CN104991516B - 自由曲面薄壁零件的定位装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及自由曲面薄壁零件的定位装置及方法，第一调整模块包括X轴传送单元、Y轴传送单元和Z轴可调伺服支撑机构，Z轴可调伺服支撑机构安装于Y轴传送单元上，Y轴传送单元安装于X轴传送单元上；第二调整模块包括X轴传送单元、Y轴自由滑动单元和Z轴可调伺服支撑机构，Z轴可调伺服支撑机构安装于Y轴自由滑动单元上，Y轴自由滑动单元安装于X轴传送单元上；第三调整模块包括X轴自由滑动单元、Y轴自由滑动单元和Z轴可调伺服支撑机构，Z轴可调伺服支撑机构安装于Y轴自由滑动单元上，Y轴自由滑动单元安装于X轴自由滑动单元上；每一Z轴可调伺服支撑机构上均安装一球头浮动机构。定位精确，调姿效率高，误差低。
Description
技术领域
本发明涉及一种自由曲面薄壁零件的定位装置及其方法。
背景技术
曲面零件的自动加工和装配过程中，加工头需要在曲面的法向上进行钻孔或铆接等操作。因此曲面零件自动加工前需要进行曲面的法向调整，使得加工进给方向与加工点的法向重合。法向调整的精度对加工质量和产品的使用寿命有很大的影响。因而，高效稳定的测量调整方法及设备可以提高曲面零件自动加工的质量和效率。
目前，曲面零件法向的测量及调整主要采用人工视觉法和工装调整法。人工视觉监测法、手动调整法，其调整效率不高，调整质量不够稳定；工装调整法中，工装较大的重量和体积使得调整不够灵活，并对法向调整的精度和效率产生一定的影响。专利号201010281290.3公开了一种基于三点微平面法向检测方法，并应用激光位移传感器技术及数据采集技术，通过一定的算法可以测得曲面上待测点的法向量，该检测方法计算精度高，但没有涉及法向调整的方法及设备，在工业应用方面有一定的局限性。文献《飞机壁板自动钻铆法向量测量方法研究》提出一种飞机壁板自动钻铆加工过程中实时测量钻铆点处法向量的方法：利用激光测距传感器在钻铆点周围获取特征点的坐标，通过二次曲面拟合算法计算出钻铆点处法向量。专利号200710049461.8涉及一种法向铆接曲型件的控制方法，采用三点悬挂零件托架，取代人工视觉法向控制。上述用于壁板自动钻铆加工中的法向测量调整方法，通过改变放置壁板托架的姿态实现法向调整，此类方法加工时的开敞性不够好，托架较大的质量和较大的体积会对调整的精度和灵活性产生不良影响。
发明内容
本发明的目的是克服现有技术存在的不足，提供一种自由曲面薄壁零件的定位装置及其方法。
本发明的目的通过以下技术方案来实现：
自由曲面薄壁零件的定位装置，特点是：包括滑台以及布置其上的三组调整模块，其中，
第一调整模块包括X轴传送单元、Y轴传送单元和Z轴可调伺服支撑机构，Z轴可调伺服支撑机构安装于Y轴传送单元上，Y轴传送单元安装于X轴传送单元上；
第二调整模块包括X轴传送单元、Y轴自由滑动单元和Z轴可调伺服支撑机构，Z轴可调伺服支撑机构安装于Y轴自由滑动单元上，Y轴自由滑动单元安装于X轴传送单元上；
第三调整模块包括X轴自由滑动单元、Y轴自由滑动单元和Z轴可调伺服支撑机构，Z轴可调伺服支撑机构安装于Y轴自由滑动单元上，Y轴自由滑动单元安装于X轴自由滑动单元上；
所述每一Z轴可调伺服支撑机构上均安装一球头浮动机构；
所述滑台的中间位置布置有重心支撑装置。
进一步地，上述的自由曲面薄壁零件的定位装置，其中，所述第一调整模块的X轴传送单元包括X轴滑轨和控制X轴滑轨运动的电机X，其Y轴传送单元包括Y轴滑轨和控制Y轴滑轨运动的电机Y，Y轴传送单元安装于X轴传送单元的X轴滑轨上，其Z轴可调伺服支撑机构安装于Y轴传送单元的Y轴滑轨上。
更进一步地，上述的自由曲面薄壁零件的定位装置，其中，所述第二调整模块的X轴传送单元包括X轴滑轨和控制X轴滑轨运动的电机X，其Y轴自由滑动单元安装于X轴传送单元的X轴滑轨上，其Z轴可调伺服支撑机构安装于Y轴自由滑动单元上。
更进一步地，上述的自由曲面薄壁零件的定位装置，其中，所述重心支撑装置包含底座、锁止螺母和丝杠，锁止螺母通过止推轴承旋转自如地安装于底座上，锁止螺母中配装有垂直的丝杠，锁止螺母的旋转运动转化为丝杠的上下运动，丝杠的上端设有丝杠套，丝杠套的顶端安装有支撑头。
更进一步地，上述的自由曲面薄壁零件的定位装置，其中，所述丝杠套上安装有垂直的标尺。
再进一步地，上述的自由曲面薄壁零件的定位装置，其中，所述锁止螺母上沿周向分布有多个用于安装手柄的安装孔。
再进一步地，上述的自由曲面薄壁零件的定位装置，其中，所述Z轴可调伺服支撑机构包含内导向座以及置于其外层的外导向套，介于内导向座与外导向套之间设有可沿其轴向滑动的导向柱，内导向座的端部安装有电机安装座，伺服电动缸置于内导向座中且与电机安装座相固定，所述导向柱上安装有连接座，伺服电动缸推杆与连接座相连接，连接座上安装一支撑球头，支撑球头置于球窝支撑座上构成球关节浮动支撑；所述导向柱上固定一防转连接板，外导向套的侧壁固定一防转座，与伺服电动缸推杆的轴向平行设置的防转杆，其一端固定于防转座上，其另一端穿过防转座上的导向孔，可沿导向孔轴向滑动；
导向柱上固定一挡铁连接板，外导向套的侧壁固定一挡铁导向座，与伺服电动缸推杆的轴向平行设置的挡铁安装杆，其一端固定于挡铁连接板上，其另一端穿过挡铁导向座上的导向孔，挡铁安装杆的顶端套装有上行程死挡铁，挡铁安装杆的底端安装有下行程死挡铁；
上行程死挡铁通过调节螺母安装于挡铁安装杆上，其在挡铁安装杆上的轴向位置可调。
再进一步地，上述的自由曲面薄壁零件的定位装置，其中，所述球头浮动机构的顶端安装有用于与吊具连接的锥体。
再进一步地，上述的自由曲面薄壁零件的定位装置，其中，所述滑台安装于直线运动机构上。
本发明自由曲面薄壁零件的定位方法，零件放置在三组调整模块上进行姿态调整，调整好后，滑台将零件及调整模块一起送入加工区；根据激光跟踪仪检测的曲面上设定坐标点的坐标数据，首先驱动三组调整模块上的Z轴可调伺服支撑机构调整曲面零件的水平姿态，然后测量垂直方向上的高度差，继续驱动Z轴可调伺服支撑机构，调整零件高度，检查水平及高度，直至位置正确；驱动第二调整模块的X轴传送单元，使零件绕支点水平转动，第三调整模块的X轴自由滑动单元和Y轴自由滑动单元随动，同时驱动第一调整模块的X轴传送单元和第二调整模块的X轴传送单元，调整零件X向至正确位置。
本发明技术方案突出的实质性特点和显著的进步主要体现在：
本发明设计新颖，实现自由薄壁曲面零件的自动定位，结合激光跟踪测量装置，调姿效率高，误差低；在重心处的弹性支撑装置，解决了零件在定位过程中可能产生变形的问题；应用于对飞机后尾翼垂直安定面的调姿定位中，调姿效果良好，定位精确。与传统液压控制定位方式相比，其结构简洁，实现了法向调整与控制；与传统人工视觉检测、手动调整法相比，结合激光跟踪测距，其调整效率高，调整质量稳定。
附图说明
下面结合附图对本发明技术方案作进一步说明：
图1：本发明的结构示意图；
图2：Z轴可调伺服支撑机构与球头浮动机构的连接示意图；
图3：Z轴可调伺服支撑机构的结构示意图；
图4：重心支撑装置的结构示意图。
具体实施方式
如图1、图2所示，自由曲面薄壁零件的定位装置，包括滑台5以及布置其上的三组调整模块，其中，第一调整模块1包括X轴传送单元、Y轴传送单元和Z轴可调伺服支撑机构，X轴传送单元包括X轴滑轨和控制X轴滑轨运动的电机X，其Y轴传送单元包括Y轴滑轨和控制Y轴滑轨运动的电机Y，Y轴传送单元安装于X轴传送单元的X轴滑轨上，其Z轴可调伺服支撑机构安装于Y轴传送单元的Y轴滑轨上；
第二调整模块2包括X轴传送单元、Y轴自由滑动单元和Z轴可调伺服支撑机构，X轴传送单元包括X轴滑轨和控制X轴滑轨运动的电机X，其Y轴自由滑动单元安装于X轴传送单元的X轴滑轨上，其Z轴可调伺服支撑机构安装于Y轴自由滑动单元上；
第三调整模块3包括X轴自由滑动单元、Y轴自由滑动单元和Z轴可调伺服支撑机构，Z轴可调伺服支撑机构安装于Y轴自由滑动单元上，Y轴自由滑动单元安装于X轴自由滑动单元上；
每一Z轴可调伺服支撑机构6上均安装一球头浮动机构7，球头浮动机构7的顶端安装有用于与吊具连接的锥体8；
滑台5的中间位置布置有重心支撑装置4，滑台5安装于直线运动机构上。
如图3所示，Z轴可调伺服支撑机构6包含内导向座61以及置于其外层的外导向套63，介于内导向座61与外导向套63之间设有可沿其轴向滑动的导向柱62，内导向座61的端部安装有电机安装座74，伺服电动缸78置于内导向座61中且与电机安装座74相固定，所述导向柱62上安装有连接座71，伺服电动缸推杆与连接座71相连接，连接座71上安装一支撑球头69，支撑球头69置于球窝支撑座70上构成球关节浮动支撑；所述导向柱62上固定一防转连接板72，外导向套63的侧壁固定一防转座75，与伺服电动缸推杆的轴向平行设置的防转杆76，其一端固定于防转座75上，其另一端穿过防转座75上的导向孔，可沿导向孔轴向滑动；
导向柱62上固定一挡铁连接板68，外导向套63的侧壁固定一挡铁导向座64，与伺服电动缸推杆的轴向平行设置的挡铁安装杆67，其一端固定于挡铁连接板68上，其另一端穿过挡铁导向座64上的导向孔，挡铁安装杆67的顶端套装有上行程死挡铁65，挡铁安装杆67的底端安装有下行程死挡铁；
上行程死挡铁65通过调节螺母66安装于挡铁安装杆67上，其在挡铁安装杆67上的轴向位置可调。
如图4所示，重心支撑装置4包含底座41、锁止螺母42和丝杠45，锁止螺母42通过止推轴承46旋转自如地安装于底座41上，锁止螺母42中配装有垂直的丝杠45，锁止螺母42的旋转运动转化为丝杠45的上下运动，丝杠45的上端设有丝杠套48，丝杠套48的顶端安装有支撑头44。丝杠套48上安装有垂直的标尺43。锁止螺母42上沿周向分布有多个用于安装手柄47的安装孔。通过锁止螺母42的转动转化为丝杠45的上下运动，丝杠45与丝杠套48相对静止，通过标尺43可以读出支撑头44的位置。锁止螺母42下方为止推轴承46，实现锁止螺母42的旋转运动。手柄47可拆卸，可在锁止螺母42的多处安装手柄47，防止标尺43妨碍手柄47动作。
每个调整模块上均有Z轴可调伺服支撑机构6(电机带抱刹)，支撑有足够刚性，每个点在施加夹紧力1000N的情况下向下位移不大于0.05mm；Z轴可调伺服支撑机构下方为十字滑台(X-Y轴)，其中第一调整模块1的X轴向、Y轴向均有伺服电机驱动实现直线运动；第二调整模块2仅在X轴向有驱动，Y轴向无驱动，可在Y轴向一定范围内随动；第三调整模块3的X轴向、Y轴向均无驱动，可随动。实现曲面零件姿态六个自由度调整。
具体应用时，零件放置在三组调整模块上进行姿态调整，调整好后，滑台将零件及调整模块一起送入加工区，三组调整模块对零件的支撑部位由零件具体确定，在工件吊具下方，其三点与调整模块的支撑点采用球头浮动连接；根据激光跟踪仪检测的曲面上设定坐标点的坐标数据，首先驱动三组调整模块的Z轴可调伺服支撑机构调整曲面零件的水平姿态，然后测量垂直方向上的高度差，继续驱动Z轴可调伺服支撑机构，调整零件高度，检查水平及高度，直至位置正确；驱动第二调整模块的X轴传送单元，使零件绕支点水平转动，第三调整模块的X轴自由滑动单元和Y轴自由滑动单元随动(第三调整模块滑台导轨可以相对于第一调整模块和第二调整模块的滑台以一定偏角安装，或采用全浮动结构，防止在随动中自锁)，使零件加工面与机床X向平行；同时驱动第一调整模块的X轴传送单元和第二调整模块的X轴传送单元，调整零件X向至正确位置；驱动滑台，送零件及调姿装置一起进入加工区，定位调整结束。零件姿态可自动调整也可手动控制，姿态调整精度和重复定位精度满足规定要求。
在零件重心位置有重心支撑装置，用于克服重力对零件产生的变形，但不得影响调姿，采用弹性支撑，支撑力和支撑高度可调，支点采用软质材料，材料可随支撑处零件包络面形状变化，支撑点变化不对零件表面产生伤害。
本发明实现自由薄壁曲面零件的自动定位，结合激光跟踪测量装置，调姿效率高，误差低；在重心处的弹性支撑装置，解决了零件在定位过程中可能产生变形的问题；应用于对飞机后尾翼垂直安定面的调姿定位中，调姿效果良好，定位精确。与传统液压控制定位方式相比，其结构简洁，实现了法向调整与控制；与传统人工视觉检测、手动调整法相比，结合激光跟踪测距，其调整效率高，调整质量稳定。
需要理解到的是：以上所述仅是本发明的优选实施方式，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，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.自由曲面薄壁零件的定位装置，其特征在于：包括滑台以及布置其上的三组调整模块，其中，
第一调整模块包括X轴传送单元、Y轴传送单元和Z轴可调伺服支撑机构，Z轴可调伺服支撑机构安装于Y轴传送单元上，Y轴传送单元安装于X轴传送单元上；
第二调整模块包括X轴传送单元、Y轴自由滑动单元和Z轴可调伺服支撑机构，Z轴可调伺服支撑机构安装于Y轴自由滑动单元上，Y轴自由滑动单元安装于X轴传送单元上；
第三调整模块包括X轴自由滑动单元、Y轴自由滑动单元和Z轴可调伺服支撑机构，Z轴可调伺服支撑机构安装于Y轴自由滑动单元上，Y轴自由滑动单元安装于X轴自由滑动单元上；
每一Z轴可调伺服支撑机构上均安装一球头浮动机构；
所述滑台的中间位置布置有重心支撑装置；
所述重心支撑装置包含底座、锁止螺母和丝杠，锁止螺母通过止推轴承旋转自如地安装于底座上，锁止螺母中配装有垂直的丝杠，锁止螺母的旋转运动转化为丝杠的上下运动，丝杠的上端设有丝杠套，丝杠套的顶端安装有支撑头；
所述Z轴可调伺服支撑机构包含内导向座以及置于其外层的外导向套，介于内导向座与外导向套之间设有可沿其轴向滑动的导向柱，内导向座的端部安装有电机安装座，伺服电动缸置于内导向座中且与电机安装座相固定，所述导向柱上安装有连接座，伺服电动缸推杆与连接座相连接，连接座上安装一支撑球头，支撑球头置于球窝支撑座上构成球关节浮动支撑；所述导向柱上固定一防转连接板，外导向套的侧壁固定一防转座，与伺服电动缸推杆的轴向平行设置的防转杆，其一端固定于防转座上，其另一端穿过防转座上的导向孔，可沿导向孔轴向滑动；
导向柱上固定一挡铁连接板，外导向套的侧壁固定一挡铁导向座，与伺服电动缸推杆的轴向平行设置的挡铁安装杆，其一端固定于挡铁连接板上，其另一端穿过挡铁导向座上的导向孔，挡铁安装杆的顶端套装有上行程死挡铁，挡铁安装杆的底端安装有下行程死挡铁；
上行程死挡铁通过调节螺母安装于挡铁安装杆上，其在挡铁安装杆上的轴向位置可调。
2.根据权利要求1所述的自由曲面薄壁零件的定位装置，其特征在于：所述丝杠套上安装有垂直的标尺。
3.根据权利要求1所述的自由曲面薄壁零件的定位装置，其特征在于：所述锁止螺母上沿周向分布有多个用于安装手柄的安装孔。
4.权利要求1所述自由曲面薄壁零件的定位装置实现自由曲面薄壁零件的定位方法，其特征在于：零件放置在三组调整模块上进行姿态调整，调整好后，滑台将零件及调整模块一起送入加工区；根据激光跟踪仪检测的曲面上设定坐标点的坐标数据，首先驱动三组调整模块上的Z轴可调伺服支撑机构调整曲面零件的水平姿态，然后测量垂直方向上的高度差，继续驱动Z轴可调伺服支撑机构，调整零件高度，检查水平及高度，直至位置正确；驱动第二调整模块的X轴传送单元，使零件绕支点水平转动，第三调整模块的X轴自由滑动单元和Y轴自由滑动单元随动，同时驱动第一调整模块的X轴传送单元和第二调整模块的X轴传送单元，调整零件X向至正确位置。
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