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CN107571273B - 一种大口径光学元件精密洁净装配的自动化抓取装置与方法 - Google Patents

一种大口径光学元件精密洁净装配的自动化抓取装置与方法 Download PDF

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Abstract

一种大口径光学元件精密洁净装配的自动化抓取装置与方法，装置由可重构的末端执行器、操控机械臂、计算机控制单元、任务管理软件及工艺数据库系统、扫码识别器以及电气辅助支持系统等组成。其中末端执行器装置采用了真空吸附方式，包括法兰联接盘、中央主轴单元、支撑杆系、移动滑块单元、吸盘阵列单元、视频跟踪系统等。进行精密光学元件的抓取与装配操作时，扫码识别出零件号，自动检索出元件的适用工艺并按照指令流程调整末端执行器的构型，操控末端执行器实现对光学元件的精准抓取与稳定吸附，移动机械臂将元件放置到指定工位，完成装配操作后机械臂携带末端执行器归复原位。本发明可满足大口径光学元件精密洁净自动化装配的工程需求。

Description

一种大口径光学元件精密洁净装配的自动化抓取装置与方法
技术领域
本发明属于光学元件精密洁净装配技术领域，特别涉及一种大口径光学元件精密洁净装配的自动化抓取装置与方法。
背景技术
在各类大型复杂光学系统中，如高能固体激光系统、巨型望远镜或者空间观测装置等，常常包括了成百上千的各类大口径光学元件，这些光学元件的高效洁净精密装配是实现光学系统性能指标的必要条件。考虑到这些大型复杂光学系统极其苛刻的技术条件，通常要求在高等级洁净工作环境下对这些大口径光学元件进行精密超精密的装配，并保证元件表面极高的洁净度要求。
传统方式下，大口径光学元件在装配过程中常常通过人工操作进行抓取、搬运及装配操作，除了工作效率低、劳动强度大会影响装配精度一致性之外，元件表面的洁净度也难以保证，这对于复杂精密光学系统的性能指标实现有显著的负面影响。因此，发展大口径光学元件的精密洁净自动化装配技术，是当代复杂光机系统制造领域的一项重要命题。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种大口径光学元件精密洁净装配的自动化抓取装置与方法，以满足洁净工作环境下大口径光学元件精密洁净装配度、自动化操控的技术需求，并适应多种口径的光学元件快速高效抓取的目标。
为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
一种大口径光学元件精密洁净装配的自动化抓取装置，包括：
可重构的末端执行器，采用真空吸附方式；
操控机械臂，搭载所述末端执行器；
扫码识别器，读取光学元件规格；
工艺数据库系统；
电气辅助支持系统；
计算机控制单元，从工艺数据库系统进行数据检索，并操控所述末端执行器、操控机械臂、扫码识别器以及电气辅助支持系统。
所述末端执行器包括中央主轴单元，中央主轴单元顶部设置用于连接操控机械臂的法兰联接盘，由操控机械臂携带末端执行器完成对大口径光学元件的抓取、移动和装配操作。中央主轴单元通过支撑杆系连接组成吸盘阵列单元的若干能够独立运动的单元体，各单元体通过支撑杆系实现沿中央主轴单元的轴向运动。
所述中央主轴单元包括空心主轴，空心主轴上自上而下设置有上固定环、可移动环及下固定环，空心主轴中内置有一个单自由度伺服气缸系统，与可移动环固联装配，按照输入位移指令控制可移动环沿空心主轴的轴线方向上下移动；所述支撑杆系由三组杆件组成，每组杆件的始端分别联接于上固定环、可移动环和下固定环之上。
所述支撑杆系的每组杆件的联接方式均为单自由度转动铰链，能够绕着铰链中心销轴上下转动，两个杆件组成一对，末端联接于一个真空吸盘阵列单元的单元体上的定位架铰链销轴上。
所述真空吸盘阵列单元分成两个群组，每一个群组同步上下运动，当可移动环由单自由度伺服气缸系统带动上下移动时，这两个群组的单元体的运动不同步，实际工作的真空吸盘阵列能够吸附的光学元件口径也跟着变化，从而实现对末端执行器的重构。
所述的两个群组中，第一群组中每个单元体的真空吸盘数量为a，第二群组中每个单元体的真空吸盘数量为b，a≠b。
所述真空吸盘阵列单元中，每个单元体包括安装有单自由度转动铰链的定位架，在定位架下方安装有多个小型真空吸盘。
所述末端执行器还包括微型视频跟踪系统，所述微型视频跟踪系统包括四个微型视频采集单元，分别安装在末端执行器的四角上，对真空阵列单元四个角附近的空间进行实时图像采集，并传送给计算机控制单元进行状态分析。
本发明还提供了基于所述大口径光学元件精密洁净装配的自动化抓取装置的方法，当光学元件进入洁净装配环境中的指定装配站位后，首先使用扫码识别器辨识出光学元件的规格型号，并将有关型号信息发送给计算机控制单元；计算机控制单元根据光学元件的规格型号从工艺数据库系统中检索其对应的任务操作指令集并按照如下步骤执行任务指令：
步骤1：在计算机控制单元的指令下，末端执行器中的单自由度伺服气缸系统按照指令流程规定的位移量移动，从而带动真空吸盘阵列单元运动，实现末端执行器的重构，调整到对应的口径；
步骤2：操控机械臂根据任务指令调整姿态，携带末端执行器完成与光学元件对准和表面接触，同时，通过微型视频跟踪系统进行过程监控，保障任务的准确安全执行；
步骤3：带有真空泵的电气辅助支持系统开始工作，末端执行器中的真空吸盘阵列单元完成与光学元件的吸附任务；
步骤4：根据指定的装配路径，操控机械臂携带末端执行器进行运动，将元件放置到指定装配工位，通过视频光学系统进行过程监控，保障任务的准确安全执行；
步骤5：完成装配操作后，末端执行器卸载，并由操控机械臂携带末端执行器回复原位。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：本发明的自动化抓取操控装置能够显著降低工艺技术人员接触光学表面的概率，从而大幅改善大口径光学元件装配后的表面洁净度，提升光学系统的使用性能，对于激光光学系统而言，还可以提高元件的损伤阈值；同时，可配置的构型设计及自动化的操作方式，能够提高系统在实际工程环境下对于多种类型光学元件混合装配的适应能力，也能提高工作效率并改善光学系统的装配精度一致性。对于当代前沿的大型复杂化光学系统研制建设所亟需的大口径光学元件的精密洁净自动化装配技术发展，有重要促进意义。
附图说明
图1为本发明自动化装配装置的配置原理。
图2为本发明自动化装配装置的末端执行器最大吸附口径示意图。
图3为本发明自动化装配装置的末端执行器重构状态示意图。
图4为本发明自动化装配装置的末端执行器的中央主轴单元示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例详细说明本发明的实施方式。
如图1和2所示，本发明一种大口径光学元件精密洁净装配的自动化抓取装置，主要由可重构的末端执行器1、操控机械臂12、计算机控制单元13、工艺数据库系统14、扫码识别器15以及真空泵等装置的电气辅助支持系统16组成。
可重构的末端执行器1采用了真空吸附方式，包括法兰联接盘2、中央主轴单元3、吸盘阵列单元4、支撑杆系5、微型视频跟踪系统6等。
中央主轴单元3主要由空心主轴7、上固定环8、可移动环9及下固定环10装配而成，空心主轴7中内置有一个单自由度伺服气缸系统11，与可移动环9固联装配，可以按照输入位移指令沿着空心主轴7的轴线方向上下移动。
吸盘阵列单元4是末端执行器1实现真空吸附功能的关键部分，由多组可以独立运动的单元体构成，在每一个单元体中，有多个小型真空吸盘安装在定位架下，定位架上还安装有一个单自由度转动铰链。
支撑杆系5中有三组杆件，每组杆件的始端分别联接于上固定环8、可移动环9或者下固定环10之上，其联结方式均为单自由度转动铰链，能够绕着铰链中心销轴上下转动。两个杆件组成一对，末端联接于一个单元体上的定位架铰链销轴上。这些可以独立运动的单元体分成两个群组，每一个群组则能够同步上下运动。当可移动环9由单自由度伺服气缸系统11带动上下移动时，这两个群组的单元体的运动不会同步，实际工作的真空吸盘阵列能够吸附的光学元件口径也跟着在变化，从而实现对末端执行器1的重构。
微型视频跟踪系统6是一个附属系统，包括四个微型视频采集单元，分别安装在可重构的末端执行器1的四角上，能够对真空阵列单元四个角附近的空间进行实时图像采集，并传送给计算机控制单元13进行状态分析。
通过法兰联接盘2，可重构的末端执行器1可以与操作机械臂12固联，由操控机械臂12携带执行器1完成对大口径光学元件的抓取、移动和装配操作。
在本实施例中，吸盘阵列单元4有12个独立运动的单元体，单元体分为A、B两类型，分别安装有4个或者2个小型真空吸盘。
末端执行器1采用矩形构型，其中12个吸盘阵列单元体，在长边上，每边包括3个A类单元体，在短边上，每边包括3个B类单元体。
计算机控制单元13为一个能够输入\输出\存储的工控机系统，其磁盘存储系统中包括有视频监控软件并能够实时读取微型视频跟踪系统6中的4组图像数据；同时，工艺数据库系统14也安装在磁盘存贮系统中。
扫码识别器15为一个与计算机控制单元13联接的二维码识别器，能够扫码读取光学元件附带的二维码标记，并发送给计算机控制单元13。
计算机控制单元13与真空泵等装置的电气辅助支持系统16相联接，能够根据光学元件的口径大小和重量数据操控真空泵的真空度数据，适度调控末端执行器1真空吸附装置对于光学元件的实际吸附力。
上述可重构的末端执行器在大口径光学元件精密洁净装配过程中的操控技术方案，具体包括如下流程：
当光学元件进入洁净装配环境中的指定装配站位后，首先使用扫码识别器15辨识出光学元件的规格型号，并将有关型号信息发送给计算机控制单元13；
计算机控制单元13根据光学元件的规格型号从工艺数据库系统14中检索其对应的任务操作指令集并执行任务指令；
步骤1：在计算机控制单元13的指令下，末端执行器1中的单自由度伺服气缸系统11移动指令流程规定的位移量，从而带动真空吸盘单元体运动，实现末端执行器的重构，调整到对应的口径。
步骤2：操控机械臂12根据任务指令调整姿态，携带执行器1完成与光学元件对准和表面接触，同时，通过微型视频跟踪系统6进行过程监控，保障任务的准确安全执行。
步骤3：真空泵等电气辅助系统开始工作，末端执行器1中的真空阵列单元完成与光学元件的吸附任务。
步骤4：根据指定的装配路径，操控机械臂12携带末端执行器1进行运动，将元件放置到指定装配工位，通过视频光学系统进行过程监控，保障任务的准确安全执行。特别地，如果在装配工位上执行的是大口径光学元件的插入操作，此时必须通过频光学系统详细监控四角的间隙情况，防止出现碰撞、擦撞等情况发生。
步骤5：完成装配操作后，末端执行器1卸载，并由操控机械臂12携带末端执行器1回复原位。
完成装配操作后末端执行器1卸载，由操控机械臂12携带末端执行器1回复原位。

Claims (5)

1.一种大口径光学元件精密洁净装配的自动化抓取装置，包括：
可重构的末端执行器(1)，采用真空吸附方式，包括中央主轴单元(3)，中央主轴单元(3)顶部设置用于连接操控机械臂(12)的法兰联接盘(2)，中央主轴单元(3)通过支撑杆系(5)连接组成吸盘阵列单元(4)的若干能够独立运动的单元体，各单元体通过支撑杆系(5)实现沿中央主轴单元(3)的轴向运动；所述中央主轴单元(3)包括空心主轴(7)，空心主轴(7)上自上而下设置有上固定环(8)、可移动环(9)及下固定环(10)，空心主轴(7)中内置有一个单自由度伺服气缸系统(11)，与可移动环(9)固联装配，按照输入位移指令控制可移动环(9)沿空心主轴(7)的轴线方向上下移动；所述支撑杆系(5)由三组杆件组成，每组杆件的始端分别联接于上固定环(8)、可移动环(9)和下固定环(10)之上；所述支撑杆系(5)的每组杆件的联接方式均为单自由度转动铰链，能够绕着铰链中心销轴上下转动，两个杆件组成一对，末端联接于一个真空吸盘阵列单元(4)的单元体上的定位架铰链销轴上；
操控机械臂(12)，搭载所述末端执行器(1)；
扫码识别器(15)，读取光学元件规格；
工艺数据库系统(14)；
电气辅助支持系统(16)；
计算机控制单元(13)，从工艺数据库系统(14)进行数据检索，并操控所述末端执行器(1)、操控机械臂(12)、扫码识别器(15)以及电气辅助支持系统(16)；
其特征在于，所述真空吸盘阵列单元(4)分成两个群组，每一个群组同步上下运动，当可移动环(9)由单自由度伺服气缸系统(11)带动上下移动时，这两个群组的单元体的运动不同步，实际工作的真空吸盘阵列能够吸附的光学元件口径也跟着变化，从而实现对末端执行器(1)的重构。
2.根据权利要求1所述大口径光学元件精密洁净装配的自动化抓取装置，其特征在于，所述真空吸盘阵列单元(4)中，每个单元体包括安装有单自由度转动铰链的定位架，在定位架下方安装有多个小型真空吸盘。
3.根据权利要求2所述大口径光学元件精密洁净装配的自动化抓取装置，其特征在于，所述的两个群组中，第一群组中每个单元体的真空吸盘数量为a，第二群组中每个单元体的真空吸盘数量为b，a≠b。
4.根据权利要求1所述大口径光学元件精密洁净装配的自动化抓取装置，其特征在于，所述末端执行器(1)还包括微型视频跟踪系统(6)，所述微型视频跟踪系统(6)包括四个微型视频采集单元，分别安装在末端执行器(1)的四角上，对真空阵列单元四个角附近的空间进行实时图像采集，并传送给计算机控制单元(13)进行状态分析。
5.基于权利要求1所述大口径光学元件精密洁净装配的自动化抓取装置的方法，当光学元件进入洁净装配环境中的指定装配站位后，首先使用扫码识别器(15)辨识出光学元件的规格型号，并将有关型号信息发送给计算机控制单元(13)；计算机控制单元(13)根据光学元件的规格型号从工艺数据库系统(14)中检索其对应的任务操作指令集并按照如下步骤执行任务指令：
步骤1：在计算机控制单元(13)的指令下，末端执行器(1)中的单自由度伺服气缸系统(11)按照指令流程规定的位移量移动，从而带动真空吸盘阵列单元(4)运动，实现末端执行器(1)的重构，调整到对应的口径；
步骤2：操控机械臂(12)根据任务指令调整姿态，携带末端执行器(1)完成与光学元件对准和表面接触，同时，通过微型视频跟踪系统(6)进行过程监控，保障任务的准确安全执行；
步骤3：带有真空泵的电气辅助支持系统(16)开始工作，末端执行器(1)中的真空吸盘阵列单元(4)完成与光学元件的吸附任务；
步骤4：根据指定的装配路径，操控机械臂(12)携带末端执行器(1)进行运动，将元件放置到指定装配工位，通过视频光学系统进行过程监控，保障任务的准确安全执行；
步骤5：完成装配操作后，末端执行器(1)卸载，并由操控机械臂(12)携带末端执行器(1)回复原位。
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