本發(fā)明涉及精密機械制造與自動化控制領域，尤其是涉及面向一種微小尺寸裝配推送裝置及其實現(xiàn)方法。

背景技術：

隨著人類社會的不斷進步與科學技術的持續(xù)發(fā)展，對于機械制造的精度、速度、穩(wěn)定性等方面提出了更高的要求，尤其是在微型精密機械總成或系統(tǒng)裝配方面。微型精密機械一般由若干微型零件通過配合、緊固、焊接等方式組裝而成，零件的幾何尺寸一般在零點幾個毫米到十幾個毫米之間，所要求的裝配精度在微米級到毫米級之間，尺寸跨度較大。在微小零件裝配系統(tǒng)過程中，在線檢測系統(tǒng)通過高精度攝像頭、激光測距儀、紅外干涉儀等手段對目標零件進行檢測，根據(jù)不同的裝配精度要求給出不同零件的徑向角度檢測精度；基于上述操作獲得的零件位置數(shù)據(jù)，調整目標零件的位置坐標與平衡姿態(tài)；根據(jù)既定的離線編程控制程序，向執(zhí)行部件發(fā)出指令，移動零件位置即可實現(xiàn)兩個不同零件之間的裝配，從而實現(xiàn)高精度的微型零件裝配。

微型機械手為微型零件裝配過程中的關鍵機構，一般由微型夾持器或真空吸附式夾持器組成，配合機器視覺傳感器或者位置/角度傳感器進行工作，可以完成微小零件的拾取、移動和裝配。微型機械手是實現(xiàn)微裝配的關鍵部分，其性能直接關系到裝配的成敗。當前微型機械手主要存在工作柔性較差、功能單一，且需要復雜的控制程序。

技術實現(xiàn)要素：

為了解決微型精密機械裝配領域中微型機械手存在的工作柔性較差、控制復雜的不足，本發(fā)明提供一種工作柔性好好且控制相對簡單的微小尺寸裝配推送裝置及方法。

本發(fā)明解決其技術問題所采用的技術方案是：

一種微小尺寸零件裝配推送裝置，所述裝置采用兩分支四關節(jié)微型機械手實現(xiàn)微小尺寸零件的精確推送；所述兩分支四關節(jié)微型機械手包括主軸本體與機械手分支，所述的主軸本體后端與兩個主軸電機相連，兩個主軸電機分別提供用于實現(xiàn)推送過程進給的直線往復運動與用于配合分支關節(jié)運動完成零件位姿調整的旋轉運動，主軸本體前端通過鉸鏈與機械手分支相連；

所述的機械手分支包括兩個分支支撐構件、兩個分支指尖構件和四個分支關節(jié)鉸鏈，所述分支支撐構件的兩端通過鉸鏈分別與分支指尖構件、主軸本體相連；所述分支支撐構件與機械手主軸本體鉸接部分為分支第一關節(jié)，所述分支支撐構件與分支指尖構件鉸接部分為分支第二關節(jié)。

進一步，所述的分支支撐構件為輕質合金鋼管件，分支指尖構件為鈦合金撥叉觸針件，指尖角小于5度。

再進一步，每個機械手分支通過兩個主軸電機實現(xiàn)分支平面運動；兩個分支配合運動，與主軸運動相疊加，實現(xiàn)在狹小物理空間內對微小尺寸零件的夾持、翻轉、推送、卡塞等動作。

一種微小尺寸零件裝配推送方法，根據(jù)零件與接口接觸面上的推力和壓力、零件與接觸面的摩擦系數(shù)的變化、零件與機械手的摩擦系數(shù)的變化，建立微小尺寸零件裝配推送運動模型，實現(xiàn)機械手本體、分支的協(xié)調、配合運動，步驟如下：

①建立裝配推送過程的機械手與零件接觸動力學模型，在XOY平面內，機械手指尖構件與零件產(chǎn)生兩點接觸，觸點分別為A和B，A表示Y方向下側指尖，B表示Y方向上側指尖，所涉及的主要參數(shù)與變量為：零件中分厚度為d₁，兩指尖觸點之間的距離為d₂，觸點A到零件Y方向下端面的距離為d₃，兩個指尖關鍵之間的距離為d₄，零件的水平方向傾斜角度為θ，零件的豎直方向傾斜角度為β，機械手主軸本體進給速度為V_p，觸點B處的法向與切向接觸力分別為觸點B處的法向與切向接觸力分別為

②機械手進入預備工作狀態(tài)，各關節(jié)電機啟動，兩個分支分別水平伸直，與零件接觸，并向目標方向推送；

③推送至接近目標位置處，距目標位置≥兩個零件長度，將零件進行傾斜，即在XOY平面內旋轉角度θ，并分別計算觸針與零件接觸的法向力與切向力：

λ_n＝d₁d₂e_xcosθ+(e_θ+d₁²e_x)sinθ (1)

λ_t＝(e_θ+d₂²e_x)cosθ+d₁d₂e_xsinθ (2)

其中，e_x、e_θ分別為機械手進給方向與平面旋轉方向的關節(jié)阻尼系數(shù)；

④執(zhí)行傾斜動作，兩觸針與零件保持接觸粘性狀態(tài)，且需滿足如下動力學條件：

$\frac{{\mathrm{\λ}}_n}{{\mathrm{\λ}}_t}\>\frac{1}{\mathrm{\μ}}---\left(3\right)$

其中，μ是接觸摩擦阻尼系數(shù)；

⑤傾斜動作完成后，繼續(xù)向目標位置進給，兩觸針繼續(xù)與零件保持接觸粘性狀態(tài)，兩觸點處的法向力需滿足以下動力學條件：

${\mathrm{\λ}}_n^1=\frac{e_x{v}_{p}cos\mathrm{\β}(d_{1}sin\mathrm{\β}+d_{2}cos\mathrm{\β}-d_4)}{d_4}\>\frac{1}{\mathrm{\μ}}---\left(4\right)$

${\mathrm{\λ}}_n^2=\frac{e_x{v}_{p}cos\mathrm{\β}(d_{1}sin\mathrm{\β}+d_{2}cos\mathrm{\β})}{d_4}\>0---\left(5\right)$

⑥到達目標位置，零件角度狀態(tài)必須以0或者π作為最終狀態(tài)，機械手分支以足夠的速度反方向運動，脫離零件的慣性摩擦作用，推送過程完畢。

本發(fā)明的有益效果主要表現(xiàn)在：

1)整體結構簡單，剛性好，制造成本較低。

2)機械手具有四個關節(jié)，結合機械手本體的兩個運動自由度，可以實現(xiàn)在狹小空間內的靈活操作，工作柔性好。

3)基于幾何角度關系的動力學控制方法，控制簡單，穩(wěn)定性較好。

附圖說明

圖1是機械手結構示意圖；

圖2是零件裝配過程步驟示意圖。

具體實施方式

下面結合附圖對本發(fā)明作進一步描述。

參照圖1，一種微小尺寸零件裝配推送裝置，采用兩分支四關節(jié)微型機械手實現(xiàn)微小尺寸零件的精確推送；微型機械手結構簡單，能夠在狹小工作空間內保持較好的工作剛性與靈活性。

如附圖1所示，兩分支四關節(jié)微型機械手由主軸本體與機械手分支組成，可實現(xiàn)平面運動與旋轉運動三個自由度，以滿足裝配允許空間內的運動需求。主軸本體后端(非工作端)與兩個主軸電機相連，分別提供直線往復運動與旋轉運動，其中直線往復運動實現(xiàn)推送過程進給，旋轉運動配合分支關節(jié)運動完成零件位姿調整；主軸本體前端(工作端)通過鉸鏈與機械手分支相連。

機械手分支由兩個分支支撐構件、兩個分支指尖構件、四個分支關節(jié)鉸鏈組成，分支支撐構件通過鉸鏈分別與分支指尖構件、主軸本體相連；分支支撐構件與機械手主軸本體鉸接部分為分支第一關節(jié)，與分支指尖構件鉸接部分為分支第二關節(jié)，如附圖1所示。為了使機械手運動輕盈且保證足夠的的機械強度，分支支撐構件為輕質合金鋼管件，分支指尖構件為鈦合金撥叉觸針件；分支指尖構件的指尖角小于5度，保證拾取過程具有足夠的初始銳利度。每個機械手分支通過兩個電機實現(xiàn)分支平面運動；兩個分支配合運動，與主軸運動相疊加，實現(xiàn)在狹小物理空間內對微小尺寸零件的夾持、翻轉、推送、卡塞等動作。

參照圖2，一種微小尺寸零件裝配推送方法，根據(jù)零件與接口接觸面上的推力和壓力、零件與接觸面的摩擦系數(shù)的變化、零件與機械手的摩擦系數(shù)的變化，建立微小尺寸零件裝配推送運動模型，實現(xiàn)機械手本體、分支的協(xié)調、配合運動，執(zhí)行步驟如附圖2所示，具體步驟如下：

①建立裝配推送過程的機械手與零件接觸動力學模型(見附圖1)，在XOY平面內，機械手指尖構件與零件產(chǎn)生兩點接觸，觸點分別為A(Y方向下側指尖)、B(Y方向上側指尖)，所涉及的主要參數(shù)與變量為：零件中分厚度(總厚度的一半)為d₁，兩指尖觸點之間的距離為d₂，觸點A到零件Y方向下端面的距離為d₃，兩個指尖關鍵之間的距離為d₄，零件的水平方向傾斜角度為θ，零件的豎直方向傾斜角度為β，機械手主軸本體進給速度(X軸負方向)為V_p，觸點B處的法向與切向接觸力分別為觸點B處的法向與切向接觸力分別為

②機械手進入預備工作狀態(tài)，各關節(jié)電機啟動，兩個分支分別水平伸直，與零件接觸，并向目標方向(X軸負方向)推送。

③推送至接近目標位置處(距目標位置≥兩個零件長度)，將零件進行傾斜，即在XOY平面內旋轉角度θ，并分別計算觸針與零件接觸的法向力與切向力：

λ_n＝d₁d₂e_x cosθ+(e_θ+d₁²e_x)sinθ (1)

λ_t＝(e_θ+d₂²e_x)cosθ+d₁d₂e_xsinθ (2)

其中，e_x、e_θ分別為機械手進給方向與平面旋轉方向的關節(jié)阻尼系數(shù)。

④執(zhí)行傾斜動作，兩觸針與零件保持接觸粘性狀態(tài)，且需滿足如下動力學條件：

$\frac{{\mathrm{\λ}}_n}{{\mathrm{\λ}}_t}\>\frac{1}{\mathrm{\μ}}---\left(3\right)$

其中，μ是接觸摩擦阻尼系數(shù)。

⑤傾斜動作完成后，繼續(xù)向目標位置進給，兩觸針繼續(xù)與零件保持接觸粘性狀態(tài)，兩觸點處的法向力需滿足以下動力學條件：

${\mathrm{\λ}}_n^1=\frac{e_x{v}_{p}cos\mathrm{\β}(d_{1}sin\mathrm{\β}+d_{2}cos\mathrm{\β}-d_4)}{d_4}\>\frac{1}{\mathrm{\μ}}---\left(4\right)$

${\mathrm{\λ}}_n^2=\frac{e_x{v}_{p}cos\mathrm{\β}(d_{1}sin\mathrm{\β}+d_{2}cos\mathrm{\β})}{d_4}\>0---\left(5\right)$

⑥到達目標位置，零件角度狀態(tài)必須以0或者π作為最終狀態(tài)，機械手分支以足夠的速度反方向運動，脫離零件的慣性摩擦作用，推送過程完畢。

最后，還需要注意的是，以上列舉的僅是本發(fā)明的一個具體實施例。顯然，本發(fā)明不限于以上實施例，還可以有許多變形。本領域的普通技術人員能從本發(fā)明公開的內容直接導出或聯(lián)想到的所有變形，均應認為是本發(fā)明的保護范圍。