CN107598508A - 一种大长径比工件对接装配用多自由度数控调姿平台 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大长径比工件对接装配用多自由度数控调姿平台，包括作业平台、横移机构、升降俯仰机构、摆转机构、进给机构和底座。本发明增加了进给机构，通过伺服电机系统IV的驱动，实现了作业平台的水平进给运动，与原有的水平横移、竖直升降、水平面摆转和竖直面俯仰运动相结合，实现了五自由度调姿运动。本发明采用摆转机构实现大长径比工件水平面摆转调姿，可为大长径比工件提供高跨距稳定支撑，便于定位校准。本发明的升降俯仰机构可同时满足作业平台的竖直升降和竖直面俯仰调姿运动，伺服电机驱动的水平向运动与竖直向升降运动呈线性关系，便于数控定量运动。本发明调姿精度高，静态刚度和运动稳定性好，便于整机集成安装和搬运。

Description

一种大长径比工件对接装配用多自由度数控调姿平台

技术领域

本发明属于自动化装配技术领域，特别涉及一种适用于大长径比工件对接装配用多自由度数控调姿平台。

背景技术

在某些长梁形、长轴形和长管形等工件与被连接体装配中，当被连接体的体积重量较大时，一般将被连接体固定，其法兰或其它结构形式装配接口在侧向露出，大长径比工件取卧姿在水平面内相对被连接件进行进给运动，到达二者正确的安装位置完成对接装配。装配过程中，为保证二者的装配基准线同轴，并确保连接接触端面正确紧密贴合，需要对大长径比工件进行空间多自由度调姿，确保其安装位姿准确。在此过程中，若大长径比工件调姿运动自由度少或调姿精度低，易导致装配后产生几何误差，同时未正确定位的强迫装配会产生装配应力，这些问题都会直接影响装配体性能，在诸如航空发动机涡轮轴等重要大长径比工件对接装配中，任何装配缺陷可能导致严重事故，因此在此类大长径比工件装配过程中对其进行高精度的多自由度调姿对于保障装配性能尤为重要。

现各行业内对于大长径比工件在对接装配中调姿运动，一般采取简单机械机构配合人工手动操作方式来实现，没有通过利用高性能的自动化平台来进行工作，主要存在以下不足：(1)调姿运动自由度少：大多数机构只能实现工件的直线运动调姿，难实现其转动调姿，由于每组待装配体的初始配对位姿随机，单纯直线运动难以实现二者精确配合；(2)调姿运动精度低：人力驱动方式运动精度低，定位误差大，装配一致性差；(3)自动化程度低：大程度依赖人工操作，导致安装效率低下，对工人技能要求高，工作强度大。

中国专利CN201310098161.4公开了《一种飞机发动机安装用多轴调姿平台》，该平台包括工作平台、平移机构、转台机构、升降俯仰机构、平台底座等，其中升降俯仰机构包括左上滑动座、左升降机构、右升降机构、右上固定座，其中左升降机构和右升降机构均采用相同工作原理的结构并具有单侧升降的调姿功能，各运动机构均采用伺服电机驱动的纯机械式结构。该平台提供了一种承载能力强、安装精度高、调整范围大的飞机发动机数控安装用多轴调姿平台，减轻了工人的劳动强度，提高了工作效率和安装质量。

但该平台只具有四个运动自由度，没有平台水平进给运动功能，即无法满足工件对接过程中进给运动要求；该平台的水平转动通过转台机构实现，通过一个带内齿的大型轴承进行承载和导向，当大长径比工件的长度尺寸较大时，造成工件或安装工件的作业平台悬出尺寸较大，影响刚度和运动稳定性，同时单一轴承支撑造成工件的水平转动中心难以靠近其装配端，使水平转动调姿时装配端运动幅度过大，影响定位校准；该平台的升降俯仰机构中的左升降机构和右升降机构均由两个“人”字形连杆机构组成，该升降机构设计使得螺母座的水平运动运动与左上滑动座或右上固定座的竖直运动运动不成线性关系，即控制伺服电机的转动圈数与升降机构的升降距离不成线性关系，造成数控定量运动困难；该平台中的带内齿的大型轴承和多组“人”字形连杆等设计所占空间大，尤其横向(Y向)整体尺寸较大，对于大长径比工件的使用结构冗余，同时不便于整体平台的集成安装与搬运。

为解决上述问题，保证大长径比工件的对接装配质量，提高工作效率，研制出高性能的多自由度数控调姿平台是亟待解决的问题。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明设计一种既能实现水平横移、竖直升降、水平面摆转和竖直面俯仰四自由度调姿运动，又能实现工件水平进给对接运动、同时便于定位校准、易于数控定量运动和结构紧凑的大长径比工件对接装配用多自由度数控调姿平台。

本发明的技术方案是：一种大长径比工件对接装配用多自由度数控调姿平台，包括作业平台、横移机构、升降俯仰机构和底座；

所述的作业平台的上部设置夹具，用于安装工件；

所述的横移机构由直线导轨滑块副II、丝杠螺母副II、伺服电机系统II和横移机构安装座组成。摆转机构安装座通过直线导轨滑块副II和丝杠螺母副II与横移机构安装座相连接，伺服电机系统II与丝杠螺母副II相连接，驱动摆转机构安装座相对横移机构安装座横向直线运动，实现作业平台的水平横移运动。

所述的调姿平台还包括摆转机构和进给机构；

所述的摆转机构由圆弧导轨滑块副、矩形孔固定座、拨杆、直线导轨滑块副I、丝杠螺母副I、伺服电机系统I、摆转机构安装座和轴承组成；摆转机构安装座一端通过轴承与作业平台相连接，另一端通过圆弧导轨滑块副与作业平台相连接，实现作业平台在水平面内以轴承为旋转中心相对摆转机构安装座摆转导向。拨杆通过直线导轨滑块副I和丝杠螺母副I安装于作业平台上，伺服电机系统I与丝杠螺母副I相连接，驱动拨杆在作业平台上横向直线运动；矩形孔固定座安装于摆转机构安装座上，拨杆伸入到矩形孔固定座的矩形孔内，与矩形孔宽度方向上间隙配合，并沿矩形孔长度方向滑动，实现将拨杆的直线运动转化为作业平台的水平面摆转运动。

所述的升降俯仰机构由升降机构I、升降机构II、连接垫块、直线导轨滑块副III和安装座组成。升降机构I和升降机构II分别安装于安装座两端，升降机构I通过连接垫块与横移机构安装座一端相固接，升降机构II通过导轨滑块副III与横移机构安装座另一端相连接，升降机构I和升降机构II的同步升降和异步升降分别实现作业平台的竖直升降运动和竖直面俯仰运动。

所述的升降机构I与升降机构II具有相同的结构形式，由直线导轨滑块副IV、楔形滑动座、丝杠螺母副III、升降滑动座、直线导轨滑块副V、铰座、直线轴承副和伺服电机系统III组成。楔形滑动座底端通过直线导轨滑块副IV和丝杠螺母副III与安装座相连接，伺服电机系统III与丝杠螺母副III相连接，驱动楔形滑动座相对安装座直线运动；楔形滑动座顶端通过直线导轨滑块副V与升降滑动座相连接，直线导轨滑块副IV与直线导轨滑块副V的运动方向在竖直面上呈斜角，升降滑动座与竖直放置的直线轴承副连接，实现将楔形滑动座的水平直线运动转化为升降滑动座的竖直直线运动。升降滑动座上安装有铰座，实现升降机构I与连接垫块的铰接，以及升降机构II与直线导轨滑块副III的铰接。

所述的进给机构由直线导轨滑块副VI、齿轮齿条副、伺服电机系统IV和安装座组成。安装座通过直线导轨滑块副VI和齿轮齿条副与底座相连接，伺服电机系统IV与齿轮齿条副相连接，驱动安装座相对底座直线运动。

进一步地，所述的夹具具有多种尺寸规格。

进一步地，所述的斜角为15°—30°。

与现有技术相比，本发明的效果和益处是：

1、本发明增加了进给机构，通过伺服电机系统IV的驱动，实现了作业平台的水平进给运动，与原有的水平横移、竖直升降、水平面摆转和竖直面俯仰运动相结合，实现了五自由度调姿运动。

2、本发明采用摆转机构实现大长径比工件水平面摆转调姿，摆转机构采用轴承和圆弧导轨滑块副两端支撑的方式，可为大长径比工件提供高跨距稳定支撑；采用以轴承为运动轴心，采用远端驱动的方式，将较长距离的线性运动转化为较小角度的摆转运动，便于微量调姿；运动轴心位置靠近大长径比工件装配端，减少装配端在水平面摆转调姿过程中位置偏移，便于定位校准。

3、本发明的升降俯仰机构可同时满足作业平台的竖直升降和竖直面俯仰调姿运动，功能性强；升降机构应用楔形滑动座结构，满足大重量承载，将较长距离的水平向运动转化为铰短距离的竖直向升降运动，满足工件微距调整要求，同时伺服电机驱动的水平向运动与竖直向升降运动呈线性关系，便于数控定量运动。

4、本发明采用了多种自由度运动执行机构组合形式，实现工件水平进给对接运动以及水平横移、竖直升降、水平面摆转和竖直面俯仰多自由度调姿运动功能，满足其精确对接装配要求。

5、本发明全部采用机械式结构设计，调姿精度高，静态刚度和运动稳定性好，本发明各功能部件布局合理，整体结构紧凑，便于整机集成安装和搬运。

6、本发明的各轴运动部件均采用伺服驱动的方式，自动化程度高，提高工作效率，减少工人技能要求和劳动强度。

7、本发明通过在作业平台上设置不同规格夹具，实现对多种结构形式工件安装，单机具备较高扩展性。

附图说明

图1是大长径比工件对接装配用多自由度数控调姿平台的结构示意图。

图2是大长径比工件对接装配用多自由度数控调姿平台的爆炸结构示意图。

图3是摆转机构的结构示意图。

图4是升降俯仰机构的结构示意图。

图中：1、作业平台，2、摆转机构，3、横移机构，4、升降俯仰机构，5、进给机构，6、底座，7、圆弧导轨滑块副，8、矩形孔固定座，9、拨杆，10、直线导轨滑块副I，11、丝杠螺母副I，12、伺服电机系统I，13、摆转机构安装座，14、轴承，15、直线导轨滑块副II，16、丝杠螺母副II，17、伺服电机系统II，18、横移机构安装座，19、升降机构I，20、升降机构II，21、连接垫块，22、直线导轨滑块副III，23、安装座，24、直线导轨滑块副IV，25、楔形滑动座，26、丝杠螺母副III，27、升降滑动座，28、直线导轨滑块副V，29、铰座，30、直线轴承副，31伺服电机系统III，32、直线导轨滑块副VI，33、齿轮齿条副，34、伺服电机系统IV。

具体实施方式

以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。

如图1-4所示，一种大长径比工件对接装配用多自由度数控调姿平台，包括作业平台1、横移机构3、升降俯仰机构4和底座6；

所述的作业平台1的上部设置夹具，用于安装工件；

所述的横移机构3由直线导轨滑块副II15、丝杠螺母副II16、伺服电机系统II17和横移机构安装座18组成。摆转机构安装座13通过直线导轨滑块副II15和丝杠螺母副II16与横移机构安装座18相连接，伺服电机系统II17与丝杠螺母副II16相连接，驱动摆转机构安装座13相对横移机构安装座18横向直线运动，实现作业平台1的水平横移运动。

所述的调姿平台还包括摆转机构2和进给机构5；

所述的摆转机构2由圆弧导轨滑块副7、矩形孔固定座8、拨杆9、直线导轨滑块副I10、丝杠螺母副I11、伺服电机系统I12、摆转机构安装座13和轴承14组成；摆转机构安装座13一端通过轴承14与作业平台1相连接，另一端通过圆弧导轨滑块副7与作业平台1相连接，实现作业平台1在水平面内以轴承14为旋转中心相对摆转机构安装座13摆转导向。拨杆9通过直线导轨滑块副I10和丝杠螺母副I11安装于作业平台1上，伺服电机系统I12与丝杠螺母副I11相连接，驱动拨杆9在作业平台1上横向直线运动；矩形孔固定座8安装于摆转机构安装座13上，拨杆9伸入到矩形孔固定座8的矩形孔内，与矩形孔宽度方向上间隙配合，并沿矩形孔长度方向滑动，实现将拨杆9的直线运动转化为作业平台1的水平面摆转运动。

所述的升降俯仰机构4由升降机构I19、升降机构II20、连接垫块21、直线导轨滑块副III22和安装座23组成。升降机构I19和升降机构II20分别安装于安装座23两端，升降机构I19通过连接垫块21与横移机构安装座18一端相固接，升降机构II20通过导轨滑块副III22与横移机构安装座18另一端相连接，升降机构I19和升降机构II20的同步升降和异步升降分别实现作业平台1的竖直升降运动和竖直面俯仰运动。

所述的升降机构I19与升降机构II20具有相同的结构形式，由直线导轨滑块副IV24、楔形滑动座25、丝杠螺母副III26、升降滑动座27、直线导轨滑块副V28、铰座29、直线轴承副30和伺服电机系统III31组成。楔形滑动座25底端通过直线导轨滑块副IV24和丝杠螺母副III26与安装座23相连接，伺服电机系统III31与丝杠螺母副III26相连接，驱动楔形滑动座25相对安装座23直线运动；楔形滑动座25顶端通过直线导轨滑块副V28与升降滑动座27相连接，直线导轨滑块副IV24与直线导轨滑块副V28的运动方向在竖直面上呈斜角，升降滑动座27与竖直放置的直线轴承副30连接，实现将楔形滑动座25的水平直线运动转化为升降滑动座27的竖直直线运动。升降滑动座27上安装有铰座29，实现升降机构I19与连接垫块21的铰接，以及升降机构II20与直线导轨滑块副III22的铰接。

所述的进给机构5由直线导轨滑块副VI32、齿轮齿条副33、伺服电机系统IV34和安装座23组成。安装座23通过直线导轨滑块副VI32和齿轮齿条副33与底座6相连接，伺服电机系统IV34与齿轮齿条副33相连接，驱动安装座23相对底座6直线运动。

进一步地，所述的夹具具有多种尺寸规格。

进一步地，所述的斜角为15°—30°。

本发明的工作方法如下：将大长径比工件通过相应规格夹具安装在作业平台1上，通过伺服电机系统IV34工作，驱动安装座23相对底座6进给运动，实现作业平台1及其上安装的工件进给至与被连接体相距适当位置，测量或比对工件的连接装配定位结构和被连接体的连接装配定位结构的相对位姿偏差，对工件进行多自由度位姿调整：通过伺服电机系统I12工作，驱动拨杆9在作业平台1上横向运动，带动作业平台1以轴承14结构为轴心相对摆转机构安装座13转动，实现工件水平面摆转调姿；通过伺服电机系统II17工作，驱动摆转机构安装座13相对横移机构安装座18横向运动，实现作业平台1及其上安装的工件水平横移调姿；通过数控两组伺服电机系统III31同步工作，同步驱动升降机构I和升降机构II升降，带动横移机构安装座18相对安装座23竖直运动，实现作业平台1及其上安装的工件水平竖直升降调姿；通过通过数控两组伺服电机系统III31异步工作，异步驱动升降机构I和升降机构II升降，带动横移机构安装座18相对安装座23转动，实现作业平台1及其上安装的工件竖直面俯仰调姿。经过多自由度位姿调整后，工件的连接装配定位结构和被连接体的连接装配定位结构处于正确相对位姿，伺服电机系统IV34工作，驱动安装座23相对底座6进给运动，实现作业平台1及其上安装的工件进给运动，使工件的连接接触面与被连接体的连接接触面正确紧密贴合，完成工件与被连接体的对接。

本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种大长径比工件对接装配用多自由度数控调姿平台，包括作业平台(1)、横移机构(3)、升降俯仰机构(4)和底座(6)；

所述的作业平台(1)的上部设置夹具，用于安装工件；

所述的横移机构(3)由直线导轨滑块副II(15)、丝杠螺母副II(16)、伺服电机系统II(17)和横移机构安装座(18)组成；摆转机构安装座(13)通过直线导轨滑块副II(15)和丝杠螺母副II(16)与横移机构安装座(18)相连接，伺服电机系统II(17)与丝杠螺母副II(16)相连接，驱动摆转机构安装座(13)相对横移机构安装座(18)横向直线运动，实现作业平台(1)的水平横移运动；

其特征在于：所述的调姿平台还包括摆转机构(2)和进给机构(5)；

所述的摆转机构(2)由圆弧导轨滑块副(7)、矩形孔固定座(8)、拨杆(9)、直线导轨滑块副I(10)、丝杠螺母副I(11)、伺服电机系统I(12)、摆转机构安装座(13)和轴承(14)组成；摆转机构安装座(13)一端通过轴承(14)与作业平台(1)相连接，另一端通过圆弧导轨滑块副(7)与作业平台(1)相连接，实现作业平台(1)在水平面内以轴承(14)为旋转中心相对摆转机构安装座(13)摆转导向；拨杆(9)通过直线导轨滑块副I(10)和丝杠螺母副I(11)安装于作业平台(1)上，伺服电机系统I(12)与丝杠螺母副I(11)相连接，驱动拨杆(9)在作业平台(1)上横向直线运动；矩形孔固定座(8)安装于摆转机构安装座(13)上，拨杆(9)伸入到矩形孔固定座(8)的矩形孔内，与矩形孔宽度方向上间隙配合，并沿矩形孔长度方向滑动，实现将拨杆(9)的直线运动转化为作业平台(1)的水平面摆转运动；

所述的升降俯仰机构(4)由升降机构I(19)、升降机构II(20)、连接垫块(21)、直线导轨滑块副III(22)和安装座(23)组成；升降机构I(19)和升降机构II(20)分别安装于安装座(23)两端，升降机构I(19)通过连接垫块(21)与横移机构安装座(18)一端相固接，升降机构II(20)通过导轨滑块副III(22)与横移机构安装座(18)另一端相连接，升降机构I(19)和升降机构II(20)的同步升降和异步升降分别实现作业平台(1)的竖直升降运动和竖直面俯仰运动；

所述的升降机构I(19)与升降机构II(20)具有相同的结构形式，由直线导轨滑块副IV(24)、楔形滑动座(25)、丝杠螺母副III(26)、升降滑动座(27)、直线导轨滑块副V(28)、铰座(29)、直线轴承副(30)和伺服电机系统III(31)组成；楔形滑动座(25)底端通过直线导轨滑块副IV(24)和丝杠螺母副III(26)与安装座(23)相连接，伺服电机系统III(31)与丝杠螺母副III(26)相连接，驱动楔形滑动座(25)相对安装座(23)直线运动；楔形滑动座(25)顶端通过直线导轨滑块副V(28)与升降滑动座(27)相连接，直线导轨滑块副IV(24)与直线导轨滑块副V(28)的运动方向在竖直面上呈斜角，升降滑动座(27)与竖直放置的直线轴承副(30)连接，实现将楔形滑动座(25)的水平直线运动转化为升降滑动座(27)的竖直直线运动；升降滑动座(27)上安装有铰座(29)，实现升降机构I(19)与连接垫块(21)的铰接，以及升降机构II(20)与直线导轨滑块副III(22)的铰接；

所述的进给机构(5)由直线导轨滑块副VI(32)、齿轮齿条副(33)、伺服电机系统IV(34)和安装座(23)组成；安装座(23)通过直线导轨滑块副VI(32)和齿轮齿条副(33)与底座(6)相连接，伺服电机系统IV(34)与齿轮齿条副(33)相连接，驱动安装座(23)相对底座(6)直线运动。

2.根据权利要求1所述的一种大长径比工件对接装配用多自由度数控调姿平台，其特征在于：所述的夹具具有多种尺寸规格。

3.根据权利要求1所述的一种大长径比工件对接装配用多自由度数控调姿平台，其特征在于：所述的斜角为15°—30°。