CN103084913A - 能在工件表面行走和调姿的自主移动机构 - Google Patents

Abstract

一种能在工件表面行走和调姿的自主移动机构，它包括外框结构（1）和内框结构（2），外框结构（1）连接有外框升降腿（3），内框结构（2）连接有内框升降腿（4），外框结构（1）与内框结构（2）相对的两边相连，外框结构（1）固定不动时，内框结构（2）能作相对于外框结构（1）的移动，内框结构（2）固定时，外框结构（1）能作相对于内框结构的移动，从而实现整个自主移动机构在工件表面的移动定位，其特征是所述的外框升降腿（3）和内框升降腿（4）分别连接有对应的双偏心位移被动补偿机构（5），双偏心位移被动补偿机构（5）的输出轴（5-14）与真空吸盘（6）相连，真空吸盘（6）吸附在工件表面上，自主移动机构在双偏心位移被动补偿机构（5）和真空吸盘的共同作用下实现定位和被动调姿。本发明结构简单，重量轻。

Description

能在工件表面行走和调姿的自主移动机构

技术领域

本发明涉及一种机械加工设备，尤其是一种在复杂工件表面进行行走和调姿以便于进行钻铆作业的、能用于飞机装配过程中在飞机蒙皮表面移动、定位、调姿的自主移动机构，可作为飞机机身装配中制孔、紧固件安装系统、甚至铆接的运载平台，具体地说是一种结构简单，支撑腿无需球铰结构的能在工件表面行走和调姿的自主移动机构。

背景技术

    众所周知，飞机结构采用的主要连接方法是机械连接，一架大型飞机上大约有150万～200万个铆钉和螺栓，为了满足现代飞机高寿命的要求，首先要保证机械连接的安全性和可靠性。近年来，为保证飞机装配质量，提高机体的疲劳寿命，实现大批量生产中的低成本和高效率, 以B787， A380，C-17等为代表的现代新型大型飞机装配过程中大量采用了自动化装配技术。飞机自动化装配系统的发展主要为两个方向。一种是成本较高的、适用于批量较大产品的大型专用自动化装配系统，如MPAC、VPAC等。另一种是成本较低的、适用于批量较小产品的轻型自动化装配系统，该种系统的发展方向为轻型化、柔性化、模块化，目前其典型代表有基于工业机器臂自动装配系统、柔性轨道自动化装配系统。

基于工业机器臂自动装配系统是利用市场上通用的工业机器臂为设备本体，配合相应的末端执行器组成的自动化装配系统。其具有机体结构成熟，集成实现较为容易，工作灵活等优点，但存在活动范围较小、结构较大和可移动性差的缺点。基于柔性轨道的自动化装配系统，则是以柔性轨道为平台，吸附在表面上，配上相应的末端执行器，完成自动化制孔等工作，如波音公司申请的中国发明专利CN200580025525.X所公开的柔性轨道多轴工具机及方法。但是，这种基于柔性轨道的自动化装配系统也存在结构较大和移动性差的缺点，尤其是，这种系统需要另外安装轨道，对工装的要求较多，工作前期准备时间较长等缺点。

作为目前最为流行的此类机构的原理图如图1所示。这类结构内外框之间通过十字滑块实现X、Y方向的移动而进行调姿，并利用支撑腿上的万向节进行调姿适应，它存在的问题是结构复杂，重量大，调姿计算工作量大。

发明内容

本发明的目的是针对现有的行走和调姿机构存在的结构复杂，体积大的问题，设计一种结构简单，重量轻的能在工件表面行走和调姿的自主移动机构。

本发明的技术方案是：

一种能在工件表面行走和调姿的自主移动机构，它包括外框结构1和内框结构2，外框结构1连接有外框升降腿3，内框结构2连接有内框升降腿4，外框结构1与内框结构2相对的两边相连，外框结构1固定不动时，内框结构2能作相对于外框结构1的移动，内框结构2固定时，外框结构1能作相对于内框结构的移动，从而实现整个自主移动机构在工件表面的移动定位，其特征是所述的外框升降腿3和内框升降腿4分别连接有对应的双偏心位移被动补偿机构5，双偏心位移被动补偿机构5的输出轴5-14与真空吸盘6相连，真空吸盘6吸附在工件表面上，自主移动机构在双偏心位移被动补偿机构5和真空吸盘的共同作用下实现定位和被动调姿。

所述的双偏心位移被动补偿机构5包括：

    一连接板5-1，该连接板用于将整个补偿机构与外框升降腿3或内框升降腿4固定相连；

     一第一轴承座5-3，该轴承座5-3与连接板5-1相连，第一深沟球轴承5-4安装在所述的第一轴承座5-3上，第一深沟球轴承5-4的端面安装有与连接板5-1相连的第一轴承盖5-2；

    一盘轴5-5，该盘轴5-5安装在第一深沟球轴承5-4中并通过第二轴承盖5-6定位在其中，在盘轴5-5中偏心安装（偏心距为e1）有第二深沟球轴承5-7，第一传动轴5-9穿过第二深沟球轴承5-7并通过锁紧螺母5-13实现轴向定位；

    一第二轴承座5-11，该第二轴承座5-11与第一传动轴5-9的轴端固定相连，关节球轴承5-10安装在第二轴承座5-11中，输出轴5-14的上端插装在所述的关节球轴承5-10中，输出轴5-14的下端与真空吸盘6相连，输出轴5-14上端和下端有一偏心距e2；

    一锁紧装置5-15，该锁紧装置5-15通过安装板5-16安装在连接板5-1上，该锁紧装置5-15设有一个可伸出的锁紧销，在第一轴承座5-3和第二轴承座5-11上分别设有与锁紧销相配的锁紧销孔，锁紧销脱离第一轴承座5-3的锁紧销孔和第二轴承座5-11上的锁紧销孔后，整个自主移动机构开始调姿，调姿结束后，锁紧销穿过第一轴承座5-3的锁紧销孔后插入第二轴承座5-11上的锁紧销孔时整个自主移动机构不能调姿。 

所述的锁紧装置5-15为带有输出轴的气缸、液压缸或电磁阀。

本发明的有益效果：

     本发明的自主移动机构，在工作状态下具有并联机构高刚度、高精度、高承载力的特点，可于飞机产品表面行走并进行定位，且具备实现法向调姿的能力。它具有：柔性好；实施周期短，安装和调试时间少；可在现有的装配型架上使用，不需要特别的工装，对型架的影响和改动最小化；重量轻等优点。

本发明的自主移动机构能过实现在飞机表面的移动和完成法向调姿功能，其本身高定位精度、高稳定性、高负载能力可以满足飞机制孔质量、制孔精度以及制孔效率的要求。特别的，本机构中的双偏心位移补偿机构具有结构紧凑、位移补偿能力大，刚性好，成本低等优点，并可根据需求通过补偿机构上的锁紧装置转化为固定零件。此外，本机构具有机构位置反解求解简单，便于控制的优点。

本发明与现有的同类机构相比，省去了连接内外框架的十字滑块结构，内框架通过内外框连接板直接与外框架相连，依靠内外框架支撑腿上的双偏心补偿机构代替十字滑块的X、Y向的调姿，同时利用双偏心机构中的关节球轴承代替现有的十字滑块移动结构中使用的球关节，因而大大简化了整体结构，使得体积和重量均有大幅度下降，整体尺寸可缩小20%以上，重量减少30%以上。

由于采用双偏心结构，位置反解更为方便，使得电控系统计算量更少，控制更为方便。

附图说明

图1是现有的移动调姿机构的等效原理图。

图2是本发明的移动调姿机构的等效原理图。

图3是本发明的结构示意图。

图4是本发明的外框装配图。

图5是本发明的内框装配图.

图6是本发明的外框升降腿装配图。

图7是本发明的外框升降腿爆炸图。

图8是本发明的内框升降腿装配图。

图9是本发明的位移补偿机构装配图。

图10是本发明的位移补偿机构爆炸图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

    如图3-10所示。

一种能在工件表面行走和调姿的自主移动机构，它包括外框结构1、内框结构2、外框升降腿3和内框升降腿4，如图2所示，外框结构1共有两个，它对称安装在内框结构2相对的两侧边上，每个外框结构均连接有两个外框升降腿3，支撑外框结构1的四个外框升降腿中，有一个升降腿可设计成不可调的结构，也就是说至少有三个外框升降腿3是必须能够进行调整的，外框长降腿3的升降原理和结构可与现有技术完全相同，也可采用图6、7所示的结构加以实现。内框结构2为一正方形框架结构，如图5所示，内框结构2的四个角上各连接有一个内框升降腿4（图8），内框升降腿的结构也与现有技术相同，也可采用图8所示的结构，在内框结构2上安装有执行机构，执行机构的结构及移动方式均与现有技术相同，外框结构1固定不动时，内框结构2能作相对于外框结构1的移动，内框结构2固定时，外框结构1能作相对于内框结构的移动，从而实现整个自主移动机构在工件表面的移动定位，所述的外框升降腿3和内框升降腿4分别连接有对应的双偏心位移被动补偿机构5，双偏心位移被动补偿机构5的输出轴5-14与真空吸盘6相连，真空吸盘6吸附在工件表面上，自主移动机构在双偏心位移被动补偿机构5和真空吸盘的共同作用下实现定位和被动调姿。双偏心位移被动补偿机构5可自行设计，也可采用图9、10所示的结构，图9、10所示的双偏心位移被动补偿机构5包括连接板5-1、第一轴承座5-3、盘轴5-5、第二轴承座5-11及锁紧装置5-15，连接板5-1用于将整个补偿机构与外框升降腿3或内框升降腿4固定相连；轴承座5-3与连接板5-1相连，第一深沟球轴承5-4安装在所述的第一轴承座5-3上，第一深沟球轴承5-4的端面安装有与连接板5-1相连的第一轴承盖5-2；盘轴5-5安装在第一深沟球轴承5-4中并通过第二轴承盖5-6定位在其中，在盘轴5-5中偏心安装（偏心距e1）有第二深沟球轴承5-7，第一传动轴5-9穿过第二深沟球轴承5-7并通过锁紧螺母5-13实现轴向定位；第二轴承座5-11与第一传动轴5-9的轴端固定相连，关节球轴承5-10安装在第二轴承座5-11中，输出轴5-14的上端插装在所述的关节球轴承5-10中，输出轴5-14的下端与真空吸盘6相连，输出轴（5-14）上端和下端有一偏心距e2；锁紧装置5-15（可采用带有输出轴的气缸或液压缸）通过安装板5-16安装在连接板5-1上，该锁紧装置5-15设有一个可伸出的锁紧销，在第一轴承座5-3和第二轴承座5-11上分别设有与锁紧销相配的锁紧销孔，锁紧销脱离第一轴承座5-3的锁紧销孔和第二轴承座5-11上的锁紧销孔后，整个自主移动机构开始调姿，调姿结束后，锁紧销穿过第一轴承座5-3的锁紧销孔后插入第二轴承座5-11上的锁紧销孔时整个自主移动机构不能调姿。

详述如下：

外框结构1可以分为左外框结构和右外框结构，左外框结构与右外框结构在整个机构中平行对称，其中左外框结构包括左外框架1-1、丝杠传动结构1-2、、行走导轨1-3、外框连接板1-4、外框电机1-5、电机安装座1-7，如图4。

内框结构2包括内框架2-1、Y向导轨结构2-2、Y向丝杠结构2-3、Y向滑动梁2-4、X向丝杠结构2-5、X向导轨结构2-6、滑动梁连接板2-7、内外框连接板2-8、末端执行器安装板2-9、内框电机2-10、滑动梁电机2-11、内框上电机安装座2-12、滑动梁电机安装座2-13。Y向滑动梁2-4通过Y向导轨结构2-2上的滑块、Y向丝杠结构2-3、滑动梁连接板2-7与内框架相连，实现滑动梁Y向的移动。X向丝杠结构2-5、X向导轨结构2-6安装在Y向滑动梁上，实现末端执行器安装板2-9的X向移动。通过滑动梁Y向的移动和末端执行器安装板2-9的X向移动，即可实现末端执行器的X向和Y向移动。注：可将成熟产品末端执行器根据所需安装于末端执行器安装板上，末端执行器不在本专利申请范围内。

外框升降腿3由连接框3-1、腿框架3-2、丝杠结构3-3、导轨结构3-4、电机安装座3-5、联轴器3-6、电机3-7组成。通过电机与丝杠传动结构实现腿的伸降，4条外框升降腿通过腿上连接框分别固连在左右外框架单元两侧。

内框升降腿4由连接框4-1、腿框架4-2、丝杠结构4-3、导轨结构4-4、电机安装座4-5、联轴器4-6、电机4-7组成。通过电机与丝杠传动结构实现腿的伸降，4条内框升降腿通过腿上连接框分别固连在内框架内部两侧，与外框腿共线。

双偏心位移被动补偿机构5由连接板5-1、轴承盖5-2、轴承座5-3、深沟球轴承5-4、轴5-5、轴承盖5-6、深沟球轴承5-7、锁紧螺母5-8、轴25-9、关节球轴承5-10、轴承座5-11、轴承盖5-12、锁紧螺母5-13、轴5-14、锁紧装置5-15、锁紧装置安装板5-16组成。双偏心位移补偿机构通过连接板5-1与对应的外框升降腿或内框升降腿的下端相连，通过输出轴5-14与真空吸盘6相连，可提供机构法向调姿时所需X向和Y向的位移补偿量。

内框结构2通过外框结构1的行走导轨1-4上的滑块与外框相连，同时外框上丝杠结构1-2通过内外框连接板2-8可带动内外框相对运动。4条外框升降腿3通过腿上连接框分别固连在左右外框架1两侧，4条内框升降腿4通过腿上连接框分别固连在内框架2内部两侧，与外框腿共线。双偏心位移补偿机构5通过连接板5-1与升降腿下端相连，通过轴5-14与真空吸盘6相连，其可提供机构法向定位调姿时所需X向和Y向的位移补偿量。整个机构通过真空吸盘6可吸附于飞机工件表面，可完成机构行走和定位调姿功能。

双偏心位移补偿机构5是应用偏心补偿原理，同时结合结构优化设计理论设计的一种提供平面位移补偿的机构。在本机构中，应用两个深沟球轴承，结合关节球轴承具备的绕Z轴转动的自由度，提供双偏心机构在XY平面内所需的三个绕Z轴转动的自由度，同时通过空间结构设计，提高了补偿机构的刚性、稳定性并缩小了补偿机构的尺寸，可实现X向和Y向的补偿，补偿量根据偏心距e₁ e₂ 确定。可以通过补偿机构上的锁紧装置5-15（如气缸或电磁阀），插入轴承座5-1和轴承座5-11上的锁紧销孔，此时，轴承座和轴承座1固连为一个整体，双偏心位移补偿机构失去位移补偿功能，转化为一固定零件。为避免一个偏心轴线中心共线，出现死点情况，安装时偏心轴中心可按等边三角形位置安装。本机构还可以增加一个弹性回复（利用弹簧等弹性体）装置，以帮助机构在偏离初始位置时回复。原理如图2所示。

本发明的工作过程为：

1、自主移动机构在飞机表面行走

    此时双偏心位移补偿机构5自锁，可以通过补偿机构上的锁紧装置5-15（如气缸或电磁阀），插入轴承座和轴承座1上的定位孔，此时，轴承座和轴承座1固连为一个整体，双偏心位移补偿机构失去位移补偿功能，转化为一固定零件。采用内外框交替前进方式移动，首先，以内框架2及其相连的4条内框升降腿4为支撑，松开与外框结构1相连的四条外框升降腿3的足端真空吸盘6，腿上电机3-7驱动丝杆结构3-3带动腿Z向上升；外框电机1-5驱动丝杆结构1-2，外框相对内框向前运动，实现沿X向的移动；四条外框升降腿3的腿上电机3-7驱动丝杆结构3-3带动腿Z向下降，外框升降腿3上足端真空吸盘6吸紧；在以外框架3及其相连的4条外框升降腿3为支撑，松开与内框结构2相连的四条内框升降腿4的足端真空吸盘6，腿上电机4-7驱动丝杆结构4-3带动腿Z向上升；外框上电机1-5驱动丝杆结构1-2，内框相对外框向前运动，实现沿X向的移动；四条内框升降腿4的腿上电机4-7驱动丝杆结构4-3带动腿Z向下降，内框升降腿3上足端真空吸盘6吸紧；如此重复直至到达预期位置。

2、自主移动并联机构进入工作位置，进行法向调姿。

到达目标位置后，通过腿底真空吸盘6八条腿吸紧工件表面，双偏心位移补偿机构上锁紧装置5-15拔出，通过八条腿的腿上电机驱动丝杠结构，实现每条升降腿Z向高度变化，从而与升降腿相连的框架的俯仰角度也会发生变化，进而带动末端执行器主轴所对的方向发生变化，一直调节到末端执行器的主轴与指定位置的法向重合。通过内框电机2-10驱动Y向丝杠结构2-3，滑动梁上电机2-11驱动X向丝杠结构2-5，实现末端执行器X、Y方向的调整；

在倾斜或俯仰运动中，例如绕Y轴的向后仰起的过程中，若假设内框架或外框架上的后端两条升降腿固定，前端的两条升降腿就会伸长，在伸长的过程中，所有升降腿末端的真空吸盘却一直吸附在工件表面上，同时框架和升降腿之间固定连接，升降腿与真空吸盘Z向轴线平行，则必然要求前端的升降腿相对于安装在其下端的真空吸盘在X方向上有微动位移才能保证这种仰起运动可以实现。同理，若框架绕X轴左右倾斜则必然要求升降腿相对于安装在其下端的真空吸盘在Y方向上有微动位移才能保证倾斜运动可以实现。此时，本发明中的双偏心位移补偿机构实现了自主移动并联机构进行法向调姿时所需XY方向的位移补偿。

此外，双偏心位移补偿机构作为一个独立模块，它的设计变更并不会影响到本装置的其他部件，该补偿机构也可以根据法向调整角度范围进行更换。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (3)

1.一种能在工件表面行走和调姿的自主移动机构，它包括外框结构（1）和内框结构（2），外框结构（1）连接有外框升降腿（3），内框结构（2）连接有内框升降腿（4），外框结构（1）与内框结构（2）相对的两边相连，外框结构（1）固定不动时，内框结构（2）能作相对于外框结构（1）的移动，内框结构（2）固定时，外框结构（1）能作相对于内框结构的移动，从而实现整个自主移动机构在工件表面的移动定位，其特征是所述的外框升降腿（3）和内框升降腿（4）分别连接有对应的双偏心位移被动补偿机构（5），双偏心位移被动补偿机构（5）的输出轴（5-14）与真空吸盘（6）相连，真空吸盘（6）吸附在工件表面上，自主移动机构在双偏心位移被动补偿机构（5）和真空吸盘的共同作用下实现定位和被动调姿。

2.根据权利要求1所述的能在工件表面行走和调姿的自主移动机构，其特征是所述的双偏心位移被动补偿机构（5）包括：

    一连接板（5-1），该连接板用于将整个补偿机构与外框升降腿（3）或内框升降腿（4）固定相连；

     一第一轴承座（5-3），该轴承座（5-3）与连接板（5-1）相连，第一深沟球轴承（5-4）安装在所述的第一轴承座（5-3）上，第一深沟球轴承（5-4）的端面安装有与连接板（5-1）相连的第一轴承盖（5-2）；

    一盘轴（5-5），该盘轴（5-5）安装在第一深沟球轴承（5-4）中并通过第二轴承盖（5-6）定位在其中，在盘轴（5-5）中偏心安装第二深沟球轴承（5-7），第一传动轴（5-9）穿过第二深沟球轴承（5-7）并通过锁紧螺母（5-13）实现轴向定位；第二深沟球轴承（5-7）的中心与盘轴（5-5）的中心的距离构成第一偏心距e1；

    一第二轴承座（5-11），该第二轴承座（5-11）与第一传动轴（5-9）的轴端固定相连，关节球轴承（5-10）安装在第二轴承座（5-11）中，输出轴（5-14）的上端插装在所述的关节球轴承（5-10），输出轴（5-14）的下端与真空吸盘（6）相连，输出轴（5-14）上端和下端形成第二偏心距e2；

    一锁紧装置（5-15），该锁紧装置（5-15）通过安装板（5-16）安装在连接板（5-1）上，该锁紧装置（5-15）设有一个可伸出的锁紧销，在第一轴承座（5-3）和第二轴承座（5-11）上分别设有与锁紧销相配的锁紧销孔，锁紧销脱离第一轴承座（5-3）的锁紧销孔和第二轴承座（5-11）上的锁紧销孔后，整个自主移动机构开始调姿，调姿结束后，锁紧销穿过第一轴承座（5-3）的锁紧销孔后插入第二轴承座（5-11）上的锁紧销孔时整个自主移动机构不能调姿。

3.根据权利要求2所述的能在工件表面行走和调姿的自主移动机构，其特征是所述的锁紧装置（5-15）为带有输出轴的气缸、液压缸或电磁阀。

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