CN105174025A - 零部件智能柔性吊挂机械手 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于飞机中大型零部件智能柔性吊挂机械手，包括主体框架，质心调节机构，支臂调节机构和电气控制系统。在井字梁框架等结构上，配以质心调节机构、支臂调节机构等，采用触摸屏或是上位机为管理系统，PLC或控制器为控制系统，倾角传感器、光栅尺、拉绳式位移传感器等传感器为检测手段，电机为重心自动调整等动作传递机械能，锂电池为动力供电系统，保证起吊件达到相应姿态，起吊点位置满足相应产品吊装点分布的要求，在实际应用过程中减少人力和物理的浪费，节约成本，保证人员安全。

Description

零部件智能柔性吊挂机械手

技术领域

本发明适用于飞机前翼、中机身、前中机身、中央翼及后机身、垂尾、外翼、发动机短舱等中大型零部件吊装、运输、对合等任务，也可用于大型物流中心里物品的吊装运输。

背景技术

我国航空工业生产链中，由于工艺需要，往往要采用吊车对各种零部件进行吊装，转运，对合等动作。目前的工艺模式是使用专用吊挂，一件产品配备一套相应的专用吊挂。吊具的设计和制造需要占用较长时间，对于结构，形状，重量，姿态各不相同的大量零、部件，往往需要为之配备大量的专用吊挂，用以完成各自的动作，会延长新机型的生产周期。吊挂种类繁多，功能各异，也给使用单位的存放，维护与管理带来了诸多不便。同时每一个新项目，新机型的设计都伴随着大量专用吊具的重新设计制造，随之旧型号的改性，停产，同样也伴随着大量专用吊具的改造与报废。造成大量人力、物力、财力的浪费。

目前，将智能柔性吊挂机械手技术应用于各种型号飞机的装配过程，在国内尚无应用。

发明内容

为了解决上述存在技术问题，本发明提供一种零部件智能柔性吊挂机械手，该产品利用智能柔性定位技术，可以代替各种重量，起吊范围的传统吊具，可以节约重新设计，校核，制造专用吊具的时间，可以缩短工装的准备周期，节约存放占地，提高生产效率。

本发明的目的是通过下述技术方案实现的：零部件智能柔性吊挂机械手，其特征在于：包括主体框架、质心调节机构，支臂调节机构和电气控制系统；

所述的主体框架包括井字形槽钢框架Ⅰ、井字形槽钢框架Ⅱ和槽钢框架Ⅲ，设井字形槽钢框架Ⅰ的横向为X轴方向，纵向为Y轴方向，垂直于XY轴所在平面，竖直方向为Z轴方向；在井字形槽钢框架Ⅰ内，沿Y轴方向平行设置井字形槽钢框架Ⅱ，井字形槽钢框架Ⅱ作为质心调节机构的底座，槽钢框架Ⅲ安装在质心调节机构的底座之上；

所述的质心调节机构包括长吊环，直线导轨Ⅰ，直流电动推杆Ⅰ，吊耳，平移机构、直线导轨Ⅱ，直流电动推杆Ⅱ；长吊环及其下方的直流电动推杆Ⅰ与平移机构通过柔性支架连接，并以柔性支架为圆心，在XZ平面内小角度摆动；所述的直流电动推杆Ⅰ上安装有直线传感器，吊耳安装在平移机构上，通过平移机构控制吊耳沿槽钢框架Ⅲ上的直线导轨Ⅰ移动；在井字形槽钢框架Ⅱ底部沿X轴方向设置2个平行的直线导轨Ⅱ，质心调节机构与直流电动推杆Ⅱ相连，由直流电动推杆Ⅱ控制质心调节机构沿直线导轨Ⅱ移动；在XY轴移动的直线导轨旁边装有光栅尺，相应滑块配装有光栅尺读头，构成绝对位置反馈系统，提供实时XY轴的位置；

所述的平移机构是固定在直线导轨Ⅰ上的滑块机构，可以形成X轴和Y轴方向的移动；其中X轴移动是由X轴伺服电机驱动直流电动推杆Ⅱ在直线导轨Ⅱ上移动；Y轴移动是由Y轴伺服电机驱动涡轮丝杆升降机在直线导轨Ⅰ上移动；

所述的支臂调节机构包括均匀安装在井字形槽钢框架Ⅰ四角的4个直线导轨Ⅲ，在每个直线导轨Ⅲ周围分别安装拉绳式位移传感器、直流电动推杆Ⅲ和滑块，通过滑块带动吊钩运动；

所述的电气控制系统是以PLC为控制核心，控制质心调节机构和支臂调节机构的动作；

电气控制系统元器件具体包括：控制柜、直流电源及其管理系统，安装在井字形槽钢框架Ⅰ一侧的X轴伺服电机，安装在直线导轨Ⅰ端部的Y轴伺服电机；安装在直流电动推杆Ⅰ上的Z轴伺服电机，安装在每个直流电动推杆Ⅲ端部的吊点电机，设置在井字形槽钢框架Ⅰ斜撑上的倾角传感器，设置在直流电动推杆Ⅱ上的X轴限位开关，设置在直线导轨Ⅰ上的Y轴限位开关，直流电动推杆Ⅰ上自带的Z轴限位开关和设置在直流电动推杆Ⅲ的吊点限位开关。

所述的直流电动推杆Ⅲ的行程为400mm；直线导轨Ⅱ的长度为1150mm，直流电动推杆Ⅱ行程为600mm。

所述的质心调节机构的质心偏差调节范围为600×600mm。

当倾角传感器的水平方向倾角达到3°时，或者直流电动推杆Ⅰ上升到限制高度时，直流电动推杆Ⅰ停止上升，开始水平方向的调整；水平方向倾角小于3°时，直流电动推杆Ⅰ继续上升，水平方向循环调整，直至调平。

在井字形槽钢框架Ⅰ的下方均布了4个活动脚轮。

本发明的工作原理：本发明主要有4个部分组成，分别是主体框架，质心调节机构，支臂调节机构和电气控制系统组成，可起吊的最大吨位为2吨，智能柔性吊挂与飞机零部件的吊点连接，整套吊挂的动力系统采用锂电池内部供电，操作人员手持无线电遥控开关，选择采用手动起吊或者自动起吊，首先根据部件选择型号（相应参数事先载入），利用支臂调节机构，在“自动模式”下点按“吊点到位”按钮，可使吊点按型号要求自动到位；自动起吊时，则根据起吊部件的重心和柔性吊挂的重心不一致，导致吊挂在X、Y轴方向上产生倾角，倾角传感器将数据传送给电气控制系统进行处理并判断，电气控制系统控制质心调节机构开始自动寻找重心，使起吊部件在空中的姿态达到平衡，调整结束后，按下遥控器按键锁定，开始移动起吊部件。

本发明在以井字梁为主体框架的结构上，配以质心调节机构、支臂调节机构等，采用触摸屏或是上位机为管理系统，PLC或控制器为控制系统，倾角传感器、光栅尺、拉绳式位移传感器等传感器为检测手段，电机为重心自动调整等动作传递机械能，锂电池为动力供电系统，保证起吊件达到相应姿态，起吊点位置满足相应产品吊装点分布的要求，在实际应用过程中减少人力和物理的浪费，节约成本，保证人员安全。

附图说明

图1是零部件智能柔性吊挂机械手的结构示意图。

图2是质心调节机构的结构示意图。

图3是图2的俯视图。

图4是主体框架及支臂调节机构的结构示意图。

图5是图4的俯视图。

图6是图5的A向视图。

图7是电气控制系统的布局图。

图8是本发明工作流程图。

具体实施方式

本发明的应用背景介绍：

（1）飞机翼面类部件产品结构特点：

飞机翼面类不见吊装时要求吊绳竖直，不能有较大倾角，利用翼面上4个吊挂点，实现外翼水平吊装运输，产品最下端距离地面至少1.6米。

（2）飞机机身类部件产品结构特点

将吊挂的接头与机身类部件产品的吊挂点相连接，将机身类部件产品竖直吊起，起吊高度约1.8米。

针对上述特点，并结合实际装备工艺，设计的飞机零部件智能柔性吊挂机械手结构如图1所示，包括主体框架1、质心调节机构2，支臂调节机构3和电气控制系统4。

其中，主体框架1如图4所示，包括井字形槽钢框架Ⅰ11、井字形槽钢框架Ⅱ12和槽钢框架Ⅲ13，设井字形槽钢框架Ⅰ11的横向为X轴方向，纵向为Y轴方向，垂直于XY轴所在平面，竖直方向为Z轴方向；井字形槽钢框架Ⅰ11的尺寸为3000mm×2900mm，在井字形槽钢框架Ⅰ11内，沿Y轴方向平行设置井字形槽钢框架Ⅱ12，井字形槽钢框架Ⅱ12作为质心调节机构1的底座，槽钢框架Ⅲ13安装在质心调节机构1的底座之上，在井字形槽钢框架Ⅰ11的下方均布了4个活动脚轮14。

质心调节机构2如图2所示，包括长吊环21，直线导轨Ⅰ22，直流电动推杆Ⅰ23，吊耳24，平移机构、直线导轨Ⅱ25，和直流电动推杆Ⅱ26；使用时，将本发明零部件智能柔性吊挂机械手通过长吊环21悬挂在天吊下方，

长吊环21及其下方的直流电动推杆Ⅰ23与平移机构通过柔性支架28连接，并以柔性支架28为圆心，在XZ平面内小角度摆动；所述的直流电动推杆Ⅰ23上安装有直线传感器，吊耳24安装在平移机构上，通过平移机构控制吊耳24沿槽钢框架Ⅲ13上的直线导轨Ⅰ22移动；在井字形槽钢框架Ⅱ12底部沿X轴方向设置2个平行的直线导轨Ⅱ25，质心调节机构1与直流电动推杆Ⅱ26相连，由直流电动推杆Ⅱ26控制质心调节机构1沿直线导轨Ⅱ25移动；其中直线导轨Ⅱ25的长度为1150mm，直流电动推杆Ⅱ26行程为600mm。在XY轴移动的直线导轨旁边装有光栅尺，相应滑块配装有光栅尺读头，构成绝对位置反馈系统，提供实时XY轴的位置。

质心调节机构2的平移机构是固定在直线导轨Ⅰ22上的滑块机构，如图3所示，可以形成X轴和Y轴方向的移动；其中X轴移动是由X轴伺服电机43驱动直流电动推杆Ⅱ26在直线导轨Ⅱ25上移动；Y轴移动是由Y轴伺服电机44驱动涡轮丝杆升降机27在直线导轨Ⅰ22上移动。

质心调节机构2具有Z向自动起吊功能，Z向起吊过程平稳，质心偏差调整范围为600×600mm。Z向起吊过程中设置拉力传感器，产品超重或与工装干涉时，数据异常报警，停止起吊。

支臂调节机构3结构如图4、5、6所示，包括均匀安装在井字形槽钢框架Ⅰ11四角的4个直线导轨Ⅲ31，在每个直线导轨Ⅲ31周围分别安装拉绳式位移传感器34、直流电动推杆Ⅲ32和滑块，通过滑块带动吊钩33运动；其中，直流电动推杆Ⅲ32的行程为400mm。

电气控制系统4是以PLC为控制核心，控制安装在质心调节机构2，支臂调节机构3动作，并结合微型HMI与无线遥控器，西门子TD400、伺服电机技术对零部件智能柔性吊挂机械手进行控制，被控制的对象包括：直流电动推杆上的拉绳式位移传感器，各吊点限位开关及XY轴限位开关。

电气元件在飞机智能柔性吊挂上的布置图如图7所示，具体包括：控制柜41，直流电源及其管理系统42，在控制柜41上设有显示器52（可带触屏功能）、手动急停按钮53，安装在井字形槽钢框架Ⅰ11一侧的X轴伺服电机43及遥控器接收器54，安装在直线导轨Ⅰ22端部的Y轴伺服电机44，安装在直流电动推杆Ⅰ23上的Z轴伺服电机45，安装在每个直流电动推杆Ⅲ32端部的吊点电机46，设置在井字形槽钢框架Ⅰ11的斜撑上的倾角传感器47，设置在直流电动推杆Ⅱ26上的X轴限位开关48，设置在直线导轨Ⅰ22上的Y轴限位开关49，直流电动推杆Ⅰ23上自带的Z轴限位开关50，设置在直流电动推杆Ⅲ32的吊点限位开关51。在井字形槽钢框架Ⅰ11两侧侧壁上安装有壁挂式组合指示灯55。

考虑到设备的安全性和自动化设备的风险性，电气控制系统采用具备余电显示功能的大型锂电池系统供电。而且电气控制系统还具备了报警和错误代码提示。

本发明的工作流程：

飞机柔性吊挂的工作过程主要包括：准备工作，起吊动作的选择，手动操作X、Y、Z三轴和4个吊点动作，自动操作吊点到位和系统自动找重心等多个工序。工作流程如图8所示：

（1）起吊前的准备工作：包括查看柔性智能吊挂及遥控器电池余电是否充足，检查各接头有无松动，检查机械位置是否安全，检查有无报警状态，同时确定柔性智能吊挂处于自己系统的重心位置，并且确认起吊零部件（同时把相应参数输入管理系统）等。

（2）起吊方式的选择：首先选择自动模式，操作吊点到位按钮，吊点自动到位，然后挂上吊带，用吊车把吊挂运输到位，处于合适高度，并将飞机零部件的吊点与智能柔性吊挂的吊点相连接；最后升起吊车使吊带略微涨紧，并根据实际情况选择采用手动起吊还是自动起吊。

（3）手动起吊，选择手动起吊后，通过无线控制器面板上的按钮控制X轴正、反向双速移动，Y轴正、反向双速移动，Z轴正反向双速移动以及四个吊点的微移动，手动调节吊挂直至达到平衡状态（传感器会给出判断并发出信号示意）。

（4）自动起吊：选择自动起吊后，通过无线控制器面板上的按钮选择自动启动。自动起吊包括吊点自动到位操作和系统自动找重心操作，智能柔性吊挂Z轴开始缓慢向上移动，吊点自动到位直至连续零部件的吊绳竖直绷紧为止。移动过程中，由于零部件的重心与起吊重心不一致，远离零部件重心的一端开始离开托架，产生一个倾斜角度，这里利用吊具上的倾角传感器实时监测倾角值，并把数据传给控制中心做以处理，得出倾斜角度A，当倾角传感器47的水平方向倾角达到3°时，或者直流电动推杆Ⅰ23上升到一定高度（暂定320mm）时，直流电动推杆Ⅰ23停止上升，开始水平方向的调整；水平方向倾角小于3°时，直流电动推杆Ⅰ23继续上升，水平方向循环调整，直至调平（这里定义平衡为XY轴的倾角值一段时间内同时小于B值，即为平衡，是一种相对平衡）。此时柔性吊挂的重心和起吊零部件的重心在一条直线上，达到飞机零部件在空中的平衡状态。

（5）零部件移动：采用手动起吊或者自动起吊方式调整结束后，按下遥控器按键锁定，开始通过智能柔性吊挂移动零部件。

（6）动作结束：起吊零部件所有移动动作完成后，从吊挂上卸下，按下遥控上回零位按键，待吊挂X、Y回到零位后，吊车移走吊挂。

Claims (5)

1.零部件智能柔性吊挂机械手，其特征在于：包括主体框架（1）、质心调节机构（2），支臂调节机构（3）和电气控制系统（4）；

所述的主体框架（1）包括井字形槽钢框架Ⅰ（11）、井字形槽钢框架Ⅱ（12）和槽钢框架Ⅲ（13），设井字形槽钢框架Ⅰ（11）的横向为X轴方向，纵向为Y轴方向，垂直于XY轴所在平面，竖直方向为Z轴方向；在井字形槽钢框架Ⅰ（11）内，沿Y轴方向平行设置井字形槽钢框架Ⅱ（12），井字形槽钢框架Ⅱ（12）作为质心调节机构（1）的底座，槽钢框架Ⅲ（13）安装在质心调节机构（1）的底座之上；

所述的质心调节机构（2）包括长吊环（21），直线导轨Ⅰ（22），直流电动推杆Ⅰ（23），吊耳（24），平移机构、直线导轨Ⅱ（25），直流电动推杆Ⅱ（26）；长吊环（21）及其下方的直流电动推杆Ⅰ（23）与平移机构通过柔性支架（28）连接，并以柔性支架（28）为圆心，在XZ平面内小角度摆动；所述的直流电动推杆Ⅰ（23）上安装有直线传感器，吊耳（24）安装在平移机构上，通过平移机构控制吊耳（24）沿槽钢框架Ⅲ（13）上的直线导轨Ⅰ（22）移动；在井字形槽钢框架Ⅱ（12）底部沿X轴方向设置2个平行的直线导轨Ⅱ（25），质心调节机构（1）与直流电动推杆Ⅱ（26）相连，由直流电动推杆Ⅱ（26）控制质心调节机构（1）沿直线导轨Ⅱ（25）移动；在XY轴移动的直线导轨旁边装有光栅尺，相应滑块配装有光栅尺读头，构成绝对位置反馈系统，提供实时XY轴的位置；

所述的平移机构是固定在直线导轨Ⅰ（22）上的滑块机构，可以形成X轴和Y轴方向的移动；其中X轴移动是由X轴伺服电机（43）驱动直流电动推杆Ⅱ（26）在直线导轨Ⅱ（25）上移动；Y轴移动是由Y轴伺服电机（44）驱动涡轮丝杆升降机（27）在直线导轨Ⅰ（22）上移动；

所述的支臂调节机构（3）包括均匀安装在井字形槽钢框架Ⅰ（11）四角的4个直线导轨Ⅲ（31），在每个直线导轨Ⅲ（31）周围分别安装拉绳式位移传感器（34）、直流电动推杆Ⅲ（32）和滑块，通过滑块带动吊钩（33）运动；

所述的电气控制系统（4）是以PLC为控制核心，控制质心调节机构（2）和支臂调节机构（3）的动作；

电气控制系统元器件具体包括：控制柜（41）、直流电源及其管理系统（42），安装在井字形槽钢框架Ⅰ（11）一侧的X轴伺服电机（43），安装在直线导轨Ⅰ（22）端部的Y轴伺服电机（44）；安装在直流电动推杆Ⅰ（23）上的Z轴伺服电机（45），安装在每个直流电动推杆Ⅲ（32）端部的吊点电机（46），设置在井字形槽钢框架Ⅰ（11）斜撑上的倾角传感器（47），设置在直流电动推杆Ⅱ（26）上的X轴限位开关（48），设置在直线导轨Ⅰ（22）上的Y轴限位开关（49），直流电动推杆Ⅰ（23）上自带的Z轴限位开关（50）和设置在直流电动推杆Ⅲ（32）的吊点限位开关（51）。

2.根据权利要求1所述的零部件智能柔性吊挂机械手，其特征在于：所述的直流电动推杆Ⅲ（32）的行程为400mm；直线导轨Ⅱ（25）的长度为1150mm，直流电动推杆Ⅱ（26）行程为600mm。

3.根据权利要求2所述的零部件智能柔性吊挂机械手，其特征在于：所述的质心调节机构（1）的质心偏差调节范围为600×600mm。

4.根据权利要求1所述的零部件智能柔性吊挂机械手，其特征在于：当倾角传感器（47）的水平方向倾角达到3°时，或者直流电动推杆Ⅰ（23）上升到限制高度时，直流电动推杆Ⅰ（23）停止上升，开始水平方向的调整；水平方向倾角小于3°时，直流电动推杆Ⅰ（23）继续上升，水平方向循环调整，直至调平。

5.根据权利要求1所述的零部件智能柔性吊挂机械手，其特征在于：在井字形槽钢框架Ⅰ（11）的下方均布了4个活动脚轮（14）。