CN106041955B - 一种机器人自动制孔装置及加工方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机器人自动制孔装置及加工方法，所述制孔装置包括六轴串联机械手臂、机械手臂末端旋转机构和自动制孔末端执行器，所述六轴串联机械手臂通过所述机械手臂末端旋转机构与所述自动制孔末端执行器连接，所述自动制孔末端执行器包括自动定位找正模块、制孔模块、压力脚模块和机架。本发明具有自动定位找正功能，制孔定位精度高，配合机械手可实现自动化制孔，加工效率高，本发明利用机械手末端旋转机构的旋转自由度实现不同工位转换，简化了装置结构，本发明可增加其他功能模块，可开发性好，可集成铆接、制孔精度和质量检测等功能模块，适应不同需求，实现多种功能。

Description

一种机器人自动制孔装置及加工方法

技术领域

本发明属于航空航天大型构件自动制孔技术领域，具体涉及对一种以六自由度机械手为载体安装自动制孔末端执行器，用于对飞机机翼类或者机身框架类结构件进行自动制孔的一种机器人自动制孔装置及加工方法。

背景技术

目前航空航天结构件采用的连接方式多为机械连接，如铆钉连接或螺栓连接，这就需要在构件上加工大量连接孔。例如，一个大型运载火箭的仪器舱或末修舱有上千个铆接孔需要加工，F-22战斗机每副机翼上都有14000多个连接孔需要加工，一架波音747飞机则有300多万个连接孔需要加工。研究表明，飞机基体损伤故障已占到总故障的30％以上，而疲劳破坏则是飞机损伤的根本原因，其中75％-80％的疲劳破坏发生在基体机构的连接部位上，连接孔的加工精度和质量是保证航空航天结构件连接可靠性和寿命的关键之一。因此，在航空航天领域对制孔效率以及制孔精度提出了更高要求。

传统的航空航天结构件制孔多由人工把持手电钻、风钻等钻孔工具进行加工，制孔位置的确定依靠划线定位或钻模板定位。采用这种方法制孔时，不仅工人的劳动强度大、制孔效率低，且定位精度不高，不利于保证连接和装配质量。目前已出现一些以关节机器人或可移动机床为载体、集成钻孔、扩孔、铆接等多种功能模块的自动钻铆系统，如专利号为20151007236.1的发明专利公开了一种以机床或机器人为载体，集成基准孔检测、法向找正等多个模块的自动钻铆系统。该发明通过横向导轨实现各功能模块工作工位的转换，横向导轨的使用增大了末端执行器质量，增加了机器人或移动机床的载荷。专利号为201310159470.8的发明专利公开了一种集成压紧、钻孔、涂胶、铆接等功能模块的自动钻铆系统，各功能模块分别固定于具有分度功能的分度转台上，以驱动电机带动分度转台转动。该发明需专门设计专用的数控转台，系统体积和重量大；同时该系统不具有孔位检测及法向找正单元，无法实现自动定位。

发明内容

针对航空航天领域大型结构件高效精密制孔的需求、以及目前已有自动钻孔系统存在的问题，而提供一种机器人自动制孔装置及加工方法。

本发明采用的技术手段如下：

一种机器人自动制孔装置，包括六轴串联机械手臂、机械手臂末端旋转机构和自动制孔末端执行器，所述六轴串联机械手臂通过所述机械手臂末端旋转机构与所述自动制孔末端执行器连接，

所述自动制孔末端执行器包括自动定位找正模块、制孔模块、压力脚模块和机架，

所述自动定位找正模块包括呈中心对称的四个激光位移传感器和位于所述四个激光位移传感器的对称中心上的CCD相机，所述自动定位找正模块通过直线导轨Ⅰ与所述机架连接，所述直线导轨Ⅰ与所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线平行，所述机架上设有推动所述自动定位找正模块沿所述直线导轨Ⅰ移动的气缸Ⅰ，所述CCD相机的镜头轴线穿过所述四个激光位移传感器的对称中心；

所述制孔模块通过直线导轨Ⅱ与所述机架连接，所述直线导轨Ⅱ与所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线平行，所述机架上设有推动所述制孔模块沿所述直线导轨Ⅱ移动的气缸Ⅱ，所述制孔模块包括旋转中心线与所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线平行的刀具；

所述压力脚模块包括压力脚，所述压力脚具有所述刀具穿过的孔，所述压力脚通过直线导轨Ⅲ与所述机架连接，所述直线导轨Ⅲ与所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线平行，所述机架上设有推动所述压力脚沿所述直线导轨Ⅲ移动的气缸Ⅲ，

所述CCD相机的镜头轴线、所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线和所述刀具的旋转中心线相互平行，

所述CCD相机的镜头轴线和所述刀具的旋转中心线经过圆心在所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线上的同一圆弧，所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线垂直于所述圆弧所在平面。

一种使用上述所述的一种机器人自动制孔装置的制孔加工方法，具有如下步骤：

S1、基准孔检测识别：使所述CCD相机的镜头轴线正对工件上的基准孔，采用所述CCD相机对工件上的基准孔进行扫描、拍照，记录基准孔信息，建立局部坐标系，通过数据处理得出基准孔在全局坐标系下的坐标，进而实现制孔定位；

S2、法向找正：利用所述四个激光位移传感器，通过法向检测算法拟合出待加工孔所在近似平面的法矢，并对所述六轴串联机械手臂法向姿态偏差进行补偿；

S3、制孔：通过所述机械手臂末端旋转机构的旋转，使所述刀具的旋转中心线与所述近似平面的法向重合，控制所述气缸Ⅲ使所述压力脚压紧工件，所述刀具进行制孔。

所述一种机器人自动制孔装置还包括铆接模块，所述铆接模块包括接钉装置、送钉管道和铆枪装置，所述铆枪装置通过直线导轨Ⅳ与所述机架连接，所述直线导轨Ⅳ与所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线平行，所述机架上设有推动所述铆枪装置沿所述直线导轨Ⅳ移动的气缸Ⅳ，所述铆枪装置的铆枪轴线与所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线平行，所述铆枪装置的铆枪轴线经过所述圆弧。

一种使用上述所述的一种机器人自动制孔装置的制孔加工方法，具有如下步骤：

S1、基准孔检测识别：使所述CCD相机的镜头轴线正对工件上的基准孔，采用所述CCD相机对工件上的基准孔进行扫描、拍照，记录基准孔信息，建立局部坐标系，通过数据处理得出基准孔在全局坐标系下的坐标，进而实现制孔定位；

S2、法向找正：利用所述四个激光位移传感器，通过法向检测算法拟合出待加工孔所在近似平面的法矢，并对所述六轴串联机械手臂法向姿态偏差进行补偿；

S3、制孔：通过所述机械手臂末端旋转机构的旋转，使所述刀具的旋转中心线与所述近似平面的法向重合，控制所述气缸Ⅲ使所述压力脚压紧工件，所述刀具进行制孔。

S4、铆接：通过所述机械手臂末端旋转机构的旋转，使所述铆枪装置的铆枪轴线与所述近似平面的法向重合，所述接钉装置接受所述送钉管道被压缩气体吹来的抽芯铆钉，并将所述抽芯铆钉放入所述铆枪装置内，最终通过所述铆枪装置的铆枪将抽芯铆钉插入所述步骤S3中制得的孔中完成铆接。

所述基准孔是用来对刀的孔，可以是已加工过的孔。

本发明具有以下优点：

1、定位精度高，加工效率高。具有自动定位找正功能，制孔定位精度高，配合机械手可实现自动化制孔，加工效率高。

2、结构简单，易于实现。利用机械手末端旋转机构的旋转自由度实现不同工位转换，简化了装置结构。

3、可增加其他功能模块，可开发性好。可集成铆接、制孔精度和质量检测等功能模块，适应不同需求，实现多种功能。

基于上述理由本发明可在航空航天大型构件自动制孔等领域广泛推广。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1是本发明的实施例1中一种机器人自动制孔装置的结构示意图。

图2是本发明的实施例1中自动制孔末端执行器的空间结构示意图。

图3是本发明的实施例1中自动制孔末端执行器的左视图。

图4是本发明的实施例1中一种机器人自动制孔装置找正时的状态图。

图5是本发明的实施例1中一种机器人自动制孔装置制孔时的状态图。

图6是本发明的实施例1中找正时CCD相机的镜头轴线、机械手臂末端旋转机构的旋转轴线和刀具的旋转中心线三者的位置关系示意图。

图7是本发明的实施例1中制孔时CCD相机的镜头轴线、机械手臂末端旋转机构的旋转轴线和刀具的旋转中心线三者的位置关系示意图。

图8是本发明的实施例2中自动制孔末端执行器的空间结构示意图。

图9是本发明的实施例2中自动制孔末端执行器的左视图。

图10是本发明的实施例2中一种机器人自动制孔装置找正时的状态图。

图11是本发明的实施例2中一种机器人自动制孔装置制孔时的状态图。

图12是本发明的实施例2中一种机器人自动制孔装置铆接时的状态图

图13是本发明的实施例2中找正时CCD相机的镜头轴线、机械手臂末端旋转机构的旋转轴线、刀具的旋转中心线和铆枪装置的铆枪轴线四者的位置关系示意图。

图14是本发明的实施例2中制孔时CCD相机的镜头轴线、机械手臂末端旋转机构的旋转轴线、刀具的旋转中心线和铆枪装置的铆枪轴线四者的位置关系示意图。

图15是本发明的实施例2中铆接时CCD相机的镜头轴线、机械手臂末端旋转机构的旋转轴线、刀具的旋转中心线和铆枪装置的铆枪轴线四者的位置关系示意图。

具体实施方式

实施例1

如图1-图7所示，一种机器人自动制孔装置，包括六轴串联机械手臂1、机械手臂末端旋转机构2和自动制孔末端执行器3，所述六轴串联机械手臂1通过所述机械手臂末端旋转机构2与所述自动制孔末端执行器3连接，

所述自动制孔末端执行器3包括自动定位找正模块、制孔模块、压力脚模块和机架4，

所述自动定位找正模块包括呈中心对称的四个激光位移传感器5和位于所述四个激光位移传感器5的对称中心上的CCD相机6，所述自动定位找正模块通过直线导轨Ⅰ7与所述机架4连接，所述直线导轨Ⅰ7与所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线8平行，所述机架4上设有推动所述自动定位找正模块沿所述直线导轨Ⅰ7移动的气缸Ⅰ9，所述CCD相机的镜头轴线10穿过所述四个激光位移传感器5的对称中心；

所述制孔模块通过直线导轨Ⅱ11与所述机架4连接，所述直线导轨Ⅱ11与所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线8平行，所述机架4上设有推动所述制孔模块沿所述直线导轨Ⅱ11移动的气缸Ⅱ12，所述制孔模块包括旋转中心线与所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线8平行的刀具13；

所述压力脚模块包括压力脚14，所述压力脚14具有所述刀具13穿过的孔15，所述压力脚14通过直线导轨Ⅲ16与所述机架4连接，所述直线导轨Ⅲ16与所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线8平行，所述机架4上设有推动所述压力脚14沿所述直线导轨Ⅲ16移动的气缸Ⅲ17，

所述CCD相机的镜头轴线10、所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线8和所述刀具的旋转中心线18相互平行，

所述CCD相机的镜头轴线10和所述刀具的旋转中心线18经过圆心在所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线8上的同一圆弧，所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线8垂直于所述圆弧所在平面。

所述CCD相机的镜头轴线10与所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线8的连线在所述圆弧所在平面内的正投影，与所述刀具的旋转中心线18与所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线8的连线在所述圆弧所在平面内的正投影之间的夹角为α角。

一种使用上述所述的一种机器人自动制孔装置的制孔加工方法，具有如下步骤：

S1、基准孔检测识别：使所述CCD相机的镜头轴线10正对工件上的基准孔，此时，所述CCD相机的镜头轴线10和所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线8位于同一竖直平面内，采用所述CCD相机6对工件上的基准孔进行扫描、拍照，记录基准孔信息，建立局部坐标系，通过数据处理得出基准孔在全局坐标系下的坐标，进而实现制孔定位；

S2、法向找正：利用所述四个激光位移传感器5，通过法向检测算法拟合出待加工孔所在近似平面的法矢，并对所述六轴串联机械手臂1法向姿态偏差进行补偿；

S3、制孔：通过所述机械手臂末端旋转机构2的顺时针旋转α角，使所述刀具的旋转中心线18与所述近似平面的法向重合，此时，所述刀具的旋转中心线18和所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线8位于同一竖直平面内，控制所述气缸Ⅲ17使所述压力脚14压紧工件，所述刀具13进行制孔。

实施例2

如图8-图15所示，一种机器人自动制孔装置，包括六轴串联机械手臂1`、机械手臂末端旋转机构2`和自动制孔末端执行器，所述六轴串联机械手臂1`通过所述机械手臂末端旋转机构2`与所述自动制孔末端执行器连接，

所述自动制孔末端执行器包括自动定位找正模块、制孔模块、压力脚模块和机架4`，

所述自动定位找正模块包括呈中心对称的四个激光位移传感器5`和位于所述四个激光位移传感器5`的对称中心上的CCD相机6`，所述自动定位找正模块通过直线导轨Ⅰ7`与所述机架4`连接，所述直线导轨Ⅰ7`与所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线8`平行，所述机架4`上设有推动所述自动定位找正模块沿所述直线导轨Ⅰ7`移动的气缸Ⅰ9`，所述CCD相机的镜头轴线10`穿过所述四个激光位移传感器5`的对称中心；

所述制孔模块通过直线导轨Ⅱ11`与所述机架4`连接，所述直线导轨Ⅱ11`与所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线8`平行，所述机架4`上设有推动所述制孔模块沿所述直线导轨Ⅱ11`移动的气缸Ⅱ12`，所述制孔模块包括旋转中心线与所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线8`平行的刀具13`；

所述压力脚模块包括压力脚14`，所述压力脚14`具有所述刀具13`穿过的孔15`，所述压力脚14`通过直线导轨Ⅲ16`与所述机架4`连接，所述直线导轨Ⅲ16`与所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线8`平行，所述机架4`上设有推动所述压力脚14`沿所述直线导轨Ⅲ16`移动的气缸Ⅲ17`，

所述CCD相机的镜头轴线10`、所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线8`和所述刀具的旋转中心线18`相互平行，

所述CCD相机的镜头轴线10`和所述刀具的旋转中心线18`经过圆心在所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线8`上的同一圆弧，所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线8`垂直于所述圆弧所在平面。

所述一种机器人自动制孔装置还包括铆接模块，所述铆接模块包括接钉装置19、送钉管道20和铆枪装置21，所述铆枪装置21通过直线导轨Ⅳ22与所述机架4`连接，所述直线导轨Ⅳ22与所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线8`平行，所述机架4`上设有推动所述铆枪装置21沿所述直线导轨Ⅳ22移动的气缸Ⅳ23，所述铆枪装置的铆枪轴线24与所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线8`平行，所述铆枪装置的铆枪轴线24经过所述圆弧，且位于所述CCD相机的镜头轴线10`和所述刀具的旋转中心线18`之间。

所述CCD相机的镜头轴线10`与所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线8`的连线在所述圆弧所在平面内的正投影，与所述刀具的旋转中心线18`与所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线8`的连线在所述圆弧所在平面内的正投影之间的夹角为β角。

所述刀具的旋转中心线18`与所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线8`的连线在所述圆弧所在平面内的正投影，与所述铆枪装置的铆枪轴线24与所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线8`的连线在所述圆弧所在平面内的正投影之间的夹角为γ角。

一种使用上述所述的一种机器人自动制孔装置的制孔加工方法，具有如下步骤：

S1、基准孔检测识别：使所述CCD相机的镜头轴线10`正对工件上的基准孔，此时，所述CCD相机的镜头轴线10`和所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线8`位于同一竖直平面内，采用所述CCD相机6`对工件上的基准孔进行扫描、拍照，记录基准孔信息，建立局部坐标系，通过数据处理得出基准孔在全局坐标系下的坐标，进而实现制孔定位；

S2、法向找正：利用所述四个激光位移传感器5`，通过法向检测算法拟合出待加工孔所在近似平面的法矢，并对所述六轴串联机械手臂1`法向姿态偏差进行补偿；

S3、制孔：通过所述机械手臂末端旋转机构2`的顺时针旋转β角，使所述刀具的旋转中心线18`与所述近似平面的法向重合，此时，所述刀具的旋转中心线18`和所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线8`位于同一竖直平面内，控制所述气缸Ⅲ17`使所述压力脚14`压紧工件，所述刀具13`进行制孔。

S4、铆接：通过所述机械手臂末端旋转机构2`的逆时针旋转γ角，使所述铆枪装置的铆枪轴线24与所述近似平面的法向重合，此时，所述铆枪装置的铆枪轴线24和所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线8`位于同一竖直平面内，所述接钉装置19接受所述送钉管道20被压缩气体吹来的抽芯铆钉，并将所述抽芯铆钉放入所述铆枪装置21内，最终通过所述铆枪装置21的铆枪将抽芯铆钉插入所述步骤S3中制得的孔中完成铆接。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (4)

1.一种机器人自动制孔装置，其特征在于：包括六轴串联机械手臂、机械手臂末端旋转机构和自动制孔末端执行器，所述六轴串联机械手臂通过所述机械手臂末端旋转机构与所述自动制孔末端执行器连接，

所述自动制孔末端执行器包括自动定位找正模块、制孔模块、压力脚模块和机架，

所述自动定位找正模块包括呈中心对称的四个激光位移传感器和位于所述四个激光位移传感器的对称中心上的CCD相机，所述自动定位找正模块通过直线导轨Ⅰ与所述机架连接，所述直线导轨Ⅰ与所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线平行，所述机架上设有推动所述自动定位找正模块沿所述直线导轨Ⅰ移动的气缸Ⅰ，所述CCD相机的镜头轴线穿过所述四个激光位移传感器的对称中心；

所述制孔模块通过直线导轨Ⅱ与所述机架连接，所述直线导轨Ⅱ与所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线平行，所述机架上设有推动所述制孔模块沿所述直线导轨Ⅱ移动的气缸Ⅱ，所述制孔模块包括旋转中心线与所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线平行的刀具；

所述压力脚模块包括压力脚，所述压力脚具有所述刀具穿过的孔，所述压力脚通过直线导轨Ⅲ与所述机架连接，所述直线导轨Ⅲ与所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线平行，所述机架上设有推动所述压力脚沿所述直线导轨Ⅲ移动的气缸Ⅲ，

所述CCD相机的镜头轴线、所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线和所述刀具的旋转中心线相互平行，

所述CCD相机的镜头轴线和所述刀具的旋转中心线经过圆心在所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线上的同一圆弧，所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线垂直于所述圆弧所在平面。

2.根据权利要求1所述的一种机器人自动制孔装置，其特征在于：所述一种机器人自动制孔装置还包括铆接模块，所述铆接模块包括接钉装置、送钉管道和铆枪装置，所述铆枪装置通过直线导轨Ⅳ与所述机架连接，所述直线导轨Ⅳ与所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线平行，所述机架上设有推动所述铆枪装置沿所述直线导轨Ⅳ移动的气缸Ⅳ，所述铆枪装置的铆枪轴线与所述机械手臂末端旋转机构的旋转轴线平行，所述铆枪装置的铆枪轴线经过所述圆弧。

3.一种使用权利要求1所述的一种机器人自动制孔装置的制孔加工方法，其特征在于具有如下步骤：

S1、基准孔检测识别：使所述CCD相机的镜头轴线正对工件上的基准孔，采用所述CCD相机对工件上的基准孔进行扫描、拍照，记录基准孔信息，建立局部坐标系，通过数据处理得出基准孔在全局坐标系下的坐标，进而实现制孔定位；

S2、法向找正：利用所述四个激光位移传感器，通过法向检测算法拟合出待加工孔所在近似平面的法矢，并对所述六轴串联机械手臂法向姿态偏差进行补偿；

S3、制孔：通过所述机械手臂末端旋转机构的旋转，使所述刀具的旋转中心线与所述近似平面的法向重合，控制所述气缸Ⅲ使所述压力脚压紧工件，所述刀具进行制孔。

4.一种使用权利要求2所述的一种机器人自动制孔装置的制孔加工方法，其特征在于具有如下步骤：

S1、基准孔检测识别：使所述CCD相机的镜头轴线正对工件上的基准孔，采用所述CCD相机对工件上的基准孔进行扫描、拍照，记录基准孔信息，建立局部坐标系，通过数据处理得出基准孔在全局坐标系下的坐标，进而实现制孔定位；

S2、法向找正：利用所述四个激光位移传感器，通过法向检测算法拟合出待加工孔所在近似平面的法矢，并对所述六轴串联机械手臂法向姿态偏差进行补偿；

S3、制孔：通过所述机械手臂末端旋转机构的旋转，使所述刀具的旋转中心线与所述近似平面的法向重合，控制所述气缸Ⅲ使所述压力脚压紧工件，所述刀具进行制孔；

S4、铆接：通过所述机械手臂末端旋转机构的旋转，使所述铆枪装置的铆枪轴线与所述近似平面的法向重合，所述接钉装置接受所述送钉管道被压缩气体吹来的抽芯铆钉，并将所述抽芯铆钉放入所述铆枪装置内，最终通过所述铆枪装置的铆枪将抽芯铆钉插入所述步骤S3中制得的孔中完成铆接。