CN103962847B - 双向爬行轻型移动式并联法向制孔装置 - Google Patents

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Abstract

一种双向爬行轻型移动式并联法向制孔装置，它包括外框、终端执行机构固定架和末端执行器，其特征是所述的外框的四角连接有外升降腿；所述的终端执行机构固定架的两侧分别与外框上的X向滑块相连，终端执行机构固定架的一侧还与悬置于外框上的外框连接板相连，外框连接板上安装有X向丝杠螺母，X向丝杠旋装在所述的X向丝杠螺母中并与安装在外框上的X向驱动电机相连；所述的终端执行机构固定架上安装有Y向电机，Y向电机与Y向丝杠相连，Y向丝杠螺母安装在悬置于终端执行机构固定架上，末端执行器安装板Y向滑块相连，Y向滑块安装在Y向导轨）上。本发明实现了双向移动且重量轻、电机少、控制简单，成本低。

Description

双向爬行轻型移动式并联法向制孔装置
技术领域
本发明涉及一种机械加工装置，尤其是一种用于飞机装配过程中在飞机蒙皮表面二维移动、定位、调姿的双向爬行轻型移动式并联法向制孔机构，可作为飞机机身装配中制孔、紧固件安装系统、甚至铆接的运载移动平台，具体地说是一种结构质量轻，成本低，控制简单的双向爬行轻型移动式并联法向制孔装置。
背景技术
众所周知，机械连接是飞机结构采用的主要连接方法，一架大型飞机上大约有150万～200万个铆钉和螺栓，为了满足现代飞机高寿命的要求，首先要保证机械连接的安全性和可靠性。近年来，为保证飞机装配质量，提高机体的疲劳寿命，并实现大批量生产的低成本和高效率，以B787，A380等为代表的现代新型大型飞机装配过程中大量采用了自动化装配技术。飞机自动化装配系统的发展主要为两个方向。一种是成本较高的、适用于批量较大产品的大型专用自动化装配系统，如MPAC、VPAC等。另一种是成本较低的、适用于批量较小产品的轻型自动化装配系统，该种系统的发展方向为轻型化、柔性化、模块化，目前其典型代表有基于工业机器臂自动装配系统、柔性轨道自动化装配系统、爬行机器人装配系统等。
基于工业机器臂自动装配系统是利用目前成熟的工业机器臂为设备基体，配合相应功能组合的末端执行器组成自动化装配系统。其具有基体结构成熟，集成实现较为容易，工作灵活等优点，但存在活动范围较小、结构较大和可移动性差等缺点。
基于柔性轨道的自动化装配系统，则是以柔性轨道为平台，吸附在表面上，配上相应的末端执行器，完成自动化制孔等工作，如波音公司申请的中国发明专利CN200580025525.X所公开的柔性轨道多轴工具机及方法。但是，这种基于柔性轨道的自动化装配系统存在结构较大和装卸麻烦的缺点，对工装的要求较多，工作前期准备时间较长等缺点。
爬行机器人装配系统，是一种多足并联移动式爬行机构，配有专用的末端执行器实现自动化制孔。目前国外与国内的相关系统均以八足交替为代表，如南京航空航天大学申请的中国发明专利CN201310030879.X所公开的能在工件表面行走和调姿的自主移动机构，不论国内和国外的飞机装配用八足爬行机器人只能实行单一环向爬行，爬行完一圈之后，只能将机器人吊起人为地进行侧向移动，不具有二维移动。尤其在收缩筒段件等双曲率蒙皮上应用时，仅有的单一环向爬行能力，会使机器人运动轨迹发生倾斜而无法满足实际应用需求。其系统至少要用到12个电机，结构复杂，集成度太高，重量控制难，12轴及以上的控制系统复杂，制孔时八足并联联动对于控制系统要求很高，不可避免带来了成本较高等缺点。
发明内容
本发明的目的是针对现有的多足并联移动式爬行机构只能实现单向移动且所需驱动电机多，导致加工效率低，换行加工不便和重量大、控制复杂等一系列问题，设计一种较轻型，控制简单，成低本的双向爬行轻型移动式并联法向制孔机构。
本发明的技术方案是：
一种双向爬行轻型移动式并联法向制孔装置，它包括外框1、终端执行机构固定架2和末端执行器6，其特征是所述的外框1的四角分别连接有一个能升降的外升降腿3；所述的终端执行机构固定架2的两侧分别与外框1内侧的安装在X向导轨1-3上的X向滑块1-7相连的同时，终端执行机构固定架2的一侧还与悬置于外框1上的外框连接板1-4相连，外框连接板1-4上安装有X向丝杠螺母，X向丝杠1-2旋装在所述的X向丝杠螺母中并与安装在外框1上的X向驱动电机1-5相连；所述的终端执行机构固定架2上安装有Y向电机2-4，Y向电机2-4与Y向丝杠2-3相连，Y向丝杠螺母安装在悬置于终端执行机构固定架2上的末端执行器连接板2-7上，末端执行器安装板6-1与末端执行器连接板2-7相连的同时与安装在终端执行机构固定架2上的Y向滑块2-8相连，Y向滑块安装在Y向导轨2-2上，所述的末端执行器6固定在末端执行器安装板6-1上；所述的末端执行器6固定不动，X向驱动电机1-5驱动X向丝杠1-2运动，由于X向丝框螺母固定不动，因此迫使外框1上的X向导轨作相对于X向滑块的移动从而实现外框的X向移动，所述的末端执行器6固定不动，Y向驱动电机2-5驱动Y向丝杠2-3运动，由于Y向丝杠螺母不动，从而迫使终端执行机构固定架2的Y向导轨2-2作相对于Y向滑块2-8的移动从而通过终端执行机构固定架2带动整个外框1实现Y向的移动；外框1固定状态下，X向驱动电机工作带动X向丝杠螺母作X向移动从而带动末端执行器沿X方向移动，外框1固定状态下，Y向电机工作带动Y向丝杠转动从而迫使Y向丝杠螺母带动末端执行器作Y向的移动。
本发明的每个外升降腿3的上端安装有升降电机3-7，它的下端部连接有双偏心位移被动补偿结构5，双偏心位移被动补偿结构5的下端连接有真空吸盘，所述的双偏心位移被动补偿结构5通过支撑滑移珠5-12实现双偏心机构的偏心力矩支撑实现滑移。
本发明所述的末端执行器6主要由末端执行器安装板6-1、电机安装板6-2、驱动电机6-3、电主轴6-4、内升降腿4、蒙皮压紧气缸6-5和蒙皮压紧板6-6组成，驱动电机6-3安装在与末端执行器安装板6-1相连的电机安装板6-2上，电主轴6-4与电机输出轴相连，四个内升降腿4均布安装在与末端执行器安装板6-1相连的安装底板6-7；内升降腿4由气缸4-1、支撑腿4-3和吸盘4-2相连而成；蒙皮压紧气缸6-5也安装在安装底板6-7上，蒙皮压紧板6-6与蒙皮压紧气缸6-5的输出轴相连。
本发明的有益效果：
本发明可在现有的装配型架上使用，不需要特别的工装，对型架的影响和改动最小化；结构重量轻；驱动电机少，控制容易；成本低等优点。
本发明的双向爬行轻型移动式并联法向制孔机构能过实现在飞机表面不限行程的二维移动和完成法向调姿功能，其在能完成法向调姿的同时具备二维移动是其他类似机构不具备的功能，
本发明仅有6个电机控制配合气缸实现二维移动和调姿动作，运动控制轴数量同比下降50%以上，它不仅大大简化了控制难度，而且降低了整体机构重量和成本；实现了真正的轻型化。由于本发明在调姿时属于4杆并联机构，冗余杆数较少，具有位置正解求解容易，易于标定的特点。
本发明的高定位精度、高稳定性、高负载能力可以满足飞机制孔质量、制孔精度以及制孔效率的要求。本机构中的双偏心位移补偿机构具有结构紧凑、位移补偿能力大，刚性好，成本低等优点，并可根据需求通过补偿机构上的锁紧气缸作用转化为固定零件。此外，本机构具有机构位置反解求解简单，便于控制的优点。
附图说明
图1是本发明的移动调姿机构等效原理图。
图2是本发明的结构示意图。
图3是本发明的外框的装配图。
图4是本发明的终端执行机构固定架的配图。
图5是本发明的外升降腿的装配图。
图6是本发明的外升降腿的爆炸图。
图7是本发明的位移补偿机构装配图。
图8是本发明的位移补偿机构爆炸图。
图9是本发明的内升降腿装配图。
图10是本发明的末端执行器装配图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。
如图1-10所示。
一种双向爬行轻型移动式并联法向制孔装置，它包括外框1、终端执行机构固定架2和末端执行器6，所述的外框1的四角分别连接有一个由电机驱动升降的外升降腿3，末端执行器6连接有四个由气缸驱动升降的内升降腿4，如图2所示；所述的终端执行机构固定架2的两侧分别与外框1内侧的安装在X向导轨1-3上的X向滑块1-7相连的同时，终端执行机构固定架2的一侧还与悬置于外框1上的外框连接板1-4相连，外框连接板1-4上安装有X向丝杠螺母，X向丝杠1-2旋装在所述的X向丝杠螺母中并与安装在外框1上的X向驱动电机1-5相连，如图3所示，外框1为一矩形整体框架，结构包括外框架（1-1）、丝杠传动结构1-2、行走导轨1-3、外框连接板1-4、X向驱动电机1-5和电机安装座1-6。所述的终端执行机构固定架2上安装有Y向电机2-4，Y向电机2-4与Y向丝杠2-3相连，Y向丝杠螺母安装在悬置于终端执行机构固定架2上的末端执行器连接板2-7上，末端执行器安装板6-1与末端执行器连接板2-7相连的同时与安装在终端执行机构固定架2上的Y向滑块2-8相连，Y向滑块安装在Y向导轨2-2上，所述的末端执行器6固定在末端执行器安装板6-1上，如图4所示，终端执行机构固定架2包括内框架2-1、Y向导轨2-2、Y向丝杠2-3、Y向电机2-4、Y向电机安装座2-5、Y向电机联轴器2-6、末端执行器连接板2-7。内框架2-1通过外框连接板1-4与外框架行走导轨1-3相连，由X向驱动电机1-5驱动，实现内框）的X向移动，从而实现末端执行器6的X向移动。Y向电机2-4通过Y向电机联轴器2-6与Y向丝杠2-3连接丝杆2-3上的丝杆螺母与末端执行器连接板2-7相连，实现末端执行器6Y向的移动。所述的末端执行器6固定不动，X向驱动电机1-5驱动X向丝杠1-2运动，由于X向丝框螺母固定不动，因此迫使外框1上的X向导轨作相对于X向滑块的移动从而实现外框的X向移动，所述的末端执行器6固定不动，Y向驱动电机2-5驱动Y向丝杠2-3运动，由于Y向丝杠螺母不动，从而迫使终端执行机构固定架2的Y向导轨2-2作相对于Y向滑块2-8的移动从而通过终端执行机构固定架2带动整个外框1实现Y向的移动；外框1固定状态下，X向驱动电机工作带动X向丝杠螺母作X向移动从而带动末端执行器沿X方向移动，外框1固定状态下，Y向电机工作带动Y向丝杠转动从而迫使Y向丝杠螺母带动末端执行器作Y向的移动。
本发明的每个外升降腿3如图5、6所示，外升降腿3由连接框3-1、腿框架3-2、丝杠结构3-3、导轨结构3-4、电机安装座3-5、联轴器3-6、电机3-7组成。通过电机与丝杠传动结构实现腿的伸降，4条外框升降腿通过腿上连接框分别固连在外框架上。外升降腿3的上端安装升降电机3-7，下端部连接有双偏心位移被动补偿结构5，双偏心位移被动补偿结构5的下端连接有真空吸盘，所述的双偏心位移被动补偿结构5通过支撑滑移珠5-12实现双偏心机构的偏心力矩支撑实现滑移。
本发明所述的末端执行器6如图10所示，它主要由末端执行器安装板6-1、电机安装板6-2、驱动电机6-3、电主轴6-4、内升降腿4、蒙皮压紧气缸6-5和蒙皮压紧板6-6组成，驱动电机6-3安装在与末端执行器安装板6-1相连的电机安装板6-2上，电主轴6-4与电机输出轴相连，四个内升降腿4均布安装在与末端执行器安装板6-1相连的安装底板6-7；内升降腿4如图9所示，它主要由气缸4-1、支撑腿4-3、吸盘4-2相连而成。内框升降退固定于末端执行器6上，腿的升降通过具有锁紧功能的双作用气缸4-1实现，末端执行器6的四个气缸4-1的锁紧力足够承载本机器人；蒙皮压紧气缸6-5也安装在安装底板6-7上，蒙皮压紧板6-6与蒙皮压紧气缸6-5的输出轴相连。
本发明的双偏心位移被动补偿机构5如图7、8所示，它主要由连接板5-1、轴承盖I5-2、轴承座5-3、深沟球轴承I5-4、轴I5-5、轴承盖II5-6、深沟球轴承II5-7、锁紧螺母I5-8、轴II5-9、真空吸盘5-10、定位板5-11、支撑滑移珠5-12、锥形定位销5-13、锁紧气缸5-14、安装法兰5-15。双偏心位移补偿机构通过连接板5-1与升降腿下端固定相连，可补偿机构法向调姿时所需X向和Y向的位移偏移量。终端执行机构固定架2通过外框的行走导轨1-3上的滑块与外框相连，同时外框上丝杠结构1-2通过内外框连接板1-4可带动内外框相对运动。4条外升降腿3通过腿上连接框固连外框架1-1四周，4条内升降腿4直接固连在末端执行器6四周。双偏心位移补偿机构5通过连接板5-1与升降腿下端相连，其可提供机构法向定位调姿时所需X向和Y向的位移补偿量。整个机构通过四个外升降腿3吸附于飞机工件表面，通过双偏心位移被动补偿机构5，可完成机构定位调姿功能。通过外升降腿3和内升降腿4的交替吸附支撑，实现机器人的X向，Y向移动。
双偏心位移补偿机构5是应用偏心补偿原理的机构，主要结构可参考中国专利201310030879.X。在本实施例中，应用两个深沟球轴承，结合吸盘球铰具备的绕Z轴转动的自由度，提供双偏心机构在XY平面内所需的三个绕Z轴转动的自由度，同时通过空间结构设计，提高了补偿机构的刚性、稳定性并缩小了补偿机构的尺寸，可实现X向和Y向的补偿，补偿量根据偏心距确定。可通过补偿机构5上的锁紧气缸5-14，将锥形定位销5-13插入轴承座5-3和定位板5-11，此时，轴承座5-3和定位板5-11固连为一个整体，双偏心位移补偿机构失去位移补偿功能，转化为一固定零件。相较于中国发明专利CN201310030879.X中的双偏心机构，本机构中通过支撑滑移珠5-12实现双偏心机构的偏心力矩支撑滑移作用。
本发明的工作过程为：
双向爬行轻型移动式并联法向制孔机构在飞机表面二维行走：
此时双偏心位移补偿机构5自锁，可以通过补偿机构上的锁紧气缸5-14，插入定位板5-11上的定位孔，此时，双偏心位移补偿机构5固连为一个整体，失去位移补偿功能，转化为一固定零件。采用内外框交替前进方式实现X向、Y向的二维任意移动，首先，以终端执行机构固定架2内的末端执行器6及其相连的4条内升降腿4为支撑，松开与外框1相连的四条外升降腿3的真空吸盘5-10，腿上电机3-7驱动丝杆结构3-3带动外升降腿3作Z向上升；X向驱动电机1-5驱动丝杆1-2，带动外框相对末端执行器6向前运动，实现沿X向的移动；终端执行机构固定架2上电机2-4驱动丝杆2-3，带动框体相对末端执行器6向侧向移动，实现Y向的移动。四条外升降腿3的腿上电机3-7驱动丝杆结构3-3带动腿Z向下降，外框升降腿3上真空吸盘5-10吸紧；以终端执行机构固定架2及其相连的4条外升降腿3为支撑，松开与末端执行器6相连的四条内升降腿4的足端真空吸盘4-2，内腿气缸4-1缩回作用，带动内腿4Z向上升；外框上电机1-5驱动丝杆结构1-2，末端执行器6相对外框向前运动，实现X向的移动；终端执行机构固定架2上电机2-4驱动丝杆2-3，末端执行器相对外框1的侧向移动，实现Y向的移动。四条内升降腿4的气缸4-1带动腿Z向下降，内升降腿4足端真空吸盘4-2吸紧，蒙皮压紧气缸6-5动作，蒙皮压紧板6-6压住蒙皮即可开始进行钻铆作用。
自主移动并联机构进入工作位置，进行法向调姿。
到达目标位置后，通过四条外升降腿3底真空吸盘5-10吸紧工件表面，双偏心位移补偿机构上锁紧气缸5-14拔出，通过四条外升降腿的腿上电机3-7驱动丝杠结构，实现每条外升降腿Z向高度变化，从而与外升降腿相连的外框的俯仰角度也会发生变化，进而带动末端执行器主轴所对的方向发生变化，一直调节到末端执行器的主轴与指定位置的法向重合。通过外框X向驱动电机1-5驱动X向丝杠1-2，Y向电机2-4驱动Y向丝杠2-3，实现末端执行器X、Y方向的调整。
在倾斜或俯仰运动中，例如绕Y轴的向后仰起的过程中，若假设后端两条外升降腿固定，前端的两条升降腿就会伸长，在伸长的过程中，所有升降腿末端的真空吸盘却一直吸附在工件表面上，这种情况下必然要求前端的升降腿相对于安装在其下端的真空吸盘在X方向上有微动位移才能保证这种仰起运动可以实现。同理，若框体绕X轴左右倾斜则必然要求升降腿相对于安装在其下端的真空吸盘在Y方向上有微动位移才能保证倾斜运动可以实现。此时，本发明中的双偏心位移补偿机构实现了自主移动并联机构进行法向调姿时所需XY方向的位移补偿。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims (2)

1.一种双向爬行轻型移动式并联法向制孔装置，它包括外框（1）、终端执行机构固定架（2）和末端执行器（6），其特征是所述的外框（1）的四角分别连接有一个能升降的外升降腿（3）；所述的终端执行机构固定架（2）的两侧分别与外框（1）内侧的安装在X向导轨（1-3）上的X向滑块（1-7）相连的同时，终端执行机构固定架（2）的一侧还与悬置于外框（1）上的外框连接板（1-4）相连，外框连接板（1-4）上安装有X向丝杠螺母，X向丝杠（1-2）旋装在所述的X向丝杠螺母中并与安装在外框（1）上的X向驱动电机（1-5）相连；所述的终端执行机构固定架（2）上安装有Y向电机（2-4），Y向电机（2-4）与Y向丝杠（2-3）相连，Y向丝杠螺母安装在悬置于终端执行机构固定架（2）上的末端执行器连接板（2-7）上，末端执行器安装板（6-1）与末端执行器连接板（2-7）相连的同时与安装在终端执行机构固定架（2）上的Y向滑块（2-8）相连，Y向滑块安装在Y向导轨（2-2）上，所述的末端执行器（6）固定在末端执行器安装板（6-1）上；每个外升降腿（3）的上端安装有升降电机（3-7），它的下端部连接有双偏心位移被动补偿结构（5），双偏心位移被动补偿结构（5）的下端连接有真空吸盘，所述的双偏心位移被动补偿结构（5）通过支撑滑移珠（5-12）实现双偏心机构的偏心力矩支撑实现滑移。
2.根据权利要求1所述的双向爬行轻型移动式并联法向制孔装置，其特征是所述的末端执行器（6）主要由末端执行器安装板（6-1）、电机安装板（6-2）、驱动电机（6-3）、电主轴（6-4）、内升降腿（4）、蒙皮压紧气缸（6-5）和蒙皮压紧板（6-6）组成，驱动电机（6-3）安装在与末端执行器安装板（6-1）相连的电机安装板（6-2）上，电主轴（6-4）与电机输出轴相连，四个内升降腿（4）均布安装在与末端执行器安装板（6-1）相连的安装底板（6-7）；内升降腿（4）由气缸（4-1）、支撑腿（4-3）和吸盘（4-2）相连而成；蒙皮压紧气缸（6-5）也安装在安装底板（6-7）上，蒙皮压紧板（6-6）与蒙皮压紧气缸（6-5）的输出轴相连。
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