CN103722207A - 面向复合材料翼面类部件的自动制孔设备及其制孔方法 - Google Patents

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    • B26F1/00—Perforating; Punching; Cutting-out; Stamping-out; Apparatus therefor
    • B26F1/16—Perforating by tool or tools of the drill type

Abstract

本发明涉及一种面向复合材料翼面类部件的自动制孔设备，为五轴联动数控设备，包括主机架、B轴支架、A轴转盘、Z轴部装、Y轴拖链、Z轴拖链、吸屑装置、刀具润滑系统和润滑系统油泵，Z轴部装上设有主轴，主轴上通过液压夹紧有钻孔、铰孔、锪窝一体结构的复合刀具；在Z轴部装的端部对称设有四个激光测距传感器，并分布于四个象限；在Z轴的部装下方设有压力脚支架，压力脚支架的中心孔的圆周处设有压力脚，压力脚上设有压力脚传感器。该制孔装置及其方法不仅夹紧和定位精度高，而且加工出的孔准确度高，并降低在制孔过程中对复合材料的损伤，从而在提高工作效率的同时，保证了产品的质量。

Description

面向复合材料翼面类部件的自动制孔设备及其制孔方法
技术领域
本发明涉及一种面向复合材料翼面类部件的自动制孔设备及其方法，设有一种全自动数控机械加工方法。
背景技术
二十世纪九十年代以后，航空制造业对飞机装配技术提出了高质量、高效率、低成本并能适应多品种产品的生产要求。自动制孔方法作为提高装配效率和装配质量的有效途径，其需求程度与发展趋势也日益膨胀。常规形式的五坐标自动制孔方法虽然具备五轴联动功能、法向调整功能和制孔精度检测功能等，但是仍然无法满足大尺寸、变厚度、复杂夹层的复合材料翼面类部件的制孔需求。完善自动制孔工艺方法，降低制孔过程对复合材料之间的劈裂、分层损伤；控制制孔垂直度，避免紧固件安装后产品外形超出设计允许值；优化离线编程技术，自动生成制孔顺序，保证制孔点位的准确度等，都是传统自动制孔方法亟待解决的问题。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种面向复合材料翼面类部件的自动制孔设备及其方法，该制孔方法不仅夹紧和定位精度高，而且加工出的孔准确度高，并降低在制孔过程中对复合材料的损伤，从而在提高工作效率的同时，保证了产品的质量。
为解决以上问题，本发明的具体技术方案如下：一种面向复合材料翼面类部件的自动制孔设备，为五轴联动数控设备，包括主机架、B轴支架、A轴转盘、Z轴部装、Y轴拖链、Z轴拖链、吸屑装置、刀具润滑系统和润滑系统油泵， Z轴部装上设有主轴，主轴上通过液压夹紧有钻孔、铰孔、锪窝一体结构的复合刀具；在Z轴部装的端部对称设有四个激光测距传感器，并分布于四个象限；在Z轴的部装下方设有压力脚支架，压力脚支架的中心孔的圆周处设有压力脚，压力脚上设有压力脚传感器。
利用面向复合材料翼面类部件的自动制孔设备进行制孔的方法，包括以下步骤：
1）工件坐标系与设备坐标系建立一致坐标系：
1.1）使用激光跟踪仪，测量装配工装的基准框架，根据数模中的靶球位置与实际测量中的靶球位置读数，将装配工装的实际位置与数模的理论位置统一；
1.2）使用激光跟踪仪对设备刀尖位置进行测量，并修正刀尖位置；
1.3）将1.1步骤中测得的装配工装基准框架实际位置坐标值和1.2步骤中测得的刀尖位置坐标值，导入CATIA系统中，建立设备坐标系；
1.4）自定义某一位置作为工件零点，将各坐标轴方向与设备轴方向统一，以此在CATIA系统中建立工件坐标系；
1.5）操作自动制孔设备，令设备刀尖位于工件零点，读取此时刀尖的X、Y、Z坐标值；
1.6）利用CATIA中的测量功能，测量在第1.3步骤中所建立的设备刀尖位置点在所设置的工件坐标中位置，由此，计算所需进行的框架偏转；
1.7）在设备中设置零点偏置值，编程阶段首先调用该零点偏置值即可完成设备中工件坐标系的标定工作；
2）将装配孔的信息批量导入计算机内，并批量生成制孔信息；
3）采用钻孔、铰孔、锪窝一体结构的复合刀具，并采用液压式夹紧；
4）采用激光寻法矢量的误差补偿方法对刀具位置进行调整；
4.1）将刀具当前的矢量方向作为激光寻法线过程的起始值，即后续误差补偿的基础数据；
4.2）取消Z轴主轴钻头的进给倍率，并关闭相机电源；
4.3）将加工点信息的值赋予给设备的X、Y、Z、A和B轴，使设备运行到加工点；
4.4）利用四个激光测距传感器，测得四个象限测量值R1、R2、R3和R4；
4.5）判断测量值R1、R2、R3和R4，当对角的激光传感器相等，即R1=R3，R2=R4时，则判断刀具方向为待加工面的法线方向，系统直接转至第5步骤；反之，继续4.6步骤；
4.6）启动法矢量误差补偿：通过激光测距传感器的四个象限测量值得出机床B轴摆角和A轴摆角，
计算得出B轴摆角Rb：
Rb=ATAN2((R2-R4-R1+R3),(4*112.5))+ $AA_IW[MB]，其中 $AA_IW[MB] 为机床B轴的当前摆角值；
计算得出A轴摆角Ra：
Ra=ATAN2(R1-R3+R2-R4)* COS(Rb),4*89.5) +$AA_IW[MA]，其中$AA_IW[MA]为机床A轴的当前摆角值；
上述的“ATAN2函数”为计算给定横坐标和纵坐标点的反正切值，函数计算的结果是-π～π之间的弧度值；
4.7）计算激光寻法次数Rn：每计算一次法矢量误差补偿值，系统程序将自动将寻法次数Rn+1，Rn的初始值为0；
4.8）激光法补偿运动：将4.6步骤中计算的A轴及B轴摆角值传递给上位机后，系统对机床的A轴和B轴做出一次补偿调整；
4.9）补偿反馈：补偿后，系统将重复4.4到4.8步骤验证法矢量，并将结果反馈给上位机，一种情况是补偿成功，则系统自动启动激光保护屏蔽，准备制孔；另一种情况是寻法次数超过3次仍不满足精度要求，则寻法线失败报警，系统自动跳过此加工点；
5）自动钻孔、锪窝制孔：
5.1）钻头转速启动，钻头润滑启动；
5.2）钻头进给到预定深度后，钻头撤回到安全面；
5.3）钻孔位置是否到达，如果不到达，返回5.2步骤；
5.4）钻头进给到最终孔深度后，钻头快速进给到锪窝起始位置；
5.5）制孔主轴启动；
5.6）主轴法向低速进给，直至达到锪窝深度，法向进给停止，主轴继续转动2秒；
5.7）主轴停止转动后，钻头高速退出到安全面，该制孔完毕。
所述的面向复合材料翼面类部件的自动制孔设备进行制孔的方法，在步骤5的自动制孔过程中，压力脚接触待加工蒙皮，其上的压力传感器将压力值实时传递给上位机，当压力脚接触到蒙皮的时候，压力脚的压力值和电机的扭矩值实时传递给上位机，判断是否继续施加压力；当压力脚的压力达到预设值时，压力脚自动停止前压动作。
该面向复合材料翼面类部件的自动制孔设备采用上述结构，满足了大尺寸、变厚度、双曲面、复合材料壁板与铝合金叠层的钻孔加工，并实现了钻头在一次进给过程中完成制孔、锪窝的工序，不仅提高了工作效率，同时大大提高了加工精度，防止了复合材料钻孔过程中的劈裂和分层损伤。
附图说明
图1为面向复合材料翼面类部件的自动制孔设备的侧视图。
图2为面向复合材料翼面类部件的自动制孔设备的主视图。
图3为Z轴部装的结构示意图。
图4为Z轴部装的剖视图。
图5为工件坐标系与设备坐标系的转换流程图。
图6为自动制孔工艺流程图。
具体实施方式
如图1至图4所示，一种面向复合材料翼面类部件的自动制孔设备，为五轴联动数控设备，包括主机架1、B轴支架2、A轴转盘3、Z轴部装4、Y轴拖链8、Z轴拖链9、吸屑装置5、刀具润滑系统6和润滑系统油泵7，Z轴部装4上设有主轴，主轴上通过液压夹紧有钻孔、铰孔、锪窝一体结构的复合刀具；在Z轴部装4的端部对称设有四个激光测距传感器24，并分布于四个象限；在Z轴的部装下方设有压力脚支架16，压力脚支架16的中心孔的圆周处设有压力脚18，压力脚18上设有压力脚传感器17。
利用上述的面向复合材料翼面类部件的自动制孔设备进行制孔的方法，包括以下步骤：
1）工件坐标系与设备坐标系建立一致坐标系，如图5所示：
1.1）使用激光跟踪仪，测量装配工装的基准框架，根据数模中的靶球位置与实际测量中的靶球位置读数，将装配工装的实际位置与数模的理论位置统一；
1.2）使用激光跟踪仪对设备刀尖位置进行测量，并修正刀尖位置；
1.3）将1.1步骤中测得的装配工装基准框架实际位置坐标值和1.2步骤中测得的刀尖位置坐标值，导入CATIA系统中，建立设备坐标系；
1.4）自定义某一位置作为工件零点，将各坐标轴方向与设备轴方向统一，以此在CATIA系统中建立工件坐标系；
1.5）操作自动制孔设备，令设备刀尖位于工件零点，读取此时刀尖的X、Y、Z坐标值；
1.6）利用CATIA中的测量功能，测量在第1.3步骤中所建立的设备刀尖位置点在所设置的工件坐标中位置，由此，计算所需进行的框架偏转；
1.7）在设备中设置零点偏置值，编程阶段首先调用该零点偏置值即可完成设备中工件坐标系的标定工作；
2）将装配孔的信息批量导入计算机内，并批量生成制孔信息；
3）采用钻孔、铰孔、锪窝一体结构的复合刀具，并采用液压式夹紧；
4）采用激光寻法矢量的误差补偿方法对刀具位置进行调整，该补偿调整保证了刀具在钻制孔前，刀具与曲面法向垂直；
4.1）将刀具当前的矢量方向作为激光寻法线过程的起始值，即后续误差补偿的基础数据；
4.2）取消Z轴主轴钻头的进给倍率，并关闭相机电源；
4.3）将加工点信息的值赋予给设备的X、Y、Z、A和B轴，使设备运行到加工点；
4.4）利用四个激光测距传感器，测得四个象限测量值R1、R2、R3和R4；
4.5）判断测量值R1、R2、R3和R4，当对角的激光传感器相等，即R1=R3，R2=R4时，则判断刀具方向为待加工面的法线方向，系统直接转至第5步骤；反之，继续4.6步骤；
4.6）启动法矢量误差补偿：通过激光测距传感器24的四个象限测量值得出机床B轴摆角和A轴摆角，
计算得出B轴摆角Rb：
Rb=ATAN2((R2-R4-R1+R3),(4*112.5))+ $AA_IW[MB]，其中 $AA_IW[MB] 为机床B轴的当前摆角值；
计算得出A轴摆角Ra：
Ra=ATAN2(R1-R3+R2-R4)* COS(Rb),4*89.5) +$AA_IW[MA]，其中$AA_IW[MA]为机床A轴的当前摆角值；
上述的“ATAN2函数”为计算给定横坐标和纵坐标点的反正切值，函数计算的结果是-π～π之间的弧度值；
4.7）计算激光寻法次数Rn：每计算一次法矢量误差补偿值，系统程序将自动将寻法次数Rn+1，Rn的初始值为0；
4.8）激光法补偿运动：将4.6步骤中计算的A轴及B轴摆角值传递给上位机后，系统对机床的A轴和B轴做出一次补偿调整；
4.9）补偿反馈：补偿后，系统将重复4.4到4.8步骤验证法矢量，并将结果反馈给上位机，一种情况是补偿成功，则系统自动启动激光保护屏蔽，准备制孔；另一种情况是寻法次数超过3次仍不满足精度要求，则寻法线失败报警，系统自动跳过此加工点；
5）自动钻孔、锪窝制孔，如图6所示：
5.1）钻头转速启动，钻头润滑启动；
5.2）钻头进给到预定深度后，钻头撤回到安全面；
5.3）钻孔位置是否到达，如果不到达，返回5.2步骤；
5.4）钻头进给到最终孔深度后，钻头快速进给到锪窝起始位置；
5.5）制孔主轴启动；
5.6）主轴法向低速进给，直至达到锪窝深度，法向进给停止，主轴继续转动2秒；
5.7）主轴停止转动后，钻头高速退出到安全面，该制孔完毕。
在步骤5的自动制孔过程中，压力脚18接触待加工蒙皮，其上的压力传感器17将压力值实时传递给上位机，当压力脚接触到蒙皮的时候，压力脚的压力值和电机的扭矩值实时传递给上位机，判断是否继续施加压力；当压力脚的压力达到预设值时，压力脚自动停止前压动作。在该步骤中，系统根据不同夹层结构及厚度选择压紧力的强度，从而保证复材-铝合金叠层的紧密贴合，即有效防止了复合材料的劈裂情况的发生，而且防止了在制孔过程中切削进入到夹层中，造成零件的损伤。
经过大量制孔试验，使用该设备及其该方法所制的装配孔，孔位偏差≤±0.5mm，制孔精度达到H7级，孔壁粗糙度0.8。按孔位安装高锁螺栓后，垂直度偏差≤0.5°，螺栓头凸出量≤0.1mm，符合设计文件要求。

Claims (3)

1.一种面向复合材料翼面类部件的自动制孔设备，为五轴联动数控设备，包括主机架（1）、B轴支架（2）、A轴转盘（3）、Z轴部装（4）、Y轴拖链（8）、Z轴拖链（9）、吸屑装置（5）、刀具润滑系统（6）和润滑系统油泵（7），其特征在于：Z轴部装（4）上设有主轴，主轴上通过液压夹紧有钻孔、铰孔、锪窝一体结构的复合刀具；在Z轴部装（4）的端部对称设有四个激光测距传感器（24），并分布于四个象限；在Z轴的部装下方设有压力脚支架（16），压力脚支架（16）的中心孔的圆周处设有压力脚（18），压力脚（18）上设有压力脚传感器（17）。
2.利用权利要求1所述的面向复合材料翼面类部件的自动制孔设备进行制孔的方法，其特征在于包括以下步骤：
1）工件坐标系与设备坐标系建立一致坐标系：
1.1）使用激光跟踪仪，测量装配工装的基准框架，根据数模中的靶球位置与实际测量中的靶球位置读数，将装配工装的实际位置与数模的理论位置统一；
1.2）使用激光跟踪仪对设备刀尖位置进行测量，并修正刀尖位置；
1.3）将1.1步骤中测得的装配工装基准框架实际位置坐标值和1.2步骤中测得的刀尖位置坐标值，导入CATIA系统中，建立设备坐标系；
1.4）自定义某一位置作为工件零点，将各坐标轴方向与设备轴方向统一，以此在CATIA系统中建立工件坐标系；
1.5）操作自动制孔设备，令设备刀尖位于工件零点，读取此时刀尖的X、Y、Z坐标值；
1.6）利用CATIA中的测量功能，测量在第1.3步骤中所建立的设备刀尖位置点在所设置的工件坐标中位置，由此，计算所需进行的框架偏转；
1.7）在设备中设置零点偏置值，编程阶段首先调用该零点偏置值即可完成设备中工件坐标系的标定工作；
2）将装配孔的信息批量导入计算机内，并批量生成制孔信息；
3）采用钻孔、铰孔、锪窝一体结构的复合刀具，并采用液压式夹紧；
4）采用激光寻法矢量的误差补偿方法对刀具位置进行调整；
4.1）将刀具当前的矢量方向作为激光寻法线过程的起始值，即后续误差补偿的基础数据；
4.2）取消Z轴主轴钻头的进给倍率，并关闭相机电源；
4.3）将加工点信息的值赋予给设备的X、Y、Z、A和B轴，使设备运行到加工点；
4.4）利用四个激光测距传感器，测得四个象限测量值R1、R2、R3和R4；
4.5）判断测量值R1、R2、R3和R4，当对角的激光传感器相等，即R1=R3，R2=R4时，则判断刀具方向为待加工面的法线方向，系统直接转至第5）步骤；反之，继续4.6）步骤；
4.6）启动法矢量误差补偿：通过激光测距传感器（24）的四个象限测量值得出机床B轴摆角和A轴摆角，
计算得出B轴摆角Rb：
Rb=ATAN2((R2-R4-R1+R3),(4*112.5))+ $AA_IW[MB]，其中 $AA_IW[MB] 为机床B轴的当前摆角值；
计算得出A轴摆角Ra：
Ra=ATAN2(R1-R3+R2-R4)* COS(Rb),4*89.5) +$AA_IW[MA]，其中$AA_IW[MA]为机床A轴的当前摆角值；
上述的“ATAN2函数”为计算给定横坐标和纵坐标点的反正切值，函数计算的结果是-π～π之间的弧度值；
4.7）计算激光寻法次数Rn：每计算一次法矢量误差补偿值，系统程序将自动将寻法次数Rn+1，Rn的初始值为0；
4.8）激光法补偿运动：将4.6步骤中计算的A轴及B轴摆角值传递给上位机后，系统对机床的A轴和B轴做出一次补偿调整；
4.9）补偿反馈：补偿后，系统将重复4.4到4.8步骤验证法矢量，并将结果反馈给上位机，一种情况是补偿成功，则系统自动启动激光保护屏蔽，准备制孔；另一种情况是寻法次数超过3次仍不满足精度要求，则寻法线失败报警，系统自动跳过此加工点；
5）自动钻孔、锪窝制孔：
5.1）钻头转速启动，钻头润滑启动；
5.2）钻头进给到预定深度后，钻头撤回到安全面；
5.3）钻孔位置是否到达，如果不到达，返回5.2步骤；
5.4）钻头进给到最终孔深度后，钻头快速进给到锪窝起始位置；
5.5）制孔主轴启动；
5.6）主轴法向低速进给，直至达到锪窝深度，法向进给停止，主轴继续转动2秒；
5.7）主轴停止转动后，钻头高速退出到安全面，该制孔完毕。
3.如权利要求2所述的面向复合材料翼面类部件的自动制孔设备进行制孔的方法，其特征在于：在步骤5的自动制孔过程中，压力脚（18）接触待加工蒙皮，其上的压力传感器（17）将压力值实时传递给上位机，当压力脚接触到蒙皮的时候，压力脚的压力值和电机的扭矩值实时传递给上位机，判断是否继续施加压力；当压力脚的压力达到预设值时，压力脚自动停止前压动作。
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