一种柔性轨制孔系统末端执行器及制孔方法与流程
一种柔性轨制孔系统末端执行器及制孔方法与流程
本发明涉及航空制造装配领域，提出了一种柔性轨制孔系统末端执行器及其制孔方法。该系统通过并联式结构设计，实现了轻量化和高承载力的双重需求，特别适用于大型飞机蒙皮表面的制孔作业。
背景技术
在大型飞机蒙皮表面制孔时，目前趋势是采用轨道式制孔系统。这种系统通过在飞机蒙皮表面铺设制孔设备的轨道，使得制孔系统吸附在飞机蒙皮表面，完成基准孔识别、定位、制孔和质量检验等动作。这就要求制孔系统必须轻量紧凑，便于搬运。由于末端执行器上还承载了视觉、力等精密传感器，对其强度和刚度也有一定要求。
柔性轨制孔系统能够利用压脚压在产品曲面上，利用机械结构将曲面空间转化为平面空间，便于控制系统进行定位。与传统机器人制孔相比，其体积和重量大大减少，具有一定的便携性，使得单个工位可进行更多的操作。然而，目前柔性轨制孔中所采用的末端执行器都是沿用了机床中的4轴或5轴结构形式，这种末端执行器体积和重量都很大，无法在小面积的机翼薄壁结构上制孔，更换工位也非常困难。因此，需要一种小型轻量化柔性轨制孔系统。
技术实现思路
为了解决上述问题，本发明针对柔性轨制孔末端执行器的轻量化和重承载的需求，设计了并联式制孔系统，在实现相同功能的前提下，极大地降低了制孔末端的重量。
系统组成
一种柔性轨制孔系统末端执行器，包括：
- 一组平行的x向弹性导轨
- x向驱动机构
- 一组平行的y向导轨
- y向驱动机构
- 箱体
- 电主轴
- 电主轴调节装置
- 浮动压头
- 压头调节装置
- 控制系统
- 激光测距仪
- 工业相机
- 力传感器
x向弹性导轨下固定有多个吸盘，吸盘吸附在待制孔的蒙皮表面。一组平行的y向导轨横跨在x向弹性导轨上，每条y向导轨上设置有一个y向驱动机构。箱体为六边形结构，每个面上均设有开口，其两侧的把手卡嵌在y向导轨之间并与导轨上的滑块连接。电主轴调节装置和压头调节装置安装在箱体的开口中，电主轴安装在电主轴调节装置中心，浮动压头安装在压头调节装置底部。浮动压头上装有激光测距仪、工业相机和力传感器。
工业相机通过拍照计算待制孔的产品上基准孔的位置，激光测距仪通过直线距离计算出待制孔的法向方向并反馈给控制系统。控制系统控制电主轴调节装置，通过其上的三个支臂运动机构带动电主轴沿z方向和两个摆角方向运动。控制压头调节装置通过其上的三个压头运动机构带动浮动压头沿产品法向和两个摆角方向运动。控制y向驱动装置带动主框架及其上的电主轴、电主轴调节装置、浮动压头、压头调节装置沿y方向运动。控制x向驱动装置带动y向及其之上的所有部件沿x向运动。浮动压头运动到产品制孔位置后压紧产品，通过浮动压头上的压力传感器反馈压紧力并通过压头调节装置调节。电主轴调节装置带动电主轴运动到与浮动压头相同的位置和方向，进行制孔。
电主轴调节装置
电主轴调节装置包括三个支臂运动机构和主轴套筒。三个支臂运动机构平行于电主轴并分别固定在箱体间隔的开口内。主轴套筒安装在三个支臂运动机构的底部，电主轴安装在主轴套筒内。三个支臂运动机构可沿z方向分别运动，带动主轴套筒沿制孔方向和a、b摆角方向运动。
支臂运动机构包括支臂底座、支臂导轨、支臂丝杆、支臂电机、支臂滑块和球头支杆。支臂底座固定在箱体的开口内，支臂导轨、支臂丝杠和支臂电机安装在支臂底座上。支臂滑块固定在支臂导轨上，支臂电机驱动支臂丝杆并带动支臂滑块运动。球头支杆一端通过铰接形式与支臂滑块相连，一端通过球铰与主轴套筒相连。
压头调节装置
压头调节装置由三个压头运动机构组成，三个压头运动机构平行于电主轴并分别固定在箱体间隔的开口内，其底部连接着浮动压头。三个压头运动机构可沿z方向分别运动，带动浮动压头沿制孔方向和a、b摆角方向运动。
压头运动机构包括压头底座、压头导轨、压头丝杆、压头电机、压头滑块和压头支杆。压头底座固定在箱体的开口内，压头导轨、压头丝杠和压头电机安装在压头底座上。压头滑块固定在压头导轨上，压头电机驱动压头丝杆并带动压头滑块运动。压头支杆一端通过铰接形式与压头滑块相连，一端通过球铰与浮动压头相连。
浮动压头
浮动压头包括鼻头、底板。底板为圆形平板结构，力传感器安装在底板下底面中心，鼻头安装在力传感器上。三个激光测距仪环绕鼻头均布，并标定记录其与鼻头的位置关系。工业相机安装在两个激光测距仪之间。底板上部通过球铰结构与三个压头运动运动机构连接，在其带动下实现平移和旋转运动，带动鼻头至制孔位置并在制孔时压紧产品表面上。力传感器测量压紧力并反馈给控制系统，激光测距仪测量测头到产品表面的距离并换算出鼻头与产品表面的距离后反馈给控制系统。工业相机识别钻制在产品上的基准孔。电主轴上的刀具通过鼻头中央伸出，在产品上完成制孔。
x向驱动机构
x向驱动机构包括齿轮、导轨电机、导轨连板、滑块框、辊子。齿轮与x向弹性导轨上的齿条啮合，导轨电机安装在导轨连板上，导轨连板将两个滑块框连接起来，滑块框与y向导轨连接。两个x向和两个y向导轨形成“回”字形稳定结构。滑块框是“c”型结构，内部固定了四个轴心固定自由旋转的辊子。辊子为圆柱形，中间以梯形截面凹下，形成圆环型燕尾槽。x向弹性导轨穿过该燕尾槽。运动时导轨电机驱动齿轮齿条运动，滑块框沿着x向弹性导轨运动。滑块框和辊子起滑块作用，弹性导轨的侧边起导向作用。滑块框通过嵌合型凹槽接触面和辊子接触并以滚动方式运动，辊子的燕尾槽绕着其轴心转动，并沿着弹性导轨的侧边滚动，其上部的所有结构沿着x向弹性导轨方向运动。
y向驱动机构
y向驱动机构由横向电机、联轴器、支撑板、横向丝杆、滑块螺母、横向底座组成。y向驱动机构整体固定在x向驱动机构的滑块框上，形成分层塔式结构，两个运动轴相互独立运动。滑块框承载着支撑板，丝杆通过轴承固定于支撑板上，横向电机位于导轨端头的电机底座上。运动时电机驱动联轴器，联轴器通过丝杆带动滑块螺母运动，箱体固定在滑块上，带动箱体上的所有结构沿y向运动。
制孔方法
使用该制孔系统末端执行器进行制孔方法，包括如下步骤：
- 在利用柔性轨系统进行制孔前，首先通过吊装或人手工搬运的方式将x弹性导轨摆放在产品曲面上，再通过气动吸附的方式将其固定。
- 制孔系统末端执行器中x弹性导轨上方部分安装在x弹性导轨上，通过控制系统操作末端执行器将浮动压头引导到产品第一个基准孔的位置，启动工业相机拍照并记录该孔在设备坐标系下的坐标o1，并将其作为产品坐标系的原点。再驱动末端执行器运动，将浮动压头引导到产品第二个基准孔的位置，启动工业相机拍照并计录该孔的在设备坐标系下的坐标on。
- 将产品数模内的所有制孔点位向投影平面投影，投影平面选择为制孔区域中央点的切平面，得到所有制孔点在产品坐标系下的平面理论坐标o1、o2、…、on。
- 根据o1和on在设备坐标系及产品坐标系下的坐标计算设备与产品的位置转化关系，计算o2、o3…、on-1在设备坐标系下的坐标，并编制设备控制程序。
- 根据程序开始制孔，控制系统操作末端执行器运动到各个待制孔的位置上方，开启浮动压头上的激光测距仪，测量出测头距离产品表面的距离，反馈给控制系统，控制系统拟合出待制孔点的切平面，计算出待制孔点的法向，并通过压头调节装置将鼻头进给方向调节至与法向一致。驱动浮动压头沿法向压在产品表面上，开启压力传感器调节压力，完成压力调节后，控制系统通过电主轴调节装置驱动电主轴沿产品法向进行制孔。制孔完成后，电主轴和浮动压头装置依次沿原路径收回，末端执行器再沿x向弹性导轨和y向导轨方向运动至下一个孔位继续制孔，依次循环完成制孔。
- 制孔完成后，制孔系统会沿着制孔路径再次运动并在每一个孔位处利用相机拍照进行质量检测，用圆拟合的方式计算各个孔形成的圆的直径，以此计算孔径是否合格。
有益效果
本发明实现了一种针对柔性轨制孔系统的并联式末端执行器。主运动方向由x向弹性导轨和x向驱动机构实现，可以适应不同曲面的产品。制孔系统可以沿着x向弹性导轨运动，并可以在x向弹性导轨之间移动。通过在制孔系统主框架内布置两套并联机构，实现了浮动压头和电主轴的位姿调整。通过在浮动压头组件上布置激光测距仪和工业相机等组件，实现了法向测量和基准孔定位。该制孔系统在紧凑的空间内实现了并联式五自由度运动，刚性强，结构稳定。
与传统制孔结构不同，该制孔系统在制孔过程中，浮动压头和电主轴分开驱动，所需的力和力矩减小，降低了对电机功率和结构强度的要求。在电主轴和浮动压头运动过程中，由三组电机驱动三组机构实现，这种并联式的运动方式进一步减轻了对电机功率和结构强度的要求。由于以上两点原因，与传统制孔机构相比，电机功率和结构强度参数降低为原先的六分之一，这样极大地减少了承力结构尺寸和电机大小，使得结构外形更为小巧紧凑，便于在飞机蒙皮这种不能承受重载的产品上进行作业。
在姿态控制方面，采用并联式移动副-旋转副-球铰方式，在狭小空间内实现了位姿和位置调节。各组件与六边形主框架贴合紧密，安装位置处于开放空间，便于安装与检修。采用了两类支杆组件，其中大部分零组件可以互换使用。在结构受力方面，没有采用传统制孔系统大量使用的悬臂类机构或翻转类机构，防止了系统发生“低头”变形的可能性。系统受力的主方向为重力方向，在该方向上直接由支臂滑块和压头滑块承担，是该零组件的最佳受力方向。在浮动压头的外端面布置了各类传感器，在传感器标定时能够直接对其位置进行微调，且降低对传感器测量距离的性能要求，也便于对各类传感器进行标定。
制孔部分采用特殊的并联式运动副形式和优化的空间结构，形成了轻量化、结构紧凑、功能强大的柔性轨制孔系统，能够满足曲率变化大、精度要求高的曲面产品制孔。