CN100579716C - 球形铰接式三坐标柔性调姿单元 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种球形铰接式三坐标柔性调姿单元。具有底座、X向滚珠丝杠、纵横拖板、上拖板、支撑缸体、伸缩柱、夹紧套筒、球头夹紧装置、工艺球头、Z向光栅尺、Z向滚珠丝杠、蜗轮蜗杆减速器、Y向导轨滑块、Y向直线导轨、X向减速器、X向伺服电机、X向直线导轨、X向导轨滑块、Y向伺服电机、Y向减速器、Z向伺服电机、Y向滚珠丝杠。其中，通过伺服、滚珠丝杠驱动、光栅尺反馈进行闭环控制，实现X、Y、Z三个方向的精确定位，并设有风琴罩进行防护。本发明通过三个方向联动控制实现空间精确定位，Z向设有力传感器，保证工作安全、稳定、可靠，球头夹紧装置具有自动跟随特性，以调姿单元为基础模块可构成具有不同工作性能的调姿系统。

Description

球形铰接式三坐标柔性调姿单元

技术领域

本发明涉及一种球形铰接式三坐标柔性调姿单元。

背景技术

在军事、航空、航天、船舶等领域使用大量的曲面和不规则几何外形的大型部件。它们的装配过程一般是由零件先装配成比较简单的组合件和段件，再装配成比较复杂的段件和部件，最后将各部件对接成完整的产品。在进行各部件对接装配时，要求各部件具有正确的位姿，这就需要调整部件之间的相对位置和姿态。

部件的位姿调整是由一定的工装实现的。传统的大部件装配采用固定不变的刚性工装。刚性化工装是针对具体结构专门设计，需要考虑每一处细节，造成工装整体结构复杂，体积大，而且用途单一。工装自动化程度低，人工装配的工作量大，生产周期长、成本高。

为了克服传统刚性工装的缺点，具有可重构功能的柔性工装越来越受到人们的重视。就飞机装配来说，采用若干个(大于或等于3个)球形铰接式三坐标柔性调姿单元可以构成飞机部件姿态调整系统，从而大幅度提升飞机对接装配的效率和质量。

发明内容

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种球形铰接式三坐标柔性调姿单元。

球形铰接式三坐标柔性调姿单元包括底座、X向滚珠丝杠、X向风琴罩、纵横拖板、上拖板、支撑缸体、伸缩柱、夹紧套筒、球头夹紧装置、工艺球头、Z向光栅尺、Z向滚珠丝杠、蜗轮蜗杆减速器、Y向导轨滑块、Y向直线导轨、X向减速器、X向伺服电机、X向直线导轨、X向导轨滑块、Y向伺服电机、Y向减速器、Y向风琴罩、Z向伺服电机、Y向滚珠丝杠。其中，底座上表面两侧设有X向直线导轨，底座上两X向直线导轨之间设有X向滚珠丝杠，X向滚珠丝杠端部经X向减速器与X向伺服电机相连接，X向滚珠丝杠上的螺母和X向导轨滑块与纵横拖板相连接，纵横拖板上表面两侧设有Y向直线导轨，纵横拖板上两Y向直线导轨之间设有Y向滚珠丝杠，Y向滚珠丝杠端部经Y向减速器与Y向伺服电机相连接，Y向滚珠丝杠上的螺母和Y向导轨滑块与上拖板相连接，上拖板上固定有支撑缸体，支撑缸体外设有Z向光栅尺，支撑缸体内设有伸缩柱，伸缩柱与支撑缸体之间设有夹紧套筒，伸缩柱上端部设有球头夹紧装置，伸缩柱内设有Z向滚珠丝杠，Z向滚珠丝杠通过蜗轮蜗杆减速器与Z向伺服电机相连接，底座上设有X向风琴罩，纵横拖板上设有Y向风琴罩。

所述的纵横拖板的运动由X向伺服电机、X向减速器与X向高精度滚珠丝杠驱动，X向直线导轨导向光栅尺反馈实现闭环控制。上拖板的运动由Y向伺服电机、Y向减速器与Y向高精度滚珠丝杠驱动，Y向直线导轨导向光栅尺反馈实现闭环控制伸缩柱的运动通过Z向伺服电机、蜗轮蜗杆减速器和Z向滚珠丝杠驱动、光栅尺反馈进行闭环控制。底座、纵横拖板和支撑缸体上均设有限位开关和机械限位。Z向光栅尺采用偏置方式安装。X向伺服电机、Y向伺服电机、Z向伺服电机均带有抱闸制动装置。球头夹紧装置由一个滚柱带动两个顶杆和卡爪实现夹紧。球头夹紧装置在X、Y两个方向设有随动机构，球头夹紧装置上部为倒锥型腔，与工艺球头相接触，构成一个球铰连接。伸缩柱顶部设有力传感器。

本发明与现有技术相比具有的有益效果：

1)可以实现X、Y、Z三个方向的精确移动，三轴定位精度可以达到0.01mm，重复定位精度可以达到0.005mm，X、Y、Z轴两两不垂直度可以达到0.025mm/500mm；

2)X、Y方向采用带抱闸制动的交流伺服电机驱动，可以将球头夹紧装置锁定在X、Y方向的任意位置，保证对部件支撑的稳定性；

3)Z方向通过蜗轮蜗杆减速器实现自锁，支撑可靠；

4)夹紧套筒通过充入高压油产生弹性变形，从而抱紧伸缩柱，停止供油以后，弹性变形恢复而松开，提高支撑的稳定性；

5)Z向伸缩柱顶部设有力传感器，可以实现力和位置的混合控制，提高系统工作的安全性；

6)X、Y、Z三个方向分别设计了限位开关和机械限位，在结构上提高了系统工作的安全性；

7)滚珠丝杠设计了防护罩，保证其传动精度和寿命尽量不受环境影响；

8)X、Y、Z三个方向可以实现同步联动控制；

9)球头夹紧机构由一个滚柱带动两个顶杆和卡爪进行夹紧，使得机构具有一定的浮动夹紧特性，可以避免夹持时产生接触应力，球头夹紧装置的圆锥腔使工艺球头在其内部有自动定心的作用；

10)球头夹紧机构与工艺球头形成球铰连接，使工艺球头可在球头夹紧装置里自由转动；

11)夹紧机构具有一定的浮动夹紧特性，夹紧和松开时不破坏当前姿态；

12)球头夹紧装置在X、Y两个方向设有随动机构，具有自动跟随入位特性；

13)Z向光栅尺采用偏置方式安装，便于维护；

14)通过结构优化提高了结构的刚度；

15)通过一定配置的三个或四个球铰式三坐标柔性调姿单元可构成具有不同工作性能的调姿系统，具有快速重构的特性。

附图说明

图1(a)是球形铰接式三坐标柔性调姿单元结构主视图；

图1(b)是球形铰接式三坐标柔性调姿单元结构侧视图；

图中：底座1、X向滚珠丝杠2、X向风琴罩3、纵横拖板4、上拖板5、支撑缸体6、伸缩柱7、夹紧套筒8、球头夹紧装置9、工艺球头10、Z向光栅尺11、Z向滚珠丝杠12、蜗轮蜗杆减速器13、Y向导轨滑块14、Y向直线导轨15、X向减速器16、X向伺服电机17、X向直线导轨18、X向导轨滑块19、Y向伺服电机20、Y向减速器21、Y向风琴罩22、Z向伺服电机23、Y向滚珠丝杠24

具体实施方式

本发明可以实现三个相互垂直方向的运动，定位精度高，运行平稳，能够进行力和位置混合控制，保证工作安全、稳定、可靠。作为基础核心模块，通过合理配置可以构成满足不同工作性能要求的柔性调姿工装系统。针对不同结构形式与尺寸的大部件，通过一定的快速重组，能够满足不同型号部件共平台装配的要求，具有充分的柔性。

如附图所示，形铰接式三坐标柔性调姿单元包括底座1、X向滚珠丝杠2、X向风琴罩3、纵横拖板4、上拖板5、支撑缸体6、伸缩柱7、夹紧套筒8、球头夹紧装置9、工艺球头10、Z向光栅尺11、Z向滚珠丝杠12、蜗轮蜗杆减速器13、Y向导轨滑块14、Y向直线导轨15、X向减速器16、X向伺服电机17、X向直线导轨18、X向导轨滑块19、Y向伺服电机20、Y向减速器21、Y向风琴罩22、Z向伺服电机23、Y向滚珠丝杠24。其中，底座1上表面两侧设有X向直线导轨18，底座1上两X向直线导轨18之间设有X向滚珠丝杠2，X向滚珠丝杠2端部经X向减速器16与X向伺服电机17相连接，X向滚珠丝杠2上的螺母和X向导轨滑块19与纵横拖板4相连接，纵横拖板4上表面两侧设有Y向直线导轨15，纵横拖板4上两Y向直线导轨15之间设有Y向滚珠丝杠24，Y向滚珠丝杠24端部经Y向减速器21与Y向伺服电机20相连接，Y向滚珠丝杠24上的螺母和Y向导轨滑块14与上拖板5相连接，上拖板5上固定有支撑缸体6，支撑缸体6外设有Z向光栅尺11，支撑缸体6内设有伸缩柱7，伸缩柱7与支撑缸体6之间设有夹紧套筒8，伸缩柱7上端部设有球头夹紧装置9，伸缩柱7内设有Z向滚珠丝杠12，Z向滚珠丝杠12通过蜗轮蜗杆减速器13与Z向伺服电机23相连接，底座1上设有X向风琴罩3，纵横拖板4上设有Y向风琴罩22。

所述的纵横拖板4的运动由X向伺服电机17、X向减速器16与X向高精度滚珠丝杠2驱动，光栅尺反馈实现闭环控制。上拖板5的运动由Y向伺服电机20、Y向减速器21与Y向高精度滚珠丝杠24驱动，光栅尺反馈实现闭环控制伸缩柱7的运动通过Z向伺服电机23、蜗轮蜗杆减速器13和Z向滚珠丝杠驱动12、光栅尺反馈进行闭环控制。底座1、纵横拖板4和支撑缸体6上均设有限位开关和机械限位。Z向光栅尺11采用偏置方式安装。X向伺服电机17、Y向伺服电机20、Z向伺服电机23均带有抱闸制动装置。球头夹紧装置9由一个滚柱带动两个顶杆和卡爪实现夹紧。球头夹紧装置9在X、Y两个方向设有随动机构，球头夹紧装置9上部为倒锥型腔，与工艺球头10相接触，构成一个球铰连接。伸缩柱7顶部设有力传感器。

实施过程中根据大部件的结构形式与尺寸特点，确定采用球铰式三坐标柔性调姿单元三点或四点式支撑，通过一定配置构成调姿系统。

对部件进行调姿时，首先将球铰式三坐标柔性调姿单元位置调整到与装配在部件上的工艺球头理论安装位置相符。当装配部件吊装到位后，如果工艺球头的安装存在误差，可以通过球头夹紧装置自动跟随入位的特性产生一定随动位移，由传感器测得位移大小，并通过调姿单元相应方向的运动对跟随位移进行补偿。部件入位后，根据设计的路径规划算法，由控制系统驱动球铰式三坐标柔性调姿单元的协调运动实现大部件调姿。调姿过程中采用激光跟踪仪进行测量，并以此测量值计算大部件的姿态。装配部件调整到理想位置时，夹紧套筒内充入高压油，抱紧调姿单元的伸缩柱，保持部件姿态不发生变化，增加支撑的稳定性。

使用本发明实施例的步骤如下：

1)根据调姿部件确定球铰式三坐标柔性调姿单元的布局，构成调姿系统；

2)调姿部件吊装入位；

3)补偿入位过程中产生的跟随位移，并锁紧跟随机构；

4)控制系统进行部件姿态调整；

5)夹紧套筒抱紧，保持部件姿态；

6)完成后续对合或加工工序。

Claims (6)

1.一种球形铰接式三坐标柔性调姿单元，其特征在于包括底座(1)、X向滚珠丝杠(2)、X向风琴罩(3)、纵横拖板(4)、上拖板(5)、支撑缸体(6)、伸缩柱(7)、夹紧套筒(8)、球头夹紧装置(9)、工艺球头(10)、Z向光栅尺(11)、Z向滚珠丝杠(12)、蜗轮蜗杆减速器(13)、Y向导轨滑块(14)、Y向直线导轨(15)、X向减速器(16)、X向伺服电机(17)、X向直线导轨(18)、X向导轨滑块(19)、Y向伺服电机(20)、Y向减速器(21)、Y向风琴罩(22)、Z向伺服电机(23)、Y向滚珠丝杠(24)；其中，底座(1)上表面两侧设有X向直线导轨(18)，底座(1)上两X向直线导轨(18)之间设有X向滚珠丝杠(2)，X向滚珠丝杠(2)端部经X向减速器(16)与X向伺服电机(17)相连接，X向滚珠丝杠(2)上的螺母和X向导轨滑块(19)与纵横拖板(4)相连接，纵横拖板(4)上表面两侧设有Y向直线导轨(15)，纵横拖板(4)上两Y向直线导轨(15)之间设有Y向滚珠丝杠(24)，Y向滚珠丝杠(24)端部经Y向减速器(21)与Y向伺服电机(20)相连接，Y向滚珠丝杠(24)上的螺母和Y向导轨滑块(14)与上拖板(5)相连接，上拖板(5)上固定有支撑缸体(6)，支撑缸体(6)外设有Z向光栅尺(11)，支撑缸体(6)内设有伸缩柱(7)，伸缩柱(7)与支撑缸体(6)之间设有夹紧套筒(8)，伸缩柱(7)上端部设有球头夹紧装置(9)，伸缩柱(7)内设有Z向滚珠丝杠(12)，Z向滚珠丝杠(12)通过蜗轮蜗杆减速器(13)与Z向伺服电机(23)相连接，底座(1)上设有X向风琴罩(3)，纵横拖板(4)上设有Y向风琴罩(22)；所述的球头夹紧装置(9)在X、Y两个方向设有随动机构，球头夹紧装置(9)上部为倒锥型腔，与工艺球头(10)相接触，构成一个球铰连接。

2.根据权利要求1所述的一种球形铰接式三坐标柔性调姿单元，其特征在于所述的底座(1)、纵横拖板(4)和支撑缸体(6)上均设有限位开关和机械限位。

3.根据权利要求1所述的一种球形铰接式三坐标柔性调姿单元，其特征在于所述的Z向光栅尺(11)采用偏置方式安装。

4.根据权利要求1所述的一种球形铰接式三坐标柔性调姿单元，其特征在于所述的X向伺服电机(17)、Y向伺服电机(20)、Z向伺服电机(23)均带有抱闸制动装置。

5.根据权利要求1所述的一种球形铰接式三坐标柔性调姿单元，其特征在于所述的球头夹紧装置(9)由一个滚柱带动两个顶杆和卡爪实现夹紧。

6.根据权利要求1所述的一种球形铰接式三坐标柔性调姿单元，其特征在于所述的伸缩柱(7)顶部设有力传感器。