专利名称：一种真空吸附式三坐标柔性调姿单元的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种真空吸附式三坐标柔性调姿单元。
背景技术：
在具有曲面外形的大型部件、薄壁件装配过程中，都面临如何将其调整到 目标姿态并保持该姿态不变的问题。这些具有复杂型面的零部件大都有严格的 气动外形要求，保证设计外形不变使得支撑和调姿工装设计、制造非常困难。 此类部件通常具有较大的柔性，容易产生变形，传统的工装设备为减小变形常 在多个部位进行刚性支撑，调姿过程中在多个部位由人工操作来调姿，需要进 行反复调整也只能保证少量几个必要的配合部位位姿正确，调姿工作量大，调 姿周期长、效率低，而且容易产生装配应力。这样的传统工装设备只能满足单 一或少量的相似部件。当生产转型时，需要重新设计工艺装备，造成设备用途 单一、设计周期长、生产成本高等缺点，并需要配备大量装配人员，辅助升降 机构、搬运工具等。
大型薄壁件和复杂型面部件，例如飞机机翼，机翼壁板等，由于其形状复 杂且对外形要求严格，难以在其表面安装过渡的支撑工艺接头，使其夹持困难。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种真空吸附式三坐标柔性调 姿单元。
真空吸附式三坐标柔性调姿单元包括底座、X向滚珠丝杠、X向减速器、X
向伺服电机、纵横拖板、上拖板、支撑缸体、伸縮柱、夹紧套筒、真空吸附球
头、Z向滚珠丝杠、Z向光栅尺、蜗轮蜗杆减速器)、Y向导轨滑块、Y向直线 导轨、X向风琴罩、X向直线导轨、X向导轨滑块、Y向滚珠丝杠、Y向风琴罩、 Z向伺服电机、Y向减速器、Y向伺服电机。底座上表面两侧设有X向直线导 轨，底座上两X向直线导轨之间设有X向滚珠丝杠，X向滚珠丝杠端部经X向 减速器与X向伺服电机相连接，X向滚珠丝杠上的螺母和X向导轨滑块与纵横 拖板相连接，纵横拖板上表面两侧设有Y向直线导轨，纵横拖板上两Y向直线 导轨之间设有Y向滚珠丝杠，Y向滚珠丝杠端部经Y向减速器与Y向伺服电机 相连接，Y向滚珠丝杠上的螺母和Y向导轨滑块与上拖板相连接，上拖板上固 定有支撑缸体，支撑缸体外设有Z向光栅尺，支撑缸体内设有伸縮柱，伸縮柱 与支撑缸体之间设有夹紧套筒，伸縮柱上端部设有真空吸附球头，伸縮柱内设
有Z向滚珠丝杠，Z向滚珠丝杠通过蜗轮蜗杆减速器与Z向伺服电机相连接，
底座上设有X向风琴罩，纵横拖板上设有Y向风琴罩。
所述的真空吸附球头包括螺塞、球头安装座、压簧、截止阀、真空吸盘、 半球头、拉簧；球头安装座固定在伸縮柱上，底部设有螺塞，顶部为半球头， 半球头与球头安装座之间由拉簧连接，半球头顶部平面上设有真空吸盘，半球 头内部设有压簧，压簧顶端为截止阀。纵横拖板的运动通过X向伺服电机、X 向减速器和X向滚珠丝杠驱动，光栅尺反馈实现闭环控制。上拖板的运动通过 Y向伺服电机、Y向减速器和Y向滚珠丝杠驱动，光栅尺反馈实现闭环控制。 伸縮柱通过Z向伺服电机、蜗轮蜗杆减速器和Z向滚珠丝杠驱动，Z向光栅尺 反馈进行闭环控制。底座、纵横拖板和支撑缸体上均设有限位开关和机械限位， 提高工作的安全性。真空吸附球头具有30°的全方向偏转量。真空吸盘采用橡胶 材料，与部件型面接触后共同构成密闭腔。伸縮柱顶部设有力传感器。Z向光栅 尺采用偏置方式安装。 本发明与现有技术相比具有的有益效果
1) 可以实现X、 Y、 Z三个方向的精确移动，三轴定位精度0.01mm，重复 定位精度0.005mm， X、 Y、 Z轴两两不垂直度0.025mm/500mm，可实现对支撑 部件的精确调姿；
2) X、 Y方向采用带抱闸的交流伺服电机驱动，可以锁定在X、 Y方向任 意位置，保证支撑的稳定性；
3) X、 Y方向采用精密滚珠丝杠传动和高精度直线导轨导向，光栅尺反馈 实现闭环控制；
4) Z方向通过蜗轮蜗杆减速器实现自锁，使得支撑可靠；
5) 夹紧套筒内通过充入高压油产生弹性变形而夹紧伸縮柱,停止供油以后， 弹性变形恢复而松开伸縮柱，控制方便、夹紧可靠；
6) Z向伸縮柱顶部设有力传感器，实现力和位置的混合控制，提高了系统 工作的安全性；
7) X、 Y、 Z三个方向分别设计了限位开关和机械限位，在结构上提高工作 的安全性；
8) X、 Y向设计了防护罩，保证其传动精度和寿命不受影响；
9) X、 Y、 Z三个方向可以实现同步联动控制；
10) 真空吸附球头具有30。的偏转量，可自适应具有不同外形的曲面部件
11) 真空吸附球头与部件型面相接触构成封闭腔，通过抽真空对装配部件
产生吸附力，使装配部件能够保持姿态并抵抗侧向载荷；
12) Z向光栅尺采用偏置方式安装，便于维护；
13) 通过一定配置的三个或四个真空吸附式三坐标柔性调姿单元可构成具 有不同工作性能的调姿系统，具有快速重构的特性与充分的柔性。
图1 (a)是真空吸附式三坐标柔性调姿单元结构主视图； 图1 (b)是真空吸附式三坐标柔性调姿单元结构侧视图； 图2是本发明的真空吸附球头结构示意图中底座l、 X向滚珠丝杠2、 X向减速器3、 X向伺服电机4、纵横拖板 5、上拖板6、支撑缸体7、伸縮柱8、夹紧套筒9、真空吸附球头IO、 Z向滚珠 丝杠11、 Z向光栅尺12、蜗轮蜗杆减速器13、 Y向导轨滑块14、 Y向直线导轨 15、 X向风琴罩16、 X向直线导轨17、 X向导轨滑块18、 Y向滚珠丝杠19、 Y 向风琴罩20、 Z向伺服电机21、 Y向减速器22、 Y向伺服电机23、螺塞24、 球头安装座25、压簧26、截止阀27、真空吸盘28、半球头29、拉簧30。
具体实施例方式
本发明通过可以全方位30。偏转的真空吸附球头自适应部件型面，充分接触 后进行真空吸附，增加支撑的摩擦力，保证支撑的稳定性和可靠性。调姿单元 可以在X、 Y、 Z三个方向进行精密调节，定位精度高，运行平稳。作为核心支 撑单元，根据大部件的结构形式可选择几个支撑位置，构成不同的调姿系统。 真空吸附球头的全方位30。的偏转特性能够使其自适应部件的复杂外形，具有足 够的柔性。
如图1所示，真空吸附式三坐标柔性调姿单元包括底座1、 X向滚珠丝杠2、 X向减速器3、 X向伺服电机4、纵横拖板5、上拖板6、支撑缸体7、伸縮柱8、 夹紧套筒9、真空吸附球头10、 Z向滚珠丝杠11、 Z向光栅尺12、蜗轮蜗杆减 速器13、 Y向导轨滑块14、 Y向直线导轨15、 X向风琴罩16、 X向直线导轨 17、 X向导轨滑块18、 Y向滚珠丝杠19、 Y向风琴罩20、 Z向伺服电机21、 Y 向减速器22、 Y向伺服电机23。底座1上表面两侧设有X向直线导轨17，底 座1上两X向直线导轨17之间设有X向滚珠丝杠2， X向滚珠丝杠2端部经X 向减速器3与X向伺服电机4相连接，X向滚珠丝杠2上的螺母和X向导轨滑 块18与纵横拖板5相连接，纵横拖板5上表面两侧设有Y向直线导轨15，纵 横拖板5上两Y向直线导轨15之间设有Y向滚珠丝杠19， Y向滚珠丝杠19端 部经Y向减速器22与Y向伺服电机23相连接，Y向滚珠丝杠19上的螺母和Y
向导轨滑块14与上拖板6相连接，上拖板6上固定有支撑缸体7，支撑缸体7 外设有Z向光栅尺12,支撑缸体7内设有伸縮柱8，伸縮柱8与支撑缸体7之 间设有夹紧套筒9，伸縮柱8上端部设有真空吸附球头10，伸縮柱8内设有Z 向滚珠丝杠11， Z向滚珠丝杠11通过蜗轮蜗杆减速器13与Z向伺服电机21相 连接，底座1上设有X向风琴罩16,纵横拖板5上设有Y向风琴罩20。
纵横拖板5的运动通过X向伺服电机4、 X向减速器3和X向滚珠丝杠2 驱动，X向直线导轨导向，光栅尺反馈实现闭环控制。上拖板6的运动通过Y 向伺服电机23、 Y向减速器22和Y向滚珠丝杠19驱动，Y向直线导轨导向， 光栅尺反馈实现闭环控制。伸縮柱8通过Z向伺服电机21、蜗轮蜗杆减速器13 和Z向滚珠丝杠11驱动，Z向光栅尺12反馈进行闭环控制。底座1、纵横拖板 5和支撑缸体7上均设有限位开关和机械限位，提高工作的安全性。伸縮柱8顶 部设有力传感器。Z向光栅尺12采用偏置方式安装。
如图2所示，真空吸附球头10包括螺塞24、球头安装座25、压簧26、截 止阀27、真空吸盘28、半球头29、拉簧30;球头安装座25固定在伸縮柱8上， 底部设有螺塞24，顶部为半球头29，半球头29与球头安装座25之间由拉簧30 连接，半球头29顶部平面上设有真空吸盘28，半球头29内部设有压簧26，压 簧26顶端为截止阀27。
真空吸附球头10具有30。的全方向偏转量。真空吸盘28采用橡胶材料，与 部件型面接触后共同构成密闭腔。
实施过程中根据大部件的结构形式与尺寸特点，选择可以承受支撑力的部 位，确定需要的支撑位置。根据选择的支撑部位配置真空吸附式三坐标柔性调 姿单元。对于不同的调姿大部件，选择不同数量的调姿单元可以构成不同布局 的调姿系统。
对部件进行调姿时，首先根据选择的部件支撑部位配置三坐标柔性调姿单 元。当装配部件吊装到位后，电机驱动伸縮柱伸出，伸縮柱推动真空吸附球头 上升。由于真空吸附球头具有30。的偏转量，使其可以自适应装配部件表面贴合 并压紧。真空吸盘为橡胶材料，在与装配部件贴合时能够产生变形，形成封闭 腔，并具有良好的气密性。拉簧可以限制半球头不滑出球头安装座，并且在部 件吊离工位时使半球头复位。调姿单元支撑部件以后，真空系统通过球头安装 座侧面的气孔来抽真空，此时由于半球头上下两部分有压力差，使压簧变形， 截止阀打开。当达到设定的真空度以后停止抽真空，此时压簧推动截止阀复位， 保证球头与部件表面之间封闭腔的气密性。部件入位后，根据设计的路径规划
算法，由控制系统驱动进行调姿。调姿过程中采用激光跟踪仪进行测量并记录 测量值，并以此测量值计算大部件的姿态。装配部件调整到理想位置时，夹紧 套筒内充入高压油，锁紧调姿单元的伸縮柱，保持部件的姿态不发生变化，并 增加支撑的稳定性。
使用本发明实施例的步骤如下
1) 根据调姿部件确定调姿单元的布局，构成调姿系统；
2) 装配部件吊装入位；
3) 真空吸附球头与装配部件贴合压紧，抽真空使球头对装配部件产生真空 吸附力；
4) 控制系统进行部件姿态调整；
5) 夹紧套筒锁紧，保持装配部件姿态；
6) 完成后续装配连接等工序。
权利要求
1．一种真空吸附式三坐标柔性调姿单元，其特征在于包括底座(1)、X向滚珠丝杠(2)、X向减速器(3)、X向伺服电机(4)、纵横拖板(5)、上拖板(6)、支撑缸体(7)、伸缩柱(8)、夹紧套筒(9)、真空吸附球头(10)、Z向滚珠丝杠(11)、Z向光栅尺(12)、蜗轮蜗杆减速器(13)、Y向导轨滑块(14)、Y向直线导轨(15)、X向风琴罩(16)、X向直线导轨(17)、X向导轨滑块(18)、Y向滚珠丝杠(19)、Y向风琴罩(20)、Z向伺服电机(21)、Y向减速器(22)、Y向伺服电机(23)；底座(1)上表面两侧设有X向直线导轨(17)，底座(1)上两X向直线导轨(17)之间设有X向滚珠丝杠(2)，X向滚珠丝杠(2)端部经X向减速器(3)与X向伺服电机(4)相连接，X向滚珠丝杠(2)上的螺母和X向导轨滑块(18)与纵横拖板(5)相连接，纵横拖板(5)上表面两侧设有Y向直线导轨(15)，纵横拖板(5)上两Y向直线导轨(15)之间设有Y向滚珠丝杠(19)，Y向滚珠丝杠(19)端部经Y向减速器(22)与Y向伺服电机(23)相连接，Y向滚珠丝杠(19)上的螺母和Y向导轨滑块(14)与上拖板(6)相连接，上拖板(6)上固定有支撑缸体(7)，支撑缸体(7)外设有Z向光栅尺(12)，支撑缸体(7)内设有伸缩柱(8)，伸缩柱(8)与支撑缸体(7)之间设有夹紧套筒(9)，伸缩柱(8)上端部设有真空吸附球头(10)，伸缩柱(8)内设有Z向滚珠丝杠(11)，Z向滚珠丝杠(11)通过蜗轮蜗杆减速器(13)与Z向伺服电机(21)相连接，底座(1)上设有X向风琴罩(16)，纵横拖板(5)上设有Y向风琴罩(20)。
2. 根据权利要求1所述的一种真空吸附式三坐标柔性调姿单元，其特征在 于，所述的真空吸附球头(10)包括螺塞(24)、球头安装座(25)、压簧(26)、截 止阀(27)、真空吸盘(28)、半球头(29)、拉簧(30);球头安装座(25)固定在伸縮 柱(8)上，底部设有螺塞(24),顶部为半球头(29)，半球头(29)与球头安 装座(25)之间由拉簧(30)连接，半球头(29)顶部平面上设有真空吸盘(28)， 半球头(29)内部设有压簧(26)，压簧(26)顶端为截止阀(27)。
3. 根据权利要求1所述的一种真空吸附式三坐标柔性调姿单元，其特征在 于所述的纵横拖板(5)的运动通过X向伺服电机(4)、 X向减速器(3)和X向 滚珠丝杠(2)驱动，X向直线导轨(17)导向,光栅尺反馈实现闭环控制。
4. 根据权利要求1所述的一种真空吸附式三坐标柔性调姿单元，其特征在 于所述的上拖板(6)的运动通过Y向伺服电机(23)、 Y向减速器(22)和Y向 滚珠丝杠(19)驱动，Y向直线导轨(15)导向,光栅尺反馈实现闭环控制。
5. 根据权利要求1所述的一种真空吸附式三坐标柔性调姿单元，其特征在 于所述的伸縮柱(8)通过Z向伺服电机(21)、蜗轮蜗杆减速器(13)和Z向滚珠 丝杠(11)驱动，Z向光栅尺(12)反馈进行闭环控制。
6. 根据权利要求1所述的一种真空吸附式三坐标柔性调姿单元，其特征在 于所述的底座(l)、纵横拖板(5)和支撑缸体(7)上均设有限位开关和机械限位， 提高工作的安全性。
7. 根据权利要求1所述的一种真空吸附式三坐标柔性调姿单元，其特征在 于所述的真空吸附球头(10)具有30。的全方向偏转量。
8. 根据权利要求1所述的一种真空吸附式三坐标柔性调姿单元，其特征在 于所述的真空吸盘(28)采用橡胶材料，与部件型面接触后共同构成密闭腔。
9. 根据权利要求1所述的一种真空吸附式三坐标柔性调姿单元，其特征在 于所述的伸縮柱(8)顶部设有力传感器。
10. 根据权利要求1所述的一种球形铰接式三坐标柔性调姿单元，其特征在 于所述的Z向光栅尺(12)采用偏置方式安装。
全文摘要
本发明公开了一种真空吸附式三坐标柔性调姿单元。具有底座、X向滚珠丝杠、X向减速器、X向伺服电机、纵横拖板、上拖板、支撑缸体、伸缩柱、夹紧套筒、真空吸附球头、Z向滚珠丝杠、Z向光栅尺、蜗轮蜗杆减速器、Y向导轨滑块、Y向直线导轨、X向风琴罩、X向直线导轨、X向导轨滑块、Y向滚珠丝杠、Y向风琴罩、Z向伺服电机、Y向减速器、Y向伺服电机；通过伺服电机、滚珠丝杠驱动与光栅尺反馈进行闭环控制，实现X、Y、Z三个方向的精确定位，并在相应方向上设有风琴罩进行保护。本发明通过真空吸附支撑并固持具有复杂型面的部件，支撑稳定可靠，三个方向可以实现协同运动控制，作为核心单元，通过一定的配置可构成具有不同用途的调姿系统。
文档编号B25J15/06GK101362328SQ200810161660
公开日2009年2月11日 申请日期2008年9月19日 优先权日2008年9月19日
发明者屠智明, 杨卫东, 柯映林, 盖宇春, 秦龙刚, 蒋君侠, 贾叔仕, 郭志敏, 陈学良, 黄浦缙 申请人:浙江大学