CN102756138A - 一种飞机壁板高精度制孔装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种飞机壁板高精度制孔装置及其方法，主轴模块用于电主轴沿制孔轴线的进给，进给模块用于保证主轴模块和压力脚法向调平模块沿制孔轴向移动并为压力脚压紧壁板提供压力，压力脚法向调平模块用于保证制孔过程中壁板的稳定，进给模块和光栅尺模块配合工作，实现制孔进给位移的精确控制，视觉找正模块与控制系统形成闭环反馈回路，可以实时测量、反馈制孔主轴在壁板面上的投影点与实际制孔点的位置偏移误差，通过闭环系统予以修正，保证制孔的位置精度在公差要求范围之内。本发明使孔的位置精度、表面粗糙度，尺寸精度可以很好的符合设计要求，同时制孔过程不会出现歪孔、斜孔，制孔区域温度保持正常工作温度且排屑正常。

Description

一种飞机壁板高精度制孔装置及其方法

技术领域

本发明属于飞机壁板自动化制孔领域，具体来说是指一种适用于飞机大型壁板高精度钻孔和锪窝的自动化制孔系统。

背景技术

壁板自动化制孔技术是基于产品数字化和自动化的一项技术，也是航空制造中最先进的加工技术之一，其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，使制造技术可以将加工误差控制在微小的范围之内，同时使精密制造或装配成为可能。

目前，壁板自动化制孔系统已经在飞机、汽车等制造领域被逐渐应用。专利CN101417348A发明了一种钻孔末端执行器，该末端执行器采用电机驱动，同步带轮传动，可以应用不同的切削参数加工层压材料、双金属材料或由不同材料组成的工件；可实时力反馈，用于检测刀具的磨损状况；与传统制孔手段相比大大提高了制孔质量；由于该专利在制孔位置度和制孔轴线垂直度检测及补偿部分还有不足，会影响最终的制孔质量。专利CN 102091799A发明了一种适用于曲面自动制孔的末端执行器，该末端执行器可以实现法向可调、压紧力准确可控等功能，很大程度上解决了制孔中偏孔和斜孔的难题，较大的提高了制孔质量；但该发明在孔的位置精度控制以及孔的表面质量控制方面还有待改进，因此制孔质量还有进一步提高的空间。

发明内容

为了克服现有技术的不足，本发明提供一种飞机壁板自动化精密制孔装置，用于飞机壁板连接孔的精确制备，使孔的位置精度、表面粗糙度，尺寸精度可以很好的符合设计要求，同时制孔过程不会出现歪孔、斜孔，制孔区域温度保持正常工作温度且排屑正常。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括主轴模块、进给模块、压力脚法向调平模块、视觉找正模块、光栅尺模块和吸尘及冷却模块。

所述主轴模块包括电主轴、钻锪一体刀具、导轨、丝杠、行程开关和电机；其中，电主轴通过刀柄同轴连接钻锪一体刀具，导轨和丝杠沿制孔轴向安装于主轴系统支撑板上，导轨的端面和侧面分别安装挡块，滑块沿导轨滑动并连接电主轴，电机轴通过联轴器与丝杠同轴连接，丝母座连接电主轴，带动电主轴沿制孔轴向移动；电主轴上安装有行程开关触头，导轨两侧安装有行程开关，丝杠两端分别安装硬限位块，限制丝母座移动的极限位置，从而控制电主轴的移动行程；

所述进给模块包括丝杠、导轨、电机、进给模块支撑板、行程开关和法兰盘；其中，丝杠和导轨安装于进给模块支撑板上，导轨的端面和侧面分别安装挡块，滑块沿导轨滑动，丝杠与电机通过联轴器连接，滑块和丝母座均与主轴系统支撑板相连，带动主轴模块沿制孔方向移动；导轨两侧安装有行程开关，丝杠两端分别安装硬限位块，限制丝母座移动的极限位置；法兰盘安装于进给模块支撑板下表面；

所述压力脚法向调平模块包括四个电涡流传感器、压力脚、四个力传感器、压力脚支架和电涡流传感器安装板；其中，四个电涡流传感器均布在压力脚周围，分别通过电涡流传感器安装板安装于压力脚支架上；四个力传感器均布在压力脚周围，安装在压力脚和压力脚支架之间；压力脚支架连接主轴系统支撑板。

所述视觉找正模块包括视觉摄像机和光源；其中，视觉摄像机和光源均安装于主轴系统支撑板上，且视觉摄像机能够沿沿制孔轴向移动，光源中心与视觉摄像机中心线在同一轴线；

所述光栅尺模块包括进给模块光栅尺模块和主轴模块光栅尺模块，均包括光栅尺和读数头，通过读数头相对于光栅尺的相对运动实现测量；其中，主轴模块光栅尺模块的读数头连接电主轴滑块连接板，光栅尺安装于主轴系统支撑板；进给模块光栅尺模块的读数头连接主轴系统支撑板，光栅尺安装于进给模块支撑板；

所述吸尘及冷却模块包括吸尘管道接头和冷却管道接头，相对安装在钻锪一体刀具周边。

本发明还提供上述装置的控制方法，包括以下步骤：

1)将装置移动到壁板定位孔或定位钉区域，利用视觉摄像机的测量数据，控制主轴模块和进给模块移动，使定位孔或定位钉位于视觉摄像机的视野中间位置；

2)四个电涡流传感器开始同时工作，测量出各自到壁板的距离，控制主轴模块和进给模块调整位姿，使主轴轴线与定位孔或定位钉位置重合，记录此时视觉摄像机和电涡流传感器的数据，并将其作为第一组数据；

3)将装置移动到壁板的下一个定位孔或定位钉的位置，重复步骤1)和2），记录第二组数据，对第一组数据和第二组数据利用插值算法，计算出两个定位孔或定位钉之间所有待制孔的孔位；

4)进给模块开始带动主轴模块和压力脚法向调平模块进行进给，进给过程中四个力传感器实时检测压力脚压紧壁板的压力，当压紧壁板的压力达到设定最佳值时，进给模块电机锁死，压力脚压紧壁板压力维持恒定不变；

5)主轴模块带动电主轴实现钻头的轴向进给，该过程中主轴光栅尺模块开始工作，记录电主轴进给量，保证制孔和锪窝深度达到给定精度要求；同时通过调整电主轴转速实现刀具转速调节，使整个设备处于最佳工作参数之下，保证制孔的表面质量；

6)在步骤5）开始时，打开吸尘和冷却装置，降低制孔区域的温度和吸收制孔形成的切屑和粉尘，保证加工质量；

7)重复上述步骤，实现下一个孔的制备。

本发明的有益效果是：视觉找正模块可以准确找寻定位孔和定位钉的位置，在两个定位孔或定位钉之间采用插值算法，保证所有待制备孔的位置精度。

压力脚法向调平模块与控制系统形成闭环反馈回路，通过调整制孔设备姿态可使制孔主轴轴线与壁板法线重合，使制孔不出现偏孔或斜孔。

进给模块进给时，四个力传感器实时监测压力脚压紧壁板的压力，保证压力脚压紧壁板的压紧力达到最佳工艺参数。

调节电主轴转速改变刀具转速，从而保证制孔表面质量；同时，根据制孔类型和制孔大小可以快速更换钻锪一体刀具，使用方便。

附图说明

图1是自动化制孔设备的整体结构图；

图2是自动化制孔设备主轴模块结构图；

图3是自动化制孔设备电主轴结构图；

图4是电主轴滑块连接板；

图5是主轴系统支撑板；

图6是丝杠、联轴器、电机安装轴承座；

图7是自动化制孔设备进给模块结构图；

图8是进给模块支撑板；

图9是自动化制孔设备硬限位块和联轴器外形图；

图10是自动化制孔设备压力脚法向调平模块结构图；

图11是自动化制孔设备视觉找正模块结构图；

图12是自动化制孔设备光栅尺模块结构图；

图13是进给模块光栅尺；

图14是主轴模块光栅尺；

图中：

主轴模块1：电主轴1001、刀柄1002、钻锪一体刀具1003、导轨及附件1004、丝杠及附件1005、主轴系统支撑板1006、端面挡块1007、侧面挡块1008、滑块1009、行程开关过渡板1010、行程开关支架1011、行程开关1012、行程开关触头1013、电主轴滑块连接板1014、电机1015、联轴器1016、硬限位块1017，

进给模块2：丝杠及附件2001、导轨侧面挡块2002、导轨及附件2003、滑块2004、联轴器2005、电机2006、导轨端面挡块2007、支撑板2008、行程开关2009、法兰盘2010、导轨端面挡块2011、硬限位快2012，

压力脚法向调平模块3：电涡流传感器3001、压力脚3002、力传感器3003、压力脚支架3004、电涡流传感器安装板3005，

视觉找正模块4：视觉摄像机4001、视觉摄像机安装支架4002、视觉摄像机过渡板4003、光源过渡板4004、光源安装支架4005、光源4006，

光栅尺模块5：光栅尺5001、读数头5002、光栅尺过渡板5003，

吸尘冷却模块6：吸尘管道接头6001、冷却管道接头6002。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：包括主轴模块、进给模块、压力脚法向调平模块、视觉找正模块、光栅尺模块和吸尘及冷却模块。各部分结构及安装位置如图1所示。

其中，主轴模块1主要用于电主轴沿制孔轴线的进给，电主轴连接板和主轴支撑板的合理设计与精加工保证了电主轴、刀柄、刀具的同轴度以及径向跳动，同时保证制孔的孔径公差在设计要求的范围之内；进给模块2用于保证主轴模块1和压力脚法向调平模块3沿制孔轴向移动并为压力脚压紧壁板提供压力；压力脚法向调平模块3用于保证制孔过程中壁板的稳定，同时保证压力脚压紧面与制孔轴线的垂直度在公差要求范围之内；进给模块2和光栅尺模块5配合工作，实现制孔进给位移的精确控制，保证锪窝精度在公差要求范围之内。视觉找正模块4与控制系统形成闭环反馈回路，可以实时测量、反馈制孔主轴在壁板面上的投影点与实际制孔点的位置偏移误差，通过闭环系统予以修正，保证制孔的位置精度在公差要求范围之内。

所述主轴模块包括电主轴1001、刀柄1002、钻锪一体刀具1003、导轨及附件1004、丝杠及附件1005、主轴系统支撑板1006、四个导轨端面挡块1007、四个导轨侧面挡块1008、四个滑块1009、行程开关过渡板1010、行程开关支架1011、行程开关1012、四个行程开关触头1013、电主轴滑块连接板1014、电机1015、联轴器1016和两个硬限位块1017。其中，导轨及附件1004、丝杠及附件1005通过螺钉安装于主轴系统支撑板1006，为了保证电机轴与丝杠的同轴度，将联轴器1016安装于自制轴承座内部；导轨的端面挡块和侧面挡块，可以保证滑块安装的安全性同时限定导轨在工作中的微小移动；滑块1009利用螺钉安装于电主轴滑块连接板1014，丝母座通过四个内六角沉头螺钉安装于电主轴滑块连接板1014，实现主轴模块动力传动系统与电主轴的连接，带动电主轴沿制孔轴向移动；行程开关触头通过螺钉安装于电主轴滑块连接板1014；行程开关1012利用四个螺钉安装于行程开关支架1011，行程开关支架1011利用螺钉连接于行程开关过渡板1010，该模块利用行程开关控制电主轴的移动行程，起软件保护作用；两个硬限位块限制丝母座移动的极限位置，防止在移动中与前后轴承座碰撞，起到硬件保护的作用；行程开关和硬限位块的联合作用给电主轴的移动进行了双重保护。

所述进给模块包括传动丝杠及附件2001、四个导轨侧面挡块2002、导轨及附件2003、滑块2004、联轴器2005、电机2006、2导轨端面挡块2007、进给模块支撑板2008、行程开关2009、法兰盘2010、两个导轨端面挡块2011和两个硬限位块2012。其中，丝杠及附件2001、四个导轨侧面挡块2002、导轨及附件2003、两个导轨端面挡块2007以及行程开关2009通过不同规格的螺钉安装于进给模块支撑板2008。法兰盘2010通过六个内六角螺钉安装于进给模块支撑板2008。丝杠与电机通过联轴器2005连接。整个模块中滑块、丝母座与主轴系统支撑板1006通过螺钉相连，实现进给模块2与主轴模块1的连接。进给模块中丝杠及滑块的移动带动整个主轴模块1沿制孔方向移动，使压力脚在制孔过程中可以移动到壁板并压紧壁板，该过程的移动参数通过控制电机的转速实现；进给模块行程开关和硬限位与主轴模块安装方式和作用相同，这里不在重复。

所述压力脚法向调平模块包括四个电涡流传感器3001、压力脚3002、四个力传感器3003、压力脚支架3004、两个电涡流传感器安装板3005。其中，四个电涡流传感器3001利用自身的螺纹和螺母安装在电涡流传感器安装板3005上；电涡流传感器安装板3005利用螺钉安装于压力脚支架3004；四个力传感器3003采用四个螺钉安装在压力脚3002和压力脚支架3004之间；整个压力脚法向调平模块3通过四个螺钉和两个定位销与主轴系统支撑板1006连接，实现压力脚法向调平模块3与主轴模块1的连接。压力脚3002主要用于在制孔过程中稳定壁板，保证制孔处壁板的紧密贴合，从而提高制孔精度。四个力传感器3003安装于压力脚3002和压力脚支架3004之间，关于压力脚中心轴对称分布，可以实时检测压力脚压紧壁板的压力，从而精确控制进给模块2传动部件的移动。

所述视觉找正模块包括视觉摄像机4001、视觉摄像机安装支架4002、视觉摄像机过渡板4003、光源过渡板4004、光源安装支架4005、光源4006。其中，视觉摄像机4001通过四个螺钉安装于视觉摄像机安装支架4002；视觉摄像机安装支架4002通过两个螺栓和一个定位钉安装于视觉摄像机过渡板4003；光源4006采用四个螺钉安装于光源安装支架4005；光源安装支架4005通过两个螺栓连接于光源过渡板4004；视觉摄像机过渡板4003、光源过渡板4004均采用螺钉安装于主轴系统支撑板1006，实现视觉找正模块4与主轴模块1的连接。视觉摄像机过渡板4003与视觉摄像机安装支架4002连接处开孔为长条孔，保证安装时视觉摄像机可以前后微动，实现调距功能，使视觉摄像机处于最佳工作状态。光源过渡板4004与光源安装支架4005连接处开孔为长条孔，安装时可以实现光源中心与视觉摄像机中心线在同一轴线。视觉找正模块与控制系统形成反馈回路，保证制孔的位置公差在设计要求公差以内。

所述光栅尺模块由进给模块光栅尺模块和主轴模块光栅尺模块组成，每个光栅尺模块包括光栅尺5001、读数头5002、光栅尺过渡板5003。其中，光栅尺通过读数头相对于光栅尺的相对运动实现测量。主轴模块光栅尺其读数头5002通过两个螺钉与光栅尺连接过渡板5003相连；光栅尺连接过渡板5003利用两个螺钉安装于电主轴滑块连接板1014，光栅尺下缘通过三个螺钉和两个定位销安装于主轴系统支撑板1006，主轴系统支撑板1006和电主轴滑块连接板1014之间的相对运动即主轴模块的进给运动，因此该光栅尺可以精确控制主轴模块1的进给量；进给模块光栅尺，其读数头5002通过两个螺钉与光栅尺连接过渡板5003相连；光栅尺连接过渡板5003利用两个螺钉安装于主轴系统支撑板1006，光栅尺下缘通过三个螺钉和两个定位销安装于进给模块支撑板2008，主轴系统支撑板1006和进给模块支撑板2008之间的相对运动即进给模块2的进给运动，因此该光栅尺可以精确控制进给模块2的进给量。光栅尺与主轴模块和进给模块形成了误差检测反馈修正的闭环系统，可以很好的消除由滚珠丝杠温度特性导致的位置误差、反向间隙、滚珠丝杠螺距误差导致的运动特性误差，保证主轴模块和进给模块的高精度定位，从而保证锪窝精度在公差要求范围之内。

所述吸尘及冷却模块6包括冷却装置和吸尘装置，在制孔末端执器上对应用有吸尘管道接头6001和冷却管道接头6002。冷却装置在制孔时对钻头进行冷却，降低刀具温度、防止工件烧伤；吸尘装置在电主轴制孔的整个过程处于工作状态，主要用于对工作系统产生的金属屑等进行清洁，从而保证加工平面的清洁和加工精度。

方法实施例

例如：给定带曲度的飞机壁板进行较高精度制孔，具体实施步骤如下：

8)定位孔位置找寻：将设备移动到壁板定位孔或定位钉区域，利用视觉系统的拍照和记录功能，将测量数据反馈给控制系统从而控制设备移动，使定位孔或定位钉位于视觉系统视野的中间位置。

9)孔位找正：孔位找寻之后，四个法向传感器开始同时工作，测量出各自到壁板的距离，将测量数据反馈给控制系统，控制设备调整位姿，使主轴轴线与定位孔或定位钉位置重合，记录此时视觉系统和法向传感器的数据，并将其作为第一组数据。

10)将设备移动到壁板的下一个定位孔或定位钉的位置，重复1)和2）的步骤，记录第二组数据，对第一组数据和第二组数据利用插值算法，计算出两个定位孔或定位钉之间所有待制孔的孔位。

11)压力脚压紧：孔位找正后，进给模块开始带动主轴模块和压力脚法向调平模块进行进给，进给过程中四个力传感器实时检测压力脚压紧壁板的压力，当压紧壁板的压力达到设定最佳值时，进给模块电机锁死，压力脚压紧壁板压力维持恒定不变。

12)主轴制孔：压力脚稳定压紧壁板之后，主轴模块带动电主轴实现钻头的轴向进给，该过程中主轴光栅尺模块开始工作，记录电主轴进给量，保证制孔和锪窝深度达到给定精度要求；同时通过调整电主轴转速实现刀具转速调节，使整个设备处于最佳工作参数之下，保证制孔的表面质量。

13)冷却吸尘：在步骤5）开始时，打开吸尘和冷却装置，降低制孔区域的温度和吸收制孔形成的切屑和粉尘，保证加工质量。

14)重复上述步骤，实现下一个孔的制备。

Claims (2)

1.一种飞机壁板高精度制孔装置，包括主轴模块、进给模块、压力脚法向调平模块、视觉找正模块、光栅尺模块和吸尘及冷却模块，其特征在于：

所述主轴模块包括电主轴、钻锪一体刀具、导轨、丝杠、行程开关和电机；其中，电主轴通过刀柄同轴连接钻锪一体刀具，导轨和丝杠沿制孔轴向安装于主轴系统支撑板上，导轨的端面和侧面分别安装挡块，滑块沿导轨滑动并连接电主轴，电机轴通过联轴器与丝杠同轴连接，丝母座连接电主轴，带动电主轴沿制孔轴向移动；电主轴上安装有行程开关触头，导轨两侧安装有行程开关，丝杠两端分别安装硬限位块，限制丝母座移动的极限位置，从而控制电主轴的移动行程；

所述进给模块包括丝杠、导轨、电机、进给模块支撑板、行程开关和法兰盘；其中，丝杠和导轨安装于进给模块支撑板上，导轨的端面和侧面分别安装挡块，滑块沿导轨滑动，丝杠与电机通过联轴器连接，滑块和丝母座均与主轴系统支撑板相连，带动主轴模块沿制孔方向移动；导轨两侧安装有行程开关，丝杠两端分别安装硬限位块，限制丝母座移动的极限位置；法兰盘安装于进给模块支撑板下表面；

所述压力脚法向调平模块包括四个电涡流传感器、压力脚、四个力传感器、压力脚支架和电涡流传感器安装板；其中，四个电涡流传感器均布在压力脚周围，分别通过电涡流传感器安装板安装于压力脚支架上；四个力传感器均布在压力脚周围，安装在压力脚和压力脚支架之间；压力脚支架连接主轴系统支撑板；

所述视觉找正模块包括视觉摄像机和光源；其中，视觉摄像机和光源均安装于主轴系统支撑板上，且视觉摄像机能够沿沿制孔轴向移动，光源中心与视觉摄像机中心线在同一轴线；

所述光栅尺模块包括进给模块光栅尺模块和主轴模块光栅尺模块，均包括光栅尺和读数头，通过读数头相对于光栅尺的相对运动实现测量；其中，主轴模块光栅尺模块的读数头连接电主轴滑块连接板，光栅尺安装于主轴系统支撑板；进给模块光栅尺模块的读数头连接主轴系统支撑板，光栅尺安装于进给模块支撑板；

所述吸尘及冷却模块包括吸尘管道接头和冷却管道接头，相对安装在钻锪一体刀具周边。

2.一种利用权利要求1所述飞机壁板高精度制孔装置的控制方法，其特征在于包括下述步骤：

1)将装置移动到壁板定位孔或定位钉区域，利用视觉摄像机的测量数据，控制主轴模块和进给模块移动，使定位孔或定位钉位于视觉摄像机的视野中间位置；

2)四个电涡流传感器开始同时工作，测量出各自到壁板的距离，控制主轴模块和进给模块调整位姿，使主轴轴线与定位孔或定位钉位置重合，记录此时视觉摄像机和电涡流传感器的数据，并将其作为第一组数据；

3)将装置移动到壁板的下一个定位孔或定位钉的位置，重复步骤1)和2），记录第二组数据，对第一组数据和第二组数据利用插值算法，计算出两个定位孔或定位钉之间所有待制孔的孔位；

4)进给模块开始带动主轴模块和压力脚法向调平模块进行进给，进给过程中四个力传感器实时检测压力脚压紧壁板的压力，当压紧壁板的压力达到设定最佳值时，进给模块电机锁死，压力脚压紧壁板压力维持恒定不变；

5)主轴模块带动电主轴实现钻头的轴向进给，该过程中主轴光栅尺模块开始工作，记录电主轴进给量，保证制孔和锪窝深度达到给定精度要求；同时通过调整电主轴转速实现刀具转速调节，使整个设备处于最佳工作参数之下，保证制孔的表面质量；

6)在步骤5）开始时，打开吸尘和冷却装置，降低制孔区域的温度和吸收制孔形成的切屑和粉尘，保证加工质量；

7)重复上述步骤，实现下一个孔的制备。

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