零部件智能柔性吊掛機械手的製作方法與工藝

2023-05-15 00:34:26

本發明適用於飛機前翼、中機身、前中機身、中央翼及後機身、垂尾、外翼、發動機短艙等中大型零部件吊裝、運輸、對合等任務，也可用於大型物流中心裡物品的吊裝運輸。

背景技術：
我國航空工業生產鏈中，由於工藝需要，往往要採用吊車對各種零部件進行吊裝，轉運，對合等動作。目前的工藝模式是使用專用吊掛，一件產品配備一套相應的專用吊掛。吊具的設計和製造需要佔用較長時間，對於結構，形狀，重量，姿態各不相同的大量零、部件，往往需要為之配備大量的專用吊掛，用以完成各自的動作，會延長新機型的生產周期。吊掛種類繁多，功能各異，也給使用單位的存放，維護與管理帶來了諸多不便。同時每一個新項目，新機型的設計都伴隨著大量專用吊具的重新設計製造，隨之舊型號的改性，停產，同樣也伴隨著大量專用吊具的改造與報廢。造成大量人力、物力、財力的浪費。目前，將智能柔性吊掛機械手技術應用於各種型號飛機的裝配過程，在國內尚無應用。

技術實現要素：
為了解決上述存在技術問題，本發明提供一種零部件智能柔性吊掛機械手，該產品利用智能柔性定位技術，可以代替各種重量，起吊範圍的傳統吊具，可以節約重新設計，校核，製造專用吊具的時間，可以縮短工裝的準備周期，節約存放佔地，提高生產效率。本發明的目的是通過下述技術方案實現的：零部件智能柔性吊掛機械手，其特徵在於：包括主體框架、質心調節機構，支臂調節機構和電氣控制系統；所述的主體框架包括井字形槽鋼框架Ⅰ、井字形槽鋼框架Ⅱ和槽鋼框架Ⅲ，設井字形槽鋼框架Ⅰ的橫向為X軸方向，縱向為Y軸方向，垂直於XY軸所在平面，豎直方向為Z軸方向；在井字形槽鋼框架Ⅰ內，沿Y軸方向平行設置井字形槽鋼框架Ⅱ，井字形槽鋼框架Ⅱ作為質心調節機構的底座，槽鋼框架Ⅲ安裝在質心調節機構的底座之上；所述的質心調節機構包括長吊環，直線導軌Ⅰ，直流電動推桿Ⅰ，吊耳，平移機構、直線導軌Ⅱ，直流電動推桿Ⅱ；長吊環及其下方的直流電動推桿Ⅰ與平移機構通過柔性支架連接，並以柔性支架為圓心，在XZ平面內小角度擺動；所述的直流電動推桿Ⅰ上安裝有直線傳感器，吊耳安裝在平移機構上，通過平移機構控制吊耳沿槽鋼框架Ⅲ上的直線導軌Ⅰ移動；在井字形槽鋼框架Ⅱ底部沿X軸方向設置2個平行的直線導軌Ⅱ，質心調節機構與直流電動推桿Ⅱ相連，由直流電動推桿Ⅱ控制質心調節機構沿直線導軌Ⅱ移動；在XY軸移動的直線導軌旁邊裝有光柵尺，相應滑塊配裝有光柵尺讀頭，構成絕對位置反饋系統，提供實時XY軸的位置；所述的平移機構是固定在直線導軌Ⅰ上的滑塊機構，可以形成X軸和Y軸方向的移動；其中X軸移動是由X軸伺服電機驅動直流電動推桿Ⅱ在直線導軌Ⅱ上移動；Y軸移動是由Y軸伺服電機驅動渦輪絲杆升降機在直線導軌Ⅰ上移動；所述的支臂調節機構包括均勻安裝在井字形槽鋼框架Ⅰ四角的4個直線導軌Ⅲ，在每個直線導軌Ⅲ周圍分別安裝拉繩式位移傳感器、直流電動推桿Ⅲ和滑塊，通過滑塊帶動吊鉤運動；所述的電氣控制系統是以PLC為控制核心，控制質心調節機構和支臂調節機構的動作；電氣控制系統元器件具體包括：控制櫃、直流電源及其管理系統，安裝在井字形槽鋼框架Ⅰ一側的X軸伺服電機，安裝在直線導軌Ⅰ端部的Y軸伺服電機；安裝在直流電動推桿Ⅰ上的Z軸伺服電機，安裝在每個直流電動推桿Ⅲ端部的吊點電機，設置在井字形槽鋼框架Ⅰ斜撐上的傾角傳感器，設置在直流電動推桿Ⅱ上的X軸限位開關，設置在直線導軌Ⅰ上的Y軸限位開關，直流電動推桿Ⅰ上自帶的Z軸限位開關和設置在直流電動推桿Ⅲ的吊點限位開關。所述的直流電動推桿Ⅲ的行程為400mm；直線導軌Ⅱ的長度為1150mm，直流電動推桿Ⅱ行程為600mm。所述的質心調節機構的質心偏差調節範圍為600×600mm。當傾角傳感器的水平方向傾角達到3°時，或者直流電動推桿Ⅰ上升到限制高度時，直流電動推桿Ⅰ停止上升，開始水平方向的調整；水平方向傾角小於3°時，直流電動推桿Ⅰ繼續上升，水平方向循環調整，直至調平。在井字形槽鋼框架Ⅰ的下方均布了4個活動腳輪。本發明的工作原理：本發明主要有4個部分組成，分別是主體框架，質心調節機構，支臂調節機構和電氣控制系統組成，可起吊的最大噸位為2噸，智能柔性吊掛與飛機零部件的吊點連接，整套吊掛的動力系統採用鋰電池內部供電，操作人員手持無線電遙控開關，選擇採用手動起吊或者自動起吊，首先根據部件選擇型號（相應參數事先載入），利用支臂調節機構，在「自動模式」下點按「吊點到位」按鈕，可使吊點按型號要求自動到位；自動起吊時，則根據起吊部件的重心和柔性吊掛的重心不一致，導致吊掛在X、Y軸方向上產生傾角，傾角傳感器將數據傳送給電氣控制系統進行處理並判斷，電氣控制系統控制質心調節機構開始自動尋找重心，使起吊部件在空中的姿態達到平衡，調整結束後，按下遙控器按鍵鎖定，開始移動起吊部件。本發明在以井字梁為主體框架的結構上，配以質心調節機構、支臂調節機構等，採用觸控螢幕或是上位機為管理系統，PLC或控制器為控制系統，傾角傳感器、光柵尺、拉繩式位移傳感器等傳感器為檢測手段，電機為重心自動調整等動作傳遞機械能，鋰電池為動力供電系統，保證起吊件達到相應姿態，起吊點位置滿足相應產品吊裝點分布的要求，在實際應用過程中減少人力和物理的浪費，節約成本，保證人員安全。附圖說明圖1是零部件智能柔性吊掛機械手的結構示意圖。圖2是質心調節機構的結構示意圖。圖3是圖2的俯視圖。圖4是主體框架及支臂調節機構的結構示意圖。圖5是圖4的俯視圖。圖6是圖5的A向視圖。圖7是電氣控制系統的布局圖。圖8是本發明工作流程圖。具體實施方式本發明的應用背景介紹：（1）飛機翼面類部件產品結構特點：飛機翼面類不見吊裝時要求吊繩豎直，不能有較大傾角，利用翼面上4個吊掛點，實現外翼水平吊裝運輸，產品最下端距離地面至少1.6米。（2）飛機機身類部件產品結構特點將吊掛的接頭與機身類部件產品的吊掛點相連接，將機身類部件產品豎直吊起，起吊高度約1.8米。針對上述特點，並結合實際裝備工藝，設計的飛機零部件智能柔性吊掛機械手結構如圖1所示，包括主體框架1、質心調節機構2，支臂調節機構3和電氣控制系統4。其中，主體框架1如圖4所示，包括井字形槽鋼框架Ⅰ11、井字形槽鋼框架Ⅱ12和槽鋼框架Ⅲ13，設井字形槽鋼框架Ⅰ11的橫向為X軸方向，縱向為Y軸方向，垂直於XY軸所在平面，豎直方向為Z軸方向；井字形槽鋼框架Ⅰ11的尺寸為3000mm×2900mm，在井字形槽鋼框架Ⅰ11內，沿Y軸方向平行設置井字形槽鋼框架Ⅱ12，井字形槽鋼框架Ⅱ12作為質心調節機構2的底座，槽鋼框架Ⅲ13安裝在質心調節機構2的底座之上，在井字形槽鋼框架Ⅰ11的下方均布了4個活動腳輪14。質心調節機構2如圖2所示，包括長吊環21，直線導軌Ⅰ22，直流電動推桿Ⅰ23，吊耳24，平移機構、直線導軌Ⅱ25，和直流電動推桿Ⅱ26；使用時，將本發明零部件智能柔性吊掛機械手通過長吊環21懸掛在天吊下方，長吊環21及其下方的直流電動推桿Ⅰ23與平移機構通過柔性支架28連接，並以柔性支架28為圓心，在XZ平面內小角度擺動；所述的直流電動推桿Ⅰ23上安裝有直線傳感器，吊耳24安裝在平移機構上，通過平移機構控制吊耳24沿槽鋼框架Ⅲ13上的直線導軌Ⅰ22移動；在井字形槽鋼框架Ⅱ12底部沿X軸方向設置2個平行的直線導軌Ⅱ25，質心調節機構2與直流電動推桿Ⅱ26相連，由直流電動推桿Ⅱ26控制質心調節機構2沿直線導軌Ⅱ25移動；其中直線導軌Ⅱ25的長度為1150mm，直流電動推桿Ⅱ26行程為600mm。在XY軸移動的直線導軌旁邊裝有光柵尺，相應滑塊配裝有光柵尺讀頭，構成絕對位置反饋系統，提供實時XY軸的位置。質心調節機構2的平移機構是固定在直線導軌Ⅰ22上的滑塊機構，如圖3所示，可以形成X軸和Y軸方向的移動；其中X軸移動是由X軸伺服電機43驅動直流電動推桿Ⅱ26在直線導軌Ⅱ25上移動；Y軸移動是由Y軸伺服電機44驅動渦輪絲杆升降機27在直線導軌Ⅰ22上移動。質心調節機構2具有Z向自動起吊功能，Z向起吊過程平穩，質心偏差調整範圍為600×600mm。Z向起吊過程中設置拉力傳感器，產品超重或與工裝幹涉時，數據異常報警，停止起吊。支臂調節機構3結構如圖4、5、6所示，包括均勻安裝在井字形槽鋼框架Ⅰ11四角的4個直線導軌Ⅲ31，在每個直線導軌Ⅲ31周圍分別安裝拉繩式位移傳感器34、直流電動推桿Ⅲ32和滑塊，通過滑塊帶動吊鉤33運動；其中，直流電動推桿Ⅲ32的行程為400mm。電氣控制系統4是以PLC為控制核心，控制安裝在質心調節機構2，支臂調節機構3動作，並結合微型HMI與無線遙控器，西門子TD400、伺服電機技術對零部件智能柔性吊掛機械手進行控制，被控制的對象包括：直流電動推桿上的拉繩式位移傳感器，各吊點限位開關及XY軸限位開關。電氣元件在飛機智能柔性吊掛上的布置圖如圖7所示，具體包括：控制櫃41，直流電源及其管理系統42，在控制櫃41上設有顯示器52（可帶觸屏功能）、手動急停按鈕53，安裝在井字形槽鋼框架Ⅰ11一側的X軸伺服電機43及遙控器接收器54，安裝在直線導軌Ⅰ22端部的Y軸伺服電機44，安裝在直流電動推桿Ⅰ23上的Z軸伺服電機45，安裝在每個直流電動推桿Ⅲ32端部的吊點電機46，設置在井字形槽鋼框架Ⅰ11的斜撐上的傾角傳感器47，設置在直流電動推桿Ⅱ26上的X軸限位開關48，設置在直線導軌Ⅰ22上的Y軸限位開關49，直流電動推桿Ⅰ23上自帶的Z軸限位開關50，設置在直流電動推桿Ⅲ32的吊點限位開關51。在井字形槽鋼框架Ⅰ11兩側側壁上安裝有壁掛式組合指示燈55。考慮到設備的安全性和自動化設備的風險性，電氣控制系統採用具備餘電顯示功能的大型鋰電池系統供電。而且電氣控制系統還具備了報警和錯誤代碼提示。本發明的工作流程：飛機柔性吊掛的工作過程主要包括：準備工作，起吊動作的選擇，手動操作X、Y、Z三軸和4個吊點動作，自動操作吊點到位和系統自動找重心等多個工序。工作流程如圖8所示：（1）起吊前的準備工作：包括查看柔性智能吊掛及遙控器電池餘電是否充足，檢查各接頭有無鬆動，檢查機械位置是否安全，檢查有無報警狀態，同時確定柔性智能吊掛處於自己系統的重心位置，並且確認起吊零部件（同時把相應參數輸入管理系統）等。（2）起吊方式的選擇：首先選擇自動模式，操作吊點到位按鈕，吊點自動到位，然後掛上吊帶，用吊車把吊掛運輸到位，處於合適高度，並將飛機零部件的吊點與智能柔性吊掛的吊點相連接；最後升起吊車使吊帶略微漲緊，並根據實際情況選擇採用手動起吊還是自動起吊。（3）手動起吊，選擇手動起吊後，通過無線控制器面板上的按鈕控制X軸正、反向雙速移動，Y軸正、反向雙速移動，Z軸正反向雙速移動以及四個吊點的微移動，手動調節吊掛直至達到平衡狀態（傳感器會給出判斷並發出信號示意）。（4）自動起吊：選擇自動起吊後，通過無線控制器面板上的按鈕選擇自動啟動。自動起吊包括吊點自動到位操作和系統自動找重心操作，智能柔性吊掛Z軸開始緩慢向上移動，吊點自動到位直至連續零部件的吊繩豎直繃緊為止。移動過程中，由於零部件的重心與起吊重心不一致，遠離零部件重心的一端開始離開託架，產生一個傾斜角度，這裡利用吊具上的傾角傳感器實時監測傾角值，並把數據傳給控制中心做以處理，得出傾斜角度A，當傾角傳感器47的水平方向傾角達到3°時，或者直流電動推桿Ⅰ23上升到一定高度（暫定320mm）時，直流電動推桿Ⅰ23停止上升，開始水平方向的調整；水平方向傾角小於3°時，直流電動推桿Ⅰ23繼續上升，水平方向循環調整，直至調平（這裡定義平衡為XY軸的傾角值一段時間內同時小於B值，即為平衡，是一種相對平衡）。此時柔性吊掛的重心和起吊零部件的重心在一條直線上，達到飛機零部件在空中的平衡狀態。（5）零部件移動：採用手動起吊或者自動起吊方式調整結束後，按下遙控器按鍵鎖定，開始通過智能柔性吊掛移動零部件。（6）動作結束：起吊零部件所有移動動作完成後，從吊掛上卸下，按下遙控上回零位按鍵，待吊掛X、Y回到零位後，吊車移走吊掛。