CN114243374B - 一种六自由度自适应位姿调整的自动插拔装置及校准方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及接插件自动插拔技术领域，旨在解决风洞工况复杂对接插装置自动化程度和可靠性要求高，两个对接基板初始位置偏差大时无法精准对接等问题。提供一种六自由度自适应位姿调整的自动插拔装置及校准方法，自动插拔装置包括用于驱动供应端基座的驱动机构，连接到供应端基座端部的对接公板，与对接公板对接的对接母板；供应端基座的端部设置有腔体，对接公板的一端连接到腔体内；供应端基座内设置有校准装置，校准装置的一端能够穿过供应端基座的端部进入腔体内，使得对接公板能够相对于供应端基座端部发生位置变动，且能够对其进行位置定位；本发明不需要实时监测对接两端的位置误差，依靠机械机构即可进行自适应调整位姿误差，机构控制简洁。

Description

一种六自由度自适应位姿调整的自动插拔装置及校准方法

技术领域

本发明涉及接插件自动插拔技术领域，具体而言，涉及一种六自由度自适应位姿调整的自动插拔装置及校准方法。

背景技术

风洞是一种产生可控均匀气流的管道状试验装置，是研究空气流动规律、研究航空航天飞行器及其它物体气动特性的地面模拟设备。某大型风洞的试验模型安装于名为模型车上的支撑机构上，在风洞运行过程中，模型车将在各装配、调整和试验工位上运行并可利用模型车转运吊车在各工位之间进行转运。模型车在各工位运行和转运工程中，为确保模型车上各设备始终处于安全、可控状态，需要与风洞控制系统之间时刻保持多种信号的连接，因此设计一套插拔装置，通过多种接插件实现模型车与各工位以及模型车转运吊车之间各信号的可靠连接。

某大型风洞复杂的运行工况以及特殊的运行环境对插拔装置的性能提出了较高要求。存在的技术难点主要包括：一是插拔装置需同时对电源、网络、光纤、控制/测量信号、气源等80余路通道进行连接，对装置的可靠性提出了较高要求；二是由于某大型风洞特殊的运行环境，插拔装置安装空间狭小且所处环境露点不高于-60℃，装置运行期间现场无法进行人工本地操作，因此对装置的无人化、自动化性能提出了较高要求；三是在模型车转运吊车将模型车在各工位转运到位后，由于模型车自身质量较大，因此每次模型车转运后的位移和角度均存在误差，多次转运亦存在重复性误差，插拔装置需具有良好的对接误差修正能力，实现精准对接；四是由于风洞振动和模型车转运吊车上吊钩机械间隙的影响，对接装置完成对接后，对接装置与各工位及模型车转运吊车之间会产生各个方向的不小于±10mm的相对位移，插拔装置需具有对接完成后的相对位移适应能力。

目前在风洞领域，暂无满足上述性能要求的插拔装置。在国防、医疗、汽车制造、核工业等其他场所，存在此类对接需求，采用的插拔方式主要包括手动插拔和自动插拔两种。

采用手动插拔方式的插拔装置结构简单，但是当需要同时对数量较多的接插件进行对接时，由于部分接插件插拔力较大，工人反复操作时，工作强度较大，并且效率较低；

采用自动插拔方式的对接装置通常采用整板对接的形式，将各类需要对接的接插件公母头分别安装于对接装置两个对接基板上，利用电机或液压推杆对一侧对接基板进行驱动，实现各类接插件的连接。但是此类接插装置两端多安装在固定的导轨上，可移动的对接基板仅能在导轨方向进行前后移动，当插拔装置两端初始位置（角度/位移）偏差较大时，无法完成精准对接；

同时现有插拔装置因为采用的是刚性接插，当装置接插完成后，若装置两个对接基板之间由于外力因素突然发生较大振动或较大的相对位移偏移，其工作位置的变化会导致接插件之间出现拉扯和扭力，从而可能损坏接插件，无法保证可靠的插拔状态。

发明内容

本发明针对某大型风洞复杂的运行工况以及特殊的运行环境对插拔装置的性能提出的较高要求，旨在提供一种六自由度自适应位姿调整的自动插拔装置及校准方法，以解决现有的插拔装置结构复杂，需对接接插件通道多，自动化程度和可靠性要求高；当两个对接基板初始位置偏差较大无法完成精准对接；若采用刚性接插，接插完成后，受外力作用两个对接基板出现相对位移后易损坏接插件，无法保证接插件可靠连接的问题。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种六自由度自适应位姿调整的自动插拔装置，包括用于驱动供应端基座的驱动机构，连接到供应端基座端部的对接公板，与对接公板对接的对接母板；

所述供应端基座的端部设置有腔体，所述对接公板的一端连接到所述腔体内；

所述供应端基座内设置有校准装置，所述校准装置的一端能够穿过所述供应端基座的端部进入所述腔体内，使得所述对接公板能够相对于供应端基座端部发生位置变动，且能够对其进行位置定位。

由于外部转运装置的到位位姿误差，在对接前，对接公板与对接母板存在位置偏差，无法完成精准对接，因此，本发明通过在供应端基座的端部设置腔体，且利用校准装置对所述对接公板的位置进行调整，具体的，当所述校准装置的一端进入所述腔体后，所述对接公板能够相对于供应端基座端部发生位置变动，且校准装置能够对其进行位置定位，使其可以达到处于对接状态下的位姿（即使得对接公板回零），然后通过驱动机构带动供应端基座向接收端移动，当对接公板上的导向销前端进入对接母板上的导向销孔后，所述校准装置回退，使得所述对接公板处于自由状态，从而可以进行位姿调整，实现对接公板和该对接母板上的接插件准确对接。

在上述过程中，对接公板随着导向销和导向销孔的配合能够自动调整对接位姿，实现了柔性对接。因此，本发明不仅能够实现长距离移动和高精度对接，而且不需要实时监测对接两端的位置误差，依靠机械机构即可进行自适应调整位姿误差，使得机构控制较为简洁；在对接完成后，允许供应端基座和接收端基座发生一定范围的六自由度相对位姿变化，避免了刚性接插完成后，在外力的作用下，供应端与接收端连接好的接插件也能保持可靠的连接状态而不受偏移影响。

作为优选的技术方案：

所述六自由度自适应位姿调整的自动插拔装置包括设置所述腔体内的自适应板，所述自适应板的一侧与所述对接公板固定连接。

由于所述自适应板与所述对接公板固定连接，因此，位于腔体内的自适应板在腔体内移动，从而可以带动所述对接公板发生位置变动，从而一方面可以利用校准装置对所述对接公板进行位置定位，使所述对接公板支撑起来便于对接，另一方面，可以控制校准装置不与所述自适应板接触，使所述对接公板处于自然放松状态，便于自适应对接，实现对接阶段和对接完成后的六自由度调整。

作为优选的技术方案：

所述自适应板与所述腔体内壁面进行接触的侧面上分别设置有滚动体，所述滚动体包括设置在所述自适应板上的若干凹槽和分别设置在凹槽内的滚珠，所述滚珠与所述腔体内壁面弹性滚动接触。

连接后的装置在受到外力冲击的作用下，供应端和接收端之间由于外力因素突然发生位置偏移，自适应板可通过滚动体的滚动消除自适应板受到的外力影响，在空腔内滑动，使得供应端与接收端连接好的接插件保持可靠的连接状态而不受偏移影响。

作为优选的技术方案：

所述校准装置包括校准锥，所述自适应板上设置有与所述校准锥结构相互匹配的锥孔，校准装置通过所述校准锥与所述锥孔进行接触。

作为优选的技术方案：

所述校准装置包括伺服电机、减速机、联轴器、丝杠，所述校准锥通过连接件连接到所述丝杠上，所述校准锥在所述伺服电机的带动下能够沿着所述丝杠的轴向方向移动。

作为优选的技术方案：

所述丝杠通过螺纹连接器连接到所述连接件上。

作为优选的技术方案：

所述校准装置包括用于支撑所述伺服电机的支撑座，所述支撑座上设置有导轨，所述连接件通过滑块连接到所述导轨上。

作为优选的技术方案：

所述六自由度自适应位姿调整的自动插拔装置还包括U型盖板，所述U型盖板的一侧与所述供应端基座的端部连接，所述U型盖板的另一侧悬空，所述U型盖板与所述供应端基座的端部之间构成所述腔体。

作为优选的技术方案：

所述对接公板与所述对接母板之间设置有锁紧机构，所述锁紧机构包括设置在所述对接公板上的电磁铁和销、以及设置在所述对接母板上的锁紧孔，所述销能够插入到所述锁紧孔内。

一种六自由度自适应位姿调整的自动插拔装置的校准方法，包括以下步骤：

S1：在对接前，对接公板处于自然放松状态，由于外部转运装置的到位位姿误差，对接公板与对接母板存在位置偏差，因此，对接时，首先由伺服电机带动校准装置向着对接公板移动，使得校准锥插入到自适应板上的锥孔中；

S2：伺服电机继续工作，使得校准锥将自适应板顶在腔体内的侧面上，将对接公板进行位置定位；

S3：接着由驱动机构驱动供应端基座向着接收端移动，使得对接公板与对接母板进行对接；

S31：使得对接公板上的导向销前端进入对接母板上的导向销孔中；

S32：导向销前端进入导向销孔后，由伺服电机驱动校准锥离开锥孔，使得对接公板处于自然放松状态；

S33：驱动机构驱动供应端基座移动，使得导向销完全进入导向销孔，消除对接公板与对接母板的初始位姿误差，对接完成并通过锁紧机构进行锁紧；

S4：锁紧后，由驱动机构驱动供应端基座反向运动一段距离，使得自适应板在供应端基座端部的空腔内前后的距离相同，如此，连接后的装置在受到外力冲击的作用下，供应端和接收端之间由于外力因素突然发生位置偏移，通过滚动体的滚动消除自适应板受到的外力影响，在空腔内滑动，使得供应端与接收端连接好的接插件保持可靠的连接状态而不受偏移影响。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明能够实现无人环境下多路接插件的同时自动对接，自动化程度和运行可靠性高，提高了对接效率；

本发明能够实现长距离移动和高精度对接；

本发明不需要实时监测对接两端的位置误差，依靠机械机构进行自适应调整位姿误差，使得机构控制较为简洁；

本发明不仅能实现对接前六自由度的调整，而且在对接完后，允许供应端基座和接收端基座发生一定范围的六自由度相对位姿变化；

本发明使插拔过程以柔性相接触，从而使接触力远小于刚性碰撞，实现柔性对接。

附图说明

图1是本发明的立体结构示意图；

图2是本发明的驱动机构立体结构示意图；

图3是本发明的对接公板立体结构示意图；

图4是本发明的锁紧机构结构示意图；

图5是本发明的对接母板立体结构示意图；

图6是本发明的校准装置立体结构示意图；

图7是本发明的自适应机构的剖面图。

图标：1-供应端基座、2-驱动机构、201-第一伺服电机、202-第一减速机、203-第一联轴器、204-第一丝杠、205-支撑轴承座、206-第一螺母、207-第一滑块、208-第一导轨、209-固定轴承座、210-第一减速机安装架、3-转运装置、4-对接公板、401-公板基板、402-导向销、403-对接公板接插件、404-连接杆、5-对接母板、501-接收端基座、502-母板基板、503-导向销孔、504-对接母板接插件、6-锁紧机构、601-销、602-电磁铁、701-伺服电机、702-减速机、703-联轴器、704-螺母、705-连接件、706-校准锥、707-丝杠、708-支撑座、709-导轨、710-滑块、711-轴承座、712-减速机安装架、801-U型盖板、802-自适应板、803-滚动体、804-滚动体保持板。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例

如图1-图6所示，本实施例提出一种六自由度自适应位姿调整的自动插拔装置，如图1所示，所述自动插拔装置包括一个供应端基座1、一个驱动机构2、一个转运装置3、一个对接公板4、一个对接母板5、一个锁紧机构6、一个校准装置以及一个自适应机构。

该供应端基座1、该驱动机构2、该转运装置3、该锁紧机构6、该校准装置和该自适应机构能相互配合，以实现该对接公板4和该对接母板5上的接插件能准确对接。其中，对接过程是该转运装置3将对接公板4转移到对接母板5的X向附近，然后校准装置使得自适应机构和对接公板4回到零位，然后驱动机构2实现对接公板4的X向移动。当对接公板4上的导向销402的前端进入对接母板5上的导向销孔503后，此时校准装置回退，使得自适应机构和对接公板4处于自由状态，从而可以进行位姿调整，此时该自适应机构随着导向销402和导向销孔503的配合实现六个自由度的自动调整，从而实现该对接公板4和该对接母板5上的接插件能准确对接。

如图2所示，该驱动机构2能够实现供应端基座1和对接公板4大行程的X向移动，该驱动机构2包括一个带抱闸的第一伺服电机201、一个第一减速机202、一个第一减速机安装架210、一个第一联轴器203、一个第一丝杠204、一个第一螺母206、两个第一滑块207、两个第一导轨208、一个支撑轴承座205和一个固定轴承座209，具体的，该第一减速机202连接于带抱闸的第一伺服电机201和该第一联轴器203，该第一减速机安装架210连接于第一减速机202和供应端基座1，该第一丝杠204连接于该第一联轴器203，该第一螺母206被可驱动地设置于该第一丝杠204，该支撑轴承座205、固定轴承座209设置于两端支撑该第一丝杠204，该第一滑块207设置于转运装置3，该第一导轨208设置于供应端基座1，该第一滑块207能够沿该第一导轨208滑动。

如图3所示，该对接公板4包括一个公板基板401、两个导向销402、对接公板接插件403、6个高强度连接杆404，该导向销402和对接公板接插件403设置于公板基板401上，6个高强度连接杆404连接公板基板401和自适应机构，从而使得公板基板401上的对接公板接插件403能够跟随自适应板802进行X向转动、Y向转动、Z向转动、Y向移动以及Z向移动。

如图4所示，该锁紧机构6包括一个销601和一个电磁铁602，该销601设置于电磁铁602的推拉杆上，随电磁铁602在Z向运动。该锁紧机构6设置于公板基板401上，锁紧时电磁铁602断电带动销601弹出，插入对接公板4和对接母板5的上下的孔中从而达到锁紧对接公板4和对接母板5的目的，松开时电磁铁602通电缩回，带动销601从对接母板5的上下的孔中缩回。

如图5所示，该对接母板5包括一个接收端基座501、一个母板基板502、两个导向销孔503以及对接母板接插件504，该导向销孔503和对接母板接插件504设置于母板基板502上。对接时，由于导向销孔503的前端比导向销402的前端直径大，导向销402进入导向销孔503会自动适应对接前对接公板4和对接母板5的位姿误差，自适应板802与外壳之间各个方向都有间隙，便于调整对接公板4的姿态。

如图6所示，该校准装置包括一个带抱闸的伺服电机701、一个减速机702、一个联轴器703、一个螺母704、一个连接件705、一个校准锥706、一个丝杠707、一个支撑座708、两个导轨709、两个滑块710、一个轴承座711和一个减速机安装架712，该减速机安装架712连接于减速机702和支撑座708，该减速机702连接于带抱闸的伺服电机701和该联轴器703，该丝杠707连接于该联轴器703，该螺母704被可驱动地设置于该丝杠707，轴承座711用来一端支撑该丝杠707，该连接件705连接该螺母704、该滑块710和校准锥706，以使该滑块710沿导轨709形成的轨道运动以及该校准锥706可以沿X方向移动。

如图7所示，该自适应机构包括一个U型盖板801、一个自适应板802，若干滚动体803以及滚动体保持板804，该滚动体803分布于自适应板802的六个面上，滚动体保持板804使得滚动体803在自适应板802的槽内滚动，该U型盖板801设置于供应端基座1上，自适应板802与供应端基座1和U型盖板801之间的间隙用于自适应板802进行对接前后的空间六自由度调整，六个面上的滚动体803可以减少调整过程的摩擦力。对接前，校准装置通过驱动校准锥706在X向移动，然后进入自适应板802的锥孔中，使得自适应板802回到U型盖板801的中心位置，使得±Y向和±Z向的间隙相同。此时驱动机构2推动供应端基座1进行X向移动进行对接，当导向销402进入导向销孔503时，校准装置回退，供应端基座1继续X向移动，此时，自适应板802与空腔后表面贴合，自适应板802恢复自然状态，继续对接时会自动适应对接前对接公板4和对接母板5的位姿误差，完成对接后，锁紧机构6将对接公板4和对接母板5固定，然后驱动机构2向-X向移动，使得自适应板802与供应端基座1和U型盖板801前后的间隙相等。此时，如果发生振动等情况，自适应板802与供应端基座1和U型盖板801之间预留的间隙可以满足供应端基座1和接收端基座501之间发生一定量的六自由度相对位姿变化。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种六自由度自适应位姿调整的自动插拔装置，包括用于驱动供应端基座（1）的驱动机构（2），连接到供应端基座（1）端部的对接公板（4），与对接公板（4）对接的对接母板（5），其特征在于：

所述供应端基座（1）的端部设置有腔体，所述对接公板（4）的一端连接到所述腔体内；

所述供应端基座（1）内设置有校准装置，所述校准装置的一端能够穿过所述供应端基座（1）的端部进入所述腔体内，使得所述对接公板（4）能够相对于供应端基座（1）端部发生位置变动，且能够对其进行位置定位；

包括设置于所述腔体内的自适应板（802），所述自适应板（802）的一侧与所述对接公板（4）固定连接；

所述自适应板（802）与所述腔体内壁面进行接触的侧面上分别设置有滚动体（803），所述滚动体（803）包括设置在所述自适应板（802）上的若干凹槽和分别设置在凹槽内的滚珠，所述滚珠与所述腔体内壁面弹性滚动接触。

2.根据权利要求1所述的六自由度自适应位姿调整的自动插拔装置，其特征在于：

所述校准装置包括校准锥，所述自适应板（802）上设置有与所述校准锥（706）结构相互匹配的锥孔，校准装置通过所述校准锥（706）与所述锥孔进行接触。

3.根据权利要求2所述的六自由度自适应位姿调整的自动插拔装置，其特征在于：

所述校准装置包括伺服电机（701）、减速机（702）、联轴器（703）、丝杠（707），所述校准锥（706）通过连接件（705）连接到所述丝杠（707）上，所述校准锥（706）在所述伺服电机（701）的带动下能够沿着所述丝杠（707）的轴向方向移动。

4.根据权利要求3所述的六自由度自适应位姿调整的自动插拔装置，其特征在于：

所述丝杠（707）通过螺纹连接器连接到所述连接件（705）上。

5.根据权利要求3所述的六自由度自适应位姿调整的自动插拔装置，其特征在于：

所述校准装置包括用于支撑所述伺服电机（701）的支撑座（708），所述支撑座（708）上设置有导轨（709），所述连接件（705）通过滑块（710）连接到所述导轨（709）上。

6.根据权利要求1-5任一所述的六自由度自适应位姿调整的自动插拔装置，其特征在于：

还包括U型盖板（801），所述U型盖板（801）的一侧与所述供应端基座（1）的端部连接，所述U型盖板（801）的另一侧悬空，所述U型盖板（801）与所述供应端基座（1）的端部之间构成所述腔体。

7.根据权利要求5所述的六自由度自适应位姿调整的自动插拔装置，其特征在于：

所述对接公板（4）与所述对接母板（5）之间设置有锁紧机构（6），所述锁紧机构（6）包括设置在所述对接公板（4）上的电磁铁（602）和销（601）、以及设置在所述对接母板（5）上的锁紧孔，所述销（601）能够插入到所述锁紧孔内。

8.一种如权利要求7所述的六自由度自适应位姿调整的自动插拔装置的校准方法，其特征在于：包括以下步骤：

S1：在对接前，对接公板处于自然放松状态，由于外部转运装置的到位位姿误差，对接公板与对接母板存在位置偏差，因此，对接时，首先由伺服电机带动校准装置向着对接公板移动，使得校准锥插入到自适应板上的锥孔中；

S2：伺服电机继续工作，使得校准锥将自适应板顶在腔体内的侧面上，将对接公板进行位置定位；

S3：接着由驱动机构驱动供应端基座向着接收端移动，使得对接公板与对接母板进行对接；

S31：使得对接公板上的导向销前端进入对接母板上的导向销孔中；

S32：导向销前端进入导向销孔后，由伺服电机驱动校准锥离开锥孔，使得对接公板处于自然放松状态；

S33：驱动机构驱动供应端基座移动，使得导向销完全进入导向销孔，消除对接公板与对接母板的初始位姿误差，对接完成并通过锁紧机构进行锁紧；

S4：锁紧后，由驱动机构驱动供应端基座反向运动一段距离，使得自适应板在供应端基座端部的空腔内前后的距离相同，如此，连接后的装置在受到外力冲击的作用下，供应端和接收端之间由于外力因素突然发生位置偏移，通过滚动体的滚动消除自适应板受到的外力影响，在空腔内滑动，使得供应端与接收端连接好的接插件保持可靠的连接状态而不受偏移影响。

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