CN103639471B - 机器人制孔末端执行器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于工业机器人的制孔末端执行器。它包括切削单元、连接单元、进给单元、压紧单元和测量单元。切削单元主要包括电主轴、刀柄及刀具、伺服电机、切削传动组件，实现行星钻削；连接单元主要包括连接板和工具快换装置，实现三种安装方式及不同安装方式间的快速切换；进给单元主要包括丝杠螺母副、进给电机、进给传动组件，实现行星钻削的进给运动；压紧单元主要包括气缸、压板、压管、压头，实现工件的压紧；测量单元包括光电距离传感器和力传感器，实现压紧前、后刀具垂直度的检测和制孔过程中刀具状态的实时监测。本发明结合工业机器人使用可构成柔性制孔系统，实现对叠层材料的精益制孔。

Description

机器人制孔末端执行器
技术领域
本发明属于自动化制孔领域，涉及一种适用于工业机器人的制孔末端执行器。
背景技术
目前，飞机装配已经成为我国飞机研制生产的瓶颈环节，智能制造装备的发展也将成为世界各国竞争的焦点。机械连接是一种重要的飞机装配手段，如承担787飞机部分生产任务的波音澳大利亚墨尔本分部，每月需加工28万个装配用孔，可见制孔质量和效率对提升飞机部件装配质量和装配效率，缩短整机装配周期有着重要意义。
机器人制孔系统具备可编程性和运动灵活性，能迅速适应产品的变化，且不会过分增加企业的投入，符合精益系统和精益制造的理念。国外已将这种智能制造装备应用于各类民用及军用飞机的装配用孔加工过程中。机器人制孔系统的出现很好地平衡了制孔质量、成本和效率，对提升企业的市场竞争力有重要意义，但是航空工业对产品质量的严要求也使它必须在性能上不断提高。另一方面，随着复合材料在飞机结构件上的大规模使用，飞机部件的装配将面临对碳纤维增强复合材料/铝合金、碳纤维增强复合材料/钛合金等叠层材料的孔加工。传统钻削方式加工叠层材料时，易引发孔径超差，孔壁粗糙度差，刀具磨损剧烈，层间毛刺、出口毛刺及复合材料分层、撕裂、纤维脱出、基体材料热损伤等缺陷。
自身性能的再提高和加工对象的改变决定了机器人制孔系统的进一步发展趋势是提高其精益制孔能力，而制孔末端执行器是机器人制孔系统的关键组件，其性能将直接影响到制孔质量、效率和成本。高精度、高性能、高速化的飞机装配发展趋势要求制孔末端执行器设计时应注重新的切削技术、新刀具、新的传动方式、先进测控技术等，同时在模块化设计的基础上，尝试进行物质流-能量流-信息流的耦合设计，即从集成科学的高度促进功能更为强大、性能更加优越的制孔末端执行器的发展。
发明内容
本发明的目的是针对叠层材料精益制孔需求，提供一种工业机器人用制孔末端执行器，该制孔末端执行器能为机器人提供三种安装方式，并能实现刀具与工件表面的垂直度检测、压紧、行星钻削和轴向切削力实时监测。
机器人制孔末端执行器包括切削单元、连接单元、进给单元、压紧单元和测量单元。
所述切削单元包括电主轴、接长刀柄、刀具、皮带、公转皮带轮、公转伺服电机支架、公转伺服电机、轨道调节主动齿轮、轨道调节伺服电机支架、轨道调节伺服电机、轨道调节从动齿轮、套筒座、外偏心套筒、第一滚动轴承、第二滚动轴承、第三滚动轴承、第四滚动轴承和内偏心套筒。
刀具通过接长刀柄装夹在电主轴上，电主轴驱动刀具完成切削运动中的自转运动；电主轴固定在内偏心套筒内，由安装在外偏心套筒内的第一滚动轴承和第二滚动轴承来支承内偏心套筒，并由安装在套筒座内的第三滚动轴承和第四滚动轴承来支承外偏心套筒；轨道调节伺服电机通过轨道调节伺服电机支架固定在外偏心套筒上，固定在轨道调节伺服电机输出轴上的轨道调节主动齿轮将动力传递给固定在内偏心套筒上的轨道调节从动齿轮，内偏心套筒的旋转带动刀具公转半径调节；公转伺服电机通过公转伺服电机支架固定在套筒座上，固定在公转伺服电机输出轴上的公转皮带轮将动力经皮带传递给外偏心套筒，外偏心套筒的旋转驱动刀具完成切削运动中的公转运动。
所述连接单元包括悬挂连接板、侧面连接板、同轴连接板和第一工具快换装置、第二工具快换装置、第三工具快换装置。
悬挂连接板和同轴连接板以L型连接，侧面连接板的两条直角边分别贴合连接悬挂连接板和同轴连接板；悬挂连接板、侧面连接板和同轴连接板分别相连第一工具快换装置、第二工具快换装置和第三工具快换装置，实现了工业机器人和制孔末端执行器的三种安装方式及不同安装方式间的快速切换；导轨支座安装在悬挂连接板上。
所述进给单元包括后支板、滑动支座、第一直线导轨、第二直线导轨及第一滑块、第二滑块、第三滑块、第四滑块、第五滑块、第六滑块、第七滑块、第八滑块、前支板、第一导轨支座、第二导轨支座、丝杠前支座、丝杠后支座、丝杠螺母副、螺母支架、进给电机支架、进给电机、同步带和带轮。
第一直线导轨固定在第一导轨支座上，每根直线导轨上安装有四个滑块；进给电机通过进给电机支架固定在后支板上，进给电机的输出轴与主动同步带轮连接，丝杠的一端穿过第一丝杠支座后与从动同步带轮连接，主动同步带轮与从动同步带轮间套接有同步带，丝杠上套接有螺母，螺母固定在螺母支架上，螺母支架与滑动支座相连，丝杠的另一端安装在第二丝杠支座上；滑动支座固定在第一滑块、第二滑块、第三滑块和第四滑块上，并与套筒座相连，进给电机通过同步带和带轮驱动丝杠螺母副实现切削单元沿直线导轨的进给运动；第一丝杠支座安装在后支板上，后支板固定在第五滑块和第六滑块上，第二丝杠支座安装在前支板上，前支板固定在第七滑块和第八滑块上。
所述压紧单元包括气缸、压管、气缸支杆、压板支座、弹性胶套、压头和压板。
第一气缸支杆和第二气缸支杆相对放置，安装在同轴连接板上，第一气缸支杆上连接有第一气缸，第二气缸支杆上连接有第二气缸；第一气缸和第二气缸同时与压板相连，压板安装在压板支座上，压板支座固定在前支板上；压管安装在压板上，压头通过弹性胶套与压管相连。第一气缸和第二气缸提供压紧力给工件，压紧力可补偿重力对末端执行器角度造成的影响，消除叠层材料层与层间的间隙，改善机器人在制孔时的受力状况；压头和压管以球面形式配合，便于工件压紧后刀具的垂直度调整。
测量单元包括力传感器和第一光电距离传感器、第二光电距离传感器、第三光电距离传感器。
所述力传感器安装在压管上，所述光电距离传感器安装在压板上。
本发明与现有技术相比，优势在于：
1)制孔末端执行器可以以三种安装方式实现同机器人的快速连接，提升了机器人制孔系统的制孔质量、制孔效率和对不同构型工件的适应性。
2)电主轴自转轴和其公转轴采用非平行布局，有利于改善复合材料的分层和撕裂，并能有效抑制毛刺。
3)在制孔过程中，可实时调节刀具公转半径，增强了制孔末端执行器的工艺柔性。
4)通过力传感器实时监测刀具状态，提高了制孔过程的可靠性。
5)借助光电距离传感器，配合垂直度调整算法，可快速实现机器人制孔末端执行器在工件目标孔位压紧前和压紧后的刀具垂直度调整。
附图说明
图1是本发明机器人制孔末端执行器的整体结构图。
图2是本发明机器人制孔末端执行器中切削单元的结构图。
图2A是本发明切削单元中滚动轴承的安放示意图。
图2B是本发明切削单元中内偏心套筒的结构示意图。
图3是本发明机器人制孔末端执行器中连接单元的结构图。
图4A是本发明机器人制孔末端执行器中进给单元的结构图。
图4B是本发明机器人制孔末端执行器中进给单元的另一角度结构视图。
图5是本发明机器人制孔末端执行器中压紧单元的结构图。
图5A是本发明压紧单元中压管、压头和弹性胶套的结构图。
图中:1.切削单元101.电主轴
102.接长刀柄103.刀具104.皮带
105.公转皮带轮106.公转伺服电机支架107.公转伺服电机
108.轨道调节主动齿轮109.轨道调节伺服电机支架110.轨道调节伺服电机
111.轨道调节从动齿轮112.套筒座113.外偏心套筒
114A.第一滚动轴承114B.第二滚动轴承115A.第三滚动轴承
115B.第四滚动轴承116.内偏心套筒
2.连接单元21.悬挂连接板22.侧面连接板
23.同轴连接板24A.第一工具快换装置24B.第二工具快换装置
24C.第三工具快换装置
3.进给单元301.后支板302.滑动支座
303A.第一滑块303B.第二滑块303C.第三滑块
303D.第四滑块303E.第五滑块303F.第六滑块
303G.第七滑块303H.第八滑块304.前支板
305A.第一导轨支座305B.第二导轨支座306.丝杠前支座
307.丝杠308.螺母支架309.螺母
310.丝杠后支座311.进给电机支架312.进给电机
313.主动同步带轮314.同步带315.从动同步带轮
316A.第一直线导轨316B.第二直线导轨
4.压紧单元
41A.第一气缸41B.第二气缸42.压管
43A.第一气缸支杆43B.第二气缸支杆44.压板支座
45.弹性胶套46.压头47.压板
5.测量单元51.力传感器52A.第一光电距离传感器
52B.第二光电距离传感器52C.第三光电距离传感器
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步的详细说明。
参见图1所示，机器人制孔末端执行器包括切削单元1、连接单元2、进给单元3、压紧单元4和测量单元5。在实施制孔前，制孔末端执行器需要先随机器人移动到目标孔位；然后根据测量单元5中的第一光电距离传感器52A、第二光电距离传感器52B、第三光电距离传感器52C的测量数值，配合垂直度调整算法，完成压紧前的刀具103垂直度调整；压紧单元4压紧工件，再次根据测量单元5中的第一光电距离传感器52A、第二光电距离传感器52B、第三光电距离传感器52C的测量数值，配合垂直度调整算法，完成压紧后的刀具103垂直度调整；进给单元3带动切削单元1对工件实施行星钻削制孔。
(一)切削单元
参见图2、图2A和图2B所示，切削单元1包括电主轴101、接长刀柄102、刀具103、皮带104、公转皮带轮105、公转伺服电机支架106、公转伺服电机107、轨道调节主动齿轮108、轨道调节伺服电机支架109、轨道调节伺服电机110、轨道调节从动齿轮111、套筒座112、外偏心套筒113、第一滚动轴承114A、第二滚动轴承114B、第三滚动轴承115A、第四滚动轴承115B和内偏心套筒116。
刀具103通过接长刀柄102装夹在电主轴101上，电主轴101驱动刀具103完成切削运动中的自转运动；电主轴101固定在内偏心套筒116内，由安装在外偏心套筒113内的第一滚动轴承114A和第二滚动轴承114B来支承内偏心套筒116，并由安装在套筒座112内的滚第三动轴承115A和第四滚动轴承115B来支承外偏心套筒113；轨道调节伺服电机110通过轨道调节伺服电机支架109固定在外偏心套筒113上，固定在轨道调节伺服电机110输出轴上的轨道调节主动齿轮108将动力传递给固定在内偏心套筒116上的轨道调节从动齿轮111，内偏心套筒116的旋转带动刀具103公转半径调节；公转伺服电机107通过公转伺服电机支架106固定在套筒座112上，固定在公转伺服电机107输出轴上的公转皮带轮105将动力经皮带104传递给外偏心套筒113，外偏心套筒113的旋转驱动刀具103完成切削运动中的公转运动。
在切削单元1中内偏心套筒116的内孔轴线对其外圆轴线的倾角为θ度，外偏心套筒113的内孔轴线和其外圆轴线平行，内偏心套筒116的外圆轴线和外偏心套筒113的内圆轴线重合。内偏心套筒116和外偏心套筒113的配合形式使电主轴自转轴和其公转轴呈非平行状态，有利于改善复合材料的分层和撕裂，并能有效抑制毛刺。
(二)连接单元
参见图3所示，连接单元包括悬挂连接板21、侧面连接板22、同轴连接板23和第一工具快换装置24A、第二工具快换装置24B、第三工具快换装置24C。
悬挂连接板21和同轴连接板23以L型连接，侧面连接板22的两条直角边分别贴合连接悬挂连接板21和同轴连接板23；悬挂连接板21、侧面连接板22和同轴连接板23分别相连第一工具快换装置24A、第二工具快换装置24B和第三工具快换装置24C，实现了工业机器人和制孔末端执行器的三种安装方式及不同安装方式间的快速切换；第一导轨支座305A、第二导轨支座305B安装在悬挂连接板21上。
(三)进给单元
参见图4A和图4B所示，进给单元包括后支板301、滑动支座302、第一滑块303A、第二滑块303B、第三滑块303C、第四滑块303D、第五滑块303E、第六滑块303F、第七滑块303G、第八滑块303H、前支板304、第一导轨支座305A、第二导轨支座305B、丝杠前支座306、丝杠307、螺母支架308、螺母309、丝杠后支座310、进给电机支架311、进给电机312、主动同步带轮313、同步带314、从动同步带轮315和第一直线导轨316A、第二直线导轨316B。
第一直线导轨316A固定在第二导轨支座305B上，第二直线导轨316B固定在第一导轨支座305A上，每根直线导轨上安装有四个滑块；进给电机312通过进给电机支架311固定在后支板301上，进给电机312的输出轴与主动同步带轮313连接，丝杠307的一端穿过丝杠后支座310后与从动同步带轮315连接，主动同步带轮313与从动同步带轮315间套接有同步带314，丝杠307上套接有螺母309，螺母309固定在螺母支架308上，螺母支架308与滑动支座302相连，丝杠307的另一端安装在丝杠前支座306上；滑动支座302固定在第一滑块303A、第四滑块303D、第五滑块303E和第八滑块303H上，并与套筒座112相连，进给电机312经传动副(主动同步带轮313、同步带314和从动同步带轮315的组合)驱动丝杠螺母副(丝杠307和螺母309的组合)实现切削单元1沿第一直线导轨316A、第二直线导轨316B的进给运动；丝杠后支座310安装在后支板301上，后支板301固定在第五滑块303F和第七滑块303G上，丝杠前支座306安装在前支板304上，前支板304固定在第二滑块303B和第三滑块303C上。
(四)压紧单元
参见图5和图5A所示，压紧单元包括第一气缸41A、第二气缸41B、压管42、第一气缸支杆43A、第二气缸支杆43B、压板支座44、弹性胶套45、压头46和压板47。
第一气缸支杆43A和第二气缸支杆43B相对放置，安装在同轴连接板23上，第一气缸支杆43A上连接有第一气缸41A，第二气缸支杆43B上连接有气缸第二41B；第一气缸41A和第二气缸41B与压板47相连，压板47安装在压板支座44上，压板支座44固定在前支板304上；压管42安装在压板47上，压头46通过弹性胶套45与压管42相连。第一气缸41A和第二气缸41B提供压紧力给工件，压紧力可补偿重力对末端执行器角度造成的影响，消除叠层材料层与层间的间隙，改善机器人在制孔时的受力状况；压头46和压管42以球面形式配合，便于工件压紧后刀具103的垂直度调整。
(五)测量单元
参见图5所示，测量单元包括力传感器51和第一光电距离传感器52A、第二光电距离传感器52B、第三光电距离传感器52C。
力传感器51安装在压管42上，三个光电距离传感器(第一光电距离传感器52A、第二光电距离传感器52B、第三光电距离传感器52C)安装在压板47上。
力传感器51实时监测刀具状态，提高了制孔过程的可靠性。第一光电距离传感器52A、第二光电距离传感器52B、第三光电距离传感器52C的测量值反馈给工业机器人，实现刀具103的垂直度调整。

Claims (7)

1.一种适用于工业机器人的制孔末端执行器，其特征在于：该末端执行器包括切削单元(1)、连接单元(2)、进给单元(3)、压紧单元(4)和测量单元(5)；
切削单元(1)包括电主轴(101)、接长刀柄(102)、刀具(103)、皮带(104)、公转皮带轮(105)、公转伺服电机支架(106)、公转伺服电机(107)、轨道调节主动齿轮(108)、轨道调节伺服电机支架(109)、轨道调节伺服电机(110)、轨道调节从动齿轮(111)、套筒座(112)、外偏心套筒(113)、第一滚动轴承(114A)、第二滚动轴承(114B)、第三滚动轴承(115A)、第四滚动轴承(115B)和内偏心套筒(116)；
连接单元(2)包括悬挂连接板(21)、侧面连接板(22)、同轴连接板(23)和第一工具快换装置(24A)、第二工具快换装置(24B)、第三工具快换装置(24C)；
进给单元(3)包括后支板(301)、滑动支座(302)、第一滑块(303A)、第二滑块(303B)、第三滑块(303C)、第四滑块(303D)、第五滑块(303E)、第六滑块(303F)、第七滑块(303G)、第八滑块(303H)、前支板(304)、第一导轨支座(305A)、第二导轨支座(305B)、丝杠前支座(306)、丝杠(307)、螺母支架(308)、螺母(309)、丝杠后支座(310)、进给电机支架(311)、进给电机(312)、主动同步带轮(313)、同步带(314)、从动同步带轮(315)和第一直线导轨(316A)、第二直线导轨(316B)；
压紧单元(4)包括第一气缸(41A)、第二气缸(41B)、压管(42)、第一气缸支杆(43A)、第二气缸支杆(43B)、压板支座(44)、弹性胶套(45)、压头(46)和压板(47)；
测量单元(5)包括力传感器(51)和第一光电距离传感器(52A)、第二光电距离传感器(52B)、第三光电距离传感器(52C)。
2.根据权利要求1所述的制孔末端执行器，其特征在于：所述切削单元(1)中内偏心套筒(116)的内孔轴线对其外圆轴线的倾角为θ度。
3.根据权利要求1所述的制孔末端执行器，其特征在于：所述切削单元(1)中轨道调节伺服电机(110)通过轨道调节伺服电机支架(109)固定在外偏心套筒(113)上，固定在轨道调节伺服电机(110)输出轴上的轨道调节主动齿轮(108)将动力传递给固定在内偏心套筒(116)上的轨道调节从动齿轮(111)，内偏心套筒(116)的旋转带动刀具(103)公转半径调节。
4.根据权利要求1所述的制孔末端执行器，其特征在于：所述连接单元(2)中的悬挂连接板(21)上安装有第一工具快换装置(24A)，侧面连接板(22)上安装有第二工具快换装置(24B)，同轴连接板(23)上安装有第三工具快换装置(24C)，实现了工业机器人和制孔末端执行器的三种安装方式及不同安装方式间的快速切换。
5.根据权利要求1所述的制孔末端执行器，其特征在于：所述压紧单元(4)中的压管(42)和压头(46)以球面形式配合，并通过所述压紧单元(4)中的弹性胶套(45)连接。
6.根据权利要求1所述的制孔末端执行器，其特征在于：所述测量单元(5)中的力传感器(51)安装在压管(42)上，实现刀具(103)状态的实时监测。
7.根据权利要求1所述的制孔末端执行器，其特征在于：所述测量单元(5)中的第一光电传感器(52A)、第二光电传感器(52B)、第三光电传感器(52C)安装在压板(47)上，实现机器人制孔末端执行器在工件目标孔位压紧前和压紧后的刀具垂直度测量。
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