CN203293060U - 一种通用型精密数控支撑立柱 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种通用型精密数控支撑立柱，主要由支撑杆、套在支撑杆外的外缸套、丝杠副、与滚珠丝杠连接的减速器、实现电机数控功能的数控模块、与数控模块连接的电气插接件、与电气插接件固定连接的底座组成，支撑杆的导向由花键导向轴、外缸套内壁的导向槽和安装于外缸套内壁上端的直线滑动轴承实现；本实用新型公开的通用型精密数控支撑立柱安装方便、易于操作，可以单独使用，实现机械加工、测量过程中零件的支撑与定位，提高生产过程的自动化程度；将其模块化，设计成通用型数控支撑立柱，安装一套多点柔性工装，用于三维曲面零件制造过程中的柔性化、智能化、数字化支撑，降低了制造成本与技术难度。

Description

一种通用型精密数控支撑立柱

技术领域

本实用新型涉及一种本实用新型属于机械工程领域，具体涉及一种通用型高度可数控调整的支撑立柱。

背景技术

在飞机蒙皮、动车外板、建筑外墙等大型三维曲面零件的铣边、钻孔、划线等加工过程以及装配过程中，需要专用工装夹具对零件进行吸附、支撑以及定位。以往的生产过程中，每一种零件都需要一套专门工装，成本高、存储空间大。多点柔性工装可以根据被支撑零件的大小和几何形状，自动排布所需要的立柱位置并调整到所需要的高度，代替传统的专用工装，支撑、固定大型三维曲面零件，用于测量、划线、铣边、钻孔等操作，从而实现曲面零件支撑定位的柔性化、智能化、数字化。在多点柔性工装中，最核心的部件就是精密数控支撑立柱，如何将其模块化，设计成通用型部件就成为发展趋势。设计成通用型数控支撑立柱后，可以根据需要快速制造安装一套多点柔性工装，用于三维曲面零件制造过程中的柔性化支撑，而且降低制造成本与技术难度。另一方面，由于该立柱安装方便、易于操作，可以单独使用，实现机械加工、测量过程中零件的支撑与定位，提高生产过程的自动化程度。

发明内容

本实用新型所要解决的技术问题是克服了现有技术存在的问题，提供了一种通用型精密数控支撑立柱，可以单独用于机械加工中零件的支撑固定，也可用于组成智能多点柔性工装，实现对三维曲面零件的柔性化吸附、支撑以及定位。

为解决上述技术问题，本实用新型是采用如下技术方案实现的：

一种通用型精密数控支撑立柱，主要由支撑杆7、套在支撑杆7外的外缸套8、滚珠丝杠10与滚珠丝母11组成的丝杠副、与滚珠丝杠10连接的减速器13、实现电机数控功能的数控模块16、与数控模块16连接的电气插接件17、与电气插接件17固定连接的底座18组成，所述支撑杆7为中空结构，套装在滚珠丝杠11的外层，所述支撑杆7下端与花键导向轴12固定连接，所述花键导向轴12与所述滚珠丝母11固定连接；

所述外缸套8内壁设有导向槽，所述花键导向轴12上的凸出键沿外缸套8内壁的导向槽滑动；所述外缸套8内壁上端设有直线滑动轴承4。

所述支撑杆7顶端设有可更换支撑头1，所述可更换支撑头1下部设有支撑头通用底座19，所述支撑头通用底座19为不封闭的筒形结构，侧面设有豁口，垂直于豁口方向设有螺纹孔。

所述外缸套8下端固定连接电机舱座14，所述电机舱座14内部安装减速器13、电机15以及数控模块16，减速器13的输入端与电机15输出轴连接，减速器13输出端与滚珠丝杠10连接；电机15与所述数控模块16连接；

所述外缸套8的顶端与安装法兰6固定连接，在安装法兰6和电机舱座14之间的所述外缸套8上依次固定有三个限位感应传感器5a、5b、5c，所述三个感应传感器5a、5b、5c依次确定支撑杆7伸出的零位、最低、最高坐标值；所述数控模块16与限位传感器5a、5b、5c连接；

所述支撑杆7的顶端与安装法兰6之间设有可伸缩保护套3，所述可伸缩保护套3随着支撑杆7的伸缩而伸缩，用于保护支撑杆7外表面；所述外缸套8外层套装外层保护罩9，用于保护三个限位感应传感器5a、5b、5c以及连接线。

所述可更换的支撑头1是吸盘型支撑头1a，真空吸盘在45°之内任意摆动，侧壁设有真空通道2。

所述支撑头1是球形支撑头1b，球形支撑头端部为半球形球冠。

所述支撑头1是定位型支撑头1c，在支撑头上设有零件定位紧固销钉。

所述电气插接件17由电气插头23、与电气插头23配合的电气插座24组成，所述电气插头23与导向筒20相配合，并与电机舱座14固定连接；所述底座18主要由单元座底板25，固定在单元座底板25上的底座外板22和插座固定架21组成，所述底座外板22与导向筒20配合，所述电气插座24通过插座固定架21与单元座底板25固定连接。

每一个通用型精密数控支撑立柱都有唯一的地址编码，通过工业总线实现一个或者数个立柱的并行数控驱动，该控制总线是RS485、CAN或者基于TCP/IP的EtherCAT工业控制总线。

通用型精密数控支撑立柱作为基本单元，多个数控支撑立柱按照预先设定间隔通过底座18安装在平台上，组成固定式多点柔性工装，立柱X、Y向固定不动，Z向高度调整，用于不同曲面零件的支撑及定位。

通用型精密数控支撑立柱作为基本单元，将多个数控支撑立柱安装于X向可数控移动的横梁上，横梁上的每个立柱分别由伺服电机驱动实现沿横梁长度方向Y向移动，组成X、Y、Z方向都能数控调整的柔性多点工装。

本实用新型公开了一种通用型精密数控支撑立柱，它集成控制通信电路、驱动器件、滚珠丝杠以及可更换的支撑头等部件，通过总线实现高度方向的精密一维数控，可用于机械制造过程中零件的吸附、支撑以及定位。

立柱作为一个独立的集成数控单元，通过安装法兰或底座它可以安装在加工现场的任何位置，通过连接便携电脑调节其高度后用于被制造零件的吸附、支撑以及定位。

作为基本单元，多个数控支撑立柱根据需要按照设定间隔排列安装在平台上，可以组成固定式多点柔性工装，适用于三维曲面零件的数字化吸附、支撑以及定位。

将数个数控支撑立柱安装于X向可数控移动的横梁上，并且横梁上的每个立柱分别由伺服电机驱动实现沿横梁长度方向Y向移动，则组成X、Y、Z方向都可以数控调整的三维数控多点柔性工装，该工装不但根据曲面形状调整立柱高度，而且可以任意调整支撑点位置，适用范围更广。

此外，可更换支撑头的多样性，保证了使用的灵活性，既可以用球型支撑头顶紧加工中的零件，也可以用吸盘型支撑头吸附固定零件，而且适合于任意形状的金属或非金属三维曲面零件；该通用型精密数控支撑立柱数控功能齐全，可以进行位置控制、速度控制，也可以施加扭矩控制，而且集成度高、外接电缆少、保护功能多、通用性能强，使用方便。

与现有技术相比本实用新型的有益效果是：

本实用新型公开的一种通用型精密数控支撑立柱安装方便、易于操作，可以单独使用，实现机械加工、测量过程中零件的支撑与定位，提高生产过程的自动化程度；将其模块化，设计成通用型数控支撑立柱，根据需要快速制造安装一套多点柔性工装，用于三维曲面零件制造过程中的柔性化、智能化、数字化支撑，降低了制造成本与技术难度。

附图说明

下面结合附图对本实用新型作进一步的说明：

图1是通用型精密数控支撑立柱示意图；

图2是可更换支撑头的三种形式示意图；

图3是支撑杆下端连接示意图；

图4是花键轴导向示意图；

图5是固定底座连接示意图；

图6是固定式多点柔性工装示意图；

图7是三维数控多点柔性工装示意图；

图中：1、可更换的支撑头；1a、吸盘型支撑头；1b、球形支撑头；1c、定位型支撑头；2、真空通道；3、可伸缩保护套；4、直线滑动轴承；5a、限位传感器；5b、限位传感器；5c、限位传感器；6、安装法兰；7、支撑杆；8、外缸套；9、外层保护罩；10、滚珠丝杠；11、滚珠丝母；12、花键导向轴；13、减速器；14、电机舱座；15、电机；16、数控模块；17、电气插接件；18、底座；19、支撑头通用底座；20、导向筒；21、插座固定架；22、底座外板；23、电气插头；24、电气插座；25、单元底板；26、支撑单元；27、固定板；28、底座。

具体实施方式

下面结合附图对本实用新型作详细的描述：

通用型精密数控支撑立柱，主要由可更换的支撑头1、可伸缩保护套3、直线滑动轴承4、限位传感器5、安装法兰6、支撑杆7、外缸套8、外层保护罩9、滚珠丝杠10、滚珠丝母11、花键导向轴12、减速器13、电机舱座14、电机15、数控模块16、电气插接件17、底座18组成。

支撑杆7位于外缸套8内部，可在丝杠副的驱动下伸缩,组成支撑立柱的直线运动部分；支撑杆7为中空结构，套装在滚珠丝杠11的外层，下端面通过螺钉与花键导向轴12连接，并通过螺钉与滚珠丝母11的法兰盘刚性连接成一体。通过滚珠丝杠10的正反向转动带动滚珠丝母11上下运动，从而实现支撑杆7的伸出与缩回。花键导向轴12上的两个凸出键沿外缸套8内壁的导向槽滑动，实现支撑杆7的导向，并防止支撑杆7转动；外缸套8上端的直线滑动轴承4起到支撑与轴向导向功能。

在安装法兰6和电机舱座14之间，外缸套8上依次固定有三个限位感应传感器5a、5b、5c；每个感应传感器包括开关固定架和感应开关，感应开关通过开关固定架安装到外缸套8上；三个感应传感器5a、5b、5c共同完成一维数控中的上下限位以及零位功能，确定数控支撑立柱的零位值、上下极限值，从而确定数控立柱高度坐标值。

电机舱座14被固定于外缸套8下端，内部安装减速器13、电机15以及数控模块16，组成支撑立柱的数控旋转驱动部分；减速器13的输入端与电机15输出轴连接，输出端与滚珠丝杠10连接；所述数控模块16被固定于电机15后端，内部连接电机15、限位传感器5的电气信号，实现电机数控功能，并通过电气插接件17连接外部控制总线和电源。为了适应电机舱容积有限的要求，选用的电机与其控制、驱动、反馈、通讯电路集成为一体，而且包括限位传感器接口、工业总线接口，包括过载、过热、过压等保护，能够实现数控系统的所有功能。每一个数控支撑立柱都有唯一的地址编码，通过控制总线可以实现所有的数控功能。该工业控制总线可以是RS485、CAN总线，也可以是基于TCP/IP的EtherCAT等工业控制总线，保证其工业应用的可靠性。在数个支撑立柱一起使用时，其总线结构可以保证挂在工业总线上的所有立柱实现并行数控。

参阅图2，可更换的支撑头1有三种形式：吸盘型支撑头1a、球形支撑头1b和定位型支撑头1c，三种形式的支撑头下部配有统一的支撑头通用底座19。支撑头通用底座19为不封闭的筒形结构，侧面留有豁口，垂直于豁口方向加工有螺纹孔，可通过旋紧螺钉，将可更换的支撑头1与支撑杆7相对固定；吸盘型支撑头1a侧壁设有真空通道2，用于连接外部真空源，吸盘型支撑头1a用于曲面零件的吸附固定；球形支撑头1b的端部为半球形球冠，可与任意形状曲面相切接触，仅用于向上支撑曲面；定位型支撑头1c在支撑头上设有零件定位紧固销钉，用于曲面零件的空间定位。

支撑杆7的顶端与安装法兰6之间安装有可伸缩保护套3，可沿高度方向任意伸缩，从而保护支撑杆7外表面；外层保护套9套装在外缸套8外层，保护三个限位感应传感器5a、5b、5c以及连接线。

电气插接件17由电气插头23、与电气插头23配合的电气插座24组成，电气插头23与导向筒20相配合，并与电机舱座14固定在一起；底座18主要由与导向筒20配合的底座外板22、插座固定架21和单元座底板25组成，并连接固定为一体。在密布使用场合，电气插接件17与底座18之间易于分离，便于安装与维护。

通用型精密数控支撑立柱，集成控制通信电路、数控旋转、直线运动、安全保护以及可更换的支撑头等部件，通过工业总线实现立柱高度的精密一维数控。其工作流程为：计算机通过总线对相应地址编号的数控支撑立柱发出运行命令，数控模块中的CPU控制电机15以设定的速度旋转相应圈数，经过减速器13驱动滚珠丝杠副实现支撑杆7高度方向伸缩的精密一维数控。

该通用型精密数控支撑立柱从功能上分为五个部分：支撑头、直线运动、数控驱动、安全保护以及连接安装五个部分，具体实施方式如下：

一、支撑头部分：

为了适应不同零件的支撑、定位，数控支撑立柱的支撑头设计成为可以更换的形式，吸盘型支撑头1a、球型支撑头1b和具有零件空间定位功能的定位型支撑头1c，三种形式的支撑头下部配有支撑头通用底座19。支撑头通用底座19为不封闭的筒形结构，侧面留有豁口，垂直于豁口方向加工有螺纹孔，可通过旋紧螺钉，将支撑头1与支撑杆7相对固定；具体实施方式有以下三种形式：A、吸盘型支撑头1a，为双层球碗式结构，能够在45°之内任意摆动，且能保证吸盘中心点高度不变，不但可用于平面的吸附，还可以用于三维曲面零件的吸附；吸盘唇边选用硅胶制成，保证密封可靠；侧壁留有真空通道2，连接外部真空源；B、球型支撑头1b，端部为半球形球冠，球冠下部直接与支撑头通用底座19相连，用于向上支撑零件或顶紧零件，球冠结构可以保证与任意三维曲面零件相切接触，而且只要计算出切点位置就可以反求球冠球心的坐标，也就是支撑立柱的高度；C、定位型支撑头1c，结构上比球型支撑头多出一个定位销钉，用于对工件进行支撑前的空间坐标定位。可更换的支撑头参阅图2所示，工作时，通过更换不同的支撑头，实现支撑立柱三种不同的支撑功能。在具体实施过程中，支撑头还可以设计成其它形式，只要具有相同的接口尺寸，就可以安装在数控支撑立柱的顶端。

二、直线运动部分：

通用型精密数控支撑立柱上支撑杆的直线运动功能由支撑杆7、外缸套8、滚珠丝杠10、滚珠丝母11、直线滑动轴承4、花键导向轴12实现。实施方式如下：支撑杆7为中空结构，套装在滚珠丝杠11的外层，并一起安装在外缸套8内部，下端面通过螺钉与花键导向轴12连接，并通过螺钉与滚珠丝母11的法兰盘刚性连接成一体。通过丝杠副将滚珠丝杠10的正反向转动转变为滚珠丝母11的上下直线运动，从而带动支撑杆7实现伸出与缩回功能；外缸套8顶端装有直线滑动轴承4，用于支撑杆7的固定和导向；外缸套8内壁设计有两个轴向导向槽，与花键导向轴12上的凸出键滑动配合实现支撑杆7的运动导向，并防止支撑杆7的转动。支撑杆7的导向由花键导向轴12、外缸套8内壁的导向槽和安装于外缸套8内壁上端的直线滑动轴承4实现。

三、数控驱动部分：

支撑立柱的数控旋转驱动功能由减速器13、电机15以及数控模块16实现。具体实施方式如下：减速器13、电机15以及数控模块16安装在电机舱座14内部，电机舱座14上端与外缸套8下端连接，电机舱座14下端与底座18连接。电机舱座14内部，减速器13的输入端与电机15输出轴连接，输出端与滚珠丝杠10连接，实现力矩放大功能。电机15可以选择步进电机、直流伺服或者交流伺服电机，将电信号转变为机械旋转。由于受电机舱座14空间限制，与电机15配套的数控模块16被固定于电机15后端。数控模块16上集成有控制CPU、运动控制电路、驱动放大电路、工业总线接口、编码器接口、限位开关接口以及过流、过压、超温、防止短路等保护电路，能够实现电机的位置、速度、和扭矩控制等所有数控功能。通过数控模块16上的接口，在电机舱座14内部连接电机15及其编码器接线、限位传感器5的电气信号，并通过电气插接件17连接外部工业总线以及电源。

每一个数控模块都有唯一的地址编码，通过控制总线可以控制和监控该支撑立柱的运动和状态。工业控制总线可以是RS485、CAN总线，也可以是基于TCP/IP的EtherCAT等工业控制总线，其应用既保证了连线简洁，又保证其可靠性。在数个支撑立柱一起使用时，其总线结构可以保证挂在工业总线上的所有立柱实现并行数控。

限位传感器5由外缸套8上沿高度方向设置的三个相同的感应传感器5a、5b、5c组成，每个感应传感器包括开关固定架和感应开关，开关固定架呈圆筒状，并留有连接螺纹孔，感应开关通过开关固定架安装到外缸套8上。沿高度方向设置的三个感应传感器5a、5b、5c分别检测支撑杆7的运动位置，共同完成一维数控中的上下限位以及零位功能，确定数控支撑立柱的零位值，上下极限值，从而确定数控立柱高度坐标值并实现限位保护。外缸套8上加工有凹槽，为感应传感器的线路通道，用于布置传感器电气信号线，信号线经过通道直接进入电机舱座14，与数控模块16上的限位开关接口连接。

四、安全保护部分：

数控支撑立柱的安全保护主要包括立柱外层防护、电气安全保护两部分，具体实施方式如下：支撑杆7为表面精度很高的光杆，为了避免在使用过程中其外表面的损伤，在支撑杆7的顶端与安装法兰6之间安装有可伸缩保护套3。可伸缩保护套3由螺旋弹簧钢组成，可以沿长度方向任意伸缩，它通过两个法兰盘固定在支撑杆7顶端与安装法兰6之间，其长度随着支撑杆7的伸缩而变化，始终保护支撑杆7伸出部分的外表面。外缸套8上安装有限位传感器5，为了保护三个限位感应传感器5a、5b、5c以及连接线，设计有外层保护罩9，外层保护罩9套装在外缸套8外层。

数控支撑立柱的电气保护通过数控模块16实现，外缸套8上安装的限位传感器5限定了支撑杆7的运动范围。数控模块16上的温度、过流、过压传感器保护数控模块自身以及电机15以及与其相连的其他数控支撑立柱。

五、连接安装部分：

该实用新型的精密数控支撑立柱设计有安装法兰6，安装法兰6与外缸套8的顶端固定在一起，用于立柱在使用过程中的安装定位。

数控支撑立柱在组成多点柔性工装应用时，大量数控支撑立柱密集排布使用，每一个立柱都需要连接外部控制电缆与电源电缆，其安装与维护十分困难。下述实施方式能够实现其快速安装与方便拆卸维护：支撑立柱设计有电气插接件17和底座18，电气插接件17和底座18为插拔式结构。电气插接件17由电气插头23、与电气插头23配合的电气插座24组成，电气插头23与导向筒20相配合，并与电机舱座14固定在一起；底座18主要由与导向筒20配合的底座外板22、插座固定架21和单元座底板25组成。底座外板22和插座固定架21通过螺钉固定在单元座底板25上，电气插座24安装在插座固定架21上。

在立柱上部与底座18连接时，导向筒20和底座外板22实现自动定位和对正的功能，从而保证在支撑立柱维修拆卸时，不需要将连接在底座18后面的外部电缆全部拆除。而在作为一个支撑立柱单独使用时，通过螺栓将二者固定在一起，增加可靠性。

Claims (10)

1.一种通用型精密数控支撑立柱，主要由支撑杆（7）、套在支撑杆（7）外的外缸套（8）、滚珠丝杠（10）与滚珠丝母（11）组成的丝杠副、与滚珠丝杠（10）连接的减速器（13）、实现电机数控功能的数控模块（16）、与数控模块（16）连接的电气插接件（17）、与电气插接件（17）固定连接的底座（18）组成，其特征在于： 

所述支撑杆（7）为中空结构，套装在滚珠丝杠（11）的外层，所述支撑杆（7）下端与花键导向轴（12）固定连接，所述花键导向轴（12）与所述滚珠丝母（11）固定连接； 

所述外缸套（8）内壁设有导向槽，所述花键导向轴（12）上的凸出键沿外缸套（8）内壁的导向槽滑动；所述外缸套（8）内壁上端设有直线滑动轴承（4）。 

2.根据权利要求1所述的一种通用型精密数控支撑立柱，其特征在于： 

所述支撑杆（7）顶端设有可更换支撑头（1），所述可更换支撑头（1）下部设有支撑头通用底座（19），所述支撑头通用底座（19）为不封闭的筒形结构，侧面设有豁口，垂直于豁口方向设有螺纹孔。 

3.根据权利要求1所述的一种通用型精密数控支撑立柱，其特征在于： 

所述外缸套（8）下端固定连接电机舱座（14），所述电机舱座（14）内部安装减速器（13）、电机（15）以及数控模块（16），减速器（13）的输入端与电机（15）输出轴连接，减速器（13）输出端与滚珠丝杠（10）连接；电机（15）与所述数控模块（16）连接； 

所述外缸套（8）的顶端与安装法兰（6）固定连接，在安装法兰（6）和电机舱座（14）之间的所述外缸套（8）上依次固定有三个限位感应传感器（5a、5b、5c），所述三个感应传感器（5a、5b、5c）依次确定支撑杆（7）伸出的零位、最低、最高坐标值；所述数控模块（16）与限位传感器（5a、5b、5c）连接； 

所述支撑杆（7）的顶端与安装法兰（6）之间设有可伸缩保护套（3），所述可伸缩保护套（3）随着支撑杆（7）的伸缩而伸缩，用于保护支撑杆（7）外表面；所述外缸套（8）外层套装外层保护罩（9），用于保护三个限位感应传感器（5a、5b、5c）以及连接线。 

4.根据权利要求1至3任一所述的一种通用型精密数控支撑立柱，其特征在于： 

所述可更换的支撑头（1）是吸盘型支撑头（1a），真空吸盘在45°之内任意摆动，侧壁设有真空通道（2）。 

5.根据权利要求1至3任一所述的一种通用型精密数控支撑立柱，其特征在于： 

所述支撑头（1）是球形支撑头（1b），球形支撑头端部为半球形球冠。 

6.根据权利要求1至3任一所述的一种精密数控支撑立柱，其特征在于： 

所述支撑头（1）是定位型支撑头（1c），在支撑头上设有零件定位紧固销钉。 

7.根据权利要求1所述的一种通用型精密数控支撑立柱，其特征在于： 

所述电气插接件（17）由电气插头（23）、与电气插头（23）配合的电气插座（24）组成，所述电气插头（23）与导向筒（20）相配合，并与电机舱座（14）固定连接；所述底座（18）主要由单元座底板（25），固定在单元座底板（25）上的底座外板（22）和插座固定架（21）组成，所述底座外板（22）与导向筒（20）配合，所述电气插座（24）通过插座固定架（21）与单元座底板（25）固定连接。 

8.根据权利要求1所述的一种通用型精密数控支撑立柱，其特征在于： 

每一个通用型精密数控支撑立柱都有唯一的地址编码，通过工业总线实现一个或者数个立柱的并行数控驱动，该控制总线是RS485、CAN或者基于TCP/IP的EtherCAT工业控制总线。 

9.根据权利要求1所述的一种通用型精密数控支撑立柱，其特征在于： 

通用型精密数控支撑立柱作为基本单元，多个数控支撑立柱按照预先设定间隔通过底座（18）安装在平台上，组成固定式多点柔性工装，立柱X、Y向固定不动，Z向高度调整，用于不同曲面零件的支撑及定位。 

10.根据权利要求1所述的一种通用型精密数控支撑立柱，其特征在于： 

通用型精密数控支撑立柱作为基本单元，将多个数控支撑立柱安装于X向数控移动的横梁上，横梁上的每个立柱分别由伺服电机驱动实现沿横梁长度方向Y向移动，组成X、Y、Z方向都能数控调整的柔性多点工装。 

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