CN113857863B - 一种圆柱体工件曲面钻孔系统及方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种圆柱体工件曲面钻孔系统及方法，该系统包括地轨、输送小车、龙门机械手、多功能执行机构、压紧机构、换刀架、对刀机构、螺钉缓存机构及控制装置；输送小车通过地轨用于运输工件并驱动工件圆周转动；龙门机械手用于驱动多功能执行机构在作业范围内进行X轴、Y轴、Z轴移动；多功能执行机构用于实现预制螺钉孔的识别、钻孔、攻牙、点胶和锁螺钉动作；压紧机构用于固定工件；换刀架安装在龙门机械手上；对刀机构通过称重传感器检测刀具钻头的磨损程度；螺钉缓存机构用于存储工件螺钉；控制装置用于控制其他部件的协同作业动作。本发明具有柔性好、扩展性强、识别速度更快等优点，提高了弹药壳体曲面钻孔等危险工序的本质安全性。

Description

一种圆柱体工件曲面钻孔系统及方法
技术领域
本发明属于工件钻孔领域，特别是一种圆柱体工件曲面钻孔系统及方法。
背景技术
制孔在材料加工过程中是十分重要的工序，孔的定位精度、钻孔深度及孔壁质量等直接影响后续工序，也直接影响加工质量和成本。与国外普遍采用自动钻铆机、柔性导轨自动制孔系统、机器人自动钻孔系统等方式不同，国内普遍采用手工钻孔、摇臂钻床钻孔等方式，特别是在大口径弹药壳体等大型圆柱体工件钻孔工序主要还是以人工钻孔为主，存在着孔径缺陷、孔位精度差等缺点；同时钻孔过程中产生的热量容易引起火药燃烧甚至爆炸等严重的安全事故，因此，迫切需要提供一种针对大型圆柱体工件的全自动钻孔系统，实现大型圆柱体工件曲面螺钉孔的自动识别、钻孔、攻丝、点胶、锁螺钉等全流程自动作业，实现人机隔离并保证钻孔过程的本质安全度。
发明内容
本发明的目的在于提供一种圆柱体工件曲面钻孔系统及方法，具有工件曲面预制螺钉孔中心位置自动识别、自动钻孔、自动攻牙、自动点胶、自动锁螺钉等功能，并具有柔性好、扩展性强的优点，实现了人机隔离并保证钻孔过程的安全度。
实现本发明目的的技术解决方案为：
一种圆柱体工件曲面钻孔系统，包括地轨、输送小车、龙门机械手、多功能执行机构、压紧机构、换刀架、对刀机构、螺钉缓存机构和控制装置；其中：
所述地轨固定安装在地面上，用于输送小车的行走；
所述输送小车与地轨连接，用于支撑工件并驱动工件进行圆周转动；
所述龙门机械手直接安装在地面上，包括X轴移动机构、Y轴移动机构和Z轴移动机构，Z轴移动机构上安装多功能执行机构，用于驱动多功能执行机构在作业范围内进行X、Y、Z方向移动；
所述多功能执行机构用于进行曲面预制螺钉孔的自动识别、钻孔、攻牙、点胶及锁螺钉作业动作；
所述压紧机构固定安装在地面上，用于固定输送小车上的工件并防止工件在钻孔过程中的轴向窜动和圆周转动；
所述换刀架安装在龙门机械手上，用于缓存刀具并配合多功能执行机构进行刀具切换；
所述螺钉缓存机构固定安装在龙门机械手上，用于缓存螺钉配合多功能执行机构进行锁螺钉作业；
所述控制装置包括触摸屏、可编程控制器、开关按钮、电机驱动器、气动电磁阀及指示灯，指示灯用于显示钻孔系统状态，通过开关按钮及触摸屏操控电机驱动器、气动电磁阀，进而控制输送小车、龙门机械手、多功能执行机构及压紧机构。
基于所述圆柱体工件曲面钻孔系统的一种圆柱体工件曲面钻孔方法，包括以下步骤：
步骤1、龙门机械手带动多功能执行机构回原位，吊装工件至输送小车上，通过工件端面检测机构检测并确认工件轴向起始位置，使得工件端面接触端面限位机构，输送小车运输工件到达龙门机械手下方指定位置；
步骤2、通过激光寻位机构识别预制螺钉孔中心位置；
步骤3、通过压紧机构压紧工件；
步骤4、钻孔主轴更换刀具并对刀，包括：
步骤4.1、龙门机械手携带多功能执行机构移动到换刀架中的刀具槽上端，沿着Z轴导轨将刀具插入刀具槽内；
步骤4.2、换刀缸控制钻孔主轴释放刀具，刀具槽夹住刀具；龙门机械手携带多功能执行机构沿着Z轴导轨上升，刀柄卸载；
步骤4.3、龙门机械手携带多功能执行机构移动到待用刀具上方，沿着Z轴导轨下降，换刀缸控制钻孔主轴夹紧刀具，龙门机械手沿着Y轴导轨移动离开刀具槽，完成换刀；
步骤4.4、龙门机械手携带多功能执行机构到对刀机构的称重传感器正上方，沿着Z轴导轨向下移动至指定位置，通过称重传感器显示的值判断刀具的磨损程度，提醒操作人员是否需要更换刀具中的钻头；
步骤5、龙门机械手携带多功能执行机构进行钻孔、攻丝、点胶、锁螺钉作业，包括：
步骤5.1、根据激光寻位机构识别的预制螺钉孔中心位置，控制钻孔主轴进行钻孔；
步骤5.2、第一攻牙机头或第二攻牙机头或第三攻牙机头进行攻牙作业；
步骤5.3、点胶头进行点胶作业；
步骤5.4、第一锁螺钉机头或第二锁螺钉机头进行锁螺钉作业；
步骤6、重复步骤2-步骤5，完成剩余预制螺钉孔的识别、钻孔、攻牙、点胶和锁螺钉作业；
步骤7、各机构回原始位，吊装工件下料。
本发明与现有技术相比，其显著优点是：
(1)本发明的激光寻位机构通过点激光传感器识别工件结合缝隙、预制螺钉孔等特征，计算出预制螺钉孔的中心位置，识别速度更快；
(2)本发明设计的多功能执行机构集成了激光寻位、钻孔、攻牙、点胶、锁螺钉等众多机构，自动化程度高；
(3)本发明采用龙门机械手携带多功能执行机构方式设计，多功能执行机构可根据不同工件的钻孔工艺要求进行定制化设计，同时可通过改变换刀架中的刀具种类及规格实现快速换产，具有柔性好、扩展性强等优点；
(4)本发明采用人机隔离的方式实现了工件曲面螺钉孔的自动钻孔作业，提高了弹药壳体曲面钻孔等危险工序的安全性。
下面结合附图对本发明作进一步详细描述。
附图说明
图1为本发明钻孔系统的整体示意图。
图2为本发明中输送小车的意图。
图3为本发明中输送小车头部放大的示意图。
图4为本发明中输送小车尾部放大的示意图。
图5为本发明中龙门机械手的示意图。
图6为本发明中龙门机械手Y轴和Z轴正面的示意图。
图7为本发明中龙门机械手Y轴和Z轴背面的示意图。
图8为本发明中多功能执行机构背面的示意图。
图9为本发明中多功能执行机构正面的示意图。
图10为本发明中多功能执行机构侧面的示意图。
图11为本发明中压紧机构的示意图。
图12为本发明中换刀架的示意图。
图13为本发明中螺钉缓存机构的示意图。
图14为本发明中对刀机构的示意图。
图15为本发明中控制装置组成框图。
图16为本发明钻孔方法的流程图。
图17为本发明钻孔方法中预制螺钉孔中心位置的激光寻位方法流程示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步的介绍。
结合图1，本发明的一种大型圆柱体工件曲面钻孔系统，包括地轨1、输送小车2、龙门机械手3、多功能执行机构4、压紧机构5、换刀架6、对刀机构7、螺钉缓存机构8和控制装置9。
所述地轨1直接安装在地面上，用于支撑输送小车2行走；
结合图2～图4，所述输送小车2与地轨1连接，用于支撑工件并驱动工件圆周转动，包括行走电机及减速机10、行走轮11、拖链及拖链槽12、声光报警灯13、圆周转向电机14、圆周转动主动轮15、圆周转动从动轮16、导轨17、安装座18、滑块19、端面限位机构20、工件端面检测机构21、防护壳22；
进一步的，所述行走电机及减速机10安装在防护壳22内部，行走轮11对称安装在防护壳22底部，所述行走电机及减速机10与行走轮11连接，通过行走电机及减速机10驱动行走轮11在地轨1上轴向行走；
进一步的，所述声光报警灯13安装在防护壳22上，显示输送小车2的运行状态；所述圆周转向电机14通过减速机驱动圆周转动主动轮15转动，驱动工件在圆周转动从动轮16上转动；
进一步的，所述圆周转向电机14通过减速机与圆周转动主动轮15转动连接，位于防护壳22一端；所述圆周转动从动轮16通过安装座18安装在防护壳22另一端，所述安装座18通过滑块19与导轨17滑动连接，可手动实现圆周转动从动轮16在导轨17上的轴向移动，进而支撑不同长度的工件；所述导轨17固定在防护壳22内两侧，工件一端位于2个圆周转动主动轮15之间，另一端位于2个圆周转动从动轮16之间；
进一步的，所述端面限位机构20和工件端面机构21通过连接杆安装在防护壳22上，端面限位机构20用于实现工件的轴向机械限位，工件端面检测机构21包含4个光电传感器，用于检测工件在轴向的到位位置；所述拖链及拖链槽12安装于防护壳22外侧。
进一步的，结合图5～图7，所述龙门机械手3直接安装在地面上，用于驱动多功能执行机构4在作业范围内移动，采用X轴、Y轴、Z轴三坐标机械手形式设计；包括第一支撑立柱23、X轴横梁24、X轴跨接横梁25、X轴齿条26、X轴导轨27、X轴拖链及拖链槽28、拖链支架29、X轴驱动电机30、减速机及齿轮31、X轴限位块32、Y轴横梁33、Y轴顶部导轨34、Y轴拖链及拖链槽35、Y轴驱动电机36、减速机及齿轮37、Y轴齿条38、接线箱39、报警指示灯40、Y轴限位块41、Z轴滑块42、Z轴立柱43、Z轴驱动电机44、减速机及丝杠45、Z轴导轨46、Z轴限位块47、Z轴限位开关48、Z轴拖链及拖链槽49、Y轴侧面导轨50；
进一步的，所述第一支撑立柱23为6个，每侧3个对称固定在地面上，所述第一支撑立柱23用于承担龙门机械手3的负载；
进一步的，所述X轴横梁24为2个，分别对称安装在第一支撑立柱23上，2个X轴横梁24的两端通过X轴跨接横梁25连接，保证X轴横梁24的平行度，X轴导轨27安装在X轴横梁24上，X轴限位块32安装在X轴导轨27两端进行机械限位防护；所述X轴齿条26置于X轴导轨27一侧，所述X轴驱动电机30通过减速机及齿轮31与X轴齿条26传动连接，带动Y轴横梁33通过滑块在X轴导轨27上轴向移动，所述X轴拖链及拖链槽28用于存放X轴驱动电机30线缆，其通过X轴拖链支架29与X轴横梁24连接；
进一步的，所述Y轴横梁33两端均与X轴导轨27连接，所述Y轴横梁33的顶部和外侧分别设有Y轴顶部导轨34和Y轴侧面导轨50，Y轴顶部导轨34一侧设有Y轴齿条38，两端均设有Y轴限位块41进行机械限位防护，所述Y轴驱动电机36通过减速机及齿轮37与Y轴齿条38传动连接，带动Z轴立柱43分别通过Y轴顶部滑块、Y轴侧面滑块51在Y轴顶部导轨34和Y轴侧面导轨50上同时移动；所述Y轴拖链及拖链槽35用于存放Y轴驱动电机线缆，通过Y轴拖链支架固定于Y轴横梁33内侧；
进一步的，所述接线箱39和报警指示灯40安装在Y轴横梁33一端，接线箱39用于就近接入限位开关等传感器线缆；所述报警指示灯40用于显示钻孔系统的运行状态；
进一步的，所述Z轴立柱43与Y轴顶部导轨34和Y轴侧面导轨50均连接，所述Z轴立柱43的内、外两侧均设有Z轴导轨46，Z轴导轨46两末端设有Z轴限位块47进行机械限位防护，Z轴导轨46内设有Z轴滑块42，所述Z轴驱动电机44通过减速机及丝杠45驱动Z轴立柱43的Z轴滑块42在Z轴导轨46在竖直方向移动；所述Z轴限位开关48安装Z轴立柱43上进行电气限位防护，用于电气限位防护，Z轴拖链及拖链槽49通过Z轴拖链支架固定于Z轴立柱43一侧。
进一步的，结合图8～图10，所述多功能执行机构4包括钻孔主轴52、机械限位块53、激光寻位机构54、换刀缸55、连接件56、伺服电机57、第一攻牙机头58、第二攻牙机头59、第三攻牙机头60、转接板61、点胶桶62、点胶头63、气动电磁阀组64、第一锁螺钉风批65、第一锁螺钉机头66、第一锁螺钉升降气缸67、第二锁螺钉风批68、第二锁螺钉机头69、第二锁螺钉升降气缸70；
进一步的，所述多功能执行机构4安装在Z轴立柱43上，所述钻孔主轴52、机械限位块53、激光寻位机构54、伺服电机57、换刀缸55通过连接件56安装在Z轴立柱43上，
伺服电机57和换刀缸55固定在连接件56上方，钻孔主轴(52)安装在连接件(56)内并延伸到外部，机械限位块53、激光寻位机构54安装在连接件56下方，机械限位块53和激光寻位机构54位于钻孔主轴52两侧，伺服电机57与钻孔主轴52通过同步带连接，换刀缸55换刀时与钻孔主轴52连接用于控制钻孔主轴52的夹紧和松开刀具动作，更换刀具后自动脱离钻孔主轴52，伺服电机57通过同步带驱动钻孔主轴52旋转钻孔，激光寻位机构54包括点激光传感器和防护壳体；
所述激光寻位机构54通过点激光传感器识别计算预制螺钉孔的中心位置，包括轴向(X方向)坐标值和圆周方向(Y方向)坐标值；
进一步的，所述钻孔主轴52通过激光寻位机构54识别预制螺钉孔中心坐标位置，加上偏移量计算出钻孔的目标位置，通过换刀缸55控制钻孔主轴52实现刀具槽77上快换刀具76的夹紧和松开，通过控制Z轴驱动电机44的进给量控制钻孔主轴52的钻孔深度，机械限位块53用于钻孔时的机械限位防护；
进一步的，所述第一攻牙机头58、第二攻牙机头59、第三攻牙机头60通过转接板61安装在Z轴立柱43上；
进一步的，所述点胶桶62、点胶头63、气动电磁阀组64直接安装在Z轴立柱43上，点胶桶62用于存放胶水，通过气动电磁阀组64控制点胶头63的点胶作业以及出胶量；
进一步的，所述第一锁螺钉机头66与第一锁螺钉风批65末端刚性连接并安装在第一机械底板上，通过滑块与Z轴立柱43上的导轨连接，通过第一锁螺钉升降气缸67驱动整个第一机械底板的升降动作；通过负压吸取和夹紧螺钉定位盘79上的螺钉，通过第一锁螺钉风批65实现螺钉的锁紧动作控制；
进一步的，所述第二锁螺钉机头69与第二锁螺钉风批68末端刚性连接为一整体安装在第二机械底板上，通过滑块与Z轴立柱43另一侧的导轨连接，通过第二锁螺钉升降气缸70驱动整个第二机械底板的升降动作；通过负压吸取和夹紧螺钉定位盘79上的螺钉，通过第二锁螺钉风批68实现螺钉的锁紧动作控制。
进一步的，结合图11，所述压紧机构5包括2个压紧气缸71、4个导向柱72、4根第二支撑立柱73、顶板及2个压紧轮74；所述4根第二支撑立柱73对称固定在地面上，用于承担压紧机构5负载，其上端均通过导向柱72分别与顶板的两端连接，导向柱与第二支撑立柱73滑动连接，所述2个压紧轮74安装在顶板下表面，位于工件的上方，压紧工件时，工件位于2个压紧轮74之间，所述2个压紧气缸71分别对应固定安装于2个第二支撑立柱73之间，其输出端与顶板下表面连接；所述压紧气缸71带动压紧轮74动作，用于固定工件并防止工件在钻孔过程中的轴向窜动和圆周转动，导向柱72用来增加压紧气缸71动作中的平稳性。
进一步的，结合图12，所述换刀架6包括2个第三支撑立柱75、快换刀具76、刀具安装板、刀具槽77及转接板78，所述2个第三支撑立柱75固定在地面上，其上端分别与刀具安装板的两端连接，所述刀具安装板上设有多个用来存放快换刀具76的刀具槽77，快换刀具76插入刀具槽77内，刀具安装板通过转接板78固定在龙门机械手3的一个第一支撑立柱23上；所述刀具槽77配合多功能执行机构4中的换刀缸55进行刀具切换，快换刀具76根据钻头不同共可缓存多种刀具。
进一步的，结合图14，所述对刀机构7包括称重传感器81和第四支撑立柱82，通过第四支撑立柱82固定在地面上，所述称重传感器81固定安装在第四支撑立柱82的上端，用于测量快换刀具76的钻头重量，每次刀具切换后，将快换刀具76的钻头放置到称重传感器81上的标定位置，通过传感器测量值判断钻头的磨损程度，提醒操作人员更换钻头。
进一步的，结合图13，所述螺钉缓存机构8包括螺钉定位盘79和支撑架80，所述螺钉定位盘79安装在支撑架80上，支撑架80固定在龙门机械手3的第一支撑立柱23上；所述螺钉定位盘79用于存放需要用到的螺钉组合，配合多功能执行机构4中的第一锁螺钉机头66、第二锁螺钉机头69吸取螺钉并进行锁螺钉作业动作。
进一步的，结合图15，所述控制装置9包括可编程控制器、触摸屏、安全急停开关按钮、伺服使能开关按钮、钻孔进开关按钮、钻孔退开关按钮、攻丝进开关按钮、攻丝退开关按钮、锁螺钉进开关按钮、锁螺钉退开关按钮、点胶开关按钮、寻位开关按钮、启动开关按钮、手动/自动切换旋钮、激光位移传感器、称重传感器、输送小车行走驱动器、圆周转动电机驱动器、钻孔主轴电机驱动器、第一攻牙机头电机驱动器、第二攻牙机头电机驱动器、第三攻牙机头电机驱动器、换刀缸气动电磁阀、压紧机构气动电磁阀、点胶头气动电磁阀、第一锁螺钉机头吸料负压阀、第一锁螺钉机头夹紧开关阀、第一锁螺钉升降气缸电磁阀、第一锁螺钉风批电磁阀、第二锁螺钉机头吸料负压阀、第二锁螺钉机头夹紧开关阀、第二锁螺钉升降气缸电磁阀、第二锁螺钉风批电磁阀、龙门架X轴电机驱动器、龙门架X轴电机驱动器、龙门架X轴电机驱动器、声光报警灯、报警指示灯等器件；
进一步的，所述触摸屏、输送小车行走电机驱动器、圆周转动电机驱动器、钻孔主轴电机驱动器、第一攻牙机头电机驱动器、第二攻牙机头电机驱动器、第三攻牙机头电机驱动器、龙门架X轴电机驱动器、龙门架Y轴电机驱动器、龙门架Z轴电机驱动器通过PROFINET总线与可编程控制器连接；
进一步的，所述安全急停开关按钮、伺服使能开关按钮、钻孔进开关按钮、钻孔退开关按钮、攻丝进开关按钮、攻丝退开关按钮、锁螺钉进开关按钮、锁螺钉退开关按钮、点胶开关按钮、寻位开关按钮、启动开关按钮、手动自动旋钮等按钮开关通过数字量输入与可编程控制器连接；
进一步的，所述激光位移传感器、称重传感器通过模拟量输入与可编程控制器连接；
进一步的，所述换刀缸气动电磁阀、压紧机构气动电磁阀、点胶头气动电磁阀、第一锁螺钉机头吸料负压阀、第一锁螺钉机头夹紧开关阀、第一锁螺钉升降气缸电磁阀、第一锁螺钉风批电磁阀、第二锁螺钉机头吸料负压阀、第二锁螺钉机头夹紧开关阀、第二锁螺钉升降气缸电磁阀、第二锁螺钉风批电磁阀、声光报警灯、报警指示灯等器件通过数字量输出与可编程控制器连接。
结合图16，基于上述钻孔系统的一种大型圆柱体工件曲面钻孔方法，包括以下步骤：
步骤1、各机构回原始位，输送小车2运输工件到达龙门机械手3下方指定位置：
步骤1.1、龙门机械手3带动多功能执行机构4回原位；
步骤1.2、输送小车2回起始位；
步骤1.3、吊装工件至输送小车2上的圆周转向主动轮15和圆周转向从动轮16，通过工件端面检测机构21检测并确认工件轴向端面起始位置，使得工件端面接触端面限位机构20；
步骤1.4、输送小车2运输工件到达龙门机械手3下方指定位置(提前标定)。
步骤2、激光寻位机构54识别预制螺钉孔中心位置，结合图17，包括步骤：
步骤2.1、寻找工件结合缝隙位置(预制螺钉孔的轴向基准)：
a)在激光寻位过程中，通过示教确定Z轴方向的高度值Z0(该高度值应保证多功能执行机构作业过程中Z轴方向的绝对安全)；
b)龙门机械手3沿着X轴(工件轴向)方向移动，根据工件结合缝隙突变的特征通过激光寻位机构54检测到工件结合缝隙位置A点，A点的坐标记为A(X1，Y1)；
步骤2.2、寻找工件圆周中心位置：
龙门机械手3沿着X轴方向继续移动一小段距离(距离值提前标定)后，沿着Y轴(工件圆周)方向分别逆时针转动角度θ1，顺时针转动一固定角度θ2，激光寻位机构56检测最短距离点(激光寻位机构检测到位移最小值)，即为工件中心位置B点，B点的坐标记为B(X2，Y2)；
步骤2.3、寻找预制螺钉孔粗中心位置：
龙门机械手3保持Y轴方向坐标Y2不变，以结合缝隙A点为轴向基准，沿着X轴方向移动一固定距离XΔ(距离值提前标定，由工件工艺规定)至预制螺钉孔的粗中心位置C点，该点坐标记为C(X1+XΔ，Y2)；
步骤2.4、局部寻找预制螺钉孔Y轴方向中心位置：
龙门机械手3保持不动，输送小车2的圆周转向电机14驱动工件圆周方向转动，通过激光寻位机构54寻找预制螺钉孔圆周方向的突变点D(XD，YD)和E(XE，YE)，则有如下公式：
XD＝X1+XΔ
YD＝Y2+YΔ1
XE＝X1+XΔ
YE＝Y2+YΔ2
步骤2.5、局部寻找预制螺钉孔X轴方向中心位置：
输送小车2上的圆周转向电机转动位置不变，龙门机械手3沿着X轴方向移动，通过激光寻位机构54寻找预制螺钉孔圆周方向的突变点F(XF，YF)和G(XG，YG)，则有如下公式：
XF＝X1+XΔ+XΔ1
Figure GDA0003691264260000101
XG＝X1+XΔ+XΔ2
Figure GDA0003691264260000102
步骤2.6、确定预制螺钉孔中心位置：
假设预制螺钉孔中心H点坐标为H(XH，YH)，则有如下计算公示：
Figure GDA0003691264260000103
Figure GDA0003691264260000104
步骤3、压紧机构5压紧工件：
压紧气缸71得电，压紧轮74压紧工件，防止工件在钻孔过程中动作；
步骤4、钻孔主轴54更换刀具并对刀：
步骤4.1、龙门机械手3携带多功能执行机构4移动到换刀架6中的刀具槽上端，沿着Z轴方向将刀具插入刀具槽77内；
步骤4.2、换刀缸55控制钻孔主轴52释放刀具，刀具槽夹住刀具；龙门机械手3携带多功能执行机构4沿着Z轴方向上升，刀具卸载；
步骤4.3、龙门机械手3携带多功能执行机构4移动到待用刀具上方，沿着Z轴下降，换刀缸55控制钻孔主轴52夹紧快换刀具76，龙门机械手3沿着Y轴移动离开刀具槽77，完成换刀；
步骤4.4、龙门机械手3携带多功能执行机构4到对刀机构7的称重传感器81正上方，沿着Z轴方向下移一指定位置(提前标定)，通过称重传感器81显示的值判断刀具的磨损程度，提醒操作人员是否需要更换快换刀具76中的钻头；
步骤5、龙门机械手3携带多功能执行机构4进行预制螺钉孔的识别、钻孔、攻丝、点胶、锁螺钉作业：
步骤5.1、钻孔主轴52根据激光寻位机构54寻找的预制螺钉孔中心位置，进行钻孔作业；
步骤5.2、第一攻牙机头58或第二攻牙机头59或第三攻牙机头60进行攻牙作业；
步骤5.3、点胶头63通过控制点胶头气动电磁阀进行点胶作业；
步骤5.4、第一锁螺钉机头(或第二锁螺钉机头)通过控制第一锁螺钉机头吸料负压阀(或第二锁螺钉机头吸料负压阀)吸取螺钉，通过控制第一锁螺钉机头夹紧开关阀(或第一锁螺钉机头夹紧开关阀)夹紧螺钉，通过控制第一锁螺钉风批电磁阀(或第二锁螺钉风批电磁阀)实现第一锁螺钉风批65(或第二锁螺钉风批68)的锁螺钉动作，通过第一锁螺钉升降气缸电磁阀(或第二锁螺钉升降气缸电磁阀)控制第一锁螺钉升降气缸67(或第二锁螺钉升降气缸70)的伸缩行程，进而控制锁螺钉动作的行程。
步骤6、以此类推，完成剩余预制螺钉孔的识别、钻孔、攻牙、点胶和锁螺钉作业。
步骤7、各机构回原始位，吊装工件下料。
步骤7.1、龙门机械手3带动多功能执行机构4回原位；
步骤7.2、压紧机构5恢复到原始位置，松开工件；
步骤7.3、输送小车2运送工件从龙门机械手3下方移动到外部指定位置处停止；
步骤7.4、从输送小车2吊装工件完成下料作业。
本发明公开的大型圆柱体工件曲面钻孔系统采用采用龙门式钻孔机构设计，具有柔性好、扩展性强等优点；龙门机械手末端安装有多功能执行机构，可实现钻孔、攻牙、点胶、锁螺钉等多种功能，适应范围更广，功能更加强大；通过激光位移传感器自动识别预制螺钉孔的中心位置，识别速度更快；采用采用人机隔离的方式实现了工件曲面螺钉孔的自动钻孔作业，提高了弹药壳体曲面钻孔等危险工序的本质安全性。

Claims (8)

1.一种圆柱体工件曲面钻孔系统，其特征在于，包括地轨(1)、输送小车(2)、龙门机械手(3)、多功能执行机构(4)、压紧机构(5)、换刀架(6)、对刀机构(7)、螺钉缓存机构(8)和控制装置(9)；其中：
所述地轨(1)固定安装在地面上，用于输送小车(2)的行走；
所述输送小车(2)与地轨(1)连接，用于支撑工件并驱动工件进行圆周转动；
所述龙门机械手(3)直接安装在地面上，包括X轴移动机构、Y轴移动机构和Z轴移动机构，Z轴移动机构上安装多功能执行机构(4)，用于驱动多功能执行机构(4)在作业范围内进行X、Y、Z方向移动；
所述多功能执行机构(4)用于进行曲面预制螺钉孔的自动钻孔、攻牙、点胶及锁螺钉作业动作；
所述压紧机构(5)固定安装在地面上，用于固定输送小车(2)上的工件并防止工件在钻孔过程中的轴向窜动和圆周转动；
所述换刀架(6)安装在龙门机械手(3)上，用于缓存刀具并配合多功能执行机构(4)进行刀具切换；
所述螺钉缓存机构(8)固定安装在龙门机械手(3)上，用于缓存螺钉配合多功能执行机构(4)进行锁螺钉作业；
所述控制装置(9)包括触摸屏、可编程控制器、开关按钮、电机驱动器、气动电磁阀及指示灯，指示灯用于显示钻孔系统状态，通过开关按钮及触摸屏操控电机驱动器、气动电磁阀，进而控制输送小车(2)、龙门机械手(3)、多功能执行机构(4)及压紧机构(5)；
所述X轴移动机构包括第一支撑立柱(23)、X轴横梁(24)、X轴跨接横梁(25)、X轴齿条(26)、X轴导轨(27)、X轴拖链及拖链槽(28)、X轴驱动电机(30)、减速机及齿轮(31)及X轴限位块(32)；所述第一支撑立柱(23)为6个，每侧3个对称固定在地面上；所述X轴横梁(24)为2个，分别对称安装在第一支撑立柱(23)上，2个X轴横梁(24)的两端通过X轴跨接横梁(25)连接，X轴导轨(27)安装在X轴横梁(24)上，X轴限位块(32)安装在X轴导轨(27)两端；所述X轴齿条(26)置于X轴导轨(27)内，所述X轴驱动电机(30)通过减速机及齿轮(31)与X轴齿条(26)传动连接，带动Y轴横梁(33)通过滑块在X轴导轨(27)上轴向移动，所述X轴拖链及拖链槽(28)用于存放X轴驱动电机(30)线缆，其通过X轴拖链支架(29)与X轴横梁(24)连接；
Y轴移动机构包括Y轴横梁(33)、Y轴顶部导轨(34)、Y轴拖链及拖链槽(35)、Y轴驱动电机(36)、减速机及齿轮(37)、Y轴齿条(38)、接线箱(39)、报警指示灯(40)、Y轴限位块(41)、Y轴侧面导轨(50)、Y轴顶部滑块及Y轴侧面滑块(51)；所述Y轴横梁(33)两端均与X轴导轨(27)连接，所述Y轴横梁(33)的顶部和外侧分别设有Y轴顶部导轨(34)和Y轴侧面导轨(50)，Y轴顶部导轨(34)和Y轴侧面导轨(50)一侧均设有Y轴齿条(38)，两端均设有Y轴限位块(41)，所述Y轴驱动电机(36)通过减速机及齿轮(37)与Y轴齿条(38)传动连接，带动Z轴立柱(43)分别通过Y轴顶部滑块、Y轴侧面滑块(51)在Y轴顶部导轨(34)和Y轴侧面导轨(50)上同时移动；所述Y轴拖链及拖链槽(35)用于存放Y轴驱动电机线缆，通过Y轴拖链支架固定于Y轴横梁(33)内侧；
所述接线箱(39)和报警指示灯(40)安装在Y轴横梁(33)上；
Z轴移动机构包括Z轴滑块(42)、Z轴立柱(43)、Z轴驱动电机(44)、减速机及丝杠(45)、Z轴导轨(46)、Z轴限位块(47)、Z轴限位开关(48)及Z轴拖链及拖链槽(49)，所述Z轴立柱(43)与Y轴顶部导轨(34)和Y轴侧面导轨(50)均连接，所述Z轴立柱(43)的内、外两侧均设有Z轴导轨(46)，Z轴导轨(46)两末端设有Z轴限位块(47)，Z轴导轨(46)内设有Z轴滑块(42)，所述Z轴驱动电机(44)通过减速机及丝杠(45)驱动Z轴立柱(43)的Z轴滑块(42)在Z轴导轨(46)在竖直方向移动；所述Z轴限位开关(48)安装Z轴立柱(43)上，用于电气限位防护，Z轴拖链及拖链槽(49)通过Z轴拖链支架固定于Z轴立柱(43)一侧；
所述多功能执行机构(4)包括钻孔主轴(52)、机械限位块(53)、激光寻位机构(54)、换刀缸(55)、连接件(56)、伺服电机(57)、第一攻牙机头(58)、第二攻牙机头(59)、第三攻牙机头(60)、转接板(61)、点胶桶(62)、点胶头(63)、气动电磁阀组(64)、第一锁螺钉风批(65)、第一锁螺钉机头(66)、第一锁螺钉升降气缸(67)、第二锁螺钉风批(68)、第二锁螺钉机头(69)、第二锁螺钉升降气缸(70)；其中:
所述钻孔主轴(52)、机械限位块(53)、激光寻位机构(54)、伺服电机(57)、换刀缸(55)通过连接件(56)安装在Z轴立柱(43)上，伺服电机(57)和换刀缸(55)固定在连接件(56)上方，钻孔主轴(52)安装在连接件(56)内并延伸到外部，机械限位块(53)、激光寻位机构(54)安装在连接件(56)下方，机械限位块(53)和激光寻位机构(54)位于钻孔主轴(52)两侧，伺服电机(57)与钻孔主轴(52)通过同步带连接，换刀缸(55)换刀时与钻孔主轴(52)连接用于控制钻孔主轴(52)的夹紧和松开刀具动作，更换刀具后自动脱离钻孔主轴(52)，伺服电机(57)通过同步带驱动钻孔主轴(52)旋转钻孔，激光寻位机构(54)包括点激光传感器和防护壳体；
所述第一攻牙机头(58)、第二攻牙机头(59)、第三攻牙机头(60)通过转接板(61)安装在Z轴立柱(43)上；
所述点胶桶(62)、点胶头(63)、气动电磁阀组(64)直接安装在Z轴立柱(43)上，所述点胶桶(62)用于存放胶水，通过气动电磁阀组(64)控制点胶头(63)的点胶作业以及出胶量；
所述第一锁螺钉机头(66)与第一锁螺钉风批(65)末端刚性连接并安装在第一机械底板上，第一机械底板通过滑块与Z轴立柱(43)另一侧的导轨连接，所述第一锁螺钉机头(66)通过负压吸取螺钉定位盘(79)上的螺钉，第一锁螺钉升降气缸(67)与第一机械底板连接，通过第一锁螺钉升降气缸(67)控制第一机械底板的移动；
所述第二锁螺钉机头(69)与第二锁螺钉风批(68)末端刚性连接并安装在第二机械底板上，第二机械底板通过滑块与Z轴立柱(43)上的导轨连接，通过负压吸取螺钉定位盘(79)上的螺钉，第二锁螺钉升降气缸(70)与第二机械底板连接，通过第二锁螺钉升降气缸(70)控制第二机械底板的移动。
2.根据权利要求1所述的圆柱体工件曲面钻孔系统，其特征在于，所述输送小车(2)包括行走电机及减速机(10)、多个行走轮(11)、拖链及拖链槽(12)、声光报警灯(13)、圆周转向电机(14)、2个圆周转动主动轮(15)、2个圆周转动从动轮(16)、导轨(17)、安装座(18)、滑块(19)、端面限位机构(20)、工件端面检测机构(21)、防护壳(22)；其中：
所述行走电机及减速机(10)安装在防护壳(22)内部，行走轮(11)对称安装在防护壳(22)底部，行走电机及减速机(10)与行走轮(11)连接，用于驱动输送小车(2)沿地轨(1)移动；
所述声光报警灯(13)安装在防护壳(22)上，用于显示输送小车(2)的运行状态；
所述圆周转向电机(14)通过减速机与圆周转动主动轮(15)转动连接，位于防护壳(22)一端；所述圆周转动从动轮(16)通过安装座(18)安装在防护壳(22)另一端，所述安装座(18)通过滑块(19)与导轨(17)滑动连接，所述导轨(17)固定在防护壳(22)内两侧，工件一端位于2个圆周转动主动轮(15)之间，另一端位于2个圆周转动从动轮(16)之间；
所述端面限位机构(20)和工件端面机构(21)均通过连接杆安装在防护壳(22)外侧，所述端面限位机构(20)用于实现工件的轴向机械限位，所述工件端面检测机构(21)包含4个光电传感器，用于检测工件上料起始位置；
所述拖链及拖链槽(12)安装于防护壳(22)外侧。
3.根据权利要求2所述的圆柱体工件曲面钻孔系统，其特征在于，所述压紧机构(5)包括2个压紧气缸(71)、4个导向柱(72)、4根第二支撑立柱(73)、顶板及2个压紧轮(74)；所述4根第二支撑立柱(73)对称固定在地面上，其上端均通过导向柱(72)分别与顶板的两端连接，导向柱与第二支撑立柱(73)滑动连接，所述2个压紧轮(74)安装在顶板下表面，位于工件的上方，压紧工件时，工件位于2个压紧轮(74)之间，所述2个压紧气缸(71)分别对应固定安装于2个第二支撑立柱(73)之间，其输出端与顶板下表面连接，用于调节顶板的高度。
4.根据权利要求3所述的圆柱体工件曲面钻孔系统，其特征在于，所述换刀架(6)包括2个第三支撑立柱(75)、快换刀具(76)、刀具安装板、刀具槽(77)及转接板(78)，所述2个第三支撑立柱(75)固定在地面上，其上端分别与刀具安装板的两端连接，所述刀具安装板上设有多个刀具槽(77)，快换刀具(76)插入刀具槽(77)内，刀具安装板通过转接板(78)固定在龙门机械手(3)的一个第一支撑立柱(23)上。
5.根据权利要求4所述的圆柱体工件曲面钻孔系统，其特征在于，所述对刀机构(7)包括称重传感器(81)和第四支撑立柱(82)，通过第四支撑立柱(82)固定在地面上，所述称重传感器(81)固定安装在第四支撑立柱(82)的上端，用于测量快换刀具(76)的钻头磨损程度。
6.根据权利要求5所述的圆柱体工件曲面钻孔系统，其特征在于，所述螺钉缓存机构(8)包括螺钉定位盘(79)和支撑架(80)，所述螺钉定位盘(79)安装在支撑架(80)上，支撑架(80)固定在龙门机械手(3)的第一支撑立柱(23)上。
7.一种基于权利要求6所述圆柱体工件曲面钻孔系统的圆柱体工件曲面钻孔方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1、龙门机械手带动多功能执行机构回原位，吊装工件至输送小车上，通过工件端面检测机构检测并确认工件轴向起始位置，使得工件端面接触端面限位机构，输送小车运输工件到达龙门机械手下方指定位置；
步骤2、通过激光寻位机构识别预制螺钉孔中心位置；
步骤3、通过压紧机构压紧工件；
步骤4、钻孔主轴更换刀具并对刀，包括：
步骤4.1、龙门机械手携带多功能执行机构移动到换刀架中的刀具槽上端，沿着Z轴导轨将刀具插入刀具槽内；
步骤4.2、换刀缸控制钻孔主轴释放刀具，刀具槽夹住刀具；龙门机械手携带多功能执行机构沿着Z轴导轨上升，刀柄卸载；
步骤4.3、龙门机械手携带多功能执行机构移动到待用刀具上方，沿着Z轴导轨下降，换刀缸控制钻孔主轴夹紧刀具，龙门机械手沿着Y轴导轨移动离开刀具槽，完成换刀；
步骤4.4、龙门机械手携带多功能执行机构到对刀机构的称重传感器正上方，沿着Z轴导轨向下移动至指定位置，通过称重传感器显示的值判断刀具的磨损程度，提醒操作人员是否需要更换刀具中的钻头；
步骤5、龙门机械手携带多功能执行机构进行预制螺钉孔的识别、钻孔、攻丝、点胶、锁螺钉作业，包括：
步骤5.1、根据激光寻位机构识别的预制螺钉孔中心位置，控制钻孔主轴进行钻孔；
步骤5.2、第一攻牙机头或第二攻牙机头或第三攻牙机头进行攻牙作业；
步骤5.3、点胶头进行点胶作业；
步骤5.4、第一锁螺钉机头或第二锁螺钉机头进行锁螺钉作业；
步骤6、重复步骤2-步骤5，完成剩余预制螺钉孔的识别、钻孔、攻牙、点胶和锁螺钉作业；
步骤7、各机构回原始位，吊装工件下料。
8.根据权利要求7所述的一种圆柱体工件曲面钻孔方法，其特征在于，所述步骤2中通过激光寻位机构识别预制螺钉孔中心位置具体包括以下步骤：
步骤2.1、寻找结合缝隙位置：
a)通过示教确定龙门机械手在Z轴方向的高度值Z0，该值要求龙门机械手携带多功能执行机构工作过程中不能与工件及其余设备发生干涉；
b)龙门机械手沿着X轴导轨方向移动，激光寻位机构根据工件结合缝隙突变的特征检测到一结合缝隙位置A点，A点的X、Y坐标记为A(X1，Y1)；
步骤2.2、寻找工件圆周中心位置：
龙门机械手沿着X轴导轨继续移动至标定位置，沿着Y轴方向分别逆时针转动角度θ1，顺时针转动角度θ2，激光寻位机构检测到最短距离点，即为工件中心位置B点，B点的X、Y坐标记为B(X2，Y2)；
步骤2.3、寻找预制螺钉孔粗中心位置：
龙门机械手保持Y轴向坐标Y2不变，以结合缝隙A点为基准，沿着X轴方向移动标定的固定距离XΔ至预制螺钉孔的粗中心位置C点，该点X、Y坐标记为C(X1+XΔ，Y2)；
步骤2.4、局部寻找预制螺钉孔Y轴方向中心位置：
龙门机械手保持位置不动，输送小车通过圆周转向电机驱动工件圆周方向转动，通过激光寻位机构寻找工件预制螺钉孔圆周方向的突变点D(XD，YD)和E(XE，YE)，D(XD，YD)和E(XE，YE)的计算公式为：
XD＝X1+XΔ
YD＝Y2+YΔ1
XE＝X1+XΔ
YE＝Y2+YΔ2
步骤2.5、局部寻找预制螺钉孔X轴方向中心位置：
输送小车通过圆周转向电机位置保持不动，龙门机械手沿着X轴方向移动，通过激光寻位机构寻找预制螺钉孔轴向方向的突变点F(XF，YF)和G(XG，YG)，F(XF，YF)和G(XG，YG)的坐标计算公式为：
XF＝X1+XΔ+XΔ1
Figure FDA0003701140000000061
XG＝X1+XΔ+XΔ2
Figure FDA0003701140000000062
步骤2.6、确定预制螺钉孔中心位置：
假设预制螺钉孔中心H点坐标为H(XH，YH)，则计算公式为：
Figure FDA0003701140000000071
Figure FDA0003701140000000072
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