CN107238532A - 一种多自由度柔性智能加载机 - Google Patents

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李荣义
刘亚伟
胡伟
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Abstract

本发明揭示了一种多自由度柔性智能加载机，其包括测量装置(9)、四轴加载机构(18)和姿态调整机构(100)，所述测量装置(9)与所述四轴加载机构(18)相连，所述四轴加载机构(18)与所述姿态调整机构(100)相连。所述四轴加载机构(18)含有一个直线驱动机构和三个旋转驱动机构，所述姿态调整机构(100)含有三个直线驱动机构和一个旋转驱动机构，所述测量装置(9)包括可以拆卸更换的加载头(20)。本发明具有八个自由度，姿态调整灵活多变，过障能力强。此外，其还具有自动寻找目标面法线的功能，整体设计刚度高，不易变形，保证了高精度的测量结果。

Description

一种多自由度柔性智能加载机
技术领域
本发明涉及试验设备技术领域，特别涉及检测汽车白车身局部刚度的一种多自由度柔性智能加载机。
背景技术
汽车白车身(body in white)又叫车身本体，是指车身结构件及覆盖件的总成包括车顶盖、翼子板、发动机盖、行李箱盖和车门，但不包括附件及装饰件的未涂漆的车身。在汽车的研发调试的过程中，需要对汽车白车身表面的局部刚度以及抗凹陷能力进行检测，以满足实际批量生产应用后的性能要求，比如车门铰链固定点、发罩铰链固定点、行李箱盖铰链固定点、车门锁销固定点、换挡机构安装固定点、天窗固定点、拖车钩固定点等车身关键点静刚度以及车身外表面钣金件抗凹陷能力等。
公布号为CN 104913992 A的发明专利申请中就公布了一种检测白车身局部刚度及抗凹陷能力的试验装置。其对传统测试方式的自动化程度较低、检测效率较低，设备不灵活等缺点做出了改进。但是，在实际测试时，由于车身形状比较复杂，其自由度有时难以满足要求，有些部位的测试精度往往差强人意，而且，其无法自动判断是否垂直于测试面进行检测，使测试的精度更加难以保证。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术中的上述缺陷，提供一种多自由度柔性智能加载机，其具有多个自由度，过障能力强，可实现对白车身局部刚度的自动化检测。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：一种多自由度柔性智能加载机，其特征在于：其包括测量装置、四轴加载机构和姿态调整机构，所述测量装置与所述四轴加载机构相连，所述四轴加载机构与所述姿态调整机构相连，所述四轴加载机构包括第一直线驱动机构、第一旋转驱动机构、第二旋转驱动机构和第三旋转驱动机构，所述测量装置与所述第一直线驱动机构相连，并由所述第一直线驱动机构驱动作直线运动，所述第一直线驱动机构与所述第一旋转驱动机构相连并由所述第一旋转驱动机构驱动旋转，所述第一旋转驱动机构与所述第二旋转驱动机构相连并由所述第二旋转驱动机构驱动旋转，所述第二旋转驱动机构与所述第三旋转驱动机构相连并由所述第三旋转驱动机构驱动旋转。
此外，本发明还提出如下附属技术方案：
所述第一直线驱动机构包括电缸和连接座，所述电缸包括电缸体和电缸轴，所述电缸体通过所述连接座与所述第一旋转驱动机构相连，所述电缸轴与所述测量装置相连。
所述第一旋转驱动机构包括第一电机、第一安装座、与第一安装座构成转动配合的第一转轴以及连接第一电机和第一转轴的第一减速机，所述第一减速机安装于所述第一安装座上，所述第一转轴与所述连接座相连，所述第一电机通过所述第一减速机和所述第一转轴驱动所述连接座转动。
所述第二旋转驱动机构包括第二电机、第二安装座、与第二安装座构成转动配合的第二转轴以及连接第二电机和第二转轴的第二减速机，所述第二减速机安装于所述第二安装座上，所述第二转轴与所述第一旋转驱动机构相连，所述第二电机通过所述第二减速机和所述第二转轴驱动所述第一旋转驱动机构转动。
所述第三旋转驱动机构包括第三电机、第三安装座、与第三安装座构成转动配合的第三转轴以及连接第三电机和第三转轴的第三减速机，所述第三减速机安装于所述第三安装座上，所述第三转轴与所述第二旋转驱动机构相连，所述第三电机通过所述第三减速机和所述第三转轴驱动所述第二旋转驱动机构转动。
所述姿态调整机构包括立柱、第二直线驱动机构、第三直线驱动机构、第四旋转驱动机构和第四直线驱动机构，所述第三旋转驱动机构与所述第二直线驱动机构相连，并由所述第二直线驱动机构驱动作直线运动，所述第三直线驱动机构安装于所述立柱上，其与所述第二直线驱动机构相连并驱动其做直线运动，所述立柱底部与所述第四旋转驱动机构连接并由所述第四旋转驱动机构驱动旋转，所述第四旋转驱动机构与所述第四直线驱动机构相连并由所述第四直线驱动机构驱动作直线运动。
所述第二直线驱动机构包括方形横梁和第四安装座，所述方形横梁表面开有多个减重孔，所述方形横梁安装于所述第四安装座内部。
所述第四旋转驱动机构包括涡轮蜗杆回转平台和第六安装座，所述涡轮蜗杆回转平台安装于所述第六安装座上且与所述立柱底部相连。
所述测量装置包括可拆卸更换的加载头和第一位移传感器，所述加载头为圆柱状，其中心开有第一圆形通孔，且所述加载头上围绕圆心均布有三个第二圆形通孔，所述第一位移传感器安装在所述加载头上，其测量端穿过三个第二圆形通孔并伸出所述加载头表面等长。
所述测量装置包括安装于连接座的第二位移传感器、连接于电缸轴的力传感器、支板以及刚性自复位滑动装置，所述第二位移传感器的测量端与所述支板相连，所述加载头通过所述刚性自复位滑动装置与所述力传感器相连，所述支板连接于所述刚性自复位滑动装置并由其驱动复位，复位方向与所述第二位移传感器测量方向平行。
相比于现有技术，本发明的优点在于：
1.本发明的多自由度柔性智能加载机具有八个自由度，姿态调整灵活多变，过障能力强，尤其针对白车身内部点加载非常方便，且立柱底部设置的旋转机构可以使加载机在不使用的时候，旋转至侧边，减少占用的空间。
2.本发明的多自由度柔性智能加载机具有自动寻找目标面法线的功能，大大提高了操作的简便性和测试的精度。
3.本发明的多自由度柔性智能加载机XYZ三个方向移动机构全为螺纹副，自锁可靠；配合智能电控模块可快、慢两种速度切换，并可采用遥控器无线遥控控制，操作调整位置十分便捷。
4.加载头可采用高强度航空铝合金材质加工制造，应用轻量化设计，缩小加载头体积，减轻加载头重量，强度高、刚性大；锁紧装置采用可靠性高的螺纹锁紧装置，手动操作方便而且节省安装空间。
附图说明
图1是本多自由度柔性智能加载机的立体结构示意图。
图2是本多自由度柔性智能加载机四轴加载机构的平面图及其剖视图。
图3是本多自由度柔性智能加载机测量装置的剖面图。
图4是本多自由度柔性智能加载机一种加载头的结构示意图。
具体实施方式
以下结合较佳实施例及其附图对本发明技术方案作进一步非限制性的详细说明。
如图1所示，一种多自由度柔性智能加载机，其包括计算机控制***、测量装置9、四轴加载机构18和姿态调整机构100。
如图1所示，姿态调整机构100包括立柱17、第二直线驱动机构6、第三直线驱动机构7、第四旋转驱动机构8、和第四直线驱动机构5，所述第四直线驱动机构5包括第七安装座16、第七电机5a、与第七电机5a相连的第七丝杠5b以及与第七丝杠5b平行设置的两条第七滑轨5c，第七电机5a、第七丝杠5b和第七滑轨5c均安装于第七安装座16上。第四旋转驱动机构8包括第六安装座15、第六电机8a、涡轮蜗杆回转平台8b和第四手动螺纹锁紧装置(图未示)，第六安装座15安装于第七滑轨5c上，且由第七丝杆5b驱动进行直线往返运动。第六安装座15上安装有第六电机8a、涡轮蜗杆回转平台8b和第四手动螺纹锁紧装置。立柱17底部与涡轮蜗杆回转平台8b连接且受其驱动旋转。第三直线驱动机构7包括第五安装座14、安装于第五安装座14上的第五电机7a、与第五电机7a相连的安装于立柱17竖直面的第五丝杠7b以及与第五丝杠7b平行设置的两条第五滑轨7c，第五安装座14安装于立柱17顶部。第二直线驱动机构6包括第四安装座13、方形横梁36、第四电机6a、第四丝杠6b以及与第四丝杠6b平行布设的两条第四滑轨6c。第四驱动电机6a与第四丝杠6b相连，且均安装于方形横梁36内部，方形横梁36表面开设有减重用的多个减重孔37，第四滑轨6c安装于方形横梁36顶部，方形横梁36设置在第四安装座13内部，且通过第四滑轨6c与第四安装座13上壁相连接，第四安装座13安装于第五滑轨7c上，由第五丝杠7b驱动进行直线运动。第二直线驱动机构6运行时，可使整体相对于第四安装座13作直线运动。第七丝杠5b、第五丝杠7b和第四丝杠6b两两互相垂直。方形横梁36端部连接有四轴加载机构18。空心方形横梁36具有强度高，质量轻的优点，可以有效减少整机的形变，提高精度。
如图2所示，四轴加载机构18包括第一直线驱动机构1、第一旋转驱动机构2、第二旋转驱动机构3、和第三旋转驱动机构4，第三旋转驱动机构4包括第三安装座10、第三电机21、与第三安装座10构成转动配合的第三转轴22、连接第三电机21和第三转轴22的第三减速机41以及第三手动螺纹锁紧装置40。第三安装座10通过连接架48与方形横梁36相连，第三减速机41安装于第三安装座10。第二旋转驱动机构3包括第二安装座11、第二电机23、与第二安装座11构成转动配合的第二转轴24、连接第二电机23和第二转轴24的第二减速机42以及第二手动螺纹锁紧装置39。第二减速机42连接于第二安装座11，第三转轴22一端与第二安装座11连接，第三电机21通过第三减速机41、第三转轴22驱动第二安装座11旋转。第二转轴24与第三转轴22相互垂直。第一旋转驱动机构2包括第一安装座12、第一电机25、与第一安装座12构成转动配合的第一转轴26、连接第一电机25和第一转轴26的第一减速机43和第一手动螺纹锁紧装置38。第一减速机43连接于第一安装座12，第二转轴24一端与第一安装座12相连，第二电机23通过第二减速机42、第二转轴24驱动第一安装座12旋转，第一转轴26与第二转轴24相互平行，第一电机25通过第一减速机43和第一转轴26驱动第一直线驱动机构1旋转。第一直线驱动机构1包括电缸32和连接座47，电缸32包括电缸体32a和电缸轴32b，连接座47与电缸体32a相连，其还与第一转轴26的一端相连接。电缸轴32b与测量装置9相连。
第一减速机43、第二减速机42以及第三减速机41均为高倍速比减速机，其本身具有自锁性，但会有一定的传动间隙，对此均设置了手动螺纹锁紧装置，操作简单，可靠。第一电机25、第二电机23、第三电机21、第四电机6a、第五电机7a、第六电机8a和第七电机5a均优先采用步进电机。
如图2所示，测量装置9包括连接于连接座47的第二位移传感器27、连接于电缸轴32b杆端沿其延伸方向布置的力传感器29以及连接于力传感器29端部的支板28，支板28的板面与电缸轴32b垂直。第二位移传感器27的测量端与支板28的板面连接并相对设置，加载头20连接于力传感器29。加载头20与力传感器29采用螺纹锁紧结构连接，可以方便的更换不同的加载头20(图中示出三种不同的加载头：加载头20、第二加载头52和第三加载头53)。力传感器29与电缸轴32b采用法兰连接，方便替换相应量程的力传感器29。加载头20的材料优选为高强度航空铝合金材质，减轻其重量与体积，减小测量装置9的形变。该测量装置29含有力传感器和位移传感器，因此可以通过软件实现两种控制模式：力闭环控制模式和位移闭环控制模式。
如图3和图4所示，测量装置9可变形为如下结构，以实现自动确定目标面法线的功能，其包括连接于连接座47的第二位移传感器27、连接于电缸轴32b杆端的沿其延伸方向布置的力传感器29(力传感器29也可与电缸轴32b通过法兰连接)、刚性自复位滑动装置30，以及与第二位移传感器27的测量端相连并相对设置的支板28，刚性自复位滑动装置30包括连接于力传感器29轴线方向的中空的安装杆34、安装于安装杆34内的自复位滑动顶针31以及安装于安装杆34内与自复位滑动顶针31相抵的弹性元件54，弹性元件54优选为弹簧，其用于使自复位滑动顶针31复位。安装杆34表面开有长槽33，支板28安装于长槽33内且与自复位滑动顶针31相连接。加载头20为中心开有第一圆形通孔50的圆柱状，第一圆形通孔50用于避开自复位滑动顶针31，使之能自由伸缩。加载头20上围绕圆心均布有三个用于安装第一位移传感器49的第二圆形通孔51，第一位移传感器49的测量端伸出加载头20表面等距离。启动多自由度柔性智能加载机调整加载头20贴近目标加载位置，此时同心圆上的三个第一位移传感器49会有不同的示值，调整加载头20的姿势致使位移示值相同，此位置所得到的加载头20所在的平面即与目标加载面的切平面平行；且三个第一位移传感器49所在的同心圆轴线即为目标面的法线。至此加载头加载轴线与目标加载位置法线重合。从而达到自动寻找目标面法线的目的，使测量结果更为精确。该加载头20与力传感器29也为可拆卸式连接。此外，由于长槽33对支板28有限位的作用，保证了第二位移传感器27与力传感器29同轴线，也使得测量结果更准确。
通过对各个直线运动机构和旋转驱动机构的调整，可以使测量装置的加载头到达白车身需要检测的相关位置点，锁上手动螺纹锁紧装置固定该姿势，然后通过加载头对白车身测量点施加载荷，将测量出来的数值反馈给计算机进行分析，从而得出白车身相关位置点的静刚度和抗凹陷能力。
本发明所述的多自由度柔性智能加载机其运动方式和采集的信号均可由计算机控制***分析处理，自动化程度高。其含有四个直线运动机构和四个旋转运动机构，共有8个自由度，各姿态调整采用无线遥控装置调整，姿态调整便捷，灵活多变，过障能力强，尤其针对白车身内部点加载非常方便，且立柱17底部设置的第四旋转驱动机构8可以使加载机在不使用的时候，旋转至侧边，减少占用的空间。其三个方向的直线运动机构均为螺纹副，自锁可靠，配合智能电控模块可快、慢两种速度切换。各直线运动模块均设有限位功能，触碰限位开关，运动模块即停止运动，保证运动模块在安全行程内移动。旋转机构都设置有手动螺纹锁紧装置，在定位完毕后，通过手动旋紧该装置，可以固定此测量位置，确保测量的精度。另外，该加载机还带有自动寻找目标面法线的功能，方便快捷且精度高。针对白车身零部件安装点的局部刚度高、变形微小的特点，本检测台采用0-5mm灵敏度及精度高的小量程位移传感器采集，精度1‰FS，满量程误差0.005mm。加载头20为可拆卸式结构，可依据测试需求方便的更换加载头。综上，本发明具有自动化程度高及精度高的突出优点。
需要指出的是，上述较佳实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多自由度柔性智能加载机，其特征在于：其包括测量装置(9)、四轴加载机构(18)和姿态调整机构(100)，所述测量装置(9)与所述四轴加载机构(18)相连，所述四轴加载机构(18)与所述姿态调整机构(100)相连，所述四轴加载机构(18)包括第一直线驱动机构(1)、第一旋转驱动机构(2)、第二旋转驱动机构(3)和第三旋转驱动机构(4)，所述测量装置(9)与所述第一直线驱动机构(1)相连，并由所述第一直线驱动机构(1)驱动作直线运动，所述第一直线驱动机构(1)与所述第一旋转驱动机构(2)相连并由所述第一旋转驱动机构(2)驱动旋转，所述第一旋转驱动机构(2)与所述第二旋转驱动机构(3)相连并由所述第二旋转驱动机构(3)驱动旋转，所述第二旋转驱动机构(3)与所述第三旋转驱动机构(4)相连并由所述第三旋转驱动机构(4)驱动旋转。
2.按照权利要求1所述多自由度柔性智能加载机，其特征在于：所述第一直线驱动机构(1)包括电缸(32)和连接座(47)，所述电缸(32)包括电缸体(32a)和电缸轴(32b)，所述电缸体(32a)通过所述连接座(47)与所述第一旋转驱动机构(2)相连，所述电缸轴(32b)与所述测量装置(9)相连。
3.按照权利要求1所述多自由度柔性智能加载机，其特征在于：所述第一旋转驱动机构(2)包括第一电机(25)、第一安装座(12)、与第一安装座(12)构成转动配合的第一转轴(26)以及连接第一电机(25)和第一转轴(26)的第一减速机(43)，所述第一减速机(43)安装于所述第一安装座(12)上，所述第一转轴(26)与所述连接座(47)相连，所述第一电机(25)通过所述第一减速机(43)和所述第一转轴(26)驱动所述连接座(47)转动。
4.按照权利要求1所述多自由度柔性智能加载机，其特征在于：所述第二旋转驱动机构(3)包括第二电机(23)、第二安装座(11)、与第二安装座(11)构成转动配合的第二转轴(24)以及连接第二电机(23)和第二转轴(24)的第二减速机(42)，所述第二减速机(42)安装于所述第二安装座(11)上，所述第二转轴(24)与所述第一旋转驱动机构(2)相连，所述第二电机(23)通过所述第二减速机(42)和所述第二转轴(24)驱动所述第一旋转驱动机构(2)转动。
5.按照权利要求1所述多自由度柔性智能加载机，其特征在于：所述第三旋转驱动机构(4)包括第三电机(21)、第三安装座(10)、与第三安装座(10)构成转动配合的第三转轴(22)以及连接第三电机(21)和第三转轴(22)的第三减速机(41)，所述第三减速机(41)安装于所述第三安装座(10)上，所述第三转轴(22)与所述第二旋转驱动机构(3)相连，所述第三电机(21)通过所述第三减速机(41)和所述第三转轴(22)驱动所述第二旋转驱动机构(3)转动。
6.按照权利要求1所述多自由度柔性智能加载机，其特征在于：所述姿态调整机构(100)包括立柱(17)、第二直线驱动机构(6)、第三直线驱动机构(7)、第四旋转驱动机构(8)和第四直线驱动机构(5)，所述第三旋转驱动机构(4)与所述第二直线驱动机构(6)相连，并由所述第二直线驱动机构(6)驱动作直线运动，所述第三直线驱动机构(7)安装于所述立柱(17)上，其与所述第二直线驱动机构(6)相连并驱动其做直线运动，所述立柱(17)底部与所述第四旋转驱动机构(8)连接并由所述第四旋转驱动机构(8)驱动旋转，所述第四旋转驱动机构(8)与所述第四直线驱动机构(5)相连并由所述第四直线驱动机构(5)驱动作直线运动。
7.按照权利要求6所述多自由度柔性智能加载机，其特征在于：所述第二直线驱动机构(6)包括方形横梁(36)和第四安装座(13)，所述方形横梁(36)表面开有多个减重孔(37)，所述方形横梁(36)安装于所述第四安装座(13)内部。
8.按照权利要求6所述多自由度柔性智能加载机，其特征在于：所述第四旋转驱动机构(8)包括涡轮蜗杆回转平台(8b)和第六安装座(15)，所述涡轮蜗杆回转平台(8b)安装于所述第六安装座(15)上且与所述立柱(17)底部相连。
9.按照权利要求1所述多自由度柔性智能加载机，其特征在于：所述测量装置(9)包括可拆卸更换的加载头(20)和第一位移传感器(49)，所述加载头(20)为圆柱状，其中心开有第一圆形通孔(50)，且所述加载头(20)上围绕圆心均布有三个第二圆形通孔(51)，所述第一位移传感器(49)安装在所述加载头(20)上，其测量端穿过三个第二圆形通孔(51)并伸出所述加载头(20)表面等长。
10.按照权利要求2所述多自由度柔性智能加载机，其特征在于：所述测量装置(9)包括安装于连接座(47)的第二位移传感器(27)、连接于电缸轴(32b)的力传感器(29)、支板(28)以及刚性自复位滑动装置(30)，所述第二位移传感器(27)的测量端与所述支板(28)相连，所述加载头(20)通过所述刚性自复位滑动装置(30)与所述力传感器(29)相连，所述支板(28)连接于所述刚性自复位滑动装置(30)并由其驱动复位，复位方向与所述第二位移传感器(27)测量方向平行。
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