CN103170859B - 一种薄壁大部件柔性夹具 - Google Patents

Abstract

一种薄壁大部件柔性夹具，由底座、支架、以阵列式固定安装在支架上的多个支撑定位器、吸盘和支撑定位器调整机构所组成；支撑定位器的螺母丝杆传动机构由从动齿轮传动；支撑定位器调整机构由安装在X-Y工作台上的立臂和安装在立臂上端的主动齿轮组成；X-Y工作台的Y向驱动机构由步进电机驱动的滚珠丝杠螺母副构成，X向驱动机构由随滚珠丝杠螺母副的螺母一起运动的X向导轨、由步进电机驱动的同步齿形带传动的X向滑块构成；立臂固定于X向滑块上；主动齿轮由Z向步进电机驱动，并通过齿轮啮合检测调控机构与从动齿轮啮合。本发明仅用一套只含三个电机的调整机构通过齿轮多点啮合调整所有支撑定位器及吸盘的高度，节省大量的电机，可大幅度降低夹具制造成本；且控制难度较小。

Description

一种薄壁大部件柔性夹具

技术领域

本发明涉及机械金属加工，特别是一种薄壁大部件柔性夹具。

背景技术

由于航空工业的大型薄壁件不仅尺寸大，易变形，结构复杂，形状精度要求高，而且其周边与其它零部件还有复杂的装配关系，故其一直是飞机机体制造的关键技术之一。传统数控机床和柔性制造系统（FMS）虽可实现常规刚性零件的柔性制造，但却难以实现飞行器大型薄壁件的柔性制造。主要原因是，传统工艺装备无法实现易变形薄壁件的柔性定位、柔性装夹。

目前，国际上航空制造业使用的薄壁大部件柔性夹具以西班牙M.Torres公司推出的TORRESTOOL柔性夹具系统为代表，这套系统在波音及空客公司的飞机板类零部件制造中得到了广泛使用。

TORRESTOOL柔性夹具系统是基于曲面多点成形技术，采用模块化阵列式结构，包括一定数量的可以沿X坐标运动的排架，排架上装配有一定数量的可沿Y坐标和Z坐标运动的支承定位杆，每个支承定位杆的顶端有一个可在任意方向上倾斜的真空吸盘，用以固定工件。每个支撑定位杆上设有单独的支撑定位杆调整机构，用以调整支撑定位杆的高度(亦即吸盘的高度)。支撑定位杆调整机构由步进电机及其传动机构组成。操作使用时，用户输入工件程序，夹具将所有吸盘调节到位后，操作者即可在夹具上装载薄壁零件，然后接通真空，完成对工件的装夹。由于该柔性夹具的支撑定位杆调整机构数量很多（与吸盘数量相同），且每一调整机构需要一台控制电机，电机数量多，导致该夹具造价昂贵，控制难度大。

发明内容

本发明的目的是提供一种结构简单、造价低、且控制难度较小的薄壁大部件柔性夹具。

为实现上述目的，本发明提供的薄壁大部件柔性夹具由底座、安装在底座上的支架、以阵列式固定安装在支架上的多个支撑定位器、安装在每个支撑定位器上端的吸盘和支撑定位器调整机构所组成；

所述支撑定位器由螺母丝杆传动机构构成，螺母丝杆传动机构的螺母与从动齿轮固定连接，吸盘安装在螺杆的上端，支撑定位器用固定架固定安装在支架上；

所述支撑定位器调整机构包括一立臂，立臂的下端固定安装在平面内可移动的X-Y工作台上；X-Y工作台由Y向驱动机构和X向驱动机构构成，其中Y向驱动机构由安装在底座上的滚珠丝杠螺母副构成，滚珠丝杠螺母副的丝杠由安装在一端的Y向步进电机驱动，螺母可在丝杠驱动下沿Y向移动，螺母上面固定安装X向驱动机构的X向导轨，X向导轨底部与固定安装在底座上的Y向导轨的Y向滑块固定连接，立臂下端固定安装在可沿Y向导轨滑动的X向滑块上，X向滑块由同步齿形带传动，同步齿形带由X向步进电机驱动；立臂的上端有一方形壳体，在壳体的上方有可与所述支撑定位器从动齿轮相啮合的主动齿轮，该主动齿轮安装在Z向步进电机的轴上，Z向步进电机的电机座板下方装有两个滑座，两个滑座分别穿有轴A和轴B，轴A和轴B的两端固定安装在壳体X方向的两壁上，其中轴A为光轴，通过直线轴承安装在滑座中，轴B的一端有螺纹，通过螺纹安装可移动的弹簧座，安装在弹簧座上的弹簧的另一端嵌入滑座的圆形槽中，将滑座顶靠在壳体对侧的内壁上，滑座下部安装有可感应滑座微小移动的位移传感器，在壳体上安装有由该位移传感器控制的接近开关。

为稳定所述支撑定位器的上下垂直运动，在所述支撑定位器的螺母的轴承座上固定安装有导向片，导向片下部有竖直的滑槽，所述螺杆的下端有可沿该滑槽滑动的圆柱销。

与上述现有技术相比较，本发明的优点是：仅用一套只含三个步进电机、可在平面内沿X向和Y向移动的支撑定位器调整机构通过齿轮多点啮合即可实现所有支撑定位器及吸盘高度的调整，省去了大量的控制电机，使夹具的制造成本大幅度降低，同时，由于调控方法简单，控制难度也相对较低。

附图说明

图1为本发明实施例（由十六个支撑定位器和吸盘构成的柔性夹具）的立体示意图；

图2为图1中支撑定位器的结构示意图；

图3为图1中支撑定位器调整机构的立体示意图；

图4为图1柔性夹具的主视图（Y向视图）；

图5为图1柔性夹具的左视图（X向视图）；

图6为支撑定位器调整机构中齿轮啮合检测调控装置的结构示意图；

图7为沿图6中E-E剖视图。

图中：1.底座，2.支架，3.支撑定位器调整机构，3-1.立臂,3-2.主动齿轮,3-3.壳体,3-4.X向步进电机,3-5.Y向步进电机,3-6.滚珠丝杠螺母副,3-7.Y向导轨,3-8.Y向滑块,3-9.X向导轨,3-10.X向滑块,3-11.同步齿形带,3-12.Z向步进电机,3-13.电机座板，3-14.滑座，3-15.位移传感器，3-16.接近开关，3-17.轴B，3-18.直线轴承，3-19.轴A，3-20.弹簧座，3-21.弹簧，4.支撑定位器，4-1.从动齿轮，4-2.导向片，4-3.轴套，4-4.轴承座，4-5.螺母，4-6.封盖，4-7.轴承，4-8.螺杆，4-9.圆柱销，4-10.紧固螺母，4-11.固定架，5.吸盘。

具体实施方式

以下结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

本实施例是一个含有十六个支撑定位器和十六个吸盘的柔性夹具，用来说明本发明的技术方案，本发明的保护范围不限于本实施例。用于航空制造业的本发明薄壁大部件柔性夹具，其支撑定位器和吸盘的个数，根据不同大小的薄壁大部件加工工件，最多可达几十个，甚至上百个。

本实施例薄壁大部件柔性夹具，如图1所示，十六个支撑定位器4按每排四个、前后共四排、以阵列形式固定安装在支架2上，支架2固定安装在底座1上，底座固定在地面上，每个支撑定位器的顶端安装有摇摆式吸盘5，其支撑高度可在300mm范围内调节并固定。底座、支架和吸盘与现有技术基本相同。

本实施例的每个支撑定位器4，如图2所示，由螺母丝杆传动机构构成。螺母丝杆传动机构的螺母4-5通过销轴和紧固螺母4-10与从动齿轮4-1固定连接，螺母外部装有轴套4-3和轴承4-7，吸盘5安装在螺杆4-8的上端，为稳定螺杆的上下垂直运动，在轴承座4-4的一侧用螺钉固定安装一竖直方向的导向片4-2，导向片的下部开设竖向滑槽，螺杆4-8的下端安装可沿该滑槽滑动的圆柱销4-9，用封盖4-6将轴承座4-4的上端封闭，用方形固定架4-11将支撑定位器固定安装在支架2上。

本实施例的所有十六个支撑定位器由一套如图3所示的支撑定位器调整机构3来调整其高度。

结合图3至图7，支撑定位器调整机构3包括一立臂3-1，立臂的下端固定安装在平面内可移动的X-Y工作台上，可随工作台一起移动。X-Y工作台由Y向驱动机构和X向驱动机构构成，其中Y向驱动机构由安装在底座1上的滚珠丝杠螺母副3-6构成，其丝杠由安装在一端的Y向步进电机3-5驱动，由丝杠传动的螺母可沿Y向移动，螺母与X向驱动机构的X向导轨3-9固定连接，X向导轨底部与安装在底座1上的Y向导轨3-7上的Y向滑块3-8固定连接，从而使X向导轨可随滚珠丝杠螺母副的螺母一起沿Y向移动。立臂3-1的下端与可沿X向导轨3-9滑动的X向滑块3-10固定连接，X向滑块由同步齿形带3-11传动，同步齿形带由X向步进电机3-4驱动。立臂的上端有一方形壳体3-3，在壳体的上方有可与所述支撑定位器从动齿轮4-1相啮合的主动齿轮3-2，该主动齿轮安装在Z向步进电机3-12的轴上，Z向步进电机的电机座板3-13下方装有两个滑座3-14，两个滑座分别穿有轴A3-19和轴B3-17，轴A和轴B的两端固定安装在方形壳体对应X方向的两壁上，其中轴A为光轴，通过直线轴承3-18安装在滑座3-14中，供滑座沿其滑动，轴B的一端有螺纹，通过螺纹安装可移动的弹簧座3-20，为方便用手调节，弹簧座采用滚花薄螺母结构，安装在弹簧座3-20上的弹簧3-21的另一端嵌入滑座的圆形槽中，将滑座顶靠在壳体3-3对侧的内壁上，弹簧的弹力可通过旋动滚花薄螺母来调节。滑座下部安装可以感应滑座微小移动的位移传感器3-15，在壳体上安装有由该位移传感器控制的接近开关3-16；由滑座、轴A、轴B、位移传感器和接近开关共同构成主动齿轮3-2和从动齿轮4-1啮合检测调控装置，用于检测支撑定位器调整机构调整支撑定位器高度时主动齿轮和从动齿轮是否啮合和出现不啮合时控制使其啮合。

上述支撑定位器调整机构的工作原理是：所述安装在X-Y工作台上的立臂3-1类似一个调整机械手，工作台可带动该调整机械手在各支撑定位器间隔内运动而不干涉。工作时，在控制系统控制下，调整机械手先沿Y向（沿丝杠方向）运动到需要调整的某个支撑定位器前一定位置，再沿X向（沿皮带方向）运动，以使主动齿轮3-2和从动齿轮4-1啮合；正确啮合后即可通过主动齿轮和从动齿轮调节支撑定位器的高度，使之带动吸盘升到设定值；调整完成后使其带动主动齿轮沿X向退到啮合前位置，准备调整在下一个支撑定位器。

由于主动齿轮和从动齿轮径向啮合时可能发生两齿轮齿顶与齿顶相碰现象，不能实现啮合，此时主动齿轮未处于标准中心距位置，必须靠所述主动齿轮和从动齿轮啮合检测调控机构进行检测和调控。其检测和调控原理是：X-Y工作台带动调整机械手（即立臂）沿Y轴运动到欲调支撑定位器正对的位置，然后再沿X轴靠近支撑定位器，使主动齿轮和从动齿轮啮合。如果两齿轮齿顶与齿顶相碰，此时由主动齿轮与Z向步进电机、电机座板和滑座组成的整体会一起与壳体产生相对移动，这种移动被位移传感器接收后触发接近开关，接近开关则控制步进电机产生瞬间转动，带动主动齿轮也产生瞬间转动，使相碰的两齿轮齿顶错开，在弹簧的作用下，上述相对移动被迅速消除，接近开关再接收位移传感器的信号使步进电机的瞬间转动立刻停止，此时主动齿轮恢复沿X方向的移动，靠近从动齿轮，直到两齿轮中心距达到预先设置好的标准中心距位置时停止移动，主动齿轮与从动齿轮实现啮合。由此，实现主动齿轮和从动齿轮啮合的自动检测和调控。需要注意的是，此夹具中位移传感器和接近开关检测的位移应小于齿轮啮合和齿顶相碰时立臂行走距离之差；弹簧对滑座的弹力要调整到大于齿轮在正常啮合传动时产生的径向力。

本发明中构成X-Y工作台的X向驱动机构既可采用上述由步进电机驱动的同步齿形带，可也采用由步进电机驱动的滚珠丝杠螺母副，二者均在本发明的保护范围之内。

Claims (2)

1.一种薄壁大部件柔性夹具，由底座（1）、安装在底座（1）上的支架（2）、以阵列式固定安装在支架（2）上的多个支撑定位器（4）、安装在每个支撑定位器（4）上端的吸盘（5）和支撑定位器调整机构（3）所组成；其特征在于：

所述支撑定位器（4）由螺母丝杆传动机构构成，螺母丝杆传动机构的螺母（4-5）与从动齿轮（4-1）固定连接，吸盘（5）安装在螺杆（4-8）的上端，支撑定位器用固定架（4-11）固定安装在支架（2）上；

所述支撑定位器调整机构（3）包括一立臂（3-1），立臂（3-1）的下端固定安装在平面内可移动的X-Y工作台上；X-Y工作台由Y向驱动机构和X向驱动机构构成，其中Y向驱动机构由安装在底座（1）上的滚珠丝杠螺母副（3-6）构成，滚珠丝杠螺母副（3-6）的丝杠由安装在一端的Y向步进电机（3-5）驱动，螺母可在丝杠驱动下沿Y向移动，螺母上面固定安装X向驱动机构的X向导轨（3-9），X向导轨（3-9）底部与固定安装在底座（1）上的Y向导轨（3-7）的Y向滑块（3-8）固定连接，立臂（3-1）下端固定安装在可沿Y向导轨（3-7）滑动的X向滑块（3-10）上，X向滑块（3-10）由同步齿形带（3-11）传动，同步齿形带（3-11）由X向步进电机（3-4）驱动；立臂（3-1）的上端有一方形壳体（3-3），在壳体（3-3）的上方有可与所述支撑定位器从动齿轮（4-1）相啮合的主动齿轮（3-2），该主动齿轮（3-2）安装在Z向步进电机（3-12）的轴上，Z向步进电机（3-12）的电机座板（3-13）下方装有两个滑座（3-14），两个滑座（3-14）分别穿有轴A（3-19）和轴B（3-17），轴A和轴B的两端固定安装在壳体（3-3）X方向的两壁上，其中轴A（3-19）为光轴，通过直线轴承（3-18）安装在滑座（3-14）中，轴B（3-17）的一端有螺纹，通过螺纹安装可移动的弹簧座（3-20），安装在弹簧座（3-20）上的弹簧（3-21）的另一端嵌入滑座（3-14）的圆形槽中，将滑座顶靠在壳体（3-3）对侧的内壁上，滑座（3-14）下部安装有可感应滑座微小移动的位移传感器（3-15），在壳体上安装有由该位移传感器控制的接近开关（3-16）。

2.根据权利要求1所述的薄壁大部件柔性夹具，其特征在于：在所述支撑定位器（4）的螺母（4-5）的轴承座（4-4）上固定安装有导向片（4-2），导向片下部有竖直的滑槽，所述螺杆（4-8）的下端有可沿该滑槽滑动的圆柱销（4-9）。