CN114871956B - 带有智能检测校准装置的飞机座舱盖定力夹钳 - Google Patents

Abstract

本发明属于工艺装备设计及制造技术领域，具体涉及一种带有智能检测校准装置的飞机座舱盖定力夹钳，包括定力夹钳，测力机构和智能分析仪，该机构中定力夹钳的夹紧力可以由测力装置随时进行检测，并可以使用调压垫片对夹钳的夹紧力进行调整，保证夹紧力的同时，大大提高了定力夹钳的使用寿命。本发明解决了飞机座舱盖定力夹钳夹紧力检测和校准的问题，定期对定力夹钳的夹紧力进行校准，使夹钳夹紧力更加精准的同时，提高了胶接工艺质量，并使定力夹钳的使用寿命增加一倍以上。

Description

带有智能检测校准装置的飞机座舱盖定力夹钳

技术领域

本发明属于工艺装备设计及制造技术领域，具体涉及一种基于自动化控制和传感器信息融合技术领域的具有夹紧力检测校准功能的新型定力夹钳。用于飞机座舱盖胶接工艺的夹紧固定和定力夹钳夹紧力的自动校准。

技术背景

座舱盖是飞机结构中的重要组成部分，在飞行过程中，随着飞行高度的升高，座舱内外会产生巨大的压力差，为保证座舱盖的强度，座舱盖四周会有金属包边。

金属包边的装配工艺中有其中一项是胶接工艺。该工艺需要用到一种特殊的定力夹钳来将座舱盖包边夹紧，使金属与有机玻璃进行有效粘合，且固化时间要大于24小时。由于座舱盖的形式多样，不同部位的包边厚度不同，因此夹钳夹紧时的开口也有所不同。

目前，所有飞机座舱盖的胶接工艺都是使用一种简易的夹钳。该夹钳是依靠一条弹簧的反作用力来进行夹紧操作，其夹紧力在弹性系数一定的条件下，与压簧的弹性形变有关。夹钳的使用是按照工艺要求，每间隔固定长度就要使用一个。这类夹钳由于使用频率高，工作时间长，因此定力夹钳在使用一段时间以后，就会出现弹性系数降低的情况。一旦工业压簧的弹性系数下降，直接导致在固定开口下的夹紧力降低，如果频繁更换夹钳，则会导致夹钳没有充分利用，造成不必要的经济损失。但如果长时间不更换夹钳，则会导致夹钳夹紧力降低，对座舱盖质量产生较大影响。

发明内容

为解决座舱盖胶接工艺现有夹紧方式中，由于弹簧弹性系数降低所带来的胶接质量差的问题。本发明创造了一套带夹紧力检测校准系统的定力夹钳。该夹钳主要包含了一套特殊结构的定力夹钳、一套高度可电动调节的测力机构和一台手持智能分析仪。该机构中定力夹钳的夹紧力可以由测力装置随时进行检测，并可以使用调压垫片对夹钳的夹紧力进行调整，保证夹紧力的同时，大大提高了定力夹钳的使用寿命。

本发明的技术方案如下：

一种带有智能检测校准装置的飞机座舱盖定力夹钳，包括定力夹钳1，测力机构2和智能分析仪3；

定力夹钳1包括上夹紧臂4和下夹紧臂5，上夹紧臂4和下夹紧臂5的中部均设置有铰链座，铰链座上设置有通孔，两个铰链座通过穿过通孔的转轴7连接，上夹紧臂4和下夹紧臂5能够绕转轴7转动；

定位螺栓9表面设置有螺纹，定位螺栓9的上端与上夹紧臂4的末端固定连接，调压垫片11的中央和下夹紧臂5的末端均设置有通孔，定位螺栓9依次穿过工业压簧8、调压垫片11以及下夹紧臂5末端的通孔，之后定位螺栓9的底端与限位螺母10采用螺纹连接的方式连接；工业压簧8的两端分别与上夹紧臂4的下表面和调压垫片11的上表面接触；定力夹钳1通过更换不同厚度的调压垫片11，来调整钳口的夹紧力；

上夹紧臂4末端的上表面与下夹紧臂5末端的下表面均设置有限位卡槽12；剪形把手13的剪口一端的内侧设置有凸块，定力夹钳1与剪形把手13配合使用时，剪形把手13的凸块能够插入限位卡槽12中，通过控制剪形把手13剪口的开合，使定力夹钳1的钳口增大或缩小；

上夹紧臂4前端的下表面与下夹紧臂5前端的上表面均设置有锥形定位销6，使用时定力夹钳1夹紧座舱盖金属包边时，锥形定位销6插入座舱盖金属包边的U形凹槽中；

测力机构2包括步进电机14、抱闸机构15、传动齿轮16、变位托盘17、压差传感器18和连接支架19；压差传感器18的侧面通过连接支架19与步进电机14固定连接，连接支架19与压差传感器18的底面与侧面贴合；当定力夹钳1的钳口夹住测力机构2时，定力夹钳1钳口处的两个锥形定位销6分别压紧变位托盘17的上表面和支架19的底面，位于变位托盘17和支架19之间的压差传感器18用于检测定力夹钳1施加给测力机构2的压力值；步进电机14的电机轴垂直向上设置，电机轴的上端与传动齿轮16在电机轴的轴向方向上配合连接，并通过轴键固定传动齿轮16；步进电机14与抱闸机构15配合连接，当步进电机14未通电时，抱闸机构15用于将步进电机14抱死，防止步进电机14的电机轴随意转动；

压差传感器18的中央设置有竖直的螺纹孔；变位托盘17的上部为齿轮，下部为竖直的螺杆，齿轮中央的下表面与螺杆的上端一体连接；变位托盘17的螺杆与压差传感器18的螺纹孔配合连接，变位托盘17的齿轮与传动齿轮16相互啮合；当变位托盘17的齿轮在传动齿轮16驱动下正向或逆向转动时，变位托盘17沿压差传感器18的螺纹孔方向上升或下降；

智能分析仪3通过电源线和信号传输线，分别与步进电机14和压差传感器18连接；智能分析仪3用于为步进电机14和压差传感器18供电，接收压差传感器18反馈的压力模拟信号，以及向步进电机14发送脉冲信号和方向信号。

本发明的有益效果：

通过应用本发明，解决了飞机座舱盖定力夹钳夹紧力检测和校准的问题，定期对定力夹钳的夹紧力进行校准，使夹钳夹紧力更加精准的同时，提高了胶接工艺质量，并使定力夹钳的使用寿命增加一倍以上。

附图说明

图1为检测装置三维建模图

图2为定力夹钳示意图

图3为自调节测力机构工作示意图

图4为智能分析仪面板布置图

图中：定力夹钳1、测力机构2、智能分析仪3、上夹紧臂4、下夹紧臂5、锥形定位销6、转轴7、工业压簧8、定位螺栓9、限位螺母10、调压垫片11、限位卡槽12、剪形把手13、步进电机14、抱闸机构15、传动齿轮16、变位托盘17、压差传感器18、连接支架19、液晶显示屏20，菜单键21，工件选择键22，复位键23，自动调整键24，确认键25

具体实施方式

夹钳的结构如图2所示，主要由上夹紧臂4、下夹紧臂5、锥形定位销6、转轴7、工业压簧8、定位螺栓9、限位螺母10、调压垫片11、限位卡槽12、剪形把手13组成。剪形把手13可以通过限位卡槽12压缩工业压簧8，使夹钳开口增大，方便夹入目标位置。转轴7通过上夹紧臂4和下夹紧臂5上的铰链座将其连接，确保上下夹臂可以通过转轴进行转动。定位螺栓9依次穿过上夹紧臂4、工业压簧8、调压垫片11、下夹紧臂5，与限位螺母10采用螺纹连接的方式进行连接，调整限位螺母10，使工业压簧刚好达到自由状态的位置。夹钳前端的锥形定位销6与夹紧臂采用过盈连接，工作时夹入座舱盖金属包边的U形凹槽中。

测力机构如图3所示，主要由连接支架19将压差传感器18与步进电机14的相对位置固定，保证变位托盘在移动过程中与步进电机不会干涉。然后将步进电机14与传动齿轮16在轴向方向上进行连接，并通过轴键进行固定。再将变位托盘17按照螺纹方向旋入压差传感器18的定位孔中。同时，传动齿轮16与变位托盘17采用外啮合的连接方式，且变位托盘的齿牙与传动齿轮的齿牙有效啮合。

当步进电机不得电时，电机会通过内部的抱闸机构15抱死，不能旋转，防止随意转动导致位置丢失。当步进电机上电开始转动时，抱闸励磁得电打开，传动齿轮16会随之旋转。同时，传动齿轮会带动变位托盘17进行旋转。由于变位托盘17与压差传感器18之间是螺纹连接，因此当变位托盘旋转时，托盘会按照定位销螺纹的方向靠近或远离压差传感器18，进而达到调整测力机构高度的目的。

校准夹钳夹紧力时，先用智能分析仪3将测力机构调整到座舱盖胶接工艺的额定高度，智能分析仪选择对应工件即可导入相应参数，并使用剪形把手13将定力夹钳夹持到压差传感器18和变位托盘17的中心点上，如图3所示，智能分析仪3通过压差传感器18反馈的模拟信号，计算出压力大小。并与目标压力值进行比较，根据计算出的差值实时发出脉冲信号调整测力机构的高度，使夹钳开口增大。当测量压力与目标压力的差值在±0.05kg范围内时，停止调整，根据智能分析仪发出的脉冲数计算出测力机构的补偿高度，并将测力机构的补偿高度显示在界面上，测力机构的补偿高度即为夹钳增加的开口高度。测力机构总高度的计算公式如下：

H＝h+h1＝h+n*θS*Z1/Z2*m

测力机构的补偿高度计算公式如下：

h1＝n*θS*Z1/Z2*m

其中，H：测力机构调整后的总高度，h：测力机构初始高度；h1：测力机构补偿的高度，n：控制器发出的脉冲数，θS：步进电机的步距角，Z1：传动齿轮的齿数，Z2：变位托盘的齿数，m：变位托盘下端的轴销的螺距；

本发明中使用的步进电机14旋转一周所需要的脉冲数是200个，因此步距角θs＝1.8°。传动齿轮16齿数Z1＝31，变位托盘17齿数Z2＝72，螺距m＝3mm。由此，只需要知道由智能分析仪在控制过程中自动计数得出的智能分析仪发出的脉冲数n，以及由智能分析仪实时测量得出的测力机构初始高度h，，就可以计算出测力机构的总高度H和夹钳增加的开口高度h1：

H＝h+n*1.8*31/72*3

h1＝n*1.8*31/72*3

从图2中可以看出，定力夹钳的锥形定位销6的轴线与工业压簧8的中心线到夹钳转轴7的距离相等，因此夹钳开口增大的距离就等于工业压簧压缩的距离。因此在压簧端增加一个h1高的调压垫片11即可将夹钳在工艺开口下的压力调整到目标值。

智能分析仪的操作面板如图4所示，主要包含液晶显示屏20，菜单键21，工件选择键22，复位键23，自动调整键24，确认键25。液晶显示屏20主要是用于显示参数信息。菜单键21主要用于呼出设置菜单，包含工件1-工件10的夹持厚度和夹紧力，也就是针对10种不同工件的夹持厚度和夹紧力进行设定，以及测力机构的高度校准。选择键22是在工作前对工件进行选择，通过该按键可以从1-10顺序选择对应的座舱盖工艺参数。确认键25是确认参数的设置。复位键23是将测力机构通过步进电机自动调整到所选择工件的设定高度，为防止误操作，该按键要与确认键25同时按下时生效。自动调整键24是通过步进电机自动将夹钳的夹紧力校准到对应工件的目标值，并计算出所需垫片的厚度，为防止误操作，该按键要与确认键25同时按下时生效。智能分析仪还包含了脉冲输出的计数、测力机构当前高度的计算、定力夹钳压力的计算、调压垫片厚度的计算、测力机构高度的超程限制、自动/手动控制、以及紧急停止等功能。

使用时，通过智能分析仪3控制步进电机14的电机轴旋转，带动传动齿轮16转动，变位托盘17随着传动齿轮16同步转动，进而调整变位托盘17的上表面距离连接支架19底面的高度，直至该高度与定力夹钳1的额定开口高度一致；然后使用剪形把手13夹持定力夹钳1，使定力夹钳1的钳口夹住测力机构2，此时定力夹钳1钳口处的两个锥形定位销6分别压紧变位托盘17的上表面和支架19的底面，智能分析仪3根据压差传感器18反馈的信号，计算出定力夹钳1夹持测力机构2的压力值，该压力值即是定力夹钳1钳口的夹紧力；当定力夹钳1钳口的夹紧力小于额定夹紧力时，智能分析仪3会向步进电机14发送脉冲信号和方向信号，步进电机14通过传动齿轮16驱动变位托盘17来增加变位托盘17相对于压差传感器18的高度，迫使夹钳开口增大，进一步压缩工业弹簧8，此时压差传感器18所测得的压力值也会随之增加，直到压力值达到工艺要求的目标压力时，智能分析仪3会停止调整变位托盘17相对于压差传感器18的高度，并计算出变位托盘17增加的高度，将增加的高度数值显示在智能分析仪的显示面板上；由于定力夹钳1位于锥形定位销6处的夹持点和工业压簧8的中心点，在水平方向上到转轴7的距离相等，因此变位托盘17相对于压差传感器18增加的高度等于工业压簧8的压缩量，通过在工业压簧8的端增加与压缩量同等厚度的调压垫片11，即可将定力夹钳1在额定开口量下的夹紧力调整为额定夹紧力。

Claims (1)

1.一种带有智能检测校准装置的飞机座舱盖定力夹钳，其特征在于，包括定力夹钳(1)，测力机构(2)和智能分析仪(3)；

定力夹钳(1)包括上夹紧臂(4)和下夹紧臂(5)，上夹紧臂(4)和下夹紧臂(5)的中部均设置有铰链座，铰链座上设置有通孔，两个铰链座通过穿过通孔的转轴(7)连接，上夹紧臂(4)和下夹紧臂(5)能够绕转轴(7)转动；

定位螺栓(9)表面设置有螺纹，定位螺栓(9)的上端与上夹紧臂(4)的末端固定连接，调压垫片(11)的中央和下夹紧臂(5)的末端均设置有通孔，定位螺栓(9)依次穿过工业压簧(8)、调压垫片(11)以及下夹紧臂(5)末端的通孔，之后定位螺栓(9)的底端与限位螺母(10)采用螺纹连接的方式连接；工业压簧(8)的两端分别与上夹紧臂(4)的下表面和调压垫片(11)的上表面接触；定力夹钳(1)通过更换不同厚度的调压垫片(11)，来调整钳口的夹紧力；

上夹紧臂(4)末端的上表面与下夹紧臂(5)末端的下表面均设置有限位卡槽(12)；剪形把手(13)的剪口一端的内侧设置有凸块，定力夹钳(1)与剪形把手(13)配合使用时，剪形把手(13)的凸块能够插入限位卡槽(12)中，通过控制剪形把手(13)剪口的开合，使定力夹钳(1)的钳口增大或缩小；

上夹紧臂(4)前端的下表面与下夹紧臂(5)前端的上表面均设置有锥形定位销(6)，使用时定力夹钳(1)夹紧座舱盖金属包边时，锥形定位销(6)插入座舱盖金属包边的U形凹槽中；

测力机构(2)包括步进电机(14)、抱闸机构(15)、传动齿轮(16)、变位托盘(17)、压差传感器(18)和连接支架(19)；压差传感器(18)的侧面通过连接支架(19)与步进电机(14)固定连接，连接支架(19)与压差传感器(18)的底面与侧面贴合；当定力夹钳(1)的钳口夹住测力机构(2)时，定力夹钳(1)钳口处的两个锥形定位销(6)分别压紧变位托盘(17)的上表面和支架(19)的底面，位于变位托盘(17)和支架(19)之间的压差传感器(18)用于检测定力夹钳(1)施加给测力机构(2)的压力值；步进电机(14)的电机轴垂直向上设置，电机轴的上端与传动齿轮(16)在电机轴的轴向方向上配合连接，并通过轴键固定传动齿轮(16)；步进电机(14)与抱闸机构(15)配合连接，当步进电机(14)未通电时，抱闸机构(15)用于将步进电机(14)抱死，防止步进电机(14)的电机轴随意转动；

压差传感器(18)的中央设置有竖直的螺纹孔；变位托盘(17)的上部为齿轮，下部为竖直的螺杆，齿轮中央的下表面与螺杆的上端一体连接；变位托盘(17)的螺杆与压差传感器(18)的螺纹孔配合连接，变位托盘(17)的齿轮与传动齿轮(16)相互啮合；当变位托盘(17)的齿轮在传动齿轮(16)驱动下正向或逆向转动时，变位托盘(17)沿压差传感器(18)的螺纹孔方向上升或下降；

智能分析仪(3)通过电源线和信号传输线，分别与步进电机(14)和压差传感器(18)连接；智能分析仪(3)用于为步进电机(14)和压差传感器(18)供电，接收压差传感器(18)反馈的压力模拟信号，以及向步进电机(14)发送脉冲信号和方向信号。

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