柔顺装配技术是针对工业自动化生产线的装配任务提出的,为装配机器人配备视觉传感器和高精度力传感器,使其具备对外界环境识别与柔顺控制的能力,可以大幅提高机器人利用效率和产品的装配质量。本文利用系统集成技术,研发了一套柔顺装配控制系统,该系统能够通过视觉传感器对目标零件进行定位,并根据力传感器检测到的装配力信息来控制整个装配过程。
首先分析和研究了花键轴孔装配相关理论。通过对装配过程关键节点特征的分析,建立了装配模型和相应的坐标系,根据装配过程中不同装配位姿下接触力的不同,规划了对应的位姿调整策略,制定出了装配方案。
其次,对柔顺装配系统的总体结构进行了设计。以 ABB IRB1410 型串联机器人作为执行机构,采用高清工业摄像机和六维力传感器分别作为机器人的视觉和力觉感知系统,建立整个柔顺装配系统的逻辑结构关系。利用面向对象的方法进行了系统的功能需求分析,开发了软件集成控制系统,该系统通过以太网实现机器人控制系统与传感器的实时通信,使机器人具有外界感知能力和主动柔顺控制能力,为柔顺装配实验奠定了基础。
最后,应用研发的柔顺装配系统,针对装配作业中的花键轴与花键套装配任务进行了实验。机器人在整个实验过程中能够主动定位工件位姿,然后通过力反馈控制进行装配位姿偏差的调整,最后顺利完成装配。通过对实验过程的分析、研究,验证了柔顺装配系统的可行性、有效性。
第 1 章 绪 论...................................................................................................................1
1.1 课题研究的背景 .....................................................................................................1
1.2 柔顺装配概述 .........................................................................................................2
1.3 国内外柔顺装配研究现状 .....................................................................................2
1.3.1 被动柔顺装配发展现状 ..................................................................................2
1.3.2 主动柔顺装配发展现状 ..................................................................................5
1.4 课题研究内容及意义 .............................................................................................8
1.4.1 课题研究内容 ..................................................................................................8
1.4.2 课题研究意义 ..................................................................................................8
第 2 章 花键轴孔装配理论分析.....................................................................................9
2.1 引言 .........................................................................................................................9
2.2 矩形花键轴孔装配过程的分析与建模 .................................................................9
2.2.1 矩形花键配合特点 ........................................................................................10
2.2.2 装配模型的建立 ............................................................................................11
2.2.3 装配过程分析 ................................................................................................12
2.3 装配过程的接触调整阶段分析 ...........................................................................13
2.3.1 接触调整阶段的装配误差 ............................................................................13
2.3.2 接触调整阶段的装配模型 ............................................................................14
2.3.3 接触状态下的受力分析 ................................................................................15
2.3.4 接触状态的识别判断 ....................................................................................18
2.4 装配过程位姿调整 ...............................................................................................19
2.4.1 位姿调整策略 ................................................................................................19
2.4.2 位姿调整的坐标变换 ....................................................................................20
2.5 装配方案 ...............................................................................................................22
2.5.1 方案的设计 ....................................................................................................22
2.5.2 装配流程 ........................................................................................................23
2.6 本章小结 ...............................................................................................................24
第 3 章 柔顺装配系统研究...........................................................................................25
3.1 引言 .......................................................................................................................25
3.2 柔顺装配系统的总体结构 ...................................................................................25
3.2.1 柔顺性控制 ....................................................................................................25
3.2.2 柔顺装配系统构成 ........................................................................................27
3.3 执行系统 ...............................................................................................................28
3.3.1 ABB IRB1410 机器人....................................................................................28
3.3.2 机器人运动学分析 .......................................................................................29
3.4 力觉传感系统 .......................................................................................................31
3.4.1 传感器构成 ....................................................................................................31
3.4.2 六维力传感器工作原理 ................................................................................33
3.5 视觉传感系统 .......................................................................................................35
3.5.1 定位数学模型 ................................................................................................35
3.5.2 位姿求解 ........................................................................................................38
3.6 柔顺装配系统数学模型 .......................................................................................39
3.7 本章小结 ...............................................................................................................41
第 4 章 柔顺装配系统软件的设计与集成...................................................................42
4.1 引言 .......................................................................................................................42
4.2 软件系统集成方案设计 .......................................................................................42
4.2.1 软件功能要求 ................................................................................................42
4.2.2 系统集成方案 ................................................................................................43
4.2.3 信息通信研究 ................................................................................................44
4.3 传感信息采集与处理 ...........................................................................................49
4.3.1 力传感信息的采集与处理 ............................................................................49
4.3.2 视觉信息的采集与处理 ................................................................................51
4.4 柔顺装配集成控制系统操作界面设计 ...............................................................55
4.4.1 编程环境 ........................................................................................................55
4.4.2 集成控制系统操作界面 ................................................................................56
4.5 本章小结 ...............................................................................................................58
第 5 章 柔顺装配实验研究...........................................................................................59
5.1 引言 .......................................................................................................................59
5.2 柔顺装配实验平台的搭建 ...................................................................................59
5.2.1 装配工件及连接件设计 ...............................................................................60
5.2.2 装配系统搭建 ................................................................................................63
5.3 柔顺装配离线仿真 ...............................................................................................64
5.4 柔顺装配在线实验研究 .......................................................................................67
5.4.1 机器人的调试与参数配置 ............................................................................67
5.4.2 实验过程 ........................................................................................................69
5.5 实验数据分析 .......................................................................................................73
5.6 本章小结 ...............................................................................................................75
结 论.............................................................................................................................76
附 录.............................................................................................................................77
参考文献.........................................................................................................................82
致 谢.............................................................................................................................85
作者简介.........................................................................................................................86