机器人末端制孔执行器的制造方法
【专利摘要】本实用新型公开的一种工业机器人末端制孔执行器，包括通过支架连接板（15）相连主轴单元（2）的压紧单元（1）制孔执行器、检测单元和支承单元，主轴单元固联在进给单元（3）的台板（25）上。检测单元（5）采用至少三个以45°角等分均布于传感器支座（14）圆周上的线性位移传感器或个激光位移传感器，且每个位移传感器均在径向上朝着同轴装配在传感器支座中心圆孔的压头支座（12），其中心线相交于压头支座的中心点，配合工艺规划仿真软件和视觉系统对末端制孔执行器钻头的旋转及工件的垂直进给实时进行法向检测，调整钻头与工件相对姿态的垂直度，保证钻头和工件的垂直。利用本实用新型能够提高制孔效率和精度，可改善制孔质量，减少工人重复劳动。
【专利说明】机器人末端制孔执行器
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种主要用于工业机器人自动制孔系统的自动化制孔末端执行器。
【背景技术】
[0002]传统的人工钻孔，工作量大，过程枯燥，钻孔的效率低，孔的精度和质量难以保证一致性，批量化生产人力和物力成本高。目前的自动钻铆机受制于自身的结构形式:全作间的高精度造就了设备的大型化、高刚性，但存在质量大、设备笨重、用途太专一的缺点。自动钻铆机最显著的特点就是体积庞大、造价昂贵、维护困难，并且需要配套固定型架或自动托架，其投资也是巨大的。进入20世纪90年代后，飞机制造行业对飞机装配技术提出了高质量、高速度、低成本的生产要求，飞机柔性装配技术得到了极大的发展.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。在一架大型飞机上，大约有150-300万个连接件，而这些连接孔的质量严重制约着飞机的使用寿命。目前这些连接孔主要采用工人手工制孔，劳动环境恶劣，劳动强度大，更重要的是很难保证连接孔的质量。目前能够快速高效的完成工艺规划、夹紧、钻孔、锪窝、去毛刺等操作的工业机器人自动制孔系统解决方案，主要包括工业机器人单元、末端制孔执行器单元、上位机控制单元以及工艺规划仿真软件单元。机器人制孔系统一般采取工件不动、机器人移动的方式。机器人自动制孔系统的工作分工由机器人完成末端执行器的精确定位和定姿，由末端执行器完成钻头的旋转及进给，由监测及标定系统对加工过程及定位精度进行实时测量，整个系统由中央控制器控制工艺顺序，跟踪数据(如刀具寿命和孔径)。末端执行器与传统的数控机床上的动力头相比，最大优势在于它具有压紧装置和实时力反馈装置；其次在于它的独立性和通用性:独立性表现在它本身就是个小型的制孔装置，利用它可进行一些切削实验；通用性表现在它可以配合不同的移动平台构成钻削系统。机器人自动制孔系统的关键技术包括:压紧力的设定。钻削开始之前，机器人将末端控制器上的钻头移动到预定位置和姿态，由末端执行器的压紧装置与被加工工件接触，并施加一定压紧力。压紧力的主要作用包括:一是补偿重力对末端执行器角度造成的影响；二是消除叠层材料层与层间的间隙，防止层间毛刺的进入；三是使结构紧凑，增加系统的动态刚度。目前，正在应用的机器人自动制孔系统，其压紧力和钻削力是耦合的，这样的设计使得压脚上的力随切削力的增大而减小，而作用在机器人上的力始终是压紧力，使得机器人在钻孔时不用承受动态的力，而只承受一个静态的力，这种设计应保证压紧力大于切削力，以保证系统的稳定性和孔的质量。但这种设计也存在一个缺点，会造成工件的变形。原因是在钻孔前必须先压紧，而此时作用在工件上的力很大。如何解决这一问题，是一个难题。由于被加工件多是大型曲面，在到达指定位置后，需要调整钻头与工件的相对姿态，保证钻头和工件的垂直。目前一般采用4个线性位移传感器(LVDT)或4个激光位移传感器来调整钻头和工件的垂直。如何利用视觉系统或较少的位移传感器进行钻头的调姿，调整刀具和工件表面的垂直度是降低成本，提高效率值得深入探讨的关键技术之一。制孔的位置精度即法线精度受到机器人运动学模型、负载、安装方式、刚度、末端执行器的机械间隙、刀具的磨损、热效应等因素的影响。如何采用检测、标定、补偿的方式，提高机器人自动制孔的位置及姿态精度也是制约制孔质量的关键问题。
[0003]飞机的壁板、尾翼、垂翼、舵板等均是复杂曲面，对这些工件进行钻孔、铆接、焊接、切割、涂料等加工操作时，必须要求工件表面与加工工具(钻头、焊枪、激光器等)垂直。有2种方法可实现这种相对位姿的调整:一种是将工件固定不动，将加工工具安装在工业机器人上，通过工业机器人的大范围运动调整加工工具的位置与姿态，使之与被加工工件表面垂直；第二种方法是将被加工工件安装在工业机械臂上，由机械臂调整被加工工件的位置及姿态，而加工工具可以采用传统的机床进行。这种加工系统可实现多工艺自动化，被称之为机器人柔性平台。由于机器人配备了测量设备，可实时确定夹具和工件的位姿，夹具几何结构的改变可在生产过程中被实时确定，避免了定期将夹具从生产过程中取出，因此可实现多过程自动化，缩短制品的生产周期。
[0004]中国专利号CN101417348A公开的一种钻孔末端执行器，由于该钻孔末端执行器不具备法向找正功能，不能保证钻孔的高精度。该末端执行器压力驱动部分独立进给，导致末端执行器工作时给工件的综合压力变大。
【发明内容】
[0005]本实用新型的目的是针对现有技术存在的不足之处，提供一种具备法向找正功能，能够提高制孔效率和精度，改善制孔质量，减少工人重复劳动，工业机器人用的自动化制孔末端执行器。
[0006]本实用新型本实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是，一种工业机器人末端制孔执行器，主要包括通过支架连接板15相连主轴单元2的压紧单元I制孔执行器、进给单元、检测单元和支承单元，主轴单元2固联在进给单元3的台板25上，进给单元3通过二级滑台相连支承单元4，其特征在于，检测单元5采用至少三个以45°角等分均布于传感器支座14圆周上的线性位移传感器(LVDT)或个激光位移传感器，且每个位移传感器均在径向上朝着同轴装配在传感器支座14中心圆孔的压头支座12，其中心线相交于压头支座12的中心点，配合工艺规划仿真软件和视觉系统对末端制孔执行器钻头的旋转及工件的垂直进给实时进行法向检测，调整钻头与工件相对姿态的垂直度，保证钻头和工件的垂直。
[0007]本实用新型技术相比于现有技术具有如下有益效果。
[0008]本实用新型以45°角等分均布于传感器支座14圆周上的线性位移传感器(LVDT)或激光位移传感器，通过工艺规划仿真软件配合视觉系统对末端制孔执行器钻头的旋转及工件的垂直进给实时进行法向检测，能够有效保证钻头和工件的位置精度和垂直度，法向测量精度:优于0.15° ;满足飞机装配制孔法向精度要求，锪窝深度精度:±0.05mm ;满足铆接凹凸量精度控制要求。进给单元3通过二级滑台相连支承单元4，稳定的机械机构能够保证连接孔的圆度，夹紧力:10 -1OOKgf ;提高制孔质量，减少材料夹层粉尘，提高系统工作刚性。末端制孔执行器上的压紧装置能够避免夹层之间的毛刺与切屑，而自动除毛刺装置则能有效去除连接孔进口和出口两侧的毛刺。主轴单元实现了切削功能以及切削速度可调，进给单元实现了钻头的进给以及进给速度可调，支承单元保证了末端执行器整体的刚度，检测单元实现了法向检测。工艺规划仿真软定位精度补偿技术，使得机器人可以作为一种灵活的柔性平台，配合本实用新型的末端执行器，可以构成一种高效的柔性制孔系统，从而提高制孔的效率和精度，改善制孔的质量，减少工人的重复劳动。本实用新型中采用双导轨四滑台的形式，传递稳定。
【专利附图】
【附图说明】
[0009]下面结合附图对本实用新型做进一步详细说明。
[0010]图1是本实用新型工业机器人末端制孔执行器构造示意图。
[0011]图2是图1的压紧单元分解图。
[0012]图3是图1的一级滑台组件构造示意图。
[0013]图4是图1的二级滑台组件构造示意图。
[0014]图中:1.压紧单元，2.主轴单元，3.进给单元，4支承单元，5检测单元，11.弹性垫圈，12.压头支座，14.传感器支座，15.支架连接板，21.螺母，22.气缸推板，23.气缸支座，24.气缸，25.台板，28.下底座，29.连接板，30.滚珠丝杆，31.轴承座，32.A轴承36.B轴承，38.电机支座，39.联轴器，131.A传感器，132.B传感器，133.C传感器，134.D传感器。161.左支架，162.右支架，261.A垫板，262.A垫板，263.C垫板，264.D垫板，271.A导轨，272.B导轨，331.螺母座，332.螺母座垫板，341.A挡块，342.B挡块，351.A撞块，352.B撞块，371.C导轨，372.D导轨，310.伺服电机。
【具体实施方式】
[0015]参阅图1。通过沉头螺钉，采用连接板29与机器人法兰盘连接的机器人末端执行器由通过支架连接板15相连主轴单元2的压紧单元I制孔执行器、进给单元3和支承单元4组成。末端执行器下底座28与连接板29用螺钉连接。主轴单元2固联在进给单元3的台板25上，进给单元3通过二级滑台相连支承单元4。压紧单元包括弹性垫圈、压头支座、传感器支座，连接板、左支架、右支架，激光位移传感器；主轴单元包括电主轴，弹簧夹头刀柄及刀具；进给单元包括丝杆螺母副，直线导轨，伺服电机及驱动，联轴器，螺母座，上台板；支承单元包括下底座，上底座，气缸支座，伺服电机支座，电机主轴支座；检测单元包括四个位移传感器和传感器支座。进给单元3通过二级滑台相连支承单元4。支承单元4)包括:下底座28、推板22、气缸支座23、A导轨271、B导轨272、上底座311、电机支座310、C导轨371、D导轨372、左支架161、右支架162。A导轨271、B导轨272分别安装在下底座28两侦牝在A导轨271、B导轨272上分别安装有A垫板261、B垫板262、C垫板263、D垫板264 ；C导轨371、D导轨372分别安装在上底座311的两侧，导轨滑块与台板25采用螺钉安装在一起。左支架161、右支架162分别安装在上底座311的两侧。
[0016]末端执行器具备法向检测组件。二级滑台包括压力脚通过气缸传动，压力脚驱动滑台与主轴进给滑台在机械传动上相关联的一级滑台组件和二级滑台组件。
[0017]参阅图2。压紧单元I包括，镶嵌在台阶轴圆柱体压头支座12钻头夹紧孔内的弹性垫圈11、通过螺纹连接压头支座(12的传感器支座(14，通过螺钉连接连接在左支架161和右支架162之间的支架连接板15。弹性垫圈11与压头支座12安装在一起，制有法兰盘的压头支座(12通过传感器支座(14的中心孔固联在支架连接板15上，并与位于支架连接板15后端的主轴单元2主轴相连。采用三个或四个，以45°角等分均布于传感器支座14圆周上的线性位移传感器LVDT或个激光位移传感器的检测单元5固联在传感器支座(14以45°角等分均布的倾斜凹槽中，A传感器131、B传感器132、C传感器133和D传感器134，由紧定螺钉在45°角方向进行定位。A传感器131、B传感器132、C传感器133和D传感器134倾斜45°均布安装于传感器支座14。每个位移传感器均在径向上朝着同轴装配在传感器支座14中心圆孔的压头支座12，其中心线相交于压头支座12的中心点，配合工艺规划仿真软件和视觉系统对末端制孔执行器钻头的旋转及工件的垂直进给实时进行法向检测，调整钻头与工件相对姿态的垂直度，保证钻头和工件的垂直。
[0018]参阅图3。一级滑台组件气缸推板22通过气缸支座23固联于下底座28的中心纵向槽中，气缸推板22固联二级滑台组件上底座311，气缸24推动气缸推板22驱动压紧单元I和主轴单元3进给，一起做直线运动。一级滑台组件包括固联在连接板29上的下底座28，固联在下底座28两侧凸台上的滚动A导轨271、B滚动导轨272和其上通过A垫板
261、B垫板262、C垫板263、D垫板264固联在一起的台板25，以及通过螺母21连接在气缸推板22相连气缸24的气缸支座23。连接板29通过螺钉固定在下底座28的下表面上。A导轨271、B导轨272分别安装在下底座28两侧，在滑台上安装垫板a垫板261、b垫板
262、c垫板263、d垫板264，为了避免气缸24截面尺寸大，防避气缸24与台板25干涉，在台板25与导轨之间安装装配有垫板，以保证末端执行器整个动力部分的水平度。气缸24与气缸支座23固定安装在下底座28上，气缸推板22与上底座311固联，使得气缸24推动气缸推板22从而驱动压紧部分I和主轴进给部分3 —起做直线运动。
[0019]参阅图4。二级滑台组件包括分别固联在上底座311中心纵向凹槽两侧的滚动导轨C371、滚动导轨D372，固联于底座311电机支座38，依次通过联轴套39、B轴承36、螺母座垫板332、螺母座331和轴承支座32装配连接的滚珠丝杆副30，以及通过转轴相连滚珠丝杆副30的伺服电机310。在所述轴承支座32的后端有分别控制主轴单元进给行程的左极限挡块A341和左撞块A351。在所述螺母座331后端设有起控制主轴单元进给行程的右极限挡块B342和右撞块B352。滚珠丝杆副30在伺服电机310的驱动下，使与电主轴连接的钻头刀具实现进给运动，其进给速度由伺服驱动控制调节，主轴单元进给行程由A极限挡块341和B极限挡块342分别控制，而撞块A351和B352则起到保护的作用。可以利用法向姿态调整算法软件，确定一个空间不共面四点与之相切的球面，求出该球面的半径及球心位置，以该球面近似代表制孔点区域的曲面，联结制孔点与该球面球心的矢量即可近似代表制孔点曲面的法矢量.根据这一原理首先用4个位移传感器测量出曲面上制孔区域内4个点的坐标，并由此计算出制孔位置的法向矢量，然后计算出此法向矢量与末端执行器上电主轴的轴线矢量的误差.根据该误差，进一步计算出末端执行器上2个旋转轴的旋转角度及制孔机器人另外3个直线移动方向的移动距离，从而实现调整主轴在制孔点与曲面垂直的功能。机器人准确制孔系统的路径规划算法，可以采用刚体位姿变换理论、机器人轨迹规划工业机器人路径插补算法、机器人逆向运动学、机器人关节轨迹规划)等，给出激光跟踪仪测量方案及刚体位姿调整算法，其次利用激光跟踪仪和基于奇异值分解的最小二乘拟合算法等相关数学知识对机器人准确制孔系统中工业机器人坐标系(世界坐标系、靶标工具坐标系、BASE坐标系、工件坐标系)、自动进给钻工具坐标系进行构建与标定，改进坐标系建立的效率，而且精度较人工方法也有很大的提高。机器人准确制孔实验过程，主要包括基于激光跟踪仪的机器人圆弧制孔误差补偿实验、基于激光跟踪仪的平板制孔实验，采用激光跟踪仪补偿误差调整工业机器人位姿，以提高工业机器人的定位精度和准确制孔的精度。2种类型曲面的仿真结果表明，根据该算法软件可以实现较高的调整精度和效率。
【权利要求】
1.一种工业机器人末端制孔执行器，主要包括通过支架连接板(15)相连主轴单元(2)的压紧单元(1)制孔执行器、进给单元、检测单元和支承单元，主轴单元(2)固联在进给单元(3)的台板(25)上，进给单元(3)通过二级滑台相连支承单元(4)，其特征在于，检测单元(5)采用至少三个以45°角等分均布于传感器支座(14)圆周上的线性位移传感器(LVDT)或激光位移传感器，且每个位移传感器均在径向上朝着同轴装配在传感器支座(14)中心圆孔的压头支座(12)，其中心线相交于压头支座(12)的中心点。
2.如权利要求1所述的工业机器人末端制孔执行器，其特征在于，压紧单元(1)包括，镶嵌在台阶轴圆柱体压头支座(12)钻头夹紧孔内的弹性垫圈(11)、通过螺纹连接压头支座(12)的传感器支座(14)，通过螺钉连接连接在左支架(161)和右支架(162)之间的支架连接板(15)。
3.如权利要求1所述的工业机器人末端制孔执行器，其特征在于，制有法兰盘的压头支座(12)通过传感器支座(14)的中心孔固联在支架连接板(15)上，并与位于支架连接板(15)后端的主轴单元(2)主轴相连。
4.如权利要求1所述的工业机器人末端制孔执行器，其特征在于，采用三个或四个，以45°角等分均布于传感器支座(14)圆周上的线性位移传感器(LVDT)或激光位移传感器的检测单元(5)固联在传感器支座(14)以45°角等分均布的倾斜凹槽中，A传感器(131)、B传感器(132)、C传感器(133)和D传感器(134)，由紧定螺钉在45°角方向进行定位。
5.如权利要求1所述的工业机器人末端制孔执行器，其特征在于，二级滑台包括压力脚通过气缸传动，压力脚驱动滑台与主轴进给滑台在机械传动上相关联的一级滑台组件和二级滑台组件。
6.如权利要求1所述的工业机器人末端制孔执行器，其特征在于，一级滑台组件包括固联在连接板(29)上的下底座(28)，固联在下底座(28)两侧凸台上的滚动A导轨(271)、B滚动导轨(272)和其上通过A垫板(261)、B垫板(262)、C垫板(263)』垫板(264)固联在一起的台板(25)，以及通过螺母(21)连接在气缸推板(22)相连气缸(24)的气缸支座(23)。
7.如权利要求6所述的工业机器人末端制孔执行器，其特征在于，一级滑台组件气缸推板(22)通过气缸支座(23)固联于下底座(28)的中心纵向槽中，气缸推板(22)固联二级滑台组件上底座(311)，气缸(24)推动气缸推板(22)驱动压紧单元(1)和主轴单元(3)进给，一起做直线运动。
8.如权利要求1所述的工业机器人末端制孔执行器，其特征在于，在台板(25)与导轨之间安装装配有保证末端执行器动力部分水平度的垫板。
9.如权利要求6所述的工业机器人末端制孔执行器，其特征在于，二级滑台组件包括分别固联在上底座(311)中心纵向凹槽两侧的滚动导轨C(371)、滚动导轨D( 372)，固联于底座(311)电机支座(38)，依次通过联轴套(39)、B轴承(36)、螺母座垫板(332)、螺母座(331)和轴承支座(32)装配连接的滚珠丝杆副(30)，以及通过转轴相连滚珠丝杆副(30)的伺服电机(310)。
10.如权利要求9所述的工业机器人末端制孔执行器，其特征在于，在所述轴承支座(32)的后端有分别控制主轴单元进给行程的左极限挡块A (341)和左撞块A (351)以及在所述螺母座(331)后端设有起控制主轴单元进给行程的右极限挡块B ( 342)和右撞块B (352)。
【文档编号】B25J19/00GK203679343SQ201320812758
【公开日】2014年7月2日 申请日期:2013年12月11日 优先权日:2013年12月11日
【发明者】万世明, 李东明, 廖文和 申请人:成都飞机工业（集团）有限责任公司