CN106938315B - 一种飞机气动铆接质量在线检测装置及检测方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种飞机气动铆接质量在线检测装置及检测方法，涉及工业装配制造领域，检测装置包括底座、顶铁、夹紧螺栓、传感器系统、铆接板、铆钉、数据处理系统，用于铆接过程参数精确采集、铆接数据的处理与铆接质量的评价。本发明提供了一种可用于飞机气动铆接质量在线检测的检测方法，可通过调整丝杆螺栓实现仿真板夹紧和放松，利用传感器对于铆接信号的实时采集，数据文件传输到上位机进行结果分析和评价，在显示平台上显示出铆接的基本过程、铆接质量评价结果和针对性指导反馈。本发明操作简单，数据采集精确，评价结果和反馈指导客观准确，可以有效提高铆接质量评价效率，显著降低质量检验成本。

Description

一种飞机气动铆接质量在线检测装置及检测方法

技术领域

本发明涉及航空航天运用气动铆接装配制造领域，是一种飞机气动铆接质量在线检测装置，特别是一种铆接质量在线检测评定和铆接操作改进指导的方法。

背景技术

在装配制造领域，机械连接是重要的组成部分，是将零散零件集成为多功用装备和系统的必要方法。为了保证零件装配成系统后具有高强度、长寿命，必须对于连接工艺进行研究。铆接作为机械连接的主要方式，具有低风阻系数、性能稳定、长寿命、良好密封性等优点而被广泛采用，尤其是航空航天领域。

目前，为了保证铆接质量的一致性，国外研发了自动钻铆设备，采用压铆的方式，但是由于其只能用于开敞部位和法向检测不准确等问题，使用受到很大限制，多用于开敞性良好的部位连接。因此，开敞性差的连接部位，只能采用气动铆接。气动铆枪机构简单、且结实轻便，目前国内气动铆接自动化水平较低，主要以人工手持铆枪铆接为主，铆接质量一致性不高，需要进行逐个质量检测。传统铆接质量检查方法检查铆钉质量有两种，一是检查铆钉的墩头形貌，但是对于铆接质量评价的可靠性较差；二是必须把铆接板沿着直径方向剪开检查铆接干涉量情况，但是结果会导致连接件失效；由于将变形后的铆钉从连接板中取出后会出现自由回弹，导致干涉量测量不准，同时还需要开发借助专门的夹具来固定铆接后铆钉完成尺寸测量和干涉量计算，不仅程序繁复，工艺难度大，成本高，同时测量结果也存在不准确问题。

因此，本领域的技术人员致力于开发一种气动铆接质量评价和验证装置及方法，可以应用于气动铆接质量检测领域，解决传统质量检测方式可靠性差、检测成本和工艺要求高等问题。同时，还可以实现对于测试台信号评价方式的准确性进行试验验证，保证使用过程中的可靠性。

发明内容

针对现有质量检测设备和方法的缺陷，本发明提供了气动铆接质量评价和验证装置及方法，并以期通过此工装对于气动铆接冲击力大小、铆接位置偏移、角度偏斜三个重要参数进行测量，从而完成对于气动铆接过程的科学反映，提供一种评价铆接质量的无损检测方法，同时可以对铆接工人进行实时反馈与指导。

本发明公开了一种飞机气动铆接质量在线检测装置，包括底座、顶铁、夹紧螺栓、传感器系统、铆接仿真板、铆钉和数据处理系统，所述铆接仿真板与所述顶铁通过丝杆相连，所述丝杆通过顺、逆时针转动用于所述铆接仿真板和所述顶铁的夹紧与放松。

进一步地，所述丝杆采用细牙单线螺纹连接，螺纹升角小于3.5°。

进一步地，所述顶铁与铆接板通过丝杆相接的同时与力传感器通过螺纹连接，与加速度传感器也通过螺纹连接固定。

进一步地，所述传感器系统包括一个三轴力学传感器位于顶铁的几何中心，与顶铁通过螺纹连接，用于直接检测顶铁传递的x、y、z三轴冲击力。

进一步地，所述传感器系统包括四个加速度传感器在以顶铁几何中心为圆心的圆周上均匀布置，分别位于三轴力传感器的坐标轴上，通过螺纹连接方式进行定位，用于直接检测顶铁传递的z轴方向的冲击力，以反应铆接力出现偏斜角度的大小。

进一步地，所述底座与所述三轴力学传感器相连接，用于轴向固定。

本发明还公开了使用飞机气动铆接质量在线检测装置的检测方法，包括如下步骤：

第一步：对于所述的传感器系统进行调零和校准；

第二步：对于所述的操作仿真板进行放钉和定位夹紧操作；

第三步：在所述的操作仿真板上使用气动铆枪进行连续冲击铆接；

第四步：对所述的多功能顶铁进行力学信号和加速度信号采集；

第五步：进行铆接质量检测；

第六步：输出铆接结果和指导意见。

进一步地，铆接力求解的步骤是：

加速度传感器1、2、3、4检测到的数据分别为a₁,a₂,a₃,a₄

顶铁和铆接板系统的总质量为m；

三轴力传感器x,y,z三个坐标轴方向检测到力分别为：F_x,F_y,F_z

铆接冲击力大小为F,与轴z正半轴的夹角为

铆接力投影到XOY平面上，与X轴正半轴夹角为θ；

第一步，建立力学方程：

求x轴方向的力：

∑x_i＝F_x (1)

求y轴方向的力：

∑y_i＝F_y (2)

求z轴方向的力：

∑z_i＝F_A+F_B+F_C+F_D+F_Z＝F_V (3)

求绕x轴的力矩：

∑M_xi＝-F_V·y+F_Hy·H＝(F_C+F_D-F_A-F_B)L/2 (4)

求绕y轴的力矩：

∑M_yi＝-F_V·x+F_Hx·H＝(F_A+F_D-F_C-F_B)L/2 (5)

求绕z轴的力矩：

∑M_zi＝-F_Hy·x+F_Hx·y＝M_Z (6)

几何条件：

F_A＝ma_A,F_B＝ma_B,F_C＝ma_C,F_D＝ma_D (10)

第二步：

由(1)(2)(3)(9)得：θ＝tan^-1(F_x/F_y)

第三步，采用光电传感器法求解：高度H的值，检测光电传感器通路在铆接中被遮挡住的长度h，即可以获取铆接中铆钉超出板厚的高度h，量取铆接板(连接板)的板厚L，从而由H＝h+L即可以求得每一次铆接中铆钉的高度H值；

第四步，求解：

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1.通过传感器系统采集信号对于铆接力的大小、角度和频率信号进行实时采集，建立起铆接质量判定的量化模式、曲线和指标，从而判定出铆接的质量，解决了传统质量检测中破坏检测时测量干涉量，因此，对于铣切铆接板工艺性要求高，成本昂贵的问题；同时改善了非破坏检测时，观察墩头形貌过分依赖主观经验，不能量化评价的现状，实现了铆接力的实时采集和铆接质量无损检测。

2.通过数据采集给出铆接质量判据，可以明确显示出铆接不合格的原因，有效为技术工人在后续操作中的改进和提升操作方法提供针对行的指导。

本发明操作简单，可以快速完成气动铆接质量在线检测、铆接操作评价和结果反馈指导的功能。

以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。

附图说明

图1为本发明一个较佳实施例的检测装置的整体结构示意图；

图2为本发明一个较佳实施例的夹紧装置结构示意图；

图3为本发明一个较佳实施例的传感器布置示意图；

图4为本发明一个较佳实施例的受力分析示意图；

图5为本发明一个较佳实施例的光电传感器检测原理示意图

图6为本发明一个较佳实施例的工作过程示意图；

其中，1为底座,2为顶铁，3为铆接仿真板，4为夹紧螺钉,5为三轴力传感器,6、7、8、9为加速度传感器，10为上位机(PC)，11为光电传感器发射模块，12为光电传感器接收模块。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

如图1-图5所示，本发明所述技术方案提供一种气动铆接质量评价和验证装置，包括底座、顶铁、夹紧螺栓、传感器系统、铆接仿真板、铆钉、数据处理系统。

丝杆采用细牙单线螺纹连接，螺纹升角小于3.5°，以保证自锁性能，同时丝杆与铆接板和顶铁相连，能够通过顺、逆时针转动丝杆实现铆接板的夹紧与放松。

顶铁与铆接板通过丝杆相接，同时与力传感器通过螺纹连接，与加速度传感器也通过螺纹连接固定。

所述传感器系统包括一个三轴力学传感器位于顶铁的几何中心，与顶铁通过螺纹连接，用于直接检测顶铁传递的x、y、z三轴冲击力。

传感器系统包括四个加速度传感器在以顶铁几何中心为圆心的圆周上均匀布置，分别位于三轴力传感器的坐标轴上，通过螺纹连接方式进行定位。用于直接检测顶铁传递的z轴方向的冲击力，以反应铆接力出现偏斜角度的大小。

数据处理系统，所述传感器系统包括四个加速度传感器在以顶铁几何中心为圆心的圆周上均匀布置，分别位于三轴力传感器的坐标轴上，通过螺纹连接方式进行定位。用于直接检测顶铁传递的z轴方向的冲击力，以反应铆接力出现偏斜角度的大小。

进一步的，所述的传感器系统，铆接力求解技术方案是：

加速度传感器1、2、3、4检测到的数据分别为a₁,a₂,a₃,a₄

顶铁和铆接板系统的总质量为m；

三轴力传感器x,y,z三个坐标轴方向检测到力分别为：F_x,F_y,F_z

铆接冲击力大小为F,与轴z正半轴的夹角为

铆接力投影到XOY平面上，与X轴正半轴夹角为θ；

建立力学方程：

求x轴方向的力：

∑x_i＝F_x (1)

求y轴方向的力：

∑y_i＝F_y (2)

求z轴方向的力：

∑z_i＝F_A+F_B+F_C+F_D+F_Z＝F_V (3)

求绕x轴的力矩：

∑M_xi＝-F_V·y+F_Hy·H＝(F_C+F_D-F_A-F_B)L/2 (4)

求绕y轴的力矩：

∑M_yi＝-F_V·x+F_Hx·H＝(F_A+F_D-F_C-F_B)L/2 (5)

求绕z轴的力矩：

∑M_zi＝-F_Hy·x+F_Hx·y＝M_Z (6)

几何条件：

F_A＝ma_A,F_B＝ma_B,F_C＝ma_C,F_D＝ma_D (10)

现在：

由(1)(2)(3)(9)得：θ＝tan^-1(F_x/F_y)

由于3个力矩方程只有两个是线性无关的量，但是有三个未知参数x,y,H,因此必须增加一个已知条件才能进行求解：

所以本例采用光电传感器法求解：高度H的值，检测光电传感器通路在铆接中被遮挡住的长度h，即可以获取铆接中铆钉超出板厚的高度h，量取铆接板(连接板)的板厚L，从而由H＝h+L即可以求得每一次铆接中铆钉的高度H值。

因此可以实现求解：

此时完成对于冲击力六个参数：F,θ,x,y,H的求解，通过测量传感器的值，即可以确定铆接力的大小，角度和铆接的位置。

进一步地，所述数据处理系统，是由上位机、显示器组成。上位机通过接收对应传感器传输的实时信号，按照既定的程序进行处理和计算，最终给出铆接力作用过程状态，建立起失效和合格铆接的基本模式，进而判定铆接质量；针对铆接中冲击力反映的信息，给出误操作分析和针对性改进指导方法。

如图6所示，本发明所述技术方案提供一种气动铆接质量评价和验证方法：

第一步：启动电脑10的电源开关，进行相关传感器设备的调零操作。

第二步：放钉，并调节丝杆螺栓进行夹紧，准备铆接。

第三步：按压铆枪开关，铆枪进行冲击铆接。

第四步：在显示器检查铆接结果和操作评价，学习指导意见并改进。

以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (6)

1.一种飞机气动铆接质量在线检测装置，其特征在于，包括底座、顶铁、夹紧螺栓、传感器系统、铆接仿真板、铆钉和数据处理系统，所述铆接仿真板与所述顶铁通过丝杆相连，所述丝杆通过顺、逆时针转动用于所述铆接仿真板和所述顶铁的夹紧与放松；所述传感器系统包括一个三轴力传感器位于顶铁的几何中心，与顶铁通过螺纹连接，用于直接检测顶铁传递的x、y、z三轴冲击力；所述传感器系统还包括四个加速度传感器在以顶铁几何中心为圆心的圆周上均匀布置，分别位于三轴力传感器的坐标轴上，通过螺纹连接方式进行定位，用于直接检测顶铁传递的z轴方向的冲击力，以反应铆接力出现偏斜角度的大小。

2.如权利要求1所述的飞机气动铆接质量在线检测装置，其特征在于，所述丝杆采用细牙单线螺纹连接，螺纹升角小于3.5°。

3.如权利要求1所述的飞机气动铆接质量在线检测装置，其特征在于，所述顶铁与铆接仿真板通过丝杆相接的同时与三轴力传感器通过螺纹连接，与加速度传感器也通过螺纹连接固定。

4.如权利要求1所述的飞机气动铆接质量在线检测装置，其特征在于，所述底座与所述三轴力传感器相连接，用于轴向固定。

5.使用如权利要求1至4中任一项所述的飞机气动铆接质量在线检测装置的检测方法，其特征在于，包括如下步骤：

第一步：对于所述的传感器系统进行调零和校准；

第二步：对于所述的铆接仿真板进行放钉和定位夹紧操作；

第三步：在所述的铆接仿真板上使用气动铆枪进行连续冲击铆接；

第四步：对所述的顶铁进行力学信号和加速度信号采集；

第五步：进行铆接质量检测；

第六步：输出铆接结果和指导意见。

6.如权利要求5所述的飞机气动铆接质量在线检测装置的检测方法，其特征在于，铆接力求解的步骤是：

加速度传感器1、2、3、4检测到的数据分别为a_A，a_B，a_C，a_D；

顶铁和铆接仿真板系统的总质量为m；

三轴力传感器x，y，z三个坐标轴方向检测到力分别为：F_x,F_y,F_z

铆接冲击力大小为F，与轴z正半轴的夹角为

铆接力投影到XOY平面上，与x轴正半轴夹角为θ；

第一步，建立力学方程：

求x轴方向的力：

∑x_i＝F_x ⑴

求y轴方向的力：

∑y_i＝F_y ⑵

求z轴方向的力：

∑z_i＝F_A+F_B+F_C+F_D+F_Z＝F_V ⑶

求绕x轴的力矩：

∑M_xi＝-F_V·y+F_Hy·H＝(F_C+F_D-F_A-F_B)L/2＝M_x ⑷

求绕y轴的力矩：

∑M_yi＝-F_V·x+F_Hx·H＝(F_A+F_D-F_C-F_B)L/2＝M_y ⑸

求绕z轴的力矩：

∑M_zi＝-F_Hy·x+F_Hx·y＝M_z ⑹

几何条件：

F_A＝ma_A,F_B＝ma_B,F_C＝ma_C,F_D＝ma_D ⑽

第二步：

由(1)(2)(3)(9)得：θ＝tan^-1(F_x/F_y)

第三步，采用光电传感器法求解：高度H的值，检测光电传感器通路在铆接中被遮挡住的长度h，即可以获取铆接中铆钉超出板厚的高度h，量取铆接仿真板的板厚L，从而由H＝h+L即可以求得每一次铆接中铆钉的高度H值；

第四步，求解：