CN209223528U - 一种轴孔零件批量化装配装置 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种轴孔零件批量化装配装置。该装置包括：上位机、隔震平台，以及水平放置在隔震平台上的上料机构、夹持手放置平台、轴零件操作机构、六自由度机械臂、两路显微视觉观测装置。其中，上料机构包括旋转平台、零件托盘，用于轴孔零件的连续、自动上料；轴零件操作机构包括零件姿态调整机构、零件定位台，用于装配过程中轴零件初始姿态调整；六自由度机械臂包括六个串联旋转轴和安装在六自由度机械臂末端的微力传感器、快换手基座、视觉观测装置，用于轴孔零件大范围运输和装配过程中孔零件的位姿调整；两路显微视觉观测装置水平正交布置，用于轴孔零件相对位姿的精密检测。该装置可实现轴孔零件的全自动、批量化柔性精密装配。

Description

一种轴孔零件批量化装配装置

技术领域

本实用新型属于微装配技术领域，具体涉及一种轴孔零件批量化装配装置。

背景技术

在精密微装配领域，孔和轴的装配是最典型的装配模式，应用广泛。由于孔和轴的装配过程存在轴孔配合误差、非线性接触及零件弱刚性等问题，使孔和轴的精密装配面临巨大挑战。基于显微视觉和微力觉反馈是目前常用的装配方案。中国科学院自动化研究所研制的孔和轴的微装配机器人系统（李海鹏，邢登鹏，张正涛等，宏微结合的多机械手微装配机器人系统，机器人，2015,37（1）：35-42），采用基于显微视觉伺服的多机械手并行操作，针对不同结构的孔和轴零件，设计了专用的异形零件夹持器，实现了毫米级孔与轴零件的过盈装配。但该微装配机器人系统的机械手行程较小，装配空间狭窄，无法实现大范围内的零件自动取放和输送操作，且只能专机专用。

牛津仪器（上海）有限公司研制的微小型轴孔类零件装配系统（魏维君，基于机器视觉与被动柔顺机构的轴孔精密装配研究，机械工程师，2015,6:138-141），在孔和轴零件装配的非接触阶段采用机器视觉来进行位置检测；在孔和轴零件装配的接触阶段，设计了被动柔顺机构补偿零件位姿偏差，实现了轴孔间隙大于9 μm，初始轴孔位置偏差小于100 μm的轴孔零件装配。但该装置无法满足孔和轴零件过盈或过渡装配的检测精度和位姿调整要求，装配效率较低。

当前，亟需发展一种轴孔零件批量化装配装置，用于实现轴孔零件的全自动、批量化柔性精密装配。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是提供一种轴孔零件批量化装配装置。

本实用新型的轴孔零件批量化装配装置，其特点是，所述的装配装置包括上位机、隔震平台和安装在隔震平台上的上料机构、夹持手放置平台、轴零件操作机构、六自由度机械臂以及两路显微视觉观测装置；

所述的上料机构包括旋转平台和安装在旋转平台上的零件托盘，零件托盘随旋转平台同角速度转动，装配作业前的孔零件和轴零件固定在零件托盘上；

所述的夹持手放置平台包括夹持手支架和固定在夹持手支架上的夹持手Ⅰ、夹持手Ⅱ，夹持手Ⅰ夹持轴零件，夹持手Ⅱ夹持孔零件；

所述的轴零件操作机构包括零件姿态调整机构和安装在零件姿态调整机构上的零件定位台，装配作业时轴零件固定在零件定位台上；零件姿态调整机构调整轴零件绕X轴、Y轴和Z轴的姿态；

所述的六自由度机械臂的末端布置有微力传感器、快换手基座和视觉观测装置，快换手基座上端与微力传感器固定连接，下端与夹持手Ⅰ和夹持手Ⅱ分别配对吸合，实现夹持手Ⅰ和夹持手Ⅱ的更换；所述的微力传感器实时检测装配过程中孔零件和轴零件的接触力，将力觉信息反馈至上位机上，上位机发送信号给六自由度机械臂调整孔零件与轴零件的相对位姿，实现孔零件和轴零件的装配；所述的视觉观测装置用于引导六自由度机械臂末端运动，分别实现换手时快换手基座与夹持手Ⅰ或夹持手Ⅱ的对准，上料时夹持手Ⅰ与轴零件的对准、夹持手Ⅱ与孔零件的对准，以及装配过程中孔零件和轴零件的一次对准；

所述的两路显微视觉观测装置包括X轴方向显微视觉观测装置Ⅰ和Y轴方向显微视觉观测装置Ⅱ；显微视觉观测装置Ⅰ水平安装于视觉调整机构Ⅰ上，视觉调整机构Ⅰ沿X轴、Y轴和Z轴方向调整显微视觉观测装置Ⅰ的位置；显微视觉观测装置Ⅱ水平安装于视觉调整机构Ⅱ上，视觉调整机构Ⅱ沿X轴、Y轴和Z轴方向调整显微视觉观测装置Ⅱ的位置；显微视觉观测装置Ⅰ和显微视觉观测装置Ⅱ的光路夹角为90°，用于观测装配过程中孔零件和轴零件在X轴、Y轴和Z轴方向上的相对位置以及绕X轴、Y轴的相对姿态，将观测的图像信息反馈至上位机上，上位机发送信号给六自由度机械臂调整孔零件与轴零件的相对位姿，实现孔零件和轴零件的二次对准；

所述的显微视觉观测装置Ⅰ包括环形光源Ⅰ、准直光源Ⅰ；显微视觉观测装置Ⅱ包括环形光源Ⅱ、准直光源Ⅱ，用于检测过程中的照明。

所述的零件托盘具有n组沿圆周均匀分布的定位件，每组定位件包括沿径向分布的1个轴零件定位柱、1个孔零件定位柱和1个轴孔组件定位孔，n≥8。

所述的轴零件定位台同时放置m个轴零件，m≤n。

所述的孔零件和轴零件为过渡配合，孔零件和轴零件间隙配合的间隙范围为10μm~20μm，孔零件和轴零件过盈配合的过盈量范围为2μm~4μm。

本实用新型的轴孔零件批量化装配装置的工作流程如下：

⑴将n个轴零件和n个孔零件分别固定在所述零件托盘的轴零件定位柱和孔零件定位柱上，将夹持手Ⅰ和夹持手Ⅱ固定在夹持手放置平台的夹持手支架上；

⑵将六自由度机械臂运动到换手位置，快换手基座与夹持手Ⅰ对准并夹紧；

⑶夹持手Ⅰ通过六自由度机械臂运动到零件托盘的上方，在视觉观测装置的引导下实现夹持手Ⅰ与轴零件的对准和夹持；

⑷六自由度机械臂将轴零件运输到零件定位台上方，在视觉观测装置的引导下实现轴零件在零件定位台上的固定；

⑸重复步骤⑶和⑷，直到完成m个轴零件的固定；

⑹将六自由度机械臂运动到换手位置，夹持手Ⅰ与快换手基座分开，夹持手Ⅰ被放置在夹持手支架上，然后快换手基座与夹持手Ⅱ对准并夹紧；

⑺夹持手Ⅱ通过六自由度机械臂运动到零件托盘的上方，然后在视觉观测装置的引导下实现夹持手Ⅱ与孔零件的对准和夹持；

⑻六自由度机械臂将孔零件运输到零件定位台上方，在视觉观测装置的引导下实现孔零件与轴零件的趋近与粗对准，即一次对准；

⑼调整显微视觉观测装置Ⅰ和显微视觉观测装置Ⅱ的放大倍数，通过视觉调整机构Ⅰ和视觉调整机构Ⅱ分别调整显微视觉观测装置Ⅰ和显微视觉观测装置Ⅱ在X轴、Y轴和Z轴的位置，使孔零件和轴零件出现在观测范围内，将获取的图像信息反馈给上位机。上位机计算出孔零件和轴零件的相对位姿误差，发送孔零件位姿调整信号给六自由度机械臂，六自由度机械臂运动，实现孔零件和轴零件的精确对准，即二次对准；

⑽六自由度机械臂向下运动实现孔零件和轴零件的装配，装配过程中微力传感器实时检测孔零件和轴零件的接触力，当微力传感器检测值大于设定阈值时，上位机发送调整信号给六自由度机械臂进行孔零件姿态微调，直到孔零件和轴零件装配完成；

⑾六自由度机械臂将装配完成的轴孔组件运输到零件托盘的上方，在视觉观测装置的引导下将轴孔组件固定在零件托盘的轴孔组件定位孔上；

⑿重复步骤⑺~⑾，直到完成m对孔零件和轴零件的装配。

本实用新型的轴孔零件批量化装配装置解决了轴孔装配装置的操作空间、装配效率、通用性等问题，能够实现孔零件和轴零件在装配过程中的自动上料、大范围运输、零件空间位姿的实时检测与调整，完成了孔零件和轴零件的批量化柔性精密装配。

附图说明

图1 为本实用新型的轴孔零件批量化装配装置结构示意图；

图2 为本实用新型中的轴零件操作机构结构示意图；

图3为本实用新型中的六自由度机械臂结构示意图；

图4为本实用新型中的两路显微视觉观测装置结构示意图；

图中，1.隔震平台 2.旋转平台 3.零件托盘 4.夹持手支架 5.夹持手Ⅰ 6.夹持手Ⅱ 7.零件姿态调整机构 8. 六自由度机械臂 9.视觉观测装置 10.视觉调整机构Ⅰ 11.显微视觉观测装置Ⅰ 12.视觉调整机构Ⅱ 13.显微视觉观测装置Ⅱ 14.零件定位台 15.快换手基座 16.微力传感器 17.环形光源Ⅰ 18.准直光源Ⅱ 19.准直光源Ⅰ 20 .环形光源Ⅱ。

具体实施方式

下面结合附图和实施例详细说明本实用新型。

如图1所示，本实用新型的轴孔零件批量化装配装置包括上位机、隔震平台1和安装在隔震平台1上的上料机构、夹持手放置平台、轴零件操作机构、六自由度机械臂8以及两路显微视觉观测装置；

所述的上料机构包括旋转平台2和安装在旋转平台2上的零件托盘3，零件托盘3随旋转平台2同角速度转动，装配作业前的孔零件和轴零件固定在零件托盘3上；

所述的夹持手放置平台包括夹持手支架4和固定在夹持手支架4上的夹持手Ⅰ5、夹持手Ⅱ6，夹持手Ⅰ5夹持轴零件，夹持手Ⅱ6夹持孔零件；

如图2所示，所述的轴零件操作机构包括零件姿态调整机构7和安装在零件姿态调整机构7上的零件定位台14，装配作业时轴零件固定在零件定位台14上；零件姿态调整机构7调整轴零件绕X轴、Y轴和Z轴的姿态；

如图3所示，所述的六自由度机械臂8的末端布置有微力传感器16、快换手基座15和视觉观测装置9，快换手基座15上端与微力传感器16固定连接，下端与夹持手Ⅰ5和夹持手Ⅱ6分别配对吸合，实现夹持手Ⅰ5和夹持手Ⅱ6的更换；所述的微力传感器16实时检测装配过程中孔零件和轴零件的接触力，将力觉信息反馈至上位机上，上位机发送信号给六自由度机械臂8调整孔零件与轴零件的相对位姿，实现孔零件和轴零件的装配；所述的视觉观测装置9用于引导六自由度机械臂8末端运动，分别实现换手时快换手基座15与夹持手Ⅰ5或夹持手Ⅱ6的对准，上料时夹持手Ⅰ5与轴零件的对准、夹持手Ⅱ6与孔零件的对准，以及装配过程中孔零件和轴零件的一次对准；

如图4所示，所述的两路显微视觉观测装置包括X轴方向显微视觉观测装置Ⅰ11和Y轴方向显微视觉观测装置Ⅱ13；显微视觉观测装置Ⅰ11水平安装于视觉调整机构Ⅰ10上，视觉调整机构Ⅰ10沿X轴、Y轴和Z轴方向调整显微视觉观测装置Ⅰ11的位置；显微视觉观测装置Ⅱ13水平安装于视觉调整机构Ⅱ12上，视觉调整机构Ⅱ12沿X轴、Y轴和Z轴方向调整显微视觉观测装置Ⅱ13的位置；显微视觉观测装置Ⅰ11和显微视觉观测装置Ⅱ13的光路夹角为90°，用于观测装配过程中孔零件和轴零件在X轴、Y轴和Z轴方向上的相对位置以及绕X轴、Y轴的相对姿态，将观测的图像信息反馈至上位机上，上位机发送信号给六自由度机械臂8调整孔零件与轴零件的相对位姿，实现孔零件和轴零件的二次对准；

所述的显微视觉观测装置Ⅰ11包括环形光源Ⅰ17、准直光源Ⅰ19；显微视觉观测装置Ⅱ13包括环形光源Ⅱ20、准直光源Ⅱ18，用于检测过程中的照明。

所述的零件托盘3具有n组沿圆周均匀分布的定位件，每组定位件包括沿径向分布的1个轴零件定位柱、1个孔零件定位柱和1个轴孔组件定位孔，n≥8。

所述的轴零件定位台14同时放置m个轴零件，m≤n。

所述的孔零件和轴零件为过渡配合，孔零件和轴零件间隙配合的间隙范围为10μm~20μm，孔零件和轴零件过盈配合的过盈量范围为2μm~4μm。

实施例1

本实施例中m=5，n=8，孔零件为薄壁圆筒零件，长度约3000μm，孔内径约2700μm，壁厚约250μm；轴零件为台阶式薄壁圆筒零件，细段外径约2685μm，长度约2100μm，壁厚约30μm，粗段外径约2703μm，长度约200μm，壁厚约30μm。孔零件与轴零件为过渡配合，间隙配合段间隙约15μm，过盈配合段过盈量约3μm。

本实施例的详细工作过程如下：

⑴系统初始化，包括：控制零件姿态调整机构7、视觉调整机构Ⅰ10、视觉调整机构Ⅱ12、六自由度机械臂8运动到初始设定位置；调整显微视觉观测装置Ⅰ11和显微视觉观测装置Ⅱ13到最小放大倍数；调整环形光源Ⅰ17、准直光源Ⅰ19和环形光源Ⅱ20、准直光源Ⅱ18到初始设定曝光率；

⑵将8个轴零件和8个孔零件分别固定在零件托盘3的轴零件定位柱和孔零件定位柱上，将夹持手Ⅰ5和夹持手Ⅱ6固定在夹持手支架4上；

⑶控制六自由度机械臂8运动到换手位置，快换手基座15与夹持手Ⅰ5对准并夹紧；

⑷夹持手Ⅰ5通过六自由度机械臂8运动到零件托盘3的上方，在视觉观测装置9的引导下实现夹持手Ⅰ5与轴零件的对准和夹持；

⑸六自由度机械臂8将轴零件运输到零件定位台14上方，在视觉观测装置9的引导下实现轴零件在零件定位台14上的固定；

⑹重复步骤⑷和⑸，直到完成5个轴零件的固定；

⑺控制六自由度机械臂8运动到换手位置，夹持手Ⅰ5与快换手基座15分开，夹持手Ⅰ5被放置在夹持手支架4上，然后快换手基座15与夹持手Ⅱ6对准并夹紧；

⑻夹持手Ⅱ6通过六自由度机械臂8运动到零件托盘3的上方，在视觉观测装置9的引导下实现夹持手Ⅱ6与孔零件的对准和夹持；

⑼六自由度机械臂8将孔零件运输到零件定位台14上方，在视觉观测装置9的引导下实现孔零件与轴零件的趋近与粗对准，即一次对准；

⑽增大显微视觉观测装置Ⅰ11和显微视觉观测装置Ⅱ13的放大倍数，通过视觉调整机构Ⅰ10和视觉调整机构Ⅱ12分别调整显微视觉观测装置Ⅰ11和显微视觉观测装置Ⅱ13在X轴、Y轴、Z轴的位置，使孔零件和轴零件清晰的出现在视野范围内；

⑾上位机接收显微视觉观测装置Ⅰ11和显微视觉观测装置Ⅱ13的图像信息，计算出孔零件和轴零件的相对位姿误差，发送孔零件位姿调整信号给六自由度机械臂8；

⑿重复步骤⑾，直到孔零件和轴零件相对位姿误差小于设定阈值，完成孔零件和轴零件的精确对准，即二次对准；

⒀控制六自由度机械臂8向下运动进行孔零件和轴零件的装配，装配过程中微力传感器16实时检测孔零件和轴零件的接触力，当微力传感器16检测值大于设定阈值时，上位机发送调整信号给六自由度机械臂8进行孔零件姿态微调；

⒁重复步骤⒀，直到孔零件和轴零件装配完成；

⒂六自由度机械臂8将装配完成的轴孔组件运输到零件托盘3的上方，在视觉观测装置9的引导下将轴孔组件固定在零件托盘3的轴孔组件定位孔内；

⒃重复步骤⑻~⒂，直到完成5对孔零件和轴零件的装配；

⒄控制六自由度机械臂8运动到换手位置，夹持手Ⅱ6与快换手基座15分开，夹持手Ⅱ6被放置在夹持手支架4上，装配完成。

实施例2

实施例2的实施方式与实施例1基本相同，主要区别在于，m=6，n=12，孔零件与轴零件为过渡配合，间隙配合段间隙约10μm，过盈配合段过盈量约2μm。此时，上位机设定的孔零件和轴零件相对位姿误差调整阈值小于实施例1中设定阈值。

实施例3

实施例3的实施方式与实施例1基本相同，主要区别在于，m=8，n=8，孔零件与轴零件为过渡配合，间隙配合段间隙约20μm，过盈配合段过盈量约4μm。此时，上位机设定的孔零件和轴零件相对位姿误差调整阈值大于实施例1中设定阈值。

以上所述的具体实施例，对本实用新型的目的、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，以上所述仅为本实用新型的具体实施例而已，并不用于限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种轴孔零件批量化装配装置，其特征在于：所述的装配装置包括上位机、隔震平台（1）和安装在隔震平台（1）上的上料机构、夹持手放置平台、轴零件操作机构、六自由度机械臂（8）以及两路显微视觉观测装置；

所述的上料机构包括旋转平台（2）和安装在旋转平台（2）上的零件托盘（3），零件托盘（3）随旋转平台（2）同角速度转动，装配作业前的孔零件和轴零件固定在零件托盘（3）上；

所述的夹持手放置平台包括夹持手支架（4）和固定在夹持手支架（4）上的夹持手Ⅰ（5）、夹持手Ⅱ（6），夹持手Ⅰ（5）夹持轴零件，夹持手Ⅱ（6）夹持孔零件；

所述的轴零件操作机构包括零件姿态调整机构（7）和安装在零件姿态调整机构（7）上的零件定位台（14），装配作业时轴零件固定在零件定位台（14）上；零件姿态调整机构（7）调整轴零件绕X轴、Y轴和Z轴的姿态；

所述的六自由度机械臂（8）的末端布置有微力传感器（16）、快换手基座（15）和视觉观测装置（9），快换手基座（15）上端与微力传感器（16）固定连接，下端与夹持手Ⅰ（5）和夹持手Ⅱ（6）分别配对吸合，实现夹持手Ⅰ（5）和夹持手Ⅱ（6）的更换；所述的微力传感器（16）实时检测装配过程中孔零件和轴零件的接触力，将力觉信息反馈至上位机上，上位机发送信号给六自由度机械臂（8）调整孔零件与轴零件的相对位姿，实现孔零件和轴零件的装配；所述的视觉观测装置（9）用于引导六自由度机械臂（8）末端运动，分别实现换手时快换手基座（15）与夹持手Ⅰ（5）或夹持手Ⅱ（6）的对准，上料时夹持手Ⅰ（5）与轴零件的对准、夹持手Ⅱ（6）与孔零件的对准，以及装配过程中孔零件和轴零件的一次对准；

所述的两路显微视觉观测装置包括X轴方向显微视觉观测装置Ⅰ（11）和Y轴方向显微视觉观测装置Ⅱ（13）；显微视觉观测装置Ⅰ（11）水平安装于视觉调整机构Ⅰ（10）上，视觉调整机构Ⅰ（10）沿X轴、Y轴和Z轴方向调整显微视觉观测装置Ⅰ（11）的位置；显微视觉观测装置Ⅱ（13）水平安装于视觉调整机构Ⅱ（12）上，视觉调整机构Ⅱ（12）沿X轴、Y轴和Z轴方向调整显微视觉观测装置Ⅱ（13）的位置；显微视觉观测装置Ⅰ（11）和显微视觉观测装置Ⅱ（13）的光路夹角为90°，用于观测装配过程中孔零件和轴零件在X轴、Y轴和Z轴方向上的相对位置以及绕X轴、Y轴的相对姿态，将观测的图像信息反馈至上位机上，上位机发送信号给六自由度机械臂（8）调整孔零件与轴零件的相对位姿，实现孔零件和轴零件的二次对准；

所述的显微视觉观测装置Ⅰ（11）包括环形光源Ⅰ（17）、准直光源Ⅰ（19）；显微视觉观测装置Ⅱ（13）包括环形光源Ⅱ（20）、准直光源Ⅱ（18），用于检测过程中的照明。

2.根据权利要求1所述的轴孔零件批量化装配装置，其特征在于：所述的零件托盘（3）具有n组沿圆周均匀分布的定位件，每组定位件包括沿径向分布的1个轴零件定位柱、1个孔零件定位柱和1个轴孔组件定位孔，n≥8。

3.根据权利要求1所述的轴孔零件批量化装配装置，其特征在于：所述的轴零件定位台（14）同时放置m个轴零件，m≤n。

4.根据权利要求1所述的轴孔零件批量化装配装置，其特征在于：所述的孔零件和轴零件为过渡配合，孔零件和轴零件间隙配合的间隙范围为10μm ~20μm，孔零件和轴零件过盈配合的过盈量范围为2μm~4μm。