CN102765088A

CN102765088A - 单侧柔性吸附式自动钻孔机器人

Info

Publication number: CN102765088A
Application number: CN2012102462364A
Authority: CN
Inventors: 袁培江; 余蕾斌; 公茂震; 邢宏文; 沈立恒; 马福存; 黄稳
Original assignee: Shanghai Aircraft Manufacturing Co Ltd; Beihang University
Current assignee: Shanghai Aircraft Manufacturing Co Ltd; Beihang University
Priority date: 2012-07-16
Filing date: 2012-07-16
Publication date: 2012-11-07
Anticipated expiration: 2032-07-16
Also published as: CN102765088B

Abstract

本发明提供了一种单侧柔性吸附式自动钻孔机器人，适用于飞机机翼、机身部位的钻孔、铰孔、锪窝等操作，可实现对钛合金(Ti)、复合材料(CPRF)等难加工材料的加工。其利用真空发生器提供的气源通过真空吸盘使机器人固定在预期的加工区域，柔性轨道可根据不同的曲率适应不同的加工曲面。根据钻模板实现钻孔的定位和钻头垂直度的调节。机器人主轴采用气动主轴，结合超声振动加工技术提高了加工的质量和效率，降低了加工难度。在制孔过程中可以实时的进行进给方向的电流检测，实现对加工过程的保护和精确控制。

Description

单侧柔性吸附式自动钻孔机器人

技术领域

本发明一般涉及自动制孔技术和机器人技术，更具体地说，本发明涉及振动制孔技术、带有单侧柔性轨道的制孔机器人和钻模自动定位和调姿系统。

背景技术

现代飞机的安全使用寿命要求日益提高，干线飞机寿命分别要求达到50000飞行小时以上，世界上许多先进的飞机的疲劳寿命已经达到80000飞行小时，而现在飞机结构采用的主要连接方法是机械连接，一架大型飞机上大约有150～200万个连接孔，飞机所承载荷通过连接部位传递，形成连接处应力集中。据统计，而飞机机体疲劳失效事故的70％是源于结构连接部位，其中80％的疲劳裂纹产生于连接孔处，因此连接质量极大地影响着飞机的寿命，而手工铆接难以保证寿命要求，在飞机的装配过程中会导致机构连接的不稳定，为满足现代飞机高寿命的要求需要使用先进的自动化制孔设备来提高连接孔的质量。

在现代飞机的设计中，为了增加飞机结构的强度，提高疲劳寿命，同时减轻飞机的重量，采用了大量的钛合金结构、高温合金和复合材料结构。由于这些材料的使用工作时的钻孔噪音和后座力大幅度增加，使得工人难以忍受，因此要想使现代的大型飞机达到高的安全指标，就必须大量采用先进的自动化钻孔技术。国外先进的飞机制造商广泛采用自动化制孔和装配技术，大大提高了机体结构的疲劳寿命。而在我国大飞机制造中存在着诸多问题：自动化程度低，连接孔加工速度慢，可靠性差；精度低；智能化程度低，飞机装配制孔多依赖于手动工具制孔，总体精度水平为H9，国际已达到H8，严重制约了抗疲劳性和安全使用寿命。我国飞机的质量稳定性较差且效率低，与国外存在较大差距，原因在于我国装配制孔的工艺与装备技术水平较低。

机器人技术已经在航空制造领域逐步开始应用，目前在自动制孔方面已有成熟产品出现。如F-16、F-22、F-2和T-50等飞机的垂尾壁板，C-130飞机的梁腹板，波音F/A-18E/F超级大黄蜂后沿襟翼F-35飞机机翼上壁板，波音B-747、C-17等飞机的机舱地板，A380机翼壁板等均采用了机器人自动制孔技术。被加工材料涉及钛合金、铝合金、碳纤维复合材料等。工业机器人在航空制造领域的应用将会是今后的一个发展趋势。

本发明结合国情和国际的机器人发展趋势，基于微力精密超声加工技术和机器人制孔技术，建立超声振动机器人制孔柔性系统，为装配制孔“H8工程”提供精确加工平台。

发明内容

一种单侧柔性吸附式自动钻孔机器人，其特征在于：该机器人包括：柔性轨道组件、XY-移动载体组件、X-运动驱动组件、执行器进给模块、主轴组件、定位组件和气源组件。

优选地，所述柔性轨道组件包括：柔性轨道、转换立柱、真空吸盘、导气换向管、90度连接气管、过滤干燥器；

工作时，在起源供气情况下，柔性轨道可很据被加工曲面的曲率自适应于工件表面，其牢固的吸附在工件上，为机器人在X方向上运动和末端执行器提供一个坚实的平台。

优选地，所述XY-移动载体组件包括：滚轮底座、滚轮、滚轮偏心轴、Y轨道挡块、直线滑轨、滑块；

XY-移动载体组件固定有X-运动驱动组件，为末端执行器在Y方向上运动提供一个运动平台，并且XY-移动载体组件可以沿柔性轨道滑动，实现不同位置的制孔作业。

优选地，所述X-运动驱动组件包括：驱动电机、减速器、齿轮轴承座扣盖、从动轴承座、滚动轴承、传动轴、齿轮、传动轴压盖；

X-运动驱动组件由电机提供动力，经减速器和传动轴将动力传递给齿轮，X-运动驱动组件和柔性轨道之间通过齿轮齿条传动方式实现X方向的精确移动。

优选地，所述执行器进给模块包括：顶座、带轮、传动轴承、导轮心轴、丝杠固定顶座、滚珠丝杠、丝杠螺母、转接板、底座、丝杠固定底座、进给电机、同步带；

进给电机固定在顶座上提供动力，同步带绕过带轮和传动轴承，实现传动作用，并且保证第一滚珠丝杠和第二滚珠丝杠的同步转动；两个滚珠丝杠平行配合，将旋转运动转换为直线运动；通过丝杠螺母上固定的转接板带动主轴制孔。

优选地，所述主轴组件包括：气动马达、球铰、球铰外壳、主轴固定座、挡套、滑环、紧固连接法兰、前罩、超声换能器、陶瓷片、主轴体、刀具、定位套；

主轴通过气动马达提供制孔动力，同时超生源发生器发射超声波经超声换能器转换成高频振动辅助制孔。结合超声振动制孔技术孔的加工质量得到大大的提高，也降低了难加工材料的加工难度。球铰使主轴沿其中心点自由转动，可实现主轴末端姿态的调整(垂直度)。

优选地，所述定位组件包括：钻模板和钻模导轨定位连接块；

钻模导轨定位连接块可实现连接钻模板和柔性导轨及固定钻模板的作用；钻模板起到定位和保证垂直度的作用。

优选地，所述气源组件包括：高压气泵和导气管；

高压气泵提供起源经过导气管将气输送给柔性导轨，利用导气换向管的换向作用使真空吸盘可以吸附在工件表面上。

本发明融合了机器人制孔技术和超声振动加工技术，提供了一种带有多脚柔性轨道加工平台，利用钻模板进行定位和保证制孔的垂直度，大大地提高工质量，也降低了难加工材料的加工难度。

附图说明

图1是本发明单侧柔性吸附式自动钻孔机器人的整体结构图。

图2是本发明单侧柔性吸附式自动钻孔机器人整体结构的背视图。

图3是本发明单侧柔性吸附式自动钻孔机器人柔性轨道的近视图和真空吸盘的局部视图，图中拆除了除柔性轨道外的机器人本体结构。

图4是本发明单侧柔性吸附式自动钻孔机器人的XY-移动载体结构图，其中包含X方向运动驱动结构的爆炸图。

图5是本发明单侧柔性吸附式自动钻孔机器人的末端执行器进给模块的结构。

图6是本发明单侧柔性吸附式自动钻孔机器人的同步带传动图。

图7是本发明单侧柔性吸附式自动钻孔机器人的末端执行器主轴模块的结构。

图中：

1 柔性轨道组件 11 柔性轨道 12 转换立柱

13 真空吸盘 14 导气换向管 15 90 度连接气管

16 过滤干燥器

2XY-移动载体组件 21 滚轮底座 22 滚轮

23 滚轮偏心轴 24Y 轨道挡块 25 直线滑轨

26 滑块

3X-运动驱动组件 31 驱动电机 32 减速器

33 齿轮轴承座扣盖 34 从动轴承座 35 滚动轴承

36传动轴 37 齿轮 38 传动轴压盖

4 执行器进给模块 41 顶座 42 带轮

43 传动轴承 44 导轮心轴 45 丝杠固定顶座

46 滚珠丝杠 47 杠螺母 48 转接板

49 底座 410 丝杠固定底座 411 进给电机

412 同步带

5 主轴组件 51 气动马达 52 球铰

53 球铰外壳 54 主轴固定座 55 挡套

56 滑环 57 紧固连接法兰 58 前罩

59 超声换能器 510 陶瓷片 511 主轴体

512 刀具 513 定位套

6 定位组件 61 钻模板 62 钻模导轨定位连接块

7气源组件 71 高压气泵 72 导气管

具体实施方式

下面将结合附图对本发明做进一步的详细说明。

参加图1和图2所示，本发明由柔性轨道组件1、XY-移动载体组件2、X-运动驱动组件3、执行器进给模块4、主轴组件5、定位组件6和气源组件7七部分组成。

参见图1所示，高压气泵71提供高压气源，其产生的高压气经过导气管72输送给柔性轨道组件1中的真空吸盘13，其中导气管72两端连接高压气泵71和导气换向管14，通过导气换向管14对气流流速的控制使真空吸盘能吸附在工件表面上。高压气经导气换向管后再经过滤干燥器16过滤和干燥处理进入真空吸盘。

参见图3所示，柔性轨道11上面带有齿，由于轨道是柔性的，其曲率半径可在5m～7m之间随具体情况而改变，所以柔性轨道也可以看做是一个可弯曲的齿条，和齿轮37形成齿轮齿条传动实现机器人X方向的移动。柔性轨道上安装有16个真空吸盘13，真空吸盘通过转换立柱12固定在柔性轨道上，每个吸盘可提供500N的吸附力，足以使机器人牢固的吸附在工件表面。每一组吸盘之间由90度连接气管经导气管连接，这样就使柔性轨道组件1成为了一个整体，为机器人提供了一个坚实的轨道基础。每个真空吸盘都安装着两个转换立柱12与柔性轨道连接，90度连接气管15、导气换向管14和过滤干燥器16都固定在真空吸盘的背面。

参见图4所示，XY-移动载体组件2中有四个滚轮22-A～D，这些滚轮与柔性轨道两端接触，可以沿着轨道滑行，四个滚轮通过滚轮偏心轴23-A～D固定在滚轮底座21上。除此之外，在滚轮底座还固定着两个直线滑轨25-A～B，与之相配合的是两个滑块26-A～B，在直线滑轨的两端分别有一个Y轨道挡块24-A、24-D和24-B、24-C，这些挡块起到限制Y方向运动和保护作用。

参见图4所示，X-运动驱动组件3也是固定在滚轮底座21上。X-运动驱动组件包括：驱动电机31、减速器32、齿轮轴承座扣盖33、从动轴承座34、滚动轴承35-A～B、传动轴36、齿轮37、传动轴压盖38。驱动电机31提供旋转运动经减速器32减速，由传动轴36将旋转运动传递给齿轮37。从动轴承座34内部装有两个相同的滚动轴承35-A～B，传动轴穿过滚动轴承和齿轮之间通过键连接，其键连接端由传动轴压盖38固定，另一端由齿轮轴承座扣盖33固定，同时减速器也固定在齿轮轴承座扣盖上。驱动电机工作时，传动轴会带动齿轮转动，通过齿轮齿条传动，实现X方向的移动。

X-运动驱动组件3，驱动电机采用奥地利贝加莱公司的型号为8LVA13的交流伺服电机，其额定功率为100W，转速为3000r/min，额定转速下扭矩达到0.34Nm的转矩；减速器选用贝加莱公司型号为GP30-00006的配套减速器，其减速比是25∶1；滚动轴承选用标准件GB276-94的滚动轴承6005，其尺寸为外直径47mm内直径25mm厚度12mm。

参见图5和图6所示，执行器进给模块4包括：顶座41、带轮42-A～C、传动轴承43-A～L、导轮心轴44-A～F、丝杠固定顶座45-A～B、滚珠丝杠46-A～B、丝杠螺母47-A～B、转接板48、底座49、丝杠固定底座410-A～B、进给电机411、同步带412。

参见图5和图6所示，进给电机411固定在顶座41上，进给电机411的输出轴与带轮42-A连接。传动轴承43-A和传动轴承43-B安装在导轮心轴44-A上；传动轴承43-C和传动轴承43-D安装在导轮心轴44-B上；传动轴承43-E和传动轴承43-F安装在导轮心轴44-C上；传动轴承43-G和传动轴承43-H安装在导轮心轴44-D上；传动轴承43-I和传动轴承43-J安装在导轮心轴44-E上；传动轴承43-K和传动轴承43-L安装在导轮心轴44-F上，这些导轮心轴与轴承组合后安装在顶座41上。滚珠丝杠46-A穿过丝杠固定顶座45-A，丝杠的上输出端与带轮42-B连接。同样，滚珠丝杠46-B穿过丝杠固定顶座45-B，丝杠的上输出端与带轮42-C连接。同步带412绕过带轮42-A～C和轴承43-A～L，实现传动作用，并且保证滚珠丝杠46-A和滚珠丝杠46-B的同步转动。丝杠螺母47-A和丝杠螺母47-B分别与滚珠丝杠46-A和滚珠丝杠46-B平行配合，将旋转运动转换为直线运动。丝杠螺母上还固定有运动转接板48，使其带动主轴钻孔。滚珠丝杠的下端通过丝杠固定底座410-A和丝杠固定底座410-B与底座49连接，实现执行器进给模块4可沿Y方向移动。

执行器进给模块4中，丝杠驱动电机采用奥地利贝加莱公司的型号为8LSA34的交流伺服电机，其额定功率为440W，转速为2200r/min，额定转速下扭矩达到1.5Nm的转矩；滚珠丝杠112A～B采用台湾HIWIN的型号为R20-5T3-FSI-393-0.05的滚珠丝杆，外径为20mm，导程为5mm，全长为200mm，精度为0.05mm；与滚珠丝杠配套的丝杠螺母111A～B型号为R20-5T3-FSI-0.05。

参见图7所示，主轴组件5包括：气动马达51、球铰52、球铰外壳53、主轴固定座54、挡套55、滑环56、紧固连接法兰57、前罩58、超声换能器59、陶瓷片510-A～B、主轴体511、刀具512、定位套513。

参加图7所示，气动马达51外部套一个球铰52，球铰外面是球铰外壳53，然后球铰外壳固定在主轴固定座54上，气动马达的末端固定在紧固连接法兰57上，紧固连接法兰外面安装着挡套55。轴的输出端和主轴体511连接，主轴体511的顶端外部套着超声换能器59，当超声源发生器工作时，其发射的超声波就会被超声换能器59将超声换能器转换成高频振动辅助制孔。超声换能器59和主轴体511之间的缝隙由陶瓷片510-A和510-B填充。超声换能器和主轴体外部是前罩58，起保护作用。主轴体511的底端安装着刀具512，定位套513的作用是保证刀具转动时的同轴度。

参加图1和图2所示，定位组件包括：钻模板61和钻模导轨定位连接块62。

参加图1和图2所示，钻模导轨定位连接块62可实现连接钻模板61和柔性导轨11及固定钻模板的作用；钻模板61起到定位和保证垂直度的作用。

以上所述仅为本发明的几种具体实施例，以上实施例仅用于对本发明的技术方案和发明构思做说明而非限制本发明的权利要求范围。凡本技术领域中技术人员在本专利的发明构思基础上结合现有技术，通过逻辑分析、推理或有限实验可以得到的其他技术方案，也应该被认为落在本发明的权利要求保护范围之内。

Claims

1.一种适用于飞机机翼、机身部位的钻孔、铰孔、锪窝等操作的单侧柔性吸附式自动钻孔机器人，其特征在于：该机器人包括：柔性轨道组件(1)、XY-移动载体组件(2)、X-运动驱动组件(3)、执行器进给模块(4)、主轴组件(5)、定位组件(6)和气源组件(7)。

2.根据权利要求1所述的单侧柔性吸附式自动钻孔机器人，其特征在于，所述柔性轨道组件(1)包括：柔性轨道(11)、转换立柱(12)、真空吸盘(13)、导气换向管(14)、90度连接气管(15)、过滤干燥器(16)。

3.根据权利要求2所述的单侧柔性吸附式自动钻孔机器人，其特征在于，柔性轨道(11)是一个可弯曲的齿条，其曲率半径的变化范围是5m～7m；柔性轨道上安装有16个真空吸盘(13)，真空吸盘通过转换立柱(12)固定在柔性轨道上，每个吸盘可提供500N的吸附力，足以使机器人牢固的吸附在工件表面；每一组吸盘之间由90度连接气管经导气管连接。

4.根据权利要求1所述的单例柔性吸附式自动钻孔机器人，其特征在于，所述XY-移动载体组件(2)包括：滚轮底座(21)、滚轮(22-A～D)、滚轮偏心轴(23-A～D)、Y轨道挡块(24-A～D)、直线滑轨(25-A～B)、滑块(26-A～B)。

5.根据权利要求4所述的单侧柔性吸附式自动钻孔机器人，其特征在于，四个滚轮(22-A～D)与柔性轨道两端接触，可以沿着轨道滑行，四个滚轮通过滚轮偏心轴(23-A～D)固定在滚轮底座(21)上；除此之外，在滚轮底座还固定着两个直线滑轨(25-A～B)，与之相配合的是两个滑块(26-A～B)，在直线滑轨的两端分别有一个Y轨道挡块(24-A、24-D和24-B、24-C)，这些挡块起到限制Y方向运动和保护作用。

6.根据权利要求1所述的单侧柔性吸附式自动钻孔机器人，其特征在于，所述X-运动驱动组件(3)包括：驱动电机(31)、减速器(32)、齿轮轴承座扣盖(33)、从动轴承座(34)、滚动轴承(35-A～B)、传动轴(36)、齿轮(37)、传动轴压盖(38)。

7.根据权利要求6所述的单侧柔性吸附式自动钻孔机器人，其特征在于，驱动电机(31)提供旋转运动经减速器(32)减速，由传动轴(36)将旋转运动传递给齿轮(37)；从动轴承座(34)内部装有两个相同的滚动轴承(35-A～B)，传动轴穿过滚动轴承和齿轮之间通过键连接，其键连接端由传动轴压盖(38)固定，另一端由齿轮轴承座扣盖(33)固定，同时减速器也固定在齿轮轴承座扣盖上；驱动电机工作时，传动轴会带动齿轮转动，通过齿轮齿条传动，实现X方向的移动。

8.根据权利要求1所述的单侧柔性吸附式自动钻孔机器人，其特征在于，所述执行器进给模块(4)包括：顶座(41)、带轮(42-A～C)、传动轴承(43-A～L)、导轮心轴(44-A～F)、丝杠固定顶座(45)、滚珠丝杠(46-A～B)、丝杠螺母(47-A～B)、转接板(48)、底座(49)、丝杠固定底座(410-A～B)、进给电机(411)、同步带(412)。

9.根据权利要求8所述的单侧柔性吸附式自动钻孔机器人，其特征在于，进给电机(411)固定在顶座(41)上，进给电机(411)的输出轴与带轮(42-A)连接；传动轴承(43-A)和传动轴承(43-B)安装在导轮心轴(44-A)上；传动轴承(43-C)和传动轴承(43-D)安装在导轮心轴(44-B)上；传动轴承(43-E)和传动轴承(43-F)安装在导轮心轴(44-C)上；传动轴承(43-G)和传动轴承(43-H)安装在导轮心轴(44-D)上；传动轴承(43-I)和传动轴承(43-J)安装在导轮心轴(44-E)上；传动轴承(43-K)和传动轴承(43-L)安装在导轮心轴(44-F)上，这些导轮心轴与轴承组合后安装在顶座(41)上；滚珠丝杠(46-A)穿过丝杠固定顶座(45-A)，丝杠的上输出端与带轮(42-B)连接；同样，滚珠丝杠(46-B)穿过丝杠固定顶座(45-B)，丝杠的上输出端与带轮(42-C)连接；同步带(412)绕过带轮(42-A～C)和轴承(43-A～L)，实现传动作用，并且保证滚珠丝杠(46-A)和滚珠丝杠(46-B)的同步转动；丝杠螺母(47-A)和丝杠螺母(47-B)分别与滚珠丝杠(46-A)和滚珠丝杠(46-B)平行配合，将旋转运动转换为直线运动；丝杠螺母上还固定有运动转接板(48)，使其带动主轴钻孔；滚珠丝杠的下端通过丝杠固定底座(410-A)和丝杠固定底座(410-B)与底座(49)连接，实现执行器进给模块(4)可沿Y方向移动。

10.根据权利要求1所述的单侧柔性吸附式自动钻孔机器人，其特征在于，所述主轴组件(5)包括：气动马达(51)、球铰(52)、球铰外壳(53)、主轴固定座(54)、挡套(55)、滑环(56)、紧固连接法兰(57)、前罩(58)、超声换能器(59)、陶瓷片(510-A～B)、主轴体(511)、刀具(512)、定位套(513)。

11.根据权利要求10所述的单侧柔性吸附式自动钻孔机器人，其特征在于，气动马达(51)外部套一个球铰(52)，球铰外面是球铰外壳(53)，然后球铰外壳固定在主轴固定座(54)上，气动马达的末端固定在紧固连接法兰(57)上，紧固连接法兰外面安装着挡套(55)；轴的输出端和主轴体(511)连接，主轴体(511)的顶端外部套着超声换能器(59)，当超生源发生器工作时，其发射的超声波就会被超声换能器(59)将超声换能器转换成高频振动辅助制孔；超声换能器(59)和主轴体(511)之间的缝隙由陶瓷片(510-A、510-B)填充；超声换能器和主轴体外部是前罩(58)，起保护作用；主轴体(511)的底端安装着刀具(512)，定位套(513)的作用是保证刀具转动时的同轴度。

12.根据权利要求1所述的单侧柔性吸附式自动钻孔机器人，其特征在于，所述定位组件(6)包括：钻模板(61)和钻模导轨定位连接块(62) 。

13.根据权利要求12所述的单侧柔性吸附式自动钻孔机器人，其特征在于，钻模导轨定位连接块(62)可实现连接钻模板(61)和柔性导轨(11)及固定钻模板的作用；钻模板起到定位和保证垂直度的作用。

14.根据权利要求1所述的单侧柔性吸附式自动钻孔机器人，其特征在于，所述气源组件(7)包括：高压气泵(71)和导气管(72)。

15.根据权利要求14所述的单侧柔性吸附式自动钻孔机器人，其特征在于，高压气泵(71)提供高压起源，其产生的高压气经过导气管(72)输送给柔性轨道组件(1)中的真空吸盘(13)，其中导气管(72)两端连接高压气泵(71)和导气换向管(14)，通过导气换向管(14)对气流流速的控制使真空吸盘能吸附在工件表面上；高压气经导气换向管后再经过滤干燥器(16)过滤和干燥处理进入真空吸盘。

16.根据权利要求1所述的单侧柔性吸附式自动钻孔机器人，其特征在于，单侧柔性吸附式自动钻孔机器人结合了工业机器人技术和超声振动加工技术。