CN112496735A - 一种由支架车组控制的大型筒体高精度多自由度对准装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种由支架车组控制的大型筒体高精度多自由度对准装置，包括3台支架车，每台支架车都包括运动机构和伺服驱动系统，支架车通过运动机构在二维平面运动，通过伺服驱动系统驱动筒体托架托举筒体，实现筒体前后行走、升降、左右横移、滚转、俯仰、左右摆动6个自由度的运动，3台支架车分别支撑筒体的前中后端，并同步或按比例运动，使得待对接的筒体实现对准。本发明减小了筒体变形的风险，降低了作业人工的数量，提高了对准作业的效率，能够满足装备装配的需求。

Description

一种由支架车组控制的大型筒体高精度多自由度对准装置

技术领域

本发明涉及一种大型筒体转运及对接中的自动对准设备，采用机电一体化设备及控制技术。

背景技术

在以往的特种薄壁大型筒体对接装配中，通常是将对接的一段筒体水平固定在支架上，另一段筒体固定至3台轨道支架车上(3台支架车在筒体前、中、后三点支撑)，由多人配合控制3台支架车同步运动，控制筒体作前后行走、升降、左右横移、滚转4个自由度的运动，实现两节筒体对接面法兰平行贴近，完成筒体对接工作，实现筒体组装。

以往筒体在支架车组上对准有两种方式：

一种是全手动操作，通过多人多点的协作配合，控制3台支架车同步移动、转动，从而实现对准。但这种方式存在的明显不足是耗时耗力，效率低下。

另一种方法是采用一台小车作主动拖动小车，采用电气控制拖动筒体移动，其余两个筒体作为被动小车，只起支撑作用，其移动靠主动拖动小车通过筒体拖拽力来实现。在某些特殊情况下，筒体局部受力要求在一定范围之内。但在实际应用中采用一点拖拽、扭动筒体，往往会造成筒体局部受力太大而发生变形，会造成筒内物质受挤压后发生意外事故。

因此，需要一种多点支撑、多点受力的拖动系统来完成筒体的对接作业，实现多自由度支架车组同步控制及自动对准控制。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种由支架车组控制的大型筒体高精度多自由度对准装置，通过自动控制技术解决多车组同步工作实现对准。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：一种由支架车组控制的大型筒体高精度多自由度对准装置，包括3台支架车，每台支架车都包括运动机构和伺服驱动系统，支架车通过运动机构在二维平面运动，通过伺服驱动系统驱动筒体托架托举筒体，，实现筒体前后行走、升降、左右横移、滚转、俯仰、左右摆动6个自由度的运动，3台支架车分别支撑筒体的前中后端，并同步或按比例运动，使得待对接的筒体实现对准。

所述的支架车上安装有托架，托架包括升降机构、横移机构和滚转机构，筒体安装在滚转机构，能够绕自身轴线选择；滚转机构通过升降机构和横溢机构安装在支架上，能够在水平面和铅垂面运动。

本发明还包括筒体姿态测量系统，由若干激光测距装置组成，以自吸方式安装在筒体待对接端面上，测量待对接的两个筒体端面之间的距离。

所述支架车的的对准控制方法包括以下步骤：

a)定义待对准的两个筒体一个为固定筒体，在端面安装固定法兰，另一个为活动筒体，在端面安装活动法兰；3台支架车分别标号为1、2、3号车，1号车距离固定筒体最近，3号车距离最远；支架车通过托架承载活动筒体靠近固定筒体，在固定法兰和活动法兰的距离小于设定距离后支架车组停止运动；

b)定义坐标轴，沿固定法兰面水平方向为X轴，垂直方向为Y轴，沿筒体轴向为Z轴；在固定法兰面设置上下左右4个激光测距仪，分别测得固定法兰和活动法兰的距离距离L₁、L₂、L₃、L₄，计算出两法兰在X、Y轴方位的夹角α、β；根据α、β值，计算出3号车左右、上下需要的移动量S1、S2；

c)控制2、3号车的托架先左右、后上下同步运动；3号车运动完成位移(S₁/2)、(S₂/2)后返回步骤b)重新判断姿态，直至4个距离值L₁、L₂、L₃、L₄两两差值小于设定阈值，判定法兰已平行；

d)控制3台支架车的托架拖动活动筒左右、上下同步运动，根据各个激光测距仪的激光束与活动法兰边缘的距离，计算判断活动法兰中心轴位置与固定法兰中心轴的偏差ΔX、ΔY；

e)控制3台支架车的托架左右、上下同步运动-ΔX、-ΔY，完成中心轴对准；

f)控制3台支架车的托架同步转动，拖动筒体旋转，通过激光测距仪激光束感应活动法兰的螺栓孔或定位标记，测量出螺栓孔或定位标记在法兰上占的圆心角θ；

g)控制3台支架车的托架同步转动，拖动筒体与步骤f)反向旋转，转动角度θ/2角时停止；测距仪激光柱与螺栓孔或定位标记中心重合；

h)控制3台支架车同步向前运动，拖动活动筒体靠近固定筒体。

所述的的夹角α＝arctan[(L₁-L₃)/D]，β＝arctan[(L₂-L₄)/D]，其中，D表示法兰端面不相邻两个激光测距仪的中心距离；所述的移动量S₁＝L×(L₁-L₃)/D，S₂＝L×(L₂-L₄)/D，其中，L表示1号车和3号车的托架中心距离。

所述的中心轴偏差ΔX＝(H₂-H₄)/2，ΔY＝(H₁-H₃)/2。

根据待对接筒体的尺寸不同，所述的支架车数量能够根据使用需求增减。

本发明的有益效果是：

1)自动对准装置实现筒体在三点均匀受力状态下行走、旋转，解决了筒体单点受力过大这一工程中的难题，大大减小筒体变形的风险。

2)以往的手动对准最少需要7人同时操作才能完成，新型支架车组控制的大型筒体对准装置只需要1人通过手持式触控器操作，通过无线通讯遥控操作支架车组，完成筒体的行走控制、自动对准作业，大大降低人工数量。

3)自动对准作业在手持式触控操作器上操作，在智能控制器控制下按流程连续完成，自动对准时间小于5分钟。手动对准因需要多人协作、人工测量计算，一般需要15分钟以上，效率低下。因此，自动对准装置大大提高了对准作业的效率。

4)使用自动对准装置作业，两法兰的平行度误差能达到1mm之内，两筒体中心轴的同轴度误差能达到1mm之内，满足装备装配的需求。

5)可以通过改变支架车的结构形式后，用于其它大型安装件的自动对接。

附图说明

图1为对准装置系统在对接过程组成示意图；

图2为对准装置系统中用于支撑及姿态调整的支架车结构示意图；

图3为姿态测量装置结构图；

图4为固定筒、活动筒法兰初始姿态及对准示意图；

图5为法兰上螺栓孔对准示意图。

图中，1.待装配固定筒，2.姿态测量装置，3.固定筒法兰，4.活动筒法兰，5.待装配活动筒，6.支架车，7.手持无线触控器，8.对准控制箱，2-1.车轮，2-2.行走驱动及制动装置，2-3.车体，2-4.升降机构，2-5.横移移动机构，2-6.横移电机，2-7.升降电机，2-8.配电及控制箱，2-9.上基板，2-10.载体滚转驱动电机，2-11.支撑滚子，2-12.绑扎带，2-13.摆动销及拨叉，2-14.回转驱动丝杆，2-15.限位销，2-16.升降导向杆，3-1.电缆接插座，3-2.激光测距传感器，3-3.支架，3-4.磁体，3-5.定位导向套，3-6.法兰孔，3-7.法兰。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明，本发明包括但不仅限于下述实施例。

本发明提出了采用3台支架车同时支撑筒体并同时作为主动拖动小车推动筒体移动或转动，实现一种多点支撑、多点受力的拖动系统，分散受力，使筒体受力均分化，解决了以往筒体在单点受力情况下会使筒体局部受力太大而造成筒体变形问题。

同时，通过控制3台支架车同步或按比例运动，实现筒体前后行走、升降、左右横移、滚转4个自由度的运动，实现筒体自动对准。通过智能化自动控制实现筒体对准，减少人力操作，提高了装配效率，大大降低了单点受力带来的筒体变形风险。

本发明提供的一套支架车组控制的大型筒体对准装置，包括3台智能支架车组组成的筒体支撑及拖动系统、高精度筒体姿态测量系统、专业智能对准控制器以及手持式触控操作器等，结构如图1所示。

本发明的具体技术内容如下：

1)一种由3台高精度4自由度支架车组成的筒体支撑、拖动、姿态调整系统。支架车结构见附图2，支架车由车架体、电池供电系统、4套运动机构及伺服驱动系统、无线通讯系统、雷达防撞系统、智能控制器及控制软件组成。小车可通过无线手持触摸控制器遥控运动，实现前后行走、托架左右移动、托架升降移动、托板滚转运动。3台支架车在前、中、后三个位置均布(记为1、2、3号支架车)，同时用相同的力托举钢筒，通过控制3台支架车在某方向同步运动实现活动筒体位置移动；因2号车在正中间位置，通过控制2、3号两台支架车在某方向按(V₀/2)、V₀比例的速度运动，实现活动筒体与固定筒体的夹角趋于平行，从而实现对准调节。

2)一种高精度筒体姿态测量系统，如图1、4所示，测量装置由4台激光测距装置组成。以自吸方式安装在固定筒法兰的背面，以上、下、左、右法兰孔为基准。姿态测量装置附图3，由固定架、定位销、自吸磁体、激光测距传感器等组成。其中定位销借助法兰上螺栓孔实现支架定位，自吸磁体能够使支架在法兰背面实现快速附着，拆装方便。传感器的激光束通过螺栓孔测量固定筒体法兰与活动筒体法兰的距离。

3)一种智能对准控制器及对准控制方法。其中手持式触控操作器、智能控制器是控制支架车运动及筒体对准的核心控制部件。控制器安装在电气箱中，由锂电池供电，具有无线通讯功能，可实现与手持遥控器、支架车的通讯。嵌入到控制器中的对准控制软件是实现对准方法的核心。对准控制方法及流程如下：

a)3台支架车承载待对准活动筒体在轨道上同步拖动，靠近固定筒体，在两法兰距离小于100mm后支架车组停止；

b)手动调节支架，观察4个激光测距仪激光被反射，都读到测量值时，点击遥控器上“自动对准”按钮，开始自动对准操作流程；

c)按图4定义法兰面的坐标轴，沿法兰面水平方向为X轴，垂直方向为Y轴，沿钢筒轴向为Z轴；

d)控制器采集4个激光测距仪测量的距离值L₁、L₂、L₃、L₄，计算出两法兰在X、Y轴方位的α、β夹角值。控制器根据α、β值，计算出3号支架车左右、上下需要的移动量S1、S2；

e)控制器控制2、3号支架车先左右、后上下同步运动。由于2号支架车在1、3号车正中间，所以2号支架车速度是3号支架车速度的1/2。3号支架车运动完成位移(S₁/2)、(S₂/2)后重新判断姿态；

f)返回步骤d)重新判断计算。直至4个距离值L₁、L₂、L₃、L₄两两差值达到±0.5mm之内，判定法兰已平行，再进行下一步中心线对准流程；

g)控制器控制3台支架车拖动活动筒左右、上下同步运动，测量出激光测距仪动激光束距离活动法兰边缘的距离，计算判断移动法兰中心轴位置与定法兰中心轴偏差ΔX、ΔY；

h)控制器控制3台支架车左右、上下同步运动-ΔX、-ΔY，完成中心轴对准；

i)法兰上螺栓孔对准：控制器控制3台支架车同步转动，拖动筒体顺时针旋转，通过激光测距仪激光束感应动法兰上螺栓孔边缘的方式，测量出螺栓孔在法兰上占的圆心角。测量螺栓孔的方法示意图见图5；

j)控制器控制3台支架车同步转动，拖动筒体逆时针旋转，转动角度θ/2角时停止。测距仪激光柱与螺栓孔中心重合，判定法兰孔亦对准；

k)控制器控制3台支架车同步向前运动，拖动筒体靠近固定筒体，当法兰间距小于1mm后，停止靠近；

l)控制器发出对准完成提示，对工作准流程结束。

根据系统设计要求，实现大型薄壁筒体对接时，避免筒体单点受力造成的筒体微变形及对内装物质造成挤压冲击。本发明的实施例采用3台支架车同时支撑筒体并同时作为主动拖动小车推动筒体同步移动或转动，实现一种多点支撑、多点受力的拖动系统，分散受力，使筒体受力均分化。

同时，通过控制3台支架车同步或按比例运动，实现筒体前后行走、升降、左右横移、滚转、俯仰、左右摆动6个自由度的运动，实现筒体自动对准，减少人力操作，提高了装配效率，大大降低了单点受力带来的筒体变形风险。

本发明的实施例包括一套支架车组控制的大型筒体对准装置及对准方法。如图1所示，该装置包括待装配固定筒1、姿态测量装置2、待装配活动筒5、支架车6、手持无线触控器7、对准控制箱8。

需要说明的是待装配固定筒、待装配活动筒、支架车示构成对准系统的设备，不是本发明所申请技术保护的范围。

对接过程详细描述如下：

车间设计了标准铁路钢轨，所以支架车组在车间之间、车间内轨道上运行。

首先使用3台支架车承载待对准固定筒体，将固定筒体运输至装配工位。

使用另外3台支架车承载待对准活动筒体在轨道上同步拖动，靠近固定筒体，在两法兰距离小于100mm后支架车组停止。3台支架车均匀布置，靠近固定筒的支架车定义为1号车，其余依次为2号车、3号车。设1、3号车距离为L，则1、2号车距离为(L/2)。

将4台姿态测量装置2安装至固定筒体法兰3的背面。选择法兰的最上面、最下面、最左面、最右面位置的法兰孔安装，位置呈十字型。安装时只需将定位导向套3-5插入螺栓孔3-6，磁体3-4会将测量装置吸附在法兰上。

将4台姿态测量装置电缆接入对准控制电气箱。

手动调节活动筒体位置，观察4个激光测距仪激光被反射，都读到测量值。

按图4定义法兰面的坐标轴，沿法兰面水平方向为X轴，垂直方向为Y轴，沿钢筒轴向为Z轴，X轴与Z轴的夹角为α，Y轴与Z轴的夹角为β，X轴与Y轴的夹角为γ，法兰孔所在圆直径为D。

检查系统在正常状态后，点击遥控器上“自动对准”按钮，开始自动对准操作流程。

对准控制器采集4个激光测距仪测量的距离值L₁、L₂、L₃、L₄，计算出两法兰与X、Y轴方位的α、β夹角值。控制器根据α、β值，计算出3号支架车左右、上下需要的移动量S1、S2。计算公式如下：

α＝arctan[(L₁-L₃)/D]；

β＝arctan[(L₂-L₄)/D]；

S₁＝L×(L₁-L₃)/D；

S₂＝L×(L₂-L₄)/D；

对准控制器控制3号支架车按先左右、后上下顺序移动，移动速度设为V₀。由于2号支架车在1、3号车正中间，所以2号支架车速度是3号支架车速度的1/2，即(V₀/2)。2、3号支架车同步运动完成位移(S₁/2)、(S₂/2)后再重新判断姿态，继续调节。

直至4个距离值L₁、L₂、L₃、L₄两两差值达到±1mm之内，判定法兰已平行，再进行下一步中心线对准流程。

对准控制器控制3台支架车同步拖动活动筒左右、上下同步运动，测量出各激光测距仪激光束距离活动法兰边缘的距离H₁、H₂、H₃、H₄，计算移动法兰中心轴位置与固定法兰中心轴偏差ΔX、ΔY。计算公式如下：

ΔX＝(H₂-H₄)/2；

ΔY＝(H₁-H₃)/2；

控制3台支架车左右、上下同步运动-ΔX、-ΔY后再重新判断姿态，继续调节。当ΔX、ΔY小于1mm后，判定法兰中心轴已同轴，完成中心轴对准。

测量螺栓孔的方法见图5。

法兰上螺栓孔对准流程包括以下步骤：

控制器控制3台支架车同步转动，拖动筒体顺时针旋转，通过激光测距仪激光束感应动法兰上螺栓孔边缘的方式，测量出螺栓孔在法兰上占的圆心角θ、螺栓孔两检测边沿圆弧长m。

控制器控制3台支架车同步转动，拖动筒体逆时针旋转，转动角度(θ/2)角或(m/2)时停止。测距仪激光柱与螺栓孔中心重合，判定法兰孔亦对准。

控制器控制3台支架车同步向前运动，拖动筒体靠近固定筒体，当法兰间距小于1mm后，停止靠近。

控制器再显示屏上发出对准完成提示，对准流程结束，完成对准。

本发明的三点均匀受力对准装置系统，解决了筒体不能单点受力问题这一工程中的难题，极大地降低了薄壁筒体运动过程中的变形。

本发明的对准装置系统对准过程只需要1人通过手持式触控器操作。通过无线通讯遥控操作支架车组，完成筒体的行走控制、自动对准作业，大大降低人工数量。

本发明的对准装置系统可以通过改变支架车的结构形式后，用于其它大型安装件的自动对接。

Claims (7)

1.一种由支架车组控制的大型筒体高精度多自由度对准装置，包括3台支架车，其特征在于，每台支架车都包括运动机构和伺服驱动系统，支架车通过运动机构在二维平面运动，通过伺服驱动系统驱动筒体托架托举筒体，，实现筒体前后行走、升降、左右横移、滚转、俯仰、左右摆动6个自由度的运动，3台支架车分别支撑筒体的前中后端，并同步或按比例运动，使得待对接的筒体实现对准。

2.根据权利要求1所述的由支架车组控制的大型筒体高精度多自由度对准装置，其特征在于，所述的支架车上安装有托架，托架包括升降机构、横移机构和滚转机构，筒体安装在滚转机构，能够绕自身轴线选择；滚转机构通过升降机构和横溢机构安装在支架上，能够在水平面和铅垂面运动。

3.根据权利要求1所述的由支架车组控制的大型筒体高精度多自由度对准装置，其特征在于，还包括筒体姿态测量系统，由若干激光测距装置组成，以自吸方式安装在筒体待对接端面上，测量待对接的两个筒体端面之间的距离。

4.根据权利要求1所述的由支架车组控制的大型筒体高精度多自由度对准装置，其特征在于，所述支架车的的对准控制方法包括以下步骤：

a)定义待对准的两个筒体一个为固定筒体，在端面安装固定法兰，另一个为活动筒体，在端面安装活动法兰；3台支架车分别标号为1、2、3号车，1号车距离固定筒体最近，3号车距离最远；支架车通过托架承载活动筒体靠近固定筒体，在固定法兰和活动法兰的距离小于设定距离后支架车组停止运动；

b)定义坐标轴，沿固定法兰面水平方向为X轴，垂直方向为Y轴，沿筒体轴向为Z轴；在固定法兰面设置上下左右4个激光测距仪，分别测得固定法兰和活动法兰的距离距离L₁、L₂、L₃、L₄，计算出两法兰在X、Y轴方位的夹角α、β；根据α、β值，计算出3号车左右、上下需要的移动量S1、S2；

c)控制2、3号车的托架先左右、后上下同步运动；3号车运动完成位移(S₁/2)、(S₂/2)后返回步骤b)重新判断姿态，直至4个距离值L₁、L₂、L₃、L₄两两差值小于设定阈值，判定法兰已平行；

d)控制3台支架车的托架拖动活动筒左右、上下同步运动，根据各个激光测距仪的激光束与活动法兰边缘的距离，计算判断活动法兰中心轴位置与固定法兰中心轴的偏差ΔX、ΔY；

e)控制3台支架车的托架左右、上下同步运动-ΔX、-ΔY，完成中心轴对准；

f)控制3台支架车的托架同步转动，拖动筒体旋转，通过激光测距仪激光束感应活动法兰的螺栓孔或定位标记，测量出螺栓孔或定位标记在法兰上占的圆心角θ；

g)控制3台支架车的托架同步转动，拖动筒体与步骤f)反向旋转，转动角度θ/2角时停止；测距仪激光柱与螺栓孔或定位标记中心重合；

h)控制3台支架车同步向前运动，拖动活动筒体靠近固定筒体。

5.根据权利要求4所述的由支架车组控制的大型筒体高精度多自由度对准装置，其特征在于，所述的的夹角α＝arctan[(L₁-L₃)/D]，β＝arctan[(L₂-L₄)/D]，其中，D表示法兰端面不相邻两个激光测距仪的中心距离；所述的移动量S₁＝L×(L₁-L₃)/D，S₂＝L×(L₂-L₄)/D，其中，L表示1号车和3号车的托架中心距离。

6.根据权利要求4所述的由支架车组控制的大型筒体高精度多自由度对准装置，其特征在于，所述的中心轴偏差ΔX＝(H₂-H₄)/2，ΔY＝(H₁-H₃)/2。

7.根据权利要求1所述的由支架车组控制的大型筒体高精度多自由度对准装置，其特征在于，所述的支架车数量根据待对接筒体的尺寸不同增减。

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