CN109531560A - 大长径比轴孔装配分析系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种大长径比轴孔装配分析系统及方法，受力分析机构根据三轴位姿参数I₁得出轴与孔的偏差角度，一定的偏差角度会使轴插入孔的时候受到很大阻力，该阻力则通过三轴接触力数据I₂、三轴力矩数据I₃计算获得，一旦阻力过大，就说明插入动作受阻，轴孔的装配有偏差以致无法顺利完成装配，此时就需要调整装配机器人的动作，以满足顺利将轴插入到孔中。有益效果：通过装配过程中大长径比轴的受力情况准确分析其装配是否有偏差，从而为精确控制装配动作提供分析。

Description

大长径比轴孔装配分析系统及方法

技术领域

本发明涉及装配机器人控制分析技术领域，具体的说，涉及一种大长径比轴孔装配分析系统及方法。

背景技术

出于全自动装配的考虑，装配过程中机器人的控制是否精确直接影响装配结果，装配过程的受力分析是精确控制的前提，若分析不对，控制的反馈就效果不好，当装配角度出现偏差时，装配就会有阻碍，此时的受力分析不能及时反馈偏差，就会增加装配控制难度，甚至无法完成装配。

在得到精确接触力、力矩的基础上，为了实现柔性装配控制，需要建立装配过程的分析模型。根据轴孔的几何信息，对装配过程中插轴可能出现的所有接触状态进行了分析，即：单边接触、单点接触及两点接触。具体如图1示意：(a)为单边接触，(b)为单点接触，(c)为两点接触。其中单边接触为单点接触的特例情况，可以合并进行力学受力分析。

装配过程的分析问题可以归结为，求取接触点的受力情况。

发明内容

本发明的目的是提供一种大长径比轴孔装配分析系统及方法，通过装配过程中大长径比轴的受力情况准确分析其装配是否有偏差，从而为精确控制装配动作提供分析支持。

为达到上述目的，本发明采用的具体技术方案如下：

一种大长径比轴孔装配分析系统，包括装配机器人，该装配机器人的装配端设置有姿态传感器和力传感器，所述姿态传感器用于检测装配端的三轴位姿参数I₁，所述力传感器用于检测装配端的三轴接触力数据I₂、三轴力矩数据I₃；

还包括受力分析机构，所述受力分析机构通过三轴位姿参数I₁、三轴接触力数据I₂、三轴力矩数据I₃分析装配过程中大长径比插轴与装配孔的受力情况，得出装配姿态的调整分析结果；

所述受力分析机构的数据输入端组连接所述姿态传感器的输出端和所述力传感器的输出端，所述受力分析机构的数据输出端组连接有装配机器人控制机构的数据输入端组。

通过上述设计，受力分析机构根据三轴位姿参数I₁得出轴与孔的偏差角度，一定的偏差角度会使轴插入孔的时候受到很大阻力，该阻力则通过三轴接触力数据I₂、三轴力矩数据I₃计算获得，一旦阻力过大，就说明插入动作受阻，轴孔的装配有偏差以致无法顺利完成装配，此时就需要调整装配机器人的动作，以满足顺利将轴插入到孔中。

进一步描述，所述受力分析机构包括判断处理模块、单点接触分析模块、两点接触分析模块、数据存储模块，所述判断处理模块分别与单点接触分析模块、两点接触分析模块、数据存储模块双向连接。

判断处理模块用于判断接触点的数量，若为单点接触，则后续处理交于单点接触分析模块处理，若为两点接触，则转由两点接触分析模块，判断处理模块还用于根据单点接触分析模块/两点接触分析模块的受力分析结果判断装配是否需要重新调整，得到装配分析结果，数据存储模块用于存储全部过程的重要数据信息，如接触点判断结果、受力分析结果、装配分析结果等。

更进一步描述，所述判断处理模块设置有接触点判断单元、分析结果判断单元，所述接触点判断单元的输出端组连接单点接触分析模块的输入端和两点接触分析模块的输入端，所述分析结果判断单元的输入端组连接单点接触分析模块的输出端和两点接触分析模块的输出端。

其中，接触点判断单元用于判断接触点的数量，分析结果判断单元用于得到装配分析结果。

一种大长径比轴孔装配分析方法：

步骤一，受力分析机构实时接收姿态传感器和力传感器检测的装配端的三轴位姿参数I₁、三轴接触力数据I₂、三轴力矩数据I₃；

步骤二，接触点判断单元通过三轴接触力数据I₂、三轴力矩数据I₃识别大长径比轴孔接触点的数量，若接触点为1个，进入步骤三，若接触点为2个，进入步骤四；

步骤三，单点接触分析模块根据三轴位姿参数I₁、三轴接触力数据I₂、三轴力矩数据I₃计算轴孔单点反作用力N与单点阻力f，进入步骤五；

步骤四，两点接触分析模块根据三轴位姿参数I₁、三轴接触力数据I₂、三轴力矩数据I₃计算轴孔两点反作用力N₁、N₂，以及两点阻力f₁、f₂，进入步骤六；

步骤五，分析结果判断单元分析步骤三的计算结果：

若N≥A_N，f≥A_f，A_N为单点反作用力阈值，A_f为单点阻力阈值，则分析结果为装配角度需调整，否则分析结果为正常装配；

输出分析结果；

步骤六，分析结果判断单元分析步骤四的计算结果：

若N₁≥A_N1，N₂≥A_N2，f₁≥A_f1，f₂≥A_f2，A_N1、A_N2为两点反作用力阈值，A_f1、A_f2为两点阻力阈值，则分析结果为装配角度需调整，否则分析结果为正常装配；

输出分析结果。

通过上述设计，大长径比轴与孔的装配角度准确，则分析得出的轴孔单点反作用力N与单点阻力f(或轴孔两点反作用力N₁、N₂，以及两点阻力f₁、f₂)会在一个较小区间内，此时继续装配是可以完成插入动作的，但一旦超过该区间，继续插入只会卡住，无法完成装配，需要重新调整插入动作的方向。而上述方法是每个装配动作实时分析的，在装配过程中随采集的三轴位姿参数I₁、三轴接触力数据I₂、三轴力矩数据I₃改变不断重复分析过程，直到最终完成装配工作。

进一步设计，步骤三计算轴孔单点反作用力N与单点阻力f的方法如下：

S3.1，根据装配的接触点确定分析面X-O-Z，所述分析面X-O-Z为显示有所有接触点的大长径比轴的轴剖面；

S3.2，分解所述三轴位姿参数I₁、三轴接触力数据I₂、三轴力矩数据I₃，得到基于所述分析面X-O-Z的接触力F_x、F_z、力矩T_y、轴孔偏转夹角θ、轴长l、轴径d，其中，F_z为轴心方向的接触力，F_x为垂直于轴心方向的接触力，T_y为垂直于分析面X-O-Z的力矩；

S3.3，根据以下公式组，将S3.2分解得到的数据代入计算：

得到轴孔单点反作用力N与单点阻力f。

上述设计以轴的某一轴剖面为分析面X-O-Z，但该分析面X-O-Z上需包含有所有接触点，因此若在该分析面X-O-Z上分析得到的轴孔单点反作用力N与单点阻力f超过正常受力区间，则需要调整该分析面X-O-Z的轴姿态，调整后再分析其他角度的轴剖面是否受力正常，从而使轴完全对准孔，顺利完成装配。

近似的，步骤四计算轴孔两点反作用力N₁、N₂，以及两点阻力f₁、f₂的方法如下：

S4.1，根据装配的接触点确定分析面X-O-Z，所述分析面X-O-Z为显示有所有接触点的大长径比轴的轴剖面；

S4.2，分解所述三轴位姿参数I₁、三轴接触力数据I₂、三轴力矩数据I₃，得到基于所述分析面X-O-Z的接触力F_x、F_z、力矩T_y、轴孔偏转夹角θ、轴长l、轴径d、未插入的轴长h，其中，F_z为轴心方向的接触力，F_x为垂直于轴心方向的接触力，T_y为垂直于分析面X-O-Z的力矩；

其中，未插入的轴长h指露出孔部分的最短轴长；

S4.3，根据以下公式组，将S3.2分解得到的数据代入计算：

得到轴孔两点反作用力N₁、N₂，以及两点阻力f₁、f₂。

本发明的有益效果：通过装配过程中大长径比轴的受力情况准确分析其装配是否有偏差，从而为精确控制装配动作提供分析支持。

附图说明

图1是轴剖面的接触点分析示意图；

图2是轴剖面的力学分析示意图；

图3是系统的结构框图；

图4是方法的主要流程示意图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明：

一种大长径比轴孔装配分析系统，如图3所示，包括装配机器人1，该装配机器人的装配端设置有姿态传感器1a和力传感器1b，所述姿态传感器1a用于检测装配端的三轴位姿参数I₁，所述力传感器1b用于检测装配端的三轴接触力数据I₂、三轴力矩数据I₃；

还包括受力分析机构2，所述受力分析机构2通过三轴位姿参数I₁、三轴接触力数据I₂、三轴力矩数据I₃分析装配过程中大长径比插轴与装配孔的受力情况，得出装配姿态的调整分析结果；

所述受力分析机构2的数据输入端组连接所述姿态传感器1a的输出端和所述力传感器1b的输出端，所述受力分析机构2的数据输出端组连接有装配机器人控制机构3的数据输入端组。

所述受力分析机构2包括判断处理模块2a、单点接触分析模块2b、两点接触分析模块2c、数据存储模块2d，所述判断处理模块2a分别与单点接触分析模块2b、两点接触分析模块2c、数据存储模块2d双向连接。

所述判断处理模块2a设置有接触点判断单元、分析结果判断单元，所述接触点判断单元的输出端组连接单点接触分析模块2b的输入端和两点接触分析模块2c的输入端，所述分析结果判断单元的输入端组连接单点接触分析模块2b的输出端和两点接触分析模块2c的输出端。

优选设备参数如下：

装配机器人优选型号：安川MOTOMAN MH12，控制器：DX200，负载：12kg，自由度：6，重复定位精度：±0.08mm，最大工作半径：1440mm，电源容量：1.5kVA。

该装配机器人的装配端自带有姿态传感器1a，控制器：DX200即为装配机器人控制机构；

力传感器1b优选为型号：ATI-mini45-E的六维力传感器，其主要技术参数为：量程：SI-290-10

分辨率：SI-290-10

另设有处理器主机，该处理器主机上设置受力分析机构2。

一种大长径比轴孔装配分析方法，如图4所示：

步骤一，受力分析机构2实时接收姿态传感器1a和力传感器1b检测的装配端的三轴位姿参数I₁、三轴接触力数据I₂、三轴力矩数据I₃；

步骤二，接触点判断单元通过三轴接触力数据I₂、三轴力矩数据I₃识别大长径比轴孔接触点的数量，若接触点为1个，进入步骤三，若接触点为2个，进入步骤四；

步骤三，单点接触分析模块2b根据三轴位姿参数I₁、三轴接触力数据I₂、三轴力矩数据I₃计算轴孔单点反作用力N与单点阻力f，进入步骤五；

步骤四，两点接触分析模块2c根据三轴位姿参数I₁、三轴接触力数据I₂、三轴力矩数据I₃计算轴孔两点反作用力N₁、N₂，以及两点阻力f₁、f₂，进入步骤六；

步骤五，分析结果判断单元分析步骤三的计算结果：

若N≥A_N，f≥A_f，A_N为单点反作用力阈值，A_f为单点阻力阈值，则分析结果为装配角度需调整，否则分析结果为正常装配；

输出分析结果；

步骤六，分析结果判断单元分析步骤四的计算结果：

若N₁≥A_N1，N₂≥A_N2，f₁≥A_f1，f₂≥A_f2，A_N1、A_N2为两点反作用力阈值，A_f1、A_f2为两点阻力阈值，则分析结果为装配角度需调整，否则分析结果为正常装配；

输出分析结果。

本实施例中单点受力情况如图2中(a)部分所示，该剖视面即为分析面X-O-Z，步骤三计算轴孔单点反作用力N与单点阻力f的方法优选为：

S3.1，根据装配的接触点确定分析面X-O-Z，所述分析面X-O-Z为显示有所有接触点的大长径比轴的轴剖面；

S3.2，分解所述三轴位姿参数I₁、三轴接触力数据I₂、三轴力矩数据I₃，得到基于所述分析面X-O-Z的接触力F_x、F_z、力矩T_y、轴孔偏转夹角θ、轴长l、轴径d，其中，F_z为轴心方向的接触力，F_x为垂直于轴心方向的接触力，T_y为垂直于分析面X-O-Z的力矩；

S3.3，根据以下公式组，将S3.2分解得到的数据代入计算：

得到轴孔单点反作用力N与单点阻力f。

本实施例中两点受力情况如图2中(b)部分所示，该剖视面即为分析面X-O-Z，步骤四计算轴孔两点反作用力N₁、N₂，以及两点阻力f₁、f₂的方法优选如下：

S4.1，根据装配的接触点确定分析面X-O-Z，所述分析面X-O-Z为显示有所有接触点的大长径比轴的轴剖面；

S4.2，分解所述三轴位姿参数I₁、三轴接触力数据I₂、三轴力矩数据I₃，得到基于所述分析面X-O-Z的接触力F_x、F_z、力矩T_y、轴孔偏转夹角θ、轴长l、轴径d、未插入的轴长h，其中，F_z为轴心方向的接触力，F_x为垂直于轴心方向的接触力，T_y为垂直于分析面X-O-Z的力矩；

S4.3，根据以下公式组，将S3.2分解得到的数据代入计算：

得到轴孔两点反作用力N₁、N₂，以及两点阻力f₁、f₂。

Claims (6)

1.一种大长径比轴孔装配分析系统，其特征在于：包括装配机器人(1)，该装配机器人的装配端设置有姿态传感器(1a)和力传感器(1b)，所述姿态传感器(1a)用于检测装配端的三轴位姿参数I₁，所述力传感器(1b)用于检测装配端的三轴接触力数据I₂、三轴力矩数据I₃；

还包括受力分析机构(2)，所述受力分析机构(2)通过三轴位姿参数I₁、三轴接触力数据I₂、三轴力矩数据I₃分析装配过程中大长径比插轴与装配孔的受力情况，得出装配姿态的调整分析结果；

所述受力分析机构(2)的数据输入端组连接所述姿态传感器(1a)的输出端和所述力传感器(1b)的输出端，所述受力分析机构(2)的数据输出端组连接有装配机器人控制机构(3)的数据输入端组。

2.根据权利要求1所述的大长径比轴孔装配分析系统，其特征在于：所述受力分析机构(2)包括判断处理模块(2a)、单点接触分析模块(2b)、两点接触分析模块(2c)、数据存储模块(2d)，所述判断处理模块(2a)分别与单点接触分析模块(2b)、两点接触分析模块(2c)、数据存储模块(2d)双向连接。

3.根据权利要求2所述的大长径比轴孔装配分析系统，其特征在于：所述判断处理模块(2a)设置有接触点判断单元、分析结果判断单元，所述接触点判断单元的输出端组连接单点接触分析模块(2b)的输入端和两点接触分析模块(2c)的输入端，所述分析结果判断单元的输入端组连接单点接触分析模块(2b)的输出端和两点接触分析模块(2c)的输出端。

4.一种大长径比轴孔装配分析方法，其特征在于：

步骤一，受力分析机构(2)实时接收姿态传感器(1a)和力传感器(1b)检测的装配端的三轴位姿参数I₁、三轴接触力数据I₂、三轴力矩数据I₃；

步骤二，接触点判断单元通过三轴接触力数据I₂、三轴力矩数据I₃识别大长径比轴孔接触点的数量，若接触点为1个，进入步骤三，若接触点为2个，进入步骤四；

步骤三，单点接触分析模块(2b)根据三轴位姿参数I₁、三轴接触力数据I₂、三轴力矩数据I₃计算轴孔单点反作用力N与单点阻力f，进入步骤五；

步骤四，两点接触分析模块(2c)根据三轴位姿参数I₁、三轴接触力数据I₂、三轴力矩数据I₃计算轴孔两点反作用力N₁、N₂，以及两点阻力f₁、f₂，进入步骤六；

步骤五，分析结果判断单元分析步骤三的计算结果：

若N≥A_N，f≥A_f，A_N为单点反作用力阈值，A_f为单点阻力阈值，则分析结果为装配角度需调整，否则分析结果为正常装配；

输出分析结果；

步骤六，分析结果判断单元分析步骤四的计算结果：

若N₁≥A_N1，N₂≥A_N2，f₁≥A_f1，f₂≥A_f2，A_N1、A_N2为两点反作用力阈值，A_f1、A_f2为两点阻力阈值，则分析结果为装配角度需调整，否则分析结果为正常装配；

输出分析结果。

5.根据权利要求4所述的大长径比轴孔装配分析方法，其特征在于：步骤三计算轴孔单点反作用力N与单点阻力f的方法如下：

S3.1，根据装配的接触点确定分析面X-O-Z，所述分析面X-O-Z为显示有所有接触点的大长径比轴的轴剖面；

S3.2，分解所述三轴位姿参数I₁、三轴接触力数据I₂、三轴力矩数据I₃，得到基于所述分析面X-O-Z的接触力F_x、F_z、力矩T_y、轴孔偏转夹角θ、轴长l、轴径d，其中，F_z为轴心方向的接触力，F_x为垂直于轴心方向的接触力，T_y为垂直于分析面X-O-Z的力矩；

S3.3，根据以下公式组，将S3.2分解得到的数据代入计算：

得到轴孔单点反作用力N与单点阻力f。

6.根据权利要求4所述的大长径比轴孔装配分析方法，其特征在于：步骤四计算轴孔两点反作用力N₁、N₂，以及两点阻力f₁、f₂的方法如下：

S4.1，根据装配的接触点确定分析面X-O-Z，所述分析面X-O-Z为显示有所有接触点的大长径比轴的轴剖面；

S4.2，分解所述三轴位姿参数I₁、三轴接触力数据I₂、三轴力矩数据I₃，得到基于所述分析面X-O-Z的接触力F_x、F_z、力矩T_y、轴孔偏转夹角θ、轴长l、轴径d、未插入的轴长h，其中，F_z为轴心方向的接触力，F_x为垂直于轴心方向的接触力，T_y为垂直于分析面X-O-Z的力矩；

S4.3，根据以下公式组，将S3.2分解得到的数据代入计算：

得到轴孔两点反作用力N₁、N₂，以及两点阻力f₁、f₂。