一种基于超声波的精密零件位姿自动测量调整装置与方法
阅读说明：本技术 一种基于超声波的精密零件位姿自动测量调整装置与方法 (Ultrasonic wave-based automatic measurement and adjustment device and method for pose of precision part ) 是由 王兴远 张立勋 于 2021-08-03 设计创作，主要内容包括：本发明属于精密测量与装配领域,提供一种基于超声波的精密零件位姿自动测量调整装置与方法。该装置中的零件定位模块和夹持模块将精密零件固定；夹持模块中的两个超声波传感器可以实现超声波信号的发射和接收,并通过控制回路传给PC机；然后通过提取超声波信号中相邻两个超声波脉冲之间的时间间隔可以得到有源夹指中弹性块的变形量；再通过超声波传感器的位置与弹性块变形间的几何关系得到精密零件的位姿,从而实现零件位姿的精密测量；最后,通过位姿调整模块即可实现零件位姿的精确调整。本发明可以实现精密零件位姿的自动测量,测量精度高、时间短、自动化程度高、无需标定,可适用于精密组件的装配中。(The invention belongs to the field of precision measurement and assembly, and provides an automatic precision part pose measurement and adjustment device and method based on ultrasonic waves. The part positioning module and the clamping module in the device fix the precision part; two ultrasonic sensors in the clamping module can realize the transmission and the reception of ultrasonic signals and transmit the ultrasonic signals to the PC through a control loop; then, the deformation of the elastic block in the active clamping finger can be obtained by extracting the time interval between two adjacent ultrasonic pulses in the ultrasonic signal; the pose of the precision part is obtained through the geometric relation between the position of the ultrasonic sensor and the deformation of the elastic block, so that the precise measurement of the pose of the part is realized; and finally, the accurate adjustment of the position and the attitude of the part can be realized through the position and attitude adjusting module. The invention can realize the automatic measurement of the pose of the precision part, has high measurement precision, short time and high automation degree, does not need calibration and is suitable for the assembly of precision components.)
技术领域
本发明属于精密测量与装配领域，尤其涉及一种基于超声波的精密零件位姿自动测量调整装置与方法。
背景技术
航空、航天和精密仪器等领域的精密组件大多具有尺寸小、结构复杂和装配精度高的特点。精密组件装配过程中零件位姿(位置和姿态)的调整是影响装配精度的关键。目前，大多采用机器视觉的方法对精密零件的位姿进行测量。但受零件加工质量的影响，零件边缘往往存在缺陷，使基于图像拟合方法难以获得准确的零件边缘信息，导致零件位姿测量误差产生，最终降低精密组件的装配精度。对于精密组件的装配，比较典型的是零件中线的垂直度和平行度调整。此时，往往需要对零件的多条边线进行拟合得到零件中线的位姿，然后对零件中线进行垂直度和平行度调整。零件边线的拟合误差会导致零件中线位姿的测量精度，最终导致装配误差产生。因此，目前的检测方法在精密组件的位姿测量和姿态调整方面仍存在缺陷，难以满足精密组件的装配需求。
发明内容
本发明的目的是为了提供一种基于超声波的精密零件位姿自动测量调整装置与方法。
本发明的目的是这样实现的：
一种基于超声波的精密零件位姿自动测量调整装置，包括位姿调整模块、夹持模块、零件定位模块2和控制回路，位姿调整模块包括底座1、精密转台3和转接板4，精密转台3通过螺栓固定安装在底座1上，转接板4通过螺栓固定安装在精密转台3的台面上，夹持模块包括夹持模块安装板5、精密电动夹爪6、无源夹指7和有源夹指8，夹持模块安装板5通过螺栓固定安装在转接板4上，精密电动夹爪动6通过螺栓固定安装在夹持模块安装板5上，有源夹指8包括夹指安装杆8-1、弹性块8-2、精密夹持块8-3、左超声波传感器8-4和右超声波传感器8-5，无源夹指7通过螺栓固定安装在精密电动夹爪6的左侧夹爪上，有源夹指8的夹指安装杆8-1通过螺栓固定安装在精密电动夹爪6的右侧夹爪上，弹性块8-2通过胶粘与夹指安装杆8-1固定连接，精密夹持块8-3通过胶粘与弹性块8-2固定连接，左超声波传感器8-4和右超声波传感器8-5通过胶粘与弹性块8-2固定连接，零件定位模块2包括支撑圆柱2-1、定位圆台2-2、弹簧2-3、弹簧垫片2-4和紧固螺栓2-5，支撑圆台2-1通过螺栓固定安装在底座1上，定位圆台通过弹簧垫片2-4和紧固螺栓2-5与支撑圆柱2-1连接，弹簧2-3安装在定位圆台2-2位于支撑圆柱2-1腔体A内部的圆柱上，控制回路包括PC机、示波器、超声波脉冲收发仪、运动控制卡、步进电机驱动器，运动控制卡位于PC机中，示波器与PC机相连，超声波脉冲收发仪与示波器相连，左超声波传感器8-4和右超声波传感器8-5均与超声波脉冲收发仪相连，步进电机驱动器通过导线分别与运动控制卡、精密转台3和精密电动夹爪6相连。
本发明还可以包括：
1、所述有源指夹轴线与精密转台3的回转轴线正交，并平行于世界坐标系的X轴。
2、所述无源夹指7和有源夹指8平行，夹持状态接触面无缝隙，且夹持面与世界坐标系的X轴平行。
3、所述支撑圆台2-1与精密转台3的回转中心同轴。
4、所述定位圆台2-2螺栓紧固端的圆柱面与支撑圆柱为间隙配合，定位圆台2-2与支撑圆柱2-1同轴。
5、所述弹簧2-3安装后处于压缩状态。
6、所述支撑圆柱2-1上端面与定位圆台2-2在装配完成后，之间保留间隙。
其测量原理：精密零件9放置在定位圆台2-2上，并按压使定位圆台2-2与支撑圆柱2-1上端面接触；通过精密电动夹爪6驱动无源夹指7和有源夹指8夹紧精密零件9；左超声波传感器8-4和右超声波传感器8-5同时发射超声波脉冲信号，并分别接收由弹性块8-2和精密夹持块8-3胶粘界面反射回的超声波脉冲信号E和F，再由控制回路传送到PC机；然后对超声波信号E和F进行分析，提取两个相邻超声波脉冲信号间的时间差Δt，再根据超声波在弹性块8-2中的传播速度c计算得到两个超声波传感器所在位置处弹性块8-2的局部厚度h＝Δt·c/2；根据未夹持状态下两个超声波传感器所在位置处弹性块8-2的局部初始厚度得到厚度变化量Δh左和Δh右；根据两个超声波传感器的之间的距离L，计算得到精密零件9加工误差导致的精密夹持块8-3的倾角θ＝arctan[(Δh右-Δh左)/L]，即可得到精密零件9中线CD的倾角α＝θ/2；最后，通过精密转台3带动整个夹持模块转动相应的角度，实现精密零件9位姿的任意调整。
本发明一种基于超声波的精密零件位姿自动测量调整装置进行位姿测量和调整的方法，包括以下步骤：
第一步，初始化
对精密转台3进行初始化，使转台0°和180°连线与全局坐标系XYZ的X轴平行；精密电动夹爪6呈打开状态。
第二步，安装夹紧
精密零件9放置在定位圆台2-2上，使精密零件9下面的第一圆柱凸台G与定位圆台2-2上端面的定位孔B配合，并按压精密零件9上面的第二圆柱凸台H使定位圆台2-2与支撑圆柱2-1上端面接触；通过精密电动夹爪6驱动无源夹指7和有源夹指8夹紧精密零件9；
第三步，位姿测量
左超声波传感器8-4和右超声波传感器8-5同时发射超声波脉冲信号，并分别接收由弹性块8-2和精密夹持块8-3胶粘界面反射回的超声波脉冲信号E和F，再由控制回路传送到PC机；然后对超声波信号E和F进行分析，提取两个相邻超声波脉冲信号间的时间差Δt，再根据超声波在弹性块8-2中的传播速度c计算得到两个超声波传感器所在位置处弹性块8-2的局部厚度h＝Δt·c/2；根据未夹持状态下两个超声波传感器所在位置处弹性块8-2的局部初始厚度得到厚度变化量Δh左和Δh右；根据两个超声波传感器的之间的距离L，计算得到精密零件9加工误差导致的精密夹持块8-3的倾角θ＝arctan[(Δh右-Δh左)/L]，即可得到精密零件9中线CD的倾角α＝θ/2；
第四步，位姿调整
根据精密零件9中线的倾角α得到此时精密零件在世界坐标系中的姿态；再根据位姿调整要求，通过精密转台3带动整个夹持模块转动相应的角度，实现精密零件9的位姿调整。
本发明的有益效果在于：
1、除了上料外，其余工作均可以实现自动化操作，避免人为因素的不利影响，提高工作效率。
2、装置中的运动控制模块、夹持模块和零件定位模块均具有很高的重复定位精度以保证零件位姿的测量和调整精度。
3、采用超声波传感器不仅可以实现精密零件位姿的非接触精密测量，而且避免了精密零件边缘加工缺陷的影响。
4、可以通过超声波传感器实现有源夹指的弹性块厚度的快速自标定，无需再采用其他标定仪器。
附图说明
图1为精密零件的结构示意图；
图2为装置的整体结构示意图；
图3为有源夹指的结构示意图；
图4为零件定位模块的结构示意图；
图5为精密零件位姿测量原理示意图；
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
结合图1-5，一种基于超声波的精密零件位姿自动测量调整装置包括：位姿调整模块、夹持模块、零件定位模块2和控制回路。
所述的位姿调整模块包括底座1、精密转台3和转接板4。所述的精密转台3通过螺栓固定安装在底板1上；转接板4通过螺栓固定安装在精密转台3的台面上；保证初始状态下，精密转台3的0°和180°连线与全局坐标系XYZ的X轴平行。
所述的夹持模块包括夹持模块安装板5、精密电动夹爪6、无源夹指7和有源夹指8。有源夹指8包括夹指安装杆8-1、弹性块8-2、精密夹持块8-3、左超声波传感器8-4和右超声波传感器8-5。夹持模块安装板5通过螺栓固定安装在转接板4上；精密电动夹爪动6通过螺栓固定安装在夹持模块安装板5上，且其轴线与精密转台3的回转轴线正交，并平行于世界坐标系的X轴；无源夹指7通过螺栓固定安装在精密电动夹爪6的左侧夹爪上；有源夹指8的夹指安装杆8-1通过螺栓固定安装在精密电动夹爪6的右侧夹爪上；弹性块8-2通过胶粘与夹指安装杆8-1固定连接；精密夹持块8-3通过胶粘与弹性块8-2固定连接；左超声波传感器8-4和右超声波传感器8-5通过胶粘与弹性块8-2固定连接；保证无源夹指7和有源夹指8平行，夹持状态接触面无缝隙，且夹持面与世界坐标系的X轴平行；无源夹指7和精密夹持块8-3的夹持面应具有良好的加工精度，夹持面边缘无缺陷，以保证良好的边线拟合效果。
所述的零件定位模块2包括支撑圆柱2-1、定位圆台2-2、弹簧2-3、弹簧垫片2-4和紧固螺栓2-5。支撑圆台2-1通过螺栓固定安装在底板1上，并与精密转台3的回转中心同轴；定位圆台通过弹簧垫片2-4和紧固螺栓2-5与支撑圆柱2-1连接，且定位圆台2-2螺栓紧固端的圆柱面与支撑圆柱为间隙配合，并保证定位圆台2-2与支撑圆柱2-1同轴；弹簧2-3安装在定位圆台2-2位于支撑圆柱2-1腔体A内部的圆柱上，且安装后处于压缩状态。装配完成后，支撑圆柱2-1上端面与定位圆台2-2之间应按要求保留一定的间隙。
所述的控制回路包括PC机，示波器，超声波脉冲收发仪，左超声波传感器8-4，右超声波传感器8-5，运动控制卡，步进电机驱动器，精密转台3和精密电动夹爪6。所述的运动控制卡位于PC机中，示波器与PC机相连；所述的超声波脉冲收发仪与示波器相连；所述的左超声波传感器8-4和右超声波传感器8-5均与超声波脉冲收发仪相连；所述的步进电机驱动器通过导线分别与运动控制卡、精密转台3和精密电动夹爪6相连。左超声波传感器8-4和右超声波传感器8-5测得的超声波信号E和F通过控制回路发送至PC机；然后对超声波信号E和F进行分析，提取两个相邻超声波脉冲信号间的时间差Δt，再根据超声波在弹性块8-2中的传播速度c计算得到两个超声波传感器所在位置处的弹性块8-2的局部厚度h＝Δt·c/2。
本发明一种基于超声波的精密零件位姿自动测量调整装置进行位姿测量和调整的方法为：
第一步，初始化
对精密转台3进行初始化，使转台0°和180°连线与全局坐标系XYZ的X轴平行；精密电动夹爪6呈打开状态。
第二步，安装夹紧
精密零件9放置在定位圆台2-2上，使精密零件9下面的第一圆柱凸台G与定位圆台2-2上端面的定位孔B配合，并按压精密零件9上面的第二圆柱凸台H使定位圆台2-2与支撑圆柱2-1上端面接触；通过精密电动夹爪6驱动无源夹指7和有源夹指8夹紧精密零件9；
第三步，位姿测量
左超声波传感器8-4和右超声波传感器8-5同时发射超声波脉冲信号，并分别接收由弹性块8-2和精密夹持块8-3胶粘界面反射回的超声波脉冲信号E和F，再由控制回路传送到PC机；然后对超声波信号E和F进行分析，提取两个相邻超声波脉冲信号间的时间差Δt，再根据超声波在弹性块8-2中的传播速度c计算得到两个超声波传感器所在位置处弹性块8-2的局部厚度h＝Δt·c/2；根据未夹持状态下两个超声波传感器所在位置处弹性块8-2的局部初始厚度得到厚度变化量Δh左和Δh右；根据两个超声波传感器的之间的距离L，计算得到精密零件9加工误差导致的精密夹持块8-3的倾角θ＝arctan[(Δh右-Δh左)/L]，即可得到精密零件9中线CD的倾角α＝θ/2；
第四步，位姿调整
根据精密零件9中线的倾角α得到此时精密零件在世界坐标系中的姿态；再根据位姿调整要求，通过精密转台3带动整个夹持模块转动相应的角度，实现精密零件9的位姿调整。
以上所述实施例仅表达了本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。
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