CN106736553A - 用于飞机机身段弧形轨制孔设备及使用方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种用于飞机机身段弧形轨制孔设备，包括绕置在飞机机身外的左右两个半圆形轨道模块，左右两个半圆形轨道模块分别安装在水平放置底座上,可沿飞机展向对称面靠近或远离，对合后形成一个整圆圆形轨道模块，在圆形轨道模块上有一个与圆弧导轨副滚动配合的自动制孔单元；自动制孔单元在圆形轨道模块上作圆周运动以完成对机身待制孔区域的制孔任务。本发明适应性好，可以应用于双曲面机身；可满足孔位置精度、表面粗糙度和孔径尺寸精度的设计要求；钻孔锪窝加工范围可以覆盖整个机身段周向区域，工作效率高。本发明还公开了一种用于飞机机身段弧形轨制孔设备的使用方法。

Description

用于飞机机身段弧形轨制孔设备及使用方法

技术领域

本发明涉及飞机数字化装配自动化制孔领域，尤其涉及一种适用于飞机机身自动适应蒙皮曲率变化的弧形轨制孔设备及使用方法。

背景技术

飞机装配是飞机制造过程中的主要环节，飞机装配工作量约占整个飞机制造工作量的40％～50％，装配工作量主要以制孔、锪窝和铆接为主。飞机大部件的精确制孔问题一直以来都是航空制造业的一个棘手问题，迄今还没有一个适用于多种结构部件的完全令人满意的解决方案。

以大飞机机身对接段装配为例，在对接段环形区域，加工孔的数量巨大，随着飞机结构材料中复合材料、钛合金等难加工材料比重大幅上升，制孔工作量也迅速增加，并且在一些情况下制孔区域的工作空间还会受到限制。在机身对接段环形区域的制孔工作中，若采用传统的人工制孔方式，工人的劳动强度大，制孔质量无法保证，制孔效率低；若采用机器人制孔方式，由于飞机外形尺寸大，飞机机身结构和工装的约束，使得制孔设备工作空间受限，机器人可达工作空间无法覆盖全部环形制孔区域。

在这个背景下，国外首先提出并发展了柔性轨道自动制孔技术。波音公司首先开发了大型飞机机身段对接区域柔性轨道自动制孔设备，该设备通过安装于导轨上的真空吸盘，直接吸附在飞机等值段机身曲面上进行自动制孔，安装于导轨上的轻便制孔执行器可一次性完成钻孔和锪窝功能。该设备适用于等值段飞机机身表面制孔加工，具有重量轻、效率高、灵活方便以及自动化程度高等特点，取消了大型制孔及定位设备的介入，降低了飞机装配的制造成本，缩短了制孔周期。但由于柔性轨道采用真空吸盘与机身蒙皮吸附的定位方式，制孔执行器重量轻，导致系统整体刚度较差，加工稳定性不足。除此之外，该柔性轨道自动制孔设备不能适应机身曲率变化大的曲面。

目前，我国飞机机身段装配过程中的连接装配与国外差距较大，仍以手工钻铆为主，质量稳定性较差，成本高，制孔效率低。

发明内容

本发明为克服现有机身段对接装配过程中的技术不足，本发明提供一种用于飞机机身段弧形轨制孔设备及使用方法，适用于机身对接装配中连接区域的一次性完成孔位的钻孔、锪窝等功能。

本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：

本发明提供一种用于飞机机身段弧形轨制孔设备，其特点在于，其包括用于绕置在飞机机身外的左右两个半圆形轨道模块和左右两个水平底座；

每一水平底座上均固定有一水平直线导轨和一X轴驱动组件，该左右两个半圆形轨道模块分别通过对应的水平直线导轨安装在对应的水平底座上，该X轴驱动组件与置于该水平底座上的滚珠丝杆副相连接，该滚珠丝杆副与该半圆形轨道模块相连接，该左右两个半圆形轨道模块沿飞机展向对称面靠近或远离、且靠近对合后形成一个整圆圆形轨道模块；

在该整圆圆形轨道模块上设置有一用于在该整圆圆形轨道模块上作圆周运动以完成对机身待制孔区域的制孔操作的自动制孔单元。

在本发明中，采用多轴数控驱动该自动制孔单元，该自动制孔单元可以在该整圆圆形轨道模块上运动，可以实现机身圆周方向分布孔位进行自动制孔，并具有锪窝的功能。

较佳地，该自动制孔单元包括Y轴驱动组件、B轴驱动组件、Z1轴驱动组件、Z2轴驱动组件、中间托板、电主轴、A轴驱动组件、快换刀柄、刀具、执行器托板、Y轴底座、X1轴底座、X1轴驱动组件和底座滚轮；

该X1轴底座通过该底座滚轮安装于该整圆圆形轨道模块上，该X1轴驱动组件固定于该X1轴底座的顶端，该Y轴底座固定于该X1轴底座上，且该Y轴底座与该X1轴底座转动配合，该A轴驱动组件和该执行器托板安装于该Y轴底座上，且该执行器托板与该Y轴底座滚动配合，该执行器托板上设有执行器和该Y轴驱动组件、该B轴驱动组件，该执行器托板上安装有中间托板，该Z1轴驱动组件、该Z2轴驱动组件和该电主轴均安装在该中间托板上，该刀具通过该快换刀柄安装于该电主轴上；

该X1轴驱动组件用于驱动该X1轴底座沿该整圆圆形轨道模块做X1向运动；

该A轴驱动组件用于驱动该Y轴底座绕A轴转动；

该Y轴驱动组件用于驱动该执行器托板沿该Y轴底座作Y向直线运动，该Y向直线垂直于该A轴；

该B轴驱动组件用于驱动该中间托板绕B轴做旋转运动，该B轴与该Y向直线平行；

该Z2轴驱动组件用于驱动该中间托板沿着Z2轴方向做直线运动，该Z2轴垂直于该Y向直线和该A轴；

该Z1轴驱动组件用于驱动该电主轴沿Z1轴方向做直线运动，该Z1轴与该Z2轴平行。

较佳地，该X1轴驱动组件包括X1轴伺服电机和位于该X1轴伺服电机的输出轴上的X1轴齿轮。

较佳地，每一半圆形轨道模块上设有引导该自动制孔单元移动的弧形齿条，该X1轴齿轮与该弧形齿条相啮合。

较佳地，每一半圆形轨道模块包括一刚性圆弧形框架和一置于该刚性圆弧形框架上的圆弧导轨副，该圆弧导轨副由多段圆弧形线性轨道拼接而成，该自动制孔单元与该圆弧导轨副滚动配合，该自动制孔单元通过该圆弧导轨副安装于该刚性圆弧形框架上。

本发明还提供一种用于飞机机身段弧形轨制孔设备的使用方法，其特点在于，其包括以下步骤：

S1、该左右两个半圆形轨道模块沿展向退开，飞机机身吊装、调姿、对接进入制孔区域；

S2、该左右两个半圆形轨道模块沿展向对合，形成一个整圆圆形轨道模块，准备制孔；

S3、该自动制孔单元安装在该整圆圆形轨道模块上，并沿该整圆圆形轨道模块滑动以完成整个飞机机身的制孔任务；

S4、完成制孔工作，该左右两个半圆形轨道模块沿展向退开，飞机机身出架。

在符合本领域常识的基础上，上述各优选条件，可任意组合，即得本发明各较佳实例。

本发明的积极进步效果在于：

1)适应性好，可以应用双曲面机身；

2)可以满足飞机机身特别是机身段对接区大范围自动制孔的加工要求；

3)可以满足孔位置精度、锪窝深度、表面粗糙度和孔径尺寸精度的设计要求；

4)钻孔锪窝加工范围可以覆盖整个机身段周向区域，工作效率高；

5)具有维护方便，人工干预小，自动化程度高。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的飞机机身弧形轨制孔设备的整体结构图。

图2为图1的局部放大图。

图3为本发明较佳实施例的自动制孔单元的结构图。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中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的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。

本发明针对我国飞机装配的现状以及国外柔性轨道设备刚度不足的缺点，发明了飞机机身弧形轨制孔方法，该方法可以适用于双曲面机身型面，定位精度高，一次安装可完成机身部分环形区域内的全部制孔任务，特别适合机身段对接装配中连接区域的制孔；同时，设备结构简单，维护方便，人工干预小,自动化程度高。综合看来，大型飞机机身弧形轨道制孔方法在自动化精密制孔方面有着突破性的意义，对提升我国航空航天制造装备业自动化水平有着重大意义。

如图1-3所示，本实施例提供一种飞机机身弧形轨制孔设备，采用多轴数控驱动自动制孔单元7，自动制孔单元7可以在圆形轨道上运动，制孔设备可以实现圆周方向上自动制孔，并具有锪窝的功能。

如图1所示，本实施例的制孔设备包括：用于绕置在飞机机身外的左右两个半圆形轨道模块5和左右两个水平底座1；每一水平底座1上均固定有一水平直线导轨2和一X轴驱动组件，该左右两个半圆形轨道模块5分别通过对应的水平直线导轨2安装在对应的水平底座1上，该X轴驱动组件与置于该水平底座1上的滚珠丝杆副4相连接，该滚珠丝杆副4与该半圆形轨道模块5相连接，该左右两个半圆形轨道模块5沿飞机展向对称面靠近或远离、且靠近对合后形成一个整圆圆形轨道模块。

在该整圆圆形轨道模块上设置有一用于在该整圆圆形轨道模块上作圆周运动以完成对机身待制孔区域的制孔操作的自动制孔单元7，该X轴驱动组件中的X轴伺服电机3驱动该滚珠丝杆副4转动，从而驱动该半圆形轨道模块5向展向对称面靠近或远离，该自动制孔单元7在该半圆形轨道模块5上作圆周运动。

其中，每一半圆形轨道模块5上设有引导该自动制孔单元移动的弧形齿条，每一半圆形轨道模块5包括一刚性圆弧形框架和一置于该刚性圆弧形框架上的圆弧导轨副6，该圆弧导轨副6由多段圆弧形线性轨道拼接而成，该自动制孔单元5与该圆弧导轨副6滚动配合，该自动制孔单元7通过该圆弧导轨副6安装于该刚性圆弧形框架上。

如图2所示，该自动制孔单元7包括：Y轴驱动组件、B轴驱动组件、Z1轴驱动组件、Z2轴驱动组件、中间托板15、电主轴13、A轴驱动组件、快换刀柄14、刀具、执行器托板12、Y轴底座11、X1轴底座10、圆弧导轨副6以及X1轴驱动组件。

Y轴底座11、圆弧导轨副6和X轴驱动组件(X1轴伺服电机9、X1轴齿轮8)安装在X1轴底座10上，X1轴驱动组件包括X1轴伺服电机9和位于X1轴伺服电机9的输出轴上的X1轴齿轮8，X1轴伺服电机9带动X1轴齿轮8旋转，通过X1轴齿轮8与弧形齿条的啮合作用，使得自动制孔单元7沿着圆弧导轨副6做X1向运动。

A轴驱动组件和执行器托板12安装在Y轴底座11上，A轴驱动组件包括A轴伺服电机17，通过驱动A轴伺服电机17可带动Y轴底座11绕着A轴做旋转运动，执行器托板12上设有执行器和Y轴驱动组件、B轴驱动组件，Y轴驱动组件中的Y轴伺服电机16可带动执行器托板12沿着Y轴方向做直线运动，B轴驱动组件内的B轴伺服电机18可带动中间托板15绕着B轴做旋转运动。

Z1轴驱动组件、Z2轴驱动组件和电主轴13安装在中间托板15上，Z2轴驱动组件带有的Z2轴伺服电机19可推动中间托板15沿着Z2轴方向做直线运动。Z1轴驱动组件带有的驱动Z1轴伺服电机20可推动电主轴13沿着Z1轴方向做直线运动。该刀具通过快换刀柄14安装于该电主轴13上。

自动制孔单元7的Z2轴驱动组件和电主轴13安装在中间托板15上，Z2轴驱动组件中的Z2轴伺服电机19可推动中间托板15沿着Z2轴方向做直线运动，用于补偿Z1轴驱动行程不足，适合于双曲面机身型面制孔加工。

自动制孔单元7在各轴伺服电机的驱动下可实现X1轴、A轴、B轴三个回转方向和Y轴、Z2轴两个直线方向运动，完成主轴定位和姿态调整，使得刀具轴线与加工孔型面法矢一致，通过控制电主轴13和Z1向进给实现刀具一次钻孔、锪窝复合加工。

本发明的工作过程如下：

1)半圆形轨道模块对合

半圆形轨道模块5通过水平直线导轨2安装于水平底座1上，X轴驱动组件中X轴伺服电机3驱动滚珠丝杆副4转动，从而驱动半圆形轨道模块5向展向对称面靠近并对合，半圆形轨道模块5对合后形成整圆圆形轨道模块；

2)自动制孔单元的主轴定位、刀具制孔和锪窝

驱动X轴伺服电机9带动X轴齿轮8旋转，与X轴齿轮8啮合的弧形齿条固定不动，使得自动制孔单元7沿着整圆圆形轨道模块做X向运动。A轴驱动组件和执行器托板12安装在Y轴底座11上，通过驱动A轴伺服电机17可带动Y轴底座11绕着A轴旋转，实现刀具的A轴角度的调节。通过驱动Y轴伺服电机16可带动执行器托板12沿着Y轴方向做直线运动。通过驱动B轴伺服电机18可带动中间托板15绕着B轴做旋转运动，实现刀具的B轴角度的调节。通过调节X1轴、Y轴、A轴、B轴的位姿，使刀具的轴线与被加工孔轴线重合。

Z1轴驱动组件、Z2轴驱动组件和电主轴13安装在中间托板15上，驱动Z2轴伺服电机19可推动中间托板14沿着Z2轴方向做直线运动，用于调节电主轴进给单元与机身制孔加工表面距离。驱动Z1轴伺服电机20可实现Z1轴方向进给运动，实现刀具的制孔锪窝工作。

3)完成所有孔制作后，飞机机身出架

完成所有孔制作后，X轴驱动组件中X轴伺服电机3驱动滚珠丝杆副4转动，从而驱动半圆形轨道模块5远离展向对称面，飞机机身出架。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种用于飞机机身段弧形轨制孔设备，其特征在于，其包括用于绕置在飞机机身外的左右两个半圆形轨道模块和左右两个水平底座；

每一水平底座上均固定有一水平直线导轨和一X轴驱动组件，该左右两个半圆形轨道模块分别通过对应的水平直线导轨安装在对应的水平底座上，该X轴驱动组件与置于该水平底座上的滚珠丝杆副相连接，该滚珠丝杆副与该半圆形轨道模块相连接，该左右两个半圆形轨道模块沿飞机展向对称面靠近或远离、且靠近对合后形成一个整圆圆形轨道模块；

在该整圆圆形轨道模块上设置有一用于在该整圆圆形轨道模块上作圆周运动以完成对机身待制孔区域的制孔操作的自动制孔单元。

2.如权利要求1所述的用于飞机机身段弧形轨制孔设备，其特征在于，该自动制孔单元包括Y轴驱动组件、B轴驱动组件、Z1轴驱动组件、Z2轴驱动组件、中间托板、电主轴、A轴驱动组件、快换刀柄、刀具、执行器托板、Y轴底座、X1轴底座、X1轴驱动组件和底座滚轮；

该X1轴底座通过该底座滚轮安装于该整圆圆形轨道模块上，该X1轴驱动组件固定于该X1轴底座的顶端，该Y轴底座固定于该X1轴底座上，且该Y轴底座与该X1轴底座转动配合，该A轴驱动组件和该执行器托板安装于该Y轴底座上，且该执行器托板与该Y轴底座滚动配合，该执行器托板上设有执行器和该Y轴驱动组件、该B轴驱动组件，该执行器托板上安装有中间托板，该Z1轴驱动组件、该Z2轴驱动组件和该电主轴均安装在该中间托板上，该刀具通过该快换刀柄安装于该电主轴上；

该X1轴驱动组件用于驱动该X1轴底座沿该整圆圆形轨道模块做X1向运动；

该A轴驱动组件用于驱动该Y轴底座绕A轴转动；

该Y轴驱动组件用于驱动该执行器托板沿该Y轴底座作Y向直线运动，该Y向直线垂直于该A轴；

该B轴驱动组件用于驱动该中间托板绕B轴做旋转运动，该B轴与该Y向直线平行；

该Z2轴驱动组件用于驱动该中间托板沿着Z2轴方向做直线运动，该Z2轴垂直于该Y向直线和该A轴；

该Z1轴驱动组件用于驱动该电主轴沿Z1轴方向做直线运动，该Z1轴与该Z2轴平行。

3.如权利要求2所述的用于飞机机身段弧形轨制孔设备，其特征在于，该X1轴驱动组件包括X1轴伺服电机和位于该X1轴伺服电机的输出轴上的X1轴齿轮。

4.如权利要求3所述的用于飞机机身段弧形轨制孔设备，其特征在于，每一半圆形轨道模块上设有引导该自动制孔单元移动的弧形齿条，该X1轴齿轮与该弧形齿条相啮合。

5.如权利要求1所述的用于飞机机身段弧形轨制孔设备，其特征在于，每一半圆形轨道模块包括一刚性圆弧形框架和一置于该刚性圆弧形框架上的圆弧导轨副，该圆弧导轨副由多段圆弧形线性轨道拼接而成，该自动制孔单元与该圆弧导轨副滚动配合，该自动制孔单元通过该圆弧导轨副安装于该刚性圆弧形框架上。

6.一种用于飞机机身段弧形轨制孔设备的使用方法，其特征在于，其包括以下步骤：

S1、该左右两个半圆形轨道模块沿展向退开，飞机机身吊装、调姿、对接进入制孔区域；

S2、该左右两个半圆形轨道模块沿展向对合，形成一个整圆圆形轨道模块，准备制孔；

S3、该自动制孔单元安装在该整圆圆形轨道模块上，并沿该整圆圆形轨道模块滑动以完成整个飞机机身的制孔任务；

S4、完成制孔工作，该左右两个半圆形轨道模块沿展向退开，飞机机身出架。