CN105415362B - 制孔末端执行器调姿机构 - Google Patents

Abstract

本发明涉及机械加工技术领域，尤其是涉及一种制孔末端执行器调姿机构。本发明提供的制孔末端执行器调姿机构，包括尾轴、尾轴自锁机构以及用于支撑尾轴和尾轴自锁机构的外壳；尾轴自锁机构设置在尾轴与外壳之间，用于阻止尾轴自转。尾轴自锁机构能够在不影响尾轴正常运动的情况下，阻止尾轴以其自身轴线为中心自转，提高了调姿机构完成调姿后的稳定性。即使在钻孔过程中出现较大的反作用力或者震动，也能保证调姿机构和钻孔的稳定，提高了制孔质量，从而提高了飞机等整体的装配精度，提高了其安全性。

Description

制孔末端执行器调姿机构

技术领域

本发明涉及机械加工技术领域，尤其是涉及一种制孔末端执行器调姿机构。

背景技术

在飞机装配中，铆接是应用最广泛的连接方式，铆接的第一步工艺是钻孔，孔的尺寸和孔壁质量，都将严重影响着铆缝的强度。据统计，飞机机体疲劳失效事故的70％是源于结构连接部位，其中80％的疲劳裂纹产生于连接孔处，因此连接孔的质量对飞机寿命有着至关重要的影响。目前，人们采用工业机器人制孔系统代替了传统的手工钻孔，提高了工作效率，但是在机器人制孔中，孔的垂直度对于孔的寿命影响非常大。研究表明当螺栓沿外载荷作用方向倾斜超过2°时，疲劳寿命则减少约47％；当倾斜大于5°时，疲劳寿命即降低约95％。

由于工业机器人的精度还不能满足飞机自动化装配的精度要求，现有技术中，有人在机器人制孔系统中的制孔末端执行器添加了调姿机构，该机构包括大偏心盘、小偏心盘、尾轴、电机、关节轴承和外壳等，大偏心盘与外壳转动连接，小偏心盘与大偏心盘转动连接，尾轴通过关节轴承安装在小偏心盘的偏心处，并与进给主轴连接，即尾轴的中心线与钻头的中心线重合。两个电机分别与大偏心盘和小偏心盘传动连接，电机带动大、小偏心盘转动，从而调节尾轴的角度，进而调整钻头中心线的角度，使钻头中心线与制孔点法线重合，从而提高制孔精度。

但是，存在的问题是，钻头完成调姿后，在电机的带动下开始制孔，制孔过程中，尾轴在反作用力或者震动等影响下可能会发生自转，从而影响制孔精度，使调姿后的执行器稳定性差。

发明内容

本发明的目的在于提供制孔末端执行器调姿机构，以解决现有技术中存在的调姿机构调姿完成后不稳定，影响制孔精度的技术问题。

本发明提供的制孔末端执行器调姿机构，包括尾轴、尾轴自锁机构以及用于支撑尾轴和尾轴自锁机构的外壳；尾轴自锁机构设置在尾轴与外壳之间，用于阻止尾轴自转。

进一步地，尾轴自锁机构包括防转连轴；尾轴的下端设置有连接孔，防转连轴穿设在连接孔内，防转连轴的两端滑设在外壳的底面上，且防转连轴的轴线方向与防转连轴的滑动方向垂直。

进一步地，还包括大偏心盘、小偏心盘、第一电机和第二电机；大偏心盘与外壳转动连接，小偏心盘转动连接在大偏心盘的偏心处，尾轴通过关节轴承转动连接在小偏心盘的偏心轴孔内；第一电机与大偏心盘传动连接，第二电机与小偏心盘传动连接。

进一步地，还包括第一编码器和第二编码器；第一编码器与大偏心盘传动连接，第二编码器与小偏心盘传动连接。

进一步地，尾轴自锁机构还包括滑轨、滑块和防转连轴接头；两个滑轨相对地设置在外壳的底面上，两个滑块分别滑设在两个滑轨上，防转连轴接头与滑块连接，防转连轴的两端分别与两个防转连轴接头连接。

进一步地，大偏心盘的底面上设置有大齿轮，小偏心盘的底面上设置有小齿轮；第一电机设置在外壳上，第一电机上设置有用于与大齿轮啮合的电机大齿轮；第二电机设置在大偏心盘上，第二电机上设置有用于与小齿轮啮合的电机小齿轮。

进一步地，第一编码器设置在外壳上，第一编码器上设置有用于与大齿轮啮合的编码器大齿轮；第二编码器设置在大偏心盘上，第二编码器上设置有用于与小齿轮啮合的编码器小齿轮。

进一步地，外壳上设置有第一轴承座孔，第一深沟球轴承安装在第一轴承座孔内，第一深沟球轴承的内圈连接有第一轴承衬套，大偏心盘套设在第一轴承衬套内；大偏心盘的偏心处设置有第二轴承座孔，第二深沟球轴承安装在第二轴承座孔内，第二深沟球轴承的内圈连接有第二轴承衬套，小偏心盘套设在第二轴承衬套内。

进一步地，还包括第一固定圈；第一轴承座孔的侧壁上，沿该侧壁周面延伸的方向，设置有第一环形凸起；第一深沟球轴承与第一环形凸起抵接；第一固定圈卡合固定在第一轴承座孔内，且第一环形凸起和第一固定圈位于第一深沟球轴承的两侧；还包括第二固定圈；第二轴承座孔的侧壁上，沿该侧壁周面延伸的方向，设置有第二环形凸起；第二深沟球轴承与第二环形凸起抵接；第二固定圈卡合固定在第二轴承座孔内，且第二环形凸起和第二固定圈位于第二深沟球轴承的两侧。

进一步地，第一编码器和第二编码器均为绝对式编码器。

本发明提供的制孔末端执行器调姿机构，包括尾轴、尾轴自锁机构以及用于支撑尾轴和尾轴自锁机构的外壳；尾轴自锁机构设置在尾轴与外壳之间，用于阻止尾轴自转。尾轴自锁机构能够在不影响尾轴正常运动的情况下，阻止尾轴以其轴线为中心自转，提高了调姿机构完成调姿后的稳定性。即使在钻孔过程中出现较大的反作用力或者震动，也能保证调姿机构和钻孔的稳定，提高了制孔质量，从而提高了飞机等整体的装配精度，提高了其安全性。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明实施例提供的制孔末端执行器调姿机构的结构示意图；

图2为图1所示的制孔末端执行器调姿机构的俯视图；

图3为图1所示的制孔末端执行器调姿机构的爆炸图；

图4为本发明实施例提供的制孔末端执行器调姿机构中的尾轴自锁机构的结构示意图。

附图标记：

01-外壳； 011-第一轴承座孔； 012-第一环形凸起；

02-尾轴自锁机构； 021-防转连轴； 022-滑轨；

023-滑块； 024-防转连轴接头； 03-尾轴；

031-连接孔； 04-大偏心盘； 041-大齿轮；

042-第二轴承座孔； 043-第二环形凸起； 05-小偏心盘；

051-小齿轮； 06-第一电机； 061-电机大齿轮；

07-第二电机； 071-电机小齿轮； 08-关节轴承；

09-第一编码器； 091-编码器大齿轮； 10-第二编码器；

101-编码器小齿轮； 11-第一深沟球轴承； 12-第一轴承衬套；

13-第二深沟球轴承； 14-第二轴承衬套； 15-第一固定圈；

16-第二固定圈。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

图1为本发明实施例提供的制孔末端执行器调姿机构的结构示意图，图4为本发明实施例提供的制孔末端执行器调姿机构中的尾轴自锁机构的结构示意图。如图1和图4所示，本发明提供的制孔末端执行器调姿机构，包括尾轴03、尾轴自锁机构02以及用于支撑尾轴03和尾轴自锁机构02的外壳01；尾轴自锁机构02设置在尾轴03与外壳01之间，用于阻止尾轴03自转。

其中，尾轴自锁机构02的结构形式有多种，例如：尾轴自锁机构02包括支撑座和连杆，连杆的延伸方向与尾轴03的轴线方向垂直，支撑座固定安装在外壳01的底面上，连杆与底座通过球关节轴承连接，尾轴03的一端滑设在连杆上，可沿着连杆的延伸方向滑动。当尾轴03绕着钻头顶点转动时，该机构将尾轴03的运动转化为竖直平面的运动以及沿着连杆延伸方向滑动的复合运动。

又如：尾轴自锁机构02包括两个第一连杆、两个第二连杆、两个第三连杆和一个第四连杆；其中，两个第一连杆相对地设置在外壳01的底面上，且第一连杆的长度延伸方向与底面垂直，第二连杆的一端与第一连杆转动连接，另一端与第三连杆转动连接，第四连杆的两端分别与两个第三连杆转动连接；其中，第二连杆和第一连杆成L形，第三连杆和第二连杆成L形，第一连杆、第二连杆、第三连杆和第四连杆形成连杆机构；尾轴03穿设在第四连杆上，当尾轴03绕着钻头顶点转动时，该机构将尾轴03的运动转化为水平面内的运动以及尾轴03相对于第四连杆滑动的复合运动。

尾轴自锁机构02能够在不影响尾轴03正常运动的情况下，阻止尾轴03以其自身轴线为中心自转，提高了调姿机构完成调姿后的稳定性。即使在钻孔过程中出现较大的反作用力或者震动，也能保证调姿机构和钻孔的稳定，提高了制孔质量，从而提高了飞机等整体的装配精度，提高了其安全性。

如图1和图4所示，在上述实施例基础之上，进一步地，尾轴自锁机构02包括防转连轴021；尾轴03的下端设置有连接孔031，防转连轴021穿设在连接孔031内，防转连轴021的两端滑设在外壳01的底面上，且防转连轴021的轴线方向与防转连轴021的滑动方向垂直。

其中，防转连轴021与外壳01的连接方式有多种，例如：在外壳的底面的两个边沿上相对地设置滑槽，防转连轴021的两端滑设在滑槽内；或者在防转连轴021的两端设置滑轮，在外壳01的底面上设置用于滑设滑轮的滑轨。

防转连轴021穿设在连接孔031后，连接孔031仍有空隙，使尾轴03可以相对于防转连轴021发生倾斜，同时，尾轴03可以相对于防转连轴021转动以及沿着防转连轴021的轴线方向滑动。但是，防转连轴021只能在水平方向上滑动，而不能围绕尾轴03转动，从而阻止了尾轴03自转。

图3为图1所示的制孔末端执行器调姿机构的爆炸图，图2为图1所示的制孔末端执行器调姿机构的俯视图。如图1、图2、图3和图4所示，在上述实施例基础之上，进一步地，还包括大偏心盘04、小偏心盘05、第一电机06和第二电机07；大偏心盘04与外壳01转动连接，小偏心盘05转动连接在大偏心盘04的偏心处，尾轴03通过关节轴承08转动连接在小偏心盘05的偏心轴孔内；第一电机06与大偏心盘04传动连接，第二电机07与小偏心盘05传动连接。

其中，转动连接的方式有多种，例如：在外壳01和大偏心盘04上设置分别用于放置大偏心盘04和小偏心盘05的圆形凹槽，在外壳01和大偏心盘04之间，以及大偏心盘04和小偏心盘05之间涂抹润滑油，使它们之间可以转动；或者在凹槽的侧壁上设置容置槽，容置槽内设置滚珠，相对应地，在大偏心盘04和小偏心盘05的侧壁上沿其周面均设置有与滚珠相配合的滑槽，使滚珠滑设在滑槽内，从而实现转动连接。

传动连接的方式有多种：例如：齿轮传动、皮带传动或者链条传动等。

双偏心盘设置使尾轴03能够以钻头顶点为中心在圆锥体内运动，从而实现钻头在圆锥体内运动，而单偏心盘只能使尾轴03在圆锥面内运动，因此，双偏心盘使调姿机构调整精度更高，范围更大，从而提高制孔精度。

在调姿机构调整角度过程中，第一电机06带动大偏心盘04转动，第二电机07带动小偏心盘05转动，从而带动通过关节轴承08与小偏心盘05转动连接的尾轴03转动，在尾轴03的带动下，防转连轴021在外壳01的底面上滑动，同时，尾轴03相对于防转连轴021发生转动、滑动或者倾斜，最终达到预设位置，完成调姿，使钻头的轴线与制孔点的法线重合，钻出高质量的孔。

如图1、图2、图3和图4所示，在上述实施例基础之上，进一步地，还包括第一编码器09和第二编码器10；第一编码器09与大偏心盘04传动连接，第二编码器10与小偏心盘05传动连接。

其中，当传动连接采用皮带传动或者链条传动时，在第一电机06和第二电机07上分别设置第一主动皮带轮或者第一主动链轮，相应地，在大偏心盘04和小偏心盘05上分别设置第一从动皮带轮或者第一从动链轮，电机通过皮带或者链条带动大偏心盘04或者小偏心盘05转动。

在皮带轮或者链轮上设置传动轴，传动轴随着第一从动皮带轮或者第一从动链轮转动，将编码器直接设置在传动轴上；或者在传动轴上设置第二主动皮带轮或者第二主动链轮；相应地，在第一编码器09和第二编码器10上分别设置第二从动皮带轮或者第二从动链轮；传动轴通过皮带或者链条带动编码器转动。

编码器的种类有很多，例如：增量式编码器或者绝对式编码器等。第一编码器09和第二编码器10分别用来测量大偏心盘04和小偏心盘05转过的角度，使外部控制器根据编码器传输的数据对偏心盘的运动进行调控，可防止出现低质量的孔，提高了工作效率和制孔准确率。

如图4所示，在上述实施例基础之上，进一步地，尾轴自锁机构02还包括滑轨022、滑块023和防转连轴接头024；两个滑轨022相对地设置在外壳01的底面上，两个滑块023分别滑设在两个滑轨022上，防转连轴接头024与滑块023连接，防转连轴021的两端分别与两个防转连轴接头024连接。

其中，滑块023在滑轨022上的滑动比较稳定，从而使尾轴03的运动顺畅。防转连轴021与防转连轴接头024可拆卸连接，防转连轴接头024与滑块023可拆卸连接，使安装或者拆卸尾轴自锁机构02方便，可提高工作效率，增加尾轴自锁机构02的灵活性。

如图3所示，在上述实施例基础之上，进一步地，大偏心盘04的底面上设置有大齿轮041，小偏心盘05的底面上设置有小齿轮051；第一电机06设置在外壳01上，第一电机06上设置有用于与大齿轮041啮合的电机大齿轮061；第二电机07设置在大偏心盘04上，第二电机07上设置有用于与小齿轮051啮合的电机小齿轮071。

其中，第一电机06和第二电机07分别通过齿轮带动大偏心盘04和小偏心盘05转动，该结构使传动更稳定，使调节更准确。

如图3所示，在上述实施例基础之上，进一步地，第一编码器09设置在外壳01上，第一编码器09上设置有用于与大齿轮041啮合的编码器大齿轮091；第二编码器10设置在大偏心盘04上，第二编码器10上设置有用于与小齿轮051啮合的编码器小齿轮101。

其中，第一编码器09和第二编码器10分别通过齿轮与大偏心盘04和小偏心盘05传动转动，该结构使传动更稳定，使编码器测量更准确。同时，该结构使编码器和电机可平行设置，不用再设置传动轴，结构简单，节省安装空间。

如图3所示，在上述实施例基础之上，进一步地，外壳01上设置有第一轴承座孔011，第一深沟球轴承11安装在第一轴承座孔011内，第一深沟球轴承11的内圈连接有第一轴承衬套12，大偏心盘04套设在第一轴承衬套12内；大偏心盘04的偏心处设置有第二轴承座孔042，第二深沟球轴承13安装在第二轴承座孔042内，第二深沟球轴承13的内圈连接有第二轴承衬套14，小偏心盘05套设在第二轴承衬套14内。

其中，通过深沟球轴承实现大偏心盘04和外壳01以及小偏心盘05和大偏心盘04的转动连接，使转动更顺畅，且延长了外壳01、大偏心盘04和小偏心盘05的使用寿命。轴承衬套可减少深沟球轴承的磨损，延长其使用寿命。

如图2和图3所示，在上述实施例基础之上，进一步地，还包括第一固定圈15；第一轴承座孔011的侧壁上，沿该侧壁周面延伸的方向，设置有第一环形凸起012；第一深沟球轴承11与第一环形凸起012抵接；第一固定圈15卡合固定在第一轴承座孔011内，且第一环形凸起012和第一固定圈15位于第一深沟球轴承11的两侧；还包括第二固定圈16；第二轴承座孔042的侧壁上，沿该侧壁周面延伸的方向，设置有第二环形凸起043；第二深沟球轴承13与第二环形凸起043抵接；第二固定圈16卡合固定在第二轴承座孔042内，且第二环形凸起043和第二固定圈16位于第二深沟球轴承13的两侧。

其中，在第一轴承座孔011内设置第一环形凸起012，形成可以支撑第一深沟球轴承11、第一轴承衬套12和大偏心盘04的第一底托，在第一轴承座孔011内卡合固定第一固定圈15，通过第一固定圈15和第一环形凸起012的配合作用，阻止大偏心盘04在其轴线方向发生移动，使大偏心盘04运动平稳。

在第二轴承座孔042内设置第二环形凸起043，形成可以支撑第二深沟球轴承13、第二轴承衬套14和小偏心盘05的第二底托，在第二轴承座孔042内卡合固定第二固定圈16，通过第二固定圈16和第二环形凸起043的配合作用，阻止小偏心盘05在其轴线方向上发生移动，使小偏心盘05运动平稳。

在上述实施例基础之上，进一步地，第一编码器09和第二编码器10均为绝对式编码器。

其中，编码器较佳地采用绝对式编码器，绝对编式码器由机械位置决定每个位置的唯一性，无需记忆，无需找参考点，而且不用一直计数，什么时候需要知道位置，什么时候就去读取该位置。编码器的抗干扰特性强，数据的可靠性高。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (9)

1.一种制孔末端执行器调姿机构，其特征在于，包括：尾轴、尾轴自锁机构以及用于支撑所述尾轴和所述尾轴自锁机构的外壳；所述尾轴自锁机构设置在所述尾轴与所述外壳之间，用于阻止所述尾轴自转；

所述尾轴自锁机构包括防转连轴；

所述尾轴的下端设置有连接孔，所述防转连轴穿设在所述连接孔内，所述防转连轴的两端滑设在所述外壳的底面上，且所述防转连轴的轴线方向与所述防转连轴的滑动方向垂直。

2.根据权利要求1所述的制孔末端执行器调姿机构，其特征在于，还包括大偏心盘、小偏心盘、第一电机和第二电机；

所述大偏心盘与所述外壳转动连接，所述小偏心盘转动连接在所述大偏心盘的偏心处，所述尾轴通过关节轴承转动连接在所述小偏心盘的偏心轴孔内；

所述第一电机与所述大偏心盘传动连接，所述第二电机与所述小偏心盘传动连接。

3.根据权利要求2所述的制孔末端执行器调姿机构，其特征在于，还包括第一编码器和第二编码器；所述第一编码器与所述大偏心盘传动连接，所述第二编码器与所述小偏心盘传动连接。

4.根据权利要求1-3任一项所述的制孔末端执行器调姿机构，其特征在于，所述尾轴自锁机构还包括滑轨、滑块和防转连轴接头；

两个所述滑轨相对地设置在所述外壳的底面上，两个所述滑块分别滑设在两个所述滑轨上，所述防转连轴接头与所述滑块连接，所述防转连轴的两端分别与两个所述防转连轴接头连接。

5.根据权利要求3所述的制孔末端执行器调姿机构，其特征在于，所述大偏心盘的底面上设置有大齿轮，所述小偏心盘的底面上设置有小齿轮；

所述第一电机设置在所述外壳上，所述第一电机上设置有用于与所述大齿轮啮合的电机大齿轮；所述第二电机设置在所述大偏心盘上，所述第二电机上设置有用于与所述小齿轮啮合的电机小齿轮。

6.根据权利要求5所述的制孔末端执行器调姿机构，其特征在于，所述第一编码器设置在所述外壳上，所述第一编码器上设置有用于与所述大齿轮啮合的编码器大齿轮；所述第二编码器设置在所述大偏心盘上，所述第二编码器上设置有用于与所述小齿轮啮合的编码器小齿轮。

7.根据权利要求5-6任一项所述的制孔末端执行器调姿机构，其特征在于，所述外壳上设置有第一轴承座孔，第一深沟球轴承安装在所述第一轴承座孔内，所述第一深沟球轴承的内圈连接有第一轴承衬套，所述大偏心盘套设在所述第一轴承衬套内；

所述大偏心盘的偏心处设置有第二轴承座孔，第二深沟球轴承安装在所述第二轴承座孔内，所述第二深沟球轴承的内圈连接有第二轴承衬套，所述小偏心盘套设在所述第二轴承衬套内。

8.根据权利要求7所述的制孔末端执行器调姿机构，其特征在于，还包括第一固定圈；所述第一轴承座孔的侧壁上，沿该侧壁周面延伸的方向，设置有第一环形凸起；所述第一深沟球轴承与所述第一环形凸起抵接；所述第一固定圈卡合固定在所述第一轴承座孔内，且所述第一环形凸起和所述第一固定圈位于所述第一深沟球轴承的两侧；

还包括第二固定圈；所述第二轴承座孔的侧壁上，沿该侧壁周面延伸的方向，设置有第二环形凸起；所述第二深沟球轴承与所述第二环形凸起抵接；所述第二固定圈卡合固定在所述第二轴承座孔内，且所述第二环形凸起和所述第二固定圈位于所述第二深沟球轴承的两侧。

9.根据权利要求3或者6所述的制孔末端执行器调姿机构，其特征在于，所述第一编码器和所述第二编码器均为绝对式编码器。