[發明專利]大尺寸三軸自動調姿工裝設計及操作方法

有效

• 申請號: 202110972993.9
• 申請日: 2021-08-24
• 公開（公告）號: CN113714829B
• 公開（公告）日: 2022-09-06
• 發明（設計）人: 李特;劉海波;劉行健;徐寶德;李昊杰;陳一同;劉闊;王永青;郭東明
• 申請（專利權）人: 大連理工大學
• 主分類號: B23Q3/06
• 分類號: B23Q3/06;B23Q1/46;B23Q15/26
• 代理公司: 大連理工大學專利中心 21200
• 代理人: 溫福雪

1.一種基于大尺寸三軸自動調姿工裝的調姿方法，其特征在于，所述的大尺寸三軸自動調姿工裝包括底座(Ⅰ)、A軸調整單元(Ⅱ)、B軸調整單元(Ⅲ)和C軸旋轉單元(Ⅳ)；

所述的底座(Ⅰ)用于大尺寸三軸自動調姿工裝與機床連接，實現工裝的固定；

所述的A軸調整單元(Ⅱ)包括A軸伺服電機(1)、A軸傳動機構(2)、A軸旋轉平臺(3)、支撐機構(4)和A軸鎖緊機構(5)；

所述的A軸伺服電機(1)臥式安裝；所述的A軸傳動機構(2)主要由蝸桿(201)、蝸輪(202)、滾動軸承(203)和驅動齒輪(204)組成，蝸桿(201)與A軸伺服電機(1)的輸出軸通過聯軸器連接，經過蝸輪(202)和蝸桿(201)傳動，實現運動變向；蝸輪(202)、滾動軸承(203)、驅動齒輪(204)同軸布置，實現運動傳遞；驅動齒輪(204)與A軸旋轉平臺(3)之間通過輪齒嚙合帶動A軸旋轉平臺(3)旋轉；支撐機構(4)主要由銷軸(401)和滾輪(402)組成，滾輪(402)用于支承A軸旋轉平臺(3)，實現A軸旋轉平臺(3)平穩轉動；所述的A軸鎖緊機構(5)由液壓桿(501)和液壓缸(502)組成，在A軸旋轉平臺(3)兩端各布置兩組，當A軸旋轉平臺(3)調整到指定位置，液壓桿(501)伸出以及電磁抱閘將A軸旋轉平臺(3)鎖緊，實現A軸旋轉平臺(3)鎖定；

所述的B軸調整單元(Ⅲ)包括B軸電機安裝板(6)、B軸伺服電機(7)、B軸傳動機構(8)、B軸鎖緊機構(9)和升降臺(10)；

所述的B軸伺服電機(7)臥式安裝于B軸電機安裝板(6)上，提供驅動力；所述的B軸傳動機構(8)主要由絲杠(801)和兩個楔形滑塊(802)組成，絲杠(801)兩端通過軸承固定在B軸電機安裝板(6)上，上方的楔形滑塊(802)與升降臺(10)通過銷軸連接，下方的楔形滑塊(802)隨絲杠(801)運動，兩楔形滑塊(802)配合實現升降臺(10)轉動；在升降臺(10)的一端設置兩組B軸鎖緊機構(9)，升降臺(10)調整到指定位置，通過B軸鎖緊機構(9)和電磁抱閘，實現升降臺(10)位置鎖定；

所述的C軸旋轉單元(Ⅳ)包括C軸伺服電機(11)、法蘭盤(12)、軸承(13)、C軸回轉平臺(14)和C軸鎖緊機構(15)；

所述的C軸伺服電機(11)立式安裝在C軸回轉平臺(14)上，提供驅動力；所述的法蘭盤(12)與電機軸連接，實現C軸回轉平臺(14)轉動；所述的C軸回轉平臺(14)位于底座(Ⅰ)上方、A軸旋轉平臺(3)下方，與底座(Ⅰ)通過軸承(13)相連；所述的C軸鎖緊機構(15)主要由T形螺釘(151)和凹槽(152)組成，在C軸回轉平臺(14)的四個角各一組，通過旋緊螺釘和電磁抱閘，實現C軸回轉平臺(14)的鎖緊；

所述調姿方法，基于雙目視覺測量信息以及伺服電機精密調控，實現自動識別、自動調整；該工裝自動進行姿態調整的具體步驟為：

第一步、檢測工件姿態

通過雙目視覺測量單元獲取工件姿態，需要預先在加工工件兩端分別設置兩個視覺標記點，雙目視覺測量單元移至工件的一端，移動至合適的位置，獲取目標點A的坐標信息，再水平移動至另一端，獲取同一端面另一個目標點B的坐標信息；然后移動至另一端面，以相同的方法獲取另外兩目標點C、D坐標信息；同時記錄機床坐標系下相機在四個測量點的位置信息；

第二步、工件姿態解算

進行自動調整，需要進行坐標系轉換，定義機床坐標系為(x₀，y₀，z₀)，工裝坐標系(x₁，y₁，z₁)，視覺坐標系(x₂，y₂，z₂)；

首先將視覺坐標系(x₂，y₂，z₂)轉換至機床坐標系(x₀，y₀，z₀)；設視覺坐標系的原點即雙目視覺測量單元的位置在機床坐標系下的坐標為(a_1i，b_1i，c_1i)，則視覺坐標系下四點的坐標為：

A(x_A，y_A，z_A)，B(x_B，y_B，z_B)，C(x_C，y_C，z_C)，D(x_D，y_D，z_D)

式中，^A0P為A點在機床坐標系中的坐標，^A2P為A點在視覺坐標系中的坐標，a_1i，b_1i，c_1i分別為相機坐標系原點在機床坐標系下的坐標；

分別對四點坐標進行計算，點A、點B和點C、點D分別按照公式(1)和公式(2)計算，轉換得到的新坐標：

A(x_A+a₁₁，y_A+b₁₁，z_A+c₁₁)，B(x_B+a₁₂，y_B+b₁₂，z_B+c₁₂)

C(a₁₃-x_C，y_C+b₁₃，z_C+c₁₃)，D(a₁₄-x_D，y_D+b₁₄，z_D+c₁₄)

式中，c₁₁、c₁₂相等，c₁₃、c₁₄相等，a₁₁、a₁₂相等，a₁₃、a₁₄相等；

機床坐標系(x₀，y₀，z₀)轉換至工裝坐標系(x₁，y₁，z₁)；工裝坐標系的原點在機床坐標系的坐標為(a₂，b₂，c₂)，采用同樣的方法，轉換得到的新坐標：

A(x_A+a₁₁-a₂，y_A+b₁₁-b₂，z_A+c₁₁-c₂)

B(x_B+a₁₁-a₂，y_B+b₁₂-b₂，z_B+c₁₁-c₂)

C(a₁₃-x_C-a₂，y_C+b₁₃-b₂，z_C+c₁₃-c₂)

D(a₁₄-x_D-a₂，y_D+b₁₄-b₂，z_D+c₁₃-c₂)

通過坐標轉換，即解算出各軸需要調整的角度，結果如下：

C軸：

B軸：

A軸：

式中，l為工件的長度，h_AC為A、C之間的高度差；

第三步、自動調整工裝執行過程

通過工控機實現雙目視覺測量單元和工裝通信，建立連接；先進行C軸誤差調整，調整到指定位置，通過C軸鎖緊機構(15)將其固定；其次進行B軸誤差調整，通過絲杠(801)與楔形滑塊(802)，將平臺調整至合適角度，通過B軸鎖緊機構(9)鎖定；最后調整A軸誤差，通過A軸傳動機構(2)，將A軸回轉至合適位置，液壓桿(501)伸出將平臺鎖定，工裝調整至合適位置。