CN111390546A - 三自由度紧固装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种三自由度紧固装置，包括：第一导轨组件；第二导轨组件，第二导轨组件与第一导轨组件可移动地相连接，第二导轨组件能够沿着第一导轨组件的长度方向运动；第一滑块，设置在第二导轨组件上，第一滑块能够沿着第二导轨组件的长度方向运动；升降旋转装置，与第一滑块相连接；升降旋转装置包括：升降组件，升降组件能够在垂直于第一导轨组件和第二导轨组件形成的平面的方向上运动；拧紧组件，与升降组件相连接，拧紧组件能够旋转以拧紧待紧固件。在一定范围内能自适应定位，由一个可以在平面内自适应移动并能在垂向主动移动的机构和安装在机构上的拧紧组件组成，实现三自由度，具有结构紧凑，重心居中，重量轻等优点。

Description

三自由度紧固装置

技术领域

本发明涉及自适应定位机构技术领域，具体而言，涉及一种三自由度紧固装置。

背景技术

在机械制造，施工作业，检修养护等应用场合都面临主动定位、自适应定位螺栓并紧固的需求，目前在车间实施的机械制造对于需要主动定位或自适应定位的情况，一般采用机器人完成，但机器人的结构复杂且价格昂贵，大大提升了生产成本，而在现场施工和检修养护领域的螺栓紧固都由人工完成，针对螺栓紧固作业，需要准确定位螺栓并对齐，还需承担螺栓的紧固力矩，由人工操作具有劳动强度大、工作效率低的问题。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术或相关技术中存在的技术问题之一。

为此，本发明的第一个方面在于，提供了一种三自由度紧固装置。

有鉴于此，根据本发明的第一个方面，本发明提供了一种三自由度紧固装置，包括：第一导轨组件；第二导轨组件，第二导轨组件与第一导轨组件可移动地相连接，第二导轨组件能够沿着第一导轨组件的长度方向运动；第一滑块，设置在第二导轨组件上，第一滑块能够沿着第二导轨组件的长度方向运动；升降旋转装置，与第一滑块相连接；升降旋转装置包括：升降组件，升降组件能够在垂直于第一导轨组件和第二导轨组件形成的平面的方向上运动；拧紧组件，与升降组件相连接，拧紧组件能够旋转以拧紧待紧固件。

本发明所提供的三自由度紧固装置包括第一导轨组件、第二导轨组件、第一滑块和升降旋转装置，其中，第二导轨组件与第一导轨组件可移动地相连接，第二导轨组件能够沿着第一导轨组件的长度方向运动，第一滑块设置在第二导轨组件上且能够沿着第二导轨组件的长度方向运动，也即，第一滑块在第一导轨组件和第二导轨组件形成的平面上，既能够沿着第二导轨组件的长度方向运动，又能够跟随第二导轨组件共同沿着第一导轨组件的长度方向运动，也即，第一导轨组件、第二导轨组件和第一滑块组成两自由度滑移机构，可实现XY平面内的移动定位，具有结构简单，重量轻，体积小的优点，同时具有更小的高度可以保证整个机构更贴近滑移平面，使滑移力臂更小，滑动过程的阻力更小效率更高，滑动更稳定。进一步地，三自由度紧固装置还包括升降旋转装置，升降旋转装置与第一滑块相连接，使得升降旋转装置能够随着第一滑块运动，从而使得升降旋转装置具有两自由度，进一步地，升降旋转装置包括：升降组件和拧紧组件，升降组件能够在垂直于第一导轨组件和第二导轨组件形成的平面的方向上运动，拧紧组件与升降组件相连接，使得拧紧组件能够随着升降组件运动实现在Z方向上的移动定位，从而使得拧紧组件具有三自由度，进而使得拧紧组件能够准确地到达待紧固件位置，能实现拧紧组件和待紧固件的自适应对齐，并对待紧固件施加设定扭矩，旋转并拧紧待紧固件。

本发明所提供的三自由度紧固装置在一定范围内能自适应定位，由一个可以在平面内自适应移动并能在垂向主动移动的机构和安装在机构上的拧紧组件组成，其中，采用互相垂直的第一导轨组件和第二导轨组件实现在XY平面内的直线移动，限制在XY平面内的转动，同时用升降组件实现Z方向的主动移动，实现三自由度，具有结构紧凑，整个三自由度紧固装置几何对称，重心居中，重量轻等优点。尤其适用于施工作业和检修养护现场等不具备高精度主动定位以及作业对象位置在一定范围内波动的场合，将使施工作业和检修养护等的自适应定位工作自动化作业变成可能，大大提高作业效率，降低劳动强度。

另外，本发明提供的上述技术方案中的三自由度紧固装置还可以具有如下附加技术特征：

在上述技术方案中，进一步地，第一导轨组件与第二导轨组件相互垂直。

在该技术方案中，通过限定第一导轨组件与第二导轨组件相互垂直，使得第一滑块在第一导轨组件和第二导轨组件形成的平面上，能够实现X方向、Y方向两个方向上的移动定位，进一步地确保第一滑块在第一导轨组件和第二导轨组件形成的平面上的定位准确。

在上述任一技术方案中，进一步地，第一导轨组件的数量为两个，两个第一导轨组件平行设置；第二导轨组件的数量为两个，两个第二导轨组件平行设置且长度相等。

在该技术方案中，两个第一导轨组件平行设置，两个第二导轨组件平行设置且长度相等，也即，两个第二导轨组件和位于两个第二导轨组件之间的第一导轨组件共同组成平行四边形，既能够保证第一导轨组件与第二导轨组件的连接稳固，又能够使得第二导轨组件在沿着第一导轨组件运动时平稳。本发明所提供的三自由度紧固装置，采用两组导轨组件组成平行四边形滑移机构，将升降旋转装置安装在平行四边形的内部区域，保持整个三自由度紧固装置成几何对称，结构稳定性更好，受力更均匀，同时有效减小整个三自由度紧固装置的横向体积，可在有限的区域内布置更多的工作装置，提高工作效率。

在上述任一技术方案中，进一步地，三自由度紧固装置还包括：底座；第一支座，设置在底座上，第一导轨组件通过第一支座固定在底座上；第二滑块，设置在第一导轨组件上，第二滑块能够沿着第一导轨组件的长度方向运动，第二滑块与第二导轨组件相连接。

在该技术方案中，三自由度紧固装置还包括底座、第一支座和第二滑块，第一支座设置在底座上，第一导轨组件通过第一支座固定在底座上，第一支座能够将第一导轨组件架空并承担其传递的力；在第一导轨组件上设置有能够沿着第一导轨组件的长度方向运动的第二滑块，第二滑块与第二导轨组件相连接，实现第二导轨组件相对于第一导轨组件的运动。

在上述任一技术方案中，进一步地，第一导轨组件包括：第一导杆，第一导杆与第一支座相连接以固定在底座上，第二滑块套设在第一导杆上；第一弹性件，套设在第一导杆上，第一弹性件的第一端固定，第一弹性件的第二端与第二滑块相连接，第二滑块在第一导杆上运动时能够压缩或拉伸第一弹性件。

在该技术方案中，第一导轨组件包括第一导杆和第一弹性件，第一导杆与第一支座相连接从而固定在底座上，第二滑块套设在第一导杆上并能够在第一导杆上滑动，第一弹性件套设在第一导杆上，且第一弹性件的第一端固定，第二端与第二滑块相连接，从而使得第二滑块在第一导杆上运动时能够压缩或拉伸第一弹性件，第一弹性件被压缩或拉伸后会在弹性力的作用下回复到原来的位置，使得三自由度紧固装置具备自动复位功能，每次动作后都会自动复位，大大减小了累计误差。具体地，第一弹性件可以为弹簧。

在上述任一技术方案中，进一步地，三自由度紧固装置还包括：第二支座，设置在底座上，第二支座套设在第一导杆上，第一弹性件的第一端固定在第二支座上。

在该技术方案中，在底座上设有第二支座，第二支座套设在第一导杆上，且第一弹性件的第一端固定在第二支座上，第二支座既能够将第一导轨组件架空并承担其传递的力，又能够作为第一弹性件复位的参考基准，使得第一弹性件的复位准确。具体地，第二支座设置在第一导杆的中间，第一弹性件的数量为两个，两个第一弹性件分别设置在第二支座的两侧。

在上述任一技术方案中，进一步地，第二导轨组件包括：第二导杆，第二导杆的端部与第二滑块相连接，第一滑块套设在第二导杆上；第二弹性件，套设在第二导杆上，第二弹性件的第一端固定，第二弹性件的第二端与第一滑块相连接，第一滑块在第二导杆上运动时能够压缩或拉伸第二弹性件。

在该技术方案中，第二导轨组件包括第二导杆和第二弹性件，第二导杆的端部与第二滑块相连接，第二滑块套设在第一导杆上并能够在第一导杆上滑动，从而使得第二滑块在第一导杆上滑动时带动第二导杆相对于第一导杆运动，第二弹性件套设在第二导杆上，且第二弹性件的第一端固定，第二端与第一滑块相连接，从而使得第一滑块在第二导杆上运动时能够压缩或拉伸第二弹性件，第二弹性件被压缩或拉伸后会在弹性力的作用下回复到原来的位置，使得三自由度紧固装置具备自动复位功能，每次动作后都会自动复位，大大减小了累计误差。具体地，第二弹性件可以为弹簧。

在上述任一技术方案中，进一步地，第一导轨组件包括：第一导轨，第一导轨上设有第一滑槽，第二导轨组件的一端伸入第一滑槽中并能够沿第一滑槽运动；第一弹性件，设置在第一滑槽中，第一弹性件的第一端固定，第一弹性件的第二端与第二导轨组件相连接，第二导轨组件在第一滑槽中运动时能够压缩或拉伸第一弹性件。

在该技术方案中，第一导轨组件包括第一导轨和第一弹性件，第一导轨上设有第一滑槽，第二导轨组件的一端伸入第一滑槽中并能够沿第一滑槽运动；第一弹性件设置在第一滑槽中，且第一弹性件的第一端固定，第二端与第二导轨组件相连接，从而使得第二导轨组件在第一滑槽中运动时能够压缩或拉伸第一弹性件，第一弹性件被压缩或拉伸后会在弹性力的作用下回复到原来的位置，使得三自由度紧固装置具备自动复位功能，每次动作后都会自动复位，大大减小了累计误差。具体地，第一导轨可以固定在底座或固定在其他零部件上，实现第一导轨的固定。

在上述任一技术方案中，进一步地，第二导轨组件包括：第二导轨，第二导轨上设有第二滑槽，第一滑块设置在第二滑槽中并能够沿第二滑槽运动；第二弹性件，设置在第二滑槽中，第二弹性件的第一端固定，第二弹性件的第二端与第一滑块相连接，第一滑块在第二滑槽中运动时能够压缩或拉伸第二弹性件。

在该技术方案中，第二导轨组件包括第二导轨和第二弹性件，第二导轨上设有第二滑槽，第一滑块设置在第二滑槽中并能够沿第二滑槽运动，第二弹性件设置在第二滑槽中，且第二弹性件的第一端固定，第二端与第一滑块相连接，从而使得第一滑块在第二导杆上运动时能够压缩或拉伸第二弹性件，第二弹性件被压缩或拉伸后会在弹性力的作用下回复到原来的位置，使得三自由度紧固装置具备自动复位功能，每次动作后都会自动复位，大大减小了累计误差。

在上述任一技术方案中，进一步地，升降旋转装置还包括滑台组件，滑台组件与第一滑块相连接，滑台组件包括：滑台底座；滑台框架，与滑台底座相连接，滑台框架上设有第三导轨，第三导轨沿着滑台框架的高度方向设置；第三滑块，第三滑块与第三导轨相连接，并能够沿着第三导轨运动。

在该技术方案中，升降旋转装置还包括滑台组件，滑台组件与第一滑块相连接，具体地，在三自由度紧固装置具有两组第一导轨组件和两组第二导轨组件的情况下，滑台组件能够将两组第一导轨组件、两组第二导轨组件和两组第一滑块组成为一个整体，便于滑台组件的稳定运动。进一步地，滑台组件包括相连接的滑台底座和滑台框架，滑台框架上设有沿着滑台框架的高度方向设置的第三导轨，第三导轨上设有能够沿着第三导轨运动的第三滑块。

在上述任一技术方案中，进一步地，滑台底座的中部具有第一通孔，拧紧组件贯穿第一通孔；滑台框架的横截面呈U字型，滑台框架的侧壁上设有至少一个第二通孔。

在该技术方案中，滑台底座的中部具有第一通孔，拧紧组件贯穿第一通孔，从而便于安装拧紧组件并节约空间，保持三自由度紧固装置的重心尽量和几何中心重合；进一步地，滑台框架的横截面呈U字型，保证滑台框架具有足够的各向结构刚度，滑台框架的侧壁上设有至少一个第二通孔，能够起到减重的作用，具体地，可以在滑台框架的侧壁上设置多个减重孔，使得三自由度紧固装置的整体重量更轻。

在上述任一技术方案中，进一步地，升降组件的固定端与第三滑块相连接，升降组件的伸缩端与滑台底座相连接。

在该技术方案中，升降组件的固定端与第三滑块相连接并紧固在一起，升降组件的伸缩端与滑台底座相连接并紧固在一起，升降组件伸缩带动第三滑块在第三导轨上滑动，同时带动拧紧组件上下移动，使得拧紧组件能够随着升降组件运动实现在Z方向上的移动定位。进一步地，拧紧组件在拧紧待紧固件的过程中的反力矩由拧紧组件传递给第三滑块，再由第三滑块通过第三导轨传递给滑台组件，由于限制了滑台组件在平面内的转动自由度，因此反力矩再由滑台组件依次传递给第二导轨组件、第一导轨组件，最后由第一支架传递给底座，通过底座承受拧紧待紧固件的过程中的反力矩，由于底座的结构稳固，并且，可以将底座牢固固定，从而可以提升三自由度紧固装置的稳固性，使其不易松动，延长使用寿命。

在上述任一技术方案中，进一步地，升降组件包括电缸、齿轮齿条组件、丝杠螺母组件或拉索定滑轮组件中的至少一种。

在该技术方案中，升降组件包括电缸、齿轮齿条组件、丝杠螺母组件或拉索定滑轮组件中的至少一种，均能够实现直线运动，且结构简单，成本较低，易于产品的批量生产。

在上述任一技术方案中，进一步地，拧紧组件包括：拧紧轴，拧紧轴的一端与升降组件相连接；套筒，套筒与拧紧轴远离升降组件的一端相连接，套筒与待紧固件相适配，以旋转固定待紧固件；导向部，与套筒远离拧紧轴的一端相连接，导向部被配置为适于将待紧固件引入套筒中。

在该技术方案中，拧紧组件包括拧紧轴、套筒和导向部，拧紧轴的一端与升降组件相连接，使得升降组件能够带动拧紧轴进行升降运动，套筒与拧紧轴远离升降组件的一端相连接，套筒与待紧固件相适配，套筒与待紧固件对齐后拧紧轴转动，对待紧固件施加紧固力矩，使得套筒旋转从而固定待紧固件；在套筒远离拧紧轴的一端设有导向部，导向部被配置为适于将待紧固件引入套筒中。可以理解的是，在本发明所提供的三自由度紧固装置可以通过粗定位确保导向部已经位于目标待紧固件的上方，且待紧固件位于导向部的覆盖范围之内，此时当升降组件向下推动拧紧轴时同时带动导向部向下压待紧固件，若套筒未和螺栓完全对齐，则在导向部引入锥度的作用下，待紧固件对导向部施加一个横向力，该横向力推动整个三自由度紧固装置在第一导轨组件和第二导轨组件形成的平面内移动直到套筒和待紧固件完全对齐，对齐后拧紧轴转动，对待紧固件施加紧固力矩，实现固定待紧固件。

在上述任一技术方案中，进一步地，导向部为扩口结构，扩口结构的开口尺寸由与套筒相连的一端至远离套筒的一端增大。

在该技术方案中，具体限定了导向部为扩口结构，扩口结构的开口尺寸由与套筒相连的一端至远离套筒的一端增大，也即，导向部的下端开口大于上端开口，易于待紧固件位于导向部的覆盖范围之内，并且，在导向部向下压待紧固件的过程中，待紧固件易于推动导向部的侧壁，在导向部的侧壁的引入锥度的作用下，逐渐使得整个三自由度紧固装置移动直到套筒和待紧固件完全对齐。

在上述任一技术方案中，进一步地，三自由度紧固装置还包括：直线运动件，设置在第一滑块与第二导轨组件之间和/或第一导轨组件与三自由度紧固装置的第二滑块之间。

在该技术方案中，三自由度紧固装置还包括直线运动件，直线运动件用于减小通过直线运动件相连接的两个零部件之间的摩擦力，使得通过直线运动件相连接的两个零部件在相对运动时阻力小，且滑动顺畅，实现低阻力直线运动，也能避免零部件的磨损，延长产品的使用寿命。具体地，直线运动件设置在第一滑块与第二导轨组件之间和/或直线运动件设置在第一导轨组件与三自由度紧固装置的第二滑块之间。具体地，直线运动件可以为直线轴承、滚子或滚轮等。

进一步地，本发明所提供的三自由度紧固装置可以应用于铁路施工及养护装备，本发明所提供的三自由度紧固装置在一定范围内能自适应定位，采用互相垂直的第一导轨组件和第二导轨组件实现在XY平面内的直线移动，限制在XY平面内的转动，同时用升降组件实现Z方向的主动移动，实现三自由度，具有结构紧凑，整个三自由度紧固装置几何对称，重心居中，重量轻等优点。尤其适用于施工作业和检修养护现场等不具备高精度主动定位以及作业对象位置在一定范围内波动的场合，将使施工作业和检修养护等的自适应定位工作自动化作业变成可能，大大提高作业效率，降低劳动强度。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1示出了根据本发明一个实施例的三自由度紧固装置的一个结构示意图；

图2示出了根据本发明一个实施例的三自由度紧固装置的一个局部结构示意图；

图3示出了根据本发明另一个实施例的三自由度紧固装置的一个局部结构示意图；

图4示出了根据本发明一个实施例的三自由度紧固装置的滑台组件的一个结构示意图。

其中，图1至图4中的附图标记与部件名称之间的对应关系为：

100三自由度紧固装置，110第一导轨组件，112第一导杆，114第一弹性件，116第一导轨，118第一滑槽，120第二导轨组件，122第二导杆，124第二弹性件，126第二导轨，128第二滑槽，130第一滑块，140升降组件，150拧紧组件，152拧紧轴，154套筒，156导向部，158电机，160底座，162第一支座，164第二滑块，166第二支座，170滑台组件，172滑台底座，173第一通孔，174滑台框架，175第二通孔，176第三导轨，178第三滑块，180直线运动件。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本发明的上述方面、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本发明还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本发明的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。

下面参照图1至图4描述根据本发明一些实施例的三自由度紧固装置100。

实施例一

如图1至图3所示，本发明的第一个方面提供了一种三自由度紧固装置100，三自由度紧固装置100包括第一导轨组件110、第二导轨组件120、第一滑块130和升降旋转装置，升降旋转装置包括：升降组件140和拧紧组件150，升降组件140能够在垂直于第一导轨组件110和第二导轨组件120形成的平面的方向上运动；拧紧组件150与升降组件140相连接，拧紧组件150能够旋转以拧紧待紧固件。

本发明所提供的三自由度紧固装置100包括第一导轨组件110、第二导轨组件120、第一滑块130和升降旋转装置，其中，第二导轨组件120与第一导轨组件110可移动地相连接，第二导轨组件120能够沿着第一导轨组件110的长度方向运动，第一滑块130设置在第二导轨组件120上且能够沿着第二导轨组件120的长度方向运动，也即，第一滑块130在第一导轨组件110和第二导轨组件120形成的平面上，既能够沿着第二导轨组件120的长度方向运动，又能够跟随第二导轨组件120共同沿着第一导轨组件110的长度方向运动，也即，第一导轨组件110、第二导轨组件120和第一滑块130组成两自由度滑移机构，可实现XY平面内的移动定位，具有结构简单，重量轻，体积小的优点，同时具有更小的高度可以保证整个机构更贴近滑移平面，使滑移力臂更小，滑动过程的阻力更小效率更高，滑动更稳定。进一步地，三自由度紧固装置100还包括升降旋转装置，升降旋转装置与第一滑块130相连接，使得升降旋转装置能够随着第一滑块130运动，从而使得升降旋转装置具有两自由度，进一步地，升降旋转装置包括：升降组件140和拧紧组件150，升降组件140能够在垂直于第一导轨组件110和第二导轨组件120形成的平面的方向上运动，拧紧组件150与升降组件140相连接，使得拧紧组件150能够随着升降组件140运动实现在Z方向上的移动定位，从而使得拧紧组件150具有三自由度，进而使得拧紧组件150能够准确地到达待紧固件位置，能实现拧紧组件150和待紧固件的自适应对齐，并对待紧固件施加设定扭矩，旋转并拧紧待紧固件。

如图1、图2和图3所示，本发明所提供的三自由度紧固装置100在一定范围内能自适应定位，由一个可以在平面内自适应移动并能在垂向主动移动的机构和安装在机构上的拧紧组件150组成，其中，采用互相垂直的第一导轨组件110和第二导轨组件120实现在XY平面内的直线移动，限制在XY平面内的转动，同时用升降组件140实现Z方向的主动移动，实现三自由度，具有结构紧凑，整个三自由度紧固装置100几何对称，重心居中，重量轻等优点。尤其适用于施工作业和检修养护现场等不具备高精度主动定位以及作业对象位置在一定范围内波动的场合，将使施工作业和检修养护等的自适应定位工作自动化作业变成可能，大大提高作业效率，降低劳动强度。

进一步地，如图1、图2和图3所示，第一导轨组件110与第二导轨组件120相互垂直。通过限定第一导轨组件110与第二导轨组件120相互垂直，使得第一滑块130在第一导轨组件110和第二导轨组件120形成的平面上，能够实现X方向、Y方向两个方向上的移动定位，进一步地确保第一滑块130在第一导轨组件110和第二导轨组件120形成的平面上的定位准确。

实施例二

在上述实施例一的基础上，进一步地，如图1、图2和图3所示，第一导轨组件110的数量为两个，两个第一导轨组件110平行设置；第二导轨组件120的数量为两个，两个第二导轨组件120平行设置且长度相等。两个第一导轨组件110平行设置，两个第二导轨组件120平行设置且长度相等，也即，两个第二导轨组件120和位于两个第二导轨组件120之间的第一导轨组件110共同组成平行四边形，既能够保证第一导轨组件110与第二导轨组件120的连接稳固，又能够使得第二导轨组件120在沿着第一导轨组件110运动时平稳。本发明所提供的三自由度紧固装置，采用两组导轨组件组成平行四边形滑移机构，将升降旋转装置安装在平行四边形的内部区域，保持整个三自由度紧固装置成几何对称，结构稳定性更好，受力更均匀，同时有效减小整个三自由度紧固装置的横向体积，可在有限的区域内布置更多的工作装置，提高工作效率。

实施例三

在上述实施例一或实施例二的基础上，进一步地，如图1和图2所示，三自由度紧固装置100还包括：底座160；第一支座162，设置在底座160上，第一导轨组件110通过第一支座162固定在底座160上；第二滑块164，设置在第一导轨组件110上，第二滑块164能够沿着第一导轨组件110的长度方向运动，第二滑块164与第二导轨组件120相连接。

在该实施例中，三自由度紧固装置100还包括底座160、第一支座162和第二滑块164，第一支座162设置在底座160上，第一导轨组件110通过第一支座162固定在底座160上，第一支座162能够将第一导轨组件110架空并承担其传递的力；在第一导轨组件110上设置有能够沿着第一导轨组件110的长度方向运动的第二滑块164，第二滑块164与第二导轨组件120相连接，实现第二导轨组件120相对于第一导轨组件110的运动。

在本发明的一个具体实施例中，进一步地，如图1和图2所示，第一导轨组件110包括：第一导杆112，第一导杆112与第一支座162相连接以固定在底座160上，第二滑块164套设在第一导杆112上；第一弹性件114，套设在第一导杆112上，第一弹性件114的第一端固定，第一弹性件114的第二端与第二滑块164相连接，第二滑块164在第一导杆112上运动时能够压缩或拉伸第一弹性件114。

在该实施例中，第一导轨组件110包括第一导杆112和第一弹性件114，第一导杆112与第一支座162相连接从而固定在底座160上，第二滑块164套设在第一导杆112上并能够在第一导杆112上滑动，第一弹性件114套设在第一导杆112上，且第一弹性件114的第一端固定，第二端与第二滑块164相连接，从而使得第二滑块164在第一导杆112上运动时能够压缩或拉伸第一弹性件114，第一弹性件114被压缩或拉伸后会在弹性力的作用下回复到原来的位置，使得三自由度紧固装置100具备自动复位功能，每次动作后都会自动复位，大大减小了累计误差。具体地，第一弹性件114可以为弹簧。

进一步地，如图1和图2所示，在底座160上设有第二支座166，第二支座166套设在第一导杆112上，且第一弹性件114的第一端固定在第二支座166上，第二支座166既能够将第一导轨组件110架空并承担其传递的力，又能够作为第一弹性件114复位的参考基准，使得第一弹性件114的复位准确。具体地，第二支座166设置在第一导杆112的中间，第一弹性件114的数量为两个，两个第一弹性件114分别设置在第二支座166的两侧。

进一步地，如图1和图2所示，第二导轨组件120包括第二导杆122和第二弹性件124，第二导杆122的端部与第二滑块164相连接，第二滑块164套设在第一导杆112上并能够在第一导杆112上滑动，从而使得第二滑块164在第一导杆112上滑动时带动第二导杆122相对于第一导杆112运动，第二弹性件124套设在第二导杆122上，且第二弹性件124的第一端固定，第二端与第一滑块130相连接，从而使得第一滑块130在第二导杆122上运动时能够压缩或拉伸第二弹性件124，第二弹性件124被压缩或拉伸后会在弹性力的作用下回复到原来的位置，使得三自由度紧固装置100具备自动复位功能，每次动作后都会自动复位，大大减小了累计误差。具体地，第二弹性件124可以为弹簧。

在本发明的另一个具体实施例中，进一步地，如图3所示，第一导轨组件110包括：第一导轨116，第一导轨116上设有第一滑槽118，第二导轨组件120的一端伸入第一滑槽118中并能够沿第一滑槽118运动；第一弹性件(图中未示出)，设置在第一滑槽118中，第一弹性件的第一端固定，第一弹性件的第二端与第二导轨组件120相连接，第二导轨组件120在第一滑槽118中运动时能够压缩或拉伸第一弹性件。

在该实施例中，第一导轨组件110包括第一导轨116和第一弹性件，第一导轨116上设有第一滑槽118，第二导轨组件120的一端伸入第一滑槽118中并能够沿第一滑槽118运动；第一弹性件设置在第一滑槽118中，且第一弹性件的第一端固定，第二端与第二导轨组件120相连接，从而使得第二导轨组件120在第一滑槽118中运动时能够压缩或拉伸第一弹性件，第一弹性件被压缩或拉伸后会在弹性力的作用下回复到原来的位置，使得三自由度紧固装置100具备自动复位功能，每次动作后都会自动复位，大大减小了累计误差。具体地，第一导轨116可以固定在底座160或固定在其他零部件上，实现第一导轨116的固定。

进一步地，如图3所示，第二导轨组件120包括第二导轨126和第二弹性件(图中未示出)，第二导轨126上设有第二滑槽128，第一滑块130设置在第二滑槽128中并能够沿第二滑槽128运动，第二弹性件设置在第二滑槽128中，且第二弹性件的第一端固定，第二端与第一滑块130相连接，从而使得第一滑块130在第二导杆122上运动时能够压缩或拉伸第二弹性件，第二弹性件被压缩或拉伸后会在弹性力的作用下回复到原来的位置，使得三自由度紧固装置100具备自动复位功能，每次动作后都会自动复位，大大减小了累计误差。

实施例四

如图1和图4所示，在上述任一实施例中，进一步地，升降旋转装置还包括滑台组件170，滑台组件170与第一滑块130相连接，滑台组件170包括：滑台底座172；滑台框架174，与滑台底座172相连接，滑台框架174上设有第三导轨176，第三导轨176沿着滑台框架174的高度方向设置；第三滑块178，第三滑块178与第三导轨176相连接，并能够沿着第三导轨176运动。

在该实施例中，升降旋转装置还包括滑台组件170，滑台组件170与第一滑块130相连接，具体地，在三自由度紧固装置100具有两组第一导轨组件110和两组第二导轨组件120的情况下，滑台组件170能够将两组第一导轨组件110、两组第二导轨组件120和两组第一滑块130组成为一个整体，便于滑台组件170的稳定运动。进一步地，滑台组件170包括相连接的滑台底座172和滑台框架174，滑台框架174上设有沿着滑台框架174的高度方向设置的第三导轨176，第三导轨176上设有能够沿着第三导轨176运动的第三滑块178。

如图1和图4所示，进一步地，滑台底座172的中部具有第一通孔173，拧紧组件150贯穿第一通孔173，从而便于安装拧紧组件150并节约空间，保持三自由度紧固装置100的重心尽量和几何中心重合；进一步地，滑台框架174的横截面呈U字型，保证滑台框架174具有足够的各向结构刚度，滑台框架174的侧壁上设有至少一个第二通孔175，能够起到减重的作用，具体地，可以在滑台框架174的侧壁上设置多个减重孔，使得三自由度紧固装置100的整体重量更轻。

如图1所示，进一步地，升降组件140的固定端与第三滑块178相连接并紧固在一起，升降组件140的伸缩端与滑台底座172相连接并紧固在一起，升降组件140伸缩带动第三滑块178在第三导轨176上滑动，同时带动拧紧组件150上下移动，使得拧紧组件150能够随着升降组件140运动实现在Z方向上的移动定位。进一步地，拧紧组件150在拧紧待紧固件的过程中的反力矩由拧紧组件150传递给第三滑块178，再由第三滑块178通过第三导轨176传递给滑台组件170，由于限制了滑台组件170在平面内的转动自由度，因此反力矩再由滑台组件170依次传递给第二导轨组件120、第一导轨组件110，最后由第一支架传递给底座160，通过底座160承受拧紧待紧固件的过程中的反力矩，由于底座160的结构稳固，并且，可以将底座160牢固固定，从而可以提升三自由度紧固装置100的稳固性，使其不易松动，延长使用寿命。

进一步地，升降组件140包括电缸、齿轮齿条组件、丝杠螺母组件或拉索定滑轮组件中的至少一种，均能够实现直线运动，且结构简单，成本较低，易于产品的批量生产。

在上述任一实施例中，进一步地，如图1所示，拧紧组件150包括拧紧轴152、套筒154和导向部156，拧紧轴152的一端与升降组件140相连接，使得升降组件140能够带动拧紧轴152进行升降运动，套筒154与拧紧轴152远离升降组件140的一端相连接，套筒154与待紧固件相适配，套筒154与待紧固件对齐后拧紧轴152转动，对待紧固件施加紧固力矩，使得套筒154旋转从而固定待紧固件；在套筒154远离拧紧轴152的一端设有导向部156，导向部156被配置为适于将待紧固件引入套筒154中。可以理解的是，在本发明所提供的三自由度紧固装置100可以通过粗定位确保导向部156已经位于目标待紧固件的上方，且待紧固件位于导向部156的覆盖范围之内，此时当升降组件140向下推动拧紧轴152时同时带动导向部156向下压待紧固件，若套筒154未和螺栓完全对齐，则在导向部156引入锥度的作用下，待紧固件对导向部156施加一个横向力，该横向力推动整个三自由度紧固装置100在第一导轨组件110和第二导轨组件120形成的平面内移动直到套筒154和待紧固件完全对齐，对齐后拧紧轴152转动，对待紧固件施加紧固力矩，实现固定待紧固件。具体地，拧紧组件150还包括电机158，电机158用于驱动拧紧轴152转动。

进一步地，如图1所示，导向部156为扩口结构，扩口结构的开口尺寸由与套筒154相连的一端至远离套筒154的一端增大，也即，导向部156的下端开口大于上端开口，易于待紧固件位于导向部156的覆盖范围之内，并且，在导向部156向下压待紧固件的过程中，待紧固件易于推动导向部156的侧壁，在导向部156的侧壁的引入锥度的作用下，逐渐使得整个三自由度紧固装置100移动直到套筒154和待紧固件完全对齐。

在上述任一实施例中，进一步地，如图2所示，三自由度紧固装置100还包括直线运动件180，直线运动件180用于减小通过直线运动件180相连接的两个零部件之间的摩擦力，使得通过直线运动件180相连接的两个零部件在相对滑动时阻力小，且滑动顺畅，实现低阻力直线运动，也能避免零部件的磨损，延长产品的使用寿命。具体地，直线运动件180设置在第一滑块130与第二导轨组件120之间和/或直线运动件180设置在第一导轨组件110与三自由度紧固装置100的第二滑块164之间。具体地，直线运动件180可以为直线轴承、滚子或滚轮等。

进一步地，如图1至图4所示，本发明所提供的三自由度紧固装置100可以应用于铁路施工及养护装备，本发明所提供的三自由度紧固装置100在一定范围内能自适应定位，采用互相垂直的第一导轨组件110和第二导轨组件120实现在XY平面内的直线移动，限制在XY平面内的转动，同时用升降组件140实现Z方向的主动移动，实现三自由度，具有结构紧凑，整个三自由度紧固装置100几何对称，重心居中，重量轻等优点。尤其适用于施工作业和检修养护现场等不具备高精度主动定位以及作业对象位置在一定范围内波动的场合，将使施工作业和检修养护等的自适应定位工作自动化作业变成可能，大大提高作业效率，降低劳动强度。

具体实施例

如图1至图4所示，本发明所提供的三自由度紧固装置100能实现套筒154和螺栓(待紧固件)的自适应对齐，并对螺栓施加设定扭矩，结构组成如下：

如图1和图2所示，三自由度紧固装置100设置有底座160，底座160为整个三自由度紧固装置100的安装基体，在底座160上设置有四组第一支座162并与底座160紧固在一起，在第一支座162上安装有两组第一导轨组件110且呈平行布置，在两组第一导轨组件110的中间分别设置有一个第二支座166，在两组第一导轨组件110上设置有四组第二滑块164，且第二滑块164内部安装有直线轴承(直线运动件180)，直线轴承套装在第一导轨组件110的外部，在每组第二滑块164和第二支座166之间均设置有一个第一弹性件114(弹簧)，共四个，第一弹性件114套装在第一导轨组件110的外部，安装在同一第一导轨组件110上的两个第一弹性件114构成一对第一弹性件114组，相互平衡使第二滑块164处于中间位置，当第二滑块164在第一导轨组件110上滑动时将压缩一侧第一弹性件114而释放另一侧的第一弹性件114，两侧第一弹性件114的推力差，促使第二滑块164恢复到初始位置。

如图1和图2所示，在两组平行第一导轨组件110之间设置有两组与第一导轨组件110垂直的第二导轨组件120，第二导轨组件120通过第二滑块164与第一导轨组件110连接在一起，第二导轨组件120与第一导轨组件110组成一个平行四边形。在两组第二导轨组件120上设置有两组带直线轴承的第一滑块130，在每组第一滑块130和第二滑块164之间均设置有一个第二弹性件124,共四个，第二弹性件124套装在第二导轨组件120的外部，安装在同一第二导轨组件120上的两个第二弹性件124构成一对第二弹性件124组，相互平衡使第一滑块130处于中间位置，当第一滑块130在第二导轨组件120上滑动时将压缩一侧第二弹性件124而释放另一侧的第二弹性件124，两侧第二弹性件124的推力差，促使第一滑块130恢复到初始位置。

如图1和图2所示，在两组第一滑块130上安装有滑台组件170，滑台组件170将两组第二导轨组件120和两组第一滑块130组成为一个整体，滑台组件170由两部分组成分别为滑台底座172和滑台框架174，滑台底座172与第一导轨组件110和第二导轨组件120组成的平面平行，滑台框架174则与滑台底座172垂直。在滑台组件170上设置有两组呈对称布置的第三导轨176，第三导轨176和滑台底座172垂直。滑台底座172的中间设置成通孔，以便安装拧紧轴152并节约空间，保持机构的重心尽量和几何中心重合。滑台底座172中间设置电缸带动拧紧轴152在滑台底座172上作垂向运动，同时在拧紧轴152两侧由滑台框架174上设置有垂向第三导轨176，提供拧紧轴152垂向移动的导向和支撑，有效利用垂向空间。

如图1和图2所示，带直线轴承的第三滑块178穿过第三导轨176，可沿第三导轨176滑动，在第三滑块178上安装有拧紧轴152和电缸(升降组件140)，电缸的固定端安装在第三滑块178上和第三滑块178紧固在一起，其伸出端连接在滑台底座172上并紧固在一起，电缸伸缩带动第三滑块178在第三导轨176上滑动，同时带动拧紧轴152上下移动，在拧紧轴152的上安装有和螺栓配合的套筒154以及导向部156，导向部156带有引入锥度角。

如图1、图2和图4所示，本发明所提供的三自由度紧固装置100的工作原理如下：三自由度紧固装置100工作前已通过粗定位确保了套筒154及导向部156已经位于目标螺栓的上方，且螺栓位于导向部156的覆盖范围之内，此时当电缸向下推动拧紧轴152时同时带动导向部156向下压螺栓，若套筒154未和螺栓完全对齐，则在引入锥度的作用下，螺栓对导向部156施加一个横向力，该横向力推动整个三自由度紧固装置100在第一导轨组件110和第二导轨组件120组成的平面内移动(既螺栓所在平面)直到套筒154和螺栓完全对齐，对齐后拧紧轴152转动，对螺栓施加紧固力矩，紧固过程中的反力矩由拧紧轴152传递给第三滑块178，再由第三滑块178通过第三导轨176传递给滑台组件170，由于限制了滑台组件170在平面内的转动自由度，因此反力矩再由滑台组件170依次传递给第二导轨组件120和第一导轨组件110，最后由第一支架传递给底座160，螺栓紧固完成后，电缸伸长将拧紧轴152带动套筒154、导向部156一起上升，套筒154及导向部156和螺栓分离后，第一弹性件114和第二弹性件124分别推动第二滑块164和第一滑块130，恢复到中间位置。

本发明所提供的三自由度拧紧装置，采用两组第一导轨组件110和两组第二导轨组件120组成两自由度滑移机构，采用自适应被动定位原理，具备自动复位功能，每次动作后都会自动复位，没有累计误差；相较于相关技术中采用的主动滑移定位具有更好的机构柔性，从而提高了定位的成功率；同时相较于主动定位机构，省略了驱动电机，位置传感器等电气元件，控制逻辑更简单，可靠性更高；并且，具有结构简单，重量轻，体积小的优点，同时具有更小的高度可以保证整个机构更贴近滑移平面，使滑移力臂更小，滑动过程的阻力更小效率更高，滑动更稳定。两组第一导轨组件110和两组第二导轨组件120组成平行四边形滑移机构，将升降旋转装置安装在平行四边形的内部区域，保持整个机构成几何对称，结构稳定性更好，受力更均匀，同时有效减小整个机构的横向体积，可在有限的区域内布置更多的工作装置，提高工作效率。

进一步地，本发明所提供的三自由度拧紧装置，采用圆柱形导杆做第一导轨组件110、第二导轨组件120和第三导轨176，圆柱形导杆和直线轴承的受力更均匀，不仅能承受正压力还能承受弯矩，结构更简单，价格更低，易维护。

在本发明的描述中，术语“多个”则指两个或两个以上，除非另有明确的限定，术语“上”、“下”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“连接”、“安装”、“固定”等均应做广义理解，例如，“连接”可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明的描述中，术语“一个实施例”、“一些实施例”、“具体实施例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本发明中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或实例。而且，描述的具体特征、结构、材料或特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (16)

1.一种三自由度紧固装置，其特征在于，包括：

第一导轨组件；

第二导轨组件，所述第二导轨组件与所述第一导轨组件可移动地相连接，所述第二导轨组件能够沿着所述第一导轨组件的长度方向运动；

第一滑块，设置在所述第二导轨组件上，所述第一滑块能够沿着所述第二导轨组件的长度方向运动；

升降旋转装置，与所述第一滑块相连接；所述升降旋转装置包括：

升降组件，所述升降组件能够在垂直于所述第一导轨组件和所述第二导轨组件形成的平面的方向上运动；

拧紧组件，与所述升降组件相连接，所述拧紧组件能够旋转以拧紧待紧固件。

2.根据权利要求1所述的三自由度紧固装置，其特征在于，

所述第一导轨组件与所述第二导轨组件相互垂直。

3.根据权利要求1所述的三自由度紧固装置，其特征在于，

所述第一导轨组件的数量为两个，两个所述第一导轨组件平行设置；

所述第二导轨组件的数量为两个，两个所述第二导轨组件平行设置且长度相等。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的三自由度紧固装置，其特征在于，所述三自由度紧固装置还包括：

底座；

第一支座，设置在所述底座上，所述第一导轨组件通过所述第一支座固定在所述底座上；

第二滑块，设置在所述第一导轨组件上，所述第二滑块能够沿着所述第一导轨组件的长度方向运动，所述第二滑块与所述第二导轨组件相连接。

5.根据权利要求4所述的三自由度紧固装置，其特征在于，所述第一导轨组件包括：

第一导杆，所述第一导杆与所述第一支座相连接以固定在所述底座上，所述第二滑块套设在所述第一导杆上；

第一弹性件，套设在所述第一导杆上，所述第一弹性件的第一端固定，所述第一弹性件的第二端与所述第二滑块相连接，所述第二滑块在所述第一导杆上运动时能够压缩或拉伸所述第一弹性件。

6.根据权利要求5所述的三自由度紧固装置，其特征在于，所述三自由度紧固装置还包括：

第二支座，设置在所述底座上，所述第二支座套设在所述第一导杆上，所述第一弹性件的第一端固定在所述第二支座上。

7.根据权利要求4所述的三自由度紧固装置，其特征在于，所述第二导轨组件包括：

第二导杆，所述第二导杆的端部与所述第二滑块相连接，所述第一滑块套设在所述第二导杆上；

第二弹性件，套设在所述第二导杆上，所述第二弹性件的第一端固定，所述第二弹性件的第二端与所述第一滑块相连接，所述第一滑块在所述第二导杆上运动时能够压缩或拉伸所述第二弹性件。

8.根据权利要求1至3中任一项所述的三自由度紧固装置，其特征在于，所述第一导轨组件包括：

第一导轨，所述第一导轨上设有第一滑槽，所述第二导轨组件的一端伸入所述第一滑槽中并能够沿所述第一滑槽运动；

第一弹性件，设置在所述第一滑槽中，所述第一弹性件的第一端固定，所述第一弹性件的第二端与所述第二导轨组件相连接，所述第二导轨组件在所述第一滑槽中运动时能够压缩或拉伸所述第一弹性件。

9.根据权利要求8所述的三自由度紧固装置，其特征在于，所述第二导轨组件包括：

第二导轨，所述第二导轨上设有第二滑槽，所述第一滑块设置在所述第二滑槽中并能够沿所述第二滑槽运动；

第二弹性件，设置在所述第二滑槽中，所述第二弹性件的第一端固定，所述第二弹性件的第二端与所述第一滑块相连接，所述第一滑块在所述第二滑槽中运动时能够压缩或拉伸所述第二弹性件。

10.根据权利要求1至3中任一项所述的三自由度紧固装置，其特征在于，所述升降旋转装置还包括滑台组件，所述滑台组件与所述第一滑块相连接，所述滑台组件包括：

滑台底座；

滑台框架，与所述滑台底座相连接，所述滑台框架上设有第三导轨，所述第三导轨沿着所述滑台框架的高度方向设置；

第三滑块，所述第三滑块与所述第三导轨相连接，并能够沿着所述第三导轨运动。

11.根据权利要求10所述的三自由度紧固装置，其特征在于，

所述滑台底座的中部具有第一通孔，所述拧紧组件贯穿所述第一通孔；

所述滑台框架的横截面呈U字型，所述滑台框架的侧壁上设有至少一个第二通孔。

12.根据权利要求10所述的三自由度紧固装置，其特征在于，

所述升降组件的固定端与所述第三滑块相连接，所述升降组件的伸缩端与滑台底座相连接。

13.根据权利要求12所述的三自由度紧固装置，其特征在于，

所述升降组件包括电缸、齿轮齿条组件、丝杠螺母组件或拉索定滑轮组件中的至少一种。

14.根据权利要求1至3中任一项所述的三自由度紧固装置，其特征在于，所述拧紧组件包括：

拧紧轴，所述拧紧轴的一端与所述升降组件相连接；

套筒，所述套筒与所述拧紧轴远离所述升降组件的一端相连接，所述套筒与所述待紧固件相适配，以旋转固定所述待紧固件；

导向部，与所述套筒远离所述拧紧轴的一端相连接，所述导向部被配置为适于将所述待紧固件引入所述套筒中。

15.根据权利要求14所述的三自由度紧固装置，其特征在于，

所述导向部为扩口结构，所述扩口结构的开口尺寸由与套筒相连的一端至远离所述套筒的一端增大。

16.根据权利要求1至3中任一项所述的三自由度紧固装置，其特征在于，所述三自由度紧固装置还包括：

直线运动件，设置在所述第一滑块与所述第二导轨组件之间和/或所述第一导轨组件与所述三自由度紧固装置的第二滑块之间。

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