本发明专利技术公开了一种用于自动化装配的模块化柔性六自由度并联冗余驱动调姿机构及其调整方法，该机构包含四个球面副定位驱动点，每个驱动点具有独立的XYZ三个方向直线运动自由度，形成一个冗余驱动并联机构。四个定位点之间的相对位置不变，各定位点通过三个方向的直线运动拟合成改点的空间曲线运动，依靠球头在球窝中自适应旋转特点实现壁板在空间的旋转运动。通过建立与电机驱动方向平行的装配坐标系，将部件绕空间任意轴旋转的运动分解为绕该装配坐标系XYZ轴的旋转运动，可将电机联动数量由12个降为8个，提高该并联机构定位精度与运动安全性。
Modular flexible six degree of freedom parallel redundant driving posture adjustment mechanism for automatic assembly and adjusting method thereof
The invention discloses a flexible six degree of freedom redundant parallel mechanism and its adjusting method of driving posture adjustment for automatic assembly module, the mechanism comprises four spherical positioning driving point, each driving point is independent of the XYZ three direction linear motion degree of freedom parallel mechanism, forming a redundant drive. The relative position between the four positioning points unchanged, linear motion in three directions through the positioning point of the fitted change space curve moving point, rely on the ball head on the ball in the adaptive rotation realize rotation panel in space. Through the establishment of a motor driven parallel to the direction of the assembly coordinate system, the movement of the rotating parts around any axis into rotational movement about the assembly of XYZ axis, the motor linkage numbers by 12 reduced to 8, improve the accuracy and safety of the manipulator positioning movement.
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种用于大型薄壁件生产装配线上的自动化装配，该调姿机构可实现大型薄壁件自动化精确定位装配，可显著提高大型薄壁件装配效率和装配质量。
技术介绍
随着我国装备制造业的不断发展，自动化装配线已越来越多的应用在生产制造上，例如汽车总装。但目前在国内企业投入使用的自动化装配线只能进行小部件的自动化装配，多采用机械臂抓取的形式来完成产品的自动化装配。针对大型部件装配，如大型飞机壁板的拼接等，国内企业仍采取的是传统的人工装配形式，依靠装配卡板逼近的方法来保证精度。这种模拟量的装配方式在进行大型薄壁件装配的过程中会出现薄壁件扭曲变形， 无法达到理论装配位置等现象。因此，采用自动化技术来进行大型薄壁件的装配是提高装配质量，保证装配精度的有效途径。考虑到大型薄壁件刚性较差，在装配过程中易变形的特点，同时兼顾定位完成后后续加工处理工序的进行，设计一套具有良好集成性与可拓展性的多点定位六自由度自动化调姿机构是实现大型薄壁件自动化精确定位装配的有效方式。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供了一种用于自动化装配的模块化柔性六自由度并联冗余驱动调姿机构，该机构可实现部件在空间六自由度姿态调整，由四个模块化的三坐标运动台组成，分别命名为运动台A、运动台B、运动台C和运动台D ；每个三坐标运动台运动终端有一个球面副，球面副球窝部分与运动台终端固连，驱动机构与待装配部件之间通过球面副连接采用一种模块化的三坐标运动台，该运动台三个运动方向互相垂直，根据机构姿态调整要求，设计运动台三个方向的运动行程，采用运动叠加的形式，使运动台终端具有三个相互垂直方向的平动自由度；调姿机构模块化，根据待装配部件的大小及形状，确定调姿机构所包含的模块化三坐标运动台数量，为确保带装配部件受力均勻，降低调姿机构控制难度，设计调姿机构采用四点对称分布定位支撑，机构共包含十二个伺服电机；为保证调姿机构的稳定性，设计三角立柱，每两个模块化三坐标运动台固定在一个三角立柱上，本调姿机构含有两个三角立柱，为防止带运动台的三角立柱发生倾覆，设计带有T形槽的底座以固定三角立柱。所述六自由度并联冗余驱动调姿机构的部件空间六自由度姿态调整方法部件空间六自由度姿态调整包括三个角度量调整和三个位置量调整，部件空间角度姿态调整采用多个直线运动拟合部件空间曲线运动，通过建立与模块化三坐标运动台运动方向平行的装配坐标系，并将其原点设置与四个球面副中间位置，采用分平面旋转的方法，使部件的角度调整运动分解为部件分别绕三个坐标轴的旋转运动，降低该并联调姿机构联动电机数，提高机构运动安全性，在部件可见区域设置四个特征点，通过标定特征点与球面副驱动点相对位置坐标及测量在装配坐标系下特征点坐标，求解部件姿态，计算部件姿态调整偏差。所述部件姿态角调整步骤建立待装配部件零件坐标系Α。_Χ Ζ，测量在零件坐标系下部件特征点的坐标与球面副驱动点的坐标，分别记录为位置矩阵Wm =XmlXm2Xm3Xm4y mly m2y m3少m4Zm\Zm2Zm3和XclXc2xCyciyC2凡3凡4zClZc2Zc3Zc4Wc =1111建立待装配部件装配坐标系B。_xyz，部件姿态及调姿机构各伺服电机运动量均在此坐标系下表示，装配坐标系要求其XH轴与模块化三坐标运动台三个运动方向分别平行， 确保各特征点坐标测量量可直接用作各电机位移量计算。装配坐标系原点尽量设置于四个球面副布局中心位置，以尽可能平均部件绕装配坐标系各坐标轴旋转时各方向电机运动量；测量部件特征点在装配坐标系下的坐标，得到位置矩阵Xm'\Xm'2Xm'3X,ym'\ym'2少m'3yZm'4m'4，求解矩阵Wm到矩阵Mm的转换矩阵T，矩阵T的数学形式为T1111οθοφ ο,θ^φ^φ-^,θο,φο,θ ^φο,φ + ^,θ txξ,θο,φ ξ,θξ,φ^φ + ο,θοφξ,θ^φο,φ-ο,θξ,φ ty ο,φ^φ-S^c料φζφζφtz0 0 0 1其中，c 表示cos运算；s:表示sin运算；φ :表示当前零件坐标系与装配坐标系X轴之间的夹角；φ 表示当前零件坐标系与装配坐标系Y轴之间的夹角；θ :表示当前零件坐标系与装配坐标系Z轴之间的夹角；tx，ty，tz 表示当前零件坐标系的原点在装配坐标系下的坐标；部件特征点与球面副驱动点之间的相对位置关系在装配过程中不变，球面副驱动点在装配坐标系下的当前位置矩阵计算式为M。= T-Wc ；根据矩阵T的数学形式反解部件当前的空间位置与姿态；矩阵T可以分解为四个矩阵相乘的形式，T = P · Rz · R · Rx ； 其中，P:坐标平移矩阵权利要求1. 一种用于自动化装配的模块化柔性六自由度并联冗余驱动调姿机构，该机构可实现部件在空间六自由度姿态调整，由四个模块化的三坐标运动台组成，分别命名为运动台A、 运动台B、运动台C和运动台D ；每个三坐标运动台运动终端有一个球面副，球面副球窝部分与运动台终端固连，驱动机构与待装配部件之间通过球面副连接，其特征在于采用一种模块化的三坐标运动台，该运动台三个运动方向互相垂直，根据机构姿态调整要求，设计运动台三个方向的运动行程，采用运动叠加的形式，使运动台终端具有三个相互垂直方向的平动自由度；调姿机构模块化，根据待装配部件的大小及形状，确定调姿机构所包含的模块化三坐标运动台数量，为确保带装配部件受力均勻，降低调姿机构控制难度，设计调姿机构采用四点对称分布定位支撑，机构共包含十二个伺服电机；为保证调姿机构的稳定性，设计三角立柱，每两个模块化三坐标运动台固定在-角立柱上，本调姿机构含有两个三角立柱，为防止带运动台的三角立柱发生倾覆，设计带有 T形槽的底座以固定三角立柱。2.根据权利要求1所述六自由度并联冗余驱动调姿机构的部件空间六自由度姿态调整方法，其特征在于部件空间六自由度姿态调整包括三个角度量调整和三个位置量调整，部件空间角度姿态调整采用多个直线运动拟合部件空间曲线运动，通过建立与模块化三坐标运动台运动方向平行的装配坐标系，并将其原点设置与四个球面副中间位置，采用分平面旋转的方法，使部件的角度调整运动分解为部件分别绕三个坐标轴的旋转运动，降低该并联调姿机构联动电机数，提高机构运动安全性，在部件可见区域设置四个特征点，通过标定特征点与球面副驱动点相对位置坐标及测量在装配坐标系下特征点坐标，求解部件姿态，计算部件姿态调整偏差。3.根据权利要求2所述部件空间六自由度姿态调整方法，其特征在于所述部件姿态角调整步骤建立待装配部件零件坐标系Α。_Χ Ζ，测量在零件坐标系下部件特征点的坐标与球面副驱动点的坐标，分别记录为位置矩阵^ =建立待装配部件装配坐标系B。_xyz，部件姿态及调姿机构各伺服电机运动量均在此坐标系下表示，装配坐标系要求其XH轴与模块化三坐标运动台三个运动方向分别平行，确保各特征点坐标测量量可直接用作各电机位移量计算。装配坐标系原点尽量设置于四个球面副布局中心位置，以尽可能平均部件绕装配坐标系各坐标轴旋转时各方向电机运动量； 测量部件特征点在装配坐标系下的坐标，得到位置矩阵XmlXm2Xm3Xm4y mly m2y m3少m4和化=yciyci凡3凡4Zml 1Zm2 1Zm3 11zCl 1zCl 1 3 1 4 1Xm'\Xm'2Xm本文档来自技高网...
【技术保护点】
１．一种用于自动化装配的模块化柔性六自由度并联冗余驱动调姿机构，该机构可实现部件在空间六自由度姿态调整，由四个模块化的三坐标运动台组成，分别命名为运动台Ａ、运动台Ｂ、运动台Ｃ和运动台Ｄ；每个三坐标运动台运动终端有一个球面副，球面副球窝部分与运动台终端固连，驱动机构与待装配部件之间通过球面副连接，其特征在于：采用一种模块化的三坐标运动台，该运动台三个运动方向互相垂直，根据机构姿态调整要求，设计运动台三个方向的运动行程，采用运动叠加的形式，使运动台终端具有三个相互垂直方向的平动自由度；调姿机构模块化，根据待装配部件的大小及形状，确定调姿机构所包含的模块化三坐标运动台数量，为确保带装配部件受力均匀，降低调姿机构控制难度，设计调姿机构采用四点对称分布定位支撑，机构共包含十二个伺服电机；为保证调姿机构的稳定性，设计三角立柱，每两个模块化三坐标运动台固定在一个三角立柱上，本调姿机构含有两个三角立柱，为防止带运动台的三角立柱发生倾覆，设计带有Ｔ形槽的底座以固定三角立柱。
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：刘志刚，聂勇，张进华，李涤尘，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：87
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