CN105643278B - 一种用于飞机壁板装配的卧式自动钻铆机床 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种用于飞机壁板装配的卧式自动钻铆机床，包括设置在飞机壁板两侧的制孔插钉侧机床和镦紧侧机床；所述的制孔插钉侧机床上安装有可五轴运动的制孔插钉执行器，用于向所述制孔插钉执行器输送铆钉的送钉系统，以及用于吸尘的加工除尘装置；所述的镦紧侧机床上安装有可五轴运动的镦紧头。本发明可以实现飞机壁板与内部骨架之间的制孔和铆接，制孔精度满足对孔位精度、垂直度、光洁度等技术要求，铆接质量满足对铆接强度、干涉量、密封性等技术要求；保证飞机壁板的可达性和通过性；加工范围大，自动化程度高，工作效率高。

Description

一种用于飞机壁板装配的卧式自动钻铆机床

技术领域

本发明涉及飞机装配技术与装备领域，尤其涉及一种用于飞机壁板装配的卧式自动钻铆机床。

背景技术

在飞机装配中，铆接仍然是目前主要的连接方法。在我国的飞机装配中，大部分铆接工作仍由人工完成。而传统的人工铆接劳动条件差，生产效率低，铆接质量严重依赖于工人的经验和技术，已经阻碍了飞机装配效率的进一步提高，所以提高铆接的机械化、自动化程度对我国飞机制造业的发展是十分必要的。

然而，由于自动钻铆机原理和结构非常复杂，目前世界上只有欧美的少数厂商如EI、GEMCOR、BROETJE等具备开发和制造的能力，在国内则还处于空白状态。

现有自动钻铆机从布局上主要分为两类，一类是弓臂式自动钻铆机，另一类是立式自动钻铆机，这两类自动钻铆机都大大提高了生产效率但同时也存在不少缺陷。弓臂式自动钻铆机的缺陷在于飞机壁板需要置于调平托架上，工作时需要不断调整飞机壁板姿态，同时有喉深的限制，所以可达性、通过性以及对壁板的适用性较差；立式自动钻铆机工作时飞机壁板固定不动，克服了弓臂式自动钻铆机可达性、通过性以及适用性较差的缺陷，但结构过于复杂且不利于人工维护。

发明内容

本发明提出了一种用于飞机壁板装配的卧式自动钻铆机床，可以在满足制孔精度、铆接质量和效率的前提下，完成飞机壁板装配中大部分制孔和铆接工作，同时可以保证飞机壁板的通过性要求。在飞机壁板的铆接中，本发明能在任何时刻都保持制孔插钉执行器和镦紧头轴线的精确对准，能够自动完成飞机壁板铆接孔的定位、制孔、锪窝、除尘、插钉、压铆等操作，并有足够的刚度承受压铆力。

采用本发明的卧式自动钻铆机床，卧式自动钻铆方法为：1)待加工飞机壁板随壁板工装移入两侧机床中间的空隙；2)制孔插钉侧机床将制孔插钉执行器移动到目标位置，同时镦紧侧机床将镦紧头移动到目标位置；3)镦紧头衬套伸出，制孔插钉执行器压脚伸出，两者压紧工件；4)制孔插钉执行器联同送钉系统完成制孔、插钉等操作；5)镦紧头压铆，完成后压脚和衬套松开，制孔插钉执行器和镦紧头移动到下一位置开始下一个工作循环。

为实现卧式自动钻铆，本发明的卧式自动钻铆机，包括制孔插钉侧机床，镦紧侧机床，加工除尘装置，送钉系统，制孔插钉执行器和镦紧头这六个大部件。

其中制孔插钉侧机床和镦紧侧机床分别靠制孔插钉侧五轴联动数控设备和镦紧侧五轴联动数控设备实现五轴联动，各五轴联动数控设备包括X轴向驱动机构、Z轴向驱动机构、Y轴向驱动机构和AB轴回转驱动机构，其中XYZ轴相互垂直，AB轴相互垂直。

其中，所述的X轴向驱动机构包括安装在X轴拖板上的X轴驱动电机和X轴减速机，通过齿轮啮合安装在X轴底座上的X轴齿条，并利用X轴导轨滑块副驱动X轴拖板沿X轴方向运动。

所述的Z轴向驱动机构内由Z轴驱动电机和Z轴减速机通过Z轴滚珠丝杠副驱动Z轴拖板，所述Z轴拖板利用安装在立柱和自身之间的Z轴导轨滑块副沿Z轴方向运动。

所述的Y轴向驱动机构包括由Y轴驱动电机和Y轴减速机驱动的Y轴滑枕，该Y轴滑枕通过安装在所述Z轴拖板上的Y轴导轨滑块副沿Y轴方向运动。

所述的AB轴回转驱动机构包括转动配合在Y轴滑枕内的A轴支座，以及转动安装在所述A轴支座内的B轴支座，所述的制孔插钉执行器和镦紧头分别安装在对应的B轴支座上。

具体方法为：1)X轴方向(包括X1方向和X2方向)：X轴驱动电机和X轴减速机安装在X轴拖板上，通过齿轮啮合安装在X轴底座上的X轴齿条，并利用X轴导轨滑块副驱动X轴拖板做X轴方向运动；2)Z轴方向(包括Z1方向和Z2方向)：Z轴驱动电机和Z轴减速机通过Z轴滚珠丝杠副驱动Z轴拖板，使Z轴拖板利用安装在立柱和自身之间的Z轴导轨滑块副做Z轴方向运动；3)Y1轴方向：Y1轴驱动电机和Y2轴减速机通过Y1轴滚珠丝杠副驱动Y1轴滑枕，使Y1轴滑枕利用安装在Z轴拖板和自身之间的Y1轴导轨滑块副做Y1轴方向运动；4)Y2轴方向：Y2轴驱动电机和Y2轴减速机通过Y2轴滚珠丝杠副驱动Y2轴滑枕，使Y2轴滑枕利用安装在Z轴拖板和自身之间的Y2轴导轨滑块副做Y2轴方向运动；5)A1-B1轴方向：由A1轴驱动电机，A1轴减速机，A1轴支座，A1轴齿条，B1驱动电机，B1轴减速机，B1轴支座和轴承机构组成A1-B1轴回转装置并安装在Y1轴滑枕上，实现A1-B1方向的运动；6)A2-B2轴方向：由A2轴支座，A2轴驱动电机，A2轴减速机，A2轴轴承，B2驱动电机，B2轴减速机，轴承机构和B2轴支座组成A2-B2轴回转装置并安装在Y2轴滑枕上，实现A2-B2方向的运动。

本发明中，所述的X轴向驱动机构、Z轴向驱动机构、Y轴向驱动机构和AB轴回转驱动机构为同步运行以组成双驱动消隙机构的两组。即在所述的X、Y、Z、A1、B1方向运动均采用双驱动消隙机构，定位精度及重复定位精度高。

本发明中，制孔插钉执行器对应的Y轴滑枕配备液压辅助平衡装置，能对Y轴滑枕伸出后重心前倾及压铆力作用对精度造成的不良影响进行补偿，并改善Y1轴驱动系统对外界干扰因素的抵抗力。

本发明中，所述的送钉系统具有抽屉式钉库，能快速自动完成不同规格铆钉的排列和输送，且人工补充铆钉快捷方便；另外，制孔插钉执行器可以在线快速进行刀具及插钉头的更换，可以快速进行制孔模块和插钉模块之间的切换。

本发明中，镦紧头包括压铆头以及驱动压铆头的镦紧驱动模块，所述的压铆头包括由镦紧驱动模块驱动的外筒，设置在外筒的气缸，与外筒连接的导向套筒，位于所述导向套筒内且顶住气缸活塞杆一端的导向顶杆；所述导向顶杆的端部连接有顶压飞机壁板的衬套，所述导向套筒的端部设有伸入衬套内的压铆顶杆。

本发明的压铆头在进行压铆时，镦紧驱动模块带动外筒、气缸、导向套筒、导向顶杆、衬套和压铆顶杆向飞机壁板推进，当衬套端部抵住飞机壁板时，镦紧驱动模块仍然驱动整个压铆头前进，此时衬套将所受的推进力通过导向顶杆转移为对气缸活塞杆的压力；即衬套始终贴住飞机壁板，而压铆顶杆在镦紧驱动模块的作用下向前进行压铆，由于衬套所受的压铆推进力远大于气缸活塞杆通过导向顶杆对衬套的压紧力，使得气缸反向受到衬套传递的压力，使活塞杆推动气缸内的活塞退回，同时保持衬套镦紧，而压铆顶杆推进完成压铆。

其中，所述衬套套设在导向套筒的端部，导向套筒上开有导向槽，所述导向顶杆设有穿过导向槽与衬套联动的顶杆推销。镦紧驱动模块包括镦紧驱动电机，通过同步带轮对由所述镦紧驱动电机驱动的丝杠螺母座；所述外筒通过法兰盘与丝杠螺母座联动。

导向顶杆通过穿过导向槽的顶杆推销与衬套保持同步，在气缸内的活塞退回时，衬套的位置保持不变，导向套筒继续推进，顶杆推销在导向槽内的发生位移，为导向套筒和压铆顶杆提供避让空间。

丝杠螺母座的底部设有镦紧导轨滑块副，内部设有由所述镦紧驱动电机驱动的镦紧滚珠丝杠副，该镦紧滚珠丝杠副末端的下铆头座组件上安装有镦紧力传感器。利用镦紧力传感器作为压铆时的力反馈控制，检测压铆时压铆头所受的反向作用力，用于精确控制压铆力的大小。

其中，所述的镦紧头还包括衬套压紧模块；所述衬套压紧模块包括顶压气缸活塞杆另一端的气缸斜楔，以及驱动所述气缸斜楔的锁紧气缸。在进行制孔和插钉操作时，通过锁紧气缸驱动气缸斜楔抵住活塞杆的另一端，使衬套自锁，避免此时的气缸活塞被退回。

制孔插钉执行器整合了机架，插钉模块，插钉头库，换模机械手，制孔模块，换刀机械手，刀库，压脚，换位滚珠丝杠副，换位导轨滑块副，夹钉模块和换位电机，安装在B1轴支座上。镦紧头安装在B2轴支座上。

本发明的优点在于：1)制孔插钉侧机床和镦紧侧机床均可实现五轴联动，其中X、Y、Z、A1、B1方向运动均采用双驱动消隙机构，定位精度及重复定位精度高；2)Y1轴滑枕配备液压辅助平衡装置，能对Y1轴滑枕伸出后重心前倾及压铆力作用对精度造成的不良影响进行补偿，并改善Y1轴驱动系统对外界干扰因素的抵抗力；3)能够自动实现铆接孔的定位、制孔、锪窝、除尘、插钉、压铆等操作，自动化程度高，生产效率高，摆脱铆接质量依赖于工人经验的局面，并改善工人的工作环境；4)送钉系统采用抽屉式钉库，能快速自动完成不同规格铆钉的排列和输送，并且人工补充铆钉快捷方便；5)带飞机壁板的壁板工装置于钻铆机的中间空隙，两者互不干涉，可保证飞机壁板的可通过性，并能通过增加X轴底座使自动钻铆机在X方向的运动范围进一步扩展，以适应不同尺寸的壁板和工装。

附图说明

图1是飞机壁板卧式自动钻铆机的轴测图；

图2是飞机壁板卧式自动钻铆机的主视图；

图3是飞机壁板卧式自动钻铆机的俯视图；

图4是飞机壁板卧式自动钻铆机的局部左视图；

图5是飞机壁板卧式自动钻铆机A1-B1回转装置的轴测图；

图6是飞机壁板卧式自动钻铆机A2-B2回转装置的轴测图；

图7是飞机壁板卧式自动钻铆机制孔插钉执行器的轴测图；

图8是飞机壁板卧式自动钻铆机镦紧驱动模块的左剖视图；

图9和图10是衬套压紧模块和压铆头装配体的主剖视图和左视图。

具体实施方式

如图1所示的用于飞机壁板铆接的卧式自动钻铆机包括制孔插钉侧机床1和镦紧侧机床6两部分。制孔插钉侧机床1和镦紧侧机床6分别位于固定在壁板工装15上的飞机壁板16两侧。制孔插钉侧机床1包含制孔插钉侧五轴联动数控设备2、加工除尘装置3、送钉系统4和制孔插钉执行器5。镦紧侧机床6包含镦紧侧五轴联动数控设备7和镦紧头8。

如图2-图6所示，X轴驱动电机28和X轴减速机9安装在X轴拖板23上，通过齿轮啮合安装在X轴底座22上的X轴齿条31，并利用X轴导轨滑块副30驱动X轴拖板23做X轴方向运动。

Z轴驱动电机29和Z轴减速机27通过Z轴滚珠丝杠副13驱动Z轴拖板24，使Z轴拖板24利用安装在立柱10和自身之间的Z轴导轨滑块副14做Z轴方向运动。

Y1轴驱动电机33和Y1轴减速机32通过Y1轴滚珠丝杠副26驱动Y1轴滑枕11，使Y1轴滑枕11利用安装在Z轴拖板24和自身之间的Y1轴导轨滑块副25做Y1轴方向运动。

Y2轴驱动电机59和Y2轴减速机60通过Y2轴滚珠丝杠副61驱动Y2轴滑枕17，使Y2轴滑枕17利用安装在Z轴拖板24和自身之间的Y2轴导轨滑块副62做Y2轴方向运动。

由A1轴驱动电机34、A1轴减速机35、A1轴支座36、A1轴齿条37、B1驱动电机39、B1轴减速机38、B1轴支座40和轴承机构41组成A1-B1轴回转装置21并安装在Y1轴滑枕11上，实现A1-B1方向的运动。

由A2轴支座42、A2轴驱动电机43、A2轴减速机44、A2轴轴承45、B2驱动电机19、B2轴减速机20、轴承机构41和B2轴支座46组成A2-B2轴回转装置18并安装在Y2轴滑枕17上，实现A2-B2方向的运动。

液压辅助平衡装置12安装在Y1轴滑枕11和A1-B1轴回转装置21上。制孔插钉执行器5安装在B1轴支座46上，该执行器将插钉模块47，插钉头库48、换模机械手49、制孔模块51、换刀机械手52、刀库53、压脚54、换位滚珠丝杠副55、换位导轨滑块副56、夹钉模块57和换位电机58等组件整合在机架50上。

如图7-图10所示，镦紧头8包括镦紧驱动模块、衬套压紧模块和压铆头60这四个组件。

镦紧驱动模块主要由下铆头座组件61，丝杆安装法兰62，镦紧滚珠丝杠副63，丝杠螺母座64，行程开关组65，镦紧导轨滑块副66，镦紧驱动电机67，镦紧减速器68，镦紧电机支座69，同步带轮对70，镦紧力传感器安装板71和镦紧力传感器72装配而成。

衬套压紧模块主要由锁紧气缸73，法兰盘74，活塞杆75，气缸斜楔76，长度计78，光电开关组79，端部法兰88，直线轴承89，导柱90，法兰轴91，转台轴承92，衬套力传感器93，传感器安装法兰94，活塞95和外筒96装配而成。其中，由活塞杆75、活塞95、导柱90、衬套力传感器93和传感器安装法兰94组成的活塞结构装入由法兰盘74；端部法兰88、直线轴承89、法兰轴91、转台轴承92位于外筒96的外壳结构内组成大气缸77，再将锁紧气缸73、气缸斜楔76、长度计78和光电开关组79安装在大气缸上。

压铆顶杆82安装在衬套83内，导向顶杆85安装在导向套筒86内并通过顶杆推销84和安装在导向套筒86外的衬套83连接，上述组件连同吹气管组件80安装在安装法兰87上组成压铆头60。

镦紧驱动电机67和镦紧减速器68安装在镦紧电机支座69上，通过同步带轮对70驱动镦紧滚珠丝杠副63，使丝杠螺母座64利用镦紧导轨滑块副66移动，实现镦紧方向上的运动，同时用行程开关组65限制丝杠螺母座64的移动范围。上述零部件都安装在下铆头座组件61内，形成一个稳固且紧凑的镦紧驱动模块来承受压铆力。

衬套压紧模块由法兰盘74、端部法兰88、直线轴承89、法兰轴91、转台轴承82和外筒96组成外壳结构。由活塞杆75、活塞95、导柱90、衬套力传感器93和传感器安装法兰94组成活塞结构。外壳结构和活塞结构装配成大气缸77。锁紧气缸73、气缸斜楔76、长度计78和光电开关组79安装在大气缸上。整个衬套压紧模块通过法兰盘74安装在镦紧驱动模块上。

压铆顶杆82安装在衬套83内，导向顶杆82安装在导向套筒86内并通过顶杆推销84和安装在导向套筒86外的衬套83连接，导向套筒86上开有导向槽供顶杆推销84移动。上述零部件和安装法兰87组成压铆头60，整个压铆头60通过安装法兰87安装在衬套压紧模块的端部法兰88上，并且可以快速更换不同规格的压铆头。

自动钻铆机在制孔时，衬套83伸出压紧工件时的压紧力可以根据衬套力传感器93测得的信号来反馈控制，同时可以用光电开关组79限制衬套83的移动范围。

自动钻铆机在压铆时，压铆头60产生的压铆力可以根据镦紧力传感器72测得的反馈信号来反馈控制，同时可以用光电开关组79限制压铆时压铆顶杆82的移动范围。

压铆时衬套83和压铆顶杆82的相对位移可以被长度计测量，由此来反馈控制压铆头60的压铆距离。

本发明的具体工作过程如下：

1、制孔插钉侧机床和镦紧侧机床自检并复位；

2、带飞机壁板的壁板工装入位；

3、换模机械手从插钉头库选取相应的插钉头装入插钉模块，换刀机械手从刀库选取相应的刀具装入制孔模块；

4、两侧五轴联动数控设备将制孔插钉执行器和镦紧头移动到指定位置；

5、插钉模块上的图像测量装置切换到工作位置，照相检测壁板上的基准孔，完成检测后返回待机位置；

6、送钉系统将铆钉送入夹钉模块，夹钉模块将铆钉送入插钉模块上的插钉头；

7、在线测量铆钉直径，判断直径是否正确？若是，执行下一步，否则由铆钉回收装置回收；

8、镦紧头衬套伸出，制孔插钉执行器压脚伸出，两者压紧工件；

9、将制孔模块切换到工作位置，刀具主轴回转进给，完成制孔、锪窝后退回；

10、制孔模块上的孔径测量装置切换到工作位置，测孔头前进，完成测孔径后返回；

11、制孔模块返回待机位置，并将插钉模块切换到工作位置，带铆钉的插钉头前进，将铆钉完全插入铆钉孔并固定不动；

12、镦紧头前进，完成压铆；

13、完成压铆后压脚和衬套松开，插钉模块和镦紧头返回待机位置；

14、制孔插钉执行器和镦紧头移动到下一位置并重复下一周期。

以上所述仅为本发明的较佳实施举例，并不用于限制本发明，凡在本发明精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种用于飞机壁板装配的卧式自动钻铆机床，其特征在于，包括设置在飞机壁板两侧的制孔插钉侧机床和镦紧侧机床；

所述的制孔插钉侧机床上安装有可五轴运动的制孔插钉执行器，用于向所述制孔插钉执行器输送铆钉的送钉系统；

所述的镦紧侧机床上安装有可五轴运动的镦紧头；

所述的镦紧头压铆头以及驱动压铆头的镦紧驱动模块，所述的压铆头包括由镦紧驱动模块驱动的外筒，设置在外筒内的气缸，与外筒连接的导向套筒，位于所述导向套筒内且顶住气缸活塞杆一端的导向顶杆；所述导向顶杆的端部连接有顶压飞机壁板的衬套，所述导向套筒的端部设有伸入衬套内的压铆顶杆；

所述衬套套设在导向套筒的端部，导向套筒上开有导向槽，所述导向顶杆设有穿过导向槽与衬套联动的顶杆推销；

镦紧驱动模块包括镦紧驱动电机，通过同步带轮对由所述镦紧驱动电机驱动的丝杠螺母座；所述外筒通过法兰盘与丝杠螺母座联动。

2.如权利要求1所述的卧式自动钻铆机床，其特征在于，所述的制孔插钉执行器和镦紧头由相应的五轴联动数控设备控制，所述的五轴联动数控设备包括X轴向驱动机构、Z轴向驱动机构、Y轴向驱动机构和AB轴回转驱动机构，其中XYZ轴相互垂直，AB轴相互垂直。

3.如权利要求2所述的卧式自动钻铆机床，其特征在于，所述的X轴向驱动机构包括安装在X轴拖板上的X轴驱动电机和X轴减速机，通过齿轮啮合安装在X轴底座上的X轴齿条，并利用X轴导轨滑块副驱动X轴拖板沿X轴方向运动。

4.如权利要求3所述的卧式自动钻铆机床，其特征在于，所述的Z轴向驱动机构内由Z轴驱动电机和Z轴减速机通过Z轴滚珠丝杠副驱动Z轴拖板，所述Z轴拖板利用安装在立柱和自身之间的Z轴导轨滑块副沿Z轴方向运动。

5.如权利要求4所述的卧式自动钻铆机床，其特征在于，所述的Y轴向驱动机构包括由Y轴驱动电机和Y轴减速机驱动的Y轴滑枕，该Y轴滑枕通过安装在所述Z轴拖板上的Y轴导轨滑块副沿Y轴方向运动。

6.如权利要求5所述的卧式自动钻铆机床，其特征在于，所述的AB轴回转驱动机构包括转动配合在Y轴滑枕内的A轴支座，以及转动安装在所述A轴支座内的B轴支座，所述的制孔插钉执行器和镦紧头分别安装在对应的B轴支座上。

7.如权利要求2所述的卧式自动钻铆机床，其特征在于，所述的X轴向驱动机构、Z轴向驱动机构、Y轴向驱动机构和AB轴回转驱动机构为同步运行以组成双驱动消隙机构的两组。

8.如权利要求1所述的卧式自动钻铆机床，其特征在于，所述的送钉系统具有抽屉式钉库。