一种曲面自动制孔末端执行器

一种曲面自动制孔末端执行器 CN 102091799 A 摘要 本发明公开了一种曲面自动制孔末端执行器，包括制孔单元、压紧单元、法向测量单元、定位圈、二维法向调整单元、外支撑圈。制孔单元和压紧单元固定在定位圈上；法向测量单元固定在压紧单元上，在压紧单元上通过球形关节联结有压紧头，压紧头内侧固定一块测板，测板可以随压紧头转动，在压紧单元的四角固定四个位移传感器，测板四角分别与四个位移传感器接触，位移传感器分别测量测板四角位移，从而计算出制孔坐标处曲面的法线方向。压紧单元由伺服电机与滚珠丝杠驱动，控制伺服电机的扭矩可以控制压紧力；定位圈固定在二维法向调整单元上，可以分别绕X轴和Y轴旋转，从而完成法向调整。该结构末端执行器能很好完成曲面制孔加工。 权利要求(3)

1. 一种曲面自动制孔末端执行器，其特征在于，它包括制孔单元（1)、压紧单元O)、法 向测量单元（3)、定位圈(4)、二维法向调整单元(5)、外支撑圈(6)；制孔单元（1)和压紧单元O)固定在定位圈（4)上；二维法向调整单元(5)与带动其绕Y轴转动的设置在外支撑圈（6)上的Y轴转动动力 机构(58)相连；定位圈（4)与带动其绕X轴转动的设置在二维法向调整单元（¾上的X轴转动动力机 构(54)相连；压紧单元（¾包括压紧动力机构（25)、在压紧动力机构0¾的带动下沿ζ轴移动的支 撑架（21)、与支撑架通过球关节连接的压紧头（23)，压紧头上开有可通过制孔 主轴的通孔06)；制孔单元（1)包括制孔动力机构（13)、在制孔动力机构（1¾的带动下沿ζ轴移动的制 孔主轴单元（1¾ ；制孔主轴单元包括可以转动的制孔主轴，制孔主轴与支撑架上的球 关节同轴；法向测量单元C3)包括固定在压紧头背面的测板（31)、四个用于检测测板（31) 随压紧头转动角度的位移传感器（32)，位移传感器（3¾设置在支撑架上、且均 布在制孔主轴的圆周方向上。 2.如权利要求1所述的曲面自动制孔末端执行器，其特征在于，二维法向调整单元（5) 为一个位于外支撑圈（6)内的内支撑圈（51)，内支撑圈（51)与平行于Y轴的支承轴Y相 连，支承轴Y与Y轴转动动力机构（58)相连。 3.如权利要求2所述的曲面自动制孔末端执行器，其特征在于，定位圈（4)设置在内 支撑圈（51)内，定位圈（4)与平行于X轴的支承轴X相连，支承轴X与X轴转动动力机构 (54)相连。 说明

一种曲面自动制孔末端执行器 技术领域 [0001] 本发明属于自动化制造领域，具体来说，涉及一种曲面自动制孔末端执行器，尤其 适用于飞机翼面的自动制孔。

背景技术 [0002] 目前飞机结构件采用的主要连接方法仍是机械连接，一架大型飞机上大约有 150〜200万个连接件。在飞机的各种安全故障中，机体损伤的故障数量已占到总故障数量 的30%以上，因此，飞机的总寿命主要决定于机体的寿命。疲劳破坏是飞机机体丧失工作能 力的根本原因，其中75%〜80%的疲劳破坏发生在机体结构的连接孔处。为了满足现代大 型飞机长寿命、高可靠性、低成本和高效率制造的要求，可通过各种技术途径改善各连接点 的技术状态（表面质量、配合性质、结构形式等），大量采用长寿命连接技术，实现飞机结构 高质量和高效率装配，其中一个很重要的途径是通过自动化设备进行自动精密制孔，提高 制孔质量。

[0003] 现代大型飞机外形、结构复杂，零件数量多（达300余万件），内部空间紧凑，协调 关系复杂，装配和安装的工作通路差，其中飞机装配劳动量占整个飞机制造劳动量的50% 以上。因此，飞机装配是一项技术难度大、涉及学科领域多的综合性集成技术，在很大程度 上决定了飞机的最终质量、制造成本和周期，是整个飞机制造过程的龙头、关键和核心技 术。

[0004] 借助于高刚性和预先的结构设计，以及先进的自动控制技术，常规的自动化制造 技术可以将加工误差控制在微小的的范围之内，因此使得精密制造或装配成为了可能。在 飞机装配中，传统的做法是，根据飞机机构特定的装配要求来定制用户所需的机床。飞机的 结构一般都比较庞大，高精度装配的结果往往是装配设备的大型化、高刚性、高成本、设备 用途太专一，并且需要配套固定型架或自动托架，其投资也是巨大的。随着飞机部件尺寸的 增大，这种形式的自动化装配在实践当中受到了很大的限制，某种程度上，由于传统自动化 装配的成本过于昂贵，不得不退而采用手工装配。手工装配的问题是，随着飞机部件尺寸的 增大，装配的成本也随之增大，同时手工装配的错误经常导致产生高昂的维修费用，零部件 的报废以及装配周期的延误。

[0005] 现有工业机械臂主要是面向汽车，家电，陶瓷等行业，工作空间相对较小，负载能 力较低。如果开发大范围、大负载的工业机械臂，又难以解决高精度与大工作空间的矛盾。 轻便的自动化设备为飞机柔性装配提供了另一种选择。它牺牲了整体精度而追求局部精 度，并在部件层面上充分利用了飞机部件自身特点，而且质量轻，更经济，可以分配到作业 现场或依附到飞机部件上，不需要大的安装场地，而且设备的造价变得低廉许多。机器人制 孔技术是飞机柔性装配技术的一个重要应用和研究方向，由于机器人自动制孔系统可以沿 纵向长距离移动，能够完成对飞机的各个部分进行钻铆加工而无需移动工件，与传统的自 动钻铆加工方式相比，大大提高了加工精度和效率，因此在国外已得到广泛的研究和应用。 但由于现有机器人刚度和精度低、负载小，使得传统的机器人在飞机装配上的应用水平低。

3[0006] 综上所述，研究开发具有传统制孔机器人轻便、灵活及成本低的优点，并且具有较 高刚性、较大负载承受力和高精度，满足飞机自动化装配的要求的柔性曲面制孔机器人是 飞机柔性装配技术的一个重要应用和研究方向，多功能制孔末端执行器是关键技术之一。

发明内容 [0007] 本发明的目的是提供可以测量所制孔坐标点曲面法线方向，调整制孔主轴至法向 方向，并由压紧单元对制孔处实施压紧的曲面自动制孔末端执行器。

[0008] 本发明曲面自动制孔末端执行器，包括制孔单元1、压紧单元2、法向测量单元3、 定位圈4、二维法向调整单元5、外支撑圈6 ；制孔单元1和压紧单元2固定在定位圈4上； 二维法向调整单元5与带动其绕Y轴转动的设置在外支撑圈6上的Y轴转动动力机构58 相连；定位圈4与带动其绕X轴转动的设置在二维法向调整单元5上的X轴转动动力机构 54相连；压紧单元2包括压紧动力机构25、在压紧动力机构25的带动下沿ζ轴移动的支撑 架21、与支撑架21通过球关节连接的压紧头23，压紧头23上开有可通过制孔主轴的通孔 26 ；制孔单元1包括制孔动力机构13、在制孔动力机构13的带动下沿ζ轴移动的制孔主轴 单元12 ；制孔主轴单元包括可以转动的制孔主轴，制孔主轴与支撑架21上的球关节同轴； 法向测量单元3包括固定在压紧头23背面的测板31、四个用于检测测板31移动距离的位 移传感器32，位移传感器32设置在支撑架21上、且均布在制孔主轴的圆周方向上。

[0009] 本发明的有益效果：其工作时，压紧动力机带动支撑架和压紧头沿ζ轴移动向下 移动，由于压紧头通过球关节设置在支撑架上可以相对支撑架转动，所以压紧头即可压紧 在需要制孔处的周边。而测板31固定在压紧头上，随压紧头一起动作，这样可以通过位移 传感器32检测的测板31的移动距离不同，解算出制孔点出曲面的法向矢量。四个位移传 感器32可更加精确的测量出制孔主轴是否在法向方向，尤其适用于比较复杂的曲面。这时 通过X轴转动动力机构M带动定位圈4绕X轴转动或/和通过Y轴转动动力机构58带动 二维法向调整单元5绕Y轴转动，即可调整定位圈4位置，从而调整固定在定位圈4上制孔 单元1和压紧单元2 (调整过程中，支撑板动作，压紧头不动）的姿态，使得位移传感器32 检测的测板31的移动相等，达到制孔主轴位于法线方向上目的。然后，制孔主轴单元12在 制孔动力机构25的带动下沿ζ轴向下移动，制孔主轴穿过压紧头的通孔沈而在需要制孔 处制孔。因此，本发明的效果是：它可以测量所制孔坐标点曲面法线方向，调整制孔主轴至 法向方向，并由压紧单元对制孔处实施压紧。

[0010] 上述的曲面自动制孔末端执行器，制孔动力机构13为固定在制孔底板11上的制 孔伺服电机；制孔伺服电机通过滚珠丝杠带动滑动设置在制孔底板11上的制孔主轴单元 12。

[0011] 上述的曲面自动制孔末端执行器，制孔主轴单元12为电主轴。电主轴属于现有技 术，不再描述。

[0012] 上述的曲面自动制孔末端执行器，压紧动力机构25为固定在压紧底板M上的压 紧伺服电机；压紧伺服电机通过滚珠丝杠带动滑动设置在压紧底板M上的支撑架21。这 样，即可通过压紧伺服电机提供压紧力，并通过扭矩控制控制压紧力。

[0013] 上述的曲面自动制孔末端执行器，二维法向调整单元5为一个位于外支撑圈6内 的内支撑圈51，内支撑圈51与平行于Y轴的支承轴Y相连，支承轴Y与Y轴转动动力机构58相连；定位圈4设置在内支撑圈51内，定位圈4与平行于X轴的支承轴X相连，支承轴 X与X轴转动动力机构讨相连。采用在同一个平面内垂直布置的两个转动轴（即支承轴X 和支承轴Y)，可以快速精确地实现法向姿态调整，且结构简单紧凑。

附图说明 [0014] 图1是本发明的总体三维结构示意图。 [0015] 图2是本发明的制孔单元三维结构示意图。 [0016] 图3是本发明的压紧单元及法向测量单元三维结构示意图。 [0017] 图4是本发明的二维法向调整单元、外支撑圈等的三维结构示意图。 [0018] 图5是本发明的压紧单元中的压紧头示意图。 [0019] 图6是本发明的压紧单元中的支撑架示意图。