CN103386455B - 大型筒段构件的整体铆接装置及其方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种大型筒段构件的整体铆接装置及其方法，该装置包括回转工作台、顶部可升降柔性装夹系统、送钉装置、压铆装置、左立柱、右立柱、上定位工装件、下定位工装件，至少一个工件的上端通过一个上定位工装件安装在顶部可升降柔性装夹系统上；工件的下端通过一个下定位工装件安装在回转工作台上，送钉装置位于左立柱上，压铆装置位于右立柱上。本发明可以精确地实现大型筒段工件的整体铆接，一旦设定好数控系统，即可自动完成所有铆接工作，无需人为干预，自动化程度高。本发明通用性强，可以应用于多种直径和多种高度薄壁筒段构件的整体铆接加工。

Description

大型筒段构件的整体铆接装置及其方法

技术领域

本发明涉及航空航天先进制造领域，特别是涉及一种大型筒段构件的整体铆接装置及其方法。

背景技术

运载火箭箭体舱段、飞机机身壳体等飞行器舱体由大型复杂板壳类薄壁零件和桁架结构两部分铆接而成。板壳类薄壁零件的特点是大型曲面、薄壁低刚性、结构复杂，这些特点造成加工中的定位装卡困难、加工工艺复杂、加工时间长、需要的设备庞大。

传统的飞行器舱体铆接采用手工钻铆、分片铆接等，存在以下不足：一、手工钻铆效率低，加工周期长。手工铆接之前需要进行划线、配钻、打孔等多道工序，辅以钻铆过程中的误差测量、调整，使工期大大延长。二、工艺分离。手工铆接无法满足定位、装卡、钻孔、送钉、铆接、误差纠正等一系列工艺的连续性；分片铆接在薄壁件的分片安装、铆接过程中，需要对各片薄壁件、整段舱体分别进行定位、装卡、误差纠正，这在一定程度上造成了工艺的重复、分离，延长生产周期、增加制造难度、难以满足精度要求。三、加工过程中工件的弱刚性。大型薄壁件的刚性低，加工过程中变形大，传统的手工钻铆和分片铆接属于局部铆接，因此难以对工件的整体变形有很好的控制。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是提供一种大型筒段构件的整体铆接装置及其方法，其提高加工效率、加工质量、节省人力。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：一种大型筒段构件的整体铆接装置，其特征在于，大型筒段构件的整体铆接装置包括回转工作台、顶部可升降柔性装夹系统、送钉装置、压铆装置、左立柱、右立柱、上定位工装件、下定位工装件、数控伺服柔性支撑系统和钻孔系统，至少一个工件的上端通过一个上定位工装件安装在顶部可升降柔性装夹系统上；工件的下端通过一个下定位工装件安装在回转工作台上，送钉装置位于左立柱上，压铆装置位于右立柱上，所述顶部可升降柔性装夹系统具有沿右立柱升降的功能，一个左滑鞍位于左立柱上，一个右滑鞍位于右立柱上，左滑鞍、右滑鞍可分别作纵向移动；一个左滑板位于左滑鞍上，一个右滑板位于右滑鞍上，左滑板、右滑板可分别作横向移动，钻孔系统位于左滑板上，钻孔系统完成铆接前的钻孔动作。

优选地，所述数控伺服柔性支撑系统由机械手组成，数控伺服柔性支撑系统对桁架中间框进行定位、支撑，机械手采用平行四边形机构。

本发明还提供一种大型筒段构件的整体铆接方法，该方法采用上述所述的大型筒段构件的整体铆接装置，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、至少一个桁架与上定位工装件定位连接；并在待铆薄壁构件上打定位孔，将其与桁架初步定位连接；

步骤二、将上定位工装件安装在顶部可升降柔性装夹系统上，桁架下端与回转工作台上的下定位工装件定位连接；

步骤三、通过调节顶部可升降柔性装夹系统，依靠上定位工装件调整工件圆度、平面度；通过调整上、下定位工装件的相对位置，调整桁架上下端框的扭转、同轴度，以及上下端框端面的平行度；数控伺服柔性支撑系统对桁架中间框进行定位、支撑；

步骤四、工件安装完毕，且满足加工过程中的刚性要求后，利用左滑板和右滑板横向移动将钻铆系统调整到适合工件直径位置；左滑鞍和右滑鞍纵向移动完成纵向钻铆，或配合工件旋转完成复合钻铆。

本发明的积极进步效果在于：

一、可用于大型薄壁筒段构件的整体铆接。工艺复合，保证加工对象的形状精度、位置精度，大大提升加工效率。

二、顶部可升降柔性装夹系统可以适应不同半径筒段构件的铆接，与上下定位工装件配合使用，既可以调整工件的圆度、平面度，还可以调整工件上下端的扭转度、同轴度、上下端面平行度，这在很大程度上满足了低刚性薄壁工件的安装、定位、调整。

三、数控伺服柔性支撑系统可以对工件中段低刚性部分进行定位、支撑。在铆接过程中，可以对单个或多个机械手进行伺服控制，从而有效避免其与铆接系统发生干涉。平行四边形结构的上、下机械手端部分别具有不同的回抽轨迹，能有效避免与工件发生干涉，防止破坏工件的定位、安装。

四、回转工作台与顶部可升降柔性装夹系统的同步转动。回转工作台与顶部可升降柔性装夹系统对工件两端的定位保证了薄壁工件在加工过程中的刚性，同步转动减小了大型筒段构件旋转扭转变形。

五、钻铆机构的自动送钉和静压对铆。自动送钉实现了该整体铆接装置的全自动化作业。与手工冲压铆接相比，静压对铆可以实现低噪声加工。

六、作为该铆接设备的一种扩展：内外铆接头可以调整角度，以适应锥形工件等非等直径工件的铆接。本发明整体铆接装置还可用于压模、切割、焊接等其它工艺的实现。

附图说明

图1为本发明大型筒段构件的整体铆接装置正面视图。

图2为本发明大型筒段构件的整体铆接装置俯视图。

图3为本发明的顶部可升降柔性装夹系统在伸展状态下的俯视图。

图4为本发明的顶部可升降柔性装夹系统在收缩状态下的俯视图。

图5为本发明的数控伺服柔性支撑系统的结构示意图。

图6为本发明的数控伺服柔性支撑系统的上机械手及其端部运动轨迹的示意图。

图7为本发明的数控伺服柔性支撑系统的下机械手及其端部运动轨迹的示意图。

图8为本发明的顶部可升降柔性装夹系统的支撑爪的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图给出本发明较佳实施例，以详细说明本发明的技术方案。

如图1至图5所示，本发明大型筒段构件的整体铆接装置主要包括回转工作台1、顶部可升降柔性装夹系统2、数控伺服柔性支撑系统13、送钉装置6、钻孔系统11、压铆装置10、左立柱3、左滑鞍4、左滑板5、右立柱7、右滑鞍8、右滑板9、上定位工装件14、下定位工装件15；至少一个工件12的上端通过一个上定位工装件14安装在顶部可升降柔性装夹系统2上；工件12的下端通过一个下定位工装件15安装在回转工作台1上。其中上定位工装件14与顶部可升降柔性装夹系统2配合，可用于调整工件圆度、平面度。通过调整上、下定位工装件的相对位置，可以调整桁架上下端框的扭转、同轴度，以及上下端框端面的平行度。钻孔系统11完成铆接前的钻孔动作，送钉装置6可将所需铆钉自动送入送钉装置，实现整个铆接过程的自动化。送钉装置6位于左立柱3上，且在伺服驱动下可沿左立柱3上下运动。压铆装置10位于右立柱7上，且在伺服驱动下可沿右立柱7上下运动。并且，在水平方向上可实现送钉装置6、压铆装置10的水平移动。钻孔系统11位于左滑板5上。

从图6、图7中可以看出，数控伺服柔性支撑系统13由铆接机顶盖下方、工作台上方分别配对安装的机械手组成。数控伺服柔性支撑系统13对桁架中间框进行定位、支撑。机械手采用平行四边形机构，其运动轨迹为圆弧形轨迹。图6中上机械手端部在工作位置时已越过圆弧的最低点，在撤回初始阶段，根据轨迹有一个向下回抽的过程，使机械手跟桁架不发生干涉。图7中下机械手端部在工作位置未达到圆弧最高点，根据轨迹撤回时是一个向下的过程，跟桁架不发生干涉。铆接过程中，通过数控系统控制机械手的伸展，从而避免机械手与铆接装置发生干涉，防止破坏工件的定位、安装。

所述顶部可升降柔性装夹系统2具有沿右立柱7升降的功能，以适应不同高度筒段构件的需求，所述顶部可升降柔性装夹系统2含多个径向伸缩的支撑爪，以适应不同直径筒段构件的需求，即满足不同直径的筒段工件装夹（如图3、图4所示）。同时，左滑鞍4位于左立柱3上，右滑鞍8位于右立柱7上，左滑鞍4、右滑鞍8可分别作纵向移动，使钻铆装置能够在工件的各个高度处进行钻孔、铆接。左滑板5位于左滑鞍4上，右滑板9位于右滑鞍8上，左滑板5、右滑板9可分别作横向移动，用以满足不同直径工件的加工需求。顶部柔性装夹系统2由伺服驱动，可绕筒段构件的中心轴线与回转工作台1做同步回转运动。

上定位工装件安装在桁架上方，与顶部可升降柔性装夹系统配合，如图8所示，可用于调整工件圆度、平面度。其中圆度的调整是通过向支撑爪的伸缩实现；平面度的调整是通过向支撑爪中的楔形调整装置实现。下定位工装件安装在桁架下方，同时被固定在工作台台面上。通过调整上下定位工装件的相对位置，可以调整桁架上下端框的扭转、同轴度，以及上下端框端面的平行度。

进一步地，大型筒段铆接装备根据加工方式的不同分为两种：一种是工件旋转，如图1所示，利用回转工作台与顶部可升降柔性装夹系统的同步转动，实现工件旋转；另一种是工件固定，铆接装置作同步圆周运动，如图5所示。

通过上面描述的大型筒段构件的整体铆接装置可以独立的完成对大型筒段构件的整体铆接。本发明大型筒段构件的整体铆接方法包括以下步骤：

步骤一、至少一个桁架与上定位工装件14定位连接；并在待铆薄壁构件（蒙皮）上打定位孔，将其与桁架初步定位连接；

步骤二、将上定位工装件安装在顶部可升降柔性装夹系统2上，桁架下端与回转工作台1上的下定位工装件15定位连接；

步骤三、通过调节顶部可升降柔性装夹系统2，依靠上定位工装件14调整工件圆度、平面度；通过调整上、下定位工装件的相对位置，调整桁架上下端框的扭转、同轴度，以及上下端框端面的平行度；数控伺服柔性支撑系统13对桁架中间框进行定位、支撑；

步骤四、工件安装完毕，且满足加工过程中的刚性要求后，利用左滑板和右滑板横向移动将钻铆系统调整到适合工件直径位置。左滑鞍和右滑鞍纵向移动完成纵向钻铆，或配合工件旋转（或钻铆系统同步圆周运动）完成复合钻铆。铆接过程中，通过数控系统控制机械手的伸展，可避免机械手与铆接装置发生干涉，防止破坏工件的定位、安装。

钻孔系统、顶部可升降柔性装夹系统2、数控伺服柔性支撑系统13和回转工作台1等均由编制的控制程序以及实时测量纠正系统控制。

本发明满足大型筒段桁架和薄壁件的数字化自动铆接成形加工，实现整体筒段的定位、装卡、钻孔、送钉、铆接、测量、误差纠正等工序的工艺复合和加工自动化。考虑到加工过程中工件的刚性要求，本发明还设计了上下定位工装和柔性机械手对工件进行支撑，用于工件定位和提高工件刚性，减小工件变形，以满足工件的形状精度、位置精度要求。同时，在加工过程中数控柔性机械手可以做到有效避让铆接装置。该铆接机采用数控伺服可升降柔性装夹系统，使之适应不同高度、不同直径的大型筒段构件，有效提高了设备利用率。本发明通过数控的柔性装卡方法及其装置可以对不同直径、不同高度的大型薄壁筒段进行定位装卡，实现大型薄壁筒段构件的自动矫形、自动空间对位和自动支撑。本发明可以精确地实现大型筒段工件的整体铆接，一旦设定好数控系统，即可完成钻孔、锪孔、自动送钉、铆钉夹持、伺服压铆全过程的自动化，无需人为干预，自动化程度高。本装置通用性强，可以应用于多种直径和多种高度薄壁筒段构件的自动化、可编程、整体铆接加工。

本发明通过数控系统、伺服驱动系统、精密传动装置和执行机构，可以精确地实现大型筒段工件的整体铆接，一旦设定好数控系统，即可完成钻孔、锪孔、自动送钉、铆钉夹持、伺服压铆全过程的自动化，无需人为干预，自动化程度高。可以应用于多种直径和多种高度薄壁筒段构件的自动化、可编程、整体铆接加工。

本发明通过对大型筒段桁架和薄壁件的数字化自动铆接成形加工，实现整体筒段的定位、装卡、钻孔、送钉、铆接、测量、误差纠正等工序的工艺复合和加工自动化。

本发明考虑了加工过程中工件的刚性要求，设计柔性装夹系统、上下定位工装和柔性机械手对工件进行支撑，用于工件定位和提高工件刚性，减小工件变形，以满足工件的形状精度、位置精度要求。同时，在加工过程中数控柔性机械手可以做到有效避让铆接装置。

本领域的技术人员可以对本发明进行各种改型和改变。因此，本发明覆盖了落入所附的权利要求书及其等同物的范围内的各种改型和改变。

Claims (3)

1.一种大型筒段构件的整体铆接装置，其特征在于，大型筒段构件的整体铆接装置包括回转工作台、顶部可升降柔性装夹系统、送钉装置、压铆装置、左立柱、右立柱、上定位工装件、下定位工装件、数控伺服柔性支撑系统和钻孔系统，至少一个工件的上端通过一个上定位工装件安装在顶部可升降柔性装夹系统上；工件的下端通过一个下定位工装件安装在回转工作台上，送钉装置位于左立柱上，压铆装置位于右立柱上，所述顶部可升降柔性装夹系统具有沿右立柱升降的功能，一个左滑鞍位于左立柱上，一个右滑鞍位于右立柱上，左滑鞍、右滑鞍可分别作纵向移动；一个左滑板位于左滑鞍上，一个右滑板位于右滑鞍上，左滑板、右滑板可分别作横向移动，所述钻孔系统位于左滑板上，钻孔系统完成铆接前的钻孔动作。

2.如权利要求1所述的大型筒段构件的整体铆接装置，其特征在于，所述数控伺服柔性支撑系统由机械手组成，数控伺服柔性支撑系统对桁架中间框进行定位、支撑，机械手采用平行四边形机构。

3.一种大型筒段构件的整体铆接方法，该方法采用上述权利要求1所述的大型筒段构件的整体铆接装置，其特征在于，该方法包括以下步骤：

步骤一、至少一个桁架与上定位工装件定位连接；并在待铆薄壁构件上打定位孔，将其与桁架初步定位连接；

步骤二、将上定位工装件安装在顶部可升降柔性装夹系统，桁架下端与回转工作台上的下定位工装件定位连接；

步骤三、通过调节顶部可升降柔性装夹系统，依靠上定位工装件调整工件圆度、平面度；通过调整上、下定位工装件的相对位置，调整桁架上下端框的扭转、同轴度，以及上下端框端面的平行度；数控伺服柔性支撑系统对桁架中间框进行定位、支撑；

步骤四、工件安装完毕，且满足加工过程中的刚性要求后，利用左滑板和右滑板横向移动将钻铆系统调整到适合工件直径位置；左滑鞍和右滑鞍纵向移动完成纵向钻铆，或配合工件旋转完成复合钻铆。