CN109910309A - 用于复材装配中间隙测量-补偿的机器人及间隙补偿方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于复材装配中间隙测量‑补偿的机器人及间隙补偿方法，该机器人包括四部分，其中集成运动装置包括导轨和可沿导轨移动的底盘；所述间隙测量装置包括由滑轨和滑块构成的移动副、悬臂以及用于驱动所述滑块沿滑轨移动的步进电机，所述滑轨固定在底盘上；所述悬臂的首端与滑块固接，所述悬臂的末端安装有间隙测量头；所述填隙补偿装置包括蠕动泵、液体垫片储箱和软管；所述控制装置用于接收应变片测量的应变值并控制集成运动装置的速度。该方法包括：标定间隙测量装置、制备液体垫片、安装机器人和实施间隙测量与间隙补偿四个步骤。本发明实现了飞机复合材料装配结构间隙测量与填隙补偿操作的自动化，减轻了劳动强度，提高了装配效率。

Description

用于复材装配中间隙测量-补偿的机器人及间隙补偿方法

技术领域

本发明涉及一种用于复材装配中间隙测量-补偿的机器人及间隙补偿方法，属于飞机装配技术领域。

背景技术

复合材料凭借其优异的力学性能，在现代航空制造业中得到了广泛应用。但复合材料在使用的过程中还存在一些问题，例如，受成型工艺方法限制，复合材料构件成型精度不高，厚度方向误差、平面度、角度偏差较大。复合材料大量使用半模成型，其贴模面表面质量较高，但由于固化过程中树脂的流动、纤维和树脂热膨胀系数差异等原因，非贴模面质量较差。成型过程中形成的几何误差会给后续的装配工作带来困难，相互配合的复合材料构件间往往产生干涉或间隙，遇到干涉问题时，可以通过铣削构件表面的玻璃纤维牺牲层解决；当遇到较小的间隙时，可以直接进行强迫装配，通过螺栓预紧力消除间隙，对结构不会产生明显的影响，如果间隙较大，强迫装配会导致构件中产生较大的装配应力，部分区域甚至可能出现损伤，因此必须在间隙内填充垫片，包括液体垫片、可剥垫片或固体垫片等，其中填隙补偿操作中液体垫片使用范围最广，使用量最大。液体垫片包含两个组分，即环氧树脂基体与固化剂，使用时将二者按照一定比例均匀混合，接着将其涂覆到间隙处，液体垫片会在室温下完成固化。

在目前的生产实践中，复材构件装配时间隙测量-补偿主要依赖人工操作，具体的工艺方案为：构件定位-夹紧-间隙测量与标记-壁板下架-填隙补偿-壁板上架-垫片固化-制孔-连接。其中，间隙测量主要使用塞尺，由人工操作测量不同位置间隙的大小，并做标记，作为填隙补偿的依据。测量完成后，将其中一个部件（一般是壁板）下架，在骨架的相应位置涂覆液体垫片，并在液体垫片上覆盖一层隔离膜。再将壁板上架进行定位与夹紧操作，使流动的液体垫片充分填充间隙，挤出并清理多余的液体垫片。液体垫片完全固化后，撤除隔离膜，进行制孔和连接等操作。

但复材装配中的填隙补偿严重依赖人工操作，不但费时费力，而且自动化程度较低。目前的研究中还未发现能够自动地进行装配间隙测量与填补液体垫片的机器人。

发明内容

本发明要解决技术问题是：提供一种可以自动地测量装配间隙大小并在其中填充液体垫片的间隙测量-补偿机器人及间隙补偿方法，从而提高复材的装配效率，减少装配成本。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案之一是：一种用于复材装配中间隙测量-补偿的机器人，由集成运动装置、间隙测量装置、填隙补偿装置与控制装置构成；

所述集成运动装置包括导轨和底盘，所述导轨的底部固设有多个真空吸盘，所述导轨的两侧面沿长度方向设有条形的凸缘，所述底盘的底部安装有两排滚轮，所述滚轮上设有与凸缘相匹配的环形凹槽，所述导轨的两侧的凸缘分别卡入两排滚轮内从而使底盘附着在导轨上；所述底盘的顶部安装有用于驱动滚轮沿导轨移动的减速电机；

所述间隙测量装置包括由滑轨和滑块构成的移动副、悬臂以及用于驱动所述滑块沿滑轨移动的步进电机，所述滑轨固定在底盘上；所述悬臂的首端与滑块固接，所述悬臂的末端安装有间隙测量头，所述间隙测量头由上、下两条弧形的金属片对合形成的环状金属带构成，所述上、下金属片上分别设有应变片；

所述填隙补偿装置包括蠕动泵、液体垫片储箱和软管，所述蠕动泵的入口端与液体垫片储箱连通，所述蠕动泵的出口端与固定在悬臂上的软管连接，所述软管在使用时用于将液体垫片输送到待填充间隙内，所述蠕动泵的流速保持恒定；

所述控制装置用于接收应变片测量的应变值，并根据预设的应变值与间隙之间的对应关系将应变值转化为间隙值，然后将间隙值进行数据拟合，得到间隙的三维形貌，再以预定间隔对间隙的三维形貌进行切片，并根据各切片面积线性调整减速电机的转速，从而控制集成运动装置的速度。

优选的，所述导轨的顶部安装有沿长度方向延伸的齿条，所述减速电机用于驱动齿轮旋转，所述底盘开设有条形通孔，所述齿轮穿过该条形通孔并与齿条相啮合。

优选的，所述步进电机通过滚珠丝杠机构驱动滑块沿滑轨移动。

优选的，所述蠕动泵通过与外接电源连接的变压器供电来保持电压恒定来保证所述蠕动泵的流速保持恒定，同时所述蠕动泵采用锂电池组作为备用电源。

优选的，所述底盘上设有用于保护所述间隙测量装置和所述填隙补偿装置的箱盖。

为了解决上述技术问题，本发明提出的技术方案之二是：一种利用技术方案之一所述的机器人的复材构件间隙补偿方法，包括以下步骤：

步骤一、标定间隙测量装置

利用复合材料平板及标准厚度的金属片，构造具有一系列标准间隙值的复材构件，将间隙测量头伸入复材构件的间隙中，读取两应变片测得的应变值之和，从而建立起应变值和间隙值之间的一一对应关系；

步骤二、制备液体垫片

将构成液体垫片的基体与固化剂共两组分按预设比例混合，搅拌均匀后将其放置在液体垫片储箱中；

步骤三、安装机器人

根据待测的复合材料构件尺寸的大小设置导轨的长度，所述间隙测量装置和所述填隙补偿装置能够在待测的复合材料构件的整个间隙范围内运动，通过真空吸盘将导轨固定在相应的复材板上，将所述滚轮卡进导轨的凸缘内，并使齿轮齿条相啮合，将机器人安置在间隙起始端，并保证悬臂上的间隙测量头及软管处于间隙内部；

步骤四、实施间隙测量与间隙补偿

启动机器人，所述间隙测量装置将两应变片测得的应变值之和发送至控制装置，控制装置实时将应变值转化为间隙值后进行数据拟合，得到间隙的三维形貌，然后以预定间隔对间隙的三维形貌进行切片，并根据各切片面积线性调整减速电机的转速，从而使所述集成运动装置根据间隙大小控制移动速度，以保证间隙被液体垫片完全填充；填隙补偿工作完成后，关闭机器人。

本发明带来的有益效果是：本发明实现了飞机复合材料装配结构间隙测量与填隙补偿操作的自动化，减轻了人工劳动强度，提高了装配效率。本发明可以获得较为准确的装配间隙三维形貌，并据此施加对应体积的液体垫片，实现了液体垫片使用量的精确控制，大大减少了液体垫片的浪费。

附图说明

下面结合附图对本发明作进一步说明。

图1是本发明实施例一的结构示意图。

图2是本发明实施例一改进的结构示意图。

图3是间隙测量装置的结构示意图。

图4是图3的仰视示意图。

图5是填隙补偿装置的结构示意图。

图6是集成运动装置的结构示意图。

图7是间隙测量头的结构示意图。

图8是翼盒的示意图。

图9是本发明实施例二的示意图。

附图标记：底盘1，步进电机2，齿轮3，滑块4，顶板5，悬臂固定器6，悬臂7，滑轨8，金属片9，滚轮10，真空吸盘11，导轨12，凸缘13，箱盖14，应变片15，减速电机16，联轴器17，滚珠丝杠机构18，蠕动泵19，电池组20，液体垫片储箱21，变压器22，软管23，复材板24，下壁板25，前梁26，齿条27。

具体实施方式

实施例一

本实施例为一种用于复材装配中间隙测量-补偿的机器人，如图1和图2所示，由集成运动装置、间隙测量装置、填隙补偿装置与控制装置构成。

所述集成运动装置如图1、图2和图6所示，包括导轨12和底盘1，所述导轨12的底部固设有多个真空吸盘11，所述导轨12的两侧面沿长度方向设有条形的凸缘13，所述底盘1的底部安装有两排滚轮10，所述滚轮10上设有与凸缘13相匹配的环形凹槽，所述导轨12的两侧的凸缘13分别卡入两排滚轮10内从而使底盘1附着在导轨12上；所述底盘1的顶部安装有用于驱动滚轮10沿导轨12移动的减速电机16。在实施时，优选如图6所示，所述导轨12的顶部安装有沿长度方向延伸的齿条27，所述减速电机16用于驱动齿轮3旋转，所述底盘1开设有条形通孔，所述齿轮3穿过该条形通孔并与齿条27相啮合；即所述减速电机16通过齿轮齿条机构带动滚轮10沿导轨12移动。

所述间隙测量装置图1-4所示，包括由滑轨8和滑块4构成的移动副、悬臂7以及用于驱动所述滑块4沿滑轨8移动的步进电机2，所述滑轨8固定在底盘1上；所述悬臂7的首端与滑块4固接，具体来说，滑块4的顶部固接有顶板5，顶板5上安装有悬臂固定器6，悬臂7通过悬臂固定器6固定在顶板5上，从而使悬臂7与滑块4固接。所述悬臂7的末端安装有间隙测量头。如图7所示，所述间隙测量头由上、下两条弧形的金属片9对合形成的环状金属带构成，所述金属片9上均设有应变片15。优选的，如图3和图4所示，所述步进电机2通过滚珠丝杠机构18驱动滑块4沿滑轨8移动，步进电机2通过联轴器17与滚珠丝杠机构18连接，滚珠丝杠机构18又与滑块4相连。

所述填隙补偿装置如图1和图5所示，包括蠕动泵19、液体垫片储箱21和软管23，所述蠕动泵19的入口端通过导管与液体垫片储箱21连通，所述蠕动泵19的出口端与固定在悬臂7上的软管23连接，所述软管23在使用时用于将液体垫片输送到待填充间隙内，所述蠕动泵19的流速保持恒定。为了保证蠕动泵19的流速恒定，蠕动泵19通过与外接电源连接的变压器22供电来保持电压恒定，另外，蠕动泵19采用锂电池组20作为备用电源。

所述控制装置（图中未示出）用于接收应变片测量的应变值，并根据预设的应变值与间隙之间的对应关系将应变值转化为间隙值，然后将间隙值进行数据拟合，得到间隙的三维形貌，再以预定间隔对间隙的三维形貌进行切片，并根据各切片面积线性调整减速电机的转速，从而控制集成运动装置的速度。

本实施例中预设的应变值与间隙之间的对应关系可以通过以下方式得到：利用复合材料平板及标准厚度的金属片，构造具有一系列标准间隙值的复材构件，将间隙测量头伸入复材构件的间隙中，读取两应变片测得的应变值之和，从而建立起应变值和间隙值之间的一一对应关系。

本实施例中将间隙值进行数据拟合得到间隙的三维形貌为现有技术，比如可参考《提高结构光三维形貌测量精度的分段拟合滤波方法》（作者：许中奇，孙杰，田静，宁韩立，杨明；天津理工大学学报第26卷第6期，2010年12月），等等。本实施例还可以作以下改进：如图2所示，所述底盘1上设有用于保护所述间隙测量装置和所述填隙补偿装置的箱盖14。

实施例二

本实施例为利用实施例一的机器人的复材构件间隙补偿方法，选定一个复合材料翼盒为研究对象，使用的翼盒如图8所示，包括前梁26、后梁、左肋、中肋、右肋、上壁板与下壁板25等七个组成部分，各部分间通过高锁螺栓进行连接。其中，前梁和后梁均为碳纤维环氧树脂复合材料层压板，使用阳模成型，截面为C型，使用热压罐固化成型。三根翼肋的材料均为铝合金，通过数控加工切削成最终形状。上下壁板均为复合材料层压板，使用阴模在热压罐中固化成型。由于前后梁和上下壁板的成型误差，壁板与梁相互配合的表面间会产生间隙。本实例中选取前梁26与下壁板25之间的间隙，利用间隙测量-补偿机器人进行间隙填补操作。

本实施例的复材构件间隙补偿方法，包括以下步骤：

步骤一、标定间隙测量装置

利用复合材料平板及标准厚度的金属片，构造具有一系列标准间隙值的复材构件，将间隙测量头伸入复材构件的间隙中，读取两应变片测得的应变值之和，从而建立起应变值和间隙值之间的一一对应关系。

步骤二、制备液体垫片

将构成液体垫片的基体与固化剂共两组分按预设比例混合，搅拌均匀后将其放置在液体垫片储箱中。液体垫片的制备为现有技术，不再赘述。本实施例中下壁板展向约1200mm，壁板与前梁腹板接触面宽度约70mm，最大间隙不超过5mm，以此计算液体垫片总体积不超过500mL，因此液体垫片制备总量定为500ml。

步骤三、安装机器人

如图9所示，根据待测的复合材料构件尺寸的大小设置导轨的长度，通过真空吸盘11将导轨12固定在下壁板25上，所述间隙测量装置和所述填隙补偿装置能够在待测的复合材料构件的整个间隙范围内运动，将所述滚轮卡进导轨的凸缘内，并使齿轮齿条相啮合，将机器人安置在间隙起始端，并保证悬臂上的间隙测量头及软管处于间隙内部；

步骤四、实施间隙测量与间隙补偿

启动机器人，所述间隙测量装置将两应变片测得的应变值之和发送至控制装置，控制装置实时将应变值转化为间隙值后进行数据拟合，得到间隙的三维形貌，然后以预定间隔对间隙的三维形貌进行切片，并根据各切片面积线性调整减速电机的转速，从而使所述集成运动装置根据间隙大小控制移动速度，以保证间隙被液体垫片完全填充。填隙补偿工作完成后，关闭机器人。

如实施例一中所述，将间隙值进行数据拟合得到间隙的三维形貌为现有技术。本实施例优选采用以下方法：

1）根据复合构件的大小确定x、y、z三轴坐标系（x轴为集成模块运动方向，y轴方向为深度运动方向，z轴为厚度方向），根据间隙值得到某点的z值，根据运动控制系统得到x、y值，得到某个时刻间隙截面的每个点的一组数据对(y_i，z_i)(i=1，2，…，m)。

2）根据使用多项式最小二乘拟合的方法，对某一个时间段的间隙截面形状进行曲线拟合，这是用解析表达式逼近离散数据的一种方法。用一类与数据的背景材料规律相适应的解析表达式，z=f(y，c)来反映量y与z之间的依赖关系，即在一定意义下“最佳”地逼近或拟合已知数据。f(y，c)常称作拟合模型，式中c=(c1，c2，…，cn)是一些待定参数。选择参数c使得拟合模型与实际观测值在各点的残差(或离差)e_k=z_k-f(y_k，c)的加权平方和达到最小，此时所求曲线称作在加权最小二乘意义下对数据的拟合曲线。从数学原理上讲，两个点可以唯一定义一条直线，3个点可以唯一定义一个二次曲线(或二阶多项式)；以此类推，n+1个数据点可以唯一定义一个n次曲线(或n阶多项式)。在进行曲线拟合的时候，并不是阶数越高越好，考虑到阶数高了以后，数值计算误差会变大，计算会越费时，而且曲线越不光滑，最终采用4次多项式拟合。

3）已经得到每个时刻的间隙截面曲线，再在深度方向y向以间隔为0.1mm进行分割，之前每个间隙截面曲线在每个分割面上得到一个个点，依旧采用上述2的最小二乘拟合方法，可以在深度方向拟合出n条曲线，两个方向的曲线交织，就可以得到整个间隙的三维形貌。

利用间隙测量-补偿机器人同样可以对前梁与上壁板、后梁与上壁板、后梁与下壁板之间的间隙进行填充。液体垫片固化后，进行后续的制孔与连接操作。装配完成后，翼盒下架，并可进行检测等后续操作。

本发明不局限于上述实施例所述的具体技术方案，除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式。对于本领域的技术人员来说，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等形成的技术方案，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于复材装配中间隙测量-补偿的机器人，其特征在于：由集成运动装置、间隙测量装置、填隙补偿装置与控制装置构成；

所述集成运动装置包括导轨和底盘，所述导轨的底部固设有多个真空吸盘，所述导轨的两侧面沿长度方向设有条形的凸缘，所述底盘的底部安装有两排滚轮，所述滚轮上设有与凸缘相匹配的环形凹槽，所述导轨的两侧的凸缘分别卡入两排滚轮内从而使底盘附着在导轨上；所述底盘的顶部安装有用于驱动滚轮沿导轨移动的减速电机；

所述间隙测量装置包括由滑轨和滑块构成的移动副、悬臂以及用于驱动所述滑块沿滑轨移动的步进电机，所述滑轨固定在底盘上；所述悬臂的首端与滑块固接，所述悬臂的末端安装有间隙测量头，所述间隙测量头由上、下两条弧形的金属片对合形成的环状金属带构成，所述上、下金属片上分别设有应变片；

所述填隙补偿装置包括蠕动泵、液体垫片储箱和软管，所述蠕动泵的入口端与液体垫片储箱连通，所述蠕动泵的出口端与固定在悬臂上的软管连接，所述软管在使用时用于将液体垫片输送到待填充间隙内，所述蠕动泵的流速保持恒定；

所述控制装置用于接收应变片测量的应变值，并根据预设的应变值与间隙之间的对应关系将应变值转化为间隙值，然后将间隙值进行数据拟合，得到间隙的三维形貌，再以预定间隔对间隙的三维形貌进行切片，并根据各切片面积线性调整减速电机的转速，从而控制集成运动装置的速度。

2.根据权利要求1所述的用于复材装配中间隙测量-补偿的机器人，其特征在于：所述导轨的顶部安装有沿长度方向延伸的齿条，所述减速电机用于驱动齿轮旋转，所述底盘开设有条形通孔，所述齿轮穿过该条形通孔并与齿条相啮合。

3.根据权利要求1所述的用于复材装配中间隙测量-补偿的机器人，其特征在于：所述步进电机通过滚珠丝杠机构驱动滑块沿滑轨移动。

4.根据权利要求1所述的用于复材装配中间隙测量-补偿的机器人，其特征在于：所述蠕动泵通过与外接电源连接的变压器供电来保持电压恒定来保证所述蠕动泵的流速保持恒定，同时所述蠕动泵采用锂电池组作为备用电源。

5.根据权利要求1所述的用于复材装配中间隙测量-补偿的机器人，其特征在于：所述底盘上设有用于保护所述间隙测量装置和所述填隙补偿装置的箱盖。

6. 一种利用权利要求1-5之任一项所述的机器人的复材构件间隙补偿方法，包括以下步骤：

步骤一、标定间隙测量装置

利用复合材料平板及标准厚度的金属片，构造具有一系列标准间隙值的复材构件，将间隙测量头伸入复材构件的间隙中，读取两应变片测得的应变值之和，从而建立起应变值和间隙值之间的一一对应关系；

步骤二、制备液体垫片

将构成液体垫片的基体与固化剂共两组分按预设比例混合，搅拌均匀后将其放置在液体垫片储箱中；

步骤三、安装机器人

根据待测的复合材料构件尺寸的大小设置导轨的长度，所述间隙测量装置和所述填隙补偿装置能够在待测的复合材料构件的整个间隙范围内运动，通过真空吸盘将导轨固定在相应的复材板上，将所述滚轮卡进导轨的凸缘内，并使齿轮齿条相啮合，将机器人安置在间隙起始端，并保证悬臂上的间隙测量头及软管处于间隙内部；

步骤四、实施间隙测量与间隙补偿

启动机器人，所述间隙测量装置将两应变片测得的应变值之和发送至控制装置，控制装置实时将应变值转化为间隙值后进行数据拟合，得到间隙的三维形貌，然后以预定间隔对间隙的三维形貌进行切片，并根据各切片面积线性调整减速电机的转速，从而使所述集成运动装置根据间隙大小控制移动速度，以保证间隙被液体垫片完全填充；填隙补偿工作完成后，关闭机器人。