CN104999122A - 飞机蒙皮自动化高精度铣边装置及其铣边方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种飞机蒙皮自动化高精度铣边装置及其铣边方法，采用自动化控制方式实现了待铣削区域的点位找正、法向调平、柔性夹持、铣刀轨迹规划、数控代码生成等功能。从而保证蒙皮的尺寸精度、法向精度以及切口粗糙度。

Description

飞机蒙皮自动化高精度铣边装置及其铣边方法

技术领域

本发明属于飞机蒙皮自动化铣边领域，具体来说是指一种适用于飞机蒙皮的自动化高精度铣边修形系统。

背景技术

蒙皮自动化铣边技术是基于产品数字化设计制造的一项技术，也是航空制造中最先进的加工技术之一，其借助于高精度铣边设备、多自由度的机床系统以及先进的自动控制技术，保证飞机蒙皮的铣削精度控制在误差允许范围内，从而使精密制造和装配成为可能。

由于飞机蒙皮具有尺寸大、刚性低等特点，尤其在对接阶段由于已与长桁、围框等零件完成连接，造成整个结构可移动性差，普通数控铣床难以满足蒙皮铣边的要求，目前只能依靠传统的人工修形来完成。人工铣边修形工作量大、生产成本高、周期长，且修形效果依据工人工作经验的不同而相差较大，难以保证蒙皮的外形精度、法向精度和切口粗糙度，从而影响飞机后续的装配。目前国内大型零件铣边领域的研究主要集中在对各类铣边机床的改进。如专利CN 201070688Y发明了一种高效铣边机，加工过程中铣刀不动，通过控制工件连续匀速移动，从而提高大型钢板的铣削效率。该铣边机结构紧凑、体积小、造价低，但是该装置要求待加工零件为平面结构，且铣刀无法移动，不适用于加工带曲率的蒙皮。专利CN201405108发明了一种钢板铣边机，通过设置压紧装置，避免了铣边时钢板的振动，提高了铣削质量；同时采用多组动力头，提高了铣削效率。由于该机床动力头的运动轨迹为水平直线型，只能进行平面类型钢板的铣边，也不适用于带曲率大型蒙皮的铣边。因此，上述改进的设备没有解决同一待加工零件带有不同曲率的铣边问题，更不能保证铣边精度，需要进一步改进。

发明内容

要解决的技术问题

为了解决飞机蒙皮铣边修形过程中存在的问题，本发明通过分析蒙皮的外形特征，结合数控铣床的工作原理，提供了一种飞机蒙皮自动化高精度铣边的装置和方法。采用自动化控制方式实现了待铣削区域的点位找正、法向调平、柔性夹持、铣刀轨迹规划、数控代码生成等功能。从而保证蒙皮的尺寸精度、法向精度以及切口粗糙度。

技术方案

一种飞机蒙皮自动化高精度铣边装置，其特征在于包括设备基座、XY向移动单元、扫边单元、电主轴单元、基座连接板、视觉找正单元、柔性夹持单元和法向调平单元；设备基座设有开口且中间为空的，设备基座的外部上侧安装法兰盘，XY向移动单元安装于设备基座的内部上侧，扫边单元安装于设备基座的内部的一侧，设备基座的另一侧与基座连接板通过螺栓连接；视觉找正单元、柔性夹持单元和法向调平单元均安装在基座连接板上。

所述的XY向移动单元包括X向丝杠导轨组合装置、X向联轴器、X向驱动电机、X向移动平台底座、X向导轨滑块单元、Y向导轨滑块单元、Y向移动平台底座、Y向联轴器、Y向电机和Y向丝杠导轨组合装置；Y向移动平台底座一侧连接设备基座，另一侧安装Y向丝杠导轨组合装置、Y向导轨滑块单元、Y向联轴器和Y向电机，X向移动平台底座一侧和Y向导轨滑块单元和Y向丝杠导轨组合装置连接，另一侧安装X向丝杠导轨组合装置、X向联轴器、X向驱动电机和X向导轨滑块单元。

所述的扫边单元包括气动导轨丝杠单元和二维激光传感器，气动导轨丝杠单元一侧和轮廓测量仪连接，另一侧连接在设备基座上。

所述的电主轴单元包括电主轴连接板、电主轴基座、电主轴、刀柄和铣刀；电主轴基座安装在电主轴连接板上，与电主轴过盈配合，刀柄安装在电主轴前端，铣刀通过刀柄夹持。

一种利用飞机蒙皮自动化高精度铣边装置进行的铣边方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：定位孔位置找寻：依据理论数模的位置信息将设备移动到蒙皮定位孔或定位钉区域，利用视觉找正系统的拍照和记录功能，寻找定位孔或定位钉，确定实际坐标位置，将测量数据反馈给控制系统从而控制机床带动铣边设备移动，使定位孔或定位钉位于视觉相机视野的中间位置；

步骤2：法向调平：孔位找寻之后，四个法向传感器开始同时工作，测量出各自到蒙皮的距离，将测量数据反馈给控制系统，生成坐标补偿量，利用数控系统控制设备的位姿调整，使四个传感器的测量值最终相等，从而保证主轴轴线与定位孔轴线达到平行，记录此时视觉系统和法向传感器的数据，并将其作为第一组数据。

步骤3：将设备移动到蒙皮的下一个定位孔的位置，重复步骤1和2，记录第二组数据，将这两组数据和三维模型进行对比，建立待铣工件和机床坐标系实际的位置关系。

步骤4：待铣边区域法向找正：建立好工件坐标系和机床坐标系之间的关系后，设备移动到蒙皮边缘处，重复步骤2的铣边区域的法向进行找正，如果四个传感器的测量值不一样，重复步骤1-3，如果一样继续下一步。

步骤5：柔性夹持：法向调平后，四个真空吸盘开始对待加工区域的蒙皮进行夹持，增强蒙皮局部刚度，减小铣边过程工件的变形量，提高铣边精度。

步骤6：待铣区域扫边：完成前五个步骤之后，二维激光传感器开始对待铣区域轮廓进行扫描，获得实际外形的边缘曲线数据，之后和蒙皮的理论三维模型对比，确定铣削过程的切削量。

步骤7：数控代码生成：根据待铣区域的外形曲线和切削量，利用插补算法，自动生成铣边数控系统可用的数控代码。

步骤8：铣刀铣边：打开吸屑及冷却装置，系统执行数控代码，进行铣边。

步骤9：重复步骤4-8，实现下一个段铣边任务。

有益效果

本发明提出的一种机蒙皮自动化高精度铣边装置及铣边方法，具有以下有益效果：

(1)点位找正功能，通过视觉找正单元准确找寻不同曲率蒙皮上预定位孔的位置，确定实际工件坐标系和机床坐标系之间的关系。

(2)法向调平功能，四个法向测距传感器精确测量各自到蒙皮表面的距离，之后将数据传输给闭环控制系统，调整铣边设备的姿态，使铣刀轴线和蒙皮法线平行，保证铣边过程不会出现切口歪斜。

(3)轮廓扫描功能，利用扫边单元中的二维激光传感器对待铣区域轮廓进行扫描，获得边缘外形的曲线数据，和理论模型对比后确定切削参数。

(4)柔性夹持功能，四个带角度补偿的真空吸盘可以对不同曲率蒙皮的加工区域进行夹持，增强其刚度，减小铣边过程工件的变形量，提高铣边精度。

附图说明

图1自动化铣边设备整体结构图

图2XY向移动平台结构图

图3法向调平及柔性夹持单元结构图

图4扫边单元结构图

图5视觉找正单元结构图

图6电主轴单元结构图

图中：1-设备基座；2-XY向移动单元；3-扫边单元；4-电主轴单元；5-除尘吸屑单元入口；6-视觉找正单元；7-柔性夹持单元；8-法向调平单元；9-X向丝杠导轨组合装置；10-X向联轴器；11-X向驱动电机；12-X向移动平台底座；13-X向导轨滑块单元；14-Y向导轨滑块单元；15-Y向移动平台底座；16-Y向联轴器；17-Y向电机；18-Y向丝杠导轨组合装置；19-柔性吸盘连接板；20-法向测距传感器；21-气动吸盘；22-气动导轨丝杠单元；23-二维激光传感器；24-视觉相机；25-相机连接板；26-光源连接板；27-视觉光源；28-电主轴连接板；29-电主轴基座；30-电主轴；31-刀柄；32-铣刀。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

本发明装置包括设备基座1、XY向移动单元2、扫边单元3、电主轴单元4、基座连接板19、视觉找正单元6、柔性夹持单元7和法向调平单元8。

如图1所示，设备基座1设有开口且中间为空的，设备基座1的外部上侧安装法兰盘(用于和机器人或坐标机床连接)，XY向移动单元2安装于设备基座1的内部上侧，扫边单元3安装于设备基座1的内部的一侧，设备基座1的另一侧与基座连接板19通过螺栓连接，设备基座1的内部下侧设有除尘吸屑单元入口5。视觉找正单元6、柔性夹持单元7和法向调平单元8均安装在基座连接板19上，视觉找正单元6位于基座连接板19的内侧，与扫边单元3相对的一侧，柔性夹持单元7位于基座连接板19的下侧，用于夹持蒙皮，法向调平单元8包括四个法向测距传感器20，其中2个位于基座连接板19的外侧，两个位于基座连接板19的内侧。本实施例所有的安装和连接都是采用螺栓安装方式。

如图2所示，所述XY向移动单元2主要包含X向移动层和Y向移动层。Y向移动层包括Y向导轨滑块单元14、Y向移动平台底座15、Y向联轴器16、Y向电机17和Y向丝杠导轨组合装置18，Y向移动平台底座15为中空的长方形，一侧与设备基座1连接，另一侧的一端安装Y向导轨滑块单元14，另一端安装丝Y向丝杠导轨组合装置18，Y向电机17通过Y向联轴器16连接在Y向丝杠导轨组合装置18。X向移动层包括X向丝杠导轨组合装置9、X向联轴器10、X向驱动电机11和X向移动平台底座12，X向移动平台底座12同样为中空长方形，其尺寸小于Y向移动平台底座15，X向移动平台底座12一侧和Y向移动层的Y向导轨滑块单元14和Y向丝杠导轨组合装置18连接，另一侧的一端安装X向导轨滑块单元13，另一端安装X向丝杠导轨组合装置9，X向电机11通过X向联轴器10连接在X向丝杠导轨组合装置9上。X向移动层顶部安装电主轴连接板，电主轴连接板28连接在丝杠导轨组合装置9和X向导轨滑块单元13的滑块上，铣边过程中XY向移动单元2带动电主轴单元4沿X、Y两个方向移动，从而满足刀具铣边的各类运动轨迹。

如图3所示，四个法向测距传感器20通过螺钉安装在基座连接板19上，保证四个法向测距传感器20的前端在同一平面内，在平面上形成了一个长方形。工作过程中利用四个传感器测量20的数据判断刀具轴线是否和蒙皮法线平行，通过设备数据系统对四个数据的比较和处理得到设备各个自由度需要移动的行程，控制设备调整位姿。四个带角度补偿的气动吸盘21按照直线等距排列在基座连接板19的同一平面内，在设备完成视觉找正和法向调平之后对蒙皮进行柔性夹持，增强蒙皮局部刚度，减小铣边过程中工件的变形量。

如图4所示，气动导轨丝杠单元22一侧和轮廓测量仪23连接，另一侧连接在设备基座1上。工作过程中，当设备完成视觉找正、法向找正和柔性夹持之后，气动导轨丝杠单元22带动二维激光传感器23沿Y向移动，对待加工蒙皮的边缘进行扫描，获得实际外形的边缘曲线数据，控制系统通过将测量数据和蒙皮的理论三维模型对比，确定铣削过程的切削量。

如图5所示，光源连接板26一端和视觉光源27连接，另一端和基座连接板19通过长条孔连接，安装过程中通过长条孔视觉光源27可上下微调从而与视觉相机24的镜头达到同轴；L形相机连接板25一端和视觉相机24连接，一端采用长条孔和基座连接板19连接，安装过程中通过长条孔视觉相机24和L形相机连接板25可以沿视觉相机24镜头方向微调，从而保证蒙皮在相机镜头中的最佳位置。

如图6所示，所述电主轴单元主要由电主轴连接板28、电主轴基座29、电主轴30、刀柄31和铣刀32组成。电主轴连接板28用于连接电主轴基座29和XY向移动单元2。电主轴基座29利用过盈连接固定电主轴30，同时安装在电主轴连接板28上。刀柄31安装在电主轴30前端，刀具通过刀柄夹持。工作过程中XY向移动单元2带动电主轴单元4移动，完成刀具的各类运动轨迹，同时电主轴带动刀具旋转完成铣削过程。

上述装置对将完成定位夹紧后的蒙皮进行自动化铣边，要求切口法向精度≤0.5°，位置精度≤0.3mm，具体步骤如下：

步骤1：定位孔位置找寻：依据理论数模的位置信息将设备移动到蒙皮定位孔或定位钉区域，利用视觉找正系统的拍照和记录功能，寻找定位孔或定位钉，确定实际坐标位置，将测量数据反馈给控制系统从而控制机床带动铣边设备移动，使定位孔或定位钉位于视觉相机视野的中间位置；

步骤2：法向调平：孔位找寻之后，四个法向传感器开始同时工作，测量出各自到蒙皮的距离，将测量数据反馈给控制系统，生成坐标补偿量，利用数控系统控制设备的位姿调整，使四个传感器的测量值最终相等，从而保证主轴轴线与定位孔轴线达到平行，记录此时视觉系统和法向传感器的数据，并将其作为第一组数据。

步骤3：将设备移动到蒙皮的下一个定位孔的位置，重复(1)和(2)的步骤，记录第二组数据，将这两组数据和三维模型进行对比，建立待铣工件和机床坐标系实际的位置关系。

步骤4：待铣边区域法向找正：建立好工件坐标系和机床坐标系之间的关系后，设备移动到蒙皮边缘处，重复(2)的步骤铣边区域的法向进行找正，如果四个传感器的测量值不一样，重复步骤(1)、(2)、(3)，如果一样继续下一步。

步骤5：柔性夹持：法向调平后，四个真空吸盘开始对待加工区域的蒙皮进行夹持，增强蒙皮局部刚度，减小铣边过程工件的变形量，提高铣边精度。

步骤6：待铣区域扫边：完成前五个步骤之后，二维激光传感器开始对待铣区域轮廓进行扫描，获得实际外形的边缘曲线数据，之后和蒙皮的理论三维模型对比，确定铣削过程的切削量。

步骤7：数控代码生成：根据待铣区域的外形曲线和切削量，利用插补算法，自动生成铣边数控系统可用的数控代码。

步骤8：铣刀铣边：打开吸屑及冷却装置，系统执行数控代码，进行铣边。

步骤9：重复步骤(4)到(8)，实现下一个段铣边任务。

Claims (5)

1.一种飞机蒙皮自动化高精度铣边装置，其特征在于包括设备基座(1)、XY向移动单元(2)、扫边单元(3)、电主轴单元(4)、基座连接板(19)、视觉找正单元(6)、柔性夹持单元(7)和法向调平单元(8)；设备基座(1)设有开口且中间为空的，设备基座(1)的外部上侧安装法兰盘，XY向移动单元(2)安装于设备基座(1)的内部上侧，扫边单元(3)安装于设备基座(1)的内部的一侧，设备基座(1)的另一侧与基座连接板(19)通过螺栓连接；视觉找正单元(6)、柔性夹持单元(7)和法向调平单元(8)均安装在基座连接板(19)上。

2.根据权利要求1所述的飞机蒙皮自动化高精度铣边装置，其特征在于所述的XY向移动单元(2)包括X向丝杠导轨组合装置(9)、X向联轴器(10)、X向驱动电机(11)、X向移动平台底座(12)、X向导轨滑块单元(13)、Y向导轨滑块单元(14)、Y向移动平台底座(15)、Y向联轴器(16)、Y向电机(17)和Y向丝杠导轨组合装置(18)；Y向移动平台底座(15)一侧连接设备基座(1)，另一侧安装Y向丝杠导轨组合装置(18)、Y向导轨滑块单元(14)、Y向联轴器(16)和Y向电机(17)，X向移动平台底座(12)一侧和Y向导轨滑块单元(14)和Y向丝杠导轨组合装置(18)连接，另一侧安装X向丝杠导轨组合装置(9)、X向联轴器(10)、X向驱动电机(11)和X向导轨滑块单元(13)。

3.根据权利要求1所述的飞机蒙皮自动化高精度铣边装置，其特征在于所述的扫边单元(3)包括气动导轨丝杠单元(22)和二维激光传感器(23)，气动导轨丝杠单元(22)一侧和轮廓测量仪(23)连接，另一侧连接在设备基座(1)上。

4.根据权利要求1所述的飞机蒙皮自动化高精度铣边装置，其特征在于所述的电主轴单元(4)包括电主轴连接板(28)、电主轴基座(29)、电主轴(30)、刀柄(31)和铣刀(32)；电主轴基座(29)安装在电主轴连接板(28)上，与电主轴(30)过盈配合，刀柄(31)安装在电主轴(30)前端，铣刀(32)通过刀柄(31)夹持。

5.一种利用权利要求1所述的飞机蒙皮自动化高精度铣边装置进行的铣边方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：定位孔位置找寻：依据理论数模的位置信息将设备移动到蒙皮定位孔或定位钉区域，利用视觉找正系统的拍照和记录功能，寻找定位孔或定位钉，确定实际坐标位置，将测量数据反馈给控制系统从而控制机床带动铣边设备移动，使定位孔或定位钉位于视觉相机视野的中间位置；

步骤2：法向调平：孔位找寻之后，四个法向传感器开始同时工作，测量出各自到蒙皮的距离，将测量数据反馈给控制系统，生成坐标补偿量，利用数控系统控制设备的位姿调整，使四个传感器的测量值最终相等，从而保证主轴轴线与定位孔轴线达到平行，记录此时视觉系统和法向传感器的数据，并将其作为第一组数据。

步骤3：将设备移动到蒙皮的下一个定位孔的位置，重复步骤1和2，记录第二组数据，将这两组数据和三维模型进行对比，建立待铣工件和机床坐标系实际的位置关系。

步骤4：待铣边区域法向找正：建立好工件坐标系和机床坐标系之间的关系后，设备移动到蒙皮边缘处，重复步骤2的铣边区域的法向进行找正，如果四个传感器的测量值不一样，重复步骤1-3，如果一样继续下一步。

步骤5：柔性夹持：法向调平后，四个真空吸盘开始对待加工区域的蒙皮进行夹持，增强蒙皮局部刚度，减小铣边过程工件的变形量，提高铣边精度。

步骤6：待铣区域扫边：完成前五个步骤之后，二维激光传感器开始对待铣区域轮廓进行扫描，获得实际外形的边缘曲线数据，之后和蒙皮的理论三维模型对比，确定铣削过程的切削量。

步骤7：数控代码生成：根据待铣区域的外形曲线和切削量，利用插补算法，自动生成铣边数控系统可用的数控代码。

步骤8：铣刀铣边：打开吸屑及冷却装置，系统执行数控代码，进行铣边。

步骤9：重复步骤4-8，实现下一个段铣边任务。