CN109100066B - 智能装配碰撞检测装置 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种智能装配碰撞检测装置，用于低压涡轮单元体和风扇核心机单元体的装配，其包括固定支架、六维力传感器、力传导杆和刚性连接机构，所述智能装配碰撞检测装置通过所述固定支架固定至低压涡轮单元体上；所述六维力传感器安装在所述固定支架上，所述力传导杆一端与所述六维力传感器连接，所述力传导杆的另一端通过所述刚性连接机构与所述低压涡轮单元体的低压涡轮轴连接，并由所述力传导杆将所述低压涡轮轴受到的力传递给所述六维力传感器。本发明所属的低压涡轮单元体智能装配平台能够快速、高质量地完成低压涡轮单元体装配，从而提高了生产效率。

Description

智能装配碰撞检测装置
技术领域
本发明涉及航空发动机制造领域，特别涉及一种智能装配碰撞检测装置，适用于用于低压涡轮单元体和风扇核心机单元体的装配。
背景技术
民用航空涡扇发动机装配的特点为零件及连接件数量多，产品结构形状复杂，装配质量要求高，而当前国内航空发动机装配工艺水平还很落后，人工劳动量大，生产周期较长，很多时候还要依靠操作人员的经验。
目前，低压涡轮单元体安装技术的国内现状是：沿袭传统装配方式和管理模式，依然使用二维工艺设计，采用人和吊车组合，配合使用专用工装的装配方案，生产管理过多依靠人员的经验，发生错装、漏装以及零件损伤等质量问题的概率高，装配一致性、稳定性差，装配效率低下。
低压涡轮单元体装配时，需要将长度约2m，直径约10cm的低压涡轮轴插入不可见的转子内腔；低压涡轮轴前端有花键，此花键需要实现与转子内腔前端的花键配合，所以花键配合必须以一定角度插入，以防止零件的损坏。
传统的装配工艺采用吊装的方式为：首先在低压轴前端装上引导轴，由多人配合缓慢推动低压涡轮单元体往风扇单元体转子内腔装配。在整个装配中由于低涡轴与转子内腔不可见，所以需要严格控制两单元体间的磕碰力，防止发生零件损坏。目前，磕碰力的控制一方面通过人为感知，另一方面通过吊车上力秤或压力传感器的示数来推算大致的磕碰力和调整方向。这种装配过程中人为感知的方法一致性较差，通过吊车上的力秤示数推断调整方向也非常依赖经验，效率和精度都相对较低。
如上所述，低涡单元体与风扇核心机单元体的对接过程需要解决以下技术问题：
一、低涡长轴在插入转子内腔过程中空间狭小，实际装配情况不可见。
二、装配精度要求高，一旦低涡长轴与转子内腔不同轴或花键配合角度不对，很容易发生磕碰，造成零件损坏。
三、传统低压涡轮轴在装配过程中磕碰力主要靠人为感知和压力传感器(或吊秤)的推算，磕碰力计算不准确且无法检测力的方向，无法反馈有效的控制信息。
四、整个装配过程完全靠人工和吊车，效率较低，装配一致性差。
因此，要实现低压涡轮轴到风扇核心机内腔的高效高精度装配过程，装配过程中磕碰力的智能检测和装配过程的自动化控制成为解决主要技术问题的关键。
发明内容
本发明要解决的技术问题是为了克服现有技术中低压涡轮单元体智能装配效率低且精度要求高等缺陷，提供一种智能装配碰撞检测装置。
本发明是通过下述技术方案来解决上述技术问题的：
一种智能装配碰撞检测装置，用于低压涡轮单元体和风扇核心机单元体的装配，其特点在于，所述智能装配碰撞检测装置包括固定支架、六维力传感器、力传导杆和刚性连接机构，其中，
所述智能装配碰撞检测装置通过所述固定支架固定至低压涡轮单元体上；
所述六维力传感器安装在所述固定支架上，所述力传导杆一端与所述六维力传感器连接，所述力传导杆的另一端通过所述刚性连接机构与所述低压涡轮单元体的低压涡轮轴连接，并由所述力传导杆将所述低压涡轮轴受到的力传递给所述六维力传感器。
根据本发明的一个实施例，所述力传导杆与所述低压涡轮轴采用刚性连接，所述力传导杆与所述六维力传感器采用刚性连接。
根据本发明的一个实施例，所述刚性连接机构安装在所述低压涡轮轴的延长侧。
根据本发明的一个实施例，所述低压涡轮单元体包括多个自由度，且每个自由度通过一独立的伺服电机控制。
根据本发明的一个实施例，所述低压涡轮单元体包括第一调姿平台和第二调姿平台，所述第一调姿平台用于控制所述低压涡轮单元体沿X轴、Y轴、Z轴方向的移动，所述第二调姿平台用于控制所述低压涡轮单元体沿X轴方向的两个转动。
根据本发明的一个实施例，所述风扇核心机单元体包括两个自由度，所述两个自由度为绕Y方向摆动和绕Z方向旋转。
根据本发明的一个实施例，所述风扇核心机单元体包括第三调姿平台，所述第三调姿平台用于控制所述风扇核心机单元体的两个自由度。
根据本发明的一个实施例，所述智能装配碰撞检测装置还包括控制系统，所述控制系统用于将获取的力和力矩信息转化为六自由度姿态调整参数；
当所述低压涡轮轴与所述风扇核心机单元体的内腔碰撞时，将碰撞力传导至所述六维力传感器，所述六维力传感器将获取的数据转换为三维力信息和三维力矩信息，并传送给所述控制系统。
本发明的积极进步效果在于：
本发明智能装配碰撞检测装置具有如下优点：
一、本发明基于六维力传感器实现了对低压涡轮轴在装配到风扇核心机内腔过程的碰撞检测。
二、本发明通过六维力传感器的反馈信号，提供给控制系统准确的调节信号。
三、本发明所属的低压涡轮单元体智能装配平台通过上述的控制系统，确保低压涡轮轴在碰撞风扇核心机单元体的内腔时及时停止动作，防止发动机零部件的损坏。
本发明所属的低压涡轮单元体智能装配平台能够快速、高质量地完成低压涡轮单元体装配，从而提高了生产效率。
附图说明
本发明上述的以及其他的特征、性质和优势将通过下面结合附图和实施例的描述而变的更加明显，在附图中相同的附图标记始终表示相同的特征，其中：
图1为本发明智能装配碰撞检测装置的结构示意图。
图2为图1中沿A-A线剖开的剖视图。
图3为本发明智能装配碰撞检测装置中低压涡轮单元体的自由度示意图。
图4为本发明智能装配碰撞检测装置中风扇核心机单元体的自由度示意图。
图5为本发明智能装配碰撞检测装置中六维传感器的坐标示意图。
图6为图5中六维力传感器在Zs、Ys方向的平面图。
图7为图5中六维力传感器在Xs、Ys方向的平面图。
图8为本发明智能装配碰撞检测装置的工作流程示意图。
具体实施方式
为让本发明的上述目的、特征和优点能更明显易懂，以下结合附图对本发明的具体实施方式作详细说明。
现在将详细参考附图描述本发明的实施例。现在将详细参考本发明的优选实施例，其示例在附图中示出。在任何可能的情况下，在所有附图中将使用相同的标记来表示相同或相似的部分。此外，尽管本发明中所使用的术语是从公知公用的术语中选择的，但是本发明说明书中所提及的一些术语可能是申请人按他或她的判断来选择的，其详细含义在本文的描述的相关部分中说明。此外，要求不仅仅通过所使用的实际术语，而是还要通过每个术语所蕴含的意义来理解本发明。
图1为本发明智能装配碰撞检测装置的结构示意图。图2为图1中沿A-A线剖开的剖视图。
如图1和图2所示，本发明公开了一种智能装配碰撞检测装置，用于低压涡轮单元体和风扇核心机单元体的装配。所述智能装配碰撞检测装置包括固定支架10、六维力传感器20、力传导杆30和刚性连接机构40。
其中，所述智能装配碰撞检测装置通过固定支架10固定至低压涡轮单元体50上。六维力传感器20安装在固定支架10上，力传导杆30一端与六维力传感器20连接，力传导杆30的另一端通过刚性连接机构40与低压涡轮单元体50的低压涡轮轴连接，并由力传导杆30将所述低压涡轮轴受到的力传递给六维力传感器20。
优选地，为了保证所述低压涡轮轴受到的力能够更好地传递给六维力传感器20，力传导杆30与所述低压涡轮轴采用刚性连接，力传导杆30与六维力传感器20采用刚性连接。刚性连接机构40安装在所述低压涡轮轴的延长侧。
本发明智能装配碰撞检测装置是基于六维力传感器的低压涡轮单元体智能装配碰撞检测装置，其需要首先对传感器进行标定。标定时需要先在低压涡轮轴前端各个方向施加精确的力和力矩，来测量传感器上受力或力矩的大小，得到标定力和测量力的对应关系，从而实现磕碰力的精准测量。
图3为本发明智能装配碰撞检测装置中低压涡轮单元体的自由度示意图。
如图3所示，低压涡轮单元体50包括多个自由度，且每个自由度通过一独立的伺服电机控制。例如图3所示，其包括X、Y、Z方向的移动和X方向的两个转动RX、RX1。
具体地说，低压涡轮单元体50包括第一调姿平台51和第二调姿平台52，第一调姿平台51用于控制低压涡轮单元体50沿X轴、Y轴、Z轴方向的移动，第二调姿平台52用于控制低压涡轮单元体50沿X轴方向的两个转动RX、RX1。
图4为本发明智能装配碰撞检测装置中风扇核心机单元体的自由度示意图。
如图4所示，风扇核心机单元体60包括两个自由度，所述两个自由度为绕Y方向摆动RY和绕Z方向旋转RZ。同时，风扇核心机单元体60还包括第三调姿平台61，通过第三调姿平台61来控制风扇核心机单元体60的两个自由度。
图5为本发明智能装配碰撞检测装置中六维传感器的坐标示意图。图6为图5中六维力传感器在Zs、Ys方向的平面图。图7为图5中六维力传感器在Xs、Ys方向的平面图。
如图5至图7所示，六维力传感器20的坐标系与智能装配平台的坐标系相关。六维力传感器20的坐标系中的X轴对应智能装配平台坐标系中的Z轴。六维力传感器20的坐标系中的Z轴对应智能装配平台坐标系中的X轴。六维力传感器20的坐标系中的Y轴对应智能装配平台坐标系中的Y轴。
此外，本发明智能装配碰撞检测装置还包括控制系统(图中未示)，所述控制系统用于将获取的力和力矩信息转化为六自由度姿态调整参数。当所述低压涡轮轴与所述风扇核心机单元体的内腔碰撞时，将碰撞力传导至六维力传感器20，六维力传感器20将获取的数据转换为三维力信息和三维力矩信息，并传送给所述控制系统。
图8为本发明智能装配碰撞检测装置的工作流程示意图。
如图8所示，当低压涡轮轴与风扇核心机单元体组合件内腔碰撞时，碰撞力通过传导，传送给六维力传感器，六维力传感器将获取数据转换为三维力信息Fx、Fy、Fz与三维力矩信息Mx、My、Mz，并通过总线输出给智能装配平台控制系统。控制系统将力和力矩信息转化为六自由度姿态调整参数，控制智能装配平台的相对应的伺服电机，完成两单元体位置的调整。
根据上述描述可知，本发明智能装配碰撞检测装置的目的是解决传统人工感知和压力传感器(或吊秤)实现碰撞检测的缺陷，公开了一种基于六维力传感器的低压涡轮单元体智能装配的碰撞检测装置。其与传统方法所不同之处在于：一、本发明实现了对低压涡轮轴在装配到风扇核心机内腔过程的碰撞力检测。通过力传导杆，将低压涡轮轴的碰撞传导到六维力传感器上。六维力传感器能检测碰撞力的大小和方向。二、智能控制系统能够根据六维力传感器输出的力大小和方向，在碰撞发生时及时把力信息反馈给控制系统，调整智能装配平台上的多个自由度，确保低压涡轮轴不损坏风扇与核心机单元体组合件的内腔。
本发明智能装配碰撞检测装置应用了智能机器人技术、柔性工装技术、智能传感器技术、实时控制技术，研制专用智能装配机器人、柔性工装，具备整机装配中低压涡轮安装的高精度导航与定位、智能感知与决策、智能控制等功能，实现商用航空发动机低压涡轮单元体安装过程的自动上料、智能装配与检测以及远程监控。通过低压涡轮单元体对接工艺过程的自动化，实现整个对接过程中零组件无损坏，减少操作人员劳动强度，提高装配效率。
综上所述，本发明智能装配碰撞检测装置具有如下优点：
一、本发明基于六维力传感器实现了对低压涡轮轴在装配到风扇核心机内腔过程的碰撞检测。
二、本发明通过六维力传感器的反馈信号，提供给控制系统准确的调节信号。
三、本发明所属的低压涡轮单元体智能装配平台通过上述的控制系统，确保低压涡轮轴在碰撞风扇核心机单元体的内腔时及时停止动作，防止发动机零部件的损坏。
本发明所属的低压涡轮单元体智能装配平台能够快速、高质量地完成低压涡轮单元体装配，从而提高了生产效率。
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作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种智能装配碰撞检测装置，用于低压涡轮单元体和风扇核心机单元体的装配，其特征在于，所述智能装配碰撞检测装置包括固定支架、六维力传感器、力传导杆和刚性连接机构，其中，
所述智能装配碰撞检测装置通过所述固定支架固定至低压涡轮单元体上；
所述六维力传感器安装在所述固定支架上，所述力传导杆一端与所述六维力传感器连接，所述力传导杆的另一端通过所述刚性连接机构与所述低压涡轮单元体的低压涡轮轴连接，并由所述力传导杆将所述低压涡轮轴受到的力传递给所述六维力传感器；
所述低压涡轮单元体包括多个自由度，且每个自由度通过一独立的伺服电机控制；所述低压涡轮单元体包括第一调姿平台和第二调姿平台，所述第一调姿平台用于控制所述低压涡轮单元体沿X轴、Y轴、Z轴方向的移动，所述第二调姿平台用于控制所述低压涡轮单元体沿X轴方向的两个转动。
2.如权利要求1所述的智能装配碰撞检测装置，其特征在于，所述力传导杆与所述低压涡轮轴采用刚性连接，所述力传导杆与所述六维力传感器采用刚性连接。
3.如权利要求1所述的智能装配碰撞检测装置，其特征在于，所述刚性连接机构安装在所述低压涡轮轴的延长侧。
4.如权利要求1所述的智能装配碰撞检测装置，其特征在于，所述风扇核心机单元体包括两个自由度，所述两个自由度为绕Y方向摆动和绕Z方向旋转。
5.如权利要求4所述的智能装配碰撞检测装置，其特征在于，所述风扇核心机单元体包括第三调姿平台，所述第三调姿平台用于控制所述风扇核心机单元体的两个自由度。
6.如权利要求 1-5任意一项所述的智能装配碰撞检测装置，其特征在于，所述智能装配碰撞检测装置还包括控制系统，所述控制系统用于将获取的力和力矩信息转化为六自由度姿态调整参数；
当所述低压涡轮轴与所述风扇核心机单元体的内腔碰撞时，将碰撞力传导至所述六维力传感器，所述六维力传感器将获取的数据转换为三维力信息和三维力矩信息，并传送给所述控制系统。
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