一種可重構視覺防錯支架的設計與研究

廖益豐，唐小鳳，陳桂平

（柳州鐵道職業技術學院，廣西 柳州545616）

0 引言

發動機是汽車的主要零部件，為了滿足多品種小批量的生產方式，越來越多的廠商將自己傳統的發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品，為防止裝配錯誤，工作人員需要對每種產品進行打碼標記以便區分。目前多數機械制造業都采用針式打刻技術[2]進行打碼，針式打刻機在更換型號時有可能會出現打碼不夠精確的現象，若檢測不出來會使產品批量打碼錯誤，造成巨大損失。為了較好地解決上述問題，盡可能規避各種缺陷和錯誤的產生，生產過程中的校驗、測量和零部件識別技術受到越來越多的重視[3]。吉林大學對基于機器視覺的開關總成防錯漏裝系統進行了研發，該系統包括半自動引導模塊及機器視覺檢測模塊[4]；上海交通大學研究了汽車門內板總成焊接防錯技術并設計基于光電傳感器的門內板防錯系統[5]。盡管視覺防錯系統的研究已有了一定的熱度，但能夠通過構件重組來改變自身剛度和穩定性的視覺防錯相機支架還研究較少。

設計適應性強且能通過構件重組的方式改變自身剛度和穩定性的視覺防錯相機支架，其具有良好的應用前景。

1 視覺防錯支架結構設計

圖1 視覺防錯支架

相機調位組件安裝在支架主體上，用于夾持相機并調節相機位置。第一連桿與支架主體轉動副連接，第二連桿一端與第一連桿轉動副連接，另一端與第一滑塊轉動副連接，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動副連接，另一端與第四連桿轉動副連接，第四連桿與第一底部支撐桿轉動副連接，第一底部支撐桿與支架主體轉動副連接，第五連桿一端與支架主體轉動副連接，另一端與第六連桿轉動副連接，第六連桿與第二滑塊轉動副連接，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動副連接了，另一端與第八連桿轉動副連接，第八連桿有第二底部支撐桿轉動副連接，第二底部支撐桿與支架主體轉動副連接。

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節范圍較大，相機調位組件的結構示意圖如圖2所示。

圖2 相機調位組件結構示意圖

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 相機連接組件結構示意圖

2 支架重構分析

該視覺防錯支架具有重構功能，擁有折疊構態和穩定構態，不僅可以適應狹窄的空間而且可以調節支架剛度和穩定性。

該支架處于折疊構態時，各連桿處于自然收縮狀態，如圖1所示。此時，支架下部的可重構的簡圖如圖4所示。

圖4 折疊構態下簡圖

在折疊構態下的機構鄰接矩陣[6]為：

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采用CGK公式對折疊構態下的可重構進行自由度計算，CGK式[7]為：

其中：d為機構階數；n為構件數；fi為第i個運動副的自由度數；g為運動副數；v為冗余約束數；ξ為局部自由度數。

該可重構支架盡管有部分構件在XZ平面內運動，有部分構件在YZ平面內運動，但它們均被限制在一個平面內運動，即XZ平面內的構件只能在XZ平面內運動，YZ平面內的構件只能在YZ平面內運動，該重構支架之所以在兩個平面內有構件運動，僅僅是因為其連接角度不同而已，因此，該可重構支架的自由度計算方法可按照平面機構的方法來計算，故，折疊構態下自由度為：

折疊構態下自由度為8，機構運動靈活，適應性強，占用空間少，可適應狹窄的空間。

當支架需要增強剛度和穩定性時，第一連桿和第五連桿同時向下轉動，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，鎖死并處于穩定構態，其簡圖如圖5所示。

圖5 穩定構態下的支架簡圖

穩定構態下簡圖中的構件1與構件7合并，構件6和機架13合并，構件12和機架13合并，因此穩定構態下的鄰接矩陣為：

在穩定構態下，可重構支架不僅具有多三角穩定結構，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定性；當支架受到垂直于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定性。

3 運動學分析

該視覺防錯支架底部具有可重構功能，能調節支架剛度和穩定性，上文已對其底部可重構和功能進行了分析。該支架除了可通過底部重構或調節剛度，還能保證相機調節組件有良好的靈活性和較大的調節范圍，適應多角度拍攝。

3.1 正向位置分析

相機調位組件是空間結構，采用D-H參數法對其進行運動學分析，首先建立各構件坐標系，如圖6所示。

圖6 相機調位組件坐標系

然后得到相機調位組件的D-H參數，見表1。

表1 相機調位組件的D-H參數

其中：ai為zi到zi+1之間的距離，αi為軸線間的轉角，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為關節的轉角。

本研究采用坐標系后置的方法，變換矩陣為：

其中cθi為cosθi，cαi為cosαi

機構正解計算公式為：

根據公式（5）可計算得到：

其中：

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

3.2 工作空間

上文得到了相機調位組件的正向位置方程，接下來對其進行數值仿真分析，求出其工作空間。

根據工程實際情況，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

4 結語

（1）針對現有視覺防錯相機支架，靈活性低和穩定性不可調等問題，提出了一種可重構視覺防錯相機支架，該相機支架可根據不同的工作需求靈活調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態下的鄰接矩陣并計算了其自由度。

（3）采用D-H參數法建立了相機調位組件的正向運動學方程并采用蒙特卡洛法對其工作空間進行了仿真分析。