CN105945496B - 用于空间异型管路焊接的多点柔性夹持装置 - Google Patents

用于空间异型管路焊接的多点柔性夹持装置 Download PDF

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Abstract

一种用于空间异型管路焊接的多点柔性夹持装置，包括：固定底板、龙门架、两自由度移动机构、三轴平面操作臂、管路‐接头复合夹钳和滑动设置于固定底板上的五自由度位姿调整机构，其中：两自由度移动机构滑动设置于龙门架的水平部分，三轴平面操作臂与两自由度移动机构相连并位于两自由度移动机构的下方；龙门架横跨固定底板滑动设置于水泥地基上，五自由度位姿调整机构在固定底板上沿龙门架方向等间距分布；管路‐接头复合夹钳设置于五自由度位姿调整机构上方；本发明设计合理，作业快速准确，适用于大型管路的夹持和支撑。

Description

用于空间异型管路焊接的多点柔性夹持装置
技术领域
本发明涉及的是一种机械加工领域的技术，具体是一种用于空间异型管路焊接的多点柔性夹持装置。
背景技术
空间导管系统是一个由若干接头和异型管构成的复杂空间体系，主要作用是实现流体系统的连通关系，常用于联接汽车、飞机乃至航天设备的气路、油路等系统。空间导管系统的制造通常采用焊接工艺实现，传统的手工定位‐焊接方法目前仍是该领域最为常用的技术手段。这种方法生产效率低、定位精度差，无法满足自动化生产对于效率和精度的要求。针对此问题，需要设计一种适合复杂空间管路焊接的柔性夹持工装，解决接头零件的位姿调整速度和精度问题，实现基于仪器设备位姿数据的离体式空间管路焊接工艺，从而提高生产效率。
目前的管路焊接夹持工装大多是针对简单、轻质的管路系统设计的，可以处理空调、冰箱、汽车等设备管路系统的焊接，但不能实现对运载火箭等大型设备管路的可靠夹持和支撑，并且自由度不足的问题不仅使得它们无法实现对一系列尺寸管路的柔性夹持，而且还会减小其操作范围，降低焊接作业的灵活性。
发明内容
本发明针对现有技术无法柔性夹持异型管道接头、夹持装置的数目和相对运动范围较少，且难以解决复杂空间管路系统中各管道相对位姿调整等问题，提出一种用于空间异型管路焊接的多点柔性夹持装置，通过滑动设置于固定底板上的五自由度位姿调整机构，对管道进行快速定位，并通过管路‐接头复合夹钳实现对轴向尺寸较大的管道和管道接头的柔性夹持，作业灵活度高。
本发明是通过以下技术方案实现的：
本发明包括：固定底板、龙门架、两自由度移动机构、三轴平面操作臂、管路‐接头复合夹钳和滑动设置于固定底板上的五自由度位姿调整机构，其中：两自由度移动机构滑动设置于龙门架的水平部分，三轴平面操作臂与两自由度移动机构相连并位于两自由度移动机构的下方；龙门架横跨固定底板滑动设置于水泥地基上，五自由度位姿调整机构在固定底板上沿龙门架方向等间距分布；管路‐接头复合夹钳设置于五自由度位姿调整机构上方。
所述的两自由度移动机构包括：相互滑动设置的X轴移动平台和Z轴移动平台，其中：X轴移动平台的运动方向与龙门架的水平部分平行，Z轴移动平台在竖直平面内运动，方向正交于龙门架的水平部分。
所述的三轴平面操作臂与两自由度移动机构的Z轴移动平台相连，并且三轴平面操作臂的末端连接有焊接设备。
所述的五自由度位姿调整机构包括：由上而下依次相连的A/C轴摆头机构、Z轴移动平台、X轴移动平台和Y轴移动平台，其中：Z轴移动平台滑动设置于X轴移动平台上，X轴移动平台滑动设置于Y轴移动平台上。
所述的A/C轴摆头机构包括：A轴摆头、C轴摆头和摆头基座，其中：C轴摆头与摆头基座转动连接，A轴摆头与C轴摆头转动连接，A轴摆头转动的轴线与C轴摆头转动的轴线正交。
所述的Z轴移动平台、X轴移动平台和Y轴移动平台采用塔式POGO柱布局。
所述的管路‐接头复合夹钳包括：夹钳基座、设置于夹钳基座上方的单自由度接头夹钳、接头固定套和管路支座，其中：接头固定套固定设置于单自由度接头夹钳的末端，管路支座分别设置于单自由度接头夹钳的两侧并与接头固定套同轴设置。
所述的A轴摆头与夹钳基座相连。
所述的单自由度接头夹钳包括：驱动连杆、下连杆和上连杆，其中：驱动连杆与下连杆铰接，上连杆分别与驱动连杆和下连杆铰接。
所述的驱动连杆穿过夹钳基座设置。
所述的接头固定套与上连杆固定连接。
可选的，所述的接头固定套与上连杆一体成形。
所述的管路支座包括：管夹盖和管路衬套，其中：管夹盖为两个铰接的半筒状结构，管路衬套固定设置于管夹盖内侧。
所述的滑动设置是指：与丝杠相连的相对运动部分通过移动驱动组件在水平设置的并且与丝杠相配合的导轨上滑动。
技术效果
与现有技术相比，本发明能够按照管路布置方式的要求，夹持一定外径的各式接头零件进行快速、精确的空间定位和姿态调整，并可在焊接过程中对轴向尺寸较大的弯管进行辅助支撑，以减小焊接位置处的形位误差，提高焊接质量。
附图说明
图1为本发明示意图；
图2为本发明正视图；
图3为本发明侧视图；
图4为两自由度移动机构示意图；
图5为五自由度位姿调整机构示意图；
图6为管路‐接头复合夹钳示意图；
图7为滑动设置示意图；
图中：1固定底板、2五自由度位姿调整机构、3、4、5分别五自由度位姿调整机构的Y轴移动平台、X轴移动平台、Z轴移动平台、6A/C轴摆头机构、7管路‐接头复合夹钳、8龙门架、9两自由度移动机构、10、11分别两自由度移动机构的X轴移动平台、Z轴移动平台、12三轴平面操作臂、13管道、14水泥地基、15A轴摆头、16C轴摆头、17摆头基座、18单自由度接头夹钳、19驱动连杆、20夹钳基座、21下连杆、22上连杆、23接头固定套、24管路支座、25管夹盖、26管路衬套、27导轨、28丝杠、29移动驱动组件。
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1～3所示，本实施例包括：固定底板1、龙门架8、两自由度移动机构9、三轴平面操作臂12、八个管路‐接头复合夹钳7和滑动设置于固定底板1上的八个五自由度位姿调整机构2，其中：两自由度移动机构9滑动设置于龙门架8的水平部分，三轴平面操作臂12与两自由度移动机构9相连并位于两自由度移动机构9的下方；龙门架8横跨固定底板1滑动设置于水泥地基14上，五自由度位姿调整机构2在固定底板1上沿龙门架8方向等间距分布；管路‐接头复合夹钳7设置于五自由度位姿调整机构2上方。
所述的固定底板1是指平整加工的钢板，通过地脚安装和经平整修饰好的水泥地基14固定。
所述的龙门架8为钢制桁架，用来沿Y轴方向移动焊接设备。
如图4所示，所述的两自由度移动机构9包括：相互滑动设置的X轴移动平台10和Z轴移动平台11，其中：X轴移动平台10的运动方向与龙门架8的水平部分平行，Z轴移动平台11在竖直平面内运动，方向正交于龙门架8的水平部分。
所述的三轴平面操作臂12的三个转动轴线相互平行，并通过紧固螺纹与两自由度移动机构9的Z轴移动平台11的下端相连。
所述的三轴平面操作臂12的末端连接有焊接设备。
所述的三轴平面操作臂12为商用平面机械臂，用于调整焊接设备在平面内的二维姿态。
如图5所示，所述的五自由度位姿调整机构2包括：由上而下依次相连的A/C轴摆头机构6、Z轴移动平台5、X轴移动平台4和Y轴移动平台3，其中：Z轴移动平台5滑动设置于X轴移动平台4上，X轴移动平台4滑动设置于Y轴移动平台3上。
所述的A/C轴摆头机构6包括：A轴摆头15、C轴摆头16和摆头基座17，其中：C轴摆头16与摆头基座17转动连接，A轴摆头15与C轴摆头16转动连接，两个转动连接为串联关系。
所述的C轴摆头16的转动为扭转运动，转动轴线平行于竖直方向；A轴摆头15的转动为俯仰运动，A轴摆头15的转动轴线正交于C轴摆头16的转动轴线并与固定底板1所在平面平行。
所述的A轴摆头15和C轴摆头16内的转动连接通过转动直驱组件实现无干涉范围内任意角度的转动。
所述的五自由度位姿调整机构2的Z轴移动平台5、X轴移动平台4和Y轴移动平台3采用塔式POGO柱布局。
如图6所示，所述的管路‐接头复合夹钳7包括：夹钳基座20、设置于夹钳基座20上方的单自由度接头夹钳18、接头固定套23和两个管路支座24，其中：接头固定套23固定设置于单自由度接头夹钳18的末端，管路支座24分别设置于单自由度接头夹钳18的两侧并与接头固定套23同轴设置。
所述的单自由度接头夹钳18包括：驱动连杆19、下连杆21和上连杆22，其中：驱动连杆19与下连杆21铰接，上连杆22分别与驱动连杆19和下连杆21铰接。
所述的驱动连杆19穿过夹钳基座20设置。
所述的A轴摆头15通过紧固螺纹与夹钳基座20相连。
所述的接头固定套23与上连杆22固定连接。
可选的，所述的接头固定套23与上连杆22作为一整体结构进行加工制造。
所述的下连杆21通过移动直驱组件实现无干涉范围内任意距离的移动。
所述的管路支座24包括：管夹盖25和管路衬套26，其中：管夹盖25为两个铰接的半筒状结构，管路衬套26固定设置于管夹盖25内侧。
所述的管夹盖25下方的半筒状结构和夹钳基座20为一体铸造的钢制结构。
所述的管路衬套26和接头固定套23分别根据管道13外径和管道接头类型进行相应设计，并分别与管道13外表面和管道接头的外表面柔性贴合。
如图7所示，所述的滑动设置是指：与丝杠28相连的相对运动部分通过移动驱动组件29在水平设置的并且与丝杠28相配合的导轨27上滑动。
所述的相对运动部分通过移动驱动组件29实现在对应导轨27的全长范围内任意距离的移动。
所述的移动驱动组件29、转动直驱组件和移动直驱组件均采用伺服电机驱动，可直接利用伺服电机自带的旋转编码器或光栅尺作为位移/角度传感器。
工作时，根据仪器设备接头的位姿数据以及管道13的形状和接头的类型，生成位姿调整机构的控制方法，利用伺服电机驱动五自由度位姿调整机构2，对管路‐接头复合夹钳7进行位姿调整，并完成对管道13和管道接头的装夹；基于给定的管路焊接工艺要求，通过伺服电机自带的位移/角度传感器反馈的位姿数据，对安装在三轴平面操作臂12末端的焊接设备进行轨迹规划，并驱动龙门架8、两自由度移动机构9和三轴平面操作臂12以最佳轨迹运动，完成对管道13和管道接头的焊接。

Claims (9)

1.一种用于空间异型管路焊接的多点柔性夹持装置，其特征在于，包括：固定底板、龙门架、两自由度移动机构、三轴平面操作臂、管路-接头复合夹钳和滑动设置于固定底板上的五自由度位姿调整机构，其中：两自由度移动机构滑动设置于龙门架的水平部分，三轴平面操作臂与两自由度移动机构相连并位于两自由度移动机构的下方；龙门架横跨固定底板滑动设置于水泥地基上，五自由度位姿调整机构在固定底板上沿龙门架方向等间距分布；管路-接头复合夹钳设置于五自由度位姿调整机构上方；
所述的两自由度移动机构包括：相互滑动设置的X轴移动平台和Z轴移动平台，其中：X轴移动平台的运动方向与龙门架的水平部分平行，Z轴移动平台在竖直平面内运动，方向正交于龙门架的水平部分；
所述的五自由度位姿调整机构包括：由上而下依次相连的A/C轴摆头机构、Z轴移动平台、X轴移动平台和Y轴移动平台，其中：Z轴移动平台滑动设置于X轴移动平台上，X轴移动平台滑动设置于Y轴移动平台上；
所述的三轴平面操作臂的三个转动轴线相互平行，并通过紧固螺纹与两自由度移动机构的Z轴移动平台的下端相连；
所述的管路-接头复合夹钳包括：夹钳基座、设置于夹钳基座上方的单自由度接头夹钳、接头固定套和管路支座，其中：接头固定套固定设置于单自由度接头夹钳的末端，管路支座分别设置于单自由度接头夹钳的两侧并与接头固定套同轴设置。
2.根据权利要求1所述的多点柔性夹持装置，其特征是，所述的三轴平面操作臂与两自由度移动机构的Z轴移动平台相连，并且三轴平面操作臂的末端连接有焊接设备。
3.根据权利要求1所述的多点柔性夹持装置，其特征是，所述的A/C轴摆头机构包括：A轴摆头、C轴摆头和摆头基座，其中：C轴摆头与摆头基座转动连接，A轴摆头与C轴摆头转动连接，A轴摆头转动的轴线与C轴摆头转动的轴线正交。
4.根据权利要求1所述的多点柔性夹持装置，其特征是，所述的Z轴移动平台、X轴移动平台和Y轴移动平台采用塔式POGO柱布局。
5.根据权利要求1所述的多点柔性夹持装置，其特征是，所述的A/C轴摆头机构包括：A轴摆头、C轴摆头和摆头基座，其中：C轴摆头与摆头基座转动连接，A轴摆头与C轴摆头转动连接，A轴摆头转动的轴线与C轴摆头转动的轴线正交，A轴摆头与夹钳基座相连。
6.根据权利要求1所述的多点柔性夹持装置，其特征是，所述的单自由度接头夹钳包括：驱动连杆、下连杆和上连杆，其中：驱动连杆与下连杆铰接，上连杆分别与驱动连杆和下连杆铰接，驱动连杆穿过夹钳基座设置，接头固定套与上连杆固定连接。
7.根据权利要求6所述的多点柔性夹持装置，其特征是，所述的接头固定套与上连杆一体成形。
8.根据权利要求1所述的多点柔性夹持装置，其特征是，所述的管路支座包括：管夹盖和管路衬套，其中：管夹盖为两个铰接的半筒状结构，管路衬套固定设置于管夹盖内侧。
9.根据权利要求1所述的多点柔性夹持装置，其特征是，所述的滑动设置是指：与丝杠相连的相对运动部分通过移动驱动组件在水平设置的并且与丝杠相配合的导轨上滑动。
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