CN108858218B - 一种适应自动物流的机械臂制孔装置及制孔方法 - Google Patents

Abstract

一种适应自动物流的机械臂制孔装置及制孔方法，用于进行高精度高自动化程度的产品制孔工作，包括串联机械臂(1)、制孔末端执行器(2)、自动物流车(3)、视觉测量组件(4)，通过实现制孔末端执行器(2)及自动物流车(3)在制孔过程中的自动转运功能解决了现有制孔***中无法实现制孔产品在制孔过程中的元器件位置及间距的及时调整，制孔精度差的问题，制孔结构稳定，制孔效率高。

Description

一种适应自动物流的机械臂制孔装置及制孔方法

技术领域

本发明涉及一种适应自动物流的机械臂制孔装置及制孔方法，属于自动化制孔领域。

背景技术

近年来，国家对航天产品技术研究以及基础条件建设投入不断加大，使航天产品生产制造的各项专业技术得到快速发展，在航空飞行器装配领域已经越来越广泛的应用机器人自动制孔***，该***能够显著提高飞行器的装配效率和精度，但也存在着***功能单一、可加工区域不能覆盖产品全表面等问题。在航天领域，虽然机器人自动制孔***也得到了一定程度的应用，但当前航天产品已不满足于只解决有无和装备数量的问题，更迫切需要提升和保证新装备的高性能、高精度等更加复杂的性能指标，有效提高航天产品可靠性和使用效能。航天产品性能的提升，也导致航天产品结构更复杂、精度更严格、质量稳定性要求更高、生产周期要求更短。

在航天产品装配集成环节，先进装配技术发展缓慢，大量制造工序依赖手工操作和人员技能，企业在不同程度上存在着自动化和信息化程度偏低、智能制造水平不够等问题，已不适应新型航天产品的生产需求，也与《中国制造2025》中明确指出的“着力发展智能装备和智能产品，推进生产过程智能化，培育新型生产方式，全面提升企业生产、管理和服务的智能化水平。”发展目标不符。因此，对能够适应生产线的自动物流***的机器人制孔***的需求迫在眉睫。

现代化的机器人制孔***是智能总装车间柔性制造单元中的重要一环，不仅要完成对产品表面制孔点的全覆盖，还要能够适应生产线中的自动物流***，实现对加工产品的自动化流转，此类***的研制始终是智能柔性制造单元设计的重点和难点。目前，传统的机器人制孔***还普通采用成套的固定式工装的方式来完成制孔操作。此类***中的工装需要固定在地面或者固定平台上，难以实现产品在加工完成后在多个工位的自动流转，需要人工拆卸后进行搬运来完成，操作步骤多且生产效率低，同时制孔装置的操作空间不够灵活，无法实现制孔产品在制孔过程中的元器件位置及间距的及时调整，只能有效满足单一形状的产品加工要求且制孔精度差，同时在加工过程中存在因为制孔产品转动或制孔过程中产生的震动误差造成刀具轴线方向及制孔点法向不重合的问题，制孔容易出现错误。

发明内容

本发明解决的技术问题是：针对目前现有技术无法消除制孔过程中因制孔产品转动或打孔振动造成的误差的问题，提出了一种适应自动物流的机械臂制孔装置及制孔方法。

本发明解决上述技术问题是通过如下技术方案予以实现的：

一种适应自动物流的机械臂制孔装置，包括串联机械臂、制孔末端执行器、自动物流车、视觉测量组件、控制器，所述制孔末端执行器安装于串联机械臂上，并在串联机械臂带动下对制孔产品进行制孔加工，用于带动制孔产品进行整周回转及位置、间距调整的自动物流车于制孔作业时固定于制孔末端执行器下方，所述视觉测量组件固定安装于自动物流车一侧地面对制孔产品表面制孔点进行实时法向识别及精度测量，并将测量过程拍摄图片发送至控制器，所述控制器通过图片识别获取实际制孔位置，并将实际制孔位置与理论制孔位置进行对比，根据对比结果对串联机械臂、自动物流车发送位置调整指令对实际制孔位置进行补偿。

所述制孔末端执行器包括执行器框架、电主轴、进给伺服电机、丝杠螺母副、导轨滑块副、主轴安装座、法向检测仪、刀头，所述执行器框架连接于串联机械臂末端法兰盘上，为进给打孔提供动力的进给伺服电机固定安装于执行器框架上表面，并于装置工作时通过安装于进给伺服电机端口的丝杠螺母副推动设置于执行器框架上的导轨滑块副进行制孔进给，所述主轴安装座固定安装于执行器框架上，用于带动刀头旋转的电主轴固定安装于主轴安装座安装孔中，所述刀头安装于电主轴尾部，所述法向检测仪安装于执行器框架刀头一侧表面配合视觉测量组件对制孔点进行法向检测及精度测量。

所述自动物流车包括全向移动车体、两自由度夹持工装、旋转驱动电机，用于夹持固定制孔产品并调整制孔产品夹持间距的两自由度夹持工装安装于全向移动车体上，所述旋转驱动电机安装于两自由度夹持工装侧面并于制孔时带动两自由度夹持工装及制孔产品沿水平轴方向进行整周回转，所述全向移动车体接收控制器发送的移动指令进行位置调整。

所述视觉测量组件包括工业相机、测量支架、LED光源、靶标，所述工业相机通过法向检测仪进行制孔产品法向检测同时将测量拍照发送至控制器，工业相机安装于测量支架顶部，所述工业相机安装处均配套安装有LED光源进行补光，用于进行实物拍摄及位置测量的靶标安装于制孔产品上。

所述全向移动车体、两自由度夹持工装、测量支架均为不锈钢材料。

所述工业相机数量为2个，采用双目测量拍摄方式。

所述工业相机为AVT G504B相机。

所述法向检测装置数量为4个。

所述框架底板、主轴安装座为铝合金材料。

一种适应自动物流的机械臂制孔装置制孔方法，步骤如下：

(a)将制孔产品通过两自由度夹持工装夹持于全向移动车体上，并通过控制器向全向移动车体发送移动指令，控制全向移动车体驶入打孔位置；

(b)利用控制器控制串联机械臂带动制孔末端执行器至指定打孔位置，并将靶标安装于制孔产品表面靠近视觉测量组件一端；

(c)利用工业相机进行靶标位置拍摄，并根据法向检测仪对制孔点进行法向检测，将拍摄图片发送至控制器并进行实际制孔位置与理论制孔位置对比，根据对比结果对串联机械臂、自动物流车发送位置调整指令对实际制孔位置进行补偿，同时判断刀头轴线方向及制孔点法向是否重合，若重合则进行制孔产品与刀头间距微调，若不重合则停止制孔并进行法向调整；

(d)启动进给伺服电机带动电主轴及安装于电主轴末端的刀头进行制孔进给，然后启动旋转驱动电机并带动两自由度夹持工装进行旋转，继续进行制孔进给；

(e)制孔结束后，还原串联机械臂、制孔末端执行器、自动物流车位置，并等待控制器发送下次制孔指令。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明提供的一种适应自动物流的机械臂制孔装置，通过采用机械臂与末端制孔机构的组合及可以进行刀头与制孔产品间距微调的自动物流车，解决了现有技术中难以实现产品在加工完成后在多个工位的自动流转、制孔装置的操作空间不够灵活、无法实现制孔产品在制孔过程中的元器件位置及间距的及时调整的问题，同时针对不同特点的产品加工需求进行了设计，提出了两自由度夹持工装，即可以在长度方向实现调节又能同时满足不同直径加工件的夹持要求。

(2)本发明提供的一种适应自动物流的机械臂制孔装置，提出了利用自动物流车作为加工件的运输载体和固定载体，实现了加工件在生产线上的自动流转；同时提出了利用视觉测量组件对自动物流车的定位误差进行实时在线补偿，提高了***定位精度和测量效率，极大的避免了由于制孔产品转动或制孔过程中产生的震动误差造成刀具轴线方向及制孔点法向不重合的问题，提高了工作效率。

附图说明

图1为发明提供的制孔***结构图；

图2为发明提供的制孔***末端执行器示意图；

图3为发明提供的制孔***自动物流车示意图；

图4为发明提供的制孔***视觉测量组件示意图；

具体实施方式

一种适应自动物流的机械臂制孔装置，如图1所示，包括串联机械臂1、制孔末端执行器2、自动物流车3、视觉测量组件4、控制器，制孔末端执行器2安装于用于适配制孔产品夹持位置的串联机械臂1端口法兰盘处，并在串联机械臂1带动下对制孔产品进行制孔加工，用于带动制孔产品进行整周回转及位置、间距调整的自动物流车3于制孔工作时固定于串联机械臂1、制孔末端执行器2下方，视觉测量组件4固定安装于自动物流车3一侧地面并对指定位置内的自动物流车3进行拍照测量，同时对制孔产品表面制孔点进行实时法向识别及精度测量，并将测量过程拍摄图片发送至控制器，所述控制器根据实际制孔位置与理论制孔位置进行对比，根据对比结果对串联机械臂1、自动物流车3发送位置调整指令对实际制孔位置进行补偿，最终实现对产品的位置误差补偿。

其中，串联机械臂1为自研型号工业机器人，或可采购的成熟串联工业机器人；

如图2所示，制孔末端执行器2包括执行器框架201、电主轴202、进给伺服电机203、丝杠螺母副204、导轨滑块副205、框架底板206、主轴安装座207、压力脚208、法向检测仪209、刀头210，执行器框架201通过框架底板206连接于串联机械臂1末端法兰盘上，用于控制制孔装置进给打孔的进给伺服电机203固定安装于执行器框架201上表面前端，并于装置工作时通过安装于进给伺服电机203端口的丝杠螺母副204推动安装于执行器框架201顶角处的导轨滑块副205进行制孔进给，主轴安装座207固定安装于执行器框架201上，用于带动刀头210旋转的电主轴202固定安装于主轴安装座207安装孔中，刀头210穿过压力脚208中心通孔并安装于电主轴202尾部，法向检测仪209安装于压力脚208表面对制孔点进行法向检测及精度测量；

在制孔末端执行器2中，进给伺服电机203固定安装在机器人末端主体框架201上，并通过丝杠螺母副204驱动导轨滑块副205带动电主轴202进给的传动方式，实现一定深度的进给；

主轴安装座207固定安装在末端执行器主体框架201上，电主轴202固定安装在主轴安装座207上，用于带动刀具进行高速旋转，实现制孔操作；

压力脚208通过用于在制孔操作过程中对产品的表面进行压紧，防止制孔***的振动和保持机械结构的刚度；

法向检测装置209数量为4个，均固定安装在压力脚208上，用于对待制孔产品表面制孔点处的法向进行识别和在线测量，以保持刀具轴线方向和制孔点处的法向重合，实现高精度制孔。

如图3所示，自动物流车3为包括全向移动车体301、两自由度夹持工装302、旋转驱动电机303的制孔产品固定平台，用于夹持固定制孔产品并调整产品夹持间距的两自由度夹持工装302分别安装于全向移动车体301上，旋转驱动电机303安装于两自由度夹持工装302一侧并与制孔时带动两自由度夹持工装302及制孔产品沿水平轴方向进行整周回转，所述全向移动车体(301)接收控制器发送的移动指令进行位置调整；

其中，全向移动车体301为可购买的技术成熟的自动车体，能够实现产品的流转、与机器人制孔工位通讯等功能；

如图4所示，视觉测量组件4包括工业相机401、测量支架402、LED光源403、靶标404，工业相机401数量为2个，分别安装于测量支架402顶部两端，通过加固处理可实现双目视觉测量装置的高强度，确保较长时间内的高测量精度，同时通过法向检测仪209进行制孔产品法向检测并将测量拍照发送至控制器，工业相机401安装处均配套安装有LED光源403进行补光，保证拍照效果具有高可靠性，用于进行实物拍摄及位置测量的靶标404安装于制孔产品末端，当自动物流车携带产品到达指定位置后，双目视觉测量装置对靶标进行拍照，即可完成对自动物流车上产品实际位置的测量计算。

下面结合具体实施例进行说明：

在制孔工作过程中，全向移动车体301、两自由度夹持工装302、测量支架402均使用不锈钢材料，框架底板206、主轴安装座207采用铝合金材料，采用德国AVT G504B高精度工业相机进行拍照测量，在串联机械臂1与制孔末端执行器2通过法兰盘连接后，调整自动物流车3，并根据自动物流车3行驶位置调整视觉测量组件4位置进行拍照监测。

其中，靶标404形状不限，作为拍照对象安装于制孔产品末端靠近视觉测量组件4一侧。

在设备准备完成的情况下，根据一种适应自动物流的机械臂制孔装置提出了一种机械臂制孔方法，具体工作流程如下：

(a)将制孔产品通过两自由度夹持工装302夹持于全向移动车体301上，并通过控制器向全向移动车体301发送移动指令，控制全向移动车体301进入打孔位置；

(b)控制串联机械臂1带动制孔末端执行器2至指定打孔位置，并将靶标404安装于制孔产品靠近视觉测量组件4一端；

(c)利用工业相机401进行靶标404位置拍摄，并根据法向检测仪209对制孔点进行法向检测，将拍摄图片发送至控制器并进行实际制孔位置与理论制孔位置对比，根据对比结果对串联机械臂1、自动物流车3发送位置调整指令对实际制孔位置进行补偿，同时判断刀头210轴线方向及制孔点法向是否重合，若重合则进行制孔产品与刀头210间距微调，若不重合则停止制孔并进行法向调整；

(d)启动进给伺服电机203带动电主轴202及安装于电主轴202末端的刀头210进行制孔进给，然后启动旋转驱动电机303并带动两自由度夹持工装302进行旋转，继续进行制孔进给；

(e)制孔结束后，还原串联机械臂1、制孔末端执行器2、自动物流车3位置，并等待下次制孔指令。

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种适应自动物流的机械臂制孔装置，其特征在于：包括串联机械臂(1)、制孔末端执行器(2)、自动物流车(3)、视觉测量组件(4)、控制器，所述制孔末端执行器(2)安装于串联机械臂(1)上，并在串联机械臂(1)带动下对制孔产品进行制孔加工，用于带动制孔产品进行整周回转及位置、间距调整的自动物流车(3)于制孔作业时固定于制孔末端执行器(2)下方，所述视觉测量组件(4)固定安装于自动物流车(3)一侧地面对制孔产品表面制孔点进行实时法向识别及精度测量，并将测量过程拍摄图片发送至控制器，所述控制器通过图片识别获取实际制孔位置，并将实际制孔位置与理论制孔位置进行对比，根据对比结果对串联机械臂(1)、自动物流车(3)发送位置调整指令对实际制孔位置进行补偿；

所述视觉测量组件(4)可实时在线测量产品实际位置。

2.根据权利要求1所述的一种适应自动物流的机械臂制孔装置，其特征在于：所述制孔末端执行器(2)包括执行器框架(201)、电主轴(202)、进给伺服电机(203)、丝杠螺母副(204)、导轨滑块副(205)、主轴安装座(207)、法向检测仪(209)、刀头(210)，所述执行器框架(201)连接于串联机械臂(1)末端法兰盘上，为进给打孔提供动力的进给伺服电机(203)固定安装于执行器框架(201)上表面，并于装置工作时通过安装于进给伺服电机(203)端口的丝杠螺母副(204)推动设置于执行器框架(201)上的导轨滑块副(205)进行制孔进给，所述主轴安装座(207)固定安装于执行器框架(201)上，用于带动刀头(210)旋转的电主轴(202)固定安装于主轴安装座(207)安装孔中，所述刀头(210)安装于电主轴(202)尾部，所述法向检测仪(209)安装于执行器框架(201)刀头(210)一侧表面配合视觉测量组件(4)对制孔点进行法向检测及精度测量。

3.根据权利要求2所述的一种适应自动物流的机械臂制孔装置，其特征在于：所述自动物流车(3)包括全向移动车体(301)、两自由度夹持工装(302)、旋转驱动电机(303)，用于夹持固定制孔产品并调整制孔产品夹持间距的两自由度夹持工装(302)安装于全向移动车体(301)上，所述旋转驱动电机(303)安装于两自由度夹持工装(302)侧面并于制孔时带动两自由度夹持工装(302)及制孔产品沿水平轴方向进行整周回转，所述全向移动车体(301)接收控制器发送的移动指令进行位置调整。

4.根据权利要求3所述的一种适应自动物流的机械臂制孔装置，其特征在于：所述视觉测量组件(4)包括工业相机(401)、测量支架(402)、LED光源(403)、靶标(404)，所述工业相机(401)通过法向检测仪(209)进行制孔产品法向检测同时将测量拍照发送至控制器，工业相机(401)安装于测量支架(402)顶部，所述工业相机(401)安装处均配套安装有LED光源(403)进行补光，用于进行实物拍摄及位置测量的靶标(404)安装于制孔产品上。

5.根据权利要求4所述的一种适应自动物流的机械臂制孔装置，其特征在于：所述全向移动车体(301)、两自由度夹持工装(302)、测量支架(402)均为不锈钢材料。

6.根据权利要求4所述的一种适应自动物流的机械臂制孔装置，其特征在于：所述工业相机(401)数量为2个，采用双目测量拍摄方式。

7.根据权利要求6所述的一种适应自动物流的机械臂制孔装置，其特征在于：所述工业相机(401)为AVT G504B相机。

8.根据权利要求2所述的一种适应自动物流的机械臂制孔装置，其特征在于：所述法向检测仪 (209)数量为4个。

9.根据权利要求2所述的一种适应自动物流的机械臂制孔装置，其特征在于：框架底板(206)、主轴安装座(207)为铝合金材料。

10.一种适应自动物流的机械臂制孔装置制孔方法，其特征在于步骤如下：

(a)将制孔产品通过两自由度夹持工装(302)夹持于全向移动车体(301)上，并通过控制器向全向移动车体(301)发送移动指令，控制全向移动车体(301)驶入打孔位置；

(b)利用控制器控制串联机械臂(1)带动制孔末端执行器(2)至指定打孔位置，并将靶标(404)安装于制孔产品表面靠近视觉测量组件(4)一端；

(c)利用工业相机(401)进行靶标(404)位置拍摄，并根据法向检测仪(209)对制孔点进行法向检测，将拍摄图片发送至控制器并进行实际制孔位置与理论制孔位置对比，根据对比结果对串联机械臂(1)、自动物流车(3)发送位置调整指令对实际制孔位置进行补偿，同时判断刀头(210)轴线方向及制孔点法向是否重合，若重合则进行制孔产品与刀头(210)间距微调，若不重合则停止制孔并进行法向调整；

(d)启动进给伺服电机(203)带动电主轴(202)及安装于电主轴(202)末端的刀头(210)进行制孔进给，然后启动旋转驱动电机(303)并带动两自由度夹持工装(302)进行旋转，继续进行制孔进给；

(e)制孔结束后，还原串联机械臂(1)、制孔末端执行器(2)、自动物流车(3)位置，并等待控制器发送下次制孔指令。

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