CN104308767B - 大型薄壁筒形构件自动对接装配的协同定位装置 - Google Patents

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Abstract

一种装配对接技术领域的大型薄壁筒形构件自动对接装配的协同定位装置，包括：至少两组分别与待装配大型薄壁筒形构件固定连接的定位机构，该定位机构包括：滑动底盘、横向调姿平台、垂向调姿平台和转动调姿平台。本装置具有操作精度高、自动化程度高、承载能力大、响应速度快、运动范围大的特点，可实现大型薄壁构件的精确对接装配。

Description

大型薄壁筒形构件自动对接装配的协同定位装置
技术领域
本发明涉及的是一种装配对接技术领域的装置，具体是一种用于大型薄壁筒形构件自动对接装配的六自由度协同定位装置。
背景技术
目前，国内大型薄壁部件装配对接主要依靠目视和手摇来保证部件调姿和协调。通常两部件被分别放在托架或拖车平台上，两部件对接环面上有一圈对应的孔销配合结构。推动一部件缓慢靠近另一部件，观察并手动调整对应孔销姿态，对准后插入。这种方法使得对接面孔销配合精度低，装配应力大，影响疲劳强度，效率低。针对此问题，设计一种适用于大型薄壁筒形构件自动对接装配的六自由度协同定位装置。
经过对现有技术的检索发现，中国专利文献CN103303491，记载了一种筒形大部件对接的工艺装备及其对接方法，能够实现待装部件纵向、横向、垂向、横摆、俯仰调姿，通过固定对中装置防止待装配部件侧滚，依靠目视判断和手摇调姿。但是该技术缺少转动关节，前后托架调姿偏差可产生薄壁部件扭曲变形；调姿对于待装配部件初定位要求过高；目视和手摇调姿精度差效率低，不能满足现代化生产要求。
发明内容
本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种大型薄壁筒形构件自动对接装配的协同定位装置，具有操作精度高、自动化程度高、承载能力大、响应速度快、运动范围大的特点，可实现大型薄壁构件的精确对接装配。本发明大幅降低了大部件对接的难度和安全隐患，提高对接效率和对接精度，满足装配质量要求。
本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：至少两组分别与待装配大型薄壁筒形构件固定连接的定位机构，该定位机构包括：滑动底盘、横向调姿平台、垂向调姿平台和转动调姿平台。
所述的滑动底盘上设有丝杠机构以实现x向调姿功能。
所述的横向调姿平台与滑动底盘或垂向调姿平台滑动连接以实现x向移动副。
所述的垂向调姿平台与横向调姿平台或滑动底盘滑动连接以实现y向移动副。
所述的转动调姿平台与横向调姿平台或垂向调姿平台滑动连接以实现z向移动副。
所述的x向、y向、z向移动副优选通过丝杠机构驱动。
所述的转动调姿平台包括：转动平台机构和用于绕筒形构件轴线方向转动调姿的C字形支架，其中：C字形支架与转动平台机构通过球铰或虎克铰连接，待装配大型薄壁筒形构件与C字型托架型面连接。
所述的滑动底盘、横向调姿平台、垂向调姿平台和转动调姿平台中的任一优选设有驱动电机以实现主动驱动，其优选方案包括但不限于以下任意一种：
1)当采用两组定位机构时，其滑动底盘、横向调姿平台、垂向调姿平台和转动调姿平台中至少设有六个驱动电机，其方案包括但不限于：第一定位机构的滑动底盘、横向调姿平台和垂向调姿平台上设置驱动电机；第二定位机构的横向调姿平台和垂向调姿平台上设置驱动电机，两个定位机构中的任一一个的转动调姿平台上设有驱动电机。
2)当采用三组定位机构时，其滑动底盘、横向调姿平台、垂向调姿平台和转动调姿平台中至少设有七个驱动电机，其方案包括但不限于：
2.1)第一定位机构的滑动底盘、横向调姿平台和垂向调姿平台上设置驱动电机；第二定位机构的横向调姿平台和垂向调姿平台上设置驱动电机；第三定位机构的垂向调姿平台上设置驱动电机；并且任一转动调姿平台上设有驱动电机；
2.2)第一定位机构的滑动底盘和横向调姿平台上设置驱动电机；第二定位机构的横向调姿平台和垂向调姿平台上设置驱动电机；第三定位机构的滑动底盘和垂向调姿平台上设置驱动电机；并且任一转动调姿平台上设有驱动电机；
2.3)第一定位机构的滑动底盘、横向调姿平台和垂向调姿平台上设置驱动电机；第二定位机构的横向调姿平台上设置驱动电机；第三定位机构的滑动底盘和垂向调姿平台上设置驱动电机；并且任一转动调姿平台上设有驱动电机；
2.4)第一定位机构的横向调姿平台和垂向调姿平台上设置驱动电机；第二定位机构的滑动底盘、横向调姿平台和垂向调姿平台上设置驱动电机；第三定位机构的垂向调姿平台上设置驱动电机；并且任一转动调姿平台上设有驱动电机；
3)当采用四组定位机构时，其滑动底盘、横向调姿平台、垂向调姿平台和转动调姿平台中至少设有八个驱动电机，其方案包括但不限于：第一定位机构的滑动底盘、横向调姿平台和垂向调姿平台上设置驱动电机；第二定位机构的横向调姿平台上设置驱动电机；第三定位机构的垂向调姿平台上设置驱动电机；第四定位机构的横向调姿平台和垂向调姿平台上设置驱动电机；并且任一转动调姿平台上设有驱动电机。
技术效果
与现有技术相比，本发明的技术效果包括：
1、该装置能实现构件六自由度调姿功能且运动范围大；
2、采用激光跟踪仪或IGPS测量构件位姿，使用电机驱动取代现有目视手摇调姿，自动化程度高，调姿精度高，安全可靠；
3、多组定位装置协同作用，承载能力大，解决构件质量不均匀难题；
4、多组定位机构装配对接长构件，构件挠性变形小，装配可靠。
附图说明
图1为实施例1的示意图；
图2为实施例2的示意图；
图3为实施例3的示意图；
图4为实施例中三驱动定位机构示意图；
图5为实施例中三驱动定位机构主视图；
图6为实施例中三驱动定位机构侧视图；
图7为实施例中带有驱动的C字型托架示意图；
图中：1轨道、2定位机构、3C字型托架、4待装配薄壁筒形构件、5滑动底盘、6横向调姿平台、7垂向调姿平台、8转动调姿平台、9滑动轮组、10滑动底盘底板、11导轨滑块、12丝杠机构、13托板平台机构、14转动平台、15球铰、16垂向支撑柱、17垂向支撑托板、18导轨、19支架、20电机、21C字型支架、22球铰支撑座。
具体实施方式
下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
实施例1
如图1所示，本实施例中采用两套活动设置于轨道1上且带有C字型托架3的定位机构2与待调姿构件4固定连接。
如图4‐6所示，所述的定位机构2包括：滑动底盘5、横向调姿平台6、垂向调姿平台7和转动调姿平台8，其中：带有丝杠机构12的滑动底盘10具有x向调姿功能，横向调姿平台6下部通过导轨滑块11与滑动底盘导轨13连接成x向移动副，由丝杠机构12驱动；垂向调姿平台7下部导轨滑块11与横向调姿平台6轨道连接形成y移动副，由丝杠机构12驱动；转动调姿平台8下部导轨滑块11与垂向调姿机构7连接组成z向移动副，由丝杠机构12驱动，
所述的滑动底盘5下方设有滑动轮组9，滑动轮组9与轨道1滚动接触并在对接装配过程中锁死。
如图5所示，所述的横向调姿平台包括：导轨13、导轨滑块14、横向调姿托架15和丝杠机构16，其中：上部导轨13与垂向调姿平台7连接，形成横向移动副，丝杠机构16作为横向调姿驱动。第一第二定位机构均具有丝杠机构驱动，具有y向调姿功能。
如图6所示，所述的垂向调姿机构包括：导轨13、导轨滑块14、垂向支撑托板15、丝杠机构16和垂向支撑柱17，其中：垂向支撑柱包含垂向导轨。垂向支撑柱17内部通过导轨13同转动平台8的垂向托板机构24连接，丝杠机构16作为垂向调姿驱动，第一第二定位机构均具有丝杠机构驱动，具有z向调姿功能。
如图6所示，所述的转动调姿平台8包括：导轨滑块14、球铰22、转动平台23和垂向托板机构24，其中：具有z向转动功能。上部通过两个球铰22与C字型支架9的两个球铰支撑座18连接形成球副。
所述的转动调姿平台8包括：转动平台机构14和用于绕筒形构件轴线方向转动调姿的C字形支架3。本实施例中，转动平台机构14与垂向调姿平台7的垂向托板机构17通过轴承或环形导轨连接，具有z轴方向被转动自由度。
如图7所示，所述的C字型托架3包括：托架19、驱动电机20和C字型支架21，其中：托架19下部通过两球铰副与转动平台机构14连接。
该C字型托架3具有绕筒形构件轴线方向转动调姿功能，筒形薄壁构件4与C字型托架3型面连接。待装配部件作为连接将两定位器连接，形成协同调姿功能。
如图1所示，本实施例中的两套定位机构2组成的协同定位装置，主动驱动组合最少具有五个主动，即滑动底盘、横向调姿平台、垂向调姿平台和转动调姿平台中的任一优选设有驱动电机以实现主动驱动。可选择的方案包括：驱动形式为3‐2布置(第一定位机构xyz轴方向主动驱动，第二定位机构yz轴方向主动驱动)；此外，两个C字型托架3中需具有一个主动驱动。
所述的驱动电机优选为伺服电机丝杠驱动，一个主动转动副采用伺服电机齿轮驱动或伺服电机丝杠驱动。所有运动副均采用伺服电机自带的旋转编码器或安装光栅尺作为位移测量传感器。
基于上述两套定位机构的大型薄壁构件装配的对接工艺装备的六自由度调姿工作原理是：根据调姿要求生成控制方法，利用伺服电机驱动五个移动副和一个转动副，使得待调姿筒形构件可以得到六个空间自由度的运动。x向具有一个被动移动副，连同2个被动转动副保证调姿过程中待调姿构件不会发生干涉；4个球铰副保证待调姿构件的俯仰运动；两个被动转动副保证待装配构件偏转运动。利用激光跟踪仪或IGPS测量筒形薄壁构件的特征点得到当前位姿，在给定装配目标位姿后，就可以根据机构学求解求出调姿装配过程所需要的驱动输入量，使待调姿构件从当前姿态调整到目标姿态，完成自动装配过程。
上述两套定位机构与现有技术相比，具有优势如下：具有六自由度调姿功能；采用激光跟踪仪或IGPS测量构件位姿，使用电机驱动取代现有目视手摇调姿，自动化程度高，调姿精度高，安全可靠；两组定位装置协同作用，承载能力大。
实施例2
如图2所示，本实施例通过三套定位机构2实现，该三套定位机构组成的协同定位装置，主动驱动组合最少具有六个主动，驱动形式为2‐2‐2布置(第一定位机构yz主动驱动，第二定位机构xz主动驱动，第三定位机构yz主动驱动)；此外，三个C字型托架3中需具有一个主动驱动。
本实施例中，工装整体布置如图2所示，定位机构如图4‐6所示，具有电机驱动的丝杠机构即具有该方向调姿功能，沿x轴方向定位机构依次为第一定位机构、第二定位机构、第三定位机构，C字型托架结构示意图如图7所示。
所述的滑动底盘如图5所示。第二定位机构滑动底盘具有丝杠机构驱动，具有x向调姿功能；第一第三定位机构滑动底盘不具有驱动，x向被动移动。
所述的横向调姿机构如图5所示。第一第三定位机构均具有丝杠机构驱动，具有y向调姿功能。
所述的垂向调姿机构如图6所示。第一第二第三定位机构均具有丝杠机构驱动，具有z向调姿功能。
如图2、6、7所示，所述的调姿机构机构和工作原理同实施例1。
所述的五个主动移动副均采用伺服电机丝杠驱动，一个主动转动副采用伺服电机齿轮驱动或伺服电机丝杠驱动。所有运动服均采用伺服电机自带的旋转编码器或安装光栅尺作为位移测量传感器。
与两套定位机构相比，三套定位机构具有优势：三组定位装置协同作用，整套工艺装备垂向承载能力和抗弯能力增强；装配长构件，定位机构支点多，构件挠性变形小，同时解决构件质量不均匀难题。
实施例3
如图3所示，本实施例采用四套定位机构2实现，该四套定位机构组成的协同定位装置，主动驱动组合最少具有七个主动，驱动形式为2‐2‐1‐2布置(第一定位机构yz主动驱动，第二定位机构xz主动驱动，第三定位机构z主动驱动，第四定位机构yz主动驱动)；此外，四个C字型托架3中需具有一个主动驱动。
本实施例中，工装整体布置如图3所示，定位机构如图4‐6所示，具有电机驱动的丝杠机构即具有该方向调姿功能，沿x轴方向定位机构依次为第一定位机构、第二定位机构、第三定位机构、第四定位机构，C字型托架结构示意图如图7所示。
所述的滑动底盘如图5所示。第二定位机构滑动底盘具有丝杠机构驱动，具有x向调姿功能；第一第三第四定位机构滑动底盘不具有驱动，x向被动移动。
所述的横向调姿机构如图5所示。第一第四定位机构具有丝杠机构驱动，具有y向调姿功能。
所述的垂向调姿机构如图6所示。第一第二第三第四定位机构均具有丝杠机构驱动，具有z向调姿功能。
如图3、6、7所示，所述的调姿机构结构和工作原理同实施例1。
所述的六个主动移动副均采用伺服电机丝杠驱动，一个主动转动副采用伺服电机齿轮驱动或伺服电机丝杠驱动。所有运动服均采用伺服电机自带的旋转编码器或安装光栅尺作为位移测量传感器。
与三套定位机构相比，四套定位机构具有优势：四套定位装置协同作用，整套工艺装备垂向承载能力和抗弯能力增强；装配长构件，定位机构支点多，构件变形小，同时解决构件质量不均匀难题。

Claims (3)

1.一种大型薄壁筒形构件自动对接装配的协同定位装置，其特征在于，包括：至少两组分别与待装配大型薄壁筒形构件固定连接的定位机构，该定位机构包括：滑动底盘、横向调姿平台、垂向调姿平台和转动调姿平台；
所述的横向调姿平台与滑动底盘或垂向调姿平台滑动连接以实现x向移动副；
所述的垂向调姿平台与横向调姿平台或滑动底盘滑动连接以实现y向移动副；
所述的转动调姿平台与横向调姿平台或垂向调姿平台滑动连接以实现z向移动副；
所述的转动调姿平台包括：转动平台机构和用于绕筒形构件轴线方向转动调姿的C字形支架，其中：C字形支架与转动平台机构转动连接，待装配大型薄壁筒形构件与C字型托架型面连接；
1)当采用两组定位机构时，其滑动底盘、横向调姿平台、垂向调姿平台和转动调姿平台中至少设有六个驱动电机；
2)当采用三组定位机构时，其滑动底盘、横向调姿平台、垂向调姿平台和转动调姿平台中至少设有七个驱动电机；
3)当采用四组定位机构时，其滑动底盘、横向调姿平台、垂向调姿平台和转动调姿平台中至少设有八个驱动电机；
当采用两组定位机构时：第一定位机构的滑动底盘、横向调姿平台和垂向调姿平台上设置驱动电机；第二定位机构的横向调姿平台和垂向调姿平台上设置驱动电机，两个定位机构中的任一一个的转动调姿平台上设有驱动电机；
当采用三组定位机构时：
2.1)第一定位机构的滑动底盘、横向调姿平台和垂向调姿平台上设置驱动电机；第二定位机构的横向调姿平台和垂向调姿平台上设置驱动电机；第三定位机构的垂向调姿平台上设置驱动电机；并且任一转动调姿平台上设有驱动电机；或者是
2.2)第一定位机构的滑动底盘和横向调姿平台上设置驱动电机；第二定位机构的横向调姿平台和垂向调姿平台上设置驱动电机；第三定位机构的滑动底盘和垂向调姿平台上设置驱动电机；并且任一转动调姿平台上设有驱动电机；或者是
2.3)第一定位机构的滑动底盘、横向调姿平台和垂向调姿平台上设置驱动电机；第二定位机构的横向调姿平台上设置驱动电机；第三定位机构的滑动底盘和垂向调姿平台上设置驱动电机；并且任一转动调姿平台上设有驱动电机；或者是
2.4)第一定位机构的横向调姿平台和垂向调姿平台上设置驱动电机；第二定位机构的滑动底盘、横向调姿平台和垂向调姿平台上设置驱动电机；第三定位机构的垂向调姿平台上设置驱动电机；并且任一转动调姿平台上设有驱动电机；
当采用四组定位机构时：第一定位机构的滑动底盘、横向调姿平台和垂向调姿平台上设置驱动电机；第二定位机构的横向调姿平台上设置驱动电机；第三定位机构的垂向调姿平台上设置驱动电机；第四定位机构的横向调姿平台和垂向调姿平台上设置驱动电机；并且任一转动调姿平台上设有驱动电机。
2.根据权利要求1所述的协同定位装置，其特征是，所述的x向、y向、z向移动副通过丝杠机构驱动。
3.根据权利要求1所述的协同定位装置，其特征是，所述的滑动底盘、横向调姿平台、垂向调姿平台和转动调姿平台中的任一中设有驱动电机以实现主动驱动。
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