一种飞机装配制孔的末端执行器及其使用方法技术

本发明专利技术涉及一种与工业机械臂结合的飞机装配制孔的末端执行器，该末端执行器包括主轴-进给模块、双偏心盘调姿模块、吸屑压紧模块、法向检测模块和视觉检测模块。主轴-进给模块包括主轴电机、进给电机、滚珠丝杠和钻头等，实现钻孔功能。双偏心盘调姿模块包括调姿电机、大小偏心盘等，实现调整钻头姿态功能。吸屑压紧模块包括压紧气缸和压紧头等，实现压紧工件和吸取钻削碎屑功能。法向检测模块包括激光传感器等，实现计算制孔点处的法线方向功能。视觉检测模块包括工业相机等，实现实时显示制孔效果功能。本发明专利技术末端执行器与工业机械臂结合，可以实现制孔时孔的垂直度误差小于0.5°，制孔效率达到5~6个/分钟。不仅提高了飞机装配的制孔质量，同时也大大减少了人工劳动力。

【技术实现步骤摘要】
一种飞机装配制孔的末端执行器及其使用方法
本专利技术涉及涉及一种与工业机械臂结合使用的制孔末端执行器，尤其是一种适用于飞机装配制孔的末端执行器。
技术介绍
据报道，国外飞机装配过程中，因钻孔加工缺陷而导致报废的碳纤维复合材料零件数量占全部报废零件的60％以上。碳纤维复合材料加工表面一旦出现撕裂和分层等严重缺陷几乎无法修复和挽回。波音公司对钛合金螺栓试验表明，当紧固件沿外载荷作用方向倾斜大于2°时，疲劳寿命降低约47％，倾斜大于5°时，疲劳寿命降低95％。飞机制造过程中装配劳动量约占整个飞机制造劳动量的40％～50％。在飞机装配中，铆接仍然是应用最广泛的连接方式，而铆接的第一步工艺就是钻孔，孔在铆缝中的分布、孔的尺寸和孔壁质量，对铆缝的强度指标和加工工时影响很大。据统计，一架大型飞机上大约有150～200万个联接孔，飞机所承载荷通过连接部位传递，形成连接处应力集中。据统计，飞机机体疲劳失效事故的70％是源于结构联接部位，其中80％的疲劳裂纹产生于联接孔处，因此连接的质量极大地影响着飞机的寿命，而传统的手工铆接不仅效率低、工人劳动强度大，而且难以保证制孔质量，在飞机的装配过程中会导致机构联接的不稳定。因此，世界著名航空公司波音、空客都在研发机器人钻孔技术，并已在飞机装配中得到了一些应用。现有的机器人制孔系统主要可分为工业机器人制孔系统、爬壁机器人制孔系统和柔性轨道机器人制孔系统。作为机器人制孔系统中的关键部件之一，末端执行器的设计对制孔质量有着举足轻重的作用。为了实现现代飞机的安全性、经济性、舒适性和环保性，末端执行器的轻量化、模块化、高可靠性和绿色制造是在设计末端执行器时着重强调的。
技术实现思路
针对目前飞机装配制孔中存在的上述现有技术问题的现状，本专利技术的目的是提供一种与工业机器人结合使用的多功能制孔末端执行器，该末端执行器能够实现加工件表面法线检测、钻头姿态调整、吸屑压紧、视觉检测和旋转-进给，实现高精度、高效率、自动化和绿色化制孔的目的。本专利技术可以通过以下技术方案实现.。一种飞机装配制孔的末端执行器：主轴-进给模块、双偏心盘调姿模块、吸屑压紧模块、法向检测模块和视觉检测模块。所述的主轴-进给模块包括：主轴电机、进给电机、传动带、带轮、滚动轴承、滚珠丝杠、滚珠丝杠螺母、滚珠丝杠上固定座、滚珠丝杠下固定座、主轴电机支撑板、轴承端盖、进给电机固定架、传动轴套、钻卡头、钻头、尾轴、钢珠、光轴和无油衬套；该进给电机通过进给电机固定架固定在滚珠丝杠上固定座上；第一滚动轴承和第二滚动轴承、第三滚动主轴承和第四滚动轴承分别安装在滚珠丝杠的两端，轴承端盖分别将滚珠丝杠的两端固定在滚珠丝杠上固定座和滚珠丝杠下固定座上，防止轴承的轴向窜动；光轴的两端通过螺钉固定在滚珠丝杠上固定座和滚珠丝杠下固定座上，对滚珠丝杠上固定座和滚珠丝杠下固定座起到固定作用；主轴电机通过主轴电机支撑板与滚珠丝杠螺母、光轴相连，滚珠丝杠螺母将旋转运动转化为直线运动，光轴起到导向作用；主轴电机支撑板穿过无油衬套，沿光轴滑动；第一带轮安装在进给电机的输出轴上，第二带轮安装在滚珠丝杠上，传动带绕在带轮上，进给电机通过传动带，将旋转运动传递给滚珠丝杠；滚珠丝杠螺母与滚珠丝杠配合，将滚珠丝杠的旋转运动转换为主轴电机的直线运动；传动轴套安装在主轴电机的输出轴上，钻卡头安装在传动轴套上，钻头装在钻卡头上，这样主轴电机的旋转运动传递都钻头上；钢珠安装在滚珠丝杠下固定座上，尾轴安装在滚珠丝杠上固定座上，钢珠和尾轴分别与双偏心盘调姿模块配合，实现调姿功能。所述双偏心盘调姿模块包括：大偏心盘、小偏心盘、调姿电机、小齿轮、大齿轮、薄壁轴承、轴承、薄壁轴承固定圈、轴承固定圈、球铰、球铰固定壳、上支撑座、下支撑座、下封盖、支撑板和固定环；球铰安装在小偏心盘的偏轴心上；小偏心盘通过轴承安装在大偏心盘的偏轴心上，轴承固定圈固定轴承的一个轴向移动；大偏心盘通过薄壁轴承安装在上支撑座上，薄壁轴承固定圈固定薄壁轴承的一个轴向移动；大齿轮和小齿轮分别安装在调姿电机的输出轴上，大齿轮和小齿轮分别与小偏心盘和上支撑座构成齿轮啮合；调姿电机安装在大偏心盘上；下封盖安装在下支撑座上，与主轴-进给模块配合，实现调姿功能；支撑板与上支撑座和下支撑座固连，与工业机械臂法兰盘相连。所述吸屑压紧模块包括：压紧头、压紧气缸、无油衬套、气缸连杆、压紧筒、连接板和无油衬套挡环；压紧气缸安装在连接板上；压紧头安装在压紧筒上；气缸连杆分别将压紧气缸与压紧筒相连；无油衬套挡环安装在连接板上，无油衬套安装在无油衬套挡环内部。所述法向检测模块包括激光传感器和传感器座。传感器座均布在吸屑压紧模块的连接板上；激光传感器分别安装在传感器座上。所述视觉检测模块包括工业相机、镜头和相机固定板；相机固定板安装在双偏心盘调姿模块的滚珠丝杠上固定座上；镜头安装在工业相机上；工业相机安装在相机固定板上。本专利技术进一步提出一种飞机装配制孔的末端执行器及其使用方法，上述第二调姿电机203B输出轴上的小齿轮204与上支撑座212内壁上齿圈构成内啮合齿轮副，上支撑座212固定不动，当第二调姿电机203B转动时，即可带动大偏心盘201在上支撑座212内转动；第一调姿电机203A输出轴上的大齿轮205与小偏心盘202下端的齿轮都成外啮合齿轮副，当第一调姿电机203A转动时，即可带动小偏心盘202在大偏心盘201内转动；双偏心盘调姿机构可以实现5°以内的姿态调整，调整误差小于0.5°；主轴-进给模块1的尾轴116穿过球铰210的中心，当大偏心盘201与小偏心盘202在调姿电机203A～B的驱动下转动时，即可实现主轴-进给模块1的姿态调整。当双偏心盘调姿模块2完成调姿功能之后，气缸302A～B同时进气，在气压的作用下，气缸连杆304A～B带动压紧筒305同时向下运动，使压紧筒305压到工件表面，实现对工件的压紧，防止制孔时工件的振动；完成压紧之后，主轴-进给模块1实现钻头的旋转与进给，完成制孔；在制孔过程中，吸屑装置将碎屑从吸屑口吸走，防止碎屑划伤孔表面。当所述末端执行器移动到工件表面附近时，激光传感器401A～D发射激光，计算出每个传感器距离工件表面的距离，将该距离值反馈给控制系统，计算出制孔点处的法线矢量，根据法向矢量与钻头轴线之间的夹角，计算出调姿电机203A～B各自转过的角度，将该角度反馈给控制系统，使调姿调姿电机203A～B旋转相应角度，使钻头轴线与制孔点处法线矢量重合，完成调姿功能。本专利技术存在以下优点：(1)轻量化。为了减轻末端执行器的重量，该末端执行器50％的材料是钛合金，与传统钢结构的末端执行器相比，质量降低30％。(2)模块化。各个模块标准化设计，各个模块提供模块化接口，便于与其他模块连接与通信，方便更换损坏的模块，降低生产成本与维护成本。(3)智能化。目前国内制孔末端执行器很少有对钻头姿态进行微调的功能，该末端执行器包含激光检测加工件表面法线模块和双偏心盘姿态调整模块，二者共同完成对钻头的姿态调整，保证孔的垂直度。(4)绿色化。该末端执行器没有采用冷却液冷却钻头，而是通过智能控制钻削参数，研究制孔工艺，实现高精度制孔。该末端执行器安装在工业机械臂末端法兰盘上，将靶点置于钻孔点，激光跟踪仪测得靶点三维坐标，通过坐标变换，将靶点位置本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种飞机装配制孔的末端执行器，其特征在于：该末端执行器包括主轴‑进给模块（1）、双偏心盘调姿模块（2）、吸屑压紧模块（3）、法向检测模块（4）和视觉检测模块（5）；所述的主轴‑进给模块（1）包括：主轴电机（101）、进给电机（102）、传动带（103）、带轮（104A~B）、滚动轴承（105A~D）、滚珠丝杠（106）、滚珠丝杠螺母（107）、滚珠丝杠上固定座（108）、滚珠丝杠下固定座（109）、主轴电机支撑板（110）、轴承端盖（111A~B）、进给电机固定架（112）、传动轴套（113）、钻卡头（114）、钻头（115）、尾轴（116）、钢珠（117A~E）、光轴（118A~B）和无油衬套（119A~B）；进给电机（102）通过进给电机固定架（112）固定在滚珠丝杠上固定座（108）上；第一滚动轴承（105A）和第二滚动轴承（105B）、第三滚动主轴承（105C）和第四滚动轴承（105D）分别安装在滚珠丝杠（106）的两端，轴承端盖（111A~B）分别将滚珠丝杠（106）的两端固定在滚珠丝杠上固定座（108）和滚珠丝杠下固定座（109）上；光轴（118A~B）的两端通过螺钉固定在滚珠丝杠上固定座（108）和滚珠丝杠下固定座（109）上，对滚珠丝杠上固定座（108）和滚珠丝杠下固定座（109）起到固定作用；主轴电机（101）通过主轴电机支撑板（110）与滚珠丝杠螺母（107）、光轴（118A~B）相连，滚珠丝杠螺母（107）将旋转运动转化为直线运动，光轴（118A~B）起到导向作用；主轴电机支撑板（110）穿过无油衬套（119A~B），沿光轴（118A~B）滑动；第一带轮（104A）安装在进给电机（102）的输出轴上，第二带轮（104B）安装在滚珠丝杠（106）上，传动带（103）绕在带轮（104A~B）上，进给电机（102）通过传动带（103），将旋转运动传递给滚珠丝杠（106）；滚珠丝杠螺母（107）与滚珠丝杠（106）配合，将滚珠丝杠（106）的旋转运动转换为主轴电机（101）的直线运动；传动轴套（113）安装在主轴电机（101）的输出轴上，钻卡头（114）安装在传动轴套（113）上，钻头（115）装在钻卡头（114）上，这样主轴电机（101）的旋转运动传递到钻头（115）上；钢珠（117A~E）安装在滚珠丝杠下固定座（109）上，尾轴（116）安装在滚珠丝杠上固定座（108）上，钢珠（117A~E）和尾轴（116）分别与双偏心盘调姿模块（2）配合，实现调姿功能；所述双偏心盘调姿模块（2）包括：大偏心盘（201）、小偏心盘（202）、调姿电机（203A~B）、小齿轮（204）、大齿轮（205）、薄壁轴承（206）、轴承（207）、薄壁轴承固定圈（208）、轴承固定圈（209）、球铰（210）、球铰固定壳（211）、上支撑座（212）、下支撑座（213）、下封盖（214）、支撑板（215）和固定环（216A~B）；球铰（210）安装在小偏心盘（202）的偏轴心上；小偏心盘（202）通过轴承（207）安装在大偏心盘（201）的偏轴心上，轴承固定圈（209）固定轴承（207）的一个轴向移动；大偏心盘（201）通过薄壁轴承（206）安装在上支撑座（212）上，薄壁轴承固定圈（208）固定薄壁轴承（206）的一个轴向移动；大齿轮（205）和小齿轮（204）分别安装在调姿电机（203A~B）的输出轴上，大齿轮（205）和小齿轮（204）分别与小偏心盘（202）和上支撑座（212）构成齿轮啮合；调姿电机（203A~B）安装在大偏心盘（201）上；下封盖（214）安装在下支撑座（213）上，与主轴‑进给模块（1）配合，实现调姿功能；支撑板（215）通过固定环（216A~B）分别与上支撑座（212）和下支撑座（213）固连，与工业机械臂法兰盘相连；所述吸屑压紧模块（3）包括：压紧头（301）、压紧气缸（302A~B）、无油衬套（303）、气缸连杆（304A~B）、压紧筒（305）、连接板（306）和无油衬套挡环（307）；压紧气缸（302A~B）安装在连接板（306）上；压紧头（301）安装在压紧筒（305）上；气缸连杆（304A~B）分别将压紧气缸（302A~B）与压紧筒（305）相连；无油衬套挡环（307）安装在连接板（306）上，无油衬套（303）安装在无油衬套挡环（307）内部；所述法向检测模块（4）包括激光传感器（401A~D）和传感器座（402A~D）；传感器座（402A~D）均布在吸屑压紧模块（3）的连接板（306）上；激光传感器（401A~D）分别安装在传感器座（402A~D）上；所述视觉检测模块（5）包括工业相机（501）、镜头（502）和相机固定板（503）；    相机固定板（503）安装在双偏心盘调姿模块（2）...

【技术特征摘要】
1.一种飞机装配制孔的末端执行器，该末端执行器包括主轴-进给模块（1）、双偏心盘调姿模块（2）、吸屑压紧模块（3）、法向检测模块（4）和视觉检测模块（5）；所述双偏心盘调姿模块（2）包括：大偏心盘（201）、小偏心盘（202）、调姿电机（203A~B）、小齿轮（204）、大齿轮（205）、薄壁轴承（206）、轴承（207）、薄壁轴承固定圈（208）、轴承固定圈（209）、球铰（210）、球铰固定壳（211）、上支撑座（212）、下支撑座（213）、下封盖（214）、支撑板（215）和固定环（216A~B）；球铰（210）安装在小偏心盘（202）的偏轴心上；小偏心盘（202）通过轴承（207）安装在大偏心盘（201）的偏轴心上，轴承固定圈（209）固定轴承（207）的一个轴向移动；大偏心盘（201）通过薄壁轴承（206）安装在上支撑座（212）上，薄壁轴承固定圈（208）固定薄壁轴承（206）的一个轴向移动；大齿轮（205）和小齿轮（204）分别安装在调姿电机（203A~B）的输出轴上，大齿轮（205）和小齿轮（204）分别与小偏心盘（202）和上支撑座（212）构成齿轮啮合；调姿电机（203A~B）安装在大偏心盘（201）上；下封盖（214）安装在下支撑座（213）上，与主轴-进给模块（1）配合，实现调姿功能；支撑板（215）通过固定环（216A~B）分别与上支撑座（212）和下支撑座（213）固连，与工业机械臂法兰盘相连；其特征在于：所述的主轴-进给模块（1）包括：主轴电机（101）、进给电机（102）、传动带（103）、带轮（104A~B）、滚动轴承（105A~D）、滚珠丝杠（106）、滚珠丝杠螺母（107）、滚珠丝杠上固定座（108）、滚珠丝杠下固定座（109）、主轴电机支撑板（110）、轴承端盖（111A~B）、进给电机固定架（112）、传动轴套（113）、钻卡头（114）、钻头（115）、尾轴（116）、钢珠（117A~E）、光轴（118A~B）和无油衬套（119A~B）；进给电机（102）通过进给电机固定架（112）固定在滚珠丝杠上固定座（108）上；第一滚动轴承（105A）和第二滚动轴承（105B）、第三滚动主轴承（105C）和第四滚动轴承（105D）分别安装在滚珠丝杠（106）的两端，轴承端盖（111A~B）分别将滚珠丝杠（106）的两端固定在滚珠丝杠上固定座（108）和滚珠丝杠下固定座（109）上；光轴（118A~B）的两端通过螺钉固定在滚珠丝杠上固定座（108）和滚珠丝杠下固定座（109）上，对滚珠丝杠上固定座（108）和滚珠丝杠下固定座（109）起到固定作用；主轴电机（101）通过主轴电机支撑板（110）与滚珠丝杠螺母（107）、光轴（118A~B）相连，滚珠丝杠螺母（107）将旋转运动转化为直线运动，光轴（118A~B）起到导向作用；主轴电机支撑板（110）穿过无油衬套（119A~B），沿光轴（11...

【专利技术属性】
技术研发人员：袁培江，沈立恒，王启申，薛雷，汪承坤，宋博，
申请(专利权)人：上海飞机制造有限公司，
类型：发明
国别省市：上海;31