CN109896049B - 一种直角坐标柔性非接触式连接器自动对接装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于航天发射技术、液化天然气(LNG)运输过程中的直角坐标柔性非接触式连接器自动对接装置及方法。其目的是为了提供一种具有自动化程度高、适应能力强、结构简单、安全、可靠等优点的连接器对接装置及方法。本发明一种直角坐标柔性非接触式连接器自动对接装置包括底座、进退座、横移座、升降座、柔性夹持推进机构、非接触检测系统和连接器组件，进退座安装在底座上方，横移座安装在进退座上方，升降座安装在横移座上方，柔性夹持推进机构安装在升降座上方，非接触检测系统包括目标板和非接触传感器，非接触传感器安装在升降座上，目标板安装在储箱表面上；连接器组件包括连接器，连接器用于与接口连接。

Description

一种直角坐标柔性非接触式连接器自动对接装置及方法

技术领域

本发明涉及一种用于航天发射技术、液化天然气(LNG)运输过程中的直角坐标柔性非接触式连接器自动对接装置及方法。

背景技术

在航天运载火箭发射系统、液化天然气(LNG)卸船系统等领域中，地面推进剂输送管路、卸船臂与火箭贮箱接口、LNG运输船储箱接口间需通过连接器进行对接，实现推进剂、LNG输送或泄出火箭贮箱、运输船储箱。而目前连接器与火箭贮箱接口、LNG运输船储箱接口的对接普遍需通过人工操作完成，且火箭贮箱接口、LNG运输船储箱接口在外界风载、海浪波动作用下在空间多个方向持续晃动，人工完成连接器的对接难度大、劳动强度大、效率低，现场操作危险系数高，容易引发爆炸等安全事故。

发明内容

为了解决运载火箭发射系统、LNG卸船系统等领域中连接器人工对接难度大、劳动强度高、效率低、安全性差的问题，本发明提供了一种直角坐标柔性非接触式连接器自动对接装置及一种对接方法，具有自动化程度高、适应能力强、结构简单、安全、可靠等优点。

本发明一种直角坐标柔性非接触式连接器自动对接装置，包括底座、进退座、横移座、升降座、柔性夹持推进机构、非接触检测系统和连接器组件，所述进退座安装在底座的进退导轨副上，所述横移座安装在进退座的横移导轨副上，所述升降座安装在横移座的升降导轨副上，所述柔性夹持推进机构安装在升降座的推进导轨副上，所述非接触检测系统包括目标板和非接触传感器，所述非接触传感器安装在升降座上，所述目标板安装在储箱表面上；所述连接器组件包括连接器，所述连接器用于与接口连接。

本发明一种直角坐标柔性非接触式连接器自动对接装置，其中所述底座包括底架，所述底架上方的后端安装有进退交流伺服电机、双出轴减速器和两副直角减速器，底架顶部安装有两副进退导轨副和支撑座，两副进退丝杠副一端安装在底架上，另一端安装在支撑座上，所述进退交流伺服电机通过双出轴减速器、传动轴、直角减速器与进退丝杠副进行连接。

本发明一种直角坐标柔性非接触式连接器自动对接装置，其中所述进退座包括进退架，所述进退架安装于进退导轨副上，进退架与进退丝杠副连接，进退架上安装有横移交流伺服电机、支架和两副横移导轨副，所述横移丝杠副安装在进退架及支架上，所述横移交流伺服电机与横移丝杠副连接。

本发明一种直角坐标柔性非接触式连接器自动对接装置，其中所述横移座包括横移架，所述横移架安装于横移导轨副上，横移架与横移丝杠副连接，横移架上安装有升降交流伺服电机、升降机、两副升降导轨副，所述升降交流伺服电机与升降机连接。

本发明一种直角坐标柔性非接触式连接器自动对接装置，其中所述升降座包括升降架，所述升降架安装于升降导轨副上，升降架的底部与升降机连接，升降架的顶部安装有推进气缸和两副水平方向的推进导轨副，所述推进气缸和推进导轨副安装在升降架的顶部。

本发明一种直角坐标柔性非接触式连接器自动对接装置，其中所述升降架前端的左右两侧各安装有一套非接触传感器。

本发明一种直角坐标柔性非接触式连接器自动对接装置，其中所述柔性夹持推进机构包括推进架，所述推进架安装于推进导轨副上，推进架与推进气缸连接，推进架上通过左右两套回转座分别安装有两套夹持气缸，推进架前端通过内销轴安装有两套夹钳，夹持气缸通过外销轴与夹钳连接，每个夹钳上安装有若干套柔性气缸，柔性气缸前端安装有顶杆。

本发明一种直角坐标柔性非接触式连接器自动对接装置，其中所述连接器组件还包括管路，所述管路位于连接器后端，管路上安装有夹持座，所述顶杆位于夹持座四周，顶杆伸出时能够夹紧夹持座。

本发明一种直角坐标柔性非接触式连接器自动对接的方法，包括以下步骤：

a)启动连接器自动对接流程，首先将进退座、横移座、升降座复位，推进气缸后退带动柔性夹持推进机构复位，夹持气缸伸出推动夹钳合拢，柔性气缸伸出推动顶杆在进退、横移、升降三个方向夹紧连接器组件上的夹持座；

b)通过非接触传感器实时检测储箱上目标板的位置，并由控制系统解算获得连接器与储箱接口在进退、横移、升降三个方向的位置偏差；

c)进退交流伺服电机动作，经进退丝杠副驱动进退座前进靠近储箱，当非接触传感器检测进退座与目标板在进退方向距离满足连接器与储箱接口的对接要求时，进退座与目标板在进退方向进行同步跟随运动；

d)横移交流伺服电机动作，经横移丝杠副驱动横移座进行横移运动，当非接触传感器检测横移座与目标板在横移方向距离满足连接器与储箱接口的对接要求时，横移座与目标板在横移方向进行同步跟随运动；

e)升降交流伺服电机动作，经升降机驱动升降座进行升降运动，当非接触传感器检测升降座与目标板在升降方向距离满足连接器与储箱接口的对接要求时，升降座与目标板在升降方向进行同步跟随运动；

f)推进气缸动作，推动柔性夹持推进机构及连接器组件前进，连接器通过前端锥形结构插入储箱接口内，并通过多组柔性气缸柔性调整连接器各自由度位姿，以适应连接器与储箱接口在对接过程中的位姿偏差；

g)连接器完成与储箱接口对接后，柔性气缸带动顶杆回收，与连接器组件中的夹持座分离，夹持气缸回收，带动夹钳打开，推进气缸回收带动柔性夹持推进机构后退复位；

h)进退座后退复位，横移座复位，升降座复位，连接器自动对接流程结束。

本发明一种直角坐标柔性非接触式连接器自动对接装置及方法与现有技术不同之处在于：

(1)本发明中，由底座、进退座、横移座、升降座组成了直角坐标式机器人结构，进退、横移、升降方向均由交流伺服电机进行驱动，各向运动相互独立、无耦合、运动范围大、动态性能好，实现了连接器组件与储箱接口在进退、横移、升降方向的同步跟随功能；

(2)本发明中，通过柔性夹持推进机构多组柔性气缸及顶杆对连接器组件的柔性夹持作用，实现了连接器与储箱接口在对接过程中出现位姿偏差时的柔性调整功能；

(3)本发明中，采用非接触检测系统实现了连接器与储箱接口在进退、横移、升降三个方向的位置偏差检测功能。

上述的技术特征所带来的效果，使得本发明的技术方案能够有效解决目前人工操作完成连接器对接的问题，并且自动化程度高、适应能力强、结构简单、安全、可靠。

下面结合附图对本发明的一种直角坐标柔性非接触式连接器自动对接装置及方法作进一步说明。

附图说明

图1为本发明一种直角坐标柔性非接触式连接器自动对接装置的应用示意图；

图2为本发明一种直角坐标柔性非接触式连接器自动对接装置的左视图；

图3为图2的俯视图；

图4为本发明一种直角坐标柔性非接触式连接器自动对接装置的主视图。

具体实施方式

如图1-4所示，本发明一种直角坐标柔性非接触式连接器自动对接装置包括底座1、进退座2、横移座3、升降座4、柔性夹持推进机构5、非接触检测系统6和连接器组件7。

底座1包括底架1-1，底架1-1上后端安装有进退交流伺服电机1-2、双出轴减速器1-3和两副直角减速器1-5。底架1-1顶部安装有两副进退导轨副1-6和支撑座1-8，两副进退丝杠副1-7一端安装在底架1-1上，另一端安装在支撑座1-8上。进退交流伺服电机1-2通过双出轴减速器1-3、传动轴1-4、直角减速器1-5与进退丝杠副1-7进行连接，进退交流伺服电机1-2工作时带动进退丝杠副1-7转动。

进退座2位于底座1上方，包括进退架2-1。进退架2-1活动安装于进退导轨副1-6上，并能够沿进退导轨副1-6水平前后滑动，进退架2-1还与进退丝杠副1-7连接。进退丝杠副1-7工作时可以带动进退架2-1运动。进退架2-1上安装有横移交流伺服电机2-2、支架2-5和两副横移导轨副2-3。横移丝杠副2-4安装在进退架2-1及支架2-5上。横移交流伺服电机2-2与横移丝杠副2-4连接。

横移座3位于进退座2上方，包括横移架3-1。横移架3-1活动安装于横移导轨副2-3上，并能够沿横移导轨副2-3水平左右滑动，横移架3-1还与横移丝杠副2-4连接。横移丝杠副2-4工作时可以带动横移架3-1运动。横移架3-1上安装有升降交流伺服电机3-2、升降机3-3、两副升降导轨副3-4。升降交流伺服电机3-2与升降机3-3连接。

升降座4位于横移座3上方，包括升降架4-1。升降架4-1活动安装于升降导轨副3-4上，并能够沿升降导轨副3-4竖直滑动，升降架4-1的底部与升降机3-3连接。升降架4-1的顶部安装有推进气缸4-3和两副水平方向的推进导轨副4-2。

柔性夹持推进机构5位于升降座4上方，包括推进架5-1。推进架5-1活动安装于推进导轨副4-2上，并能够沿推进导轨副4-2水平前后滑动。推进架5-1还与推进气缸4-3连接，推进架5-1上通过左右两套回转座5-2分别安装有两套夹持气缸5-3。推进架5-1前端通过内销轴5-4安装有两套夹钳5-5，夹持气缸5-3通过外销轴5-6与夹钳5-5连接，每个夹钳5-5上安装有6套柔性气缸5-7，柔性气缸5-7前端安装有顶杆5-8。

非接触检测系统6包括目标板6-2和两套非接触传感器6-1，两套非接触传感器6-1分别安装在升降架4-1前端左右两侧，目标板6-2安装在储箱B表面上。

连接器组件7包括连接器7-1，连接器7-1用于与储箱接口A连接。连接器7-1后端与管路7-2连接，管路7-2上安装有两套夹持座7-3。柔性夹持推进机构5中的柔性气缸5-7可以带动顶杆5-8夹紧夹持座7-3。

本发明一种直角坐标柔性非接触式连接器自动对接的方法，其步骤如下：

(1)启动连接器自动对接流程，首先将进退座2、横移座3、升降座4复位，推进气缸4-3后退带动柔性夹持推进机构5复位，夹持气缸5-3伸出推动夹钳5-6合拢，柔性气缸5-7伸出推动顶杆5-8在进退、横移、升降三个方向夹紧连接器组件7上的夹持座7-3；

(2)通过非接触传感器6-1实时检测储箱上目标板6-2的位置，并由控制系统(图中未示出)解算获得连接器7-1与储箱接口A在进退、横移、升降三个方向的位置偏差；

(3)进退交流伺服电机1-2动作，经进退丝杠副1-7驱动进退座2前进靠近储箱，当非接触传感器6-1检测进退座2与目标板6-2在进退方向距离满足连接器7-1与储箱接口A的对接要求时，进退座2与目标板6-2在进退方向进行同步跟随运动；

(4)横移交流伺服电机2-2动作，经横移丝杠副2-4驱动横移座3进行横移运动，当非接触传感器6-1检测横移座3与目标板6-2在横移方向距离满足连接器7-1与储箱接口A的对接要求时，横移座3与目标板6-2在横移方向进行同步跟随运动；

(5)升降交流伺服电机3-2动作，经升降机3-3驱动升降座4进行升降运动，当非接触传感器6-1检测升降座4与目标板6-2在升降方向距离满足连接器7-1与储箱接口A的对接要求时，升降座4与目标板6-2在升降方向进行同步跟随运动；

(6)推进气缸4-3动作，推动柔性夹持推进机构5及连接器组件7前进，连接器7-1通过前端锥形结构插入储箱接口A内，并通过12组柔性气缸5-7柔性调整连接器7-1各自由度位姿，以适应连接器7-1与储箱接口A在对接过程中的位姿偏差；

(7)连接器7-1完成与储箱接口对接后，柔性气缸5-7带动顶杆5-8回收，与连接器组件7中的夹持座7-3分离，夹持气缸5-3回收，带动夹钳5-5打开，推进气缸4-3回收带动柔性夹持推进机构5后退复位；

(8)进退座2后退复位，横移座3复位，升降座4复位，连接器自动对接流程结束。

本发明中，由底座、进退座、横移座、升降座组成了直角坐标式机器人结构，进退、横移、升降方向均由交流伺服电机进行驱动，各向运动相互独立、无耦合、运动范围大、动态性能好，实现了连接器组件与储箱接口在进退、横移、升降方向的同步跟随功能；

本发明中，通过柔性夹持推进机构多组柔性气缸及顶杆对连接器组件的柔性夹持作用，实现了连接器与储箱接口在对接过程中出现位姿偏差时的柔性调整功能；

本发明中，采用非接触检测系统实现了连接器与储箱接口在进退、横移、升降三个方向的位置偏差检测功能。

以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。

Claims (7)

1.一种直角坐标柔性非接触式连接器自动对接装置，其特征在于：包括底座、进退座、横移座、升降座、柔性夹持推进机构、非接触检测系统和连接器组件，所述进退座安装在底座的进退导轨副上，所述横移座安装在进退座的横移导轨副上，所述升降座安装在横移座的升降导轨副上，所述柔性夹持推进机构安装在升降座的推进导轨副上，所述非接触检测系统包括目标板和非接触传感器，所述非接触传感器安装在升降座上，所述目标板安装在储箱表面上；所述连接器组件包括连接器，所述连接器用于与接口连接；

所述升降座包括升降架，所述升降架安装于升降导轨副上，升降架的底部与升降机连接，升降架的顶部安装有推进气缸和两副水平方向的推进导轨副；

所述柔性夹持推进机构包括推进架，所述推进架安装于推进导轨副上，推进架与推进气缸连接，推进架上通过左右两套回转座分别安装有两套夹持气缸，推进架前端通过内销轴安装有两套夹钳，夹持气缸通过外销轴与夹钳连接，每个夹钳上安装有若干套柔性气缸，柔性气缸前端安装有顶杆。

2.根据权利要求1所述的一种直角坐标柔性非接触式连接器自动对接装置，其特征在于：所述底座包括底架，所述底架上方的后端安装有进退交流伺服电机、双出轴减速器和两副直角减速器，底架顶部安装有两副进退导轨副和支撑座，两副进退丝杠副一端安装在底架上，另一端安装在支撑座上，所述进退交流伺服电机通过双出轴减速器、传动轴、直角减速器与进退丝杠副进行连接。

3.根据权利要求1所述的一种直角坐标柔性非接触式连接器自动对接装置，其特征在于：所述进退座包括进退架，所述进退架安装于进退导轨副上，进退架与进退丝杠副连接，进退架上安装有横移交流伺服电机、支架和两副横移导轨副，横移丝杠副安装在进退架及支架上，所述横移交流伺服电机与横移丝杠副连接。

4.根据权利要求1所述的一种直角坐标柔性非接触式连接器自动对接装置，其特征在于：所述横移座包括横移架，所述横移架安装于横移导轨副上，横移架与横移丝杠副连接，横移架上安装有升降交流伺服电机、升降机、两副升降导轨副，所述升降交流伺服电机与升降机连接。

5.根据权利要求1所述的一种直角坐标柔性非接触式连接器自动对接装置，其特征在于：所述升降架前端的左右两侧各安装有一套非接触传感器。

6.根据权利要求1所述的一种直角坐标柔性非接触式连接器自动对接装置，其特征在于：所述连接器组件还包括管路，所述管路位于连接器后端，管路上安装有夹持座，所述顶杆位于夹持座四周，顶杆伸出时能够夹紧夹持座。

7.一种直角坐标柔性非接触式连接器自动对接的方法，其特征在于：采用如权利要求1所述的直角坐标柔性非接触式连接器自动对接装置，包括以下步骤：

a)启动连接器自动对接流程，首先将进退座、横移座、升降座复位，推进气缸后退带动柔性夹持推进机构复位，夹持气缸伸出推动夹钳合拢，柔性气缸伸出推动顶杆在进退、横移、升降三个方向夹紧连接器组件上的夹持座；

b)通过非接触传感器实时检测储箱上目标板的位置，并由控制系统解算获得连接器与储箱接口在进退、横移、升降三个方向的位置偏差；

c)进退交流伺服电机动作，经进退丝杠副驱动进退座前进靠近储箱，当非接触传感器检测进退座与目标板在进退方向距离满足连接器与储箱接口的对接要求时，进退座与目标板在进退方向进行同步跟随运动；

d)横移交流伺服电机动作，经横移丝杠副驱动横移座进行横移运动，当非接触传感器检测横移座与目标板在横移方向距离满足连接器与储箱接口的对接要求时，横移座与目标板在横移方向进行同步跟随运动；

e)升降交流伺服电机动作，经升降机驱动升降座进行升降运动，当非接触传感器检测升降座与目标板在升降方向距离满足连接器与储箱接口的对接要求时，升降座与目标板在升降方向进行同步跟随运动；

f)推进气缸动作，推动柔性夹持推进机构及连接器组件前进，连接器通过前端锥形结构插入储箱接口内，并通过多组柔性气缸柔性调整连接器各自由度位姿，以适应连接器与储箱接口在对接过程中的位姿偏差；

g)连接器完成与储箱接口对接后，柔性气缸带动顶杆回收，与连接器组件中的夹持座分离，夹持气缸回收，带动夹钳打开，推进气缸回收带动柔性夹持推进机构后退复位；

h)进退座后退复位，横移座复位，升降座复位，连接器自动对接流程结束。

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