CN104647111A - 自动制孔末端执行器的电动和弹簧耦合压力脚及控制方法 - Google Patents

Abstract

一种自动制孔末端执行器的电动和弹簧耦合压力脚，安装在主轴底板上，主轴底板上安装制孔主轴，主轴底板安装在末端执行器的内部十字滑台上，制孔主轴随主轴底板在十字滑台上的运动而进给，其特征在于：压力脚包括压力脚本体、压力脚伺服系统，压力脚本体通过压力脚连接座连接压力脚基座，压力脚连接座通过第一滑块安装在主轴底板上的导轨上；压力脚伺服系统包括伺服电机、控制伺服电机的上位机，上位机安装在末端执行器控制器上，伺服电机驱动滚珠丝杠，丝杆上固定丝杆连接板，丝杆两侧对称布置弹簧，弹簧安装在丝杆连接板底部，弹簧与压力脚本体连接，丝杆连接板通过第二滑块安装在导轨上，第二滑块与第一滑块共用一个导轨，第二滑块位于第一滑块上方。

Description

自动制孔末端执行器的电动和弹簧耦合压力脚及控制方法

技术领域

本发明涉及自动钻铆技术领域，特别说明一种自动制孔末端执行器的电动\弹簧耦合压力脚结构及控制方法。

背景技术

随着现代飞机性能要求的提高，自动化装配技术得到了越来越广泛的应用。而末端执行器作为自动钻铆系统的加工单元，承担着压紧工件，检测法向，加工工件的职能。为了加快研发周期，降低风险，当前主流的加工单元都采用模块化的研制思路，而压力脚作为减少贴合面毛刺的主要方法，已经成为加工质量的重要保证。

飞机装配中要求控制零部件夹层位置毛刺产生和切屑进入，传统的制孔方法在制初孔后把零件拆开去毛刺，严重影响了装配的效率，自动化制孔技术采用无毛刺制孔工艺，通过对末端执行器中压力脚机构的结构设计与控制，克服装配贴合面分离，避免界面出现毛刺。在飞机的大部件对接过程中，自动化制孔主要采用单向压紧的方法，采用单向压紧主要是由于形成部段之后飞机的内部结构已经非常复杂，开敞性不好难以在机舱内部放置法向压紧装置，因此不易实现双向压紧。基于以上原因，采用单向压紧制孔就成为必然手段。对飞机装配无毛刺的要求主要体现在零件之间的贴合面上，也就是连接的零部件之间不允许有毛刺和切屑。

就目前国内研究现状而言，对贴合面毛刺问题的理论研究关注较少，对贴合面毛刺研究的资料也很少，因此，单向压紧情况下贴合面毛刺主动控制技术的研究和解决，对于飞机自动化装配技术的发展和应用会起到重要作用，目前国内各飞机制造主机厂先后采购或开发轻型自动化装配系统，这也给单向压紧制孔工艺的研究提出了要求，该项研究也将为轻型自动化装配系统的工程应用提供技术支持和应用保障。

在确定压力脚机构后，其各功能要求是通过对其的控制实现的，压力脚机构的控制实现按执行元件不同可分为：1、电机控制系统；2、电液控制系统；3、气动控制系统。

电机控制系统以电机为执行元件，配以合适的齿条或滚珠丝杠等并可组成往复行程的高精度力、位移、速度输出机构，该控制方式下的压力脚实现方便、适用性强、拥有机械自锁性。但是电机控制系统很难准确实现制孔时由于工件变形等因素引起的压力变化自适应调整，导致制孔时压紧力不稳定，影响制孔质量。

电液控制系统在工程上较为常用，大型的自动制孔系统自动钻铆机中末端执行器压力脚机构，便是采用液压缸驱动并完成工件双向压紧。其具有负载刚性好，输出力大、效率高等优点，但是系统能耗大、设备复杂且昂贵、液压油泄露易污染工作环境。

气动控制具有简单、经济、环保、安全等一系列优点。轻型自动化制孔系统因对末端执行器整体质量要求高，其压力脚机构控制一般采用气动控制系统，由气缸驱动压力脚机构，而且在压力脚压紧工件并保持压力恒定控制时，气动系统能以紧凑的结构给予较大的压紧力，这一点电机和电液控制是难以实现的。但是气动控制系统没有电液控制的高输出刚度，也没有电机控制的高控制精度。而且由于气体具有压缩性，使得单独的气缸进给压力不稳定，压力脚不能稳定保持在预定的压力状态。

发明内容

本发明采用了电机驱动双弹簧进给的压力脚结构形式，压力脚的控制精度高、压紧力稳定，而且压紧力大小容易控制。具体技术方案如下：

一种自动制孔末端执行器的电动和弹簧耦合压力脚，安装在主轴底板上，主轴底板上安装制孔主轴，主轴底板安装在末端执行器的内部十字滑台上，制孔主轴随主轴底板在十字滑台上的运动而进给，其特征在于：压力脚包括压力脚本体、压力脚伺服系统，压力脚本体通过压力脚连接座连接压力脚基座，压力脚连接座通过第一滑块安装在主轴底板上的导轨上；压力脚伺服系统包括伺服电机、控制伺服电机的上位机，上位机安装在末端执行器控制器上，伺服电机驱动滚珠丝杠，丝杆上固定丝杆连接板，丝杆两侧对称布置弹簧，弹簧安装在丝杆连接板底部，弹簧与压力脚本体连接，丝杆连接板通过第二滑块安装在导轨上，第二滑块与第一滑块共用一个导轨，第二滑块位于第一滑块上方。

进一步，所述连接板底部的弹簧共两个，纵向对称分布。

进一步，压力脚连接座上设有排屑管路，排屑管路连接真空旁路吸屑单元。

本发明采用伺服电机控制弹簧推动压力脚本体进给以压紧工件的方法，由于制孔主轴进给时压力脚本体也跟随制孔主轴一起进给，显然这种压力脚进给方式不能满足装配要求，制孔主轴与压力脚本体之间必须存在相对运动关系。因此，本发明在主轴底板上采用导轨滑块的方式提供压力脚进给行程，以实现制孔时主轴与压力脚本体产生相对运动并使压力脚保持恒定压力。该方法的实现步骤为：

1)压力脚进给：末端执行器制孔主轴到达待加工孔位，伺服电机接收上位机发出的信号，开始正转，驱动滚珠丝杠，丝杆连接板带动第二滑块沿导轨位移，推动弹簧进而带动压力脚本体与制孔主轴相对运动，压力脚本体接触工件后，伺服电机继续进给，压缩弹簧，压紧力达到预设压紧力值时，伺服电机停止工作；

2)制孔主轴进给：压力脚进给结束后，制孔主轴跟随十字滑台开始进给，同时启动伺服电机反转，上位机控制伺服电机与制孔主轴的进给电机反相同步，保持制孔时压紧力不变；

3)制孔完成后，制孔主轴退出孔外后停转并退回原位，伺服电机继续反转，压力脚本体返回初始位置，等待下一孔位的加工。

步骤1)中伺服电机通过丝杆与固定弹簧的丝杆连接板连接，丝杆连接板与第二滑块刚性连接，因此，伺服电机转动可实现压力脚进给。当压力脚接触工件后，伺服电机继续驱动丝杆连接板进给，压缩丝杆连接板与压力脚本体之间的两根弹簧，施加在工件上的压力不断增大，直至达到预定压力值。此过程中弹簧起到了很好的缓冲和蓄能作用，既避免了压力脚继续进给对工件造成的损害，又在后面制孔主轴进给时为压力脚提供稳定压力。

步骤2)中制孔主轴的进给由钻铆系统机构实现。制孔主轴跟随十字滑台完成制孔进给。由于压力脚本体安装在主轴底座上，即制孔主轴进给的同时压力脚也会产生前进运动，使压紧力增大。本发明利用伺服电机的反转实现压紧力的基本恒定。通过控制伺服电机反转的速度与位移量，使作用在工件表面的压紧力保持在允许变动的范围内。

本发明可根据不同的工作环境安装不同长度的弹簧，以防由于其自身结构长度的限制使压力脚与工件产生干涉。排屑管路通过压力脚基座连接，可将制孔过程中产生的残留物排出。

综上，与现有技术相比，本发明的优点在于：

1、充分利用关联结构，使压力脚结构简单紧凑，使用寿命长；

2、压力精度高、压力控制稳定性好；

3、避免了压紧力与制孔力对工件表面的共同作用，保证制孔过程顺利完成；

4、弹簧结构有良好的吸振效果，对于冲击过程，能够达到显著的吸振效果。

附图说明

图1为具体实施例中的压力脚结构示意图；

图2为具体实施例的系统工作流程图。

图中：1-伺服电机；2-主轴底板；3-电机底座；4-导轨；5-丝杆连接板；6-滑块；7-压力脚连接座；8-螺纹孔；9-激光位移传感器组件；10-压力脚基座；11-排屑管路；12-弹簧；13-丝杆。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明：

如图1所示的自动制孔末端执行器的电动和弹簧耦合压力脚，安装在主轴底板2上，主轴底板2上安装制孔主轴，主轴底板2通过螺纹孔8螺接安装在末端执行器的内部十字滑台上，制孔主轴随主轴底板2在十字滑台上的运动而进给，其特征在于：压力脚包括压力脚本体、压力脚伺服系统，压力脚本体通过压力脚连接座7连接压力脚基座10，压力脚连接座7通过滑块6安装在主轴底板2上的导轨4上；压力脚伺服系统包括伺服电机1、控制伺服电机的上位机，上位机安装在末端执行器控制器上，激光位移传感器组件9安装在压力脚基座10上，伺服电机1驱动滚珠丝杠，丝杆13上固定丝杆连接板5，丝杆13两侧对称布置共两个弹簧12，弹簧12安装在丝杆连接板5底部，弹簧12与压力脚本体连接，丝杆连接板5通过滑块6安装在导轨4上。压力脚连接座7上设有排屑管路11，排屑管路11连接真空旁路吸屑单元，伺服电机1通过电机底座3安装在主轴底板2上。

图2为压力脚工作流程图。当末端执行器到达待加工孔位，压力脚伺服电机接收控制系统上位机发出的信号，电机启动，驱动滚珠丝杠带动压力脚模块，与主轴相对运动实现进给。电机控制的稳定、快速等特点，使进给效率高、精度高且易于控制。压力脚接触工件后，电机继续进给，压缩弹簧，由于弹簧具有压缩性和过载保护性，使压力脚压紧更加平稳、安全。压紧力达到预设压紧力值时，压力脚电机停止工作，主轴开始进给，主轴进给的同时，启动压力脚伺服电机反转，通过调节其转动速度与位移量，控制其转动与控制主轴进给的电机反向同步，即保证主轴进给的同时，压紧力保持不变。制孔完成后，主轴停转并退回，压力脚电机反转、气缸退回，均回到初始位置，等待下一孔位的加工。

Claims (4)

1.一种自动制孔末端执行器的电动和弹簧耦合压力脚，安装在主轴底板上，主轴底板上安装制孔主轴，主轴底板安装在末端执行器的内部十字滑台上，制孔主轴随主轴底板在十字滑台上的运动而进给，其特征在于：压力脚包括压力脚本体、压力脚伺服系统，压力脚本体通过压力脚连接座连接压力脚基座，压力脚连接座通过第一滑块安装在主轴底板上的导轨上；压力脚伺服系统包括伺服电机、控制伺服电机的上位机，上位机安装在末端执行器控制器上，伺服电机驱动滚珠丝杠，丝杆上固定丝杆连接板，丝杆两侧对称布置弹簧，弹簧安装在丝杆连接板底部，弹簧与压力脚本体连接，丝杆连接板通过第二滑块安装在导轨上，第二滑块与第一滑块共用一个导轨，第二滑块位于第一滑块上方。

2.根据权利要求1所述的自动制孔末端执行器的电动和弹簧耦合压力脚，其特征在于：所述连接板底部的弹簧共两个，纵向对称分布。

3.根据权利要求1所述的自动制孔末端执行器的电动和弹簧耦合压力脚，其特征在于：压力脚连接座上设有排屑管路，排屑管路连接真空旁路吸屑单元。

4.一种自动制孔末端执行器的电动和弹簧耦合压力脚的控制方法，其特征在于包括如下步骤：

1)压力脚进给：末端执行器制孔主轴到达待加工孔位，伺服电机接收上位机发出的信号，开始正转，驱动滚珠丝杠，丝杆连接板带动第二滑块沿导轨位移，推动弹簧进而带动压力脚本体与制孔主轴相对运动，压力脚本体接触工件后，伺服电机继续进给，压缩弹簧，压紧力达到预设压紧力值时，伺服电机停止工作；

2)制孔主轴进给：压力脚进给结束后，制孔主轴跟随十字滑台开始进给，同时启动伺服电机反转，上位机控制伺服电机与制孔主轴的进给电机反相同步，保持制孔时压紧力不变；

3)制孔完成后，制孔主轴退出孔外后停转并退回原位，伺服电机继续反转，压力脚本体返回初始位置，等待下一孔位的加工。