廖益豐,唐小鳳,陳桂平
(柳州鐵道職業(yè)技術(shù)學(xué)院,廣西 柳州545616)
發(fā)動機是汽車的主要零部件,為了滿足多品種小批量的生產(chǎn)方式,越來越多的廠商將自己傳統(tǒng)的發(fā)動機裝配線改造為柔性裝配線[1]。柔性裝配線需要在同一條裝配線上裝配多種不同型號的產(chǎn)品,為防止裝配錯誤,工作人員需要對每種產(chǎn)品進行打碼標(biāo)記以便區(qū)分。目前多數(shù)機械制造業(yè)都采用針式打刻技術(shù)[2]進行打碼,針式打刻機在更換型號時有可能會出現(xiàn)打碼不夠精確的現(xiàn)象,若檢測不出來會使產(chǎn)品批量打碼錯誤,造成巨大損失。為了較好地解決上述問題,盡可能規(guī)避各種缺陷和錯誤的產(chǎn)生,生產(chǎn)過程中的校驗、測量和零部件識別技術(shù)受到越來越多的重視[3]。吉林大學(xué)對基于機器視覺的開關(guān)總成防錯漏裝系統(tǒng)進行了研發(fā),該系統(tǒng)包括半自動引導(dǎo)模塊及機器視覺檢測模塊[4];上海交通大學(xué)研究了汽車門內(nèi)板總成焊接防錯技術(shù)并設(shè)計基于光電傳感器的門內(nèi)板防錯系統(tǒng)[5]。盡管視覺防錯系統(tǒng)的研究已有了一定的熱度,但能夠通過構(gòu)件重組來改變自身剛度和穩(wěn)定性的視覺防錯相機支架還研究較少。
設(shè)計適應(yīng)性強且能通過構(gòu)件重組的方式改變自身剛度和穩(wěn)定性的視覺防錯相機支架,其具有良好的應(yīng)用前景。
圖1 視覺防錯支架
相機調(diào)位組件安裝在支架主體上,用于夾持相機并調(diào)節(jié)相機位置。第一連桿與支架主體轉(zhuǎn)動副連接,第二連桿一端與第一連桿轉(zhuǎn)動副連接,另一端與第一滑塊轉(zhuǎn)動副連接,第一滑塊與支架主體移動副連接,第三連桿一端與第一滑塊轉(zhuǎn)動副連接,另一端與第四連桿轉(zhuǎn)動副連接,第四連桿與第一底部支撐桿轉(zhuǎn)動副連接,第一底部支撐桿與支架主體轉(zhuǎn)動副連接,第五連桿一端與支架主體轉(zhuǎn)動副連接,另一端與第六連桿轉(zhuǎn)動副連接,第六連桿與第二滑塊轉(zhuǎn)動副連接,第二滑塊與支架主體移動副連接,第七連桿一端與第二滑塊轉(zhuǎn)動副連接了,另一端與第八連桿轉(zhuǎn)動副連接,第八連桿有第二底部支撐桿轉(zhuǎn)動副連接,第二底部支撐桿與支架主體轉(zhuǎn)動副連接。
該視覺防錯支架可使視覺相機在空間中擁有六個自由度且調(diào)節(jié)范圍較大,相機調(diào)位組件的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。
圖2 相機調(diào)位組件結(jié)構(gòu)示意圖
第三光桿與第四連接支座和第三連接支座以圓柱副相連,使相機能夠在X軸方向移動并能繞X軸轉(zhuǎn)動;第二光桿與第三連接支座和第二連接支座以圓柱副相連,使相機能夠在Y軸方向移動并能繞Y軸轉(zhuǎn)動;第一光桿與第二連接支座和第一連接支座以圓柱副相連,使相機能夠在Z軸方向移動并能繞Z軸轉(zhuǎn)動。此外,相機與相機連接組件以球副連接,使相機具有極高的局部靈活度,相機連接組件如圖3所示。
圖3 相機連接組件結(jié)構(gòu)示意圖
該視覺防錯支架具有重構(gòu)功能,擁有折疊構(gòu)態(tài)和穩(wěn)定構(gòu)態(tài),不僅可以適應(yīng)狹窄的空間而且可以調(diào)節(jié)支架剛度和穩(wěn)定性。
該支架處于折疊構(gòu)態(tài)時,各連桿處于自然收縮狀態(tài),如圖1所示。此時,支架下部的可重構(gòu)的簡圖如圖4所示。
圖4 折疊構(gòu)態(tài)下簡圖
在折疊構(gòu)態(tài)下的機構(gòu)鄰接矩陣[6]為:
我年輕時心高氣傲,看不慣單位里的丑惡現(xiàn)象,多次公開抨擊有關(guān)領(lǐng)導(dǎo)同事,自以為憑一身本事、一身正氣就能光明正大得到應(yīng)得的一切。在有關(guān)“評先”“評職”等“大是大非”問題上,“聰明人”四處打點張羅,忙得不亦樂乎。身邊好友也屢屢勸我要主動出擊,切莫錯失良機。
采用CGK公式對折疊構(gòu)態(tài)下的可重構(gòu)進行自由度計算,CGK式[7]為:
其中:d為機構(gòu)階數(shù);n為構(gòu)件數(shù);fi為第i個運動副的自由度數(shù);g為運動副數(shù);v為冗余約束數(shù);ξ為局部自由度數(shù)。
該可重構(gòu)支架盡管有部分構(gòu)件在XZ平面內(nèi)運動,有部分構(gòu)件在YZ平面內(nèi)運動,但它們均被限制在一個平面內(nèi)運動,即XZ平面內(nèi)的構(gòu)件只能在XZ平面內(nèi)運動,YZ平面內(nèi)的構(gòu)件只能在YZ平面內(nèi)運動,該重構(gòu)支架之所以在兩個平面內(nèi)有構(gòu)件運動,僅僅是因為其連接角度不同而已,因此,該可重構(gòu)支架的自由度計算方法可按照平面機構(gòu)的方法來計算,故,折疊構(gòu)態(tài)下自由度為:
折疊構(gòu)態(tài)下自由度為8,機構(gòu)運動靈活,適應(yīng)性強,占用空間少,可適應(yīng)狹窄的空間。
當(dāng)支架需要增強剛度和穩(wěn)定性時,第一連桿和第五連桿同時向下轉(zhuǎn)動,帶動第二連桿和第六連桿運動,進而推動第一滑塊和第二滑塊向下運動,第一滑塊和第二滑塊帶動第三連桿和第七連桿運動,第三連桿和第七連桿帶動第四連桿和第八連桿運動,接著推動第一底部支撐桿和第二底部支撐桿運動,最終使第一連桿和第五連桿合并,第一底部支撐桿和第二底部支撐桿與地面重合,此時,支架處于死點位置,鎖死并處于穩(wěn)定構(gòu)態(tài),其簡圖如圖5所示。
圖5 穩(wěn)定構(gòu)態(tài)下的支架簡圖
穩(wěn)定構(gòu)態(tài)下簡圖中的構(gòu)件1與構(gòu)件7合并,構(gòu)件6和機架13合并,構(gòu)件12和機架13合并,因此穩(wěn)定構(gòu)態(tài)下的鄰接矩陣為:
在穩(wěn)定構(gòu)態(tài)下,可重構(gòu)支架不僅具有多三角穩(wěn)定結(jié)構(gòu),而且第一底部支撐桿和第二底部支撐桿與地面重合,第一連桿和第五連桿重合。當(dāng)支架受到垂直于Y軸的力時,第一支撐桿和第二底部支撐桿處于死點位置,提高了支架在Y軸方向上的剛度和穩(wěn)定性;當(dāng)支架受到垂直于X軸的方向的力時,第一連桿和第五連桿處于死點位置,提高了支架在X軸方向上的剛度和穩(wěn)定性。
該視覺防錯支架底部具有可重構(gòu)功能,能調(diào)節(jié)支架剛度和穩(wěn)定性,上文已對其底部可重構(gòu)和功能進行了分析。該支架除了可通過底部重構(gòu)或調(diào)節(jié)剛度,還能保證相機調(diào)節(jié)組件有良好的靈活性和較大的調(diào)節(jié)范圍,適應(yīng)多角度拍攝。
相機調(diào)位組件是空間結(jié)構(gòu),采用D-H參數(shù)法對其進行運動學(xué)分析,首先建立各構(gòu)件坐標(biāo)系,如圖6所示。
圖6 相機調(diào)位組件坐標(biāo)系
然后得到相機調(diào)位組件的D-H參數(shù),見表1。
表1 相機調(diào)位組件的D-H參數(shù)
其中:ai為zi到zi+1之間的距離,αi為軸線間的轉(zhuǎn)角,di為ai-1與zi軸線的交點到ai與zi軸線的交點的有向距離,θi為關(guān)節(jié)的轉(zhuǎn)角。
本研究采用坐標(biāo)系后置的方法,變換矩陣為:
其中cθi為cosθi,cαi為cosαi
機構(gòu)正解計算公式為:
根據(jù)公式(5)可計算得到:
其中:
式中:s1=sinθ1,c1=conθ1,s2=sinθ2,c2=cosθ2,s3=sinθ3,s3=conθ3。
上文得到了相機調(diào)位組件的正向位置方程,接下來對其進行數(shù)值仿真分析,求出其工作空間。
根據(jù)工程實際情況,取a1=a2=100 mm,a3=200mm,d1=[0,800],d2=[0,600],d3=[0,300],θ1=,采用蒙特卡洛法[8]對其進行仿真分析,得到其工作空間如圖7所示。
圖7 相機調(diào)位組件工作空間
以上是對防錯支架的分析,該支架的實際三維模型如圖8所示。
圖8 防錯支架三維模型
(1)針對現(xiàn)有視覺防錯相機支架,靈活性低和穩(wěn)定性不可調(diào)等問題,提出了一種可重構(gòu)視覺防錯相機支架,該相機支架可根據(jù)不同的工作需求靈活調(diào)整視覺相機方位和支架剛度。
(2)分析了該視覺防錯支架各構(gòu)態(tài)下的鄰接矩陣并計算了其自由度。
(3)采用D-H參數(shù)法建立了相機調(diào)位組件的正向運動學(xué)方程并采用蒙特卡洛法對其工作空間進行了仿真分析。