CN110281037B - 一种适用于飞机蒙皮制孔的测量加工执行头 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种适用于飞机蒙皮制孔的测量加工执行头，包括机架，轴向移动式动力头系统，转位式同轴测头系统、定位轴、辅助压紧系统、真空吸尘腔；本发明采用执行头机架与机械臂连接，消除手动操作执行头移动的人为误差；本发明采用转位式同轴测头系统，通过旋转驱动缸实现接触式测头工位转动变换，工作效率高；接触式测头与电主轴及刀具轴线同轴，消除坐标转换误差；本发明采用辅助压紧系统，通过环形压块对制孔点位附近环形区域轴向压紧，减少制孔位置蒙皮变形和振动；本发明采用真空吸尘腔，减少加工区局部过热，随动清除孔内残留粉尘；本发明采用刀具检测系统，及时探测刀具断裂与折弯等破坏，避免蒙皮损伤。

Description

一种适用于飞机蒙皮制孔的测量加工执行头
技术领域
本发明属于自动化装配技术领域，特别涉及一种适用于飞机蒙皮制孔的测量加工执行头。
背景技术
飞机蒙皮是包围在飞机骨架结构外且通过铆钉等固定连接于骨架、翼梁等结构上，形成飞机气动力外形的异形构件。飞机蒙皮结构需具有较大承载能力，由于多采用复合材料薄壁结构，自重很轻，起到承受和传递气动载荷的作用。蒙皮受力复杂，其中外部气动载荷直接作用在蒙皮上，蒙皮受有垂直于其表面的局部气动载荷；此外蒙皮还参与机翼的总体受力，它和翼梁或翼墙组合在一起，形成封闭的盒式薄壁结构承受机翼的扭矩；部分蒙皮与长析、翼梁缘条在一起组成壁板，承受机翼弯矩引起的剪切力。由于蒙皮与骨架、翼梁等结构主要通过大数量的铆钉连接，铆钉预制孔的精度和质量很大程度上影响了连接装配的性能。
在飞机蒙皮铆钉预制孔的加工过程中，需要通过制孔装置对成百上千个预制孔位进行制孔加工，由于蒙皮具有弧度，要求制孔轴线方向不断变化；由于蒙皮的薄壁件特点，制孔作用点的应力集中较大，轴向力和振动导致的工件变形影响孔的尺寸精度；由于部分蒙皮为复合材料制造，加工过程中粉尘较多，若不及时清理会附着于加工区导致局部过热，导致制孔缺陷，同时对残留粉尘的预制孔进行铆钉连接会造成铆钉轴孔不同轴等问题；由于复合材料蒙皮的材料性能特点，在钻削工程中刀具易发生折断等破坏，若未及时停止加工易致蒙皮受到严重破坏。
目前我国行业内主要采用手持式动力头、移动桁架和助力装置等简单机械机构，配合人工操作的方式进行铆钉孔制孔作业，主要应用设备及装配过程如下：人工利用跟踪仪等测量器具对所有预制孔点位相对基准点进行划线，将手持式动力头固定于移动桁架的移动端上，按照预制孔点位处曲率对动力头的轴线方向进行人工校正，人工配合助力装置施加轴向力对孔位进行钻削，利用气动吹尘枪等孔内残留粉尘进行清除，上述装配过程中大量依靠人工作业方法，存在以下不足：（1）人工移动手持式动力头的方式造成孔相对位置一致性差；（2）人工采用跟踪仪等量具对预制孔点位和已完成加工孔点位测量具有效率低下缺点，量具与执行头分离导致测量点坐标与执行头点坐标存在坐标转换过程，引入坐标转换误差，影响孔位置精度；（3）由于蒙皮薄壁件特点，钻头制孔作用点应力集中较大，导致制孔位置蒙皮发生变形和振动，影响尺寸精度并导致制孔缺陷；（4）加工粉尘未及时清理或清理不彻底导致加工区局部过热，导致制孔出现毛刺、飞边等缺陷，对残留粉尘的预制孔进行铆钉连接会造成铆钉轴孔不同轴等问题，同时粉尘会对操作人员造成不良影响；（5）加工复合材料蒙皮过程中，刀具易发生断裂与折断等破坏，若未及时停机，易致加工孔及附近蒙皮受到损伤；（6）现有动力头装置大量依赖人工操作，作业质效低下，密布孔位结构造成工人观察和操作困难，对工人技能要求高，劳动强度大。
发明内容
为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供一种适用于飞机蒙皮制孔的测量加工执行头，执行头具有钻削制孔加工与同轴测量功能，具有加工区辅助压紧、随动真空吸尘和刀具完整性检测功能，执行头安装于多轴机械臂上，实现飞机蒙皮铆钉预制孔高质效自动化制孔。
本发明的技术方案是：一种适用于飞机蒙皮制孔的测量加工执行头，包括机架，轴向移动式动力头系统，转位式同轴测头系统、定位轴、辅助压紧系统、真空吸尘腔和刀具检测系统；
所述的机架位于执行头内部，实现各系统部件的安装；机架上方具有机械臂连接结构，与机械臂末端连接，执行头整体由机械臂带动进行多轴运动，实现执行头在多个孔位间的位置转移和制孔方向调整；
所述的轴向移动式动力头系统由伺服直线移动滑台、电主轴和刀具组成；伺服直线移动滑台位于机架下方，安装于机架的底面上；电主轴位于伺服直线移动滑台下方，安装于伺服直线移动滑台的底面上，实现对刀具切削运动的动力输出；刀具安装于电主轴的头部夹持端，实现对蒙皮铆钉预制孔的切削加工；
伺服直线移动滑台通过伺服控制使滑台移动，从而使下方的电主轴与刀具沿其轴线方向移动，实现制孔过程中的进给运动；
所述的定位轴水平安装于机架的侧壁上，定位轴的轴线与电主轴及刀具轴线平行，定位轴端部设有定位销孔。
优选地，所述的转位式同轴测头系统由基座、转轴、旋转驱动缸、L形支杆、接触式测头和定位销组成；基座位于机架上方，安装于机架的顶面上；转轴水平安装于基座中；旋转驱动缸安装于基座的侧方，旋转驱动缸的伸出轴与转轴连接，实现对转轴的转动驱动；L形支杆的一端固定安装于转轴上，L形支杆的另一端安装接触式测头；定位销固定于L形支杆中安装有接触式测头一侧的杆上；
旋转驱动缸驱动转轴进行旋转，实现对L形支杆以转轴为轴心的转动，实现转位式同轴测头系统的工位A和工位B的位置转动变换；
工位A为测量工位，在工位A情况下，L形支杆的定位销插入到定位轴端部的定位销孔中，实现L形支杆及其端部接触式测头的定位与辅助支撑，接触式测头轴线与电主轴及刀具轴线同轴，接触式测头位于刀具前方，实现对蒙皮基准点和已加工完成孔的接触式测量；工位B为避让工位，L形支杆及其端部接触式测头转位于基座上方，在工位B情况下，L形支杆及其端部接触式测头整体位于刀具末端垂向法平面的后方，与蒙皮不发生干涉，实现在刀具加工过程中转位式同轴测头系统的避让放置。
优选地，所述的辅助压紧系统由气缸、直线轴承、连接板和环形压块组成；气缸固定安装于机架上方；直线轴承套装于定位轴上，实现直线轴承沿定位轴的直线滑动；连接板上端与气缸的伸出杆端部连接，连接板中部通过孔与直线轴承的外圈固定连接，连接板下端通过孔与环形压块的外圈固定连接；环形压块的内圈套装于刀具外缘，环形压块的轴线与刀具轴线同轴；
气缸驱动连接板沿定位轴为导向进行滑动，带动连接板下端环形压块直线移动，环形压块实现对蒙皮制孔点位附近环形区域的轴向压紧；
优选地，所述的真空吸尘腔由吸尘连接筒和环形风琴罩组成；吸尘连接筒为下端设有吸尘管接口的筒形结构，吸尘连接筒的一端与电主轴端部密封连接，另一端与环形风琴罩的端部连接；环形风琴罩与刀具同轴，环形风琴罩的另一端与连接板密封连接；
辅助压紧系统的压紧状态下，电主轴端部、吸尘连接筒、环形风琴罩、环形压块和蒙皮表面形成封闭空间，在吸尘管抽气条件下实现对加工切屑粉尘的随动真空吸尘；
所述的刀具检测系统由光线发射器和光电开关组成；光线发射器和光电开关对置安装于连接板上，实现对刀具完整性检测；
光线发射器发射光线于刀具顶端，阻挡光线被光电开关接收，若刀具发生断裂破坏，光电开关接收到光线同时发出电信号使执行头系统停机。
与现有技术相比，本发明的有益效果如下：
1、本发明采用执行头机架与机械臂连接，消除手动操作执行头移动的人为误差，保证孔相对位置一致性。
2、本发明采用转位式同轴测头系统，通过旋转驱动缸实现接触式测头工位转动变换，工作效率高；接触式测头与电主轴及刀具轴线同轴，消除坐标转换误差，提高孔位置精度。
3、本发明采用辅助压紧系统，通过环形压块对制孔点位附近环形区域轴向压紧，减少制孔位置蒙皮变形和振动，提高孔尺寸精度并避免缺陷。
4、本发明采用真空吸尘腔，减少加工区局部过热，清除孔内残留粉尘，同时为操作人员提供洁净环境。
5、本发明采用刀具检测系统，及时探测刀具断裂与折弯等破坏，避免蒙皮损伤。
6、本发明采用全自动化作业方式，提高制孔质效，减少工作人员劳动强度；执行头结构紧凑，适用于蒙皮密布孔位结构，通过更换测头和刀具等功能单元，也适用于其它多种规格工件的测控执行作业。
附图说明
图1是一种适用于飞机蒙皮制孔的测量加工执行头的外形结构图。
图2是一种适用于飞机蒙皮制孔的测量加工执行头的主视图。
图3是图2的A处的左视剖切图。
图4是图2的M处的局部放大视图。
图中：1、机架，2、轴向移动式动力头系统，3、转位式同轴测头系统，4、定位轴，5、辅助压紧系统，6、真空吸尘腔，7、传感器，8、机械臂末端，9、伺服直线移动滑台，10、电主轴，11、刀具，12、蒙皮，13、基座，14、转轴，15、旋转驱动缸，16、L形支杆，17、接触式测头，18、定位销，19、工位A，20、工位B，21、气缸，22、直线轴承，23、连接板，24、环形压块，25、吸尘管，26、吸尘连接筒，27、环形风琴罩，28、光线发射器，29、光电开关。
具体实施方式
以下结合技术方案和附图详细叙述本发明的具体实施方式。
如图1所示，一种适用于飞机蒙皮制孔的测量加工执行头，包括机架1，轴向移动式动力头系统2，转位式同轴测头系统3、定位轴4、辅助压紧系统5、真空吸尘腔6；
如图1所示，所述的机架1位于执行头内部，实现各系统部件的安装；机架1上方具有机械臂连接结构，与机械臂末端8连接，执行头整体由机械臂带动进行多轴运动，实现执行头在多个孔位间的位置转移和制孔方向调整；
如图1和图2所示，所述的轴向移动式动力头系统由伺服直线移动滑台9、电主轴10和刀具11组成；伺服直线移动滑台9位于机架1下方，安装于机架1的底面上；电主轴10位于伺服直线移动滑台9下方，安装于伺服直线移动滑台9的底面上，实现对刀具11切削运动的动力输出；刀具11安装于电主轴10的头部夹持端，实现对蒙皮12铆钉预制孔的切削加工；
伺服直线移动滑台9通过伺服控制使滑台移动，从而使下方的电主轴10与刀具11沿其轴线方向移动，实现制孔过程中的进给运动；
如图2所示，所述的定位轴4水平安装于机架1的侧壁上，定位轴4的轴线与电主轴10及刀具11轴线平行，定位轴4端部设有定位销孔；
如图1、图2和图3所示，所述的转位式同轴测头系统3由基座13、转轴14、旋转驱动缸15、L形支杆16、接触式测头17和定位销18组成；基座13位于机架1上方，安装于机架1的顶面上；转轴14水平安装于基座13中；旋转驱动缸15安装于基座13的侧方，旋转驱动缸15的伸出轴与转轴14连接，实现对转轴14的转动驱动；L形支杆16的一端固定安装于转轴14上，L形支杆16的另一端安装接触式测头17；定位销18固定于L形支杆16中安装有接触式测头17一侧的杆上；
旋转驱动缸15驱动转轴14进行旋转，实现对L形支杆16以转轴14为轴心的转动，实现转位式同轴测头系统3的工位A 19和工位B 20的位置转动变换；
工位A 19为测量工位，在工位A 19情况下，L形支杆16的定位销18插入到定位轴4端部的定位销孔中，实现L形支杆16及其端部接触式测头17的定位与辅助支撑，接触式测头17轴线与电主轴10及刀具11轴线同轴，接触式测头17位于刀具11前方，实现对蒙皮12基准点和已加工完成孔的接触式测量；工位B 20为避让工位，L形支杆16及其端部接触式测头17转位于基座13上方，在工位B 20情况下，L形支杆16及其端部接触式测头17整体位于刀具11末端垂向法平面的后方，与蒙皮12不发生干涉，实现在刀具11加工过程中转位式同轴测头系统3的避让放置；
如图1、图2和图4所示，所述的辅助压紧系统5由气缸21、直线轴承22、连接板23和环形压块24组成；气缸21固定安装于机架1上方；直线轴承22套装于定位轴4上，实现直线轴承22沿定位轴4的直线滑动；连接板23上端与气缸21的伸出杆端部连接，连接板23中部通过孔与直线轴承22的外圈固定连接，连接板23下端通过孔与环形压块24的外圈固定连接；环形压块24的内圈套装于刀具11外缘，环形压块24的轴线与刀具11轴线同轴；
气缸21驱动连接板23沿定位轴4为导向进行滑动，带动连接板23下端环形压块24直线移动，环形压块24实现对蒙皮12制孔点位附近环形区域的轴向压紧；
如图1、图2和图4所示，所述的真空吸尘腔6由吸尘连接筒26和环形风琴罩27组成；吸尘连接筒26为下端设有吸尘管25接口的筒形结构，吸尘连接筒26的一端与电主轴10端部密封连接，另一端与环形风琴罩27的端部连接；环形风琴罩27与刀具11同轴，环形风琴罩27的另一端与连接板23密封连接；
辅助压紧系统5的压紧状态下，电主轴10端部、吸尘连接筒26、环形风琴罩27、环形压块24和蒙皮12表面形成封闭空间，在吸尘管25抽气条件下实现对加工切屑粉尘的随动真空吸尘；
如图1和图2所示，本发明的工作方法步骤如下：
A、执行头安装
执行头通过机架1上方机械臂连接结构与机械臂末端8连接；
B、接触式测量
B1、旋转驱动缸15驱动转轴14进行旋转，使L形支杆16以转轴14为轴心的转动，L形支杆16的定位销18插入到定位轴4端部的定位销孔中，实现L形支杆16及其端部接触式测头17的定位与辅助支撑，转位式同轴测头系统3达到工位A 19；
B2、机械臂末端8带动执行头多轴运动，使接触式测头17达到蒙皮12基准点或已加工完成孔等位置进行接触式测量；
C、辅助压紧
C1、机械臂末端8带动执行头远离蒙皮12至安全距离，使转位式同轴测头系统3动作不与蒙皮12发生干涉；
C2、旋转驱动缸15驱动转轴14进行旋转，使L形支杆16以转轴14为轴心的转动，L形支杆16的定位销18从定位轴4端部的定位销孔中拔出，L形支杆16及其端部接触式测头17转位于基座13上方，L形支杆16及其端部接触式测头17整体位于刀具11末端垂向法平面的后方，实现转位式同轴测头系统3在后续加工作业中与蒙皮12不发生干涉，转位式同轴测头系统3达到工位B；
C3、根据步骤B测量结果，机械臂末端8带动执行头运动至下一预制孔位；
C4、气缸21驱动连接板23沿定位轴4为导向进行滑动，带动连接板23下端环形压块24直线移动，环形压块24实现对蒙皮12制孔点位附近环形区域的轴向压紧；
D、制孔作业
D1、电主轴10工作，实现刀具11切削运动；
D2、伺服直线移动滑台9通过伺服控制使滑台移动，使下方的电主轴10与刀具11沿其轴线方向移动，实现制孔过程中的进给运动；
D3、辅助压紧系统5处于压紧状态下，电主轴10端部、吸尘连接筒26、环形风琴罩27、环形压块24和蒙皮12表面形成封闭空间，在吸尘管25抽气条件下实现对加工切屑粉尘的真空吸尘；
D4、伺服直线移动滑台9通过伺服控制使滑台移动，使下方的电主轴10与刀具11沿其轴线方向反向移动，实现制孔完成后的的反向进给运动；机械臂末端8带动执行头远离蒙皮12至安全距离；
D5、重复步骤B1-D4实现多组蒙皮12铆钉预制孔加工。
本发明不局限于本实施例，任何在本发明披露的技术范围内的等同构思或者改变，均列为本发明的保护范围。

Claims (3)

1.一种适用于飞机蒙皮制孔的测量加工执行头，其特征在于，包括机架(1)、轴向移动式动力头系统(2)、转位式同轴测头系统(3)、定位轴(4)、辅助压紧系统(5)、真空吸尘腔(6)；
所述的机架(1)上方具有机械臂连接结构，与机械臂末端(8)连接，执行头整体由机械臂带动进行多轴运动；
所述的轴向移动式动力头系统由伺服直线移动滑台(9)、电主轴(10)和刀具(11)组成；伺服直线移动滑台(9)安装于机架(1)的底面上；电主轴(10)安装于伺服直线移动滑台(9)的底面上；伺服直线移动滑台(9)使下方的电主轴(10)与刀具(11)沿其轴线方向移动，实现制孔过程中的进给运动；
所述的定位轴(4)水平安装于机架(1)的侧壁上，定位轴(4)的轴线与电主轴(10)及刀具(11)轴线平行，定位轴(4)端部设有定位销孔；所述的转位式同轴测头系统(3)由基座(13)、转轴(14)、旋转驱动缸(15)、L形支杆(16)、接触式测头(17)和定位销(18)组成；基座(13)安装于机架(1)的顶面上；转轴(14)水平安装于基座(13)中；旋转驱动缸(15)的伸出轴与转轴(14)连接；L形支杆(16)的一端固定安装于转轴(14)上，L形支杆(16)的另一端安装接触式测头(17)；定位销(18)固定于L形支杆(16)中安装有接触式测头(17)一侧的杆上；旋转驱动缸(15)驱动实现对L形支杆(16)以转轴(14)为轴心的转动，实现转位式同轴测头系统(3)的工位A(19)和工位B(20)的位置转动变换；工位A(19)为测量工位，L形支杆(16)的定位销(18)插入到定位轴(4)端部的定位销孔中，接触式测头(17)轴线与电主轴(10)及刀具(11)轴线同轴；工位B(20)为避让工位，L形支杆(16)及其端部接触式测头(17)转位于刀具(11)末端垂向法平面的后方，与蒙皮(12)不发生干涉。
2.根据权利要求1所述的一种适用于飞机蒙皮制孔的测量加工执行头，其特征在于：所述的辅助压紧系统(5)由气缸(21)、直线轴承(22)、连接板(23)和环形压块(24)组成；气缸(21)固定安装于机架(1)上方；直线轴承(22)套装于定位轴(4)上；连接板(23)上端与气缸(21)的伸出杆端部连接，连接板(23)下端通过孔与环形压块(24)的外圈固定连接；环形压块(24)的内圈套装于刀具(11)外缘，环形压块(24)的轴线与刀具(11)轴线同轴；气缸(21)驱动连接板(23)沿定位轴(4)为导向进行滑动，带动连接板(23)下端环形压块(24)直线移动，环形压块(24)实现对蒙皮(12)制孔点位附近环形区域的轴向压紧。
3.根据权利要求2所述的一种适用于飞机蒙皮制孔的测量加工执行头，其特征在于：所述的真空吸尘腔(6)由吸尘连接筒(26)和环形风琴罩(27)组成；辅助压紧系统(5)的压紧状态下，电主轴(10)端部、吸尘连接筒(26)、环形风琴罩(27)、环形压块(24)和蒙皮(12)表面形成封闭空间，在吸尘管(25)抽气条件下实现对加工切屑粉尘的真空吸尘。
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