CN105522548A - 一种串联式六自由度精密调整装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种串联式六自由度精密调整装置，包括沿X轴移动的X向移动层、沿Y轴移动的Y向移动层、沿Z轴移动的Z向移动层、绕X轴偏转的X向旋转层、绕Y轴偏转的Y向旋转层和绕Z轴偏转的Z向旋转层。本发明六自由度精密调整装置首次采用串联式组合方式，使在调整产品位置时在每个轴方向上可以单独移动调整，实现了六自由度姿态自由调整，较并联式结构更简单，同时可用于手动调整。

Description

一种串联式六自由度精密调整装置

技术领域

本发明涉及一种串联式六自由度精密调整装置，属于空间机构姿态控制领域。

背景技术

近年来，通用装配技术一直落后于加工技术，且机械装配技术已逐渐成为实现生产现代化的薄弱环节。装配问题会导致产品性能下降，甚至会导致事故的发生，因此对于机械产品的装配要给予足够的重视。目前，装配主要分为手工装配和自动化装配两种类型。手工装配是目前主要的装配手段，其装配过程主要是通过人工操作完成，具有精度低、稳定性差、劳动强度大、成本高的缺点。机械自动化装配具有效率高、精度高、稳定性好的优点，在各方面弥补了手工装配的不足，随着机械行业的不断发展，人工装配被机械自动化装配取代是历史的必然。

由于航天产品(导弹、无人机、卫星)的小批量研制等生产特点，在总装装配技术方面一直处于落后地位。这种最原始的手工装配作业模式进行生产，在数字化、自动化水平飞速发展的现状下其对接装配工艺手段已经难以适应新形势的发展。随着空间展开机构越来越精密复杂，对装配精度提出了更高要求，传统装配依赖操作人员实践经验和技术，在装配质量不稳定。

实现自动化装配，需要对工件进行六个自由度的调整，而目前能够实现六自由度位姿调整的机构很少，且由于他们的自身特点一般很难应用于精密装配当中。因此为实现精密装配，六自由度位姿调整平台的设计与研制亟待解决。

发明内容

本发明的技术解决问题是：为克服现有技术的不足，提供一种串联式六自由度精密调整装置，以实现零件六自由度位姿的精密调整，提高装配效率、装配精度及其稳定性。

本发明的技术解决方案是：

一种串联式六自由度精密调整装置，包括沿X轴移动的X向移动层、沿Y轴移动的Y向移动层、沿Z轴移动的Z向移动层、绕X轴偏转的X向旋转层、绕Y轴偏转的Y向旋转层和绕Z轴偏转的Z向旋转层，Z向移动层设置在底座上，在Z向移动层的中心设置驱动结构，驱动Z向移动层上下移动，驱动结构两侧设置垂直于Z向移动层的导向杆，用于Z向移动层上下移动时导向；在Z向移动层两侧上设置垂直于Z轴的Y向移动直线导轨，Y向移动层设置在Y向移动直线导轨上，Y向移动层可沿Y向移动直线导轨运动；在Y向移动层两侧上设置垂直于Z轴和Y轴的X向移动直线导轨，X向移动层设置在X向移动直线导轨上，X向移动层可沿X向移动直线导轨运动；在X向移动层上设置绕Z轴转动的转动机构，Z向旋转层设置在转动结构上，使Z向旋转层可绕Z轴转动；在Z向旋转层上设置顶杆铰链机构，Y向旋转层设置在顶杆铰链机构上，顶杆铰链结构可顶起Y向旋转层并绕Y轴偏转；在Y向旋转层上设置顶杆铰链机构，X向旋转层设置在顶杆铰链机构上，顶杆铰链结构可顶起X向旋转层并绕X轴偏转。

所述X向移动直线导轨及Y向移动直线导轨均为滚珠丝杠导轨。

所述的Z向移动层的中心设置的驱动结构为蜗轮蜗杆驱动结构，X向移动层上设置绕Z轴转动的转动机构为蜗轮蜗杆驱动结构。

所述顶杆铰链机构为Z向旋转层或Y向旋转层一侧装有两个轴和轴承且两个轴心共线，使Y向旋转层或X向旋转层能够绕二者轴线转动，形成一个铰链，而Z向旋转层或Y向旋转层另一侧通过电机驱动蜗轮蜗杆，使Y向旋转层或X向旋转层绕铰链产生角度。

Y向旋转层或X向旋转层绕铰链产生角度范围为0～3度。

所述角度所产生的角位移精度范围为0.001～0.01。

在X向移动层、Y向移动层、Z向移动层、X向旋转层、Y向旋转层和Z向旋转层上分别设置光栅尺，以提高移动精度。

还包括重量传感器，将其设置在Y向旋转层上，监控被测物的质量变化。

底座上设置有气浮孔，通过压缩空气可使整个装置悬浮。

所述滚珠丝杠导轨的副摩擦系数0.001-0.005，传动效率≥90％。

本发明与现有技术相比的优点在于：

(1)本发明六自由度精密调整装置首次采用串联式组合方式，使在调整产品位置时在每个轴方向上可以单独移动调整，实现了六自由度姿态自由调整，较并联式结构更简单，同时可用于手动调整；

(2)本发明通过简单空间六自由度机构设置，能够实现较高的角精度，实现了空间机构姿态的高精度调整，做到对微小位移和角度的精确控制，可显著提高装配效率、装配精度和稳定性；

(3)本发明首次采用气浮基座，实现了产品在工作台面上的自由移动，方便调整和操作。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明Z向移动层机构结构示意图；

图3为本发明Z向移动层底部结构图；

图4为本发明顶杆铰链机构结构示意图；

具体实施方式

下面参见附图对本发明进行详细描述。

本发明六自由度精密调整装置的设计要求主要包括以下几方面：

(1)自由度要求：本发明装置主要用于卫星装配，零件的相对位姿要求能在六个自由度范围内调整，与之相应，本装置机械系统的设计需要有六个自由度。

(2)精度要求：装配时精度的保证直接影响产品的机械性能。尤其本装置要应用于卫星的装配当中，对角度的调整分辨率非常高，需要达到角秒级精度，同时对位移调整分辨率也很高；因此机械系统的设计必须满足精度的要求。

(3)行程要求：为了满足在装配过程中的相对位姿误差，并能够在一定的范围内使工件相对移动，一般要求该平台的行程能够达到数十毫米，角度调整范围为数十度。

(4)结构及体积重量的要求：结构越复杂在运行中越容易产生问题，过多的环节同时会影响装置最后执行机构的精度，且结构复杂会给维修维护带来不便。此装置要整体安装于气浮装置上，因此对该装置机械系统的设计必须小巧灵活，重量轻。

(5)机械系统的刚度：机械系统刚度低使机构部件容易变形，这会直接影响装置的调整精度。因此，在兼顾装置轻小的同时也要保证其具有一定的刚度。

(6)承载能力的要求：为使装置能够适应各种工件的安装，需要保证装置具有一定的承载能力。

基于上述要求，对本发明结构进行具体设计，如图1所示，包括沿X轴移动的X向移动层3、沿Y轴移动的Y向移动层2、沿Z轴移动的Z向移动层1、绕X轴偏转的X向旋转层5、绕Y轴偏转的Y向旋转层4和绕Z轴偏转的Z向旋转层7，Z向移动层1设置在底座6上，底座6上设置有气浮孔，通过压缩空气可使整个装置悬浮；

在Z向移动层1的中心设置涡轮蜗杆驱动结构，驱动Z向移动层6上下移动。X向移动层3、Y向移动层2承载很小，只需克服导轨的摩擦阻力即可，因此可用电机直接进行驱动。而Z向移动层1需要承受整个装置及工件的重力作用，且空间较小，因此除需单独设计丝杠螺母外还需要在电机与丝杠螺母之间增加一级传动机构，要求此传动机构具有精密、可靠、寿命长，传动比大等特点，因此选择蜗轮蜗杆机构，Z向移动层1的结构设计如图2所示，为保证传动稳定性及精度，在其四个角位置处均放置导轨滑块，且由于Z向移动层1承载大，为使整个装置变形小，保证其的精度，在Z向移动层1底面加放筋结构以增加结构刚度，具体结构如图3所示。

涡轮蜗杆驱动结构两侧设置垂直于Z向移动层1的直线导杆，用于Z向移动层1上下移动时导向；在Z向移动层1两侧上设置垂直于Z轴的Y向移动直线导轨，Y向移动层2设置在Y向移动直线导轨上，Y向移动层2可沿Y向移动直线导轨运动；在Y向移动层两侧上设置垂直于Z轴和Y轴的X向移动直线导轨，X向移动层3设置在X向移动直线导轨上，X向移动层3可沿X向移动直线导轨运动；在X向移动层上设置绕Z轴转动的转动机构，Z向旋转层7设置在转动结构上，使Z向旋转层7可绕Z轴转动；在Z向旋转层7上设置顶杆铰链机构，Y向旋转层4设置在顶杆铰链机构上，顶杆铰链结构可顶起Y向旋转层4并绕Y轴偏转；在Y向旋转层上设置顶杆铰链机构，X向旋转层5设置在顶杆铰链机构上，顶杆铰链结构可顶起X向旋转层5并绕X轴偏转。

其中X向移动直线导轨及Y向移动直线导轨均为滚珠丝杠导轨，滚珠丝杠副摩擦系数0.003左右，传动效率≥90％，这样既节能省电，又对环境无污染；同时具有较高的快速响应特性和同步性、传动灵活、轻快；具有优良的高速特性，don值可达到150000；高速化的成本较低；工作可靠，对周边环境的适性较强。滚珠丝杠副的丝杠轴与丝母之间有很多滚珠在做滚动运动，有较高的运动效率，与过去的滑动丝杠副相比驱动力达到1/3以下，因此启动力矩极小，不会出现滑动运动那样的爬行现象，确保实现精确的微进给。

本发明六自由度精密调整装置选用人控制电机的半自动方式。全自动式移动平台虽智能化较高，但其结构复杂、成本高、维护及维修不便。而半自动式移动平台具有操作方便，可靠性高，调整精度高的优点。因此本发明选用人控制电机的半自动方式。具体在电机的选择上，要求能够实现任意位置的精确控制，步进电机要优于伺服电机，且伺服电机的低速性能不如步进电机稳定，而六自由度精密调整装置的运动速度又很低，因此选择步进电机来驱动。

本发明所述的转动机构为蜗轮蜗杆驱动结构，具体结构示意图如图4所示，该机构最大的优点就是通过简单的机构能够实现较高的角精度。顶杆与铰链轴线距离大，要使平台较小的角度位移需要在顶杆处施加较大的竖直位移。因此，竖直位移误差引起的角度误差会被“缩小”，能够实现较高的角精度。

所述顶杆铰链机构为Z向旋转层7或Y向旋转层4一侧装有两个轴和轴承且两个轴心共线，使Y向旋转层4或X向旋转层5能够绕二者轴线转动，形成一个铰链，而Z向旋转层7或Y向旋转层4另一侧通过电机驱动蜗轮蜗杆，使Y向旋转层4或X向旋转层5绕铰链产生角度，其中Y向旋转层4或X向旋转层5绕铰链产生角度范围为0～3度，其角度所产生的角位移精度范围为0.001～0.01。

在X向移动层3、Y向移动层2、Z向移动层1、X向旋转层5、Y向旋转层4和Z向旋转层7上分别设置光栅尺，以提高移动精度，同时可以在Y向旋转层4上设置重量传感器，以监控被测物的质量变化。

具体实施例

对本发明进行精度计算分析

其一，装置平移机构(X向移动层、Y向移动层、Z向移动层)的精度分析

装置选用THK品牌精密滚动导轨及滚珠丝杠。Z向移动层的丝杠承受所有载荷值，受力最大，选择BNK型精密丝杠，直径为φ₂₀，导程为4mm。Z向移动层的蜗轮蜗杆齿数分别选择为，蜗杆头数z₁＝1蜗轮齿数z₂＝82。X向移动层、Y向移动层承载较小，因此，选择直径BNK型轴径为8mm；但由于X向移动层、Y向移动层的载荷不高，且为了实现较高精度，选择较小的导程为1mm。电机型号选择德国百格拉步进电机VRDM366，该电机的最小步距角为0.72度，每转500步。

综合上述参数则各平移机构的理论计算精度为：

X向移动层、Y向移动层：由于导程为1mm，电机每转可分为500歩，故X向移动层、Y向移动层平移精度为

X向移动层、Y向移动层满足单轴0.005mm的位移精度的要求。

Z向移动层：与X向移动层、Y向移动层相比，Z向移动层多了一层蜗轮蜗杆传动，传动比

精度计算公式为

Z向移动层满足单轴0.005mm的位移精度的要求。

其二，装置转动机构(X向旋转层、Y向旋转层和Z向旋转层)精度分析

对于X向旋转层、Y向旋转层由于空间限制，需自行设计丝杠螺母副以及蜗轮蜗杆。根据载荷要求设计螺杆公称直径d＝12mm，螺距P＝2mm。蜗杆头数z1＝1，蜗轮齿数z₂＝49。

Z向旋转层所受载荷小，且空间足够，故可选用成型产品BNK型精密丝杠，选择轴径为10mm，且为了实现较高精度，选择较小的导程为1mm。

则各转动机构的理论计算精度为：

X向旋转层、Y向旋转层：为计算机构能够达到的精度，首先需要确定顶杆铰链机构中顶杆中心距铰链轴心的距离。平台的总体宽度为400mm，初步确定该距离L＝300mm。则理论计算精度公式为

由于摩擦、爬行等因素，实际精度为0.003°左右，满足单轴0.005°的精度要求。

Z向旋转层：直接驱动计算精度为

由于摩擦、爬行等因素，实际精度为0.0015°左右。满足单轴0.005°的精度要求。

其三，整个装置精度分析

a)装置平移机构精度

$\mathrm{\Δ}=\sqrt{{\mathrm{\Δ}}_X^2+{\mathrm{\Δ}}_Y^2+{\mathrm{\Δ}}_Z^2}=\sqrt{2^2+2^2+{0.098}^2}=0.00283mm$

满足0.001～0.01的位移精度要求。

b)装置转动机构精度

满足系统0～3度的旋转精度的要求

本发明说明书中未作详细描述的内容属本领域技术人员的公知技术。

Claims (10)

1.一种串联式六自由度精密调整装置，其特征在于，包括沿X轴移动的X向移动层(3)、沿Y轴移动的Y向移动层(2)、沿Z轴移动的Z向移动层(1)、绕X轴偏转的X向旋转层(5)、绕Y轴偏转的Y向旋转层(4)和绕Z轴偏转的Z向旋转层(7)，Z向移动层(1)设置在底座(6)上，在Z向移动层(1)的中心设置驱动结构，驱动Z向移动层(6)上下移动，驱动结构两侧设置垂直于Z向移动层(1)的导向杆，用于Z向移动层(1)上下移动时导向；在Z向移动层(1)两侧上设置垂直于Z轴的Y向移动直线导轨，Y向移动层(2)设置在Y向移动直线导轨上，Y向移动层(2)可沿Y向移动直线导轨运动；在Y向移动层两侧上设置垂直于Z轴和Y轴的X向移动直线导轨，X向移动层(3)设置在X向移动直线导轨上，X向移动层(3)可沿X向移动直线导轨运动；在X向移动层上设置绕Z轴转动的转动机构，Z向旋转层(7)设置在转动结构上，使Z向旋转层(7)可绕Z轴转动；在Z向旋转层(7)上设置顶杆铰链机构，Y向旋转层(4)设置在顶杆铰链机构上，顶杆铰链结构可顶起Y向旋转层(4)并绕Y轴偏转；在Y向旋转层上设置顶杆铰链机构，X向旋转层(5)设置在顶杆铰链机构上，顶杆铰链结构可顶起X向旋转层(5)并绕X轴偏转。

2.如权利要求1所述的一种串联式六自由度精密调整装置，其特征在于，所述X向移动直线导轨及Y向移动直线导轨均为滚珠丝杠导轨。

3.如权利要求1所述的一种串联式六自由度精密调整装置，其特征在于，所述的Z向移动层(1)的中心设置的驱动结构为蜗轮蜗杆驱动结构，X向移动层(3)上设置绕Z轴转动的转动机构为蜗轮蜗杆驱动结构。

4.如权利要求1所述的一种串联式六自由度精密调整装置，其特征在于，所述顶杆铰链机构为Z向旋转层(7)或Y向旋转层(4)一侧装有两个轴和轴承且两个轴心共线，使Y向旋转层(4)或X向旋转层(5)能够绕二者轴线转动，形成一个铰链，而Z向旋转层(7)或Y向旋转层(4)另一侧通过电机驱动蜗轮蜗杆，使Y向旋转层(4)或X向旋转层(5)绕铰链产生角度。

5.如权利要求4所述的一种串联式六自由度精密调整装置，其特征在于，Y向旋转层(4)或X向旋转层(5)绕铰链产生角度范围为0～3度。

6.如权利要求5所述的一种串联式六自由度精密调整装置，其特征在于，所述角度所产生的角位移精度范围为0.001～0.01。

7.如权利要求1所述的一种串联式六自由度精密调整装置，其特征在于，在X向移动层(3)、Y向移动层(2)、Z向移动层(1)、X向旋转层(5)、Y向旋转层(4)和Z向旋转层(7)上分别设置光栅尺，以提高移动精度。

8.如权利要求1所述的一种串联式六自由度精密调整装置，其特征在于，还包括重量传感器，将其设置在Y向旋转层(4)上，监控被测物的质量变化。

9.如权利要求1所述的一种串联式六自由度精密调整装置，其特征在于，底座(6)上设置有气浮孔，通过压缩空气可使整个装置悬浮。

10.如权利要求2所述的一种串联式六自由度精密调整装置，其特征在于，所述滚珠丝杠导轨的摩擦系数为0.001-0.005，传动效率≥90％。