CN102700726B - 一种三坐标的双支臂定位器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三坐标的双支臂定位器，定位器在X轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴移动机构整体工作时，实现对不同产品在三维空间内任意位置的精确定位。定位器采用双支臂的结构形式，既能实现在狭小空间的精确定位，又可同时定位两个不同类型的关键点；定位器的X方向和Z方向上的轴向移动机构分别设置有绝对式光栅尺，通过其读数反馈实现全闭环控制；定位器末端的定位件上安装有位移传感器和力学传感器，可监测零部件的定位点相对于定位件的空间位置和受力情况，将装配时产生的误差反馈到控制系统，进行误差补偿，实现对飞机零部件的有效支撑和定位，提高了装配的精度。

Description

一种三坐标的双支臂定位器

技术领域

本发明属于机械设计与工装设备领域，涉及一种用于飞机装配时精确定位的机械装置，具体地说，涉及一种三坐标的双支臂定位器。

背景技术

目前，飞机装配定位器以装配型架为主，其由底座、刚性支架、外形卡板和专用辅助夹具组成。这种传统定位器采用刚性结构，可重构性差，装配模式采用一个装配型架对应一个机型的零部件，即一对一模式，装配型架存在功能单一、无法二次调校、不能进行实时误差补偿的不足。

专利CN101817405A中公开了一种重载三坐标定位器，该定位器采用三坐标POGO柱的结构形式，可实现整体机身的有效支撑和固定，定位器沿X方向、Y方向、Z方向的三个方向精确运动和定位，并与固连在整体机身加强框上的工艺接头构成球铰副，4个定位器构成一个并联机构，基于四点调姿原理实现机身的位置和姿态调整；但每次只能定位一个关键点，无法同时实现几个独立关键点的定位。

现有公开的文献，“一种精密三坐标POGO柱设计与精度研究”(《浙江大学学报》2009年9月第43卷第9期第1649-1654页.)阐述了飞机数字化装配中大部件调姿问题，提出了一种由三个平动自由度的分支机构构成并联机构的调姿方法，该三坐标POGO柱单元可在3个相互垂直方向上运动,定位精度高、运行平稳,能够进行力和位置混合控制,安全、稳定、可靠，作为柔性装配系统的基础设备,通过配置构成飞机部件姿态调整与对合的自动化装配系统；通过改变单元配置和参数设置,还能够适应不同机型、不同形状尺寸的飞机大部件调姿对合,便于实现多机型共平台装配,具有柔性可调；但这种立柱只能定位飞机部件正下方的关键点，无法实现侧边定位。

发明内容

为了避免现有技术存在的不足，克服其定位器柔性较弱、可重构性差、无法进行误差补偿的问题，本发明提出一种精确定位的、三坐标的双支臂定位器；其目的是实现X、Y、Z三个方向的运动和精确定位；采用双支臂的结构形式，既能实现狭小空间的精确定位，又可同时定位不同类型的关键点；且在定位器末端的定位件上安装位移传感器和力学传感器，可监测零部件的定位点相对于定位件的空间位置和受力状态，将装配时产生的误差反馈到控制系统，进行误差补偿，实现飞机零部件的有效支撑和定位。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是:包括X轴移动机构、Z轴移动机构、Y轴移动机构、支撑立柱，X轴移动机构通过底座连接板固定安装在基座上,支撑立柱位于X轴移动机构的上部；Z轴移动机构分为第一Z轴移动机构和第二Z轴移动机构，第一Z轴移动机构和第二Z轴移动机构分别安装在支撑立柱的两侧；Y轴移动机构由第一Y轴移动机构和第二Y轴移动机构组成，第一Y轴移动机构和第一Z轴移动机构固连，第二Y轴移动机构和第二Z轴移动机构固连。

所述X轴移动机构包括X轴底座连接板、X轴伺服电机、X轴联轴器、X轴连接法兰、X轴电机端轴承座、X轴丝杠、X轴丝杠螺母、X轴螺母安装座、X轴浮动端轴承座、X轴运动托板、X轴导轨、X轴滑块、X轴气动夹紧元件、X轴光栅尺连接板,X轴底座连接板上两侧固定安装X轴导轨，两根X轴导轨上设有四个滑动连接的X轴滑块，靠近X轴伺服电机方向的两个X轴滑块与两个X轴气动夹紧元件连接；X轴丝杠位于X轴底座连接板上两根X轴导轨之间,X轴丝杠上设有X轴螺母安装座和X轴丝杠螺母固连,X轴光栅尺连接板呈L形固定在X轴螺母安装座上，X轴丝杠的一端与X轴浮动端轴承座连接,另一端与X轴电机端轴承座连接；X轴联轴器的两端分别与X轴伺服电机输出轴、X轴丝杠输入轴端相连接；X轴连接法兰一端与X轴电机端轴承座固连，另一端与X轴伺服电机固定连接；X轴运动托板与X轴导轨上的X轴滑块、X轴丝杠上的X轴螺母安装座固定连接。

工作时，X轴伺服电机主轴旋转，X轴伺服电机输出轴带动X轴丝杠旋转，X轴丝杠螺母和X轴螺母安装座沿X轴丝杠轴线方向运动，从而带动支撑立柱在水平面上作横向运动。

所述第一Z轴移动机构和所述第二Z轴移动机构为两个结构相同的独立移动机构，包括伺服电机、电机联轴器、法兰、第一Z轴运动托板、第二Z轴运动托板、滑块、导轨、气动夹紧元件、电机端轴承座、丝杠、丝杠螺母、螺母座、浮动端轴承座、光栅尺连接板，四根导轨分别固定安装在支撑立柱的四边，导轨上设有滑动连接的滑块与气动夹紧元件固连；两丝杠分别位于支撑立柱两侧的导轨之间，丝杠上设有螺母座和丝杠螺母固连,光栅尺连接板呈L形固定在螺母座上，丝杠的一端与浮动端轴承座连接,丝杠的另一端与电机端轴承座连接；电机联轴器的两端分别与伺服电机输出轴、丝杠输入轴端相连接；法兰一端与电机端轴承座固连，另一端与伺服电机固定连接；第一Z轴运动托板、第二Z轴运动托板分别与支撑立柱两侧导轨上的滑块、丝杠上的螺母座固连；

工作时，伺服电机主轴旋转，带动丝杠旋转，丝杠螺母和螺母座沿丝杠轴线方向运动，从而带动Z轴移动机构在竖直平面上作上下方向运动。

所述第一Y轴移动机构包括第一Y轴伺服电机、第一Y轴法兰、第一Y轴运动集成模块、第一Y轴夹紧块、第一Y轴模块连接板、第一Y轴转接板、Z字形支臂、第一Y轴支座、接头定位件、第一Y轴销轴、第一Y轴手柄插销,第一Y轴运动集成模块一端与第一Y轴法兰一端固连，第一Y轴法兰另一端与第一Y轴伺服电机固定连接；第一Y轴运动集成模块通过第一Y轴夹紧块与第一Z轴运动托板固连；第一Y轴运动集成模块另一侧安装有第一Y轴模块连接板通过第一Y轴转接板与Z字形支臂一端固连，Z字形支臂的另一端设有第一Y轴支座，接头定位件通过第一Y轴销轴和第一Y轴手柄插销固定连接，Z字形支臂转角处设有三角形加强筋；

工作时，第一Y轴伺服电机驱动第一Y轴运动集成模块作直线运动，带动Z字形支臂在纵向作直线运动，从而带动接头定位件在水平面内沿纵向移动进行定位。

所述第二Y轴移动机构包括第二Y轴伺服电机、第二Y轴法兰、第二Y轴运动集成模块、第二Y轴模块连接板、第二Y轴转接板、直支臂、第二Y轴夹紧块、第二Y轴支座、外形定位件、第二Y轴销轴、第二Y轴手柄插销，第二Y轴运动集成模块一端与第二Y轴法兰一端固连，第二Y轴法兰另一端与第二Y轴伺服电机固定连接；第二Y轴运动集成模块通过第二Y轴夹紧块固定在第二Z轴运动托板上；第二Y轴运动集成模块另一侧安装有第二Y轴模块连接板与第二Y轴转接板固连；直支臂的一端安装在第二Y轴转接板上，直支臂的另一端部设有第二Y轴支座，外形定位件通过第二Y轴销轴与第二Y轴手柄插销固定连接。

工作时，第二Y轴伺服电机带动第二Y轴运动集成模块作直线运动，固定安装在第二Y轴转接板上的直支臂运动方向与第二Y轴运动集成模块运动方向一致，从而带动外形定位件在水平面内沿纵向移动进行定位。

所述支撑立柱横截面呈工字形结构，支撑立柱两侧面的一边分别设置有导轨定位凸台，支撑立柱底部通过运动托板与X轴移动机构固连。

所述直支臂与第二Y轴转接板固定安装，其间隙填充环氧胶泥。

X、Y、Z三轴移动机构整体工作时，即可满足不同产品在三维空间内任意位置的精确定位。

支撑立柱和底座连接板采用加筋铸件；X轴移动机构、Z轴移动机构上设置有光栅尺，光栅尺上的刻度条贴在底座连接板上，或支撑立柱上，通过伺服电机驱动丝杠转动，带动螺母座作直线运动，从而光栅尺的标头在其刻度条上指示不同的数字，显示其位置的运动坐标。伺服电机通过光栅尺的读数来实现位移的控制，从而实现系统的全闭环反馈。所述X轴移动机构和Z轴移动机构设有气动夹紧元件和机械限位装置，伺服电机带有抱闸制动功能，提高定位器运动的安全性。

有益效果

本发明三坐标的双支臂定位器，采用双支臂的结构形式，实现在狭小空间内对飞机部件X方向、Z方向、Y方向的精确定位；且可同时定位两个不同类型的关键点；定位器X方向和Z方向上的运动机构设置有绝对式光栅尺，通过其读数反馈实现全闭环控制；定位器末端的定位件上安装位移传感器和力学传感器，可监测零部件的定位点相对于定位件的空间位置和受力状态，将装配时产生的误差反馈到控制系统，进行误差补偿，提高了对飞机零部件装配的准确性。

附图说明

下面结合附图和实施方式对本发明一种三坐标的双支臂定位器作进一步详细说明。

图1为本发明三坐标的双支臂定位器三维视图。

图2为本发明的X轴移动机构示意图。

图3为本发明的X轴移动系统丝杠连接部分示意图。

图4(a)为本发明的立柱的示意图。

图4(b)为本发明的立柱的俯视图。

图5为本发明的Z轴移动机构示意图。

图6为本发明的第一Y轴移动机构示意图。

图7为本发明的第二Y轴移动机构示意图。

图8为本发明的第二Y轴移动机构的A向的局部示意图。

图中:

1.X轴移动机构  2.支撑立柱  3.第一Z轴移动机构  4.第二Z轴移动机构5.第一Y轴移动机构  6.第二Y轴移动机构  7.X轴伺服电机  8.X轴连接法兰9.X轴底座连接板  10.X轴气动夹紧元件  11.X轴滑块  12.X轴导轨13.X轴运动托板  14.X轴浮动端轴承座  15.X轴丝杠  16.X轴光栅尺连接板17.X轴电机端轴承座  18.X轴联轴器  19.X轴丝杠螺母  20.X轴螺母安装座21.导轨定位凸台  22.伺服电机  23.联轴器  24.法兰  25.第一Z轴运动托板26.丝杠螺母  27.螺母座  28.丝杠  29.浮动端轴承座  30.导轨  31.光栅尺连接板32.滑块  33.气动夹紧元件  34.电机端轴承座  35.第一Y轴伺服电机36.第一Y轴法兰  37.第一Y轴运动集成模块  38.第一Y轴模块连接板39.第一Y轴转接板  40.Z字形支臂  41.第一Y轴销轴  42.第一Y轴手柄插销43.接头定位件  44.第一Y轴支座  45.第一Y轴夹紧块  46.第二Y轴伺服电机47.第二Y轴法兰  48.第二Y轴运动集成模块  49.第二Y轴模块连接板50.第二Y轴转接板  51.环氧胶泥  52.直支臂  53.第二Y轴支座54.第二Y轴夹紧块  55.第二Z轴运动托板  56.外形定位件57.第二Y轴手柄插销  58.第二Y轴销轴

具体实施方式

本实施例是一种三坐标的双支臂定位器。包括X轴移动机构、Z轴移动机构、Y轴移动机构、支撑立柱，X轴移动机构1通过底座连接板固定安装在基座上,支撑立柱2位于X轴移动机构1的上部；Z轴移动机构分为第一Z轴移动机构3和第二Z轴移动机构4，第一Z轴移动机构3和第二Z轴移动机构4分别安装在支撑立柱2的两侧；Y轴移动机构由第一Y轴移动机构5和第二Y轴移动机构6组成，第一Y轴移动机构5与第一Z轴移动机构3固连，第二Y轴移动机构6与第二Z轴移动机构4固连；实现三维空间的精确定位。

参阅图1、图2、图3，X轴移动机构包括X轴底座连接板9、X轴伺服电机7、X轴联轴器18、X轴连接法兰8、X轴电机端轴承座17、X轴丝杠15、X轴丝杠螺母19、X轴螺母安装座20、X轴浮动端轴承座14、X轴运动托板13、X轴导轨12、X轴滑块11、X轴气动夹紧元件10、X轴光栅尺连接板16,X轴底座连接板9上两侧安装有X轴导轨12，X轴导轨12两端固定有机械限位开关；两X轴导轨12上分别固定有X轴滑块11，X轴滑块11与X轴气动夹紧元件10连接；X轴丝杠15位于X轴底座连接板9上两X轴导轨12之间,X轴丝杠15上有X轴螺母安装座20和X轴丝杠螺母19固连,X轴光栅尺连接板16呈L形位于X轴螺母安装座20一侧，X轴丝杠15的一端与X轴浮动端轴承座14连接,另一端与X轴电机端轴承座17连接；X轴联轴器18的两端分别与X轴伺服电机7输出轴、X轴丝杠15输入端相连接；X轴连接法兰8一端与X轴电机端轴承座17固连，另一端与X轴伺服电机7固定连接；X轴运动托板13与X轴导轨12上的X轴滑块11、X轴螺母安装座20固定连接。

工作时，X轴伺服电机7主轴旋转，X轴伺服电机7输出轴带动X轴丝杠15旋转，X轴丝杠螺母19和X轴螺母安装座20沿X轴丝杠15轴线方向运动，从而带动支撑立柱2在水平面上作横向运动。

如图4(a)、图4(b)所示，支撑立柱2的横截面呈工字形结构，支撑立柱2上的凹槽内开有减轻孔，支撑立柱2两侧面的一边分别设置有导轨定位凸台21，高度约为0.3mm；支撑立柱2的底部焊接有底板，底板上均布有螺纹孔和销孔，通过螺钉将整个立柱2固定在X轴运动托板13上。

如图5所示，第一Z轴移动机构3和第二Z轴移动机构4为两个结构相同的独立移动机构，第一Z轴移动机构3和第二Z轴移动机构4分别固定安装在支撑立柱2两侧面；第一Z轴移动机构3和第二Z轴移动机构4包括伺服电机22、电机联轴器23、法兰24、第一Z轴运动托板25、滑块32、导轨30、气动夹紧元件33、电机端轴承座34、丝杠28、丝杠螺母26、螺母座27、浮动端轴承座29、光栅尺连接板31，导轨30通过螺钉分别固定安装在支撑立柱2的四边，一侧边与导轨定位凸台21贴合，导轨30上分别固定有滑块32与气动夹紧元件33连接；丝杠28分别位于支撑立柱2两侧的导轨30之间，丝杠28上设置有螺母座27和丝杠螺母26固定连接,丝杠28的一端与浮动端轴承座29连接,丝杠28的另一端与电机端轴承座34连接；电机联轴器23的两端分别与伺服电机22输出轴、丝杠28输入轴相连接；法兰24一端与电机端轴承座34固连，另一端与伺服电机22固定连接；第一Z轴运动托板25、第二Z轴运动托板55分别与支撑立柱两侧导轨上的滑块、丝杠上的螺母座固连；支撑立柱2的内侧上贴有光栅尺，光栅尺连接板31呈L形位于螺母座27一侧，在光栅尺连接板31上用两个螺钉固定光栅尺读数头；机械限位开关通过螺钉固定在支撑立柱2的导轨30两端。

工作时，伺服电机22主轴旋转，带动丝杠28旋转，丝杠螺母26和螺母座27沿丝杠28轴线方向运动，从而带动第一Y轴移动机构5和第二Y轴移动机构6在竖直平面上作上下方向运动。

参见图6、图7、图8，Y轴移动机构由第一Y轴移动机构5和第二Y轴移动机构6组成，第一Y轴移动机构5和第二Y轴移动机构6通过Z轴移动机构的运动托板分别与第一Z轴移动机构3和第二Z轴移动机构4固定连接。第一Y轴移动机构包括第一Y轴伺服电机35、第一Y轴法兰36、第一Y轴运动集成模块37、第一Y轴夹紧块45、第一Y轴模块连接板38、第一Y轴转接板39、Z字形支臂40、第一Y轴支座44、接头定位件43、第一Y轴销轴41、第一Y轴手柄插销42,第一Y轴法兰36一端与第一Y轴运动集成模块37一端固连，第一Y轴法兰36另一端与第一Y轴伺服电机35固定连接；第一Y轴运动集成模块37通过第一Y轴夹紧块45与运动托板25固连；第一Y轴运动集成模块37另一侧安装有第一Y轴模块连接板38通过第一Y轴转接板39与Z字形支臂40固连；所述Z字形支臂40转角处设置有三角形加强筋，Z字形支臂40的一端设有第一Y轴支座44，接头定位件43通过第一Y轴销轴41和第一Y轴手柄插销42固定连接。

工作时，第一Y轴伺服电机35驱动第一Y轴运动集成模块37作直线运动，同时带动Z字形支臂40在纵向作直线运动，从而带动接头定位件43在水平面内沿纵向移动进行定位。

第二Y轴移动机构包括第二Y轴伺服电机46、第二Y轴法兰47、第二Y轴运动集成模块48、第二Y轴模块连接板49、第二Y轴转接板50、直支臂52、第二Y轴夹紧块54、第二Y轴支座53、外形定位件56、第二Y轴销轴58、第二Y轴手柄插销57、环氧胶泥51，第二Y轴法兰47一端与第二Y轴运动集成模块48一端固连，另一端与第二Y轴伺服电机46固定连接；第二Y轴运动集成模块48通过第二Y轴夹紧块54固定在第二Z轴运动托板55上，第二Y轴运动集成模块48另一侧安装有第二Y轴模块连接板49与第二Y轴转接板50固连；直支臂52的一端安装在第二Y轴转接板50上，其间隙填充环氧胶泥51；直支臂52的另一端部设有第二Y轴支座53，外形定位件56通过第二Y轴销轴58与第二Y轴手柄插销57固定连接。

工作时，第二Y轴伺服电机46带动第二Y轴运动集成模块48作直线运动，安装在第二Y轴转接板50上的直支臂52运动方向与第二Y轴运动集成模块48运动方向一致，从而带动外形定位件56在水平面内沿纵向移动进行定位。

本发明三坐标的双支臂定位器，在X轴移动机构、Y轴移动机构、Z轴移动机构整体工作时，即可满足不同产品在三维空间内任意位置的精确定位。采用双支臂的结构形式，可同时定位两个不同类型的关键点；定位器的X方向和Z方向上的移动机构均设有绝对式光栅尺，通过其读数反馈实现全闭环控制；定位器末端的定位件上安装位移传感器和力学传感器，可以监测零部件的定位点相对于定位件的空间位置和受力情况，将装配时产生的误差反馈到控制系统，进行误差补偿，实现飞机零部件的有效支撑和定位。提高了装配精度。

Claims (3)

1.一种三坐标的双支臂定位器，其特征在于:包括X轴移动机构、Z轴移动机构、Y轴移动机构、支撑立柱，X轴移动机构通过底座连接板固定安装在基座上,支撑立柱位于X轴移动机构的上部；Z轴移动机构分为第一Z轴移动机构和第二Z轴移动机构，第一Z轴移动机构和第二Z轴移动机构分别安装在支撑立柱的两侧；Y轴移动机构由第一Y轴移动机构和第二Y轴移动机构组成，第一Y轴移动机构和第一Z轴移动机构固连，第二Y轴移动机构和第二Z轴移动机构固连；

所述X轴移动机构包括X轴底座连接板、X轴伺服电机、X轴联轴器、X轴连接法兰、X轴电机端轴承座、X轴丝杠、X轴丝杠螺母、X轴螺母安装座、X轴浮动端轴承座、X轴运动托板、X轴导轨、X轴滑块、X轴气动夹紧元件、X轴光栅尺连接板,X轴底座连接板上两侧固定安装X轴导轨，两根X轴导轨上设有四个滑动连接的X轴滑块，靠近X轴伺服电机方向的两个X轴滑块与两个X轴气动夹紧元件连接；X轴丝杠位于X轴底座连接板上两根X轴导轨之间,X轴丝杠上设有X轴螺母安装座和X轴丝杠螺母固连,X轴光栅尺连接板呈L形固定在X轴螺母安装座上，X轴丝杠的一端与X轴浮动端轴承座连接,另一端与X轴电机端轴承座连接；X轴联轴器的两端分别与X轴伺服电机输出轴、X轴丝杠输入端相连接；X轴连接法兰一端与X轴电机端轴承座固连，另一端与X轴伺服电机固定连接；X轴运动托板与X轴导轨上的X轴滑块、X轴丝杠上的X轴螺母安装座固定连接；

所述第一Z轴移动机构和所述第二Z轴移动机构为两个结构相同的独立移动机构，包括伺服电机、电机联轴器、法兰、第一Z轴运动托板、第二Z轴运动托板、滑块、导轨、气动夹紧元件、电机端轴承座、丝杠、丝杠螺母、螺母座、浮动端轴承座、光栅尺连接板，四根导轨分别固定安装在支撑立柱的四边，导轨上设有滑动连接的滑块与气动夹紧元件固连；两丝杠分别位于支撑立柱两侧的导轨之间，丝杠上设有螺母座和丝杠螺母固连,光栅尺连接板呈L形固定在螺母座上，丝杠的一端与浮动端轴承座连接,丝杠的另一端与电机端轴承座连接；电机联轴器的两端分别与伺服电机输出轴、丝杠输入轴端相连接；法兰一端与电机端轴承座固连，另一端与伺服电机固定连接；第一Z轴运动托板、第二Z轴运动托板分别与支撑立柱两侧导轨上的滑块、丝杠上的螺母座固连；

所述第一Y轴移动机构包括第一Y轴伺服电机、第一Y轴法兰、第一Y轴运动集成模块、第一Y轴夹紧块、第一Y轴模块连接板、第一Y轴转接板、Z字形支臂、第一Y轴支座、接头定位件、第一Y轴销轴、第一Y轴手柄插销,第一Y轴运动集成模块一端与第一Y轴法兰一端固连，第一Y轴法兰另一端与第一Y轴伺服电机固定连接；第一Y轴运动集成模块通过第一Y轴夹紧块与第一Z轴运动托板固连；第一Y轴运动集成模块另一侧安装有第一Y轴模块连接板通过第一Y轴转接板与Z字形支臂一端固连，Z字形支臂的另一端设有第一Y轴支座，接头定位件通过第一Y轴销轴和第一Y轴手柄插销固定连接，Z字形支臂转角处设有三角形加强筋；

所述第二Y轴移动机构包括第二Y轴伺服电机、第二Y轴法兰、第二Y轴运动集成模块、第二Y轴模块连接板、第二Y轴转接板、直支臂、第二Y轴夹紧块、第二Y轴支座、外形定位件、第二Y轴销轴、第二Y轴手柄插销，第二Y轴运动集成模块一端与第二Y轴法兰一端固连，第二Y轴法兰另一端与第二Y轴伺服电机固定连接；第二Y轴运动集成模块通过第二Y轴夹紧块固定在第二Z轴运动托板上；第二Y轴运动集成模块另一侧安装有第二Y轴模块连接板与第二Y轴转接板固连；直支臂的一端安装在第二Y轴转接板上，直支臂的另一端部设有第二Y轴支座，外形定位件通过第二Y轴销轴与第二Y轴手柄插销固定连接。

2.根据权利要求1所述的一种三坐标的双支臂定位器，其特征在于:所述支撑立柱横截面呈工字形结构，支撑立柱两侧面的一边分别设置有导轨定位凸台，支撑立柱底部通过运动托板与X轴移动机构固连。

3.根据权利要求1所述的一种三坐标的双支臂定位器，其特征在于:直支臂与第二Y轴转接板固定安装，其间隙填充环氧胶泥。