一种多功能钻铆执行器及其工作方法
技术领域
本发明涉及航空制造业自动化装配技术领域,尤其涉及通过真空吸盘将自身吸附在飞机蒙皮表面,从而对飞机机翼或机身框架进行自动钻孔、锪窝以及铆接的高集成、多功能末端执行器,具体的说,是一种多功能钻铆执行器及其工作方法。
背景技术
随着当代飞机制造的发展,人们对飞机性能要求的不断提高,传统的飞机装配已经不能满足其需求,自动化装配技术得到了越来越广泛的应用。飞机自动化装配系统主要沿着两个方向发展:一种是成本较高的、适用于大批量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、适用于小批量产品的轻型自动化装配系统,该种系统以轻型化、柔性化、模块化、成本低的优势成为飞机自动装配系统的发展方向之一,其典型代表有基于工业机器臂的自动装配系统、柔性轨道自动化装配系统、轻型自主爬行自动化装配系统。轻型自动化装配系统是在装配效率、系统柔性和设备成本之间折衷的一种方案,受到国内外业界的普遍重视。
多功能末端执行器是轻型自动化装配系统的关键技术之一,它关系着整个轻型自动化装配系统制孔效率与制孔质量。它主要是用来对飞机机翼或机身框架进行自动钻孔、锪窝以及铆接的一种高集成设备。多功能末端执行器用于飞机自动化装配加工为当代飞机制造自动化领域的技术热点和前沿性领域。目前的国内外轻型自动化装配系统末端执行器部分在结构以及功能上存在以下缺不足:
1) 目前大部分轻型自动化装配系统的末端执行器在功能上还不够完善,仅可以完成对工件的制孔和锪窝任务,铆接任务仍由人工实现,生产效率有待提高;
2) 目前自动化装配系统的末端执行机器部分虽然能够实现基本的功能,但末端部分在结构上不够紧凑,重量体积过大,影响了成本、制孔质量与制孔效率;
目前的大部分末端执行器大多以工业机器臂或柔性轨道为基体完成自动化装配,对于飞机上复杂的曲面或者复杂结构部分自由度还有待提高。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是针对上述技术现状,而供一种能对飞机机翼或机身框架进行自动钻孔、锪窝和铆接、集成度高的多功能钻铆执行器及其工作方法。
本发明解决上述技术问题所采用的技术方案为:
一种多功能钻铆执行器,其中:包括集成化的制孔锪窝模块、工位转换模块、插钉模块、铆接模块、法向检测模块、压力脚模块以及基准检测模块,
基准检测模块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,从而对待加工孔的位置进行修正;
法向检测模块包括数个激光位移传感器,激光位移传感器以刀具轴线为中心轴安置,发射激光束到蒙皮表面,检测待加工孔局部微小区域的刀尖点与孔位实际法向的偏差,计算钻铆执行器末端位姿需要调整的角度,进行法向调姿使最终刀尖点与孔位法向偏差在规定范围内,
压力脚模块用于在钻孔之前压紧工件;
制孔与锪窝模块用于在工件上制孔与锪窝;
工位转换模块用于改变钻铆执行器空间位置,在制孔与锪窝模块完成工作后将铆接模块转换至制孔与锪窝模块所在位置,并将制孔与锪窝模块移开;
插钉模块用于将铆钉送入铆接模块中;
铆接模块用于将铆钉铆接在工件上的钻孔中。
为优化上述技术方案,采取的具体措施还包括:
上述的压力脚模块包括压力脚电机、直线导轨、导轨滑块、第一丝杆连接板、压力脚气缸、排屑管路、滚动轴承、第二丝杆连接板以及吸管支架,压力脚电机与丝杆连接,丝杆穿过第一丝杆连接板,压力脚气缸固定在第一丝杆连接板上,压力脚气缸输出端连接第二丝杆连接板,压力脚气缸能推动第二丝杆连接板相对于直线导轨滑动,滚动轴承设置在压力脚气缸输出端和第二丝杆连接板之间,可以使压力脚气缸输出端和第二丝杆连接板进行微小转动,使压力脚模块下端与工件表面完全贴合,排屑管路固定在吸管支架上用于钻孔后的废渣排泄。
上述的制孔与锪窝模块包括长度计量计、法兰盘、脱刀气缸、制孔电机以及主轴底板,制孔与锪窝模块主体部分能在主轴底板上前后滑动,法兰盘前端固定刀具,脱刀气缸能驱动制孔与锪窝模块移除刀具;制孔电机为制孔与锪窝提供动力,长度计量计用来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。
上述的工位转换模块包括转换滑块、转换导轨、伺服电机、铆接底板以及主轴底板,铆接底板与主轴底板都与转换滑块刚性连接,从而整个钻铆执行器末端部分可附随转换滑块在转换导轨上运动。
上述的铆接模块包括送钉管路、送钉气缸、夹钉气爪和铆枪,插钉模块压缩气体将铆钉通过送钉管路输送至夹钉气爪处,夹钉气爪将铆钉夹住,夹钉气爪在送钉气缸驱动下移至铆枪位置,使铆钉轴线与铆枪轴线重合,铆枪进给将铆钉铆接在工件上的钻孔中。
上述的还包括换刀模块,换刀模块包括:内存刀具的刀库,刀库包括换刀气缸,换刀气缸支座,换刀气缸能将刀库内的刀具安装在法兰盘前端。
一种多功能钻铆执行器的工作方法,包括以下步骤:
一、基准检测:在一个站位上,采用CCD相机对工件上的孔进行基准扫描,CCD相机以拍照的方式记录下基准孔的信息,建立局部坐标系,并通过数据处理得出基准孔在钻铆系统下的坐标,从而结合离线编程所获取的孔位信息,以局部坐标系为纽带建立钻铆系统坐标系与产品坐标系之间的关联;
二、法向找正:以刀具轴线为中心轴均匀放置的激光位移传感器发射激光束到蒙皮表面,检测待加工孔局部微小区域的刀尖点与孔位实际法向的偏差;进行法向调姿使刀尖点与孔位法向偏差在规定范围内;
三、压力脚压紧工件:接收到上位机的控制信号后,压力脚电机启动驱动压力脚模块实现预进给,到达预定位置,压力脚电机停转,压力脚气缸启动驱动压力脚压紧工件;
四、制孔锪窝:压力脚模块后缘设置刀具破损检测传感器,当刀具破损检测传感器检测到断刀信号时实行换刀操作,控制的脱刀气缸移除刀具,然后控制换刀气缸将刀具安装到法兰盘前端;若刀具正常,则刀具进给,制孔电机为制孔与锪窝提供动力,转实现切削运动;
五、工位转换:制孔锪窝完成后,工位转换模块的伺服电机驱动转换滑块沿着X与Y方向进给到预定位置以完成制孔锪窝和铆接工位的转换;
六、铆接:插钉模块压缩气体将铆钉通过送钉管路输送至夹钉气爪处,光电开关发出信号,夹钉气爪张开将铆钉夹住,送钉气缸驱动夹钉气爪回退,接着送钉气缸驱动夹钉气爪及铆钉旋转至铆枪位置,使铆钉轴线与铆抢轴线重合,将铆钉插入铆枪,最后外接气缸驱动铆枪滑台进给以完成铆接工作。
步骤一中的基准检测的具体过程为:将CCD相机的扫描路径按照区域进行划分; CCD相机按照区域进行基准扫描,当扫描到基准孔时,经数据处理后记录该基准孔的位置坐标,并按照上述坐标转换方法将其转换到钻铆系统坐标系下;扫描到多个基准孔时,停止扫描,建立局部坐标系;由于局部坐标系与产品坐标系、钻铆系统坐标系均有关联,因此钻铆系统坐标系与产品坐标系的转换关系可以求出。
与现有技术相比,本发明的优点在于:1、整个末端执行器的功能比较完善具备基准检测、法向找正、压力脚压紧、制孔锪窝、换刀工位转换以及铆接功能;2、整个末端执行器体积小、重量轻、结构简单紧凑、制造成本比较低;3、整个末端执行机器是以自主多足移动平台为载体,而自主多足移动平台通过真空吸盘将自身吸附在飞机蒙皮表面,从而可以对飞机上的复杂曲面和复杂结构部分进行自动化装配因而自由度比较大;4、末端执行器通过中间的十字滑台实现制孔锪窝与铆接的工位转换方便灵活、同时也减轻了末端重量;5、末端执行机器的压力脚部分采用一种电机驱动双气缸进给的结构形式,同时在气缸输出端与压紧模块间设计安装滚动轴承使压力脚垫圈与工件表面完全贴合这样可以保证控制精度高、压紧力稳定,而且压紧力容易控制,为制孔质量提供保证;6、通过爬行钻铆系统外腿吸盘上的驱动机构完成腿部调姿从而实现对末端执行器姿态的调整。
附图说明
图1是本发明的结构示意图;
图2是基准检测原理图;
图3是法向检测原理图;
图4是压力脚模块结构示意图;
图5是制孔与锪窝模块结构示意图;
图6是刀库结构示意图;
图7是工位转换模块结构示意图;
图8是铆接模块的结构示意图。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例作进一步详细描述。
图1至图8所示为本发明的结构示意图。
其中的附图标记为:制孔锪窝模块1、长度计量计11、法兰盘12、脱刀气缸13、制孔电机14、主轴底板15、工位转换模块2、转换滑块21、转换导轨22、伺服电机23、铆接底板24、主轴底板25、插钉模块3、铆接模块4、钉管路41、送钉气缸42、夹钉气爪43、铆枪44、法向检测模块5、激光位移传感器51、压力脚模块6、压力脚电机61、直线导轨62、导轨滑块63、第一丝杆连接板64、压力脚气缸65、排屑管路66、滚动轴承67、第二丝杆连接板68、吸管支架69、基准检测模块7、换刀气缸81、换刀气缸支座82。
一种多功能钻铆执行器,其中:包括集成化的制孔锪窝模块1、工位转换模块2、插钉模块3、铆接模块4、法向检测模块5、压力脚模块6以及基准检测模块7,
基准检测模块7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,从而对待加工孔的位置进行修正;
法向检测模块5包括数个激光位移传感器51,激光位移传感器以刀具轴线为中心轴安置,发射激光束到蒙皮表面,检测待加工孔局部微小区域的刀尖点与孔位实际法向的偏差,计算钻铆执行器末端位姿需要调整的角度,进行法向调姿使最终刀尖点与孔位法向偏差在规定范围内,
压力脚模块6用于在钻孔之前压紧工件;
制孔与锪窝模块1用于在工件上制孔与锪窝;
工位转换模块2用于改变钻铆执行器空间位置,在制孔与锪窝模块1完成工作后将铆接模块4转换至制孔与锪窝模块1所在位置,并将制孔与锪窝模块1移开;
插钉模块3用于将铆钉送入铆接模块4中;
铆接模块4用于将铆钉铆接在工件上的钻孔中。
压力脚模块6包括压力脚电机61、直线导轨62、导轨滑块63、第一丝杆连接板64、压力脚气缸65、排屑管路66、滚动轴承67、第二丝杆连接板68以及吸管支架69,压力脚电机61与丝杆连接,丝杆穿过第一丝杆连接板64,压力脚气缸65固定在第一丝杆连接板64上,压力脚气缸65输出端连接第二丝杆连接板68,压力脚气缸65能推动第二丝杆连接板68相对于直线导轨62滑动,滚动轴承67设置在压力脚气缸65输出端和第二丝杆连接板68之间,可以使压力脚气缸65输出端和第二丝杆连接板68进行微小转动,使压力脚模块6下端与工件表面完全贴合,排屑管路66固定在吸管支架69上用于钻孔后的废渣排泄。
制孔与锪窝模块1包括长度计量计11、法兰盘12、脱刀气缸13、制孔电机14以及主轴底板15,制孔与锪窝模块1主体部分能在主轴底板15上前后滑动,法兰盘12前端固定刀具,脱刀气缸13能驱动制孔与锪窝模块1移除刀具;制孔电机14为制孔与锪窝提供动力,长度计量计11用来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。
工位转换模块2包括转换滑块21、转换导轨22、伺服电机23、铆接底板24以及主轴底板25,铆接底板24与主轴底板25都与转换滑块21刚性连接,从而整个钻铆执行器末端部分可附随转换滑块21在转换导轨22上运动。
铆接模块4包括送钉管路41、送钉气缸42、夹钉气爪43和铆枪44,插钉模块3压缩气体将铆钉通过送钉管路41输送至夹钉气爪43处,夹钉气爪43将铆钉夹住,夹钉气爪43在送钉气缸42驱动下移至铆枪44位置,使铆钉轴线与铆枪44轴线重合,铆枪4进给将铆钉铆接在工件上的钻孔中。
还包括换刀模块,换刀模块包括:内存刀具的刀库,刀库包括换刀气缸81,换刀气缸支座82,换刀气缸81能将刀库内的刀具安装在法兰盘12前端。
根据机身对接自动化装配需求,要求能够实现两把刀的转换,刀库安装于内框架上,其结构示意图如图6所示。其工作主要流程如下:当到刀具检测传感器检测到刀具有破损时,上位机发出换刀控制命令,启动气缸,由两个螺旋式气缸分别驱动两个刀柄,实现刀具的取回、送出、安装与退回。
一种多功能钻铆执行器的工作方法,包括以下步骤:
一、基准检测:基准检测模块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,基准检测原理图如图2所示。该模块可具体分为以下几个步骤:
1) 离线编程
借助CATIA提供的API函数接口,遍历零件或产品中所有特征对孔位的位置信息进行读取,并按照一定格式输出在工艺文件中;对于遍历得出的孔位坐标信息要按照基准孔、不同尺寸的待钻孔、站位这三个条件进行合理归类和排序,最终得到产品加工信息数据库。
2) 基准检测
将CCD相机的扫描路径按照区域行划分,CCD相机按照区域进行基准扫描,获取基准图像,图像经过边缘检测、区域分割、边界追踪等预处理后,可以得到基准孔的边界数据点集,然后通过一定方法,估计出基准孔参数。CCD相机获得的是基准孔边缘的2维图像信息,可直接在图像平面进行孔参数估计。将2维坐标信息经数据处理后,可得到最终的3维坐标。
3) 坐标的建立以及转换
根据扫描得到的基准孔建立局部坐标系、产品坐标系,按照七参数法坐标变换原理或者是单位四元数法坐标变换原理实现局部坐标系与产品坐标系、局部坐标系与钻铆系统坐标系的转换,进而进一步得到钻铆系统坐标系与产品坐标系的转换关系。
4) 数据输出
由以上的数据处理以及坐标转换,可以将待钻孔的坐标经过坐标转换换算到每一个站位的钻铆系统坐标系下,从而实现基准检测。
二、法向找正:法向找正模块主要分为法向检测与法向调姿,图3为法向检测原理图。压力脚模块上以刀具轴线为中心轴均匀放置的四个激光位移传感器发射激光束到蒙皮表面,检测待加工孔局部微小区域的刀尖点与孔位实际法向的偏差,通过数学处理,计算轻型自主爬行钻铆系统末端位姿需要调整的角度,进行法向调姿使最终刀尖点与孔位法向偏差在规定范围内。
法向调姿是通过腿部调姿实现的,利用四条腿的姿态改变带动爬行钻铆系统的姿态变化,从而带动钻铆末端执行器的姿态变化,达到调姿目的。调姿时,爬行钻铆系统内部四条腿吸盘脱落,仅外部吸盘吸附,外部四条腿的吸盘上设计了驱动机构,由气缸驱动导轨滑块,完成X、Y向移动;中间部分采用球铰与腿部连接,可实现全方位转动。
三、压力脚压紧工件: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,提高钻铆末端执行器刚度,改善制孔工作条件。为了维护工作环境的整洁,改善钻铆执行器的工作环境,执行器上设计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。
压力脚模块采用一种电机驱动双气缸进给的结构形式。其结构示意图如图4所示:压力脚电机61、直线导轨62、导轨滑块63、第一丝杆连接板64、压力脚气缸65、排屑管路66、滚动轴承67、第二丝杆连接板68、吸管支架69。压力脚模块整个动作流程如下:到达待加工孔位,伺服电机接收到控制系统上位机发出的信号,启动压力脚电机61,推动双气缸进给使压力脚接近待加工孔位,完成预进给工作;此后压力脚电机61停转,压力脚气缸65启动,驱动压力脚压紧工件,达到预定压紧力;在主轴进给的同时启动压力脚电机61使其反转,并控制其退回量以保证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,待制孔完成主轴停转并退回后压力脚伺服电机反转,气缸回退。压力脚返回初始位置。本发明在气缸输出端与压紧模块间设计安装滚动轴承67,可实现压力脚在工件表面上的微小转动,使压力脚垫圈与工件表面完全贴合,为制孔质量提供保证。
四、制孔锪窝:制孔与锪窝模块结构示意图如图5所示:本专利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。刀具折损检测是每次制孔之前对刀具的确认,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。确认刀具正常后,八条腿腿部电机启动,通过电机驱动滚珠丝杠滑台带动电主轴实现进给运动;当刀具破损检测传感器检测到断刀信号时实行换刀操作,控制的脱刀气缸13移除刀具,然后控制换刀气缸81将刀具安装到法兰盘12前端;若刀具正常,则刀具进给,制孔电机14为制孔与锪窝提供动力,转实现切削运动;制孔时产生的废屑可由真空吸屑管路排除;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,可减小出口处的毛刺;在锪窝过程中,长度计量计用来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。
五、工位转换:本发明利用移动平台的内部滑台机构,由滑台上的电机驱动滚珠丝杠带动钻铆执行器完成工位转换。其结构示意图如图7所示,铆接底板与主轴底板都与滑块刚性连接,从而整个钻铆执行器末端部分可附随滑块在导轨上运动;上位机发出控制信号后,伺服电机启动,驱动钻铆执行器在导轨上沿X向滑动,同理,在Y方向上也是通过伺服电机驱动整个钻铆执行器末端沿导轨运动从而实现工位的精确转换。
六、铆接:插钉模块3压缩气体将铆钉通过送钉管路41输送至夹钉气爪4处,光电开关发出信号,夹钉气爪4张开将铆钉夹住,送钉气缸42驱动夹钉气爪4回退,接着送钉气缸42驱动夹钉气爪4及铆钉旋转至铆枪4位置,使铆钉轴线与铆抢轴线重合,将铆钉插入铆枪4,最后外接气缸驱动铆枪滑台进给以完成铆接工作。
以上仅是本发明的优选实施方式,本发明的保护范围并不仅局限于上述实施例,凡属于本发明思路下的技术方案均属于本发明的保护范围。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前提下的若干改进和润饰,应视为本发明的保护范围。