CN108372495B - 航天舱段六自由度环形工装及运载装置 - Google Patents

Abstract

一种航天舱段六自由度环形工装及运载装置，其包括外支架、内齿轮圈、销钉、保持架、内支架、带有抱闸功能及减速器的伺服电机、一对光杆、外齿轮、轴承支座、支撑架、内孔左旋螺纹脚座、滚珠丝杠、内孔右旋螺纹脚座、移动小车、移动平台和机械手组件，其中环形的外支架和内齿轮圈固连，在内齿轮直径方向相对地设有结构相同的内支架，内支架上设有保持架、伺服电机、外齿轮、轴承支座、支撑架和内孔左、右旋螺纹脚座，内支架之间设有滚珠丝杠和一对光杆，移动平台设在滚珠丝杠上，机械手组件与移动平台连接，移动小车与均布在外支架上的四个十字交叉型支架连接。本发明使末端夹具具有六个自由度、能够实现对复杂工况下零部件精准调姿、安装及运载。

Description

航天舱段六自由度环形工装及运载装置

技术领域

本发明涉及航天工装设备技术领域，特别涉及一种工装及运载装置。

背景技术

近年来，人们在航天工程、隧道工程、轨道工程及柱形仓库等活动日益频繁，舱段、隧道、轨道工装的技术问题越发凸显。由于舱段、隧道等具有操作空间小，全周操作，工装操作复杂，负载重，工作量大，操作精度高等工况特点，因此迫切需要一种可以应对这类极端严苛的工作条件的自动化设备。

目前，在柱体或长方体工作空间的侧壁上，进行零部件的运载及安装，主要是采用基于三坐标式移动平台并配合机械臂来实现，在工作空间内自由移动，并完成零部件的安装及运载，该方案结构空间大、空间利用率低且无法实现零部件调姿；例如专利号为CN201120442472.4的中国专利公开了一种基于三直角坐标设计的机械手,根据直角坐标系三个方向分别设立了纵向(Z方向)行走模块、横向(X方向)行走模块和竖直(Y方向)行走模块，该三坐标机械手可以实现三个方向位置的调节，无法实现工作台绕X、Y、Z轴转动的姿态调节；此外公开号为CN204397333U的中国实用新型专利提出一种基于司机室安装的旋转工装，结构主要包括：底部机架、手摇减速器、传动轴、左传动齿轮、右传动齿轮、左销轮、右销轮、定位工装和导向脚轮，定位工装固定安装在左销轮和右销轮之间，导向脚轮固定安装在底部机架上，左销轮和右销轮的下方支撑在导向脚轮上，手摇减速器安装在底部机架上，传动轴和手摇减速器的输出轴相连，传动轴的两端通过轴承安装在底部机架上，传动轴两端分别安装有左传动齿轮和右传动齿轮，左销轮和右销轮分别由若干圆柱形销齿和环形外轮组成，若干圆柱形销齿等距的固定安装在环形外轮的内侧，左传动齿轮和右传动齿轮分别与圆柱形销齿啮合。该工装方案，采用圆柱形销齿和环形外轮啮合实现工作台旋转，该专利解决了现有的工装不可旋转性，但无法使工作台沿Z轴方向移动，且末端执行机构自由度少，工作空间较小，应用范围不具有移动旋转工装的一般性。

发明内容

本发明的目的在于提供一种使末端夹具具有六个自由度、能够实现对复杂工况下零部件精准调姿、安装及运载的航天舱段六自由度环形工装及运载装置。

本发明包括外支架、内齿轮圈、销钉、保持架、内支架、带有抱闸功能及减速器的伺服电机、一对光杆、外齿轮、轴承支座、支撑架、内孔左旋螺纹脚座、滚珠丝杠、内孔右旋螺纹脚座、限位块、槽型导轨、移动小车、移动平台和机械手组件，其中环形的外支架和内齿轮圈通过过盈连接固定并通过四个均布的销钉环向定位，在内齿轮直径方向相对地设有结构相同的内支架，内支架的两端均设有与其通过转动副连接的两对保持架，内支架通过保持架内设的转动滚轮与外支架上的内外轨道连接，使内支架能够在齿轮副带动下绕外支架转动；移动平台中间设有丝杠螺母支座，移动平台的两侧分别设有轴承支座，自润滑轴承均通过弹簧卡圈轴向固定轴承座孔内，带有抱闸功能及减速器的伺服电机B设在丝杠螺母支座旁边移动平台上；一个内支架的一侧设有两个内孔左旋螺纹脚座，另一个内支架的一侧设有两个内孔右旋螺纹脚座，一对光杆的一端分别与内孔左旋螺纹脚座螺纹连接，其另一端分别穿过设在移动平台的两侧的轴承支座上的自润滑轴承与内孔右旋螺纹脚座螺纹连接；内支架的中部均设有一个小的外齿轮，外齿轮与内齿轮啮合，带有抱闸功能及减速器的伺服电机A通过螺钉连接安装在内支架上,驱动外齿轮的旋转；在内支架反面的中间均设有支撑架，支撑架上设有轴承支座和带有抱闸功能及减速器的伺服电机C,滚珠丝杠的一端穿过轴承支座内的轴承，通过弹性柱销联轴器与其中一个带有抱闸功能及减速器的伺服电机C连接，滚珠丝杠的另一端穿过设在移动平台中间的丝杠螺母支座与另一个支撑架上轴承支座中轴承内圈连接。

所述机械手组件包括带有减速器及抱闸功能的伺服电机、减速器、大臂、小臂、转动臂及夹具，其中大臂的一端设有重量平衡块，上述带有抱闸功能及减速器的伺服电机B带动齿轮减速器输出轴转动，输出轴末端含键，并通过过盈配合与靠重量平衡块一侧含有键槽的大臂连接，从而驱使大臂转动，其另一端设有减速器及抱闸功能的伺服电机D，并通过转动副与小臂的一端连接；小臂另一端内设有带有抱闸功能及减速器的伺服电机E，并通过电机封盖固定，带有抱闸功能及减速器的伺服电机E的输出轴通过Z型涨紧套涨紧与夹具连接件连接，夹具连接件通过螺钉与夹具连接从而带动夹具转动，并有效节省空间；上述移动平台的另一面设有盖板，盖板中间设有内孔，便于减速器输出轴伸出，盖板上设有四个螺钉孔，盖板通过四个螺钉与移动平台固定。

八个移动小车两两一组通过螺钉与均布在外支架上的四个十字交叉型支架连接、十字交叉型支架通过螺钉与外支架连接；每个小车含有位于小车中部两边的两个立轴与位于小车两侧的两个横轴，每个横轴两侧通过过盈配合与一个滚轮连接，且每个滚轮均安装在槽型导轨的凹槽内，与槽型导轨上下表面贴合，另外每个立轴上的中部通过过盈配合与滚轮连接，每个滚轮表面与槽型导轨左右侧面贴合；凹槽的两端分别设置两个限位块，限位块分别位于一对移动小车的两侧，限位块可沿凹槽移动，并通过旋转螺钉调整顶紧凹槽外表面程度。

移动平台能够在垂直于自身轴线的圆平面(X、Y平面)内自由移动，且能沿着轴线方向(Z方向)移动，再配合机械臂从而使设备具有六自由度及大的工作空间，解决了传统在圆柱体空间难以实现自动化工装的难题；移动小车，上下左右表面均含轮子，可承受导轨上下左右平面的压力，受力效果好；在内齿轮副与滚珠丝杠副配合驱动下，移动平台可以到达该圆平面中任意位置；其中一对内支架采用了两对内外齿轮啮合，并通过保持架连接，当绕Z轴方向不转动时，采用旋转两端螺纹旋向相反的光杆，增大内支架间距离方式辅助制动；采用滚轮式的保持架，有效的将内支架与外支架保持内外齿轮动态连接；移动平台与光杆连接处，采用自润滑轴承，避免爬行；机械手组大臂处采用减速器，增大扭矩，提高设备负载能力；机械手组中带有抱闸及减速器的伺服电机安装在小臂内部，结构紧凑，缩减了设备整体尺寸。

本发明总体的工作路线是：移动小车带动整个装置在槽型导轨上沿Z方向移动；通过保持架与外支架动态连接的内支架组件在两对齿轮副的驱动下实现绕Z轴转动；工作平台在安装于内支架组件上并在丝杠螺母副驱动下实现径向移动；安装于工作台上的三转动机械臂依靠伺服电机及减速器组件驱动，实现末端三个自由度的转动；夹具安装在机械臂末端，在前述组件的串联下，夹具可实现六个自由度调位姿。

本发明与现有技术相比具有如下优点：

1、移动小车可以提供稳定的导向与承载功能，采用集成化与模块化设计的方法，实现除沿Z轴移动以外的五个自由度约束的机构；

2、环形结构符合隧道、舱段等工装环境的空间特点，可以将操作空间最大化；首次采用环形滑道的纵向转动组件，实现在环形面内的位置调整；

3、内外齿轮通过含有滚轮的保持架及内支架实现，内外齿轮的动态连接；

4、采用端部含相反旋向螺纹的光杆的螺纹副通过使内支架的间距微增，间接实现内啮合齿轮副锁死；

5、末端夹具具有六个自由度，能够实现对复杂工况下零部件精准调姿、安装及运载。

附图说明

图1为本发明的主视示意简图。

图2为本发明的后视示意简图。

图3为本发明的右视图。

图4为本发明机械手组件的示意简图。

图5为本发明移动平台的示意简图。

图6为图5A的放大图。

图7为本发明的机械手组件小臂的示意简图。

图8为移动小车的示意简图。

图中：1-槽型导轨、2-移动小车、3-十字支架、4-外支架、5-保持架、6-内齿轮圈、7-内支架、8-带有抱闸功能及减速器的伺服电机A、9-外齿轮、10-弹性柱销式联轴器、11-带有抱闸功能及减速器的伺服电机C，12-轴承支座、13-支撑架、14-内孔左旋螺纹脚座、15-光杆、16-滚珠丝杠、17-机械手组件，18-销钉、19-内孔右旋螺纹脚座、20-限位块、21-夹具、22-夹具连接件、23-小臂、24-带有抱闸功能及减速器的伺服电机D，25-大臂、26-移动平台、27-盖板、28-螺钉、29-螺钉、30-重量平衡块、31-自润滑轴承支座、32-带有抱闸功能及减速器的伺服电机B、33-丝杠螺母支座、34-孔用弹簧卡圈、35-自润滑轴承、36-Z型涨紧套、37-带有抱闸功能及减速器的伺服电机E、38-电机盖板、39-移动小车上板、40-横轴、41-竖向滚轮、42-立轴、43-弹性挡圈、44-螺钉、45-横向滚轮、46-移动小车底板。

具体实施方式

在图1、图2和图3所示的六自由度环形工装及运载设备示意图中，环形的外支架4和内齿轮圈6通过过盈连接固定，并通过销轴18环向固定，在内齿轮直径方向相对地设有结构相同的内支架7，内支架的两端均设有与其转动连接的两对保持架5，内支架通过保持架内设的转动滚轮与外支架上的内外轨道连接，使内支架能够在齿轮副带动下绕外支架转动；如图5和图6所示，移动平台26中间设有丝杠螺母支座33，移动平台的两侧分别设有自润滑轴承支座31，自润滑轴承35均通过孔用弹簧卡圈34轴向固定在自润滑轴承座孔内，带有抱闸功能及减速器的伺服电机B 32设在丝杠螺母支座旁边移动平台上；一个内支架的两侧设有内孔左旋螺纹脚座14，另一个内支架的两侧设有内孔右旋螺纹脚座19，一对端部含相反旋向螺纹的光杆15的一端分别与内孔左旋螺纹脚座螺纹连接，其另一端分别穿过设在移动平台的两侧的轴承支座上的轴承与内孔右旋螺纹脚座螺纹连接，内支架的中部均设有两个小的外齿轮9，外齿轮与内齿轮圈的齿轮啮合，在内支架两个小的外齿轮中间设有带有抱闸功能及减速器的伺服电机A 8；在内支架反面的中间均设有支撑架13，支撑架上设有轴承支座12和带有抱闸功能及减速器的伺服电机C 11,滚珠丝杠16的一端穿过轴承支座内的轴承，通过弹性柱销联轴器10与其中一个带有抱闸功能及减速器的伺服电机C连接；滚珠丝杠的另一端穿过设在移动平台中间的丝杠螺母支座与另一个支撑架上轴承支座中轴承内圈连接。

如图4所示，机械手组件17中大臂25的尾部设有重量平衡块30，该重量平衡块通过螺钉29与大臂尾端螺纹孔连接，上述带有抱闸功能及减速器的伺服电机B 32带动齿轮减速器输出轴转动，输出轴末端含键，并通过过盈配合与靠重量平衡块一侧含有键槽的大臂连接，从而驱使大臂转动，其另一端设有减速器及抱闸功能的伺服电机D 24，并通过转动副与小臂23的一端连接，从而驱使小臂转动；如图7所示，小臂另一端内设有带有抱闸功能及减速器的伺服电机E37，并通过电机盖板38固定，带有抱闸功能及减速器的伺服电机E的输出轴通过Z型涨紧套36涨紧与夹具连接件22连接，夹具连接件通过螺钉与夹具21连接，带动夹具转动，并有效节省空间；

八个移动小车2两两一组通过螺钉与均布在外支架上的四个十字交叉型支架3连接、十字交叉型支架通过螺钉与外支架连接；每个小车含有位于小车中部两边的两个立轴42与位于小车两侧的两个横轴40，每个横轴两侧通过过盈配合与一个滚轮45连接，且每个滚轮均安装在槽型导轨的凹槽内，与槽型导轨上下表面贴合，另外每个立轴上的中部通过过盈配合与滚轮41连接，每个滚轮表面与槽型导轨左右侧面贴合；凹槽的两端分别设置两个限位块，限位块分别位于一对移动小车的两侧，限位块可沿凹槽移动，并通过旋转螺钉调整顶紧凹槽外表面程度。

移动平台能够在垂直于自身轴线的圆平面(X、Y平面)内自由移动，且能沿着轴线方向(Z方向)移动，再配合机械臂从而使设备具有六自由度及大的工作空间，解决了传统在圆柱体空间难以实现自动化工装的难题；移动小车，上下左右表面均含轮子，可承受导轨上下左右平面的压力，受力效果好；在内齿轮副与滚珠丝杠副配合驱动下，移动平台可以到达该圆平面中任意位置；其中一对内支架采用了两对内外齿轮啮合，并通过保持架连接，当绕Z轴方向不转动时，采用旋转两端螺纹旋向相反的光杆，增大内支架间距离方式辅助制动；采用滚轮式的保持架，有效的将内支架与外支架保持内外齿轮动态连接；移动平台与光杆连接处，采用自润滑轴承，避免爬行；机械手组大臂处采用减速器，增大扭矩，提高设备负载能力；机械手组中带有抱闸及减速器的伺服电机安装在小臂内部，结构紧凑，缩减了设备整体尺寸。

Claims (1)

1.一种航天舱段六自由度环形工装及运载装置，其包括外支架、内齿轮圈、销钉、保持架、内支架、带有抱闸功能及减速器的伺服电机、一对光杆、外齿轮、轴承支座、支撑架、内孔左旋螺纹脚座、滚珠丝杠、内孔右旋螺纹脚座、限位块、槽型导轨、移动小车、移动平台和机械手组件，其特征在于：环形的外支架和内齿轮圈通过过盈连接固定并通过四个均布的销钉环向定位，在内齿轮圈直径方向相对地设有结构相同的内支架，内支架的两端的每一端均设有与其通过转动副连接的一对保持架，内支架通过保持架内设的转动滚轮与外支架上的内外轨道连接，使内支架能够在齿轮副带动下绕外支架转动；移动平台中间设有丝杠螺母支座，移动平台的两侧分别设有轴承支座，自润滑轴承均通过孔用弹簧卡圈轴向固定在轴承座孔内，带有抱闸功能及减速器的伺服电机B设在丝杠螺母支座旁边移动平台上；一个内支架的两侧分别设有一个内孔左旋螺纹脚座，另一个内支架的两侧分别设有一个内孔右旋螺纹脚座，一对光杆的一端分别与内孔左旋螺纹脚座螺纹连接，其另一端分别穿过设在移动平台的两侧的轴承支座上的自润滑轴承与内孔右旋螺纹脚座螺纹连接；内支架的中部均设有一个小的外齿轮，外齿轮与内齿轮圈啮合，带有抱闸功能及减速器的伺服电机A通过螺钉连接安装在内支架上,驱动外齿轮的旋转；在内支架反面的中间均设有支撑架，支撑架上设有轴承支座和带有抱闸功能及减速器的伺服电机C,滚珠丝杠的一端穿过轴承支座内的轴承，通过弹性柱销式联轴器与带有抱闸功能及减速器的伺服电机C连接，滚珠丝杠的另一端穿过设在移动平台中间的丝杠螺母支座与另一个支撑架上轴承支座中轴承内圈连接；

所述机械手组件包括带有减速器及抱闸功能的伺服电机、减速器、大臂、小臂、转动臂及夹具，其中大臂的一端设有重量平衡块，上述带有抱闸功能及减速器的伺服电机B带动齿轮减速器输出轴转动，输出轴末端含键，并通过过盈配合与靠重量平衡块一侧含有键槽的大臂连接，从而驱使大臂转动，大臂的另一端设有带有抱闸功能及减速器的伺服电机D，并通过转动副与小臂的一端连接；小臂另一端内设有带有抱闸功能及减速器的伺服电机E，并通过电机盖板固定，带有抱闸功能及减速器的伺服电机E的输出轴通过Z型涨紧套涨紧与夹具连接件连接，夹具连接件通过螺钉与夹具连接从而带动夹具转动；上述移动平台的另一面设有盖板，盖板中间设有内孔，便于减速器输出轴伸出，盖板上设有四个螺钉孔，盖板通过四个螺钉与移动平台固定；

八个移动小车两两一组通过螺钉与均布在外支架上的四个十字支架连接、十字支架通过螺钉与外支架连接；每个小车含有位于小车中部两边的两个立轴与位于小车两侧的两个横轴，每个横轴两侧通过过盈配合与一个滚轮连接，且每个滚轮均安装在槽型导轨的凹槽内，与槽型导轨上下表面贴合，另外每个立轴上的中部通过过盈配合与滚轮连接，每个滚轮表面与槽型导轨左右侧面贴合；凹槽的两端的每一端均设有两个限位块，限位块分别位于一对移动小车的两侧。

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