CN104698968A - 多功能自动钻铆末端执行器及自动钻铆方法 - Google Patents

Abstract

一种多功能自动钻铆末端执行器，由控制系统控制，以机床或机器人为载体，其特征在于：集成基准孔检测模块、法向找正模块、压力脚模块、制孔锪窝模块、铆钉接收及检测模块、工位转换模块、抽铆模块，各模块均包括控制电路和执行机构两部分，控制电路控制执行机构，控制系统与各模块的控制电路通讯；本发明将航空工件装配中的铆接环节，通过高度集成一体化的多功能自动钻铆末端执行器来完成，其包含实现钻孔、锪窝、除屑、铆接全过程的功能模块，过程控制中具有检测、定位、转换等功能模块，各模块执行机构通过控制电路精确控制，由控制系统统一调配各模块的工作工序，配合移动机床或机器人，自动化程度更高，省事省工，工作效率大大提高。

Description

多功能自动钻铆末端执行器及自动钻铆方法

技术领域

本发明涉及航空领域飞机自动化装配的一种设备，特别涉及一种以可移动机床或关节机器人为载体，适用于对飞机翼类或者机身框架类部件的自动化钻孔、锪窝以及铆接的设备，属于航空自动化装配领域。

背景技术

飞机部件的装配主要是通过铆接方式实现，铆接质量直接影响到飞机的性能和安全性，是飞机制造过程中一项非常重要的工艺环节。以往的末端执行器，仅可以完成对工件的制孔和锪窝任务，但铆接任务仍由人工实现，人工铆接效率低下，且劳动强度大，不利于生产效率的提高，亦不能充分发挥自动化制孔锪窝的优势。此外，以往的末端执行器大都以关节机器人为载体。故本发明提出一种具备了抽铆功能的自动化钻铆末端执行器，以关节机器人与可移动机床为载体，可完成对翼类或者机身框架类部件的自动化装配。

发明内容

一种多功能自动钻铆末端执行器，由控制系统控制，以机床或机器人为载体，其特征在于：集成基准孔检测模块、法向找正模块、压力脚模块、制孔锪窝模块、铆钉接收及检测模块、工位转换模块、抽铆模块，各模块均包括控制电路和执行机构两部分，控制电路控制执行机构，控制系统与各模块的控制电路通讯；

其中：

基准孔检测模块的执行机构包括2D激光轮廓仪、直线伺服滑台、光栅尺，2D激光轮廓仪安装在直线伺服滑台上随动；

法向找正模块的执行机构包括压力脚模块两侧对称分布的4个激光位移传感器；

压力脚模块的执行机构包括安装在导轨上由双气缸驱动的压力脚，气缸通过托板、法兰盘与机床或机器人固定连接；

制孔锪窝模块的执行机构包括安装在移动平台上的钻铆设备、驱动移动平台的电机、检测刀具进给量并反馈至控制电路的长度计量计，及刀具破损检测传感器；

铆钉接收及检测模块的执行机构包括接钉模块和检测模块，接钉模块包括安装在移动平台上的夹钉气爪，接钉模块通过送钉管道与送钉系统连接，检测模块包括直径检测传感器、长度检测传感器；

工位转换模块的执行机构包括托板、安装在托板上的滑台机构、伺服电机、2个导轨制动器，托板预留制孔锪窝模块、抽铆模块接口；

抽铆模块的执行机构包括铆枪、控制铆枪的电磁阀、进给气缸，铆枪通过连接件与进给气缸连接。

一种多功能自动钻铆末端执行器的自动钻铆方法，其特征在于包括如下步骤：

1)基准孔检测：基准孔检测模块检测并识别工件基准孔，获取基准孔圆心的坐标，并与预期坐标进行比较，得出位置误差，对待加工孔的位置进行修正，控制机床或机器人定位至待加工孔位；

2)法向找正：法向找正模块利用4个激光位移传感器，通过法向检测算法拟合出待加工孔所在近似平面的法矢，并对机床或机器人法向姿态偏差进行补偿，使刀具中心线与待加工表面法向重合；

3)压力脚压紧工件：压力脚模块在钻孔之前压紧工件，压力脚模块具有真空旁路吸屑单元，对制孔工作中产生的粉尘和废屑进行吸除，采用气缸和电磁比例阀调整压紧力，并通过PID控制保持耦合力的恒定；

4)制孔与锪窝：当工件将要钻透时，调整主轴进给速度，控制钻头轴向力，减小铆钉出口的毛刺，钻通后钻锪一体化刀具继续进给，进行锪窝；在锪窝过程中，长度计量计精确检测主轴进给量并反馈至控制单元；刀具破损检测传感器每次制孔之前对刀具进行确认，确认将要进行制孔工作的刀具是否准备就绪，采用光帘式光电传感器作为刀具破损检测传感器，配合反光板，传感器将检测状态反馈至控制系统；

5)铆钉的接收与检测：在制孔与锪窝的同时，接钉模块接收送钉管道被压缩气体吹来的抽芯铆钉，并配合检测模块实现对铆钉直径与长度的检测，并最终由接钉模块将铆钉插入铆枪枪头；

6)工位转换：工位转换模块利用滑台对制孔锪窝工位和铆接工位进行转换，利用导轨制动器对工位转换模块位置锁紧；

7)对工件的抽铆：抽铆模块通过铆枪将铆钉插入工件孔内，并最终完成对工件的铆接任务。

进一步，基准孔检测中，通过2D激光轮廓仪获得基准孔弦线两端点的X、Z坐标。直线伺服滑台带动2D激光轮廓仪在Y方向上移动，并通过光栅尺测得移动距离，得到端点的Y坐标值，最终计算得到基准孔实际圆心坐标，再将计算所得坐标值与预期坐标值进行比较，并对所有待加工孔的坐标值进行修正。

本发明将航空工件装配中的铆接环节，通过高度集成一体化的多功能自动钻铆末端执行器来完成，其包含实现钻孔、锪窝、除屑、铆接全过程的功能模块，过程控制中具有检测、定位、转换等功能模块，各模块执行机构通过控制电路精确控制，由控制系统统一调配各模块的工作工序，配合移动机床或机器人，自动化程度更高，省事省工，工作效率大大提高。

附图说明

图1为本发明具体实施例整体结构示意图。

图2为本发明具体实施例各模块构成示意图。

图3为具体实施例基准孔检测模块结构示意图。

图4为具体实施例法向找正模块结构示意图。

图5、6为具体实施例压力脚模块结构示意图。

图7为具体实施例制孔锪窝模块结构示意图。

图8为具体实施例铆钉接收与检测模块结构示意图。

图9为具体实施例工位转换模块结构示意图。

图10为具体实施例抽铆模块结构示意图。

图中：1-基准孔检测模块、2-法向找正模块、3-压力脚模块、4-制孔锪窝模块、5-铆钉接收及检测模块、51-接钉模块、52-检测模块、6-工位转换模块、7-抽铆模块、11-2D激光轮廓仪、12-伺服电机、21-激光位移传感器、31-双气缸、32-压力脚、33-真空旁路吸屑单元、41-钻铆设备、42-电机、43-长度计量计、44-一体式滑台、511-夹钉气爪、512-Z向滑台驱动器、513-Y向进给气缸、521-长度检测传感器、61-托板、62-滑台机构、63-导轨制动器、71-铆枪、72-进给气缸、73-十字滑台。

具体实施方式

结合附图对本发明的多功能自动钻铆末端执行器及自动钻铆方法进行详细描述。

如图1、2所示的多功能自动钻铆末端执行器，由控制系统控制，以机床或机器人为载体，集成基准孔检测模块、法向找正模块、压力脚模块、制孔锪窝模块、铆钉接收及检测模块、工位转换模块、抽铆模块，各模块均包括控制电路和执行机构两部分，控制电路控制执行机构，控制系统与各模块的控制电路通讯；

其中：基准孔检测模块的执行机构包括2D激光轮廓仪11、直线伺服滑台、光栅尺，直线伺服滑台由伺服电机12驱动，如图3所示，2D激光轮廓仪安装在直线伺服滑台上随动；用于检测并识别产品上的高精度基准孔，获取基准孔圆心的坐标，并与预期坐标进行比较，得出位置误差，从而在NC程序中对待加工孔的位置进行修正。

基准孔检测的首要任务是获得基准孔圆心的实际坐标值。2D激光轮廓仪对基准的孔的检测可以获得基准孔弦线两端点的X、Z坐标。由直线伺服滑台带动轮廓仪在Y方向上移动，并通过光栅尺测得移动距离，从而得到端点的Y坐标值，通过对圆上取样点坐标的测量，可计算得到基准孔实际圆心坐标，再将计算所得坐标值与预期坐标值进行比较，得出实际与理论数模之间的偏差，从而在NC程序中对所有待加工孔的坐标值进行修正，保证制孔的位置精度。

法向找正模块的执行机构包括压力脚模块两侧对称分布的4个激光位移传感器21，如图4所示，4个激光位移传感器，通过法向检测算法拟合出待加工孔所在近似平面的法矢，并对机器人法向姿态偏差进行补偿。

通过法向找正，并进行机器人法向补偿后，其法向定位角度误差小于0.5度，平均误差0.317度，满足制孔精度的要求。

压力脚模块的执行机构包括安装在导轨上由双气缸31驱动的压力脚32，气缸通过托板、法兰盘与机床或机器人固定连接；根据工艺要求，设置压力脚压紧装置，实现在钻孔之前压紧工件，减小工件夹层间隙，提高末端执行器刚度，改善制孔工作条件。为了维护工作环境的整洁，改善机器人的工作环境，末端执行器设计有真空旁路吸屑单元33，对制孔工作中产生的粉尘和废屑进行吸除。压力脚模块结构如图5、6所示。

压力脚气缸通过托板、法兰盘与机器人固连，压力脚推动整个框架沿导轨进给，通过压力脚压紧工件。压力脚采用独立式进给方式，通过双气缸驱动，以保证运行的平稳性，两端与框架固连，以减小压力角工作时的变形量，提高其刚度。在制孔阶段，压力脚压紧力应大于制孔反力，并要求压力脚对工件的压紧力与制孔反作用力的耦合力保持基本恒定，以减轻机器人的震颤，故需要压紧力0～2000N，可无级调节。本方案采用气缸和电磁比例阀的形式，完成对压紧力的调整，并通过PID控制保持偶合力的恒定。

制孔锪窝模块的执行机构包括安装在移动平台上的钻铆设备41、驱动移动平台的电机42、检测刀具进给量并反馈至控制电路的长度计量计43，及刀具破损检测传感器；该模块采用目前自动化钻铆设备中普遍应用的伺服电机驱动滚珠丝杠滑台带动电主轴进给加工的方式，具体由一体式滑台44带动电主轴，一次性完成对工件的制孔和锪窝。整体结构如图7所示。当工件将要钻透时，伺服进给装置调整主轴进给速度，控制钻头轴向力，可减小铆钉出口的毛刺。钻通材料后钻锪一体化刀具继续进给，进行锪窝。

在锪窝过程中，长度计量计43精确检测主轴进给量并反馈至控制单元，精确控制主轴锪窝进给量，保证锪窝深度性能指标；在压力脚后缘设有刀具破损检测传感器，检测断刀信号，保障系统安全。每次制孔之前对刀具确认，确认将要进行制孔工作的刀具是否准备就绪，避免刀具已经折损或刀具根本就没有正确安装带来的制孔失败，甚至损坏工件。本方案采用光帘式光电传感器检测刀具折损情况，光帘式传感器需要反射光板。当刀具进给到一定的距离，足够遮挡传感器所发出的检测光时，正常情况下传感器接收到反光板反射的光应该变小，传感器检测到有物体通过。当刀具破损或者安装不正确时，则不会遮挡检测光，光帘传感器将检测状态反馈至控制系统，则控制系统确认刀具安装不正确，并采取措施。

铆钉接收及检测模块的执行机构包括接钉模块51和检测模块52，接钉模块51包括安装在移动平台上的夹钉气爪511，接钉模块通过送钉管道与送钉系统连接，检测模块52包括直径检测传感器、长度检测传感器521；接钉模块51主要由夹钉气爪511、Z向滑台驱动器512、Y向进给气缸513构成；如图8所示。

送钉系统将不同直径、长度的铆钉通过送钉管道吹至接钉模块51。光电开关发出信号，夹钉气爪511张开将铆钉夹住，然后夹钉气爪511在气缸驱动下后退，检测模块52转换工位，进入检测环节，检测模块52首先确认夹钉气爪511是否成功夹住铆钉并进行直径检测，通过激光位移传感器，以完成长度检测。检测环节完成之后，滑块气缸带动夹钉气爪511及铆钉右移至铆枪位置，使铆钉轴线与铆枪轴线重合，滑块气缸带动夹钉气爪511前移，将铆钉插入铆枪。

工位转换模块的执行机构包括托板61、安装在托板61上的滑台机构62、2个导轨制动器63，托板61预留制孔锪窝模块接口、抽铆模块接口；根据飞机装配质量要求，工位转换模块需保证制孔、铆接、换刀工位转换后的位置精度达到±0.005mm以内，目前，全闭环伺服控制的一体化精密滑台的重复定位精度可达到±0.005mm，因此工位转换模块采用伺服电机驱动滚珠丝杠滑台的直线运动形式完成工位转换功能，可实现多位置精确定位并锁紧，如图9所示。

工位转换模块托板留有制孔锪窝模块、抽铆模块的接口，便于各模块的集成。由伺服电机驱动高精度一体化滑台带动托板沿滚珠导轨进行直线运动实现工位的转换，在铆接工位时，电主轴可向前进给，使刀具伸出末端执行器框架外，进行无干涉换刀。高精度一体化滑台装有直线光栅尺，通过光栅尺反馈值可对滑台定位进行精确控制，滑台在加工工位定位后，由气动导轨制动器对导轨进行锁死，可保证加工时工位转换模块具有更强位置保持能力。

MKS_2501_A16型导轨制动器在标准连接时可输出750N保持力，由于工位转换模块有两个导轨制动器63，可输出150kg保持力，可有效减小加工颤振对工位转换精度的影响。

抽铆模块的执行机构包括铆枪71、控制铆枪的电磁阀、进给气缸72，铆枪71通过连接件与进给气缸72连接。抽铆模块选用Cherry Max G704B枪泵分离式气动拉铆铆枪，工作压力6.2～7.6bar，行程12.954mm，工作压力为6.2bar时的拉力为13.79kN。将铆枪通过十字滑台73集成到末端执行器上，通过电磁阀的动作来实现对抽铆工序的控制，抽铆铆枪通过连接件与进给气缸相连，从而实现铆枪的进给，配合完成抽铆的功能进给，模块结构如图10所示。

Claims (3)

1.一种多功能自动钻铆末端执行器，由控制系统控制，以机床或机器人为载体，其特征在于：集成基准孔检测模块、法向找正模块、压力脚模块、制孔锪窝模块、铆钉接收及检测模块、工位转换模块、抽铆模块，各模块均包括控制电路和执行机构两部分，控制电路控制执行机构，控制系统与各模块的控制电路通讯；

其中：

基准孔检测模块的执行机构包括2D激光轮廓仪、直线伺服滑台、光栅尺，2D激光轮廓仪安装在直线伺服滑台上随动；

法向找正模块的执行机构包括压力脚模块两侧对称分布的4个激光位移传感器；压力脚模块的执行机构包括安装在导轨上由双气缸驱动的压力脚，气缸通过托板、法兰盘与机床或机器人固定连接；

制孔锪窝模块的执行机构包括安装在移动平台上的钻铆设备、驱动移动平台的电机、检测刀具进给量并反馈至控制电路的长度计量计，及刀具破损检测传感器；

铆钉接收及检测模块的执行机构包括接钉模块和检测模块，接钉模块包括安装在移动平台上的夹钉气爪，接钉模块通过送钉管道与送钉系统连接，检测模块包括直径检测传感器、长度检测传感器；

工位转换模块的执行机构包括托板、安装在托板上的滑台机构、伺服电机、2个导轨制动器，托板预留制孔锪窝模块、抽铆模块接口；

抽铆模块的执行机构包括铆枪、控制铆枪的电磁阀、进给气缸，铆枪通过连接件与进给气缸连接。

2.一种多功能自动钻铆末端执行器的自动钻铆方法，其特征在于包括如下步骤：

1)基准孔检测：基准孔检测模块检测并识别工件基准孔，获取基准孔圆心的坐标，并与预期坐标进行比较，得出位置误差，对待加工孔的位置进行修正，控制机床或机器人定位至待加工孔位；

2)法向找正：法向找正模块利用4个激光位移传感器，通过法向检测算法拟合出待加工孔所在近似平面的法矢，并对机床或机器人法向姿态偏差进行补偿，使刀具中心线与待加工表面法向重合；

3)压力脚压紧工件：压力脚模块在钻孔之前压紧工件，压力脚模块具有真空旁路吸屑单元，对制孔工作中产生的粉尘和废屑进行吸除，采用气缸和电磁比例阀调整压紧力，并通过PID控制保持耦合力的恒定；

4)制孔与锪窝：当工件将要钻透时，调整主轴进给速度，控制钻头轴向力，减小铆钉出口的毛刺，钻通后钻锪一体化刀具继续进给，进行锪窝；在锪窝过程中，长度计量计精确检测主轴进给量并反馈至控制单元；刀具破损检测传感器每次制孔之前对刀具进行确认，确认将要进行制孔工作的刀具是否准备就绪，采用光帘式光电传感器作为刀具破损检测传感器，配合反光板，传感器将检测状态反馈至控制系统；

5)铆钉的接收与检测：在制孔与锪窝的同时，接钉模块接收送钉管道被压缩气体吹来的抽芯铆钉，并配合检测模块实现对铆钉直径与长度的检测，并最终由接钉模块将铆钉插入铆枪枪头；

6)工位转换：工位转换模块利用滑台对制孔锪窝工位和铆接工位进行转换，利用导轨制动器对工位转换模块位置锁紧；

7)对工件的抽铆：抽铆模块通过铆枪将铆钉插入工件孔内，并最终完成对工件的铆接任务。

3.根据权利要求2所述的多功能自动钻铆末端执行器的自动钻铆方法，其特征在于：基准孔检测中，通过2D激光轮廓仪获得基准孔弦线两端点的X、Z坐标。直线伺服滑台带动2D激光轮廓仪在Y方向上移动，并通过光栅尺测得移动距离，得到端点的Y坐标值，最终计算得到基准孔实际圆心坐标，再将计算所得坐标值与预期坐标值进行比较，并对所有待加工孔的坐标值进行修正。