用于大型薄壁筒体构件立式装配的柔性夹具

摘要

一种自动化装配领域用的大型薄壁筒体构件装配的柔性夹具装备，包括：设置于薄壁筒体构件内部的用于支撑的内撑夹具阵列和设置于薄壁筒体构件外部的用于压紧的外压夹具阵列及其支撑结构，支撑结构固定设置于地面并与外压夹具阵列相连以实现其上下方向的调节，外压夹具阵列对薄壁筒体构件沿圆周方向自外而内均匀施加压紧力，内撑夹具阵列对薄壁筒体构件沿圆周方向由内而外均匀提供支撑力，通过压紧力和支撑力的配合实现对大型薄壁筒体构件的均与夹紧固定。本发明布置紧凑、多点调控、受力均匀、变形小、装配效率高、承载能力强。

说明书

技术领域

本发明涉及的是一种自动化装配技术领域的装置，具体是一种用于大型薄壁筒体构件立 式装配的柔性夹具。

背景技术

运载火箭贮箱、飞机机身等构件为了减轻自重采用栅格形式的铝合金薄壁构件拼接而成， 该结构具有大尺度、低刚度的特点，其自身重力便会引起很大的变形。为了保证装配精度，减 小各个方向的对接误差，要求夹具具有多点调控，受力均匀的特点。另外由于所夹持工件尺度 很大，因而在设计夹具过程中为了降低加工难度，需要采用模块化拼接的方式设计制造。针对 上述问题，设计了一种具有多点调控能力、受力均匀的柔性夹具。

经过对现有的技术文献检索发现，中国专利文献号CN102152132A公开(公告)日 2011.08.17，公开了一种数控加工技术领域的用于大型筒体内壁加工的自推进式机构，包括： 固定组件、轴向运动组件、移动平台、若干个转动组件、转动平台和若干个执行机构，其中： 轴向运动组件与固定组件连接，移动平台分别与轴向运动组件和转动平台连接，若干个转动组 件分别与转动平台连接且以圆周阵列均匀分布，若干个执行机构均与移动平台和转动平台固定 连接且以圆周阵列均匀分布；该技术能够在大型筒体内部实现多个加工刀头的同步工作，能够 形成对称的加工轨迹，完成柱面的内表面高速铣削及其之间的搅拌摩擦焊接等工艺，该机构具 有布置空间紧凑、工作范围大、结构刚度高、承载特性好、控制方式容易、操作精度高、加工 效率高以及柔性化程度高等特点。该技术与本发明的结构布置相似，但该技术只在筒体内部具 有支撑力，而且支撑力方向不可调节，筒体始终单侧受力并且不能保证受力方向沿着法线方向， 会引起筒体的振动和变形。

中国专利文献号CN203726149U公开(公告)日2014.07.23，公开了一种用于大型薄壁 环形件的柔性辅助支撑夹紧装置，包括：底座、可移动锁紧定位元件、可移动夹紧装置和可移 动辅助支撑组件；所述底座为环形；所述底座上设有多组沿直径方向对应的T型槽；所述可移 动锁紧定位元件、可移动夹紧装置和可移动辅助支撑组件设于T型槽内并可沿T型槽移动。该 技术通过可移动辅助支撑组件沿零件轴向和径向进行移动调节，可以适应不同尺寸结构的零件， 适用于大型薄壁环形件新机研制中单件小批量生产使用，有利于缩短夹具制造周期，节约夹具 制造成本。但该技术采用的辅助支撑夹紧装置需要手动调节夹紧力的大小和锁紧定位元件的位 置，操作非常复杂，装夹效率低；该技术只从筒体外侧压紧实现装夹，筒体内侧没有辅助支撑， 对大型薄壁筒体构件装夹过程中会引起较大的装夹变形，难以保证筒体的几何形状。

发明内容

本发明针对现有技术存在的上述不足，提出一种用于大型薄壁筒体构件立式装配的柔性 夹具，能够自动、柔性的调整夹紧力的大小的同时，可以保证筒体的受力方向沿法线方向，并 且由于采用内撑、外压式的夹紧方式，保证工件受力均匀，使得筒体变形和振动很小，并且采 用自动化装备，装夹效率高。

本发明是通过以下技术方案实现的，本发明包括：设置于薄壁筒体构件内部的用于支撑 的内撑夹具阵列和设置于薄壁筒体构件外部的用于压紧的外压夹具阵列及其支撑结构，其中： 支撑结构固定设置于地面并与外压夹具阵列相连以实现其上下方向的调节，外压夹具阵列对薄 壁筒体构件沿圆周方向自外而内均匀施加压紧力，内撑夹具阵列对薄壁筒体构件沿圆周方向由 内而外均匀提供支撑力，通过压紧力和支撑力的配合实现对大型薄壁筒体构件的均与夹紧固定。

所述的内撑夹具阵列包括：至少一组或多组轴向并联的三自由度机构，该三自由度机构 由环形支架和若干辐射状阵列方式设置于环形支架外部的三自由度支撑机构组成。

所述的三自由度是指：局部摆动和沿环形支架的径向移动。

所述的三自由度支撑机构包括：顶板、移动副‐转动副(PU)支链以及与PU支链并联的两 个转动副‐移动副‐转动副(UPU)支链，其中：PU支链的移动副一端与环形支架相连，转动副一 端与顶板相连，UPU支链的两端分别于顶板和环形支架相连。

所述的移动副采用但不限于直线电缸实现；

所述的转动副采用但不限于虎克铰或球铰实现；

所述的外压夹具阵列有两组相对设置的夹紧环组成，该夹紧环由若干个单自由度夹紧机 构组成。

所述的单自由度夹紧机构为四杆机构，包括：底座、压杆和气缸，其中：两段式活动压 杆的一端与底座转动连接，气缸的两端分别与底座和压杆转动连接并驱动压杆以提供夹紧力。

所述的支撑结构均布于外压夹具阵列外部，该支撑结构具有上下移动的单个自由度，可 以实现对夹具体阵列的位置调节。

所述的支撑结构包括：支撑立柱、传动部分和配重部分，其中：支撑立柱固定设置于地 面上，传动部分分别与配重部分和外压夹具阵列相连并实现对外压夹具阵列的高度调节。

所述的传动部分包括：伺服电机、联轴器、轴承、滚珠丝杠、丝杠螺母、直线导轨、滑 块、工作台等部分，可以实现精密的直线传动。配重部分用于平衡外压夹具阵列的重力，起到 对伺服电机以及机械传动系统的保护作用，具体结构包括：与工作台相连的钢丝绳、定滑轮以 及用于平衡的配重。

所述的内撑夹具阵列优选采用12组48个沿圆周均匀布置的三自由度支撑机构。

所述的外压夹具阵列优选采用60个单自由度夹紧机构环形布置拼接而成。

所述的支撑结构优选采用4个且平均分布于外压夹具阵列外部。

技术效果

与现有技术相比，本发明采用立式夹紧固定的方式，避免了大型薄壁筒体构件因自身重 力而引起的变形，减小了装配过程中的不可控因素。夹具体通过多组沿圆周方向均匀布置的柔 性夹紧机构，可以实现对大型薄壁筒体构件装夹过程中受力的多点调控，使得筒体构件的受力 方向始终沿着法线方向，两侧对称受力，保证其受力均匀，减小因装夹引起的变形。此外，本 发明的装配夹紧装置采用自动化设备，可以自动装夹调节，可以提高装配效率。

附图说明

图1为本发明整体结构图；

图2为内撑夹具阵列结构图；

图3为三自由度支撑机构结构图；

图4为外压夹具阵列结构图；

图5为单自由度夹紧机构图；

图中：a为侧视图，b为立体示意图；

图6为支撑结构图；

图中：1内撑夹具阵列、2支撑结构、3外压夹具阵列、4上内撑夹具阵列、5三自由度 支撑机构、6下内撑夹具阵列、7环形支架、8PU支链、9UPU支链、10顶板、11虎克铰、12 直线电缸、13上固定座、14下固定座、15上外压夹具阵列、16下外压夹具阵列、17单自由 度压紧机构、18连接板、19夹紧机构底座、20、23铰链、21压杆、22气缸、24立柱底座、 25支撑立柱、26直线传动部分、27配重部分、28支撑架。

具体实施方式

下面对本发明的实施例作详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施， 给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。

实施例1

如图1所示，本实施例包括：内撑夹具阵列1、支撑结构2、外压夹具阵列3，其中： 内撑夹具阵列1固定于地面上，外压夹具阵列3支撑在支撑结构2上，四个支撑结构2沿圆周 均布。

如图2所示，所述的内撑夹具阵列1包括：上内撑夹具阵列4、下内撑夹具阵列6和三 自由度支撑机构，其中：上内撑夹具阵列4和下内撑夹具阵列分别由多组环形布置的三自由度 支撑机构，其中：用于在薄壁筒体构件内部施加支撑力并调整受力的大小和方向。

如图3所示，所述的三自由度支撑机构自上到下依次为：环形支架7、PU支链8和UPU 支链9、顶板10，其中：PU支链由直线电缸12和虎克铰11顺序连接而成，UPU支链由虎克 铰11、直线电缸12、虎克铰11顺序连接而成。三自由度支撑机构通过三个直线电缸运动的组 合可以实现沿法线方向的移动和两个摆动自由度，实现支撑方向和支撑力大小的调节。

如图4所示，所述的外压夹具阵列3包括：上固定座13、下固定座14、上外压夹具阵 列15、下外压夹具阵列16和单自由度压紧机构17，其中：上外压夹具阵列15和下外压夹具 阵列16分别由多个单自由度压紧机构17通过连接槽拼接而成，沿圆形布置。

如图5所示，所述的单自由度压紧机构17自上而下包括：连接板18、夹紧机构底座 19、铰链20、压杆21、气缸22、铰链23。单自由度压紧机构为一个四杆机构，由气缸22驱 动，通过压杆21的摆动，实现压紧，具有较大的活动范围。

如图6所示，所述的支撑结构2包括：立柱底座24、支撑立柱25、直线传动部分26、 配重部分27、支撑架28，其中：立柱底座24和支撑立柱25依次固定于地面，直线传动部分 26安装于支撑立柱25上并与支撑架28相连，实现支撑架的上下运动，配重部分27与支撑架 28相连，用于平衡支撑架28所受的部分重量，对传动部分起保护作用。

所述的直线传动部分26包括：伺服电机、联轴器、轴承、滚珠丝杠、丝杠螺母、直线 导轨、滑块、工作台等部分，可以实现直线传动。

所述的配重部分27包括：钢丝绳、定滑轮、配重，用于平衡直线传动部分受力，起保 护作用。

本实施例通过以下方式工作：需要夹紧固定的两段环形薄壁圆通，置于内撑夹具阵列1 和外压夹具阵列3之间，内撑夹具阵列从筒体构件内部施加支撑力，筒体各处的支撑力大小和 方向由多个均布得三自由度支撑机构5调节。外压夹具阵列从外部提供压紧力，筒体各处压紧 力大小由多个均布得单自由度压紧机构调节。通过内撑、外压的方式实现对筒体构件的夹紧定 位，通过支撑结构2上的直线传动部分26可以对下筒体整体位置的调节。上下筒体位置分别 由内撑、外压夹具阵列固定后，可以通过位于外压夹具阵列上的环焊工装(本发明中未给出) 实现上下筒体构件的焊接。