CN102581794B - 被动式大摆角柔性定位固持装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种被动式大摆角柔性定位固持装置，包括作动筒，以及在作动筒内转动和移动的动轴，安装在动轴顶端的摆头。作动筒上装有固定整个被动式大摆角柔性定位固持装置的底板和动轴锁紧装置，摆头上装有摆动复位装置和吸盘。吸盘所用气管通过动轴、摆头、短轴、吸盘座中的通孔接通吸盘。吸盘上装有四个带定位锥孔的螺栓，作为被动式大摆角柔性定位固持装置的定位装置。动轴复位装置分别安装在作动筒和摆头上，当动轴复位时引导动轴回复初始状态。本发明中，动轴能够Z轴方向自由移动和转动，且能在辅助设备的帮助下精确定位；吸盘能大摆角摆动，且能自动复位，实现对不同蒙皮的自适应柔性定位固持功能。
Description
技术领域
本发明涉及一种被动式大摆角柔性定位固持装置，为一种飞机蒙皮自动化钻铆的定位固持装置。
背景技术
飞机蒙皮作为构成飞机气动外形的关键零件，其外形复杂，尺寸范围变化大，刚度低，而且生产批量小。传统加工方法是将蒙皮固定在刚性夹具上，再进行钻铆，工作劳动强度大，钻孔精度低，铆接质量差。近年来，为了实现蒙皮的精确高效钻铆，提高制造质量，国外飞机制造厂商逐渐采用了基于柔性工装的数控钻铆工艺。自20世纪90年代初期开始，国外企业开发的柔性工装已被波音、空客、麦道等飞机制造商用于蒙皮、壁板、舱门、机翼等零件的加工制造过程以及飞机的数字化柔性装配，极大地提高了生产效率和加工质量。相比而言，我国在蒙皮数控钻铆及柔性工装的研发应用方面较为落后。
文献“丁韬.TORRESMILL_和TORRESTOOL_系统蒙皮切边钻铣床及柔性夹具装置[J].航空制造技术.2007(2)”中介绍了国外一种名为TORRESTOOL柔性夹具系统，这套系统最典型的结构是卧式三轴，它由若干个排架组成，每个排架在计算机程序指令控制下可沿X轴独立移动，每个排架上有若干个支撑杆，每个支撑杆可在指令控制下沿Y轴和Z轴方向独立移动。在国内方面，清华大学提出一种基于机器人集中驱动的用于大型薄壁件切削加工的智能柔性工装系统，其核心思想是通过专用机器人以外部集中驱动的方式取代内部独立驱动方式。这样，各单元只需实现Z向驱动，无需X、Y向驱动电机和传动装置，X、Y向运动由专用机器人统一驱动实现。TORRESTOOL柔性夹具系统和清华大学智能柔性工装系统都是很有价值的发明，但是它们作为主动式柔性定位固持装置，虽然有效地解决了飞机蒙皮加工柔性装夹的问题。但尚有一些不足：
1.TORRESTOOL柔性夹具系统驱动系统采用伺服电机驱动，所以内部传动系统较为复杂，成本高，属于主动式定位装置。
2.TORRESTOOL柔性夹具系统和清华大学智能柔性工装系统均使用了万向球吸盘。由于结构限制，万向球吸盘的最大摆角为45°，无法吸附某些大曲率蒙皮。
发明内容
本发明针对现有技术不足，提供一种能够根据蒙皮的构型调节动轴高度和摆头角度，并利用机器人或其他数控装备抓取进行精确定位的被动式大摆角柔性定位固持装置。
本发明通过以下技术方案实现：
一种被动式大摆角柔性定位固持装置，包括作动筒、在作动筒内转动和移动的动轴，以及安装在动轴顶端的摆头，摆头上设置吸盘，吸盘上设置辅助定位固持装置，摆头与吸盘之间设置摆头复位机构；所述作动筒上设置动轴锁紧装置，用于固定动轴位置；还包括动轴复位装置，用于动轴在非工作状态自动恢复初始位置。
所述被动式大摆角柔性定位固持装置，摆头复位机构包括短轴以及弹性部件，所述摆头上设置有两个突起结构，所述吸盘设置有一个突起结构，吸盘的突起结构设置在摆头的两个突起结构之间，突起结构上开设圆孔，短轴垂直设置在圆孔内，通过弹性部件固定短轴位置。
所述被动式大摆角柔性定位固持装置，所述动轴锁紧装置包括螺杆以及端盖，端盖卡设在螺杆两端，螺杆上套设上锁紧螺母，下锁紧螺母；还包括摆动气缸，该摆动气缸用于带动螺杆转动推动锁紧螺母，从而使得端盖运动锁紧或解锁动轴。
所述被动式大摆角柔性定位固持装置，所述辅助定位固持装置为至少3个带定位锥孔的螺栓。
所述被动式大摆角柔性定位固持装置，所述动轴复位装置包括上导向柱和下导向柱，下导向柱设置在作动筒上方，上导向柱设置在摆头下方。
本发明的有益效果为：
本发明在夹持蒙皮时，可以通过机器人抓取，使动轴的Z轴方向移动，具有较高的定位精度。动轴在作动筒中Z轴自由转动和摆头的大摆角摆动，使被动式大摆角柔性定位固持装置具有自动适应蒙皮表面的特性。作动筒内锁紧装置使用压缩空气，通过摆动气缸与螺纹组件，可产生60KG的轴向锁紧力，保证被动式大摆角柔性定位固持装置定位精度。整个系统均使用压缩空气，结构简单。
被动式大摆角柔性定位固持装置是为了解决飞机蒙皮自动钻铆所需柔性夹具。被动式大摆角柔性定位固持装置相较于TORRESTOOL柔性夹具系统的优点和技术改进如下：
第一，被动式大摆角柔性定位固持装置使用机器人抓取，压缩空气来锁紧动轴和吸附蒙皮。机器人在自动钻铆中就需要使用，压缩空气成本也较低，所以总成本较低。
第二，被动式大摆角柔性定位固持装置没有使用伺服电机，没有复杂的传动装置，使被动式大摆角柔性定位固持装置结构较简单，体积也较小。
第三，被动式大摆角柔性定位固持装置体积较小，所以能够密集放置，所提供的支撑点也较多，能够提高钻铆质量。
第四，被动式大摆角柔性定位固持装置驱动系统采用机器人驱动，由于机器人在蒙皮钻铆中也要使用，所以整个钻铆加工过程中仅使用了机器人自身的控制系统。
第五，被动式大摆角柔性定位固持装置使用了单独设计的摆动副，吸盘摆角较大，可吸附大曲度蒙皮，适用范围较广。
附图说明
图1为本发明被动式大摆角柔性定位固持装置结构示意图；
图2为本发明被动式大摆角柔性定位固持装置动轴锁紧装置；
图3为本发明被动式大摆角柔性定位固持装置定位固持装置示意图；
图4为本发明被动式大摆角柔性定位固持装置剖面示意图；
图5为本发明被动式大摆角柔性定位固持装置局部放大示意图。
图中：1，底板；2，摆动气缸；3，作动筒；4，下导向柱；5，动轴；6，上导向柱；7，摆头；8，短轴；9，弹簧；10，吸盘；11，螺杆；12，上锁紧螺母；13，挡圈；14，下锁紧螺母；15，端盖；16，吸盘螺栓；17，动轴锁紧装置。
具体实施方式
如图1、图2、图3所示，夹持飞机蒙皮用以自动化钻铆的被动式大摆角柔性定位固持装置，包括带有动轴锁紧装置的作动筒3，以及与作动筒3相连的动轴5和安装在动轴上的摆头7。机器人与摆头的卡槽组成了动轴5的驱动装置，该驱动装置使动轴Z轴方向移动，其可调整范围为400mm以上，且具有很高的定位精度，可满足不同种类蒙皮的定位固持要求。动轴锁紧装置在作动筒3内腔内，当摆动气缸2通气带动螺杆11转动，通过螺纹配合使上锁紧螺母12，下锁紧螺母14反向运动，锁紧或解锁动轴5，这套锁紧装置的锁紧力可达50KG以上。作动筒3上的下导向柱4和摆头上的上导向柱6，这两个共轭组件组成动轴复位装置，当动轴5沿Z轴下降时，引导动轴5恢复初始状态。动轴顶端的摆头7，吸盘10和短轴8组成一套能大摆角摆动的转动副，其摆动角大于等于50°。短轴8与摆头7之间的弹簧与短轴9与摆头8组成摆头复位机构，能在非工作状态自动恢复初始位置。吸盘10的螺栓16中心有定位锥孔，其他设备的定位销通过接触这些定位锥孔来定位。
其中，摆头7上有两个突起的有圆孔的耳型结构，而吸盘10同样有一个有圆孔的耳型结构，而且吸盘10的耳型突起安装在摆头7两个耳型突起之间，短轴8通过他们的圆孔，以此形成一个转动副。短轴8上一端使用卡簧阻挡，另一端使用弹簧9使短轴固定。本发明中，摆头7，吸盘10和短轴8之间的转动副的调整范围大于等于50°；动轴5在作动筒3内的转动副的调整范围为0°～360°。
本发明的工作过程如下：首先，按照飞机蒙皮型面调整动轴位置，机器人接触吸盘10中螺栓16的定位锥孔后，抓取摆头7带动动轴5运动。机器人先带动动轴Z轴方向移动到达指定位置，接着带动动轴沿Z轴转动，使动轴5到达所需的工作状态。然后，动轴锁紧装置17中的摆动气缸2进气，带动螺杆11转动，使锁紧螺母同时向内运动，锁紧动轴。机器人松开摆头，移出工作区域。飞机蒙皮移入，在重力作用下摆头7与吸盘10之间的转动副随蒙皮型面转动，自适应蒙皮形状，接着吸盘10吸气吸附蒙皮，开始钻铆。最后，钻铆结束，吸盘停止吸气，松开蒙皮。摆头复位机构带动吸盘10恢复初始位置。动轴锁紧装置的摆动气缸2反向进气，带动上、下锁紧螺母松开动轴。机器人推压摆头，并由动轴复位装置引导动轴5恢复初始状态。
Claims (5)
1.一种被动式大摆角柔性定位固持装置，其特征在于：包括作动筒、在作动筒内转动和移动的动轴，以及安装在动轴顶端的摆头，摆头上设置吸盘，吸盘上设置辅助定位固持装置，摆头与吸盘之间设置摆头复位机构；所述作动筒上设置动轴锁紧装置，用于固定动轴位置；还包括动轴复位装置，用于动轴在非工作状态自动恢复初始位置。
2.如权利要求1所述被动式大摆角柔性定位固持装置，其特征在于：摆头复位机构包括短轴以及弹性部件，所述摆头上设置有两个突起结构，所述吸盘设置有一个突起结构，吸盘的突起结构设置在摆头的两个突起结构之间，突起结构上开设圆孔，短轴垂直设置在圆孔内，通过弹性部件固定短轴位置。
3.如权利要求1或2所述被动式大摆角柔性定位固持装置，其特征在于：所述动轴锁紧装置包括螺杆以及端盖，端盖卡设在螺杆两端，螺杆上套设上锁紧螺母，下锁紧螺母；还包括摆动气缸，该摆动气缸用于带动螺杆转动推动锁紧螺母，从而使得端盖运动锁紧或解锁动轴。
4.如权利要求3所述被动式大摆角柔性定位固持装置，其特征在于：所述辅助定位固持装置为至少3个带定位锥孔的螺栓。
5.如权利要求4所述被动式大摆角柔性定位固持装置，其特征在于：所述动轴复位装置包括上导向柱和下导向柱，下导向柱设置在作动筒上方，上导向柱设置在摆头下方。
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