CN107186469B - 航空发动机盘鼓结构件螺栓自动拧紧机械臂及其工作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种航空发动机盘鼓结构件螺栓自动拧紧机械臂，包括夹持装置、螺栓拧紧头、螺栓固定套、传动齿轮一、传动齿轮二、伺服电机、气缸、转角传感器和扭矩传感器；所述夹持装置上部有长轴贯穿，一端与所述伺服电机输出轴连接，另一端与转角传感器连接；夹持装置下部装有螺栓拧紧头和螺栓固定套，所述螺栓拧紧头与扭矩传感器连接，扭矩传感器与传动齿轮二轴连接，所述扭矩传感器和转角传感器实时控制伺服电机，将输出值作为伺服电机的输入信号，进行负反馈激励，实现自动拧紧。本发明不仅能拧紧螺栓，而且通过扭矩传感器和转角传感器实时控制伺服电机，使拧紧效果达到最好，自动化程度高。

Description

航空发动机盘鼓结构件螺栓自动拧紧机械臂及其工作方法

技术领域

本发明属于航空自动化装配技术领域，具体涉及一种航空发动机盘鼓结构件螺栓自动拧紧机器人手臂。

背景技术

盘鼓结构件，作为航空发动机的重要组成零件，是影响发动机运转的稳定性和安全性的重要因素，其通常由盘、筒、锥套三者组成，通过可拆卸的螺栓将以上的三个部分压紧连接成一个整体的转子结构形式，螺栓均匀地分布在盘的压紧面处，靠压紧面的摩擦力传递转矩。由于盘鼓结构件在轮缘处是一个可以转动的鼓筒，故该结构件刚性较好；而离心力则靠轮盘来承受，故该结构件的强度较高。鉴于这些优点，盘鼓结构件被广泛地应用于军用与民用航空发动机中。

目前，该类型盘鼓结构件的螺栓一般通过人工方式进行装配，一方面，由于人工方式在拧紧螺栓时，其拧紧效果容易受到人为因素的影响，并不能保证良好的一致性和可重复性，也无法量化评价拧紧效果。另一方面，由于严酷的服役环境和工作条件，容易导致螺栓出现松动的情况，其往往是整个盘鼓结构件中的薄弱环节，如果其约束强度不够，不仅会加快了有关部件的磨耗、还增大了疲劳失效的可能；如果出现螺栓断裂，则会导致盘鼓结构功能的丧失，甚至酿成重大的安全事故。

随着科技水平的不断提高，市场上也出现了不少涉及自动化装配技术的装置或自动拧紧机械手臂，大多是涉及汽车领域，相比之下，其他领域则有着不少空白。目前对于螺栓的自动化拧紧装配，虽然已经出现了很多方案，但依旧存在一些问题。例如，在CN201210229080.9、CN201610211363.9、CN201610723895.0、CN201610382080.0、CN201610213153.3、CN201010113070.X、201410600722.0等中国专利申请中公开了几种或多种螺栓的自动化拧紧装置或设备，但是并不能定量评价螺栓拧紧效果，而且装置结构不够紧凑，占用空间较大，无法主动调整，其在拧紧过程中还需要依靠工人进行操作，也不能和目前在工业中广泛使用的机械人手臂进行连接使用，并不适用于盘鼓结构等带有多组复杂螺栓孔等复杂形态装配的场合。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明提供一种用于航空发动机盘鼓结构件螺栓自动拧紧的机器人手臂，不仅能拧紧螺栓，而且使得螺栓的拧紧效果达到最好，通过扭矩传感器和转角传感器实时地控制伺服电机，来达到预先设定的拧紧效果，便于实现工业自动化，符合当前的机电一体化的发展趋势。本发明提供的机器人手臂设计，较好得实现拧紧效果的可控性，同时自动化程度也较高。

具体技术方案如下：

航空发动机盘鼓结构件螺栓自动拧紧机械臂，包括夹持装置、螺栓拧紧头、螺栓固定套、传动齿轮一、传动齿轮二、伺服电机、气缸、转角传感器和扭矩传感器；所述夹持装置上部有长轴贯穿，下部有左夹臂和右夹臂；所述长轴两端使用轴承定位，长轴一端与所述伺服电机输出轴连接，长轴另一端与转角传感器连接，转角传感器末端与传动齿轮一轴连接；所述左夹臂上装有螺栓拧紧头，右夹臂上装有螺栓固定套；所述螺栓拧紧头与扭矩传感器连接，扭矩传感器与传动齿轮二轴连接，传动齿轮一与传动齿轮二相互啮合；所述螺栓固定套与气缸推杆过盈联接；所述扭矩传感器和转角传感器实时控制伺服电机，将输出值作为伺服电机的输入信号，进行负反馈激励，实现自动拧紧。

所述长轴与伺服电机输出轴、长轴与转角传感器、转角传感器与传动齿轮一、扭矩传感器与传动齿轮二之间均通过联轴器连接。

所述螺栓拧紧头上安装视觉测量模块。

所述螺栓固定套内置压力感应片。

所述的航空发动机盘鼓结构件螺栓自动拧紧机械臂工作方法如下：

(1)将盘鼓结构件安装在盘鼓构件固定心轴上，使其能够绕盘鼓构件固定心轴平稳转动，连通电源，检测各部分仪器是否显示正常，调试和校正；

(2)将待装配螺栓插入盘鼓结构件的装配孔中后，将螺母于螺杆上预拧，确保配合充分；

(3)通过安装于螺栓拧紧头上的视觉测量模块将机械臂定位，使得螺栓拧紧头螺栓固定套及盘鼓结构件上的装配孔同轴心对正；

(4)机械臂带动下，将螺栓拧紧头与螺母贴合；同时在气缸的作用下，轴向进给螺栓固定套，使之与螺栓头部贴合，当螺栓固定套上的压力感应片压力值达到预设值时，气缸进给结束，机械臂锁定；

(5)启动伺服电机，使螺栓拧紧头旋转一定角度，监测扭矩传感器和转角传感器实时输出数据是否与实际情况相符，进一步确保螺栓和螺母贴合可靠；

(6)转动螺栓拧紧头，带动螺栓拧紧头固定的螺母转动，配合机械臂进行微进给，使螺栓拧紧头同时转动和轴向进给，从而达到与螺栓固定套贴合的螺栓进行拧合，并通过转角传感器和扭矩传感器实时输出的扭矩值和转动角度值，在PC端接受数据，并根据扭矩值和转动角度值绘制出相应曲线；

(7)结合扭矩传感器和转角传感器的实时输出数据，将输出值作为伺服电机的输入信号，进行负反馈激励，实现自动拧紧；

(8)结束一组装配孔螺栓的自动拧紧后，在气缸的作用下，螺栓固定套退出进给后，转动盘鼓构件固定心轴，准备下一组装配孔的螺栓拧紧，重复上述步骤，直至所有螺栓装配完毕；

(9)结束作业后，将机械臂移至安全位置，切断电源。

本方法的优点是：

1、本发明不仅拧紧螺栓，而且通过扭矩传感器和转角传感器实时地控制伺服电机，使得螺栓的拧紧效果达到最好，既达到预先设定的拧紧效果，又较好地实现拧紧效果的可控；

2、将螺栓拧紧头安装在机械臂上，利于实现工业自动化，符合当前的机电一体化的发展趋势，自动化程度较高；

3、本发明的电机为伺服电机，是驱动装置，其特点是便于控制旋转速率以及启停；

4、本发明选用传动齿轮，可以减少总体轴段的长度，从而降低对轴刚度以及轻度的要求，并以相应传动比降低转速，降低对于伺服电机性能参数的要求，经济性得以提高；

5、本发明气缸用于螺栓固定套的进给，质量较小，便于控制，螺栓固定套内置压力感应片，通过压力感应片的压力值来确定气缸进给结束和锁定，使螺母和螺栓精准贴合。

6、本发明在拧紧过程中结合扭矩传感器和转角传感器的实时输出数据，将输出值作为伺服电机的输入信号，进行负反馈激励，实现自动拧紧，自动化程度高，而且可以精准控制。

附图说明

图1为本发明航空发动机盘鼓结构件螺栓自动拧紧机械臂的主视图；

图2为本发明航空发动机盘鼓结构件螺栓自动拧紧机械臂的俯视图；

图3为本发明航空发动机盘鼓结构件螺栓自动拧紧机械臂的等轴测视图；

图4为盘鼓结构件及螺栓装配示意图；

图5为本发明航空发动机盘鼓结构件螺栓自动拧紧机械臂拧紧装置的拧紧头示意图；

图6为本发明航空发动机盘鼓结构件螺栓自动拧紧机械臂拧紧装置的螺栓固定套示意图。

图中，1-传动齿轮一；2-转角传感器；3-联轴器一；4-夹持装置；5-伺服电机；6-气缸；7-盘鼓构件固定心轴；8-V型块式夹具体；9-传动齿轮二；10-螺栓固定套；11-盘鼓结构件；12-螺栓拧紧头；13-扭矩传感器；14-压力感应片；15—螺栓；16—视觉测量模块；17—装配孔；18—螺母固定孔。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。

航空发动机盘鼓结构件螺栓自动拧紧机械臂，包括夹持装置4、螺栓拧紧头12、螺栓固定套10、传动齿轮一1、传动齿轮二9、伺服电机5、气缸6、转角传感器2和扭矩传感器13；所述夹持装置4上部有长轴贯穿，下部有左夹臂和右夹臂；所述长轴两端使用轴承定位，长轴一端与所述伺服电机5输出轴连接，长轴另一端与转角传感器2连接，转角传感器2末端与传动齿轮一1轴连接；所述左夹臂上装有螺栓拧紧头12，右夹臂上装有螺栓固定套10；所述螺栓拧紧头12与扭矩传感器13连接，扭矩传感器13与传动齿轮二9轴连接，传动齿轮一1与传动齿轮二9相互啮合；所述螺栓固定套10与气缸6的推杆过盈联接；所述扭矩传感器13和转角传感器2实时控制伺服电机5，将输出值作为伺服电机5的输入信号，进行负反馈激励，实现自动拧紧。

(1)将盘鼓结构件11安装在盘鼓构件固定心轴7上，使其能够绕盘鼓构件固定心轴7平稳转动，连通电源，检测各部分仪器是否显示正常，调试和校正；

(2)将待装配螺栓15插入盘鼓结构件11的装配孔中后，将螺母于螺杆上预拧，确保螺母与螺杆配合充分；

(3)通过安装于螺栓拧紧头的视觉测量模块16将机械臂定位，使得螺栓拧紧头12、螺栓固定套10及盘鼓结构件11上的装配孔17同轴心对正；

(4)机械臂带动下，将螺栓拧紧头12与螺母贴合；同时在气缸6的作用下，轴向进给螺栓固定套10，使之与螺栓头部贴合，当螺栓固定套10上的压力感应片14压力值达到预设值时，气缸6进给结束，机械臂锁定；

(5)启动伺服电机5，使螺栓拧紧头12旋转一定角度，监测扭矩传感器13和转角传感器2实时输出数据是否与实际情况相符，进一步确保螺栓和螺母贴合可靠；

(6)转动螺栓拧紧头12，带动螺栓拧紧头固定的螺母转动，配合机械臂进行微进给，使螺栓拧紧头同时转动和轴向进给，从而达到与螺栓固定套10贴合的螺栓进行拧合，并通过转角传感器2和扭矩传感器13实时输出的扭矩值和转动角度值，在PC端接受数据，并根据扭矩值和转动角度值绘制出相应曲线；

(7)结合扭矩传感器13和转角传感器2的实时输出数据，将输出值作为伺服电机的输入信号，进行负反馈激励，实现自动拧紧；

(8)结束一组装配孔螺栓的自动拧紧后，在气缸6的作用下，螺栓固定套10退出进给后，转动盘鼓构件固定心轴7，准备下一组装配孔的螺栓拧紧，重复上述步骤，直至所有螺栓装配完毕；

(9)结束作业后，将机械臂移至安全位置，切断电源。

Claims (3)

1.航空发动机盘鼓结构件螺栓自动拧紧机械臂，包括夹持装置、螺栓拧紧头、螺栓固定套、传动齿轮一、传动齿轮二、伺服电机、气缸、转角传感器和扭矩传感器；所述夹持装置上部有长轴贯穿，下部有左夹臂和右夹臂；所述长轴两端使用轴承定位，长轴一端与所述伺服电机输出轴连接，长轴另一端与转角传感器连接，转角传感器末端与传动齿轮一轴连接；所述左夹臂上装有螺栓拧紧头，右夹臂上装有螺栓固定套；所述螺栓拧紧头与扭矩传感器连接，扭矩传感器与传动齿轮二轴连接；传动齿轮一与传动齿轮二相互啮合；所述螺栓固定套与气缸推杆过盈联接；所述扭矩传感器和转角传感器实时控制伺服电机，将输出值作为伺服电机的输入信号，进行负反馈激励，实现自动拧紧；所述螺栓拧紧头上安装视觉测量模块；所述螺栓固定套内置压力感应片。

2.如权利要求1所述航空发动机盘鼓结构件螺栓自动拧紧机械臂，其特征在于：所述长轴与伺服电机输出轴、长轴与转角传感器、转角传感器与传动齿轮一、扭矩传感器与传动齿轮二之间均通过联轴器连接。

3.一种如权利要求1所述的航空发动机盘鼓结构件螺栓自动拧紧机械臂的工作方法，具体步骤如下：

(1)将盘鼓结构件安装在盘鼓构件固定心轴上，使其能够绕盘鼓构件固定心轴平稳转动，连通电源，检测各部分仪器是否显示正常，调试和校正；

(2)将待装配螺栓插入盘鼓结构件的装配孔中后，将螺母于螺杆上预拧，确保螺母与螺杆配合充分；

(3)通过安装于螺栓拧紧头上的视觉测量模块将机械臂定位，使得螺栓拧紧头、螺栓固定套及盘鼓结构件上的装配孔同轴心对正；

(4)机械臂带动下，将螺栓拧紧头与螺母贴合；同时在气缸的作用下，轴向进给螺栓固定套，使之与螺栓头部贴合，当螺栓固定套上的压力感应片压力值达到预设值时，气缸进给结束，机械臂锁定；

(5)启动伺服电机，使螺栓拧紧头旋转一定角度，监测扭矩传感器和转角传感器实时输出数据是否与实际情况相符，进一步确保螺栓和螺母贴合可靠；

(6)转动螺栓拧紧头，带动螺栓拧紧头固定的螺母转动，配合机械臂进行微进给，使螺栓拧紧头同时转动和轴向进给，从而达到与螺栓固定套贴合的螺栓进行拧合，并通过转角传感器和扭矩传感器实时输出的扭矩值和转动角度值，在PC端接受数据，并根据扭矩值和转动角度值绘制出相应曲线；

(7)结合扭矩传感器和转角传感器的实时输出数据，将输出值作为伺服电机的输入信号，进行负反馈激励，实现自动拧紧；

(8)结束一组装配孔螺栓的自动拧紧后，在气缸的作用下，螺栓固定套退出进给后，转动盘鼓构件固定心轴，准备下一组装配孔的螺栓拧紧，重复上述步骤，直至所有螺栓装配完毕；

(9)结束作业后，将机械臂移至安全位置，切断电源。