮10转动，驱动齿轮10和变径齿轮12之间为齿轮配合，变径齿轮12则获得绕固定轴43的旋转运动。上下连杆C29等4根连接杆在导轨滑块组件和变径齿轮12的形状特征双重约束下，4套点激光器会沿着变径齿轮12的径向做平移运动。8套点激光通过变径齿轮12中间的轨道特征和上下连接杆做同步运动，所以仅在1个运动上设置了限位开关组件41，限制点激光器的极限运动位置。位置调整到位后，上点激光器A18、上点激光器B20、上点激光器C23、上点激光器D34同时获取装配件1的倾斜信息，上测量CCD相机22可以获得装配件1底面的位置信息。下点激光器A36、下点激光器B46、下点激光器C16、下点激光器D14同时测量，获得被装配件2的倾斜姿态信息，下测量CCD相机38获得被装配件2的位置信息。

如图7所示，上述变径空间姿态测量装置的测量方法具体如下：

本发明的测量装置部分可以理解为耦合的两套空间测量系统，上测量组件用于测量装配件1的位置和倾斜姿态信息，下测量组件用于测量被装配件2的位置和倾斜姿态信息。虽然上测量组件和下测量组件通过机械结构保证各测量元件之间的相对位置，但是对于间隙为0.05mm这类精密装配而言，机械结构保证的相对位置关系是远远不够的。

本方法是通过模板匹配的方式获取上下测量组件的相对位置。首先通过人工或者机器人示教的方式将装配件1和被装配件2装配在一起，执行机构将装配件1竖直升高到测量范围，转台6将测量装置旋转至中心，CCD相机和点激光开始工作，将此刻上测量组件获得的数据作为上模板，下测量组件获得的数据作为下模板。

后续装配上测量组件的测量结果与上模板进行匹配。上点激光对装配件1的姿态进行测量，对比测量结果与上模板姿态信息，如果偏差大于阈值，控制系统根据偏差情况驱动执行机构调整位姿，再次对比测量结果与上模板姿态信息，直至偏差结果小于阈值。随后进行装配件1位置的匹配，上测量CCD相机22对装配件1的位置进行测量，对比测量结果与上模板位置信息如果偏差大于阈值，控制系统根据偏差情况驱动执行机构调整位置，再次对比测量结果与上模板位置信息，直至偏差结果小于阈值。下测量组件的工作方式与上测量组件一致，不做详细介绍。

以上所述的具体实施方式，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 (8)

1.一种适用于精密装配的变径空间姿态测量装置，其特征是，包括上测量组件、下测量组件、变径组件和安装组件；

所述上测量组件，安装在变径组件的一侧，用于测量装配件的位置和倾斜姿态信息；

所述下测量组件，安装在变径组件的另一侧，用于测量被装配件的位置和倾斜姿态信息；

所述变径组件，安装在安装组件的端部，用于调节上测量组件、下测量组件的可测量径向范围；

所述安装组件，用于将由上测量组件、下测量组件、变径组件组成的测量系统驱使至装配件与被装配件之间的工作区域；

所述变径组件包括支撑件、上支撑板、下支撑板、驱动齿轮和变径齿轮；

所述支撑件与安装组件的端部固定连接，上支撑板、下支撑板均安装在支撑件上；

所述变径齿轮位于上支撑板、下支撑板之间，且通过轴承结构同时与上支撑板、下支撑板的中心转动连接；

所述驱动齿轮与支撑件转动连接，支撑件安装有用于驱使驱动齿轮转动的变径电机，驱动齿轮与变径齿轮啮合；

所述上支撑板、下支撑板的表面均设有多个沿变径齿轮径向方向分布的导轨滑块组件，上测量组件、下测量组件安装在相应的导轨滑块组件上；

所述变径齿轮设有呈弧形的内部轨道，内部轨道活动连接有上下连杆，上下连杆的端部与相应的导轨滑块组件连接；

当变径齿轮转动时，上测量组件、下测量组件在相应导轨滑块组件和内部轨道共同限制下沿变径齿轮径向方向做变径运动；

所述上测量组件、下测量组件均包括CCD相机以及多个点激光器；

所述CCD相机安装在变径组件对应侧面的中心，且测量方向沿背离相应侧面设置；

多个所述点激光器沿变径组件圆周方向均匀分布，且测量方向沿指向变径组件中心设置。

2.根据权利要求1所述的一种适用于精密装配的变径空间姿态测量装置，其特征是，所述支撑件包括支架和多个连接座；

所述上支撑板、下支撑板通过多个连接座对称固定，且至少一个连接座与支架固定连接；

所述驱动齿轮、变径电机均安装在支架上。

3.根据权利要求1所述的一种适用于精密装配的变径空间姿态测量装置，其特征是，至少一个所述导轨滑块组件设有限位开关组件；

限位开关组件，用于实现导轨滑块组件到位后变径电机的停止控制；或，与变径电机的伺服控制程序共同实现导轨滑块组件到位后变径电机的停止控制。

4.根据权利要求3所述的一种适用于精密装配的变径空间姿态测量装置，其特征是，所述导轨滑块组件包括沿变径齿轮径向方向分布的导轨以及与上测量组件或下测量组件固定连接的滑块，滑块与导轨活动套接；

所述上下连杆套中部套设有变径轴承，变径轴承与内部轨道活动连接，且上下连杆的两端分别与变径齿轮两侧对应的滑块固定连接。

5.根据权利要求1所述的一种适用于精密装配的变径空间姿态测量装置，其特征是，所述安装组件包括安装板、转台、旋转伺服电机和连接板；

所述安装板与外部设备固定连接；

所述转台与旋转伺服电机通过联轴器连接，旋转伺服电机可驱动转台做旋转运动，转台与旋转伺服电机作为整体固定安装在安装板上；

所述连接板与转台表面固定连接。

6.根据权利要求1-5任意一项所述的一种适用于精密装配的变径空间姿态测量装置，其特征是，该测量装置可用于：

装配件与被装配件之间的双边间隙为0.05mm-0.1mm；

和/或，装配件与被装配件之间的端面具有至少一段平面。

7.一种适用于精密装配的变径空间姿态测量方法，其特征是，该测量方法用于如权利要求1-6任意一项所述的一种适用于精密装配的变径空间姿态测量装置，包括以下步骤：

通过驱动执行机构将装配件和被装配件调整至初步对准位置；

通过安装组件将上测量组件、下测量组件驱使至装配件与被装配件之间的工作区域；

上测量组件测量装配件的位置和倾斜姿态信息后得到上测量结果，将上测量结果与上模板之间的偏差结果与相应的预设阈值进行比较；若偏差结果不小于预设阈值，则控制驱动执行机构重新调整装配件的位置，直至偏差结果小于预设阈值；

以及，下测量组件测量被装配件的位置和倾斜姿态信息后得到下测量结果，将下测量结果与下模板之间的偏差结果与相应的预设阈值进行比较；若偏差结果不小于预设阈值，则控制驱动执行机构重新被装配件的位置，直至偏差结果小于预设阈值。

8.根据权利要求7所述的一种适用于精密装配的变径空间姿态测量方法，其特征是，所述上模板和下模板的获得过程具体为：

通过人工或者机器人示教方式将装配件模板和被装配件模板装配在一起；

通过驱动执行机构将装配件模板、被装配件模板沿背离装配方向移动脱离装配状态；

通过驱使上测量组件对装配件模板进行测量，测量结果作为上模板；

通过驱使下测量组件对被装配件模板进行测量，测量结果作为下模板。

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