CN102091799B - 一种曲面自动制孔末端执行器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种曲面自动制孔末端执行器，包括制孔单元、压紧单元、法向测量单元、定位圈、二维法向调整单元、外支撑圈。制孔单元和压紧单元固定在定位圈上；法向测量单元固定在压紧单元上，在压紧单元上通过球形关节联结有压紧头，压紧头内侧固定一块测板，测板可以随压紧头转动，在压紧单元的四角固定四个位移传感器，测板四角分别与四个位移传感器接触，位移传感器分别测量测板四角位移，从而计算出制孔坐标处曲面的法线方向。压紧单元由伺服电机与滚珠丝杠驱动，控制伺服电机的扭矩可以控制压紧力；定位圈固定在二维法向调整单元上，可以分别绕X轴和Y轴旋转，从而完成法向调整。该结构末端执行器能很好完成曲面制孔加工。

Description

一种曲面自动制孔末端执行器

技术领域

本发明属于自动化制造领域，具体来说，涉及一种曲面自动制孔末端执行器，尤其适用于飞机翼面的自动制孔。

背景技术

目前飞机结构件采用的主要连接方法仍是机械连接，一架大型飞机上大约有150～200万个连接件。在飞机的各种安全故障中，机体损伤的故障数量已占到总故障数量的30％以上，因此，飞机的总寿命主要决定于机体的寿命。疲劳破坏是飞机机体丧失工作能力的根本原因，其中75％～80％的疲劳破坏发生在机体结构的连接孔处。为了满足现代大型飞机长寿命、高可靠性、低成本和高效率制造的要求，可通过各种技术途径改善各连接点的技术状态(表面质量、配合性质、结构形式等)，大量采用长寿命连接技术，实现飞机结构高质量和高效率装配，其中一个很重要的途径是通过自动化设备进行自动精密制孔，提高制孔质量。

现代大型飞机外形、结构复杂，零件数量多(达300余万件)，内部空间紧凑，协调关系复杂，装配和安装的工作通路差，其中飞机装配劳动量占整个飞机制造劳动量的50％以上。因此，飞机装配是一项技术难度大、涉及学科领域多的综合性集成技术，在很大程度上决定了飞机的最终质量、制造成本和周期，是整个飞机制造过程的龙头、关键和核心技术。

借助于高刚性和预先的结构设计，以及先进的自动控制技术，常规的自动化制造技术可以将加工误差控制在微小的的范围之内，因此使得精密制造或装配成为了可能。在飞机装配中，传统的做法是，根据飞机机构特定的装配要求来定制用户所需的机床。飞机的结构一般都比较庞大，高精度装配的结果往往是装配设备的大型化、高刚性、高成本、设备用途太专一，并且需要配套固定型架或自动托架，其投资也是巨大的。随着飞机部件尺寸的增大，这种形式的自动化装配在实践当中受到了很大的限制，某种程度上，由于传统自动化装配的成本过于昂贵，不得不退而采用手工装配。手工装配的问题是，随着飞机部件尺寸的增大，装配的成本也随之增大，同时手工装配的错误经常导致产生高昂的维修费用，零部件的报废以及装配周期的延误。

现有工业机械臂主要是面向汽车，家电，陶瓷等行业，工作空间相对较小，负载能力较低。如果开发大范围、大负载的工业机械臂，又难以解决高精度与大工作空间的矛盾。轻便的自动化设备为飞机柔性装配提供了另一种选择。它牺牲了整体精度而追求局部精度，并在部件层面上充分利用了飞机部件自身特点，而且质量轻，更经济，可以分配到作业现场或依附到飞机部件上，不需要大的安装场地，而且设备的造价变得低廉许多。机器人制孔技术是飞机柔性装配技术的一个重要应用和研究方向，由于机器人自动制孔系统可以沿纵向长距离移动，能够完成对飞机的各个部分进行钻铆加工而无需移动工件，与传统的自动钻铆加工方式相比，大大提高了加工精度和效率，因此在国外已得到广泛的研究和应用。但由于现有机器人刚度和精度低、负载小，使得传统的机器人在飞机装配上的应用水平低。

综上所述，研究开发具有传统制孔机器人轻便、灵活及成本低的优点，并且具有较高刚性、较大负载承受力和高精度，满足飞机自动化装配的要求的柔性曲面制孔机器人是飞机柔性装配技术的一个重要应用和研究方向，多功能制孔末端执行器是关键技术之一。

发明内容

本发明的目的是提供可以测量所制孔坐标点曲面法线方向，调整制孔主轴至法向方向，并由压紧单元对制孔处实施压紧的曲面自动制孔末端执行器。

本发明曲面自动制孔末端执行器，包括制孔单元1、压紧单元2、法向测量单元3、定位圈4、二维法向调整单元5、外支撑圈6；制孔单元1和压紧单元2固定在定位圈4上；二维法向调整单元5与带动其绕Y轴转动的设置在外支撑圈6上的Y轴转动动力机构58相连；定位圈4与带动其绕X轴转动的设置在二维法向调整单元5上的X轴转动动力机构54相连；压紧单元2包括压紧动力机构25、在压紧动力机构25的带动下沿z轴移动的支撑架21、与支撑架21通过球关节连接的压紧头23，压紧头23上开有可通过制孔主轴的通孔26；制孔单元1包括制孔动力机构13、在制孔动力机构13的带动下沿z轴移动的制孔主轴单元12；制孔主轴单元包括可以转动的制孔主轴，制孔主轴与支撑架21上的球关节同轴；法向测量单元3包括固定在压紧头23背面的测板31、四个用于检测测板31移动距离的位移传感器32，位移传感器32设置在支撑架21上、且均布在制孔主轴的圆周方向上。

本发明的有益效果：其工作时，压紧动力机带动支撑架和压紧头沿z轴移动向下移动，由于压紧头通过球关节设置在支撑架上可以相对支撑架转动，所以压紧头即可压紧在需要制孔处的周边。而测板31固定在压紧头上，随压紧头一起动作，这样可以通过位移传感器32检测的测板31的移动距离不同，解算出制孔点出曲面的法向矢量。四个位移传感器32可更加精确的测量出制孔主轴是否在法向方向，尤其适用于比较复杂的曲面。这时通过X轴转动动力机构54带动定位圈4绕X轴转动或/和通过Y轴转动动力机构58带动二维法向调整单元5绕Y轴转动，即可调整定位圈4位置，从而调整固定在定位圈4上制孔单元1和压紧单元2(调整过程中，支撑板动作，压紧头不动)的姿态，使得位移传感器32检测的测板31的移动相等，达到制孔主轴位于法线方向上目的。然后，制孔主轴单元12在制孔动力机构25的带动下沿z轴向下移动，制孔主轴穿过压紧头的通孔26而在需要制孔处制孔。因此，本发明的效果是：它可以测量所制孔坐标点曲面法线方向，调整制孔主轴至法向方向，并由压紧单元对制孔处实施压紧。

上述的曲面自动制孔末端执行器，制孔动力机构13为固定在制孔底板11上的制孔伺服电机；制孔伺服电机通过滚珠丝杠带动滑动设置在制孔底板11上的制孔主轴单元12。

上述的曲面自动制孔末端执行器，制孔主轴单元12为电主轴。电主轴属于现有技术，不再描述。

上述的曲面自动制孔末端执行器，压紧动力机构25为固定在压紧底板24上的压紧伺服电机；压紧伺服电机通过滚珠丝杠带动滑动设置在压紧底板24上的支撑架21。这样，即可通过压紧伺服电机提供压紧力，并通过扭矩控制控制压紧力。

上述的曲面自动制孔末端执行器，二维法向调整单元5为一个位于外支撑圈6内的内支撑圈51，内支撑圈51与平行于Y轴的支承轴Y相连，支承轴Y与Y轴转动动力机构58相连；定位圈4设置在内支撑圈51内，定位圈4与平行于X轴的支承轴X相连，支承轴X与X轴转动动力机构54相连。采用在同一个平面内垂直布置的两个转动轴(即支承轴X和支承轴Y)，可以快速精确地实现法向姿态调整，且结构简单紧凑。

附图说明

图1是本发明的总体三维结构示意图。

图2是本发明的制孔单元三维结构示意图。

图3是本发明的压紧单元及法向测量单元三维结构示意图。

图4是本发明的二维法向调整单元、外支撑圈等的三维结构示意图。

图5是本发明的压紧单元中的压紧头示意图。

图6是本发明的压紧单元中的支撑架示意图。

图7是本发明的制孔单元、压紧单元、法向测量单元等的结构示意图。

图8是本发明的压紧头、支撑架、固定圈等连接示意图。

图中，

1、制孔单元，2、压紧单元，3、法向测量单元，4、定位圈，5、二维法向调整单元，6、外支撑圈(支撑圈Y)；

11、制孔底板，12、高速电主轴(制孔主轴单元)，13、制孔伺服电机及减速机；

21、支撑架，22、固定圈，23、压紧头，24、压紧底板，25、压紧伺服电机及减速机(压紧动力机构)，26、通孔，231、球形外关节，211、球形内关节；

31、测板，32、位移传感器，33、固定座；

51、支撑圈X(内支撑圈)，52、支承轴XA，53、支承轴XB，54、伺服电机及减速机X(X轴转动动力机构)，56、支承轴YA，57、支承轴YB，58、伺服电机及减速机Y(Y轴转动动力机构)。

具体实施方式

下面结合附图详细说明本发明的技术方案。

如图1、7所示，本发明的曲面自动制孔末端执行器，包括制孔单元1、压紧单元2、法向测量单元3、定位圈4、二维法向调整单元5、外支撑圈6。

参见图3，压紧单元2包括固定在压紧底板24上的压紧伺服电机及减速机25、通过直线滑轨沿z轴滑动设置在压紧底板24上的支撑架21、压紧头23等。压紧伺服电机及减速机25通过联轴器与滚珠丝杠相连，滚珠丝杠再与支撑架21相连。压紧伺服电机及减速机25动作，可以带动支撑架21沿z轴移动。压紧头23的外表面具有球形外关节231，支撑架21上具有与球形外关节231相应的球形内关节211。球形外关节231与相应的球形内关节211组成了球关节。压紧头23通过球关节连接与支撑架21上，压紧头23上开有可通过制孔主轴的通孔26。固定圈22固定在支撑架21上防止压紧头23脱落。

参见图2，制孔单元1包括固定在制孔底板11上的制孔伺服电机及减速机13、通过直线滑轨沿z轴滑动设置在制孔底板11上的高速电主轴12等。制孔伺服电机及减速机13通过联轴器与滚珠丝杠相连，滚珠丝杠再与高速电主轴12相连。制孔伺服电机及减速机13动作，可以带动高速电主轴12沿z轴移动。高速电主轴12包括可以转动的制孔主轴。制孔主轴与支撑架21上的球形内关节211同轴。

参见图3，法向测量单元3包括固定在压紧头23背面(内侧)的测板31、四个用于检测测板31移动距离的位移传感器32，位移传感器32设置在支撑架21上、且均布在制孔主轴的圆周方向上。

参见图4，二维法向调整单元5为一个位于外支撑圈6内的内支撑圈51，内支撑圈51相对的两侧面分别通过与Y轴平行的支承轴YA56、支承轴YB57与外支撑圈6相连，支承轴YA和支承轴YB共同组成了支承轴Y；支承轴YB与固定在外支撑圈6上的伺服电机及减速机Y(Y轴转动动力机构)58相连。伺服电机及减速机Y动作，带动内支撑圈51和支承轴YA和支承轴YB绕Y轴转动。

定位圈4设置在内支撑圈51内，定位圈4与平行于X轴的支承轴X相连，支承轴X与X轴转动动力机构54相连。内支撑圈51的另外两个相对侧面分别通过与X轴平行的支承轴XA52、支承轴XB53与定位圈4相连，支承轴XA和支承轴XB共同组成了支承轴X；支承轴XB与固定在内支撑圈51上的伺服电机及减速机X(X轴转动动力机构)54相连。伺服电机及减速机X动作，带动定位圈4和支承轴XA和支承轴XB绕X轴转动。

制孔单元1与压紧单元2呈90°分别固定在定位圈4内部相邻的两个侧面上。

如图2所示，制孔单元1通过制孔底板11固定在定位圈4内部，用于在曲面上给定坐标位置制孔，高速电主轴12由制孔伺服电机及减速机13驱动，通过直线滑轨连接在制孔底板11上，制孔伺服电机及减速机13与滚珠丝杠使用联轴器联结，将电机扭矩转化为力，为高速电主轴12提供进给力。

如图3，图5及图6所示，压紧单元2通过压紧底板24固定在定位圈4内部，支撑架21通过直线滑轨连接在压紧底板24上。压紧伺服电机及减速机25与滚珠丝杠使用联轴器联结，将电机扭矩转化为力，为压紧单元2提供压紧力。压紧头23的球形外关节231与支撑架21的球形内关节211通过球形关节联结在一起，压紧头23可以在支撑架内旋转任意角度，保证压紧头紧密接触制孔部位。通过控制压紧伺服电机及减速机25的输出扭矩，并考虑由于摩擦等因素造成的扭矩损失，采用阻抗控制技术，滑模变结构控制技术，为压紧头提供精确地压紧力。

法向测量单元3包括测板31，四个位移传感32，四个固定座33，测板31固定在压紧头23的内侧，随压紧头改变角度，测板平面与压紧头端面232始终保持平行，测板的法向方向代表了制孔坐标点曲面的法向方向，四个位移传感器32均布在高速电主轴12的四周并通过固定座33固定在支撑架21上。每个位移传感器32在弹簧的作用下，其端部抵在测板31表面，与测板31充分接触。

如图4所示，二维法向调整单元包括支撑圈X(内支撑圈)51、支承轴XA52、支承轴XB53、伺服电机及减速机X54、支承轴YA56、支承轴YB57、伺服电机及减速机Y58等。支撑圈X通过支承轴YA和支承轴YB联结在支撑圈Y(外支撑圈)上，由伺服电机及减速机Y提供动力，可以绕Y轴转动。定位圈4通过支承轴XA和支承轴XB联结在支撑圈X上，由伺服电机及减速机X提供动力，可以绕X轴转动。

与现有技术相比，本发明的曲面自动制孔末端执行器可以实现快速法向测量，快速法向调整，压紧力准确可控，整个装置结构简单紧凑。本技术方案中，法向测量单元采用四个位移传感器，可以在被测曲面解算出四个平面，从而可以更加精确地确定制孔坐标点曲面法线方向，同时可以适应更为复杂的曲面的法向制孔；压紧单元采用控制伺服电机扭矩的方式控制压紧力，无需单独采用力传感器测量压紧力，而采用阻抗控制，充分考虑了各配合部件之间的摩擦阻力，直接由伺服电机扭矩控制提供所要求的压紧力。本发明结构简单，压紧力控制更为精确；二维法向调整单元，采用在同一个平面内垂直布置的两个转动轴，可以快速精确地实现法向姿态调整，且结构简单紧凑。

总而言之，本发明公开了一种曲面自动制孔末端执行器，包括制孔单元、压紧单元、法向测量单元、定位圈、二维法向调整单元、外支撑圈。制孔单元和压紧单元固定在定位圈上；法向测量单元固定在压紧单元上，在压紧单元上通过球形关节联结有压紧头，压紧头内侧固定一块测板，测板可以随压紧头转动，在压紧单元的四角固定四个位移传感器，测板四角分别与四个位移传感器接触，位移传感器分别测量测板四角位移，从而计算出制孔坐标处曲面的法线方向。压紧单元由伺服电机与滚珠丝杠驱动，控制伺服电机的扭矩可以控制压紧力；定位圈固定在二维法向调整单元上，可以分别绕X轴和Y轴旋转，从而完成法向调整。该结构可以自动测量所制孔坐标点曲面法线方向，自动调整制孔主轴至法向方向，压紧单元自动实施压紧，并可控制压紧力，能很好完成曲面制孔加工。

Claims (3)

1. 一种曲面自动制孔末端执行器，其特征在于，它包括制孔单元（1）、压紧单元（2）、法向测量单元（3）、定位圈（4）、二维法向调整单元（5）、外支撑圈（6）；

制孔单元（1）和压紧单元（2）固定在定位圈（4）上；

二维法向调整单元（5）与带动其绕Y轴转动的设置在外支撑圈（6）上的Y轴转动动力机构（58）相连；

定位圈（4）与带动其绕X轴转动的设置在二维法向调整单元（5）上的X轴转动动力机构（54）相连；

压紧单元（2）包括压紧动力机构（25）、在压紧动力机构（25）的带动下沿Z轴移动的支撑架（21）、与支撑架（21）通过球关节连接的压紧头（23），压紧头（23）上开有通过制孔主轴的通孔（26）；

制孔单元（1）包括制孔动力机构（13）、在制孔动力机构（13）的带动下沿Z轴移动的制孔主轴单元（12）；制孔主轴单元包括可以转动的制孔主轴，制孔主轴与支撑架（21）上的球关节同轴；

法向测量单元（3）包括固定在压紧头（23）背面的测板（31）、四个用于检测测板（31）随压紧头（23）转动角度的位移传感器（32），位移传感器（32）设置在支撑架（21）上、且均布在制孔主轴的圆周方向上。

2.如权利要求1所述的曲面自动制孔末端执行器，其特征在于，二维法向调整单元（5）为一个位于外支撑圈（6）内的内支撑圈（51），内支撑圈（51）与平行于Y轴的支承轴Y相连，支承轴Y与Y轴转动动力机构（58）相连。

3.如权利要求2所述的曲面自动制孔末端执行器，其特征在于，定位圈（4）设置在内支撑圈（51）内，定位圈（4）与平行于X轴的支承轴X相连，支承轴X与X轴转动动力机构（54）相连。

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