一种大型托架结构及运动装置.pdf

本发明涉及机械结构类，特别是涉及一种可以多方向运动的大型托架结构及运动装置。其结构包含托架本体，两个支撑立柱、配重系统、和运动机构，其特征在于运动机构位于托架本体的两端，配重系统将托架支撑在两个支撑立柱上。本发明能有效实现承载工件在空间的任意姿态，并能减轻大型托架自重对运动系统精度的影响。

1、  一种大型托架结构，包含托架本体，两个支撑立柱、配重系统、和运动机构，其特征在于运动机构位于托架本体的两端，配重系统将托架支撑在两个支撑立柱上。

2、  如权利要求1所述的大型托架结构，其特征在于所述的运动机构包括，Z向运动单元、A摆转动单元、B摆移动单元，A摆转动单元固定在托架本体的两端，带动托架本体作A向转动；B摆移动单元与A摆转动单元铰接，B摆移动单元与Z向运动单元固定；Z向运动单元与Z向支撑立柱连接，带动托架本体作Z向运动。

3、  如权利要求2所述的大型托架结构，其特征在于所述的A摆转动单元包含有驱动电机、转盘轴承和A摆转动支座，转盘轴承的外环与托架本体固定，转盘轴承的内环与A摆转动支座固定，驱动电机固定在A摆转动支座上，驱动电机的输出轴与转盘轴承外环的大齿圈相啮合，可带动托架本体沿A向摆动。

4、  如权利要求2所述的大型托架结构，其特征在于所述的B摆移动单元包含B摆转动支座、B摆移动支座、滑轨、滑块，滑块连接在滑轨上，滑轨设在B摆移动支座上，滑块固定在B摆转动支座的下侧，B摆转动支座与A摆转动支座通过转动轴铰接，B摆移动支座固定在Z向运动单元上。

5、  如权利要求2所述的大型托架结构，其特征在于所述B摆移动单元是一个转动支座，该支座与A摆转动支座通过转动轴铰接，并固定在Z向运动单元上

6、  如权利要求2所述的大型托架结构，其特征在于所述的Z向运动单元含有驱动电机、滚珠丝杠、运动支座和Z向运动导轨，驱动电机固定在Z向支撑立柱上，并驱动滚珠丝杠带动运动支座沿运动导轨上下运动。

7、  一种转动机构，含有转动体(托架)、转盘轴承、转动支座和驱动电机，其特征在于转盘轴承的外环与转动体固定，转盘轴承的外环设有外齿圈，转盘轴承的内环与转动支座固定，驱动电机固定在转动支座上，驱动电机的输出端与转盘轴承外环的外齿圈相啮合，形成齿轮副，驱动转动体绕中心转动。

8、  一种传动机构，该传动机构由转动和移动两部分组成，含有移动支座、转动支座和转动体，其特征在于移动支座上设有滑轨，转动支座上设有滑块，滑块镶嵌在滑轨上并可连同转动支座沿移动支座的滑轨移动，转动支座与转动体通过转轴铰接。

9、  一种运动结构，含有转动体、支撑立柱、驱动电机，其特征在于在转动体的两端分别设有转盘轴承，转盘轴承的外齿环与转动体固定，转盘轴承的外齿环与驱动电机的输出端啮合，转盘轴承的外环固定在一个支座上，该支座与另一个转动支座通过轴承铰接，转动体一端的转动支座上设有滑块，该滑块镶嵌在另一移动支座的滑轨上，该移动支座固定在一个可以上下运动的运动支座上，该运动支座通过丝杠丝母和驱动电机沿支撑立柱上的导轨上下运动，转动体另一端的转动支座上直接与运动支座固定，该运动支座通过另一组丝杠丝母和驱动电机沿另一支撑立柱的导轨上下运动。

一种大型托架结构及运动装置
所属技术领域：
本发明涉及机械结构类，更具体地说，涉及一种可以多方向运动的大型托架结构及运动装置。
背景技术：
大型数控托架是实现数控自动加工时与数控机床配套的关键辅助设备，如飞机大型机翼壁板的自动铆接，需要一种能承载大型机翼壁板，并将机翼壁板的各加工点法线方向准确移动，与自动钻铆机的加工头配合。能否满足数控加工的准确定位，数控托架的结构是关键。
在现有技术中，能实现大型托架结构的自动上下升降、繞X轴转动和绕Y轴的摆动，以实现承载工件在空间的任意姿态，满足钻铆机能垂直于壁板进行铆接加工的托架结构未见报道。以自动钻铆机为例，托架能够灵活实现三个坐标的运动，托架的刚性是整个托架的关键，刚性不足，在托架转动时托架将会颤动，无法完成铆接加工。在自动钻铆加工时，传动平稳性也很重要。要准确定位，其传动必须平稳。
飞机机翼整体壁板都比较长，因此托架的跨度也比较大，但托架长度的增加，对托架的刚性影响很大，所以托架结构要求尽量紧奏。
为了实现大型托架在空间任意姿态的运动，本发明提供大型托架结构、一种转动机构和一种传动机构。
发明内容
一种大型托架结构，包含托架本体，两个支撑立柱、配重系统、和运动机构，其特征在于运动机构位于托架本体的两端，配重系统将托架支撑在两个支撑立柱上。
一种运动结构，含有转动体(托架本体)、支撑立柱、驱动电机，其特征在于在转动体的两端分别设有转盘轴承，转盘轴承的外齿环与转动体固定，转盘轴承的外齿环与驱动电机的输出端啮合，转盘轴承的外环固定在一个支座上，该支座与另一个转动支座通过轴承铰接，转动体一端的转动支座上设有滑块，该滑块镶嵌在另一移动支座的滑轨上，该移动支座固定在一个可以上下运动的运动支座上，该运动支座通过丝杠丝母和驱动电机沿支撑立柱上的导轨上下运动，转动体另一端的转动支座上直接与运动支座固定，该运动支座通过另一组丝杠丝母和驱动电机沿另一支撑立柱的导轨上下运动。
上述的大型托架结构的运动机构包括：Z向运动单元、A摆转动单元、B摆移动单元，A摆转动单元固定在托架本体的两端，带动托架本体绕X轴转动(或称A向转动)；B摆移动单元与A摆转动单元铰接，B摆移动单元与Z向运动单元固定，带动托架绕Y轴转动(或称B向摆动)；Z向运动单元与Z向支撑立柱连接，带动托架本体作上下运动(或称Z向运动)。
为了实现托架本体绕其中心X轴转动，本发明提供一种转动机构，该转动机构含有转动体(托架)、转盘轴承、转动支座和驱动电机，其特征在于转盘轴承的外环与转动体固定，转盘轴承的外环设有外齿圈，转盘轴承的内环与转动支座固定，转盘轴承的内环与外环之间镶嵌有滚珠，驱动电机固定在转动支座上，驱动电机的输出端与转盘轴承外环的外齿圈相啮合，形成齿轮副，驱动转动体绕中心转动。该转动机构将转动体与转盘轴承的外环固定，增加了转动扭矩，减小了转动的颤动，使转动更加平稳。
本发明的A摆转动单元即为上述的转动机构，转动体就是托架本体，另有驱动电机、转盘轴承和A摆转动支座，转盘轴承的外环与托架本体的端头固定，转盘轴承的内环与A摆转动支座固定连接，驱动电机固定在A摆转动支座上，驱动电机的输出轴与转盘轴承外环的大齿圈相啮合，可带动托架本体绕其中心X轴或A向转动或摆动。
本发明的大型托架结构，是在托架本体的两端各设有一套A摆转动单元，以保证托架运动的精确。
为了实现托架的上下运动，所述的Z向运动单元含有驱动电机、滚珠丝杠、运动支座和Z向运动导轨，运动支座套接在运动导轨上并与滚珠丝杠啮合，驱动电机固定在Z向支撑立柱上，并驱动滚珠丝杠带动运动支座沿运动导轨上下运动，B摆移动单元固定在该运动支座上。
为了实现转动体(托架)的两端不在同一水平面上时的延伸接触。本发明还提供一种传动机构，该传动机构由旋转和移动两部分组成，其特征在于有一个移动支座，移动支座上设有滑轨，还有一个转动支座，转动支座上设有滑块，滑块镶嵌在滑轨上并可在滑轨上移动，转动支座与转动体通过转轴铰接。
本发明中，B摆移动单元就是上述传动机构的实施。
托架绕其Y轴的摆动是通过托架两端一端上升，另一端下降，利用托架两端的高度差实现绕Y轴转动或称B摆的摆动。当托架两端Z向产生高度差时，托架本体与两侧的支撑立柱形成一个直角三角形，为了解决托架本体形成斜边需要延伸的问题，上述B摆移动单元可以使托架在转动的同时延伸滑动。B摆转动单元的结构包含转动支座、移动支座、滑轨、滑块，滑块连接在滑轨上，滑轨设在移动支座上，滑块固定在转动支座的下侧，转动支座同样与A摆转动支座通过连接轴铰接，并固定在Z向运动单元上。这样当托架绕Y轴摆动时，位于托架本体端头的B摆转动单元的转动支座相对于移动支座延伸滑动，满足了托架本体形成斜边需要延伸的问题。
实施中，托架两端可以分别设置相同的B摆转动单元，使得托架在作绕Y轴摆动时，托架两端同时具有绕动和延伸功能；另一种实施方法是在托架的一端设置上述B摆转动单元，另一端仅设置一个转动支座，该支座与安装在托架本体端头的A摆转动支座相铰接，同时该支座与Z向运动单元相固定，我们把这种结构称作B摆转动单元。这样托架在作绕Y轴摆动时，其一端相对于Z向运动单元在绕动的同时有延伸动作，而另一端仅仅相对于Z向运动单元绕动，而不作延伸。
本发明提供的大型托架结构，可以实现托架本体，沿z坐标上下移动的同时，绕x轴转动，绕y轴摆动，使托架本体实现在三个坐标方向上的任意姿态运动。使用时工件可以安装在托架本体上，由托架本体携带工件移动工位，配合数控加工头的自动加工。
为了减轻大型托架自重对运动系统精度的影响，本申请还提出通过配重平衡托架重量。在支撑立柱上固定定滑轮，配重安排在支撑立柱的空腔内，将托架通过连接索、定滑轮与配重连接。
以下结合实施例附图对该发明进行详细地说明。
附图说明
图1是大型托架的整体结构图。
图2是托架本体结构示意
图3是A摆转动单元结构示意
图4是固定端B摆的连接图
图5是移动端B摆的结构示意
图6是图5的剖面结构示意
图7是Z向立柱的结构示意
图8是Z向立柱横断面结构示意
图9是托架端梁结构示意
附图编号说明：Z向支撑立柱10、配重系统11、Z向运动单元20、滚珠丝杠21、丝母座22、伺服电机23、导轨24、滑块25、运动支座26、丝杠支撑座27、B摆移动单元30、转动支座31、移动支座32、连接轴33、滑块34、滑轨35、B摆转动单元40、转动支座41、连接轴42、A摆转动单元50、驱动电机51、转动支座52、转盘轴承53、外环54、内环55、外环齿56、连接心轴57、圆光栅58、动力输出59、托架端梁60、轴承座61、托架本体70。
实施例
图1示出的是大型托架的整体结构，具体说是钻铆机托架整体结构，托架本体的重量平衡分布在支撑立柱上，托架本体70是一个矩形框架式结构，如图2所示，使用时加工工件和工装可以固定在托架本体上。在托架本体的两端是控制托架本体任意姿态运动的传动系统，包括绕托架X轴转动的A摆转动单元50，绕托架Y轴摆动的B摆移动单元30、B摆转动单元40，以及带动托架上下运动的Z向运动单元20。在托架两端的横梁上分别固定一套A摆转动单元50，一端的A摆转动单元与B摆移动单元30铰接，另一端的A摆转动单元与B摆转动单元40铰接，又有两个Z向运动单元20与B摆移动单元和B摆转动单元分别固定。
图3是A摆转动单元50的结构示意。A摆转动单元由驱动电机51、转动支座52、转盘轴承53组成，转盘轴承53位于托架端梁60和转动支座52之间，转盘轴承含有内环55和外环54，转盘轴承的内环55与转动支座52固定连接，转盘轴承的外环与托架端梁60固定连接，托架端梁上设有固定转盘轴承的轴承座61，如图9所示。转盘轴承53的外环周边上设有外环齿56，驱动电机51固定在转动支座52上，电机的动力输出59与转盘轴承的外环齿相啮合。转盘轴承53的中心与托架端梁的中心在同一连接芯轴57上，连接芯轴57与转动支座52固定，在连接芯轴的顶端设有圆光栅58，其外壳和托架端梁60相连接。控制系统启动时，驱动电机51通过转盘轴承的外环带动托架本体绕连接芯轴57转动，同时圆光栅58将检测信号传送到控制系统，控制系统再驱动伺服电机，形成一个闭环控制，实现托架的准确转动。
本发明的绕X轴线转动的支撑形式和传动形式是采用大直径的转盘轴承，特别是转盘轴承的外环带有外齿圈，使支撑元件和传动元件成为一体，减少了安装引起的误差，提高了整体传动刚性。大直径的转盘轴承具有较大的抗倾覆刚性，而且轴向尺寸小，对于提高传动刚性有很大的帮助；转盘轴承的外环大直径齿圈直接和托架工作框端梁相连，增大了传动半径，大大的提高了驱动托架转动的驱动扭矩。提高了传动刚性，使转动过程平稳，可靠。大直径齿圈的质心就在其转动中心，和扇型齿轮相比解决了转动过程中偏载的问题，使托架本体转到任何位置时，自身引起的负载扭矩是个恒值。
参见图4、图5、图6。实现托架本体绕Y轴上下摆动的运动机构是在托架本体的两端连接着B摆运动机构，包括B摆移动单元30和B摆转动单元40。B摆转动单元如图4所示，含有转动支座41和连接轴42，转动支座41和A摆转动单元50的转动支座52通过连接轴42铰接，同时转动支座41固定在Z向运动单元20的运动支座26上，当托架本体的两端不在同一水平线上时，实现托架本体(含A摆转动单元)绕连接轴42上下摆动。连接在托架另一端的是B摆移动单元30，如图5、图6所示，B摆移动单元30包含有转动支座31、移动支座32、连接轴33，移动支座32固定在另一侧Z向运动单元20的运动支座26上，移动支座32的上侧固定设有滑轨35，与该滑轨滑动连接的滑块34固定在转动支座31的下侧，使转动支座31可以在移动支座32的滑轨上相对移动，实现托架本体斜置时的延伸；同时B摆的转动支座31与A摆的转动支座52通过连接轴33铰接，实现托架本体(含A摆转动单元)绕连接轴33上下摆动。
参见图7、图8。支撑托架本体和运动机构重量的是支撑立柱10和配重系统11，配重系统包含固定在支撑立柱顶端的定滑轮14、连接索13、配重12，连接索13通过定滑轮14将配重和托架本体连接，使托架本体的重量分布在支撑立柱上，减轻托架重量对托架运动精度的影响。托架本体两端的上下运动通过Z向运动单元20完成，Z向运动单元20含有固定在立柱侧的滚珠丝杠21，导轨24，以及与丝杠21配套的丝母座22，与导轨接触的滑块25和运动支座26，丝杠的上端连接着伺服电机23，丝杠的下端由丝杠支撑座27固定，导轨24设置在丝杠两侧，滑块25和丝母座22固定在运动支座26的一侧，运动支座26的另一侧与B摆运动单元固定。使用时，由伺服电机23带动滚珠丝杠21转动，使丝母座22连同运动支座26以及托架本体实现上下运动。