CN113843614A - 一种基于混合视觉的多平面螺栓装配装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于混合视觉的复杂零件螺栓装配装置，其包括拧紧模块、混合视觉模块、装配平台和底座，所述的拧紧模块可以实现在准确夹持螺栓后，通过伺服电机的转动和配合Z轴的运动实现螺栓旋转进给运动；所述的混合视觉模块由双目视觉系统和单目视觉系统组成，双目视觉系统用于观测工件各平面特征点及平面上螺纹孔的位置，单目视觉系统用于近距离观测工件上螺纹孔的位姿，进一步减小由双目视觉系统观测螺栓孔所产生的误差；所述的装配平台通过A轴和C轴旋转改变装配工件的空间位置和姿态，确保需要装配的平面法向量与拧紧模块的传动轴轴线平行。本发明实现复杂工件上多个不同平面的螺栓自动化装配，提高了螺栓装配的效率及装配可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及螺栓自动化装配技术，具体涉及一种基于混合视觉的多平面螺栓装配装置。
背景技术
螺栓连接作为机械制造装备中应用最广泛的固定连接，螺栓连接是利用具有螺纹的零件组成可拆卸的可拆连接，螺栓连接质量的好坏直接影响产品的使用安全性、可靠性及稳定性等，螺栓连接质量受螺栓材质、被连接件材质、被连接件形状、连接预紧力、工况条件等多种因素影响。螺栓连接被广泛应用于汽车装配、航空航天、机床和轨道交通等众多领域中。
通常来说，螺栓装配可以通过人工装配，机械臂装配和直角坐标机器人装配等。人工手持电动扳手等其他各种装配工具进行人工螺栓装配，人工螺栓装配可以适用于各种复杂环境下的螺栓拧紧操作，但是这种方法存在工人劳动强度大，工作效率低和连接工艺不稳定等问题。通过机械臂进行螺栓拧紧操作，利用机械臂上的各类传感器来判断螺纹孔和待装配工件的位姿，获取工件上所需要装配的位姿时，通过机器人末端的装配执行器进行螺栓装配工作。利用机械臂进行螺栓装配工作，使用范围广，但是这种方法成本较高并且效率不高；利用直角坐标机器人进行螺栓装配，现有的直角坐标机器人多用于执行重复性和强度较大的螺栓装配工作，但是这种机器人自由度低，无法实现一个工件不同平面上螺栓的装配。
发明内容
针对上述问题，提出一种基于混合视觉的多平面螺栓拧紧装置，针对复杂工件任何不同平面螺栓的装配，实现自动化，柔性化的螺栓拧紧装配，从而提高复杂工件螺栓装配的效率及装配质量可靠性。
本发明的技术方案是：一种基于混合视觉的复杂零件螺栓装配装置，包括拧紧模块、混合视觉模块、装配平台和底座。
进一步的，所述的拧紧模块通过Z轴支座固定在Z轴移动机构上，所述的拧紧模块包括伺服电机、减速器、传动轴、传感器和螺栓夹持机构，其特征在于在螺栓夹持机构准确啮合需要装配的螺栓后，在装配的过程中由伺服电机和减速器配合提供驱动扭矩，并通过传动轴驱动螺栓夹持机构进行旋转运动，在旋转的过程中传感器可以进行实时扭矩、实时转角和实施转速等关键装配参数的信息采集。
进一步的，所述的混合视觉模块由双目视觉系统和单目视觉系统组成，所述的双目视觉系统由相机支座、两个相同相机和两个相同镜头组成，两个相机和两个镜头固定于相机支座上，双目视觉系统用于观测工件各平面特征点及平面上螺纹孔的位置，通过标定好的双目视觉系统，获取装配工件各个需要进行螺栓装配平面的特征点和平面上每个螺纹孔的位姿信息。所述的单目视觉系统设置在Z轴支座上，单目视觉系统由单目相机、镜头和光源组成。
进一步的，所述的装配平台设有装配平台底座、夹盘、A轴旋转机构、C轴旋转机构和控制Z/C轴旋转运动的运动控制器，所述的底座用于固定需要进行螺栓装配的工件，所述的底座通过C轴旋转模块固定在C轴旋转机构上，所述的C轴旋转机构通过A轴旋转模块固定在A轴旋转机构上，所述的A轴旋转机构和C轴旋转机构分别与运动控制器连接并通过运动控制器分别控制运动动作。
进一步的，所述的底座在水平方向上固定由Y轴移动机构，所述的装配平台固定于Y轴移动机构的平台上，所述的Z轴移动机构设置在X轴移动机构上且与X相滑移机构构成X轴滑移配合，所述的底座上还设有用于分别控制X轴移动机构、Y轴移动机构和Z轴移动机构直线移动的运动控制器。
本发明还提出来一种基于上述一种基于混合视觉的复杂零件螺栓装配装置的控制方法，其步骤如下：
步骤一，将待装配的工件设置于装配平台的夹盘之上，需要进行螺栓装配的平面不与夹盘相接触；
步骤二，确定工件上第一个需要装配的平面，双目视觉系统观测装配工件，获取需要装配平面的各个特征点位姿信息，控制系统分别对A轴和C轴的伺服电机进行控制，分别对A轴和C轴的转轴进行旋转改变装配工件的空间位置和姿态，确保需要装配的平面法向量与拧紧模块的传动轴轴线平行；
步骤三，双目视觉系统观测装配平面上的各个螺栓孔的位姿信息，根据各螺栓孔的位置规划装配顺序；
步骤四，移动X轴和Y轴运动机构，使单目视觉系统到达装配平面上的当下需要装配螺栓孔上方，再一次测量计算螺栓孔的位姿信息；
步骤五，设置拧紧模块的装配数量，根据双目视觉系统所获得的螺栓孔位姿信息和规划好的装配顺序，移动Z轴从第一个需要装配的螺栓孔开始装配；
步骤六，针对每同一个平面上的每一个需要装配的螺纹孔，分别移动单目视觉系统到螺栓孔上方测量其位姿信息，并设置拧紧模块的目标转角、扭矩上限值和扭矩下限值进行装配；
步骤七，针对装配工件上各个不同的平面，根据双目视觉系统获取装配平面的各个特征点位姿信息后，控制系统分别对A轴和C轴的伺服电机进行控制，分别对A轴和C轴的转轴进行旋转改变装配工件的空间位置和姿态，确保下一个装配平面法向量与拧紧模块的传动轴轴线平行，并重复执行步骤三到步骤六直到工件上所有平面和各平面上的所有螺栓孔都完成装配，从而实现同一工件的不同平面螺栓装配。
本发明的有益效果是，通过双目视觉系统可以获取装配工件上的各特征点，从而计算并确定每一个需要装配的平面的法向量，通过混合视觉系统可以测量每一个需要装配的螺栓孔位姿信息，装配平台调整装配工件空间位置和姿态，使得需要装配的每一个平面法向量都能与拧紧模块传动轴轴线方向相平行，突破了现有的螺栓拧紧装置对复杂装配工件不同平面螺栓装配的限制，实现工件多平面的螺栓自动化装配，提高了螺栓装配的效率及装配可靠性。
附图说明
图1为本发明的实施例的结构示意图。
图2为图1中拧紧模块1的结构示意图。
图3为图1中双目视觉系统21的结构示意图。
图4为图1中单目视觉系统22的结构示意图。
图5为图1中装配平台3的结构示意图。
图中，1-拧紧模块、11-Z轴支座、12-伺服电机、13-减速器、14-传动轴、15-传感器、16-螺栓夹持机构；2-混合视觉模块、21-双目视觉系统、211-相机支座、212相机和213镜头、22-单目视觉系统组成、221-单目相机、222-单目镜头、223-光源；3-装配平台、31-装配平台底座、32-夹盘、33-A轴驱动电机、34-A轴支架、35-C轴驱动电机、36-C轴支架；4-底座；5-Z轴移动机构；6-Y轴移动机构；7-X轴移动机构。
具体实施方式
下面结和附图对本发明的实施例作进一步说明：
如图所示，本发明公开了一种基于混合视觉的多平面螺栓装配装置，包括拧紧模块1、混合视觉模块2、装配平台3和底座4，所述的拧紧模块1通过Z轴支座11固定在Z轴移动机构5上，所述的拧紧模块包括伺服电机12、减速器13、传动轴14、传感器15和螺栓夹持机构16，其特征在于提供驱动扭矩的伺服电机12与减速器13相连接，减速器13通过传动轴14传递扭矩给螺栓夹持机构16进行旋转运动，螺栓夹持机构16下端形状与相对应装配螺栓头部形状相同，且尺寸略大于相对应装配螺栓头部尺寸，传感器14设置在减速器13和螺栓夹持机构16之间，传感器14可以在旋转的过程中传感器可以进行实时扭矩、实时转角和实施转速等关键装配参数的信息采集。
所述的混合视觉模块2由双目视觉系统21和单目视觉系统22组成，所述的双目视觉系统21由相机支座211、两个相同相机212和两个相同镜头213组成，相机支座211放置于底座4上，两个相同相机212和两个相同镜头213固定于相机支座211上，标定好的双目视觉系统21用于观测装配工件各个需要进行螺栓装配平面的特征点和平面上每个螺纹孔的位姿信息。所述的单目视觉系统22由单目相机221、单目镜头222和光源223组成，单目视觉系统22设置在Z轴支座11上，单目视觉系统22用于近距离观测工件上螺纹孔的位姿，进一步减小由双目视觉系统观测螺栓孔所产生的误差。
所述的装配平台3设有装配平台底座31、夹盘32、A轴旋转机构、C轴旋转机构和控制A/C轴旋转运动的运动控制器，所述的夹盘32用于固定需要进行螺栓装配的工件，所述的A轴旋转机构包括A轴驱动电机33和A轴支架34，所述的C轴旋转机构包括C轴驱动电机35和C轴支架36，所述的夹盘通过C轴旋转模块固定在C轴旋转机构上，所述的C轴旋转机构通过A轴旋转模块固定在A轴旋转机构上，所述的C轴旋转机构固定在装配平台底座31上，所述的A轴旋转机构和C轴旋转机构分别与运动控制器连接并通过运动控制器分别控制运动动作。所述A轴是指与X轴方向，所述C轴为Z轴方向。
所述的底座4在水平方向上固定由Y轴移动机构6，所述的装配平台3固定于Y轴移动机构6的平台上，所述的Z轴移动机构5设置在X轴移动机构8上且与X相滑移机构构成X轴滑移配合，Z轴5移动机构、Y轴移动机构6以及X轴移动机构7均采用伺服电机控制，所述的底座上还设有用于分别控制Z轴5移动机构、Y轴移动机构6和X轴移动机构7直线移动的运动控制器。
所述的拧紧模块1可与Z轴移动机构5沿Z方向移动，从而实现X轴和Z轴移动，从而进行调节螺栓夹持机构16的位置。所述的装配平台3设置在Y轴移动机构6上，装配平台与Y轴移动机构构成Z轴方向周向旋转已经X轴方向摆动配合运动。
本发明还提出来一种基于上述一种基于混合视觉的复杂零件螺栓装配装置的控制方法，其步骤如下：
步骤一，将待装配的工件设置于装配平台的夹盘之上，需要进行螺栓装配的平面不与夹盘相接触；
步骤二，确定工件上第一个需要装配的平面，双目视觉系统观测装配工件，获取需要装配平面的各个特征点位姿信息，控制系统分别对A轴和C轴的伺服电机进行控制，分别对A轴和C轴的转轴进行旋转改变装配工件的空间位置和姿态，确保需要装配的平面法向量与拧紧模块的传动轴轴线平行；
步骤三，双目视觉系统观测装配平面上的各个螺栓孔的位姿信息，根据各螺栓孔的位置规划装配顺序；
步骤四，移动X轴和Y轴运动机构，使单目视觉系统到达装配平面上的当下需要装配螺栓孔上方，再一次测量计算螺栓孔的位姿信息；
步骤五，设置拧紧模块的装配数量，根据双目视觉系统所获得的螺栓孔位姿信息和规划好的装配顺序，移动Z轴从第一个需要装配的螺栓孔开始装配；
步骤六，针对同一个平面上的每一个需要装配的螺纹孔，分别移动单目视觉系统到螺栓孔上方测量其位姿信息，并设置拧紧模块的目标转角、扭矩上限值和扭矩下限值进行装配；
步骤七，针对装配工件上各个不同的平面，根据双目视觉系统获取装配平面的各个特征点位姿信息后，控制系统分别对A轴和C轴的伺服电机进行控制，分别对A轴和C轴的转轴进行旋转改变装配工件的空间位置和姿态，确保下一个装配平面法向量与拧紧模块的传动轴轴线平行，并重复执行步骤三到步骤六直到工件上所有平面和各平面上的所有螺栓孔都完成装配，从而实现同一工件的不同平面螺栓装配。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制
实施例不应视为对本发明的限制，但任何基于本发明的精神所作的改进，都应在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种基于混合视觉的复杂零件螺栓装配装置，其特征在于：该基于混合视觉的多平面螺栓装配装置包括拧紧模块、混合视觉模块、装配平台和底座；
所述的拧紧模块通过Z轴支座固定在Z轴移动机构上，所述的拧紧模块包括伺服电机、减速器、传动轴、传感器和螺栓夹持机构，其特征在于，提供驱动扭矩的伺服电机与减速器相连接，减速器通过传动轴传递扭矩给螺栓夹持机构进行旋转运动，螺栓夹持机构下端形状与相对应装配螺栓头部形状相同，且尺寸大于相对应装配螺栓头部尺寸，传感器设置在减速器和螺栓夹持机构之间，传感器在旋转的过程中传感器进行实时扭矩、实时转角和实施转速关键装配参数的信息采集。
2.根据权利要求1所述的一种基于混合视觉的复杂零件螺栓装配装置，其特征在于：所述的混合视觉模块由双目视觉系统和单目视觉系统组成，所述的双目视觉系统由相机支座、两个相同相机和两个相同镜头组成，相机支座放置于底座上，两个相机和两个镜头固定于相机支座上，标定好的双目视觉系统用于观测装配工件各个需要进行螺栓装配平面的特征点和平面上每个螺纹孔的位姿信息；所述的单目视觉系统由单目相机、单目镜头和光源组成，单目视觉系统设置在Z轴支座上，单目视觉系统用于近距离观测工件上螺纹孔的位姿，进一步减小由双目视觉系统观测所产生的误差。
3.根据权利要求1所述的一种基于混合视觉的复杂零件螺栓装配装置，其特征在于：所述的装配平台设有装配平台底座、夹盘、A轴旋转机构、C轴旋转机构和控制A/C轴旋转运动的运动控制器，所述的夹盘用于固定需要进行螺栓装配的工件，所述的A轴旋转机构包括A轴驱动电机和A轴支架，所述的C轴旋转机构包括C轴驱动电机和C轴支架，所述的夹盘通过C轴旋转模块固定在C轴旋转机构上，所述的C轴旋转机构通过A轴旋转模块固定在A轴旋转机构上，所述的C轴旋转机构固定在装配平台底座上，所述的A轴旋转机构和C轴旋转机构分别与运动控制器连接并通过运动控制器分别控制运动动作；所述A轴是指与X轴方向，所述C轴为Z轴方向。
4.根据权利要求1所述的一种基于混合视觉的复杂零件螺栓装配装置，其特征在于：所述的底座在水平方向上固定由Y轴移动机构，所述的装配平台固定于Y轴移动机构的平台上，所述的Z轴移动机构设置在X轴移动机构上且与X相滑移机构构成X轴滑移配合，Z轴移动机构、Y轴移动机构以及X轴移动机构均采用伺服电机控制，所述的底座上还设有用于分别控制Z轴移动机构、Y轴移动机构和X轴移动机构直线移动的运动控制器。
5.根据权利要求1所述的一种基于混合视觉的复杂零件螺栓装配装置，其特征在于：所述的拧紧模块可与Z轴移动机构沿Z方向移动，从而实现X轴和Z轴移动，从而进行调节螺栓夹持机构的位置。
6.根据权利要求3所述的一种基于混合视觉的复杂零件螺栓装配装置，其特征在于：所述的装配平台设置在Y轴移动机构上，装配平台与Y轴移动机构构成Z轴方向周向旋转已经X轴方向摆动配合运动。
7.一种基于上述权利要求1-6任一所述的一种基于混合视觉的复杂零件螺栓装配装置的控制方法，其特征在于：其步骤如下：
步骤一，将待装配的工件设置于装配平台的夹盘之上，需要进行螺栓装配的平面不与夹盘相接触；
步骤二，确定工件上第一个需要装配的平面，双目视觉系统观测装配工件，获取需要装配平面的各个特征点位姿信息，控制系统分别对A轴和C轴的伺服电机进行控制，分别对A轴和C轴的转轴进行旋转改变装配工件的空间位置和姿态，确保需要装配的平面法向量与拧紧模块的传动轴轴线平行；
步骤三，双目视觉系统观测装配平面上的各个螺栓孔的位姿信息，根据各螺栓孔的位置规划装配顺序；
步骤四，移动X轴和Y轴运动机构，使单目视觉系统到达装配平面上的当下需要装配螺栓孔上方，再一次测量计算螺栓孔的位姿信息；
步骤五，设置拧紧模块的装配数量，根据双目视觉系统所获得的螺栓孔位姿信息和规划好的装配顺序，移动Z轴从第一个需要装配的螺栓孔开始装配；
步骤六，针对每同一个平面上的每一个需要装配的螺纹孔，分别移动单目视觉系统到螺栓孔上方测量其位姿信息，并设置拧紧模块的目标转角、扭矩上限值和扭矩下限值进行装配；
步骤七，针对装配工件上各个不同的平面，根据双目视觉系统获取装配平面的各个特征点位姿信息后，控制系统分别对A轴和C轴的伺服电机进行控制，分别对A轴和C轴的转轴进行旋转改变装配工件的空间位置和姿态，确保下一个装配平面法向量与拧紧模块的传动轴轴线平行，并重复执行步骤三到步骤六直到工件上所有平面和各平面上的所有螺栓孔都完成装配，从而实现同一工件的不同平面螺栓装配。
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