CN113710417A - 具有主动校正的加工头、用于操作加工头的方法及其用途 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及具有主动校正的加工头，为与机器人结合使用的类型，用于执行快速高精度加工任务，特别是对航空制造工业的部件，其具有局部位置和角度传感器，加工马达或主轴，设置有独立于机器人的移动相对于加工头壳体的局部移动装置，所述移动优选地是相对于两者的位移和旋转，从而允许主动校正加工位置正。本发明提供的主要优点是在加工定位中允许对于机器人的错误或待加工部件的变形以局部化地非常快速和准确的方式进行校正，而无需对机器人进行重新定位。

Description

具有主动校正的加工头、用于操作加工头的方法及其用途
技术领域
正如其标题所示，本说明书涉及一种具有主动校正的加工头，为与机器人结合使用的类型，用以执行快速高精度加工任务，尤其是对航空制造工业中的部件执行加工，其具有局部位置和角度传感器以及加工马达或主轴，设置有独立于机器人的移动的相对于加工头壳体的局部移动设置，这种移动是相对于两者的位移和旋转，或任何其他使工具能够旋转的轴系统，使得其允许可以相对于部件表面校正钻孔或加工的方位，从而校正钻孔尖端的位置，最终校正位置和角度，允许主动校正加工位置，而无需校正机器人本身的轴。
本发明涉及工业制造中与机器人配套使用的加工头的领域。
背景技术
目前已知并使用了多种类型的机器人，尤其是在精密加工领域中，特别是用于航空工业中的元件的制造，其中使用的大量孔和铆钉使它们成为必不可少的。为此目的，已经使用了各种类型的机器人：拟人、平行移动学机器人等。在加工期间，机器人将加工头压靠在待加工部件上，或者将加工头定位在前方，并且加工头本身通过内部装置施加必要的力，然后执行加工操作。然而，通常，当按压加工头时，由于部件随着压力而稍微屈服或变形，或者由于机器人本身随着压力而屈服，加工头轻微移动或改变其法线，导致加工头滑动和/或失去或改变其相对于部件的法线(normalidad)。
为了避免由于压力脚的应力而导致的机器人或部分变形的影响，存在以下技术：一方面，使用人工视觉系统提高精度，例如，如在标题为“带视觉的加工头和自动加工程序”的专利ES2522921中所描述的，或者如在标题为“在铰接臂的末端处以及用于其实施的装置处的组装工具的定位方法”的专利ES2336624中所描述的装置，该装置通过测量该支撑板的牢固固定的部分与可以被施加并且相对于所述表面是静止的第二部分之间的旋转角度来抵消该压力脚的作用，允许所述部件根据至少一个枢转轴线以相对移动接合。在标题为“具有精确控制的机器人制造系统”的专利US8989898中描述了另一种已知技术，鉴于商业机器人缺乏刚度和准确度，该机器人制造系统在每个轴线上添加次级测量系统，其方式为实现更大的精度和刚度，因为如果在应用压力脚的过程中，机器人易于变形，这些次级测量系统检测这些变形并且立即对它们进行校正。然而，所有这些单元和方法具有相同的问题，即一旦检测到定位和/或角度误差，为了将该加工头再次定位在其正确的位置中，或者为了校正其法线，整个机器人臂必须被移动并且重新定位在新的坐标处，在一些情况下，这意味着重新计算误差并且根据需要重复多次，直到其在加工之前被正确地定位在所要求的容差内，因为机器人的移动由于其大的移动质量和惯性而需要一定的定位时间，所以这影响方法的速度。
由于对定位精度和/或法线非常高苛刻的要求，除了要求非常快速的处理之外，大多数机器人(除了平行移动学机器人)不再能够运行，从而阻止它们的使用。
发明内容
为了解决目前存在的通过机器人部分加工的精度和速度的问题，已经设想本发明的目标是具有主动校正的加工头，该加工头由加工马达或主轴组成，设置有独立于机器人移动的相对于加工头壳体的局部移动，该移动优选地是X轴、Y轴和Z轴上的位移以及相对于X轴和Y轴的旋转，从而允许主动校正加工位置。
为此目的，该加工头具有：
-壳体，其固定在所述机器人的端部，设置有具有中心开口的压力脚，
-钻孔马达，位于所述壳体内，设置有相对于待加工部件前进和后退的装置，
-一个或多个位置和角度传感器，优选与人工视觉设备相关联的摄像机，
-独立于所述机器人的移动将所述钻孔马达相对于所述壳体移动的局部移动装置，
-与控制计算机设备通信的装置。
具有主动校正的加工头还与特定操作方法相关联，该方法包括：
-定位在待加工部件的设定点处的步骤，
-将所述加工头推到所述待加工部件上的步骤，
-通过所述传感器对所述钻孔马达及其关联工具的位置和角度进行验证的验证步骤，
-如果通过所述传感器对所述钻孔马达及其关联工具的位置和角度进行验证的验证步骤的结果表明实际加工点不对应所述设定点，或者其位移和/或法线在可接受容差之外，执行校正所述钻孔马达及其工具相对于所述壳体的位置和/或法线的步骤，然后再次重复所述通过所述传感器对所述钻孔马达及其关联工具的位置和角度进行验证的验证步骤，重复该部分处理尽可能多次，直到位置和/或角度在可接受容差内，
-加工步骤，以及
-退出步骤。
这种具有主动校正的加工头及其操作方法的用途是精密加工，优选地用于在用于航空制造工业的部件中实施钻孔以用于随后的铆接。
本发明的优势
所提出的具有主动校正的加工头提供了优于当前可用系统的多个优点，最重要的优点是，一旦加工头在部件上处于压力下，随后的重新定位以校正误差不需要移动整个机器人，而是仅需移动主轴，由于主轴的低质量，主轴可以更快得移动，具有较小的惯性和较大的准确度，而移动整个机器人由于要移动的质量大因而是相对慢的过程，且由于驱动器本身以及大的致动器杆导致缺乏轴线的精度。
出于这个原因，值得注意的是，其允许机器人在用于加工的定位中以快速、精确的方式校正误差，而不必重新定位机器人。
重要的是要强调，如果验证过程必须重复多次，由于移动是短的并且是局部的，所以与必须通过机器人重复移动整个组件来重复该过程的常规方法不同，组件的操作不会受到影响。
另一重要优点是，这允许使用较低精度的机器人，诸如用于精密加工任务的拟人机器人，而无需用于重新定位的高处理时间。
本发明的进一步的优点在于，因为它允许使用拟人机器人，所以它可以在需要更高速度和准确度的制造工艺中重复使用，而不必进行大的财务投资。
还必须提及的是，用于测量和验证位置和角度的传感器的使用为操作增加了更大的速度和精度。
有趣的是，要突出强调的是，该加工头可以与所有类型的机器人一起使用，从而允许显著改进它们的定位速度和准确度，使得它们易于进行高要求的加工生产并且使得它们的使用寿命能够延长。
附图说明
为了提供对本发明的更好理解，在附图中示出了具有主动校正的加工头的优选实际实施例，其中摄像机作为传感器。
在所述附图中，图1示出了加工头处于其静止位置的简化总体图。
图2示出了加工头的简化总体图，处于定位在待加工部件的设定点处的步骤以及拍摄待加工部件的设定点的表面的图像的步骤。
图3示出了加工头的简化总体图，处于将加工头推到待加工部件上的步骤。
图4示出了加工头的简化总体图，处于钻孔马达及其关联工具的位置的视觉验证步骤，在这种情况下，在将加工头按压到待加工部件上的步骤之后，由于压力的影响，加工头相对于部件存在线性位移和/或角位移。
图5示出了加工头的简化总体图，处于校正钻孔马达及其工具相对于壳体的位置的步骤。
图6示出了加工头的简化总体图，处于已经校正并验证钻孔马达及其关联工具的位置之后的加工步骤。
图7示出了加工头的简化总体图，处于视觉验证钻孔马达及其关联工具的位置的步骤，在这种情况下，在将加工头按压到待加工部件上的步骤之后，由于压力的影响，加工头相对于部件的法线发生变化。
图8示出了加工头的简化总体图，处于校正钻孔马达及其工具相对于壳体的法线的步骤。
图9示出了加工头的简化总体图，处于在先前已经校正了法线之后，校正钻孔马达及其工具相对于壳体的位置的步骤。
图10示出了加工头的简化总体图，处于已经校正并验证了钻孔马达及其关联工具的法线和位置之后的加工步骤中。
图11示出了具有该加工头的机器人的安装的示例。
图12示出了加工头的示例的元件的一部分的细节。
图13示出了加工头的实例的外部视图。
图14通过透明示出了在加工头的实例中的部分元件的细节。
图15示出了加工头的示例的元件的一部分的细节。
具体实施方式
在对附图的以下描述中可以更好地理解本发明的构造和特征。
如在图1、图11、图12、图13、图14和图15中可见的，示出了具有主动校正的加工头，为与机器人相关联使用以执行快速高精度加工任务的类型，所述加工头包括：
-壳体(1)，其通过附接和连接装置固定在所述机器人(2)的端部，在其一端设置有具有中心开口(4)的压力脚(3)，
-钻孔马达(6)或主轴，其具有可互换的关联工具(7)，位于所述壳体(1)内，设置有相对于待加工部件(12)在Z轴上前进和后退的装置，
-一个或多个位置和角度传感器(5)，
-独立于所述机器人(2)的移动将所述钻孔马达(6)相对于所述壳体(1)移动的局部移动装置，
-与控制计算机设备(15)通信的装置。
所述独立于所述机器人(2)的移动将所述钻孔马达(6)相对于所述壳体(1)移动的局部移动装置优选地包括：
-将所述钻孔马达(6)和摄像机(5)的组件相对于所述壳体(1)在Y轴上移位的装置(8)，
-将所述钻孔马达(6)和摄像机(5)的组件相对于所述壳体(1)在X轴上移位的装置(9)，
-将所述钻孔马达(6)和摄像机(5)的组件相对于所述壳体(1)关于Y轴旋转的装置(10)，以及
-将所述钻孔马达(6)和摄像机(5)的组件相对于所述壳体(1)关于X轴旋转的装置(11)。
在Y轴上移位的装置(8)和在X轴上移位的装置(9)包括具有驱动系统的马达的组合，诸如攻丝锥齿轮和直齿齿条、主轴或凸轮。
关于Y轴旋转的装置(10)和关于X轴旋转的装置(11)包括马达驱动系统的组合，诸如引导件和弯曲齿条。
一个或多个传感器(5)可以是光学传感器、摄像机、距离传感器、压力传感器、激光轮廓仪等或其任何组合。在优选实施例中，位置和角度传感器(5)是至少两个摄像机，这些摄像机被附接到钻孔马达(6)上并且与人工视觉设备相关联。
压力脚(3)可以是固定至壳体(1)因此通过机器人(2)移动的压力脚(3)，或者是设置有相对于所述壳体(1)独立前进和后退的装置的压力脚(3)。在优选实施例中，压力脚(3)具有表面接触轴承，设置有角位置传感器作为所述传感器(5)的一部分。
所述控制计算机设备(15)包括特定软件用于所述机器人(2)和所述壳体(1)的一般关节移动、利用所述局部移动装置校正所述钻孔马达(6)相对于所述壳体(1)的位置和角度、以及处理一个或多个所述传感器(5)的信号。
具有主动校正的加工头还与图2、图3、图4、图5、图6、图7、图9和图10中所示的特定操作方法相关联，该操作方法包括：
-定位在待加工部件(12)的设定点(13)处的步骤，
-将所述加工头推到所述待加工部件(12)上的步骤，
-通过所述传感器(5)对所述钻孔马达(6)及其关联工具(7)的位置和角度进行验证的验证步骤，
-如果通过所述传感器(5)对所述钻孔马达(6)及其关联工具(7)的位置和角度进行验证的验证步骤的结果表明实际加工点(14)不对应所述设定点(13)，或者其位移和/或法线在可接受容差之外，执行校正所述钻孔马达(6)及其工具(7)相对于所述壳体(1)的位置和/或法线的步骤，然后再次重复所述通过所述传感器(5)对所述钻孔马达(6)及其关联工具(7)的位置和角度进行验证的验证步骤，重复该部分处理尽可能多次，直到位置和/或法线在可接受容差内，
-加工步骤，以及
-退出步骤。
所述定位在待加工部件(12)的设定点(13)处的步骤包括：
-通过所述机器人(2)移动所述壳体(1)以将所述压力脚(3)的所述中心开口(4)居中于所述设定点(13)，与所述待加工部件(12)有短距离但不与其接触，以及
-如果所述位置和角度传感器(5)是与人工视觉设备相关联的摄像机，则拍摄所述待加工部件(12)的所述设定点(13)的表面的图像并且将所述图像存储在所述控制计算机设备(15)中。
所述将所述加工头推到所述待加工部件(12)上的步骤是由所述机器人(2)执行，移动所述壳体(1)直到其压力脚(3)与所述待加工部件(12)的表面接触，并保持设定的压力。
在所述位置和角度传感器(5)是与人工视觉设备相关联的摄像机的情况下，通过一个或多个所述传感器(5)对所述钻孔马达(6)及其关联工具(7)的位置和角度进行验证的验证步骤是这样执行的：借助一个或多个所述传感器(5)拍摄所述压力脚(3)所在区域的第二图像，并将第二图像与存储在所述控制计算机设备(15)中的先前拍摄的图像进行比较，通过图像分析技术在两个图像中检测相同表面粗糙度元素并计算存在于两个图像之间可能的位移以及加工头的法线的可能变动，所述位移将对应于所述设定点(13)的坐标和实际加工点(14)的坐标之间存在的位移。
所述校正钻孔马达(6)及其工具(7)相对于壳体(1)的位置的步骤包括：
-根据利用所述传感器(5)在所述验证步骤中提供的所述钻孔马达(6)及其所述关联工具(7)的位置和角度的信息来激活所述局部移动装置，以在需要时校正所述钻孔马达(6)及其所述工具(7)相对于所述壳体(1)存在的位移，和/或在需要时校正其存在的法线变动。
所述加工步骤包括在当前位置和角度下将所述钻孔马达(6)推进通过所述压力脚(3)。
所述退出步骤包括：
-将所述钻孔马达(6)通过所述压力脚(3)向后移回所述壳体(1)内部，
-如果设置有其自身的前进和后退装置，分离所述压力脚(3)，
-通过所述机器人(2)移动所述壳体(1)直到它与所述部件(12)分离，
-激活所述局部移动装置以将所述钻孔马达(6)带到其中心位置，无需位置校正，以及
-激活所述局部移动装置以将所述钻孔马达(6)带到与所述壳体(1)平行的位置，无需法线校正，
组件现在已经准备好用于进行另一操作。
这种具有主动校正的加工头及其操作方法的用途是用于精密加工，优选用于在航空生产行业的部件中钻孔，用于随后的反铆、正铆、铣削、轨道加工或制造型腔。
本领域技术人员将易于理解的是，只要该组合在技术上是可行的，不同实施例的特征可以与其他可能的实施例的特征进行组合。
涉及示例或实施例的所有信息构成本发明描述的一部分。

Claims (15)

1.一种具有主动校正的加工头，为与机器人结合使用的类型，其特征在于它包括：
-壳体(1)，其通过附接和连接装置固定在所述机器人(2)的端部，在其一端设置有具有中心开口(4)的压力脚(3)，
-钻孔马达(6)，其具有可互换的关联工具(7)，位于所述壳体(1)内，设置有相对于待加工部件(12)在Z轴上前进和后退的装置，
-一个或多个位置和角度传感器(5)，
-独立于所述机器人(2)的移动将所述钻孔马达(6)相对于所述壳体(1)移动的局部移动装置，
-与控制计算机设备(15)通信的装置。
2.根据前述权利要求所述的具有主动校正的加工头，其中，所述独立于所述机器人(2)的移动将所述钻孔马达(6)相对于所述壳体(1)移动的局部移动装置包括：
-将所述钻孔马达(6)和摄像机(5)的组件相对于所述壳体(1)在Y轴上移位的装置(8)，
-将所述钻孔马达(6)和摄像机(5)的组件相对于所述壳体(1)在X轴上移位的装置(9)，
-将所述钻孔马达(6)和摄像机(5)的组件相对于所述壳体(1)关于Y轴旋转的装置(10)，以及
-将所述钻孔马达(6)和摄像机(5)的组件相对于所述壳体(1)关于X轴旋转的装置(11)。
3.根据前述权利要求所述的具有主动校正的加工头，其中，所述位置和角度传感器(5)是连接到所述钻孔马达(6)并与人工视觉设备相关联的至少两个摄像机。
4.根据前述权利要求所述的具有主动校正的加工头，其中，所述压力脚(3)选自以下形成的组中：固定在所述壳体(1)上的压力脚(3)；以及设置有相对于所述壳体(1)独立前进和后退的装置的压力脚(3)。
5.根据前述权利要求所述的具有主动校正的加工头，其中，所述压力脚(3)具有表面接触轴承，设置有角位置传感器作为所述传感器(5)的一部分。
6.根据前述权利要求所述的具有主动校正的加工头，其中，所述控制计算机设备(15)包括特定软件用于所述机器人(2)和所述壳体(1)的一般关节移动、利用所述局部移动装置校正所述钻孔马达(6)相对于所述壳体(1)的位置和角度、以及处理一个或多个所述传感器(5)的信号。
7.一种如前述权利要求所述的具有主动校正的加工头的操作方法，其中所述操作方法包括：
-定位在待加工部件(12)的设定点(13)处的步骤，
-将所述加工头推到所述待加工部件(12)上的步骤，
-通过所述传感器(5)对所述钻孔马达(6)及其关联工具(7)的位置和角度进行验证的验证步骤，
-如果通过所述传感器(5)对所述钻孔马达(6)及其关联工具(7)的位置和角度进行验证的验证步骤的结果表明实际加工点(14)不对应所述设定点(13)，或者其位移和/或法线在可接受容差之外，执行校正所述钻孔马达(6)及其工具(7)相对于所述壳体(1)的位置和/或法线的步骤，然后再次重复所述通过所述传感器(5)对所述钻孔马达(6)及其关联工具(7)的位置和角度进行验证的验证步骤，重复该部分处理尽可能多次，直到位置和/或法线在可接受容差内，
-加工步骤，以及
-退出步骤。
8.根据权利要求7所述的具有主动校正的加工头的操作方法，其中，所述定位在待加工部件(12)的设定点(13)处的步骤包括：
-通过所述机器人(2)移动所述壳体(1)以将所述压力脚(3)的所述中心开口(4)居中于所述设定点(13)，与所述待加工部件(12)有短距离但不与其接触，以及
-如果所述位置和角度传感器(5)是与人工视觉设备相关联的摄像机，则拍摄所述待加工部件(12)的所述设定点(13)的表面的图像并且将所述图像存储在所述控制计算机设备(15)中。
9.根据权利要求7所述的具有主动校正的加工头的操作方法，其中，所述将所述加工头推到所述待加工部件(12)上的步骤是由所述机器人(2)执行，移动所述壳体(1)直到其压力脚(3)与所述待加工部件(12)的表面接触，并保持设定的压力。
10.根据权利要求7所述的具有主动校正的加工头的操作方法，其中，在所述位置和角度传感器(5)是与人工视觉设备相关联的摄像机的情况下，通过一个或多个所述传感器(5)对所述钻孔马达(6)及其关联工具(7)的位置和角度进行验证的验证步骤是这样执行的：借助一个或多个所述传感器(5)拍摄所述压力脚(3)所在区域的第二图像，并将第二图像与存储在所述控制计算机设备(15)中的先前拍摄的图像进行比较，通过图像分析技术在两个图像中检测相同表面粗糙度元素并计算存在于两个图像之间可能的位移以及加工头的法线的可能变动，所述位移将对应于所述设定点(13)的坐标和实际加工点(14)的坐标之间存在的位移。
11.根据权利要求7所述的具有主动校正的加工头的操作方法，其中，所述校正所述钻孔马达(6)及其工具(7)相对于所述壳体(1)的位置的步骤包括：
-根据利用所述传感器(5)在所述验证步骤中提供的所述钻孔马达(6)及其所述关联工具(7)的位置和角度的信息来激活所述局部移动装置，以在需要时校正所述钻孔马达(6)及其所述工具(7)相对于所述壳体(1)存在的位移，和/或在需要时校正其存在的法线变动。
12.根据权利要求7所述的具有主动校正的加工头的操作方法，其中，所述加工步骤包括在当前位置和角度下将所述钻孔马达(6)推进通过所述压力脚(3)。
13.根据权利要求7所述的具有主动校正的加工头的操作方法，其中，所述退出步骤包括：
-将所述钻孔马达(6)通过所述压力脚(3)向后移回所述壳体(1)内部，
-如果设置有其自身的前进和后退装置，分离所述压力脚(3)，
-通过所述机器人(2)移动所述壳体(1)直到它与所述部件(12)分离，
-激活所述局部移动装置以将所述钻孔马达(6)带到其中心位置，无需位置校正，以及
-激活所述局部移动装置以将所述钻孔马达(6)带到与所述壳体(1)平行的位置，无需法线校正，
组件现在已经准备好用于进行另一操作。
14.一种具有主动校正的加工头及其操作方法的用途，诸如前述权利要求1至13中描述的，与机器人相关联用于精密加工。
15.根据权利要求14所述的具有主动校正的加工头及其操作方法的用途，其中，所述精密加工选自以下构成的组：航空制造工业中部件的钻孔，用于随后的反铆、正铆、铣削、轨道加工或制造型腔。
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