CN111618518A - 一种面向细长导管焊接结构的柔性定位装置及方法 - Google Patents

Abstract

一种面向细长导管焊接结构的柔性定位装置，它包括联轴器、底座、锁紧螺母、滑块推动螺母、装夹环、装夹环支座、滚珠丝杠、光杆、转动手柄、夹持板、内六角螺钉、外六角螺钉、弹性挡圈、导轨、移动平台、滑块、定位销等；本发明提供一种用于细长导管结构焊接的柔性定位夹具，能够实现20mm至100mm外径导管的柔性装夹，具有较高的定位精度。此外，本发明利用创新结构，突破了套筒式定位装置需轴向插入装夹的限制，采用径向放入并预装夹的方式提高了装夹过程的效率。

Description

一种面向细长导管焊接结构的柔性定位装置及方法

技术领域

本发明属于柔性定位装置的结构设计和运用技术领域，涉及一种可以装夹不同轴径细长导管的柔性定位装置。

背景技术

飞机的液压系统、燃油系统和环境控制系统中均存在大量结构复杂，形状各异的导管结构，用于输送各系统之间的介质。在切割、焊接和装配等各个导管制造工艺环节中，均需要对导管进行定位夹紧的定位装置，以保证在导管的工艺环节中精确的形状、尺寸和位置关系。目前国内外主要采用专用定位装置和组合定位装置两种导管定位装置。专用定位装置是根据导管形状、尺寸定制设计的固定定位装置，具有定位精度高、可靠性高等优点，但是设计制造周期长、生产成本高、占用存储空间大，多应用于批量化生产以降低每个专用定位装置的成本。组合定位装置由一系列标准元件组成，根据导管形状、尺寸对标准件进行组合，相对于专用定位装置具有设计制造周期短、可重复利用等优点，目前主要应用于新机研制阶段。无论专用定位装置还是组合定位装置，均需要根据导管形状、尺寸定制设计制造。飞机中导管形状、尺寸各异，数量又大，因此需要制造大量专用的定位装置，以致导管的生产准备周期长，定位装置制造成本高，无法实现飞机导管制造高效、低成本和敏捷的目标。如何实现该目标也一直是导管制造技术关注的重点。

要想实现飞机导管制造高效、低成本和敏捷的要求，一方面可以缩短专用定位装置的生产周期，以及通过技术手段实现低成本制造；另一方面可以设计能适用于多种结构的柔性定位装置，减少专用定位装置数量，从而解决以上技术难点。目前有一种组合定位装置正在积极研究当中，它融合了上述的两种定位装置的优点，有机会实现高效低成本的导管制造目标。组合定位装置又被称为柔性组合定位装置，是实现工装柔性化的典型代表。柔性组合定位装置是一种标准化、系列化、通用化程度很高的工艺装备，由一套预先制造好的具有不同形状、不同规格、不同尺寸的标准元件和组合件，按工件的加工要求组装而成。柔性定位装置可以拆卸清洗更换部件，可重新组装成新的定位装置，其应用普遍，适合于多种、小批量生产。由于柔性组合定位装置的平均设计和组装时间是专用定位装置所花时间的5％～20％，可以认为柔性组合定位装置能够实现产品生产周期的缩减。

现有的主要柔性定位装置大多采用阵列式的方式，通过阵列式的排布，每个定位器可看作一个点，去拟合所需要固定的面的轮廓，以达到定位夹紧的效果。其优点是，柔性强，对于复杂的曲面结构，不需要制成特定形状的模具式定位装置就可以实现定位夹紧。但是，其每一次装夹所需要确定的定位器个数过于繁多，效率低下。且对于细长型的、不同管径的钛合金飞机导管，上述的阵列式定位装置发挥不了其优点，阵列形式的定位运用在细长的管类零件上会造成一种浪费，效率低下且达不到较好的定位效果。由于本定位装置用于飞机导管的焊接，通过传统的阵列式定位方式，不能很好的达到焊接要求的定位效果，需要优化定位方案。因此，迫切的需要一种先进的、高精度的定位装置解决上述技术问题。

发明内容

本发明针对现有装夹定位技术中存在的一系列技术问题，提供一种新型结构的类套筒式导管定位装置，该系统整体结构简单，操作方便，利用两个装夹环之间距离的变化，改变连杆机构相对于光杆的距离，由径向对不同管径的导管进行柔性的装夹。这种定位装置能够实现较高的定心精度、较大的柔性定位范围，装夹过程简单，可保证焊接过程的顺利进行，提高工作效率。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为，一种面向细长导管焊接结构的柔性定位装置，其特征在于，所述的定位装置包括定位装置底座，带有齿轮组的手轮驱动模块，柔性定位装夹模块和装夹块以及相应的连杆机构。两个装夹环通过四根光杆和一根丝杠相连接，四根光杆用于两环的轴向定位，丝杠为该定位装置的传动装置，通过齿轮传动以及外加的手柄摇杆，能够改变两装夹环之间的距离，随着装夹环的移动，三个夹持板逐渐内收，与工件相接触，实现夹取定位功能。采用每边两根光杆传动是为了实现夹取块在随着装夹环的移动过程中，能够同轴心线保持平行，保证在装夹时候的受力稳定，保证定位装置的装夹精度。其中装夹过程通过装夹环的变形直接从径向装入装夹环，闭合装夹环，进行装夹。

进一步，本定位装置能够实现20mm至100mm管径的定位装夹，在相同的结构特征之下，通过改变装夹环、夹持板连杆的参数，可以实现更宽泛的柔性范围。

进一步，本定位装置采用V型块结构的夹持板，独立于定位机构，便于拆卸、更换。除了本发明所举例的，适用于钛合金导管的金属夹持板之外，通过改变夹持板的截面形状、材质，亦或是采用弹性材料外加于基本的夹持板结构之上，可以适用于不同场景，不同材料，不同表面形状要求的管状零件装夹。

进一步，带有齿轮组的手轮驱动模块可根据方案实施背景做出调整，可选用步进电机代替人工提供动力来源，在整个装夹装置上外加力学传感器、红外传感器等，实现对于定位装置的智能化把控。

相对于现有技术，本发明的优点如下，1)整体结构较为简单、装夹过程简单、效率高；2)本定位装置在管状零件装夹上具有优势，且能实现20mm至100mm管径导管的定位装夹。

附图说明

图1是装置的总体结构示意图；

图2是分别处于闭合和展开状态的装夹环的示意图；

图3是滑块结构示意图；

图4是夹持板结构示意图；

图5是底座部分结构示意图；

图6是移动平台部分结构示意图；

图7是电机驱动伺服控制原理图；

其中：1为铝型材，2为前挡板，3为驱动部分壳体，4为大齿轮，5为大齿轮固定件，6为锁紧螺母，7为手轮旋钮，8为旋转手轮，9为轴套，10为锁紧环，11为内六角螺钉，12为小齿轮，13为小齿轮固定件，14为连接轴，15为轴承，16为左导轨，17为丝杠，18为后挡板，19为右导轨，20为滑块，21为装夹环A，22为光杆定位件，23为光杆，24为连杆，25为夹持板，26为装夹环C，27为移动平台，28为装夹环B，29为装夹环底座，30为装夹环左底座连杆，31为装夹环左锁紧连杆，32为装夹环左末端连杆，33为装夹环右末端连杆，34为装夹环底座右端连杆，35为装夹环右端底座连杆，36为移动平台定位孔，37为滑块定位孔。

具体实施方式

参照图1总体结构示意图。底座作为基础，装夹环A(21)和装夹环B(28)作为固定端安装于底座之上，装夹环C(26)通过移动平台定位孔(35)与移动平台配合，移动平台通过滑块定位孔(36)与滑块(20)相配合，滑块(20)与导轨(16、19)相配合，能够实现在其上自由滑动。由此以来，通过丝杠(17)的转动，能够控制移动平台(27)在导轨(16、19)上自由移动，改变装夹环B(28)与装夹环C(26)之间的相对距离。2个连杆(24)和一个夹持板(25)组成一个连杆机构，根据装夹环B与装夹环C之间的相对距离，改变夹持板(25)与光杆(23)之间的距离，从而达到对于不同管径导管的柔性定位装夹。

参照图2，一个装夹环结构基于两个对称的四杆机构设计，其中装夹环底座(28)、装夹环左底座连杆(29)、装夹环左锁紧连杆(30)和装夹环左末端连杆(31)组成其中的一个四杆机构，装夹环底座(28)固定，四根连杆等长。这样设计的目的有两个，首先是当装夹细长类型的导管时，能够将装夹环直接打开，从径向直接装夹，而不是从轴向伸入，简化了装配过程；其次四杆机构的设计相较于普通的二杆机构，在展开进行装夹时，能够合理的减少所占用生产线工位的空间，既达到了展开时节省空间的目的，又能够实现最大100mm管径的径向装夹。打开装夹环，只需要在装夹环末端连杆上作用平行于连杆方向的力，四杆机构就能够从自锁的状态转变为活动状态，可根据装夹工件大小适度地控制其开合程度。

参照图5底座部分结构示意图，底座部分由铝型材1与前后挡板(2、18)作为滚珠丝杠传动的主体部分，前后挡板(2、18)中分别由轴承(15)与其配合。其次是手轮驱动部分，主要由小齿轮(12)、大齿轮(4)作为传动部件，小齿轮固定件(13)和大齿轮固定件(5)作为两个齿轮的固定装置，其都具有轴状的伸长部分，作为动力传递使用。底座部分除了运用手轮作为动力输入以外，可以外接直线驱动伺服电机，并根据电机的力矩反馈，结合夹持板上的力学传感器，精确的检测定位装置此时的定位状态，定位精度高、响应速度快。参照图7可以了解到整个定位装置驱动部分的控制原理，本定位装置驱动部分采用位置、速度双闭环的伺服系统框架。其中位置反馈部分，由安装在夹持板部分的力学传感器采集出装夹过程中的压力数据，经过计算机软件进行数值转换，可以将其转化为所需控制电机的位置数值，完成闭环部分的位置反馈。其次，本驱动系统可提前输入导管的大致管径、材料、表面硬度等关键信息，利用搭建好的数学模型计算出力学传感器装夹时的数值，从而实现快速、准确的定位。定位装置用于不同轴径的细长焊接导管的柔性定位，可实现外部直径范围20～100mm的细长类导管定位压紧。首先根据导管的管径大小预调整装夹块的高度，中心丝杠(17)与轴承(15)连接，外接联轴器与独立齿轮组，通过转动手轮(8)，实现中间装夹环的轴向移动，丝杠(17)通过两端的轴承(15)固定于安装板(2、18)上；其次打开装夹环，放入需装夹的导管，关闭装夹环，此时完成对于导管的预装夹步骤，但此时没有足够的力保证装夹。装夹环B(28)，C(26)起主要的装夹功能，随着装夹环之间距离的改变，夹持板(25)沿径向移动，同之前介绍的套筒式定位装置相似，推动三者向前运动，压紧细长轴的导管元件，三个方向的压力同时施加，仿照三爪卡盘的原理。夹持板上装有力学传感器，通过传感器的反馈，通过底座的丝杠装置，使两装夹环之间距离达到符合钛合金导管装夹的相应参数，能够使其实现较高的定位精度。

在本技术领域中的普通技术人员应当认识到是，以上较佳的实施例仅用来说明本发明，而并非作为对本发明的限定。只要在本发明的实质精神范围内，对上所述的实施例的简单变化、修改、改进都将落在本发明的权利要求书范围内。

Claims (5)

1.一种面向细长导管焊接结构的柔性定位装置，其特征在于：柔性定位装置由装夹环、滑块、夹持板、底座、移动平台等组成，起到支撑夹持作用的夹持连杆一头安装于装夹环上，一头与夹持板相配合；

所述装夹环是一个由两个对称的四杆机构组成的可开合环状结构，四杆机构由装夹环底座连杆、装夹环锁紧连杆、装夹环末端连杆和装夹环底座组成，可通过在装夹环末端连杆上作用平行于连杆方向的力使四杆机构从自锁的状态转变为活动状态，从而实现装夹环的打开，对导管进行大致定位，还可根据装夹工件大小适度地控制其开合程度；本柔性定位装置共有三个装夹环，装夹环A和装夹环C作为固定端安装于底座上，装夹环B通过移动平台定位孔与移动平台配合；

所述滑块含有4个滑块定位孔以及一个凹型槽，滑块通过滑块定位孔与移动平台相配合，通过凹型槽与底座导轨相配合，由此实现滑块带动移动平台在底座导轨上自由滑动，改变装夹环B与装夹环C之间的相对距离；

所述夹持板依据装夹环相对位置的改变控制夹持连杆机构的移动进而建立夹持空间，实现导管的夹持和释放；

所述底座以手轮驱动，由铝型材与前后挡板作为滚珠丝杠传动的主体部分，前后挡板中分别由轴承与其配合；手轮驱动部分主要由小齿轮、大齿轮作为传动部件，两个齿轮的固定装置都具有轴状的伸长部分，配合联轴器作为动力传递使用。

2.根据权利要求1所述的柔性定位装置，可开合的柔性装夹环所包含的四杆机构，能够实现自锁。

3.根据权利要求1所述的柔性定位装置，所述手轮驱动部分的齿轮组传动比可根据不同的实际需要做出更改。柔性定位装置的动力来源包括手轮人力驱动以及电机驱动，可根据实际需求做出更改。

4.根据权利要求1所述的柔性定位装置，其特征在于，选择电机驱动时有独立的控制器，所述控制器用于接收处理力学传感器信息和电机速度反馈信息，并建立闭环控制系统实现对于夹加紧力度的控制。

5.一种面向细长导管焊接结构的柔性定位方法，其特征在于：首先根据所装夹导管的大致管径初步调整装夹环B、C之间的距离；打开装夹环，从纵向放入导管，完全关闭装夹环，保证装置自锁；利用所选取的驱动方式，调整装夹环B、C之间的位置，例如用手轮转动到相应位置后利用锁紧装置锁紧或根据配置的伺服驱动系统直接控制，完成定位装夹。

Images