专利名称：一种大行程、高刚度、高精度三坐标定位器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种大行程、高刚度、高精度三坐标定位器。
背景技术：
在军事、航空、航天、船舶等领域使用大量的曲面和不规则几何外形的大型部件。 它们的装配过程一般是由零件先装配成比较简单的组合件，再装配成比较复杂的段件和部 件，最后将各部件对接成完整的产品。在进行各部件对接装配时，要求各部件能在较大范围 内运动，且对各部件位姿调整精度要求较高，从而保证对接部件装配精度和外形协调准确 度要求。部件的对接装配是由一定的工装实现的。传统的大部件装配采用固定不变的刚性 工装。刚性化工装是针对具体结构专门设计，需要考虑每一处细节，造成工装整体结构复 杂，体积大，而且用途单一。工装自动化程度低，人工装配的工作量大，生产周期长、成本高。在大型飞机制造中，传统刚性化工装不能满足大部件对接装配要求，具有可重构 功能的柔性工装越来越受到人们的重视。采用若干个(大于或等于3个)大行程、高刚度、 高精度三坐标定位器可以构成飞机大部件姿态调整系统，从而大幅度提升飞机大部件调姿 和对接装配的效率和质量。
发明内容
本发明的目的是提供一种大行程、高刚度、高精度三坐标定位器。大行程、高刚度、高精度三坐标定位器包括底座、主立柱、辅立柱、Z轴伸缩柱、滚柱 滚动块、X滑块、Y滑块、球头夹紧装置、Z轴风琴罩、控制系统、调整垫铁、升降工作台、Z轴 传动单元、X轴传动单元、Y轴传动单元；在底座上安装有主立柱、辅助立柱，主立柱上设有Z 轴传动单元，Z轴伸缩柱通过Z轴传动单元与主立柱连接，Z轴伸缩柱通过滚柱滑动块与辅 助立柱连接；Z轴伸缩柱上设有X纵滑板、Y横滑板，X纵滑板上安装有X轴传动单元、Y横 滑板上安装有Y轴传动单元，Y横滑板上固定有球头夹紧装置或真空吸附装置，球头夹紧装 置内设有工艺球头，定位器由控制系统控制；在主立柱和辅立柱上设有升降工作台。所述的X纵滑块、Y横滑块行程分别为0. 1 300mm，Z轴伸缩柱工作行程为0. 1 2514mm。所述的底座、主立柱、辅立柱、Z轴伸缩柱、X纵滑块、Y横滑块采用加筋铸件。所述 的Z轴伸缩柱、X纵滑块、Y横滑块均设有绝对直线光栅尺、限位开关和机械限位装置。所述 的球头夹紧装置内装有伺服电机、蜗杆、蜗轮和夹紧元件。所述的球头夹紧装置内设有位移 传感器和力传感器。所述的Z轴传动单元、X轴传动单元、Z轴传动单元均包括伺服驱动电 机、减速器、滚珠丝杠，伺服驱动电机与减速器、滚珠丝杠依次连接。所述的控制系统通过伺 服驱动卡控制伺服电机实现定位器各传动单元装置控制。本发明的优点1)安全工作行程大，X、Y方向可实现300mm，Z向可实现2514mm移 动范围；2)可以实现X、Y、Z三个方向的精确移动，X、Y、Z向单坐标定位精度0. 05mm/全行 程，X、Y、Z向单坐标 复定位精度0. 025mm/全行程；3)采用主、辅立柱共同支撑Z轴伸缩柱，主立柱保证其精确运动，辅立柱通过滚柱滚动体保证伸缩部件刚度，其工作行程范围内 刚度高。4)X、Y方向采用带抱闸制动的交流伺服电机驱动，可以将夹紧装置锁定在X、Y方向 的任意位置，保证对部件支撑的稳定性；Z方向通过蜗轮蜗杆减速器实现自锁，支撑可靠； 5)Z向设有位移传感器和力传感器，保证球头快速安全入位和使用安全；6)X、Y、Z三个方向 分别设计了限位开关和机械限位，在结构上提高了系统工作的安全性；7)滚珠丝杠设计了 防护罩，保证其传动精度和寿命尽量不受环境影响；8)X、Y、Z三个方向可以实现同步联动 控制；9)球头夹紧机构可以与工艺球头形成球铰连接，使工艺球头可在球头夹紧装置里自 由转动，或更换真空吸附装置则可直接吸附固持对象；10)夹紧机构具有一定的浮动夹紧 特性，夹紧和松开时不破坏当前姿态。11)通过一定配置的三个或四个大行程、高刚度、高精 度三坐标定位器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。
图1是大行程、高刚度、高精度三坐标定位器结构主视图；图2是大行程、高刚度、高精度三坐标定位器结构侧视图；图3是大行程、高刚度、高精度三坐标定位器结构俯视图；图中底座1、主立柱2、辅立柱3、Z轴伸缩柱4、滚柱滚动块5、X滑块6、Y滑块7、 球头夹紧装置8、Z轴风琴罩9、控制系统10、调整垫铁11、升降工作台12。
具体实施例方式如图1 3所示，大行程、高刚度、高精度三坐标定位器包括底座1、主立柱2、辅立 柱3、Z轴伸缩柱4、滚柱滚动块5、X滑块6、Y滑块7、球头夹紧装置8、Z轴风琴罩9、控制 系统10、调整垫铁11、升降工作台12、Z轴传动单元13、X轴传动单元14、Y轴传动单元15 ； 在底座1上安装有主立柱2、辅助立柱3，主立柱上设有Z轴传动单元13，Z轴伸缩柱4通过 Z轴传动单元13与主立柱2连接，Z轴伸缩柱4通过滚柱滑动块5与辅助立柱3连接；Z轴 伸缩柱4上设有X纵滑板6、Y横滑板7，X纵滑板6上安装有X轴传动单元14、Y横滑板7 上安装有Y轴传动单元15，Y横滑板上固定有球头夹紧装置或真空吸附装置8，球头夹紧装 置内设有工艺球头，定位器由控制系统10控制；在主立柱2和辅立柱3上设有升降工作台 12。所述的X纵滑块6、Y横滑块7行程分别为0. 1 300mm，Z轴伸缩柱4工作行程为 0. 1 2514mm。所述的底座1、主立柱2、辅立柱3、Z轴伸缩柱4、X纵滑块6、Y横滑块7采 用加筋铸件。所述的Z轴伸缩柱4、X纵滑块6、Y横滑块7均设有绝对直线光栅尺、限位开 关和机械限位装置。所述的球头夹紧装置8内装有伺服电机、蜗杆、蜗轮和夹紧元件。所述 的球头夹紧装置8内设有位移传感器和力传感器。所述的Z轴传动单元13、X轴传动单元 14、Z轴传动单元15均包括伺服驱动电机、减速器、滚珠丝杠，伺服驱动电机与减速器、滚珠 丝杠依次连接。所述的控制系统10通过伺服驱动卡控制伺服电机实现定位器各传动单元 装置控制。本发明可以实现三个相互垂直方向的运动，其工作行程大，定位精度高，刚度高， 运行平稳，能够进行力和位置混合控制，保证工作安全、稳定、可靠。作为大部件定位调姿基 础核心模块，通过合理配置可以构成满足不同工作性能要求的柔性调姿工装系统。针对不
4同结构形式与尺寸的大部件，通过一定的重组，能够满足不同型号部件共平台装配的要求， 具有充分的柔性。对大部件进行调姿时，首先将三坐标定位器球头夹紧装置球窝调整到与装配在部 件上的工艺球头理论安装位置相符。当装配部件吊装到位后，如果工艺球头的安装存在误 差，可以通过球头夹紧装置自动跟随入位的特性产生一定随动位移，由传感器测得位移大 小，并通过三坐标定位器在相应方向的运动实现各工艺球头入位。部件入位后，根据设计的 路径规划算法，由控制系统驱动三坐标定位器的协调运动实现大部件调姿。调姿过程中采 用激光跟踪仪进行测量，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，伺 服电机驱动蜗杆带动蜗轮实现三爪卡盘对工艺球头进行夹紧，保持部件姿态不发生变化， 增加支撑的稳定性。使用本发明的步骤如下1)根据调姿大部件确定大行程、高刚度、高精度三坐标定位器的布局，构成调姿系 统；2)调姿大部件吊装初步入位；3)通过位移传感器使工艺球头快速安全精确入位；4)三爪夹紧工艺球头5)控制系统进行大部件姿态调整；6)真空吸附装置固持大部件；7)完成大部件后续对合或加工工序。
权利要求
一种大行程、高刚度、高精度三坐标定位器，其特征在于包括底座(1)、主立柱(2)、辅立柱(3)、Z轴伸缩柱(4)、滚柱滚动块(5)、X滑块(6)、Y滑块(7)、球头夹紧装置(8)、Z轴风琴罩(9)、控制系统(10)、调整垫铁(11)、升降工作台(12)、Z轴传动单元(13)、X轴传动单元(14)、Y轴传动单元(15)；在底座(1)上安装有主立柱(2)、辅助立柱(3)，主立柱上设有Z轴传动单元(13)，Z轴伸缩柱(4)通过Z轴传动单元(13)与主立柱(2)连接，Z轴伸缩柱(4)通过滚柱滑动块(5)与辅助立柱(3)连接；Z轴伸缩柱(4)上设有X纵滑板(6)、Y横滑板(7)，X纵滑板(6)上安装有X轴传动单元(14)、Y横滑板(7)上安装有Y轴传动单元(15)，Y横滑板上固定有球头夹紧装置或真空吸附装置(8)，球头夹紧装置内设有工艺球头，定位器由控制系统(10)控制；在主立柱(2)和辅立柱(3)上设有升降工作台(12)。
2.根据权利要求1所述的一种大行程、高刚度、高精度三坐标定位器，其特征在于所述 的X纵滑块(6)、Υ横滑块(7)行程分别为0. 1 300mm，Z轴伸缩柱⑷工作行程为0. 1 2514mm。
3.根据权利要求1所述的一种大行程、高刚度、高精度三坐标定位器，其特征在于，所 述的底座(1)、主立柱(2)、辅立柱(3)、Z轴伸缩柱(4)、X纵滑块(6)、Y横滑块(7)采用加 筋铸件。
4.根据权利要求一所述的一种大行程、高刚度、高精度三坐标定位器，其特征在于，所 述的Z轴伸缩柱(4)、X纵滑块(6)、Y横滑块(7)均设有绝对直线光栅尺、限位开关和机械 限位装置。
5.根据权利要求1所述的一种大行程、高刚度、高精度三坐标定位器，其特征在于，所 述的球头夹紧装置(8)内装有伺服电机、蜗杆、蜗轮和夹紧元件。
6.根据权利要求1所述的一种大行程、高刚度、高精度三坐标定位器，其特征在于，所 述的球头夹紧装置(8)内设有位移传感器和力传感器。
7.根据权利要求1所述的一种大行程、高刚度、高精度三坐标定位器，其特征在于，所 述的Z轴传动单元(13)、Χ轴传动单元(14)、Ζ轴传动单元(15)均包括伺服驱动电机、减速 器、滚珠丝杠，伺服驱动电机与减速器、滚珠丝杠依次连接。
8.根据权利要求1所述的一种大行程、高刚度、高精度三坐标定位器，其特征在于，所 述的控制系统(10)通过伺服驱动卡控制伺服电机实现定位器各传动单元装置控制。
全文摘要
本发明公开了一种大行程、高刚度、高精度三坐标定位器。在底座上安装有主立柱、辅助立柱，主立柱上设有Z轴传动单元，Z轴伸缩柱通过Z轴传动单元与主立柱连接，Z轴伸缩柱通过滚柱滑动块与辅助立柱连接；Z轴伸缩柱上设有X纵滑板、Y横滑板，X纵滑板上安装有X轴传动单元、Y横滑板上安装有Y轴传动单元，Y横滑板上固定有球头夹紧装置或真空吸附装置，球头夹紧装置内设有工艺球头，定位器由控制系统控制；在主立柱和辅立柱上设有升降工作台。本发明可在X、Y、Z三个方向运动，可以实现联动控制；运动精度高，定位准确；定位器安全工作行程大，刚度高；Z向设有位移和力传感器定位器，支撑稳定、可靠；它是飞机部件数字化调姿的基础单元。
文档编号B23P21/00GK101850512SQ20101015156
公开日2010年10月6日 申请日期2010年4月20日 优先权日2010年4月20日
发明者余德忠, 周启民, 孙文博, 方强, 李江雄, 杨国荣, 柯映林, 樊新田, 毕运波, 王青, 蒋君侠, 赵安安, 邱宝贵, 黄小东 申请人:浙江大学