CN115008155B - 一种用于复材组件装配的拼接式辅助定位工装系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于复材组件装配的拼接式辅助定位工装系统。包括桁架机械臂模块、机械爪模块、工装组件模块、底座模块四个组成部分；桁架机械臂模块为龙门式结构，可以带动机械爪在三维空间内灵活移动；机械爪模块由夹具部分与双目相机构成，主要负责工装组件的抓取、装配以及位姿、误差检测；工装组件模块包含了四种不同形状的工装板，在一定规则的指导下，拼接成与待装配零件形状相适应的工装组件；底座模块包括底座与底板，底座用于安装桁架机械臂，同时作为装配平面，底板用于最终的装配。本发明通过拼接式辅助定位工装的使用，能够显著增强复材组件的定位特征，机械臂与视觉系统的使用，有效提升了装配自动化水平，提高了装配效率与精度。

Description

一种用于复材组件装配的拼接式辅助定位工装系统

技术领域

本发明属于航天器数字化装配技术领域，具体涉及一种用于航天器复材组件装配的拼接式辅助定位工装系统。

背景技术

随着航天技术的发展，对航天产品零件的精度有着越来越高的要求，虚拟装配技术也被广泛应用于航天装配工艺中。然而，由于有些航天器零件采用复合材料加工而成，其表面精度较低，孔和面的定位精度均不高，缺乏可以在装配过程中准确反映零件位姿的定位特征，导致组件的装配位姿虚实映射困难，虚拟装配的结果难以有效地指导实际组件的装配。

因此，迫切需要一种高精度的辅助定位工装系统，增强零件的定位特征，以便于后续将零件的装配定位转换为辅助定位工装的装配定位，从而解决组件装配位姿虚实映射的问题。

发明内容

为解决背景技术中存在的问题，本发明提出一种用于复材组件装配的拼接式辅助定位工装系统，本发明通过拼接式辅助定位工装的使用，能够显著增强复材组件的定位特征，从而有效避免由于复材加工精度不高，导致在安装过程中由于缺少定位特征，如定位面(表面不平整、尺寸和形状精度低)和定位孔(由于参考表面粗糙，造成加工过程中孔的定位精度低)等造成的定位误差，从而保证了装配定位的准确，且拼接式的工装结构使其具有较强的通用性。

本发明采用的技术方案如下：

一、一种用于复材组件装配的拼接式辅助定位工装系统

包括桁架机械臂模块、机械爪模块、工装组件模块和底座模块，桁架机械臂模块安装于底座模块上方；机械爪模块安装于桁架机械臂模块的运动末端，用于抓取、装配与检测工装组件模块；工装组件模块包括连接件和四种不同形状的工装板；若干块工装板通过连接件拼接后组成与待装配零件底面形状相适应的辅助工装组件，用于辅助定位待装配零件；每块工装板上均设置有夹取口、连接口、螺钉安装孔、定位销孔。

所述的四种不同形状的工装板分别为A型工装板、B型工装板、C型工装板和D型工装板：

所述A型工装板为等腰梯形，两腰延长线夹角为30°，上底和下底在中轴线上均设有夹取口，两腰上各设有一对连接口，中轴线中点处设有一螺钉安装孔，位于中轴线上且靠近下底位置处设有一定位销孔；

所述B型工装板为正方形，每条边的中点处设有夹取口，每个夹取口两侧各设有一连接口，工装板的几何中心设有一螺钉安装孔，靠近四个边角处各设有一定位销孔；

所述C型工装板为长方形，短边长度为长边的一半，每条长边的中点处设有夹取口，长边的夹取口两侧各设有一连接口，每条短边中点处设有一连接口，中轴线中点设有一螺钉安装孔，位于中轴线上且靠近两条短边的位置处各设有一定位销孔；

所述D型工装板为等腰直角三角形，直角处以及斜边中点处各设有一夹取口，两直角边各设有一对连接口，斜边中线的中点处设有一螺钉安装孔，靠近两45°角处位置处各设有一定位销孔。

所述A型工装板的腰、B型工装板的边、C型工装板的长边和D型工装板的直角边的长度相同，且设置的连接口位置均相同；

所述连接件为银锭榫结构，两头宽中间窄，四周设有倒角；连接件通过嵌入两块工装板的连接口之间连接固定两工装板，连接件与工装板的连接口过盈配合；工装板的连接口为与银锭榫结构配合的燕尾槽开口。

所述底座模块包括底座和底板；底座的四角设置有立柱安装槽用于安装立柱，底座表面分布有若干纵横交错的T型槽，用于安装夹具；底板为矩形金属板，底板上加工有与辅助工装组件的工装板上的定位销孔Ⅰ对应的定位销孔Ⅱ，定位销通过穿过定位销孔Ⅰ和定位销孔Ⅱ将辅助工装组件固定于底板上。

所述夹取口为一对直角缺口，与机械爪模块上的夹取槽相配合，用于进行夹取时的定位。

螺钉安装孔为阶梯孔，通过沉头螺钉与螺母连接待装配零件与工装板，沉头螺钉由下至上依次穿过工装板的阶梯孔和待装配零件的通孔，且螺钉头部嵌入螺钉安装孔内，工装板底面没有额外凸出结构。

所述待装配零件一般为使用复材加工工艺获得的盒形件，其精度较低且缺少定位特征。

所述桁架式机械臂包括：两个水平且相互平行的X轴导轨、垂直设在两个X轴导轨上并能沿X轴导轨移动的Y轴导轨、设在Y轴导轨上并能沿Y轴导轨移动的滑台、设在滑台上并能相对滑台竖向移动的Z轴提升梁、Z轴提升梁的末端设置有可绕Z轴旋转夹具安装口。

所述机械爪模块包括机械臂安装架和安装于机械臂安装架上的双目相机、舵机、传动齿轮、从动杆、夹取杆；机械臂安装架顶部与桁架机械臂模块的夹具安装口连接；双目相机正对夹取杆夹取的目标物；两根从动杆一端连接传动齿轮，另一端分别与两根夹取杆铰接相连，传动齿轮在舵机的驱动下转动，从而通过从动杆带动两根夹取杆开合进行夹取；两根夹取杆内侧面设置有夹取槽，夹取槽为与工装板的夹取口配合的一对直角槽，用于提高组件的夹取定位精度，提高位姿识别的容错率。

所述工装板的材质为聚甲醛等不透光且不反光的材料，以便于后续进行激光扫描。所述连接件的材质为45号钢，其可被电磁铁吸附，为后续与电磁铁阵列配合固定做准备，且其与工装板上的连接口进行过盈配合。所述底板、机械爪的材质为铝合金或钢。

所述工装板和底板上的定位平面采用机械加工并经过表面抛光处理，保障其尺寸精度和形状精度；定位孔则是在机床上进行孔的加工相关操作，并且将经过精加工的侧面作为基准面对定位孔进行孔的定位和加工，从而保证孔的定位精度。

所述工装板和底板需要设计合适的厚度，使其拥有足够强度和刚度，以减少加工过程中由于受力变形造成的定位面和定位孔的形状和尺寸精度误差，并且同时满足工装加工制造的经济性。

二、采用上述拼接式辅助定位工装系统的装配方法

包括以下步骤：

1)对每个待装配零件，根据工装板的拼接规则拼接与待装配零件形状适配的辅助工装组件，将辅助工装组件与待装配零件通过螺钉螺母固接，得到工装组件装配体；

2)将所有工装组件装配体置于底座模块上，并对其进行扫描，得到三维点云模型数据，进而通过计算机辅助技术进行虚拟装配，得到装配信息；

3)通过双目相机识别所有工装组件装配体的类型和摆放位姿，机械爪根据位姿信息和装配信息对其进行抓取和装配；

4)然后通过视觉检测记录装配后的各工装组件装配体上未被遮挡的定位销孔Ⅰ的位置，再将所有工装组件装配体从底座上取下，根据记录的定位销孔位置在底板上加工出对应的定位销孔Ⅱ；

5)最后通过定位销将装配后的工装组件装配体固定于底板上，完成待装配零件的辅助定位。

所述步骤1中工装板的拼接规则包括：

1)对于底面面积大于B型工装板面积2倍的待装配零件，优先使用B型工装板；

2)待装配零件的小曲率圆弧(曲率半径大于B型工装板边长的4倍)处使用A型工装板，大曲率圆弧(曲率半径小于B型工装板边长的4倍)处使用D型工装板；

3)辅助工装组件在长度方向上需沿中轴线对称，辅助工装组件的工装板数量为奇数，夹取点在中轴线上，从而保证夹取时重心保持平衡；

4)若长度方向上工装板块数为偶数，无法确保夹取点在中轴线上时，则将其中一块B型工装板拆成两个C型工装板，置于两侧，组成奇数块工装板，以确保夹取点在中轴线上；

5)在长度方向上，使辅助工装组件的长度不超过待装配零件(3-6)的长度，从而避免不同辅助工装组件之间发生干涉；

6)辅助工装组件上至少留出两个定位销孔不被覆盖，以用于和底板的连接。

本发明具有以下有益效果：

1、辅助定位工装板经过机械加工方式获得，加工精度高，具有准确的定位特征，可有效指导后续的位姿虚实映射。且结构简单、连接稳定，同时拼接式的工装结构使其具有较强的通用性。

2、桁架式机械臂操控较为简单，精度也较高，代替传统的手工装配，有效提升了装配自动化水平，提高了装配效率与精度。

3、使用双目相机进行组件位姿的识别，故装配前零件即使无序摆放，装配也可正常进行。装配完成后，进行视觉误差检测，无需接触装配体，且速度快、精度高。

4、材料来源充分，成本较低，且工艺成熟，易于实现。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明桁架机械臂模块的结构示意图；

图3为本发明机械爪模块的结构示意图；

图4为本发明工装板与连接件的结构示意图；

图5为本发明工装组件模块的安装示意图，(a)、(b)分别表示安装两种曲率不同的待装配零件；

图6为本发明工装组件模块的剖面图；

图7为本发明底座的三视图；

图8为本发明底板与最终装配体的结构示意图；

图9为本发明的具体实施流程图；

图中：桁架机械臂模块(1)：X轴电机(1-1)、X轴滑台(1-2)、X轴导轨(1-3)、Y轴电机(1-4)、立柱(1-5)、Z轴电机(1-6)、Y轴滑台(1-7)、Y轴导轨(1-8)、Z轴提升梁(1-9)、夹具安装孔(1-10)；机械爪模块(2)：机械臂安装口(2-1)、舵机(2-2)、传动齿轮(2-3)、从动杆(2-4)、双目相机(2-5)、夹取杆(2-6)、夹取槽(2-7)；工装组件模块(3)：连接口(3-1)、定位销孔(3-2)、螺钉安装孔(3-3)、夹取口(3-4)、连接件(3-5)、待装配零件(3-6)、沉头螺钉与螺母(3-7)、定位销(3-8)；底板模块(4)：立柱安装孔(4-1)、立柱安装槽(4-2)、T型槽(4-3)、底板(4-4)、定位销孔(4-5)。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明中的技术方案进行清楚、完整的进一步说明。

如图1所示，为本发明的总体结构示意图。包括桁架机械臂模块1、机械爪模块2、工装组件模块3、底座模块4四个组成部分。所述桁架机械臂模块1安装于底座模块4之上，所述机械爪模块2安装于桁架机械臂模块1的运动末端，所述工装组件模块3由机械爪模块2负责抓取、装配与检测。

如图2所示，为本发明桁架机械臂模块1的结构示意图。包括X轴电机1-1、X轴滑台1-2、X轴导轨1-3、Y轴电机1-4、Y轴滑台1-7、Y轴导轨1-8、Z轴电机1-6、Z轴提升梁1-9、立柱1-5、夹具安装口1-10。

所述X轴电机1-1、X轴滑台1-2以及X轴导轨1-3共同构成了X方向运动组件。所述Y轴电机1-4、Y轴滑台1-7以及Y轴导轨1-8共同构成了Y方向运动组件。所述Z轴电机1-6和Z轴提升梁1-9共同构成了Z方向运动组件。所述的三个运动组件都是由末端带齿轮的电机与带有齿条的导轨或提升梁相配合进行传动的。所述夹具安装口1-10位于Z轴提升梁1-9的末端，可绕Z轴旋转，用于安装机械爪模块2，在Z方向运动组件带动下沿Z方向运动。机械爪模块2和Z方向运动组件在Y方向运动组件的带动下共同沿Y方向运动。机械爪模块2、Z方向运动组件和Y方向运动组件在X方向运动组件的带动下共同沿X方向运动。所述立柱1-5用于支撑整个桁架机械臂模块1。

如图3所示，为本发明机械爪模块2的结构示意图。包含机械臂安装口2-1、舵机2-2、传动齿轮2-3、从动杆2-4、双目相机2-5、夹取杆2-6、夹取槽2-7。

所述机械臂安装口2-1用于与桁架机械臂模块1的夹具安装口1-10进行连接。所述舵机2-2用于驱动机械爪的开合。所述传动齿轮2-3上固连有一杆件，与从动杆2-4相互配合，带动夹取杆2-6的平移运动。所述双目相机2-5安装于机械爪外侧，用于组件位姿的识别与误差检测。所述夹取槽2-7位于夹取杆2-6末端，上设有两个直角槽，与工装组件模块3上的夹取口3-4相配合，用于提高组件的夹取定位精度，提高位姿识别的容错率。

如图4所示，为本发明工装板与连接件的结构示意图。包含连接件3-5以及A型、B型、C型、D型四种不同形状的工装板，每块工装板上都设有连接口3-1、定位销孔3-2、螺钉安装孔3-3、夹取口3-4。

所述连接件3-5为银锭形，两头宽中间窄，且四周设有倒角，与工装板上的连接口3-1通过过盈配合，嵌入两工装板之间，用于连接固定两工装板。所述A型工装板为等腰梯形，其两腰延长线夹角为30°，其上底和下底在中轴线上均设有夹取口3-4，两腰上各设有一对连接口3-1，中轴线中点处设有一螺钉安装孔3-3，中上位置设有一定位销孔3-2。所述B型工装板为正方形，其每条边的中点处设有夹取口3-4，两侧各设有一连接口3-1，几何中心设有一螺钉安装孔3-3，四个角各设有一定位销孔3-2。所述C型工装板为矩形，其短边长度为长边的一半，长边的中点处设有夹取口3-4，两侧各设有一连接口3-1，短边中点处设有一连接口3-1，中轴线中点设有一螺钉安装孔3-3，上下侧各设有一定位销孔3-2。所述D型工装板为等腰直角三角形，直角处以及斜边中点处各设有一夹取口3-4，两直角边各设有一对连接口3-1，斜边中线的中点处设有一螺钉安装孔3-3，两45°角处各设有一定位销孔3-2。

所述连接口3-1为梯形凹口，用于嵌入连接件3-5，实现两工装板的连接固定。所述定位销孔3-2用于与定位销3-8配合，将工装组件模块3固定于底板4-4上。所述螺钉安装孔3-3为台阶孔，通过沉头螺钉3-7与螺母和待装配零件3-6相连接。所述夹取口3-4为一对直角缺口，与机械爪模块2上的夹取槽2-7相配合，用于进行夹取时的定位。

如图5所示，为本发明工装组件模块3的结构示意图。图5(a)的上图为辅助工装组件，下图为工装组件装配体。使用四种不同的工装板，在工装板的拼接规则指导下，拼接成与待装配零件3-6形状相适应的工装组件，并通过沉头螺钉与螺母3-7与待装配零件3-6固定，从而作为整体进行扫描与装配。所述拼接规则主要包括以下六点：

1)大面积时优先使用B型工装板；

2)小曲率圆弧处使用A型工装板(如图5a所示)，大曲率圆弧处使用D型工装板(如图5b所示)；

3)应确保组件在长度方向上，沿中轴线对称，且工装板块数为奇数，夹取点在中轴线上，从而保证夹取时重心能保持平衡；

4)若长度方向上工装板块数为偶数，无法确保夹取点在中轴线上时，则将其中一块B型工装板拆成两个C型工装板，置于两侧，凑成奇数块，以确保夹取点在中轴线上；

5)在长度方向上，待装配零件的长度应稍大于工装板组件的长度，从而避免工装板组件之间发生干涉；

6)至少留出两个定位销孔不被覆盖，以用于和底板的连接。

如图6所示，为本发明工装组件模块3的剖面图。工装板与待装配零件3-6通过沉头螺钉和螺母3-7进行装配，由于螺钉安装孔3-3的下侧设计为台阶孔，因此螺钉的头部能够顺利嵌入工装板中，底面部分没有额外凸出结构。工装板与底板4-4通过定位销3-8进行装配，从而避免零件之间发生相对位移，保证了装配体结构的稳定性。

如图7所示，为本发明底座的结构示意图。所述底座为矩形，其四角均设有立柱安装孔4-1与立柱安装槽4-2，用于安装桁架机械臂模块的立柱，同时作为装配平面，其表面分布有若干纵横交错的T型槽4-3，用于安装相应夹具，固定已装配好的组件。

如图8所示，为本发明底板4-4与最终装配体的结构示意图。所述底板4-4为一块矩形金属板，用于最终的装配。待优化完成，组件位姿最终确定后，再进行机加工，打出对应的定位销孔4-5，并通过定位销3-8与工装组件模块3中的定位销孔3-2进行固定。

如图9所示，为本发明的具体实施流程图。具体实施中：

1)先拼接出与待装配零件相适应的工装板组件，并通过螺钉螺母与零件固接。然后对所有零件进行扫描后通过计算机辅助技术进行虚拟装配，得到装配面的修配信息并进行修配；

2)通过双目相机对组件的类型进行识别，并对其位姿进行检测，然后采用机械爪对组件进行夹取与装配；

3)继而通过视觉识别的方法检测组件的摆放位姿，从而进行夹取与装配。装配完成后使用视觉检测误差，若不符合装配精度要求，则将该组件拆卸下来，并重新计算优化修配量，再次进行修配与装配，直到满足精度要求为止。

4)然后通过视觉检测并提取当前各组件上未被遮挡的定位销孔的位置，再将所有组件从底座上取下，根据记录的定位销孔位置在底板上加工出对应的定位销孔；

5)最后通过定位销将装配后的组件固定于底板上，并进行外轮廓切削；

6)进行最终的视觉误差检测，评定装配误差，完成整个流程。

Claims (2)

1.一种用于复材组件装配的拼接式辅助定位工装系统的装配方法，其特征在于，所述方法采用拼接式辅助定位工装系统，拼接式辅助定位工装系统包括桁架机械臂模块（1）、机械爪模块（2）、工装组件模块（3）和底座模块（4），桁架机械臂模块（1）安装于底座模块（4）上方；机械爪模块（2）安装于桁架机械臂模块（1）的运动末端，用于抓取、装配与检测工装组件模块（3）；

工装组件模块（3）包括连接件（3-5）和四种不同形状的工装板；若干块工装板通过连接件（3-5）拼接后组成与待装配零件底面形状相适应的辅助工装组件，用于辅助定位待装配零件；每块工装板上均设置有夹取口（3-4）、连接口（3-1）、螺钉安装孔（3-3）、定位销孔Ⅰ（3-2）；

装配方法包括以下步骤：

1）对每个待装配零件，根据工装板的拼接规则拼接与待装配零件形状适配的辅助工装组件，将辅助工装组件与待装配零件通过螺钉螺母固接，得到工装组件装配体；

2）将所有工装组件装配体置于底座模块（4）上，并对其进行扫描，得到三维点云模型数据，进而通过计算机辅助技术进行虚拟装配，得到装配信息；

3）通过双目相机识别所有工装组件装配体的类型和摆放位姿，机械爪根据位姿信息和装配信息对其进行抓取和装配；

4）然后通过视觉检测记录装配后的各工装组件装配体上未被遮挡的定位销孔Ⅰ（3-2）的位置，再将所有工装组件装配体从底座上取下，根据记录的定位销孔Ⅰ（3-2）位置在底板（4-4）上加工出对应的定位销孔Ⅱ（4-5）；

5）最后通过定位销将装配后的工装组件装配体固定于底板（4-4）上，完成待装配零件的辅助定位。

2.根据权利要求1所述的一种用于复材组件装配的拼接式辅助定位工装系统的装配方法，其特征在于：所述的四种不同形状的工装板分别为A型工装板、B型工装板、C型工装板和D型工装板：

所述A型工装板为等腰梯形，两腰延长线夹角为30°，上底和下底在中轴线上均设有夹取口（3-4），两腰上各设有一对连接口（3-1），中轴线中点处设有一螺钉安装孔（3-3），位于中轴线上且靠近下底位置处设有一定位销孔Ⅰ（3-2）；

所述B型工装板为正方形，每条边的中点处设有夹取口（3-4），每个夹取口（3-4）两侧各设有一连接口（3-1），工装板的几何中心设有一螺钉安装孔（3-3），靠近四个边角处各设有一定位销孔Ⅰ（3-2）；

所述C型工装板为长方形，短边长度为长边的一半，每条长边的中点处设有夹取口（3-4），长边的夹取口（3-4）两侧各设有一连接口（3-1），每条短边中点处设有一连接口（3-1），中轴线中点设有一螺钉安装孔（3-3），位于中轴线上且靠近两条短边的位置处各设有一定位销孔Ⅰ（3-2）；

所述D型工装板为等腰直角三角形，直角处以及斜边中点处各设有一夹取口（3-4），两直角边各设有一对连接口（3-1），斜边中线的中点处设有一螺钉安装孔（3-3），靠近两45°角处位置处各设有一定位销孔Ⅰ（3-2）；

所述A型工装板的腰、B型工装板的边、C型工装板的长边和D型工装板的直角边的长度相同，且设置的连接口（3-1）位置均相同；

所述步骤1中工装板的拼接规则包括：

1）对于底面面积大于B型工装板面积2倍的待装配零件，优先使用B型工装板；

2）待装配零件的小曲率圆弧处使用A型工装板，大曲率圆弧处使用D型工装板；

3）辅助工装组件在长度方向上需沿中轴线对称，辅助工装组件的工装板数量为奇数，夹取点在中轴线上，从而保证夹取时重心保持平衡；

4）若长度方向上工装板块数为偶数，无法确保夹取点在中轴线上时，则将其中一块B型工装板拆成两个C型工装板，置于两侧，组成奇数块工装板，以确保夹取点在中轴线上；

5）在长度方向上，使辅助工装组件的长度不超过待装配零件（3-6）的长度；

6）辅助工装组件上至少留出两个定位销孔Ⅰ（3-2）不被覆盖，以用于和底板的连接。