CN109955049B - 一种可用于大型装配的立式调姿系统 - Google Patents

Abstract

本申请公开了一种可用于大型装配的立式调姿系统，包括支撑平台、配重系统、升降驱动机构、位姿调整系统、第一导轨和第一滑块；配重系统包括配重块、导向滑轮、牵引绳和吊环；升降驱动机构包括第一滚珠丝杠、蜗轮蜗杆、固定支座、第一伺服电机减速器以及手摇接口；位姿调整系统包括升降支架、五自由调姿机构和伸缩机构；五自由度调姿机构包括X、Y向旋转机构、X、Y向移动机构、Z向旋转机构、固定板、连接轴和虎克铰；伸缩机构包括伸缩臂、第四导轨、第四滑块、虎克铰连接座、固定架和伸缩驱动装置成；本发明的立式调姿系统具有结构紧凑、工作范围大、位姿调整灵活、装配效率高、操作简单且操作精度高，对大部件的自动化精密装配同样适用。

Description

一种可用于大型装配的立式调姿系统

技术领域

本发明属于自动化装配技术领域的设备，具体涉及一种可用于大型装配的立式调姿系统。

背景技术

当前我国大型部件的装配和分解过程中，主要依靠吊车和人力来完成，尤其是对装配精度要求高的场合，如飞机舱体多段拼接的装配，卫星舱和卫星本体间的装配，航空发动机检修时的装配，火箭筒间的装配等，需要众多人力共同完成，严重依靠工人的经验，效率极低，并且很容易由于操作不当造成零部件的磕碰或损坏，给生产造成严重损失。随着科学技术的不断提升，对精度和生产装配效率要求越来越高，智能化自动装配设备对当前的形式变得越来越重要。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种可用于大型装配的立式调姿系统，通过电机驱动蜗轮蜗杆从而带动位姿调整系统垂向运动。通过布置于升降支架和连接轴上的驱动机构、转盘轴承、电动缸完成五自由度的调姿。通过伸缩机构完成伸缩臂的拓宽运动。通过配重系统使得位姿调姿系统的而整体重心向支撑平台偏移。此立式调姿系统具有结构紧凑、工作范围大、位姿调整灵活、操作简单且操作精度高，装配效率高，可用于对大部件的自动化精密装配。

本发明是这样实现的：

一种可用于大型装配的立式调姿系统，其包括支撑平台、配重系统、升降驱动机构、位姿调整系统和支撑座；

所述支撑平台固定于地面，其上附有两条相互平行的第一导轨，所述第一导轨设置第一滑块带动所述位姿调整系统在所述第一导轨上做竖直方向的运动，完成装配件间的装配作业；所述配重系统包括配重块、导向滑轮、牵引绳以及吊环，所述导向滑轮两两支撑一根牵引绳，所述牵引绳的第一端与所述配重块相连，所述牵引绳的第二端与所述吊环相连，所述配重块在各牵引绳的连接下随着所述位姿调整系统在竖直方向移动；所述吊环与所述位姿调整系统中的升降支架相连；所述升降驱动机构置于所述支撑平台的上端面。

优选地，所述升降驱动机构包括第一滚珠丝杠、蜗轮蜗杆升降机、固定支座和第一伺服电机减速器；所述升降驱动机构通过所述固定支座与所述支撑平台固连，所述蜗轮蜗杆升降机和所述第一伺服电机减速器均固定于所述固定支座上；所述蜗轮蜗杆升降机与所述第一伺服电机减速器相连；所述蜗轮蜗杆升降机包括涡轮和蜗杆，所述第一滚珠丝杠的上端连接涡轮，所述涡轮与所述蜗杆组成传动装置，所述第一滚珠丝杠的下端与位于支撑平台上的第一滚珠丝杠的支撑座相连。

优选地，根据本发明的可用于大型装配的立式调姿系统，其还包括手摇接口，所述手摇接口与手轮连接，手动将动力传给第一滚珠丝杠。

优选地，所述第一滚珠丝杠上的螺母带动位姿调整系统完成竖直方向的移动，其中所述第一滚珠丝杠上的螺母与位姿调整系统固接。

优选地，所述位姿调整系统包括升降支架、五自由度调姿机构以及伸缩机构；所述五自由度调姿机构的上端连接升降支架，五自由度调姿机构的下端连接伸缩机构；所述升降支架整体结构呈倒L型，升降支架通过第一导轨连接至所述支撑平台，第一滑块带动所述升降支架沿所述第一导轨进行竖向移动，所述升降支架设置螺母安装孔，所述升降支架的上端面有与配重系统相连的吊环安装孔。

优选地，所述五自由度调姿机构包括X、Y向旋转机构、X、Y向移动机构、Z向旋转机构、固定板、连接轴以及虎克铰；

其中所述X、Y向移动机构包括X向移动机构和Y向移动机构，所述X、Y向移动机构中X向移动机构包括第二伺服电机、第一联轴器、第二减速器、第二滚珠丝杠、第二导轨和第二滑块，所述第一联轴器的第一端与所述第二减速器相连，所述第一联轴器的第二端连接所述第二滚珠丝杠，所述X向移动机构通过所述第二伺服电机驱动带动所述第二滚珠丝杠转动，带动所述第二滑块在所述第二导轨上水平移动，完成沿着平行于支撑平台前端面一侧的水平方向的位姿调整；

所述Y向移动机构包括第三伺服电机、第二联轴器、第三减速器、第三滚珠丝杠、第三导轨和第三滑块；所述第二联轴器的第一端与所述第三减速器相连，所述第二联轴器的第二端连接所述第三滚珠丝杠，通过所述第三伺服电机驱动带动所述第三滚珠丝杠转动，带动所述第三滑块在所述第三导轨上水平移动，完成垂直于支撑平台支撑面一侧的水平位姿调整，其中所述X、Y向移动机构呈交叉垂直分布，且叠加布置于升降支架上。

优选地，所述X、Y向旋转机构包括电动缸和关节球铰链，每个电动缸和两个关节球铰链组成SPS分支，在所述电动缸的前端和末端都与一个所述关节球铰相连接，且所述关节球铰上有销轴，用于与连接轴相连，连接轴上端连接所述Z向旋转机构的转盘轴承的外圈，所述连接轴外侧含有两支架，用于分别与SPS分支中的一端相连，连接轴底端与所述虎克铰连接，所述虎克铰的第一端与连接轴相连，所述虎克铰的第二端与伸缩机构相连。

优选地，所述Z向旋转机构包括第四伺服电机减速器、转盘轴承以及连接轴；所述第四伺服电机减速器和所述转盘轴承固定在固定板上，连接轴的一端与所述转盘轴承相连，另一端与所述虎克铰相连；由所述第四伺服电机减速器驱动小齿轮带动所述转盘轴承外圈的外齿轮旋转，而所述转盘轴承的外圈与连接轴上端固连，所述转盘轴承内圈与固定板固连，所述转盘轴承承受轴向的重力，电机只需提供相应的扭矩以保证连接轴Z向的旋转。

优选地，所述伸缩机构包括伸缩臂、第四导轨、第四滑块、虎克铰连接座、固定架和伸缩驱动装置，所述伸缩臂与所述固定架两侧端面固连，可随着第四滑块在第四导轨上移动，第四导轨布置在所述固定架的上端面，通过所述伸缩驱动装置实现所述伸缩臂的同时伸张和收缩动作。

优选地，各导轨为直线滚动导轨副。

与现有技术相比，本发明的可用于大型装配的立式调姿系统具有以下有益效果：

（1）本发明的可用于大型装配的立式调姿系统的调姿机构采用串并混联机构，结构紧凑，可以完成三个方向的转动以及两个方向的移动自由度。

（2）本发明的可用于大型装配的立式调姿系统的位姿调整机构可以完成立式调姿，且精度高、误差小，在上下运动范围大，调姿范围广。

（3）本发明的可用于大型装配的立式调姿系统的伸缩机构可以根据待装配件的尺寸大小，可以做适应性调整，满足范围广泛。

（4）本发明的可用于大型装配的立式调姿系统中调姿系统与配重系统相结合，使得调姿系统悬臂重心向支撑平台方向偏移，负载能力强，可靠性和安全性更高，同样满足大型装配件的装配调姿。

（5）本发明的可用于大型装配的立式调姿系统中升降驱动机构采用电动手动双接口，可以在驱动电机发生故障时采用人工手动继续完成作业，安全性高。

附图说明

图1为本发明的总体结构示意图；

图2为本发明的升降驱动机构的结构示意图；

图3为本发明的位姿调整系统的结构示意图；

图4为本发明的五自由度调姿机构的结构示意图；以及

图5为本发明的伸缩机构的结构示意图。

具体实施方式

以下将参考附图详细说明本发明的示例性实施例、特征和性能方面。附图中相同的附图标记表示功能相同或相似的元件。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。

如图1所示，一种可用于大型装配的立式调姿系统，其包括支撑平台1、配重系统2、升降驱动机构3、位姿调整系统4、第一滑块8以及第一导轨9和支撑座10。

支撑平台1固定于地面，其上附有两条第一导轨9，导轨上的第一滑块8带动位姿调整系统4在第一导轨9上做竖直方向的运动，完成装配件间的装配作业；配重系统2包括配重块21、导向滑轮22、牵引绳23以及吊环24，导向滑轮22共四组，均布在支撑平台1上端面两侧，牵引绳23为两根，导向滑轮22两两支撑一根牵引绳23，牵引绳23的第一端与配重块21相连，牵引绳23的第二端与吊环24相连，配重块21在各牵引绳23的连接下随着位姿调整系统4在竖直方向移动。吊环24与升降支架相连，具体地，吊环24与升降支架5上的吊环安装件相连。

如图1和图2所示，升降驱动机构3置于支撑平台1的上端面，升降驱动机构3包括第一滚珠丝杠31、蜗轮蜗杆升降机32、固定支座33、第一伺服电机减速器35以及手摇接口34，升降驱动机构3通过固定支座33与支撑平台1固连，蜗轮蜗杆升降机32和第一伺服电机减速器35均固定于固定支座33上。升降驱动机构3通过固定支座33与支撑平台1固连，蜗轮蜗杆升降机32与第一伺服电机减速器35相连，蜗轮蜗杆升降机32包括涡轮和蜗杆，第一滚珠丝杠31上端连接涡轮，涡轮与蜗杆组成传动装置，第一滚珠丝杠31的下端与位于支撑平台1上的第一滚珠丝杠支撑座10相连。第一伺服电机减速器35与动力驱动装置相连，动力驱动装置中包括第一电机，优选地，升降驱动机构3采用两种驱动方式，与蜗杆直接相连的是动力驱动装置的输出轴的联轴器，与动力驱动装置中的联轴器相连的是动力驱动装置中齿轮机构，动力驱动装置留有两种接口，其中第一接口处与第一伺服电机减速器35的输出轴相连，当第一电机，带动联轴器转动，此时系统采用电机驱动的工作方式；第二接口为手摇接口34，手摇接口34通过连接杆与第一锥齿轮固接，第一锥齿轮与减速机输入轴上的第二锥齿轮啮合，手轮安装至手摇接口34，手轮转动带动动力驱动装置的输出轴上联轴器转动，最后带动蜗杆转动，完成动力传送，可以在电机失效或发生故障后选用此方式，也可称为故障保障方案。

作业时，第一伺服电机减速器35驱动蜗轮蜗杆升降机32，将动力传动至第一滚珠丝杠31上，带动第一滚珠丝杠31转动，第一滚珠丝杠31上的螺母带动位姿调整系统4完成竖直方向的移动，完成动力的传送，其中第一滚珠丝杠31上的螺母与位姿调整系统4固接。

如图3所示，位姿调整系统4包括升降支架5、五自由度调姿机构6以及伸缩机构7。五自由度调姿机构6的上端连接升降支架5，五自由度调姿机构6的下端连接伸缩机构7。五自由度调姿机构6的第一端，即，上端与升降支架5相连，五自由度调姿机构6的第二端，即，下端与伸缩机构7相连。

升降支架5整体结构呈倒L型，升降支架5通过第一导轨9连接至支撑平台1，第一滑块8带动升降支架5沿第一导轨9进行竖向移动，升降支架5设置螺母安装孔，升降支架5的上端面有与配重系统2相连的吊环安装孔。

升降支架5通过第一滑块8在支撑平台1上的第一导轨9上竖直移动，升降支架5上设置有螺母安装孔。优选地，螺母安装孔设置在升降支架5靠近第一导轨9的侧部；优选地，螺母安装孔的中心线的方向与第一导轨9的方向平行。螺母安装孔为长条形通孔，与第一滚珠丝杠31配合的螺母固接至螺母安装孔；第一滚珠丝杠31从螺母安装孔中穿过，工作时升降支架5直接与第一滚珠丝杠31上的螺母通过螺栓进行连接，带动升降支架5进行上下方向的位移调整，且升降支架5的上端面有与配重系统2相连接的吊环安装孔，其配置用于与配重系统2相连接，完成位姿调整系统的重心偏移，从而保证位姿调整系统4的可靠性和安全性。

如图4所示，五自由度调姿机构6包括X、Y向旋转机构61、X、Y向移动机构62、Z向旋转机构64、固定板63、连接轴65以及虎克铰66。

其中X、Y向移动机构62包括X向移动机构和Y向移动机构，X、Y向移动机构62中X向移动机构包括第二伺服电机、第一联轴器、第二减速器、第二滚珠丝杠以及第二导轨和第二滑块，第一联轴器的第一端与第二减速器相连，第一联轴器的第二端连接第二滚珠丝杠X向移动机构通过第二伺服电机驱动带动第二滚珠丝杠转动，带动第二滑块在第二导轨上水平移动，完成沿着平行于支撑平台前端面一侧的水平方向的位姿调整；

Y向移动机构包括第三伺服电机、第二联轴器、第三减速器、第三滚珠丝杠以及第三导轨和第三滑块；第二联轴器的第一端与第三减速器相连，第二联轴器的第二端连接第三滚珠丝杠，通过第三伺服电机驱动带动第三滚珠丝杠转动，带动第三滑块在第三导轨上水平移动，完成垂直于支撑平台支撑面一侧的水平位姿调整，其中X、Y向移动机构62呈交叉垂直分布，且叠加布置于升降支架5上。

优选地，各导轨为直线滚动导轨副具有摩擦系数小、不易爬行、传动效率高、结构紧凑、安装预紧方便等优点，其传动效率高，传动灵敏，定位精度高，精度保持性好。

X、Y向旋转机构61包括电动缸和关节球铰链，每个电动缸和两个关节球铰链组成SPS分支，其中关节球铰运动副为S副，电动缸的运动副为P副，在电动缸的前端和末端都与一个关节球铰相连接，且关节球铰上有销轴，用于与连接轴65相连，两SPS分支呈60度角度布置，连接轴65上端连接Z向旋转机构64的转盘轴承的外圈，连接轴65外侧含有两支架，用于分别与SPS分支中的一端相连，连接轴65底端与虎克铰66连接以保证X、Y旋转方向的姿态调整，虎克铰66的第一端与连接轴65相连，虎克铰66的第二端与伸缩机构7相连，既承担了伸缩机构7以下部件的重量，又能满足绕X、Y向的旋转，减轻了SPS分支对电动缸的要求，也保证了整体的强度。

Z向旋转机构64包括第四伺服电机减速器、转盘轴承以及连接轴；第四伺服电机减速器和转盘轴承固定在固定板上，连接轴的一端与转盘轴承相连，另一端与虎克铰66相连，优选地，连接轴65的第一端与转盘轴承相连，连接轴65的第二端与虎克铰66相连。由第四伺服电机减速器驱动小齿轮带动转盘轴承外圈的外齿轮旋转，而转盘轴承的外圈与连接轴上端固连，转盘轴承内圈与固定板63固连，转盘轴承承受轴向的重力，电机只需提供相应的扭矩以保证连接轴Z向的旋转。转盘轴承能够同时承受较大的轴向负荷、径向负荷和倾覆力矩等综合载荷，集支承、旋转、传动、固定等多种功能于一身的特殊结构的大型轴承，其本身具有结构紧凑、引导旋转方便、安装简便和维护容易等优点。

如图5所示，伸缩机构7包括伸缩臂71、第四导轨、第四滑块72、虎克铰连接座73、固定架74、伸缩驱动装置，其中伸缩臂71的数量为两个，其分别设置在固定架74的两侧，与固定架74两侧端面固连，可随着滑块在第四导轨上移动，四条导轨布置在固定架的上端面，在非工作状态下，伸缩臂71处于收缩状态，减小横向尺寸，在工作时伸缩驱动装置实现伸缩臂的伸缩以达到所需动作，伸缩驱动装置包括第五伺服电机减速器75以及第四滚珠丝杠76，第五伺服电机减速器75以及第四滚珠丝杠76均固定在固定架74的下端面，第四滚珠丝杠76横向水平布置，即平行于支撑平台支撑面一侧，第四滚珠丝杠76上有两个螺母均布在第五伺服电机减速器75两侧，第五伺服电机减速器75驱动第四滚珠丝杠螺母朝着相反方向同步运动，以完成伸缩臂71的同时伸张和收缩动作。

最后应说明的是：以上所述的各实施例仅用于说明本发明技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或全部技术特征进行等同替换；而这些修改或替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (6)

1.一种可用于大型装配的立式调姿系统，其特征在于，其包括支撑平台、配重系统、升降驱动机构、位姿调整系统和支撑座；

所述支撑平台固定于地面，其上附有两条相互平行的第一导轨，所述第一导轨设置第一滑块带动所述位姿调整系统在所述第一导轨上做竖直方向的运动，完成装配件间的装配作业；所述配重系统包括配重块、导向滑轮、牵引绳以及吊环，所述导向滑轮两两支撑一根牵引绳，所述牵引绳的第一端与所述配重块相连，所述牵引绳的第二端与所述吊环相连，所述配重块在各牵引绳的连接下随着所述位姿调整系统在竖直方向移动；所述吊环与所述位姿调整系统中的升降支架相连；所述升降驱动机构置于所述支撑平台的上端面；

所述位姿调整系统包括升降支架、五自由度调姿机构以及伸缩机构，所述五自由度调姿机构包括X、Y向旋转机构，X、Y向移动机构、Z向旋转机构、固定板、连接轴以及虎克铰；

其中所述X、Y向移动机构包括X向移动机构和Y向移动机构，所述X、Y向移动机构中X向移动机构包括第二伺服电机、第一联轴器、第二减速器、第二滚珠丝杠、第二导轨和第二滑块，所述第一联轴器的第一端与所述第二减速器相连，所述第一联轴器的第二端连接所述第二滚珠丝杠，所述X向移动机构通过所述第二伺服电机驱动带动所述第二滚珠丝杠转动，带动所述第二滑块在所述第二导轨上水平移动，完成沿着平行于支撑平台前端面一侧的水平方向的位姿调整；

所述Y向移动机构包括第三伺服电机、第二联轴器、第三减速器、第三滚珠丝杠、第三导轨和第三滑块；所述第二联轴器的第一端与所述第三减速器相连，所述第二联轴器的第二端连接所述第三滚珠丝杠，通过所述第三伺服电机驱动带动所述第三滚珠丝杠转动，带动所述第三滑块在所述第三导轨上水平移动，完成垂直于支撑平台支撑面一侧的水平位姿调整，其中所述X、Y向移动机构呈交叉垂直分布，且叠加布置于升降支架上；

所述X、Y向旋转机构包括电动缸和关节球铰链，每个电动缸和两个关节球铰链组成SPS分支，在所述电动缸的前端和末端都与一个所述关节球铰相连接，且所述关节球铰上有销轴，用于与连接轴相连，连接轴上端连接所述Z向旋转机构的转盘轴承的外圈，所述连接轴外侧含有两支架，用于分别与SPS分支中的一端相连，连接轴底端与所述虎克铰连接，所述虎克铰的第一端与连接轴相连，所述虎克铰的第二端与伸缩机构相连；

所述Z向旋转机构包括第四伺服电机减速器、转盘轴承以及连接轴；所述第四伺服电机减速器和所述转盘轴承固定在固定板上，连接轴的一端与所述转盘轴承相连，另一端与所述虎克铰相连；由所述第四伺服电机减速器驱动小齿轮带动所述转盘轴承外圈的外齿轮旋转，而所述转盘轴承的外圈与连接轴上端固连，所述转盘轴承内圈与固定板固连，所述转盘轴承承受轴向的重力，电机只需提供相应的扭矩以保证连接轴Z向的旋转；

所述升降驱动机构包括第一滚珠丝杠、蜗轮蜗杆升降机、固定支座和第一伺服电机减速器；所述升降驱动机构通过所述固定支座与所述支撑平台固连，所述蜗轮蜗杆升降机和所述第一伺服电机减速器均固定于所述固定支座上；所述蜗轮蜗杆升降机与所述第一伺服电机减速器相连；所述蜗轮蜗杆升降机包括涡轮和蜗杆，所述第一滚珠丝杠的上端连接涡轮，所述涡轮与所述蜗杆组成传动装置，所述第一滚珠丝杠的下端与位于支撑平台上的第一滚珠丝杠的支撑座相连。

2.如权利要求1所述的可用于大型装配的立式调姿系统，其特征在于，其还包括手摇接口，所述手摇接口与手轮连接，手动将动力传给第一滚珠丝杠。

3.如权利要求2所述的可用于大型装配的立式调姿系统，其特征在于，所述第一滚珠丝杠上的螺母带动位姿调整系统完成竖直方向的移动，其中所述第一滚珠丝杠上的螺母与位姿调整系统固接。

4.如权利要求3所述的可用于大型装配的立式调姿系统，其特征在于，所述五自由度调姿机构的上端连接升降支架，五自由度调姿机构的下端连接伸缩机构；所述升降支架整体结构呈倒L型，升降支架通过第一导轨连接至所述支撑平台，第一滑块带动所述升降支架沿所述第一导轨进行竖向移动，所述升降支架设置螺母安装孔，所述升降支架的上端面有与配重系统相连的吊环安装孔。

5.如权利要求4所述的可用于大型装配的立式调姿系统，其特征在于，所述伸缩机构包括伸缩臂、第四导轨、第四滑块、虎克铰连接座、固定架和伸缩驱动装置，所述伸缩臂与所述固定架两侧端面固连，可随着第四滑块在第四导轨上移动，第四导轨布置在所述固定架的上端面，通过所述伸缩驱动装置实现所述伸缩臂的同时伸张和收缩动作。

6.如权利要求5所述的可用于大型装配的立式调姿系统，其特征在于，各导轨为直线滚动导轨副。

Images