一種可重構(gòu)視覺防錯(cuò)支架的設(shè)計(jì)與研究

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）

0 引言

發(fā)動(dòng)機(jī)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(dòng)機(jī)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(hào)的產(chǎn)品，為防止裝配錯(cuò)誤，工作人員需要對(duì)每種產(chǎn)品進(jìn)行打碼標(biāo)記以便區(qū)分。目前多數(shù)機(jī)械制造業(yè)都采用針式打刻技術(shù)[2]進(jìn)行打碼，針式打刻機(jī)在更換型號(hào)時(shí)有可能會(huì)出現(xiàn)打碼不夠精確的現(xiàn)象，若檢測(cè)不出來會(huì)使產(chǎn)品批量打碼錯(cuò)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(cuò)誤的產(chǎn)生，生產(chǎn)過程中的校驗(yàn)、測(cè)量和零部件識(shí)別技術(shù)受到越來越多的重視[3]。吉林大學(xué)對(duì)基于機(jī)器視覺的開關(guān)總成防錯(cuò)漏裝系統(tǒng)進(jìn)行了研發(fā)，該系統(tǒng)包括半自動(dòng)引導(dǎo)模塊及機(jī)器視覺檢測(cè)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(cuò)技術(shù)并設(shè)計(jì)基于光電傳感器的門內(nèi)板防錯(cuò)系統(tǒng)[5]。盡管視覺防錯(cuò)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(cuò)相機(jī)支架還研究較少。

設(shè)計(jì)適應(yīng)性強(qiáng)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(cuò)相機(jī)支架，其具有良好的應(yīng)用前景。

1 視覺防錯(cuò)支架結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1 視覺防錯(cuò)支架

相機(jī)調(diào)位組件安裝在支架主體上，用于夾持相機(jī)并調(diào)節(jié)相機(jī)位置。第一連桿與支架主體轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，第二連桿一端與第一連桿轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，另一端與第一滑塊轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，第一滑塊與支架主體移動(dòng)副連接，第三連桿一端與第一滑塊轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，另一端與第四連桿轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，第四連桿與第一底部支撐桿轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，第一底部支撐桿與支架主體轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，第五連桿一端與支架主體轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，另一端與第六連桿轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，第六連桿與第二滑塊轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，第二滑塊與支架主體移動(dòng)副連接，第七連桿一端與第二滑塊轉(zhuǎn)動(dòng)副連接了，另一端與第八連桿轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，第八連桿有第二底部支撐桿轉(zhuǎn)動(dòng)副連接，第二底部支撐桿與支架主體轉(zhuǎn)動(dòng)副連接。

該視覺防錯(cuò)支架可使視覺相機(jī)在空間中擁有六個(gè)自由度且調(diào)節(jié)范圍較大，相機(jī)調(diào)位組件的結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 相機(jī)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(jī)能夠在X軸方向移動(dòng)并能繞X軸轉(zhuǎn)動(dòng)；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(jī)能夠在Y軸方向移動(dòng)并能繞Y軸轉(zhuǎn)動(dòng)；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(jī)能夠在Z軸方向移動(dòng)并能繞Z軸轉(zhuǎn)動(dòng)。此外，相機(jī)與相機(jī)連接組件以球副連接，使相機(jī)具有極高的局部靈活度，相機(jī)連接組件如圖3所示。

圖3 相機(jī)連接組件結(jié)構(gòu)示意圖

2 支架重構(gòu)分析

該視覺防錯(cuò)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(shí)，各連桿處于自然收縮狀態(tài)，如圖1所示。此時(shí)，支架下部的可重構(gòu)的簡(jiǎn)圖如圖4所示。

圖4 折疊構(gòu)態(tài)下簡(jiǎn)圖

在折疊構(gòu)態(tài)下的機(jī)構(gòu)鄰接矩陣[6]為：

我年輕時(shí)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(píng)先”“評(píng)職”等“大是大非”問題上，“聰明人”四處打點(diǎn)張羅，忙得不亦樂乎。身邊好友也屢屢勸我要主動(dòng)出擊，切莫錯(cuò)失良機(jī)。

采用CGK公式對(duì)折疊構(gòu)態(tài)下的可重構(gòu)進(jìn)行自由度計(jì)算，CGK式[7]為：

其中：d為機(jī)構(gòu)階數(shù)；n為構(gòu)件數(shù)；fi為第i個(gè)運(yùn)動(dòng)副的自由度數(shù)；g為運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)，有部分構(gòu)件在YZ平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，但它們均被限制在一個(gè)平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，即XZ平面內(nèi)的構(gòu)件只能在XZ平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，YZ平面內(nèi)的構(gòu)件只能在YZ平面內(nèi)運(yùn)動(dòng)，該重構(gòu)支架之所以在兩個(gè)平面內(nèi)有構(gòu)件運(yùn)動(dòng)，僅僅是因?yàn)槠溥B接角度不同而已，因此，該可重構(gòu)支架的自由度計(jì)算方法可按照平面機(jī)構(gòu)的方法來計(jì)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(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)靈活，適應(yīng)性強(qiáng)，占用空間少，可適應(yīng)狹窄的空間。

當(dāng)支架需要增強(qiáng)剛度和穩(wěn)定性時(shí)，第一連桿和第五連桿同時(shí)向下轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)第二連桿和第六連桿運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而推動(dòng)第一滑塊和第二滑塊向下運(yùn)動(dòng)，第一滑塊和第二滑塊帶動(dòng)第三連桿和第七連桿運(yùn)動(dòng)，第三連桿和第七連桿帶動(dòng)第四連桿和第八連桿運(yùn)動(dòng)，接著推動(dòng)第一底部支撐桿和第二底部支撐桿運(yùn)動(dòng)，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(shí)，支架處于死點(diǎn)位置，鎖死并處于穩(wěn)定構(gòu)態(tài)，其簡(jiǎn)圖如圖5所示。

圖5 穩(wěn)定構(gòu)態(tài)下的支架簡(jiǎn)圖

穩(wěn)定構(gòu)態(tài)下簡(jiǎn)圖中的構(gòu)件1與構(gòu)件7合并，構(gòu)件6和機(jī)架13合并，構(gòu)件12和機(jī)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(shí)，第一支撐桿和第二底部支撐桿處于死點(diǎn)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(shí)，第一連桿和第五連桿處于死點(diǎn)位置，提高了支架在X軸方向上的剛度和穩(wěn)定性。

3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

該視覺防錯(cuò)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(duì)其底部可重構(gòu)和功能進(jìn)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(jī)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。

3.1 正向位置分析

相機(jī)調(diào)位組件是空間結(jié)構(gòu)，采用D-H參數(shù)法對(duì)其進(jìn)行運(yùn)動(dòng)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(jī)調(diào)位組件坐標(biāo)系

然后得到相機(jī)調(diào)位組件的D-H參數(shù)，見表1。

表1 相機(jī)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(diǎn)到ai與zi軸線的交點(diǎn)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(jī)構(gòu)正解計(jì)算公式為：

根據(jù)公式（5）可計(jì)算得到：

其中：

式中：s1=sinθ1，c1=conθ1，s2=sinθ2，c2=cosθ2，s3=sinθ3，s3=conθ3。

3.2 工作空間

上文得到了相機(jī)調(diào)位組件的正向位置方程，接下來對(duì)其進(jìn)行數(shù)值仿真分析，求出其工作空間。

根據(jù)工程實(shí)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(duì)其進(jìn)行仿真分析，得到其工作空間如圖7所示。

圖7 相機(jī)調(diào)位組件工作空間

以上是對(duì)防錯(cuò)支架的分析，該支架的實(shí)際三維模型如圖8所示。

圖8 防錯(cuò)支架三維模型

4 結(jié)語

（1）針對(duì)現(xiàn)有視覺防錯(cuò)相機(jī)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(cuò)相機(jī)支架，該相機(jī)支架可根據(jù)不同的工作需求靈活調(diào)整視覺相機(jī)方位和支架剛度。

（2）分析了該視覺防錯(cuò)支架各構(gòu)態(tài)下的鄰接矩陣并計(jì)算了其自由度。

（3）采用D-H參數(shù)法建立了相機(jī)調(diào)位組件的正向運(yùn)動(dòng)學(xué)方程并采用蒙特卡洛法對(duì)其工作空間進(jìn)行了仿真分析。