CN109202460B - 一种高精度钻孔送钉装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高精度钻孔送钉装置。它包括照相测量组件、压紧组件、6D位姿反馈组件、辅助测量组件、钻孔组件和送钉组件及控制系统；本发明装置集成度高，包含测量、检测、压紧、钻孔、送钉等多个功能组件，可自动实现钻铆过程中定位、法向测量、位姿检测、姿态调整、钻孔、送钉等一系列功能，自动化程度高；本装置采用iGPS定位原理，通过6D位姿检测组件，实时检测执行器的位置与姿态，可实现更加精确的定位。

Description

一种高精度钻孔送钉装置

技术领域

本发明属于钻孔技术领域，具体涉及一种高精度钻孔送钉装置。

背景技术

国外对于自动钻孔、送钉装置的研究及应用较早，多家航空制造企业在飞机壁板装配过程中采用多功能末端执行器完成壁板钻孔、铆接等工作，国外研制的多功能末端执行器集成了定位、找正、钻孔、送钉、涂胶、铆接、检测等功能，多功能末端执行器安装在机器人或多坐标工作平台上，进行飞机壁板的钻孔、铆接等工作，提高钻孔的位置精度、孔径精度和锪窝深度精度，获得较好的钻孔、锪窝及铆接质量，设备稳定性高，并且国外设备能够满足大曲率壁板的钻孔及铆接的需求，取得较好的钻孔及铆接效果。但国外设备价格昂贵，大多数先进的设备国外对国内进行封锁。

国内在壁板与肋、长桁等零部件装配时，钻孔、锪窝、送钉、铆接等操作大多采用手工方式，目测制孔位置的法向或借助于钻模板控制孔的法向，效果不理想；手动制孔、锪窝、铆接时，无法施加稳定、可靠的压紧力，切屑容易在壁板和骨架之间夹杂，还需要将壁板和骨架分离，以便清理切屑，重新贴合时，容易产生定位误差；因变形导致产品与设备之间的位置不准确，实际锪窝深度可能与所需锪窝深度不符，无法保证铆钉达到准确的位置。上述各种因素严重地影响了制孔、锪窝、铆接质量。

国内对于多功能钻孔装置及相关的附属装置的研究处于起步阶段，目前国内航空制造企业在飞机壁板装配过程中，主要采用固定工装型架、手工装配的方法，部分采用自动化装配设备的航空制造企业主要以国外设备为主。一些航空制造企业、高等院校已开始研发多功能末端执行器，但是功能单一、集成度低，且体积庞大、结构臃肿、质量大、惯性大。安装在机器人或多坐标平台，稳定性差，定位精度低、易出现颤振，很难获得较高的钻孔、锪窝、铆接质量；末端执行器位姿属于开环或半闭环控制，定位精度低；弱刚性壁板受压引起的壁板制孔区域法向变化不能准确测量，难以满足新一代飞机大曲率壁板的法向定位需求。本发明涉及的多功能末端执行器具有位姿反馈、接触式法向检测等特点。基于iGPS定位原理的6D实时位置与姿态检测，实现末端执行器位姿的闭环控制，提高末端执行器位置准确度和姿态准确度，同时，在多末端执行器协作完成自动钻铆等工作时，能够实时反馈工作头之间的相对位置，提高多末端执行器协同作业时的定位精度；基于分布式压紧力测量的接触式法向检测，可满足大曲率壁板的法向精确检测需求，同时能够适应弱刚性壁板受压变形引起的壁板制孔区域法向变化，提高法向检测精度，从而提高制孔及铆接质量。

发明内容

针对上述问题，为解决新一代飞机的高隐身性能对飞机壁板连接质量和气动外形提出的更高要求，尤其是大曲率飞机壁板装配过程中高精度自动制孔及铆接的需求，本发明提供了一种高精度钻孔送钉装置装置，用于实现法向检测、视觉引导定位、壁板压紧、制孔、锪窝、送钉等工作。

为达到以上技术目的，本发明的技术方案具体为：

一种高精度钻孔送钉装置，包括照相测量组件、压紧组件、6D位姿反馈组件、辅助测量组件、钻孔组件和送钉组件及控制系统；其中

所述照相测量组件通过测量基准孔的位置确定需要钻孔的位置；

所述压紧组件可以实现飞机壁板与肋、长桁的压紧功能；测量壁板制孔位置的法向；测量压紧组件对壁板的压紧力，并根据压紧力的分布情况，计算压紧后壁板的法向；

所述6D位姿反馈组件包括靶球，通过测量靶球的位置实现执行器位姿的实时监控；

所述辅助测量组件包括靶标座，其配合外部测量设备实现执行器的位姿标定；

所述钻孔组件用于实现钻孔；

所述送钉组件用于实现紧固件输送；

所述控制系统用于接收照相测量组件、6D位姿反馈组件、辅助测量组件、压紧组件的信号，并对送钉组件、钻孔组件发出控制指令。

作为优选，所述压紧组件上集成有非接触式法向检测组件、压力测量组件，所述压紧组件包括压紧头、光纤传感器、激光测距仪、若干个压力传感器，通过激光测距仪测量数据，计算壁板法向位置，调整装置，使加工轴线与壁板法向一致，压紧头压紧壁板，通过压力传感器计算压紧力及壁板压紧后的法向，再次调整装置，使加工轴线与壁板法向一致。

作为优选，所述压力传感器的数量为4个。

作为优选，所述6D位姿反馈组件还包括安装座、靶球座，所述6D位姿反馈组件有两套，其中一套固定在X向进给组件上，另一套如直接安装在辅助测量组件上，通过测量靶球的位置，计算多功能钻孔、送钉装置的位置与姿态，调整装置的位姿，使装置的实际位姿与目标位姿相统一。

所述辅助测量组件包括上固定框、靶标座、侧固定框，上固定框通过侧固定框固定在X向进给组件上，靶标座安装在上固定框上。

所述所述靶标座配合的外部测量设备为激光跟踪仪和/或IGPS系统。

所述相机测量组件包括测量相机，该测量相机可进行双自由度姿态调节。

所述相机测量组件由姿态调节底座、姿态调节杆、光源支撑架、相机光源、相机镜头、姿态调节螺钉、锁紧杆、相机支撑架、测量相机、等组成，相机光源通过光源支撑架固定在X向进给组件的平台上，相机镜头安装在测量相机上，通过姿态旋转杆调节姿态调节底座的倾斜角度，旋转姿态调节螺钉调节相机支撑架的角度，实现测量相机的双自由度姿态调节，通过旋转锁紧杆固定测量相机的姿态。

采用上述技术方案的本发明有益效果表现在：

(1)本装置集成度高，包含测量、检测、压紧、钻孔、送钉等多个功能组件，可自动实现钻铆过程中定位、法向测量、位姿检测、姿态调整、钻孔、送钉等一系列功能，自动化程度高；

(2)本装置采用iGPS定位原理，通过6D位姿检测组件，实时检测执行器的位置与姿态，可实现更加精确的定位。

(3)通过集成在压紧组件上的基于分布式压紧力测量的接触式法向检测组件，组件采用均布的四个压力传感器，获得压紧组件压紧力的分布状态，根据压紧力分布，更加精确调整执行器姿态，调整法相定位精度，同时可监控制孔过程中壁板的压紧状态。

(4)工位转换组件采用气动驱动、机械定位、机械锁紧的形式，在保证定位精度及重复性的同时，节省了安装空间，减轻了执行器的重量。

(5)通过具备双自由度调节功能的照相测量组件，可实现相机姿态的两个自由度调节，修正相机的角度偏差，提高照相测量的定位精度，从而提高执行器的定位精度。

附图说明

图1为本发明一种高精度钻孔送钉装置的结构示意图；

图2为本发明中照相测量组件结构图；

图3a为本发明中压紧组件、非接触式法向测量组件、压力测量组件结构图；

图3b为图3a的侧视图；

图4为本发明中6D位姿反馈组件结构图；

图5为本发明中辅助测量组件结构图；

图6为本发明中工位转换组件、X向进给组件结构图；

图中附图标记如下：1-照相测量组件，2-压紧组件(含非接触式法向检测组件、压力测量组件)，3-6D位姿反馈组件，4-辅助测量组件，5-工位转换组件，6-X向进给组件，7-钻孔组件，8-送钉组件，11-姿态调节底座，12-姿态调节杆，13-光源支撑架，14-相机光源，15-相机镜头，16-姿态调节螺钉，17-锁紧杆，18-相机支撑架，19-测量相机，21-压紧组件基座，22-压紧头，23-光纤传感器，24-激光测距仪，25-吸削管，26-压力传感器，27-压紧头固定螺钉，28-固定螺钉，29-微型监控相机，31-安装座，32-靶球座，33-靶球，41-上固定框，42-靶标座，43-侧固定框，51-工位转换平台，52-工位转换导轨，53-工位转换滑块，54-缓冲挡块，55-限位挡块，56-限位块，57-缓冲器，58-导轨钳制器，59-换位气缸，510-连接块，511-光栅尺，61-驱动伺服电机，62-驱动减速机，63-X进给平台，64-驱动减速机座，65-联轴器，66-转换丝杠，67-滑块，68-进给导轨，69-定平台，610-转换丝母，611-转接板。

具体实施方式

为了使本发明更容易被清楚理解，以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作以详细说明。

如图1所述，本发明一种高精度钻孔送钉装置包括：照相测量组件1、非接触式法向检测组件、压紧组件2、压力测量组件、6D位姿反馈组件3、辅助测量组件4、工位转换组件5、X向进给组件6、钻孔组件7、送钉组件8及控制系统等。

如图2所示，相机测量组件由姿态调节底座11、姿态调节杆12、光源支撑架13、相机光源14、相机镜头15、姿态调节螺钉16、锁紧杆17、相机支撑架18、测量相机19等组成。相机光源14通过光源支撑架13固定在X向进给平台63上，相机镜头15安装在测量相机19上，测量相机19通过相机支撑架18、姿态调节底座11安装在X向进给平台63上。需要调节测量相机19的姿态时，通过姿态旋转杆12调节姿态调节底座11的倾斜角度，旋转姿态调节螺钉16调节相机支撑架的角度，实现测量相机19的双自由度姿态调节，通过旋转锁紧杆17固定测量相机19的姿态。该组件通过测量相机19测量定位基准(基准孔、基准钉等)的位置，根据定位基准的位置计算需要钻孔的位置。

如图3所示，非接触式法向检测组件、压力测量组件集成在压紧组件上，整个压紧组件由压紧组件基座21、压紧头22、光纤传感器23、激光测距仪24、吸削管25、压力传感器26、压紧头固定螺钉27、固定螺钉28、微型监控相机29组成。压紧头22通过压紧头固定螺钉27固定在压紧组件基座21上，并保证压力传感器26被压紧在压紧头22和压紧组件基座21之间，光纤传感器23、激光测距仪24、吸削管25均固定在压紧组件基座21上，微型监控相机29通过固定螺钉28固定在压紧组件基座21上。该组件工作时，通过激光测距仪24测量数据，计算壁板法向位置，调整装置，使加工轴线与壁板法向一致，通过移动压紧组件2，使压紧头22压紧壁板，通过压力传感器26计算压紧力及壁板压紧后的法向，再次调整装置，使加工轴线与壁板法向一致，钻孔过程中，通过光纤传感器23检测钻孔主轴是否断刀，通过吸削管25吸走钻孔产生的切削。

如图4、图5所示，6D位姿反馈组件由安装座31、靶球座32、靶球33等组成。装置共包括两套6D位姿反馈组件，其中一套如图4，靶球座32通过安装座31固定在X向进给组件6上，另一套如图5，靶球座32直接安装在辅助测量组件4上，6D位姿反馈组件工作时，通过测量靶球33的位置，计算多功能钻孔、送钉装置的位置与姿态，调整装置的位姿，使装置的实际位姿与目标位姿相统一。

如图5所示，辅助测量组件由上固定框41、靶标座42、侧固定框43等组成，上固定框41通过侧固定框43固定在X向进给组件6上，靶标座42安装在上固定框41上。辅助测量组件使用前，需要通过外部测量设备(激光跟踪仪、IGPS等)标定测量组件上靶标座42与压紧组件2、辅助测量组件4的相对位置，辅助测量组件工作时，通过测量靶标座42的空间位置，计算压紧组件2、辅助测量组件4的空间位置。

如图6所示，工位转换组件由工位转换平台51、工位转换导轨52、工位转换滑块53、缓冲挡块54、限位挡块55、限位块56、缓冲器57、导轨钳制器58、换位气缸59、连接块510、光栅尺511等组成。工位转换导轨52、限位挡块55、缓冲器57、换位气缸59及光栅尺511的定尺直接固定在X向进给组件6上，工位转换滑块53、缓冲挡块54、限位块56、导轨钳制器58、连接块510及光栅尺511的动尺直接固定在工位转换平台51上，换位气缸59的推杆与连接块510相连。多功能钻孔、送钉装置需要转换工位时，导轨钳制器58打开，换位气缸59推杆由伸出状态变为收缩状态，或由收缩状态变为伸出状态，推动工位转换平台51沿着工位转换导轨52限定的方向移动，限位挡块55与限位块56贴紧时移动到位，通过光栅尺511检测工位转换平台51的位置，工位转换平台51移动到位后，导轨钳制器58关闭，完成一次工位转换，调节缓冲器57的缓冲距离，通过缓冲挡块54与缓冲器57的碰撞，减缓限位挡块55与限位块56的碰撞时的速度。其中，限位挡块55和限位档快56一个运动一个静止，静止的限位挡块55安装在X向进给平台63上，运动的限位档快56安装在工位转换平台51上，视图中限位块56被遮挡，位于同一个指引线处。

如图6所示，X向进给组件由驱动伺服电机61、驱动减速机62、X进给平台63、驱动减速机座64、联轴器65、转换丝杠66、滑块67、进给导轨68、定平台69、转换丝母610、转接板611等组成。其中转换丝母610是装在定平台69内部，被遮挡。

驱动减速机座64、进给导轨68、直接安装在X进给平台63，滑块67、转换丝母610、转接板611直接安装在定平台69上，驱动伺服电机61通过驱动减速机62连接驱动减速机座64上，减速机64通过联轴器65与转换丝杠66相连。X向进给组件工作时，驱动伺服电机61旋转，通过驱动减速机62、联轴器65将扭矩传递给转换丝杠66，带动转换丝母610前进或者后退，实现X进给平台63与定平台69沿着进给导轨68的方向相对移动。

控制系统用于接收照相测量组件、6D位姿反馈组件、辅助测量组件、压紧组件的信号，并对送钉组件、钻孔组件发出控制指令。

该装置的工作过程为：钻孔铆接循环开始前，通过辅助测量组件，对执行器与6D位姿反馈组件进行标定，确定执行器与6D位姿反馈组件的几何关系，开始钻孔铆接循环，将执行器移动至理论的基准位置处，通过非接触式法向检测组件测量壁板制孔位置的法向，调整执行器姿态使钻孔组件主轴轴向与壁板法向平行，通过照相测量组件确定基准的位置，调整执行器姿态，使钻孔组件主轴轴向与壁板法向同轴，通过移动压紧组件，使飞机壁板与肋、长桁的压紧，压紧后的壁板法向会因为壁板的变形而发生变化，为了提高钻孔组件主轴轴向与壁板法向的同轴度，需要二次调节末端执行器姿态，借助集成在压紧组件上的压力测量组件，测量压紧组件对壁板的压紧力，根据压紧力的分布情况，计算壁板的法向，通过精确调整执行器姿态，实现壁板压紧后钻孔组件主轴轴向与壁板法向同轴，通过钻孔组件的进给，从而实现钻孔功能，钻孔完毕后，钻孔组件退回，由工位转换组件实现钻孔组件与送钉组件的转换。

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 (7)

1.一种高精度钻孔送钉装置，其特征在于：包括照相测量组件、压紧组件、6D位姿反馈组件、辅助测量组件、工位转换组件、X向进给组件、钻孔组件和送钉组件及控制系统；其中

所述照相测量组件通过测量基准孔的位置确定需要钻孔的位置；

所述压紧组件用于飞机壁板与肋、长桁的压紧；测量壁板制孔位置的法向；测量压紧组件对壁板的压紧力，并根据压紧力的分布情况，计算压紧后壁板的法向；

所述6D位姿反馈组件包括靶球，通过测量靶球的位置实现执行器位姿的实时监控；

所述辅助测量组件包括靶标座，其配合外部测量设备实现执行器的位姿标定；

所述钻孔组件用于实现钻孔；

所述送钉组件用于实现紧固件输送；

所述控制系统用于接收照相测量组件、6D位姿反馈组件、辅助测量组件、压紧组件的信号，并对送钉组件、钻孔组件发出控制指令；

工位转换组件包括工位转换平台、工位转换导轨、工位转换滑块、缓冲挡块、限位挡块、限位块、缓冲器、导轨钳制器、换位气缸、连接块和光栅尺；所述工位转换导轨、所述限位挡块、所述缓冲器、所述换位气缸及所述光栅尺的定尺直接固定在所述X向进给组件上，所述工位转换滑块、所述缓冲挡块、所述限位块、所述导轨钳制器、所述连接块及所述光栅尺的动尺直接固定在所述工位转换平台上，所述换位气缸的推杆与所述连接块相连；钻孔组件、送钉组件需要转换工位时，导轨钳制器打开，换位气缸推杆由伸出状态变为收缩状态，或由收缩状态变为伸出状态，推动工位转换平台沿着工位转换导轨限定的方向移动，限位挡块与限位块贴紧时移动到位，通过光栅尺检测工位转换平台的位置，工位转换平台移动到位后，导轨钳制器关闭，完成一次工位转换，调节缓冲器的缓冲距离，通过缓冲挡块与缓冲器的碰撞，减缓限位挡块与限位块的碰撞时的速度；其中，限位挡块和限位块一个运动一个静止，静止的限位挡块安装在X向进给平台上，运动的限位块安装在工位转换平台上；

所述X向进给组件包括驱动伺服电机、驱动减速机、X进给平台、驱动减速机座、联轴器、转换丝杠、滑块、进给导轨、定平台、转换丝母和转接板；其中转换丝母是装在定平台内部，被遮挡；驱动减速机座、进给导轨、直接安装在X进给平台，滑块、转换丝母、转接板直接安装在定平台上，驱动伺服电机通过驱动减速机连接在驱动减速机座上，减速机通过联轴器与转换丝杠相连；X向进给组件工作时，驱动伺服电机旋转，通过驱动减速机、联轴器将扭矩传递给转换丝杠，带动转换丝母前进或者后退，实现X进给平台与定平台沿着进给导轨的方向相对移动；

所述压紧组件上集成有非接触式法向检测组件、压力测量组件，所述压紧组件包括压紧头、光纤传感器、激光测距仪、若干个压力传感器，通过激光测距仪测量数据，计算壁板法向位置，调整装置，使加工轴线与壁板法向一致，压紧头压紧壁板，通过压力传感器计算压紧力及壁板压紧后的法向，再次调整装置，使加工轴线与壁板法向一致。

2.根据权利要求1所述的高精度钻孔送钉装置，其特征在于所述压力传感器的数量为4个。

3.根据权利要求1所述的高精度钻孔送钉装置，其特征在于所述6D位姿反馈组件还包括安装座、靶球座，所述6D位姿反馈组件有两套，其中一套固定在X向进给组件上，另一套直接安装在辅助测量组件上，通过测量靶球的位置，计算多功能钻孔、送钉装置的位置与姿态，调整装置的位姿，使装置的实际位姿与目标位姿相统一。

4.根据权利要求1所述的高精度钻孔送钉装置，其特征在于所述辅助测量组件还包括上固定框和侧固定框，上固定框通过侧固定框固定在X向进给组件上，靶标座安装在上固定框上。

5.根据权利要求1所述的高精度钻孔送钉装置，其特征在于所述靶标座配合的外部测量设备为激光跟踪仪和/或IGPS系统。

6.根据权利要求1所述的高精度钻孔送钉装置，其特征在于所述照相测量组件包括测量相机，该测量相机可进行双自由度姿态调节。

7.根据权利要求1所述的高精度钻孔送钉装置，其特征在于所述照相测量组件包括姿态调节底座、姿态调节杆、光源支撑架、相机光源、相机镜头、姿态调节螺钉、锁紧杆、相机支撑架和测量相机，相机光源通过光源支撑架固定在X向进给组件的平台上，相机镜头安装在测量相机上，通过姿态调节杆调节姿态调节底座的倾斜角度，旋转姿态调节螺钉调节相机支撑架的角度，实现测量相机的双自由度姿态调节，通过旋转锁紧杆固定测量相机的姿态。

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