关于六自由度自动调整机构的设计研究

关于六自由度自动调整机构的设计研究

董玲

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摘要：在产品对接过程中，接口处的位置和姿态直接影响对接效果，有着严格的指标要求。操作过程中，需要使用大型起吊设备对其中一侧产品进行空间位置和姿态的调整，直至两侧产品完全对正。传统的操作过程中存在执行精度差、执行过程不稳定、对接时间长、对接质量不稳定等问题。本文重点对六自由度自动化调整机构的组成、原理和解决的实际问题进行介绍。

关键词：自动化；六自由度调整

引言

大型机械设备的安装过程逐渐向自动化、智能化方向发展，并且随着自动化技术的发展和对接质量要求的提高，对接装配过程综合考虑装配质量、装配效率和智能管理等因素，产品间的对接模式正由传统人工手动模式向自动化、智能化迅速发展，传统人工手动模式的发展空间和需求逐年下降，不断提高装配对接自动化水平是现代大型机械设备安装的必然趋势。

本文研究的自动对接技术，具有对接精度高、对接时间短、对接质量稳定等特点，具有广阔的推广前景及应用价值。

1系统概述

六自由度自动调整机构（以下简称“调整机构”）主要由控制系统、驱动装置和执行机构等几部分组成。

控制系统主要负责接收外部控制命令、输出控制指令至驱动装置，同时对系统是否过载、超行程等进行安全预警；驱动装置主要由驱动电机、减速机、升降机、换向器等组成，通过驱动电机与不同机构的组合使用，可提升系统驱动能力、改变驱动力方向，实现系统的自动化运行；执行机构为系统的最后执行单元，可根据控制系统指令实现承载产品的升降、横移和轴向移动，并可复合运动完成承载产品的俯仰、偏摆和滚转姿态调整。

2系统设计

2.1控制系统

控制系统主要功能为接收手持控制器输入的控制命令，根据预先设计的控制逻辑，将指令输送至不同的驱动装置，最终完成承载产品的空间位姿调整。同时根据显示终端实时显示系统的工作状态及安全状态。

控制系统由硬件及配套软件组成。硬件主要有电源模块、CPU模块、I/O模块、通信模块和显示终端等。软件主要由自检程序、数据采集程序、运动控制程序、系统监控程序、终端显示程序、对外通信扩展程序等，各程序主要功能及工程化管理要求如下所示：

a)自检程序的功能是判断系统所有伺服电机、传感器、限位开关、指示灯和按钮等器件功能是否正常；

b)数据采集程序主要实现与手持控制器进行通讯，实时读取手持控制器控制命令；

c)运动控制程序的主要功能为将手持控制器指令解算为每个驱动电机的执行距离，将驱动指令发送给伺服驱动装置，同时监测驱动电机运行状态，最终控制执行机构运行到指定位置；

d)系统监控程序主要实现对各个电机的电流、扭矩和温度等进行实时监控，是否存在过载情况；同时对执行机构运动行程进行实时监控，是否存在超行程指令。如果发生上述情况，会通过显示终端进行实时报警；

e)终端显示程序的功能是将系统运行过程中的参数直观的显示在触摸屏上，还能通过操作触摸屏对设备进行自检、手动控制、参数设置、记录查看等；

f)对外通信扩展程序的功能是将对接数据传输至外部网络，以实现对接过程的实时监控，与其他自动化设备的联机或组网等功能；

g)软件工程化管理：按照策划、输入、输出、评审、验证的过程进行软件开发，同时建立软件产品开发库，存放项目组所遵循的过程标准、参考资料、所有未经批准的配置项、已经批准但未纳入基线的配置项，其配置项由项目总管负责和控制。

2.2驱动装置

驱动装置根据控制系统的控制命令，以额定的功率和转速带动执行机构完成承载产品的六自由度调整。驱动装置共分为七组，分别为用于驱动轴向移动的驱动装置（1组）、横向平移驱动装置（2组）、升降驱动装置（2组）和滚转驱动装置（2组），每组分别由电源、驱动器、执行电机及相应附属件组成。

根据不同位置负载需要的驱动扭矩、驱动力方向等情况，在驱动电机输出轴位置加装减速机、换向器或者升降机等机构，达到降低电机转速、提高输出扭矩、提高输出转动惯量及改变输出力方向等目的。

2.3执行机构

执行机构用于支撑、定位和调整承载的产品，具备空间六自由度调整功能，实现承载产品的空间位置和姿态的精确调整，主要分为轴向移动机构、横向平移机构、升降机构和滚转机构。

轴向平移机构是各自由度调整机构的底层支撑框架及轴向平移传动执行机构，驱动电机通过换向器降低输出转速、提高输出扭矩，带动滚轮组件滚转，带动整体机构及承载产品沿轴向进行直线运动。

横向平移机构可实现调整机构的横向平移运动，2套运动机构可相互独立运行。电机通过减速器降低输出转速、提高输出扭矩，带动滚珠丝杠以固定转速旋转，滚珠丝杠上滑块将丝杠滚转运动转换为滑块的直线运动，最终带动横向平移托架在线性导轨上进行直线运动。当2套装置控制指令方向相同、速度相等时，可带动载荷实现横向的平移运动，当两套装置控制指令反向或方向相同速度不同时，可进行差动平移带动载荷实现偏摆运动。

升降机构由2套相同的结构组成，2套运动机构可相互独立运行。当

2套装置控制指令方向相同、速度相等时，可带动产品实现升降运动，当两套装置控制指令反向或方向相同速度不同时，可进行差动平移带动载荷实现俯仰运动。

滚转机构由2套相同的结构组成，2套机构必须同步同向运行。通过驱动电机、减速机带动滚轮转动，滚轮与承载产品之间通过摩擦力进行传动。

至此，通过上述传动机构的复合运动，即可实现承载产品的空间六自由度调整工作。

3技术运用

通过使用调整机构实现对接产品的承载和位姿调整后，单人通过手持控制器，即可快速、准确、稳定的完成对接产品精确调整，极大的提高了对接效率、对接质量，并减少了操作人员数量，具备良好的实用功能。

4结束语

六自由度自动调整机构是在纯结构产品上加装了控制系统及驱动机构，初步实现了机械产品的自动化运行。在自动对接技术开发上，应巩固好现有成果，对产品技术继续进行迭代，后续可继续开发智能型测量组件，实现整个机构的自动测量偏差、自主完成对接工作，最终争取在自动对接技术上实现智能化操作。

参考文献

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