CN115383444A - 一种空间导管自动检测装配定位装置及其控制方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种空间导管自动检测装配定位装置及其控制方法，所述装置包括：运动执行装置，包括连接为一个整体的X轴运动导向机构、Y轴运动导向机构和Z轴运动导向机构；末端执行机构，包括多个机械手和管件夹具，所述机械手固定在所述Z轴运动导向机构的输出端，多个所述机械手上分别固定设置所述管件夹具，用于将待装配管件夹紧；控制系统，所述控制系统与所述运动执行装置控制连接，用于驱动所述X轴运动导向机构、Y轴运动导向机构和Z轴运动导向机构的运动，使所述末端执行机构可在X轴、Y轴、Z轴三个方向上移动，实现所述待装配管件的定位。本发明可使异形导管在空间范围内快速自动装配，有效提高装配精度。

Description

一种空间导管自动检测装配定位装置及其控制方法

技术领域

本发明涉及工业导管装配技术领域，具体涉及一种空间导管自动检测装配定位装置及其控制方法。

背景技术

目前，在航空航天、石油工业等领域针对异形导管在空间范围内的自动装配还是一个难点。现如今还是沿用人工对接的原始方式，此方法存在装配精度及效率低的问题，且由于是人工对接，对于技术人员的经验、技术水平等均有很高的要求。

因此，传统的针对异形导管在空间范围内的自动装配方法不适应发展的趋势，易受技术人员技术水平、经验和主观意识的影响，进而影响空间导管装配的效果和精度。

发明内容

针对异形导管在空间范围内的装配问题，本申请实施例提供一种空间导管自动检测装配定位装置及其控制方法，以达到使异形导管在空间范围内快速自动装配，提高装配精度的目的。

本申请实施例提供以下技术方案：一种空间导管自动检测装配定位装置，包括：

运动执行装置，所述运动执行装置包括连接为一个整体的X轴运动导向机构、Y轴运动导向机构和Z轴运动导向机构；

末端执行机构，所述末端执行机构包括多个机械手和管件夹具，所述机械手固定在所述Z轴运动导向机构的输出端，多个所述机械手上分别固定设置所述管件夹具，用于将待装配管件夹紧；

控制系统，所述控制系统与所述运动执行装置控制连接，用于驱动所述X轴运动导向机构、Y轴运动导向机构和Z轴运动导向机构的运动，使所述末端执行机构可在X轴、Y轴、Z轴三个方向上移动，实现所述待装配管件的定位。

根据本申请一种实施例，所述机械手中设置旋转调节机构，所述控制系统与所述旋转调节机构连接，用于驱动所述旋转调节机构在空间I、J、K三方向进行旋转，以带动所述管件夹具在空间内旋转。

根据本申请一种实施例，还包括激光跟踪测量系统，所述激光跟踪测量系统包括激光跟踪仪和设置在所述待装配管件表面的靶标，所述激光跟踪仪与所述控制系统控制连接，所述激光跟踪仪用于发射激光，检测所述靶标的空间位置，并将所述靶标的空间坐标传输至所述控制系统，所述控制系统用于将获取的所述靶标的空间坐标与预设的待装配管件空间坐标进行对比验证，以驱动所述X轴运动导向机构、Y轴运动导向机构和Z轴运动导向机构运动，直至获取的所述靶标的空间坐标与预设的待装配管件空间坐标一致。

根据本申请一种实施例，还包括姿态验证系统，所述姿态验证系统包括设置于所述待装配管件上方的拍摄装置，所述拍摄装置与所述控制系统连接，用于从所述待装配管件的空间上方拍摄导管姿态照片，并将该导管姿态照片传输至所述控制系统，所述控制系统用于将获取的该导管姿态照片与数据库中预存的导管模板进行相似度对比，在得到的相似度值不小于预设阈值时，以驱动所述X轴运动导向机构、Y轴运动导向机构和Z轴运动导向机构运动，直至得到的相似度值小于预设阈值。

根据本申请一种实施例，所述Y轴运动导向机构包括第一伺服电机、Y轴方向设置的Y轴底座、X轴方向设置的多个X轴横梁和固定在所述Y轴底座上的第一齿条传动机构，所述多个X轴横梁的底部设置与所述第一齿条传动机构配合传动的齿轮，所述第一伺服电机的控制端与所述控制系统连接，所述第一伺服电机的输出端与所述第一齿条传动机构连接，以驱动所述第一齿条传动机构运动，带动所述多个X轴横梁在所述Y轴底座上移动。

根据本申请一种实施例，所述X轴运动导向机构包括第二伺服电机、分别设置在所述多个X轴横梁顶部的第二齿条传动机构，以及多个X轴移动座，所述多个X轴移动座上分别设置与所述第二齿条传动机构配合传动的齿轮，所述第二伺服电机的控制端与所述控制系统连接，所述第二伺服电机的输出端与所述第二齿条传动机构连接，以驱动所述第二齿条传动机构运动，带动所述多个X轴移动座分别在所述多个X轴横梁上移动。

根据本申请一种实施例，所述Z轴运动导向机构运动包括分别固定在所述多个X轴移动座上的多个伺服电缸，所述多个伺服电缸的控制端与所述控制系统连接，所述多个伺服电缸的输出端分别连接多个所述机械手，以驱动所述机械手在Z轴方向上移动。

本发明实施例还提供一种如上述的空间导管自动检测装配定位装置的控制方法，包括：

机械手抓取待装配管件的各个部分，通过管件夹具夹紧；

控制系统获取待装配管件各个部分的装配特征点的空间坐标，向X轴运动导向机构、Y轴运动导向机构、Z轴运动导向机构，以及机械手的旋转调节机构下发控制指令，驱动所述X轴运动导向机构、Y轴运动导向机构、Z轴运动导向机构、旋转调节机构分别进行直线运动和旋转运动，将所述待装配管件在目标位置定位。

根据本申请一种实施例，还包括：

通过拍摄装置从所述待装配管件的空间上方多角度拍摄导管姿态照片，并将该导管姿态照片传输至所述控制系统，所述控制系统将获取的该导管姿态照片与数据库中预存的导管模板进行相似度对比，得到相似度值；

若该相似度值不小于预设阈值，则驱动所述X轴运动导向机构、Y轴运动导向机构、Z轴运动导向机构和旋转调节机构运动，对所述待装配管件的位置进行微调整。

根据本申请一种实施例，还包括：

在待装配管件的各个部分表面分别设置靶标，通过激光跟踪仪检测所述靶标的空间位置，并将所述靶标的空间坐标传输至所述控制系统，所述控制系统将获取的所述靶标的空间坐标与预设的待装配管件空间坐标进行对比验证；

若获取的所述靶标的空间坐标与预设的待装配管件各个部分的空间坐标不一致，则驱动所述X轴运动导向机构、Y轴运动导向机构、Z轴运动导向机构和旋转调节机构运动，对所述待装配管件的位置进行微调整。

与现有技术相比，本发明实施例实现了对异形管路装配、检测等工序，可在线自动测量和数据采集，异形导管可一次安装自动夹紧完成，实现连续装配；可针对不同形状的管路实现柔性化装配，并对装配参数优化。采用多道检测工艺，多种检测方法，在线检测能自动发现装配过程中的缺陷，并且及时调整，为空间导管的装配提供精确位置信息，提高导管装配的生产效率和装配质量，适用于航空航天、石油管路和天然气管路等多种空间管路的装配。

并且，本发明实施例不易受技术人员技术水平、经验和主观意识的影响，检测数据客观标准，大幅减少对操作人员技术水平和经验的要求。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例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申请的一些实施例，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它的附图。

图1是本发明实施例的空间导管自动检测装配装置结构示意图；

图2是本发明实施例的控制方法流程示意图；

图3是本发明实施例中半边管结构示意图；

图4是本发明实施例中补偿管结构示意图；

图5是本发明实施例中法兰盘结构示意图；

图6是本发明实施例中异形管结构示意图；

其中，1-Y轴底座，2-X轴横梁，3-激光跟踪仪，4-伺服电缸，5-机械手，6-管件夹具，7-待装配管件，8-拍摄装置。

具体实施方式

下面结合附图对本申请实施例进行详细描述。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明，对本发明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作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。

如图1所示，本发明实施例提供了一种空间导管自动检测装配定位装置，包括：

运动执行装置，所述运动执行装置包括连接为一个整体的X轴运动导向机构、Y轴运动导向机构和Z轴运动导向机构；

末端执行机构，所述末端执行机构包括多个机械手5和管件夹具6，所述机械手5固定在所述Z轴运动导向机构的输出端，多个所述机械手5上分别固定设置所述管件夹具6，用于将待装配管件7夹紧；

控制系统，所述控制系统与所述运动执行装置控制连接，用于驱动所述X轴运动导向机构、Y轴运动导向机构和Z轴运动导向机构的运动，使所述末端执行机构可在X轴、Y轴、Z轴三个方向上移动，实现所述待装配管件7的定位。

在一种实施例中，所述机械手5中设置旋转调节机构，所述控制系统与所述旋转调节机构连接，用于驱动所述旋转调节机构在空间I、J、K三方向进行旋转，以带动所述管件夹具6在空间内旋转。

在空间导管的装配系统中，如图3-图6所示，空间导管包括了半边管、补偿管、法兰盘、异形管等管件，其形状主要为圆形柱体，在机械上固定管件夹具6可夹于上述管件的外壁，将管件夹紧。

具体在实施时，本实施例的运动导向机构优选采用齿轮与齿条的配合传动机构。具体的，所述Y轴运动导向机构包括第一伺服电机、Y轴方向设置的Y轴底座1、X轴方向设置的多个X轴横梁2和固定在所述Y轴底座1上的第一齿条传动机构，所述多个X轴横梁2的底部设置与所述第一齿条传动机构配合传动的齿轮，所述第一伺服电机的控制端与所述控制系统连接，所述第一伺服电机的输出端与所述第一齿条传动机构连接，以驱动所述第一齿条传动机构运动，带动所述多个X轴横梁2在所述Y轴底座1上移动。

优选的方案中，上述的Y轴底座1为条形底座，数量可设置三条，分别设置在X轴横梁2的两端以及中间位置处，保证上方设备的稳定性。所述X轴横梁2可根据需要设置多条，X轴横梁2在Y轴底座1上移动，实现上方设备在Y轴方向的位置调节。

本实施例中，所述X轴运动导向机构包括第二伺服电机、分别设置在所述多个X轴横梁2顶部的第二齿条传动机构，以及多个X轴移动座，所述多个X轴移动座上分别设置与所述第二齿条传动机构配合传动的齿轮，所述第二伺服电机的控制端与所述控制系统连接，所述第二伺服电机的输出端与所述第二齿条传动机构连接，以驱动所述第二齿条传动机构运动，带动所述多个X轴移动座分别在所述多个X轴横梁2上移动。

具体实施时，在每个X轴横梁2的顶部分别设置第二齿条传动机构，每个第二齿条传动机构分别由单独的第二伺服电机进行控制，每个第二齿条传动机构上均设置X轴移动座，通过第二伺服电机的控制，可分别驱动任意一个第二齿条传动机构进行运动，实现上方设备在X轴方向的位置调节。

本实施例中，所述Z轴运动导向机构运动包括分别固定在所述多个X轴移动座上的多个伺服电缸4，所述多个伺服电缸4的控制端与所述控制系统连接，所述多个伺服电缸4的输出端分别连接多个所述机械手5，以驱动所述机械手5在Z轴方向上移动。

具体实施时，每个X轴移动座上分别设有伺服电缸4，每个伺服电缸4均与控制系统连接，控制系统可驱动任意一个伺服电缸4进行运动，实现上方设备在X轴方向，即在高度方向上的位置调节。

上述的机械手5的具体结构本实施例不做具体限定，采用常规机械手5设备，能够实现按固定程序抓取、搬运物件或机械操作即可，

为了对待装配管件7的定位位置进行精准检测及调节，在一种实施例中，还包括激光跟踪测量系统。本实施例的所述激光跟踪测量系统包括激光跟踪仪3和设置在所述待装配管件7表面的靶标，所述激光跟踪仪3与所述控制系统控制连接，所述激光跟踪仪3用于发射激光，检测所述靶标的空间位置，并将所述靶标的空间坐标传输至所述控制系统，所述控制系统用于将获取的所述靶标的空间坐标与预设的待装配管件7空间坐标进行对比验证，以驱动所述X轴运动导向机构、Y轴运动导向机构和Z轴运动导向机构运动，直至获取的所述靶标的空间坐标与预设的待装配管件7空间坐标一致。

具体在实施时，可在待装配管件7的各个部分表面分别设置靶标，激光跟踪仪3由控制系统控制，在接收到控制系统的控制指令后，采集各个靶标的空间坐标，并将采集值返回控制系统，待控制系统进行验证，最后根据验证结果，对运动执行机构或末端执行机构下发相应的调整控制指令。

在一种实施例中，还包括姿态验证系统，本实施例的所述姿态验证系统包括设置于所述待装配管件7上方的拍摄装置8，所述拍摄装置8与所述控制系统连接，用于从所述待装配管件7的空间上方拍摄导管姿态照片，并将该导管姿态照片传输至所述控制系统，所述控制系统用于将获取的该导管姿态照片与数据库中预存的导管模板进行相似度对比，在得到的相似度值不小于预设阈值时，以驱动所述X轴运动导向机构、Y轴运动导向机构和Z轴运动导向机构运动，直至得到的相似度值小于预设阈值。

具体在实施时，上述拍摄装置8具体为相机，可在多个角度分别拍摄当前待装配管件7的姿态照片，相机与控制系统连接，可将拍摄到的多个姿态照片传输到控制系统，待控制系统与预存在数据库中的导管模板进行相似度对比，具体可采用现有的图片相似度算法得到相似度值，再将相似度值与阈值进行比较，根据比较结果，对运动执行机构或末端执行机构下发相应的调整控制指令。

本实施例针对异形导管在空间范围内的装配问题，规划一种专业位置检测系统，该套系统分别从运动控制系统、视觉和激光跟踪三方面互相验证导管的空间位置，为空间导管的装配提供了精确位置信息，稳定装夹同时实现坐标系的快速定位，提高装配精度。

本发明另一实施例还提供一种空间导管自动检测装配定位装置的控制方法，包括：

(1)机械手5抓取待装配管件7的各个部分，通过管件夹具6夹紧；

(2)控制系统获取待装配管件7各个部分的装配特征点的空间坐标，向X轴运动导向机构、Y轴运动导向机构、Z轴运动导向机构，以及机械手5的旋转调节机构下发控制指令，驱动所述X轴运动导向机构、Y轴运动导向机构、Z轴运动导向机构、旋转调节机构分别进行直线运动和旋转运动，将所述待装配管件7在目标位置定位；

(3)通过拍摄装置8从所述待装配管件7的空间上方多角度拍摄导管姿态照片，并将该导管姿态照片传输至所述控制系统，所述控制系统将获取的该导管姿态照片与数据库中预存的导管模板进行相似度对比，得到相似度值；

若该相似度值不小于预设阈值，则驱动所述X轴运动导向机构、Y轴运动导向机构、Z轴运动导向机构和旋转调节机构运动，对所述待装配管件7的位置进行微调整；

(4)在待装配管件7的各个部分表面分别设置靶标，通过激光跟踪仪3检测所述靶标的空间位置，并将所述靶标的空间坐标传输至所述控制系统，所述控制系统将获取的所述靶标的空间坐标与预设的待装配管件7空间坐标进行对比验证；

若获取的所述靶标的空间坐标与预设的待装配管件7各个部分的空间坐标不一致，则驱动所述X轴运动导向机构、Y轴运动导向机构、Z轴运动导向机构和旋转调节机构运动，对所述待装配管件7的位置进行微调整。

具体在实施时，如图2所示，机械手5从料架上抓取组成导管的各个部件，系统计算所需执行机构数量并识别各导管部件装配特征点作为控制指令，根据装配图纸理论空间尺寸提出获得的坐标信息，并将各部件移动到相应位置。控制系统可识别三维软件导出的实体三维模型也可以识别由三维扫描软件导出的点云模型，基于此选取导管的装配特征点的空间坐标点。通过运动执行结构实现精确的走位和定位，同时配置测量和反馈修正系统并通过实际定位后的空间信息反馈修正其空间位置，确保在各柔性支撑装置的运动范围内达到一定的综合定位精度。这样确保控制系统，装配系统末端执行机构，导管实物三者统一空间坐标和空间角度。

管件到达指定位置后，相机从上方多个角度拍摄导管摆放姿态，与数据库中导管图像模板进行相似度对比，若大于设定的相似度阈值，则系统计算导管实际的偏移量，并由运动执行机构调整，进一步提高导管空间位置的精度。

由于空间导管装配区域大，单靠相机和末端执行机构很难达到想要的装配精度，故在设备侧面配备了一台激光跟踪仪3用作精度补偿。通过在管件各个关键点贴上靶标，激光跟踪仪3测出各靶标的距离验证导管的空间位置，并通过算法验证由末端执行器补偿其位置精度。

该套系统分别从运动控制系统、视觉和激光跟踪仪三方面互相验证导管的空间位置，使导管在装配范围内综合定位精度达到最佳。

以上所述，仅为本申请的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种空间导管自动检测装配定位装置，其特征在于，包括：

运动执行装置，所述运动执行装置包括连接为一个整体的X轴运动导向机构、Y轴运动导向机构和Z轴运动导向机构；

末端执行机构，所述末端执行机构包括多个机械手和管件夹具，所述机械手固定在所述Z轴运动导向机构的输出端，多个所述机械手上分别固定设置所述管件夹具，用于将待装配管件夹紧；

控制系统，所述控制系统与所述运动执行装置控制连接，用于驱动所述X轴运动导向机构、Y轴运动导向机构和Z轴运动导向机构的运动，使所述末端执行机构可在X轴、Y轴、Z轴三个方向上移动，实现所述待装配管件的定位。

2.根据权利要求1所述的空间导管自动检测装配定位装置，其特征在于，所述机械手中设置旋转调节机构，所述控制系统与所述旋转调节机构连接，用于驱动所述旋转调节机构在空间I、J、K三方向进行旋转，以带动所述管件夹具在空间内旋转。

3.根据权利要求1所述的空间导管自动检测装配定位装置，其特征在于，还包括激光跟踪测量系统，所述激光跟踪测量系统包括激光跟踪仪和设置在所述待装配管件表面的靶标，所述激光跟踪仪与所述控制系统控制连接，所述激光跟踪仪用于发射激光，检测所述靶标的空间位置，并将所述靶标的空间坐标传输至所述控制系统，所述控制系统用于将获取的所述靶标的空间坐标与预设的待装配管件空间坐标进行对比验证，以驱动所述X轴运动导向机构、Y轴运动导向机构和Z轴运动导向机构运动，直至获取的所述靶标的空间坐标与预设的待装配管件空间坐标一致。

4.根据权利要求1所述的空间导管自动检测装配定位装置，其特征在于，还包括姿态验证系统，所述姿态验证系统包括设置于所述待装配管件上方的拍摄装置，所述拍摄装置与所述控制系统连接，用于从所述待装配管件的空间上方拍摄导管姿态照片，并将该导管姿态照片传输至所述控制系统，所述控制系统用于将获取的该导管姿态照片与数据库中预存的导管模板进行相似度对比，在得到的相似度值不小于预设阈值时，以驱动所述X轴运动导向机构、Y轴运动导向机构和Z轴运动导向机构运动，直至得到的相似度值小于预设阈值。

5.根据权利要求1所述的空间导管自动检测装配定位装置，其特征在于，所述Y轴运动导向机构包括第一伺服电机、Y轴方向设置的Y轴底座、X轴方向设置的多个X轴横梁和固定在所述Y轴底座上的第一齿条传动机构，所述多个X轴横梁的底部设置与所述第一齿条传动机构配合传动的齿轮，所述第一伺服电机的控制端与所述控制系统连接，所述第一伺服电机的输出端与所述第一齿条传动机构连接，以驱动所述第一齿条传动机构运动，带动所述多个X轴横梁在所述Y轴底座上移动。

6.根据权利要求5所述的空间导管自动检测装配定位装置，其特征在于，所述X轴运动导向机构包括第二伺服电机、分别设置在所述多个X轴横梁顶部的第二齿条传动机构，以及多个X轴移动座，所述多个X轴移动座上分别设置与所述第二齿条传动机构配合传动的齿轮，所述第二伺服电机的控制端与所述控制系统连接，所述第二伺服电机的输出端与所述第二齿条传动机构连接，以驱动所述第二齿条传动机构运动，带动所述多个X轴移动座分别在所述多个X轴横梁上移动。

7.根据权利要求6所述的空间导管自动检测装配定位装置，其特征在于，所述Z轴运动导向机构运动包括分别固定在所述多个X轴移动座上的多个伺服电缸，所述多个伺服电缸的控制端与所述控制系统连接，所述多个伺服电缸的输出端分别连接多个所述机械手，以驱动所述机械手在Z轴方向上移动。

8.一种如权利要求1至7任一项所述的空间导管自动检测装配定位装置的控制方法，其特征在于，包括：

机械手抓取待装配管件的各个部分，通过管件夹具夹紧；

控制系统获取待装配管件各个部分的装配特征点的空间坐标，向X轴运动导向机构、Y轴运动导向机构、Z轴运动导向机构，以及机械手的旋转调节机构下发控制指令，驱动所述X轴运动导向机构、Y轴运动导向机构、Z轴运动导向机构、旋转调节机构分别进行直线运动和旋转运动，将所述待装配管件在目标位置定位。

9.根据权利要求8所述的空间导管自动检测装配定位装置的控制方法，其特征在于，还包括：

通过拍摄装置从所述待装配管件的空间上方多角度拍摄导管姿态照片，并将该导管姿态照片传输至所述控制系统，所述控制系统将获取的该导管姿态照片与数据库中预存的导管模板进行相似度对比，得到相似度值；

若该相似度值不小于预设阈值，则驱动所述X轴运动导向机构、Y轴运动导向机构、Z轴运动导向机构和旋转调节机构运动，对所述待装配管件的位置进行微调整。

10.根据权利要求9所述的空间导管自动检测装配定位装置的控制方法，其特征在于，还包括：

在待装配管件的各个部分表面分别设置靶标，通过激光跟踪仪检测所述靶标的空间位置，并将所述靶标的空间坐标传输至所述控制系统，所述控制系统将获取的所述靶标的空间坐标与预设的待装配管件空间坐标进行对比验证；

若获取的所述靶标的空间坐标与预设的待装配管件各个部分的空间坐标不一致，则驱动所述X轴运动导向机构、Y轴运动导向机构、Z轴运动导向机构和旋转调节机构运动，对所述待装配管件的位置进行微调整。

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