CN114211496A - 一种基于机械臂的智能齿轮对齿自动装配系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种基于机械臂的智能齿轮对齿自动装配系统，包括：拨齿杆机构和上位机；拨齿杆机构设有顶紧托盘；顶紧托盘的底部安装有螺栓拧紧轴、夹紧块、视觉相机以及拨齿杆；顶紧托盘的顶部设有夹紧装置和松开装置；上位机通过视觉相机识别风扇托架的状态信息；对拨齿杆进行受力分析，配置拨齿杆的状态参数实现风扇托架工件装配。本发明所运用的视觉辅助以及自动化控制技术提高装配精度，增强环境适用性，提高对外部环境的感知能力，提高了整个工业系统精度，更加满足工业现场的装配要求。本发明对拨齿杆进行受力分析，计算其所受的弯曲应力，从而分析出抗弯强度，满足装配需要。

Description

一种基于机械臂的智能齿轮对齿自动装配系统
技术领域
本发明涉及拨齿杆装配技术领域，尤其涉及一种基于机械臂的智能齿轮对齿自动装配系统。
背景技术
机械臂替代人工装配发动机已使用较为广泛，目前工业现场所使用的机器人基本都是使用示教器来规划运动轨迹，这种的装配精度远远达不到发达国家的水平，因此，由于工业自动化水平的提高，机械臂的组装精度问题显而易见。
拨齿杆机构包括一个FESTO气缸、两个到位信号传感器和拨齿杆机械机构。结构所示。拨齿杆的伸出和缩回由PLC传递信号后动作。在长时间自动运行过程中，由于需要频繁触发拨齿动作，所以拨齿杆前置头易变形，材料的选择也至关重要
而且在工作过程中，拨齿杆受弯曲力作用易发生变形，若形变程度过大，则会影响装配的精度，甚至会出现拨齿杆伸出拨齿后，卡在与齿轮啮合处不能缩回的情况，影响整个工序正常运行，也会对产品质量造成影响。
发明内容
本发明提供一种基于机械臂的智能齿轮对齿自动装配系统，实现不间断工作，减少了劳动损耗及劳动成本，大大降低了生产成本。
系统包括：拨齿杆机构和上位机；
拨齿杆机构设有顶紧托盘；顶紧托盘的底部安装有螺栓拧紧轴、夹紧块、视觉相机以及拨齿杆；
顶紧托盘的顶部设有夹紧装置和松开装置；
上位机通过视觉相机识别风扇托架的形状、位置、二维码及间隙大小；
对拨齿杆进行受力分析，配置拨齿杆的状态参数；
在装配过程中，上位机分别控制螺栓拧紧轴、视觉相机、夹紧装置和松开装置动作，实现风扇托架工件装配。
进一步需要说明的是，上位机还用于通过视觉相机识别风扇托架的信息之后，控制拨齿杆将齿轮顺时针拨齿，将拨齿杆的受力情况等效成悬臂梁的受力情况来分析垂直面受力情况。
进一步需要说明的是，在拨齿杆垂直面内，设距原点为x的横截面为拨齿头，以拨齿头位置处为分界点，左侧有约束力、弯矩、和集度为q的均布载荷；
可得公式为：
Fs(x)＝q(L-x)
(1-1)
Figure BDA0003443375890000021
式(1-1)表示，剪力图是一斜直线，只要确定两点就可以定出这条斜线；
式(1-2)表示，弯矩图是一抛物线，更多确定曲线上的几点，然后用光滑曲线绘制出弯矩图；
Figure BDA0003443375890000022
X＝L，M(L)＝0
水平面内的弯矩Mz图同My的计算方法相同，按相同方法可求出弯矩图Mz。
进一步需要说明的是，对于截面为圆形的轴，包含轴线的任意纵向面，均为纵向对称面；
将My和Mz合成后，合成后的弯矩M的作用平面为纵向对称面，按弯曲时正应力的计算公式：
Figure BDA0003443375890000031
矢量合成法可求得合成弯矩M，公式为：
Figure BDA0003443375890000032
在拨齿头与齿轮的接触面处，合成弯矩M对应的弯曲正应力，在D1和D2点上达到极大值；
Figure BDA0003443375890000033
Figure BDA0003443375890000034
其中σx表示正应力最大值；
根据强度条件为σx-σy≤σs，σs可换为许用应力[σ]。
σx-σy≤[σ]
将公式1-7得到的σmax和σmin代入上式1-8得到
Figure BDA0003443375890000035
将公式1-6代入上式可得，圆轴在弯曲变形下的强度条件为
Figure BDA0003443375890000036
按第四强度理论，则强度条件为
Figure BDA0003443375890000041
同理，将1-6和1-7代入第四强度理论可得强度条件是
Figure BDA0003443375890000042
进一步需要说明的是，还包括：驱动气缸；
驱动气缸与视觉相机连接，上位机与驱动气缸连接，上位机通过控制驱动气缸调整视觉相机位置。
进一步需要说明的是，还包括：夹紧驱动电路和松开驱动电路；
上位机通过夹紧驱动电路与夹紧装置连接，控制夹紧装置运行；
上位机通过松开驱动电路与松开装置连接，控制松开装置运行。
进一步需要说明的是，还包括：机械臂；
机械臂用于将风扇托架抓取并运送至拨齿杆机构上，并在装配完成之后再将风扇托架抓取并运送至下一工序；
上位机与机械臂连接，并控制机械臂运行。
进一步需要说明的是，上位机采用可编程控制器S7-1500系列的CPU1513-1PN作用控制单元，通过PLC控制程序控制系统中的电机、检测传感器以及气缸，来实现对机械臂和拨齿杆机构的各个动作进行控制，并接收各个传感器采集到的位置、剪切力、拧紧力矩信号转为电压信号，获取系统当前运行状态，并实现自动化控制。
从以上技术方案可以看出，本发明具有以下优点：
本发明涉及的自动装配系统的基于PLC自动控制、视觉辅助、机械臂等技术实现不间断工作，减少了劳动损耗及劳动成本，大大降低了生产成本。本发明所运用的视觉辅助以及自动化控制技术提高装配精度，增强环境适用性，提高对外部环境的感知能力，提高了整个工业系统精度，更加满足工业现场的装配要求。
本发明涉及的自动装配系统中机械臂代替操作者完成更加危险的、重复枯燥技术含量低的工作，同时机械臂可以更容易地减轻操作者的工作强度，提高生产现场的劳动生产率机械臂越来越可以广泛地应用，会逐渐解放人的双手，解决那些操作者无法手动解决的问题，也使工业现场的工序更加流畅丝滑，在生产制造行业内，机械臂在工业中越来越频繁地被使用，机械臂可以装配零部件，例如发动机缸体、缸盖上的一些配件，加工工件的搬运和装配。
机械臂系统代替人工装配风扇托架，一定程度上避免了很多不可控的人为因素，减少了很多不必要的浪费。
本发明通过机械臂前置机构处的视觉相机，识别风扇托架形状、位置、二维码以及判断齿轮和风扇托架之间的间隙，完成风扇托架装配工序。而且系统通过视觉相机将信息传递给上位机，再上位机将信号传递给拨齿杆机构，命令其动作调整齿轮和风扇托架装配位置之间的间隙。从而消除间隙对风扇托架装配的精度影响，提升装配的效率，提高生产线节拍。
本发明为了避免在长时间自动运行过程中，由于需要频繁触发拨齿动作，导致拨齿杆前置头易变形，本发明对拨齿杆进行受力分析，计算其所受的弯曲应力，从而分析出抗弯强度，满足装配需要。
附图说明
为了更清楚地说明本发明的技术方案，下面将对描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其附图。
图1为拨齿杆机构结构图；
图2为基于机械臂的智能齿轮对齿自动装配系统示意图；
图3为拨齿杆工件垂直面受力图；
图4为拨齿头剪力图；
图5为拨齿头弯矩头的弯矩图；
图6为弯矩矢量合成图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
本发明提供的基于机械臂的智能齿轮对齿自动装配系统中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
本发明提供的基于机械臂的智能齿轮对齿自动装配系统的附图中所示的方框图仅仅是功能实体，不一定必须与物理上独立的实体相对应。即，可以采用软件形式来实现这些功能实体，或在一个或多个硬件模块或集成电路中实现这些功能实体，或在不同网络和/或处理器装置和/或微控制器装置中实现这些功能实体。
在本发明提供的基于机械臂的智能齿轮对齿自动装配系统中，应该理解到，所揭露的系统、装置和方法，可以通过其它的方式实现。例如，以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，例如，所述单元的划分，仅仅为一种逻辑功能划分，实际实现时可以有另外的划分方式，例如多个单元或组件可以结合或者可以集成到另一个系统，或一些特征可以忽略，或不执行。另外，所显示或讨论的相互之间的耦合或直接耦合或通信连接可以是通过一些接口、装置或单元的间接耦合或通信连接，也可以是电的，机械的或其它的形式连接。
如图1至2所示，在本发明提供的基于机械臂的智能齿轮对齿自动装配系统包括：拨齿杆机构和上位机；
拨齿杆机构设有顶紧托盘1；顶紧托盘1的底部安装有螺栓拧紧轴2、夹紧块3、视觉相机4以及拨齿杆6；顶紧托盘1的顶部设有夹紧装置7和松开装置8；上位机通过视觉相机4识别风扇托架的形状、位置、二维码及间隙大小；对拨齿杆进行受力分析，配置拨齿杆的状态参数；在装配过程中，上位机分别控制螺栓拧紧轴2、视觉相机4、夹紧装置7和松开装置8动作，实现风扇托架工件装配。
系统还包括：驱动气缸5、机械臂、夹紧驱动电路和松开驱动电路；
驱动气缸5与视觉相机4连接，上位机与驱动气缸5连接，上位机通过控制驱动气缸5调整视觉相机4位置。上位机通过夹紧驱动电路与夹紧装置7连接，控制夹紧装置7运行；上位机通过松开驱动电路与松开装置8连接，控制松开装置8运行。
机械臂用于将风扇托架抓取并运送至拨齿杆机构上，并在装配完成之后再将风扇托架抓取并运送至下一工序；上位机与机械臂连接，并控制机械臂运行。
本发明涉及的系统可作用于生产现场、可以自动装配的机械臂夹爪系统。由操作者人工装配风扇托架时，会出现装配误差，并且人工装配的时间不固定，随机性高。为实现风扇托架齿轮自动装配效率和精度，系统通过机械臂、拨齿杆机构和上位机实现自动化控制。
上位机采用可编程控制器S7-1500系列的CPU1513-1PN作用控制单元，通过PLC控制程序控制系统中的电机、检测传感器以及气缸，来实现对机械臂和拨齿杆机构的各个动作进行控制，并接收各个传感器采集到的位置、剪切力、拧紧力矩信号转为电压信号，获取系统当前运行状态，并实现自动化控制。
本发明通过机械臂前置机构处的视觉相机，识别风扇托架形状、位置、二维码以及判断齿轮和风扇托架之间的间隙，完成风扇托架装配工序。而且系统通过视觉相机将信息传递给上位机，再上位机将信号传递给拨齿杆机构，命令其动作调整齿轮和风扇托架装配位置之间的间隙。从而消除间隙对风扇托架装配的精度影响，提升装配的效率，提高生产线节拍。
本发明提供的基于机械臂的智能齿轮对齿自动装配系统可广泛应用于乘用车、商用车发动机的风扇托架装配，可提高产品的装配精度。对于装配生产车间而言，可以大幅提高生产节拍并提升车间自动化水平，减少劳动力消耗，避免资源浪费。
本发明涉及的系统所运用的视觉辅助技术可提高精度，增强环境适用性，提高对外部环境的感知能力，提高了整个工业系统精度，更加满足工业现场的装配要求。从降本的角度而讲，合适的机械臂系统能使生产效率更高，损耗更低，同时工业机器人可实现不间断工作，减少了劳动损耗及劳动成本，大大降低了生产成本。
进一步的讲，本发明为了避免在长时间自动运行过程中，由于需要频繁触发拨齿动作，导致拨齿杆前置头易变形，本发明对拨齿杆进行受力分析，计算其所受的弯曲应力，从而分析出抗弯强度。
具体来讲，对拨齿杆在弯曲力的作用下的强度计算，针对其实际所受强度，选择相应的材料，对拨齿杆进行改进。
如图3至5所示，上位机通过视觉相机识别风扇托架的信息之后，控制拨齿杆将齿轮顺时针拨齿，将拨齿杆的受力情况等效成悬臂梁的受力情况来分析垂直面受力情况。
在拨齿杆垂直面内，设距原点为x的横截面为拨齿头，以拨齿头位置处为分界点，左侧有约束力、弯矩、和集度为q的均布载荷，但在截面右侧拨齿头位置处，只有均布载荷。所以，用截面右侧的外力来计算剪力和弯矩，便可不用先求左端的约束力，而直接就能计算剪力和弯矩。
可得公式为：
Fs(x)＝q(L-x) 1-1
Figure BDA0003443375890000081
式1-1表示，剪力图是一斜直线，只要确定两点就可以定出这条斜线；式1-2表示，弯矩图是一抛物线，更多确定曲线上的几点，然后用光滑曲线绘制出弯矩图。
Figure BDA0003443375890000091
水平面内的弯矩Mz图同My的计算方法相同，按相同方法可求出弯矩图Mz。
据轴的计算简图，作出垂直平面内的弯矩My图和水平平面内的弯矩Mz图。切向力和径向力分别引起水平面和垂直面的弯曲变形。
对于截面为圆形的轴，包含轴线的任意纵向面，均为纵向对称面。将My和Mz合成后，合成后的弯矩M的作用平面仍为纵向对称面，仍可按弯曲时正应力的计算公式：
Figure BDA0003443375890000092
弯矩矢量合成图如图6所示。矢量合成法可求得合成弯矩M，公式为：
Figure BDA0003443375890000093
在拨齿头与齿轮的接触面处，合成弯矩M对应的弯曲正应力，在D1和D2点上达到极大值。
Figure BDA0003443375890000101
Figure BDA0003443375890000102
其中σx表示正应力大的那个。对塑性材料来说，应采用第三、四强度理论计算。
按第三强度理论，强度条件为σx-σy≤σs，σs可换为许用应力[σ]。
σx-σy≤[σ] 1-8
将公式1-7得到的σmax和σmin代入上式1-8得到
Figure BDA0003443375890000103
将公式1-6代入上式可得，圆轴在弯曲变形下的强度条件为
Figure BDA0003443375890000104
按第四强度理论，则强度条件为
Figure BDA0003443375890000105
同理，将1-6和1-7代入第四强度理论可得强度条件是
Figure BDA0003443375890000106
综合考虑，要求拨齿杆自身重量轻，惯性矩小，能够精确、平稳定位，因此，基于上述综合考虑，拨齿杆选用高强度45号钢，其总体重量轻，能够满足以上各设计需求。
本发明提供的基于机械臂的智能齿轮对齿自动装配系统可以大幅提高生产节拍并提升车间自动化水平，减少劳动力消耗，避免资源浪费。所运用的视觉辅助技术可提高精度，增强环境适用性，提高对外部环境的感知能力，提高了整个工业系统精度，更加满足工业现场的装配要求。从降本的角度而讲，合适的机械臂系统能使生产效率更高，损耗更低，同时工业机器人可实现不间断工作，减少了劳动损耗及劳动成本，大大降低了生产成本。
本发明提供的基于机械臂的智能齿轮对齿自动装配系统是结合本文中所公开的实施例描述的各示例的单元及算法步骤，能够以电子硬件、计算机软件或者二者的结合来实现，为了清楚地说明硬件和软件的可互换性，在上述说明中已经按照功能一般性地描述了各示例的组成及步骤。这些功能究竟以硬件还是软件方式来执行，取决于技术方案的特定应用和设计约束条件。专业技术人员可以对每个特定的应用来使用不同方法来实现所描述的功能，但是这种实现不应认为超出本发明的范围。
所属技术领域的技术人员能够理解，本发明提供的基于机械臂的智能齿轮对齿自动装配系统的各个方面可以具体实现为以下形式，即：完全的硬件实施方式、完全的软件实施方式(包括固件、微代码等)，或硬件和软件方面结合的实施方式，这里可以统称为“电路”、“模块”或“系统”。
对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种基于机械臂的智能齿轮对齿自动装配系统，其特征在于，包括：拨齿杆机构和上位机；
拨齿杆机构设有顶紧托盘(1)；顶紧托盘(1)的底部安装有螺栓拧紧轴(2)、夹紧块(3)、视觉相机(4)以及拨齿杆(6)；
顶紧托盘(1)的顶部设有夹紧装置(7)和松开装置(8)；
上位机通过视觉相机(4)识别风扇托架的形状、位置、二维码及间隙大小；
对拨齿杆进行受力分析，配置拨齿杆的状态参数；
在装配过程中，上位机分别控制螺栓拧紧轴(2)、视觉相机(4)、夹紧装置(7)和松开装置(8)动作，实现风扇托架工件装配。
2.根据权利要求1所述的基于机械臂的智能齿轮对齿自动装配系统，其特征在于，
上位机还用于通过视觉相机识别风扇托架的信息之后，控制拨齿杆将齿轮顺时针拨齿，将拨齿杆的受力情况等效成悬臂梁的受力情况来分析垂直面受力情况。
3.根据权利要求2所述的基于机械臂的智能齿轮对齿自动装配系统，其特征在于，
在拨齿杆垂直面内，设距原点为x的横截面为拨齿头，以拨齿头位置处为分界点，左侧有约束力、弯矩、和集度为q的均布载荷；
可得公式为：
Fs(x)＝q(L-x)
(1-1)
Figure FDA0003443375880000011
式(1-1)表示，剪力图是一斜直线，只要确定两点就可以定出这条斜线；
式(1-2)表示，弯矩图是一抛物线，更多确定曲线上的几点，然后用光滑曲线绘制出弯矩图；
Figure FDA0003443375880000021
X＝L，M(L)＝0
水平面内的弯矩Mz图同My的计算方法相同，按相同方法可求出弯矩图Mz。
4.根据权利要求3所述的基于机械臂的智能齿轮对齿自动装配系统，其特征在于，
对于截面为圆形的轴，包含轴线的任意纵向面，均为纵向对称面；
将My和Mz合成后，合成后的弯矩M的作用平面为纵向对称面，按弯曲时正应力的计算公式：
Figure FDA0003443375880000022
矢量合成法可求得合成弯矩M，公式为：
Figure FDA0003443375880000023
在拨齿头与齿轮的接触面处，合成弯矩M对应的弯曲正应力，在D1和D2点上达到极大值；
Figure FDA0003443375880000031
Figure FDA0003443375880000032
其中σx表示正应力最大值。
5.根据权利要求4所述的基于机械臂的智能齿轮对齿自动装配系统，其特征在于，
根据强度条件为σx-σy≤σs，σs可换为许用应力[σ]；
σx-σy≤[σ]
将公式1-7得到的σmax和σmin代入上式1-8得到
Figure FDA0003443375880000033
将公式1-6代入上式可得，圆轴在弯曲变形下的强度条件为
Figure FDA0003443375880000034
按第四强度理论，则强度条件为
Figure FDA0003443375880000035
同理，将1-6和1-7代入第四强度理论可得强度条件是
Figure FDA0003443375880000036
6.根据权利要求1或2所述的基于机械臂的智能齿轮对齿自动装配系统，其特征在于，
还包括：驱动气缸(5)；
驱动气缸(5)与视觉相机(4)连接，上位机与驱动气缸(5)连接，上位机通过控制驱动气缸(5)调整视觉相机(4)位置。
7.根据权利要求1或2所述的基于机械臂的智能齿轮对齿自动装配系统，其特征在于，
还包括：夹紧驱动电路和松开驱动电路；
上位机通过夹紧驱动电路与夹紧装置(7)连接，控制夹紧装置(7)运行；
上位机通过松开驱动电路与松开装置(8)连接，控制松开装置(8)运行。
8.根据权利要求1或2所述的基于机械臂的智能齿轮对齿自动装配系统，其特征在于，
还包括：机械臂；
机械臂用于将风扇托架抓取并运送至拨齿杆机构上，并在装配完成之后再将风扇托架抓取并运送至下一工序；
上位机与机械臂连接，并控制机械臂运行。
9.根据权利要求8所述的基于机械臂的智能齿轮对齿自动装配系统，其特征在于，
上位机采用可编程控制器S7-1500系列的CPU1513-1PN作用控制单元，通过PLC控制程序控制系统中的电机、检测传感器以及气缸，来实现对机械臂和拨齿杆机构的各个动作进行控制，并接收各个传感器采集到的位置、剪切力、拧紧力矩信号转为电压信号，获取系统当前运行状态，并实现自动化控制。
10.根据权利要求1或2所述的基于机械臂的智能齿轮对齿自动装配系统，其特征在于，
拨齿杆选用45号高强度钢。
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