专利名称：法向铆接曲型件的控制方法
技术领域：
本发明涉及航空制造业自动连接装配飞机部件的方法，特别是自动钻铆曲 型件法向铆接的控制方法。
背景技术：
随着现代工程技术、自动化技术、数字制造技术和人工智能技术的日益完 备和发展，自动钻铆技术实现了实质性的突破，已经初步形成了自动化装配系 统。世界各航空工业发达国家均已广泛应用飞机装配中的自动钻铆技术。自动 钻铆系统主要包括自动钻铆机和托架两部分.托架系统用来进行装配件的定位
和夹持；自动钻铆机用于完成制孔、注胶、铆接和紧固件安装等工作。由于军用 飞机和民用飞机在自动连接方面有所不同，军机部件尺寸小且复杂、紧固件种 类多而较难实现自动化装配，因此，自动钻铆机三座标托架系统一般只能实现 平板类组件的自动钻铆。在三座标托架系统中要实现双曲面蒙皮的自动钻铆， 尤其在对飞机蒙皮曲型件进行铆接的过程中，则必须保证铆接点的法线与钻轴 或铆轴的轴线相平行或重合。铆接点相对水平面垂直的法线垂直度直接影响到 产品的质量。由于法线是一条空间直线，没有直接的方法进行检测，因此、只 能通过间接的检测方法来进行测量。在国内还没有能够进行法向检测和自动进 行法向调整控制的悬挂式软连接托架的设备。在进行飞机蒙皮的铆接时都是采 用人工目测来进行法向调整，不仅人力物力浪费大，而且效率低下，质量不稳 定。在法国达索公司有相类似的设备，但该公司的设备也没有自动法向控制功 能。它在设计时虽然考虑了此功能，但在实际应用时不能进行法向控制，或者 是效率特别低，不能满足生产的需要，所以被迫取消了此功能，将其自动控制
改回到人工视觉控制。国外公司只在部件大，紧固件种类少较易实现自动的大 型飞机生产时，才采用特别昂贵和特别复杂的全自动钻铆机进行法向铆接。该 全自动钻铆机是由多台数控自动钻铆机、托架系统配置或由自动钻铆设备和带 视觉系统的机器人、大型龙门机器人、专用柔性工艺装备及坐标测量机等多种 设备、不同配置组成的柔性自动装配系统。对于外形较平直的中小结构的壁板 和双曲面蒙皮中小型零件的自动钻铆大多配置手动、半自动托架系统，全部被 迫采用人工目测控制解决法向铆接问题。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术自动钻铆机在铆接飞机蒙皮曲型件过程中， 人工视觉检测、手动调整控制法线垂直度误差大，效率低下，质量不稳，自动 化程度低的问题，提供一种成本低，效率高，可靠性好，铆接质量稳定的法向 铆接曲型件的控制方法。
本发明实现上述目的技术解决方案可以通过以下措施来达到。 一种法向铆 接曲型件的控制方法，包括如下步骤
l.在位于零件正上方的同一个水平面上，以自动钻铆机的铆轴为对角线中 心设置由四个测量传感器组成的正方形阵列，并以正方形的四个点作为被检测 点的法线垂直测量位置；
2用四个伺服运动部件通过铁链将零件工装悬吊于两侧的三个点上组成悬 挂零件托架，四个传感器分别对应控制所述四个运动部件的升降；
3. 设置四个传感器的测量窗口，并把四个传感器设置为电流输出型；
4. 由数据处理软件根据实际情况，确定理论法向位置时传感器的数值，并 按误差要求计算出对应于传感器测量数值的公差带；
5. 四个传感器把测得的数据反馈给控制系统进行处理，并由数控控制系统 控制运动部件对零件的相应点进行高度调整，直到四点的高度差在允许的范围 内为止，数控控制系统停止调整并发出可铆接信号。
本发明相比于现有技术具有如下有益效果。
根据本发明提供的上述方案设计制造的自动钻铆机托架法向控制系统成本 低，效率高，可靠性好，铆接质量稳定可靠。可以取代人工视觉法向控制，提 高零件的铆接质量和生产效率。主要体现在
(1) 成本低。国外具有自动法向控制功能的钻铆机托架的价值在120万美 元左右/台，而采用本发明上述方案制造的托架具有国外托架的全部功能，且成 本不到80万元人民币。
(2) 法线垂直度误差小，控制精度高、铆接质量稳定可靠、效率高。本发 明采用的三点悬挂零件托架，解决了达索公司现有技术采用四点对称悬挂零件， 在法向调整过程中存在托架重心可能落在托架对角线中心上形成的对角相对平 衡状态，造成法向调整无法完成的问题。在控制软件上采用了与现有技术不同 的算法进行控制，使得设备的反应速度比其它公司的快且控制精度更高。因为 国外相类似的设备采用的是人工视觉来进行手动法向调整，法线垂直度误差 >0.5° ，而理想的误差要求是〈0.25° 。根据本发明设计制造的设备上实测的测 量数据进行计算后得知，所有测量点的法线垂直度误差都〈0. 1° 。 .
(3) 由于采用的是性能可靠，应用广泛的数控系统和传感器，再加上完善 的保护措施，所以整个系统的可靠性很高，铆接的零件质量的一致性好。
下面结合附图和实施例进一步说明本发明，但并不因此将本发明限制在所 述的实施例范围之中。
图1是本发明托架系统中对双曲面蒙皮进行法向自动铆接的安装示意图。 图2是本发明工作系统的控制流程原理方框图。
具体实施例方式
参见图l。由于飞机蒙皮的半径较大，因此在蒙皮较小范围内的弧度变化是 较小的。如果要检测某一点的法线是否垂直，可以用一个平面水平去切以这个 点为中心的边距相等的四个点，如果这四个点刚好在这个水平面上，即这四个 点的高度差为零。就可以认为这个被检测的点的法线在垂直位置，即处于法向 位置。这四个点的边距越小，所得到的精度就越高，但检测和控制就越困难。
在实际应用中，本实施例选择的边距是200X200mm的四个点，在这个距离上两 者得以兼顾。根据以上的理论，采用测量200X200mm边距上的四个点的距离， 把测得的数据反馈给控制系统进行处理，然后数控系统再来控制运动部件对零 件的相应点进行高度调整，直到四点的高度差在允许的范围内为止。其具体的 最佳实施技术方案是
1. 把曲型件，比如双曲面蒙皮零件置于零件工装1上，由四个超声波传感 器S1、 S2、 S3、 S4以自动钻铆机的铆轴为对角线中心，组成一个边长为200mm X200mm的正方形矩阵阵列，并将其安装在位于零件正上方的同一个水平面上， 并以正方形的四个点作为被检测的点的法线垂直测量位置。正方形的中心与自 动钻铆机的铆轴中心基本重合。以上所述的超声波传感器可以选用美国邦纳公 司生产的超小型高精度的超声波传感器。
2. 将作为运动部件的四个伺服电动葫卢Zl、 Z2、 Z3、 Z4，通过五根承重铁 链条2,悬吊于零件工装1两侧的三个点上组成悬挂零件托架，四个传感器Sl、 S2、 S3、 S4分别对应控制四个伺服电动葫芦的升降；四个传感器S1、 S2、 S3、 S4分别对应四个伺服电动葫芦Zl、 Z2、 Z3、 Z4。伺服电动葫芦Z1， Z2分别作 用于零件工装1 一边的两个端点上。在控制运动时，由相邻伺服电动葫芦Zl, Z2的传感器S1、 S2发出信号分别控制伺服电动葫芦Z1、 Z2的上升或下降。伺 服电动葫芦Z3、 Z4通过一个杠杆共同作用于零件工装l的另一边的中点位置。 伺服电动葫芦Z3、 Z4的运动方向受传感器S3、 S4的共同控制，且是同步运动 的。四个伺服电动葫芦通过铁链悬吊于零件工装l上的三个点，实现零件X、 Y、 Z向及法向的自动调整运动。
本发明的另一实施例是，两个伺服电动葫芦Z3、 Z4可以只用一个功率更大 的伺服电动葫芦代替，因此只用三个伺服电动葫芦也能实现三点悬挂控制。上 述实施例在此台设备中选用四个相同的伺服电动葫芦是考虑日后维护的互换 性。
3. 为提高抗干扰的能力，把四个传感器设置为电流输出型，通过示教方式 设置四个传感器的测量窗口，尽量使四个传感器的测量窗口相同，因为它们直
接影响到法向的控制精度。
4.编制数据处理软件，这是法向控制成败的关键。可以选用三菱公司的高 速PLC (可编程序逻辑控制器)作为模数转换和法向数据处理及逻辑控制用。首 先根据实际情况确定理论法向位置时传感器的数值。然后根据误差要求计算出 对应于传感器测量数值的公差带。把理论值加上公差带后得出的数值范围就是 它的控制范围。如果某一个传感器测出的数据大于了公差上限，那么就控制相 应的伺服吊葫芦上升，如果小于公差下限，就使它下降，如果在公差带内，相 应的伺服葫芦就保持不动。直到全部的测量数据都在公差范围内为止。此时系 统就认为四点的高度差约等于零，铆轴正下方那个点己经处于法向位置，数控系 统停止调整并发出可以铆接的信号。为托架及Z向法向控制调整用的数控系统 可以选用FANUC公司的01-MC数控系统。
参见图2。当数控系统接收到法向控制的启动信号时，系统首先检测数据处 理和逻辑判断龟路送来的运动控制信号(即三菱公司高速PLC送来的信号)，系统 根据它送来的信号分别控制四个电机的驱动器驱动四个伺服电动机转动，伺服 电机带动吊葫芦使被铆接零件作上升或下降运动。零件距离的变化被测量系统 检测到，测量系统把距离的变化转化成电信号的变化送给数据处理电路进行数 据的分析计算和逻辑判断，通过逻辑判断得出四个伺服电机的运动方向和速度， 然后把这些方向信号和速度信号传送给数控系统的PMC(机床可编程序控制器)， 数控系统的PMC根据这些信号调整发送给伺服电机驱动器的控制信号控制零件 的运动，直到零件到达法向位置为止。整个控制的关键是数据处理和逻辑判断 部分，这部分的功能是由软件实现的。
以上所述的仅是本发明的优选实施例。应当指出，对于本领域的普通技术 人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以作出若干变形和改进，传感 器的选择可以考虑激光传感器等其它测距传感器，运动部件也可以选用其他电 动吊装装置，这些变更和改变应视为属于本发明的保护范围。
权利要求
1.一种法向铆接曲型件的控制方法，包括如下步骤1).在位于零件正上方的同一个水平面上，以自动钻铆机的铆轴为对角线中心设置由四个测量传感器组成的正方形阵列，并以正方形的四个点作为被检测点的法线垂直测量位置；2).用四个伺服运动部件通过铁链将零件工装悬吊于两侧的三个点上组成悬挂零件托架，四个传感器分别对应控制所述四个运动部件的升降；3).设置四个传感器的测量窗口，并把四个传感器设置为电流输出型；4).由数据处理软件根据实际情况，确定理论法向位置时传感器的数值，并按误差要求计算出对应于传感器测量数值的公差带；5).四个传感器把测得的数据反馈给控制系统进行处理，并由数控控制系统控制运动部件对零件的相应点进行高度调整，直到四点的高度差在允许的范围内为止，数控控制系统停止调整并发出可铆接信号。
2. 根据权利要求1所述的法向铆接曲型件的控制方法，其特征在于所述的 悬挂零件托架包括，通过五根承重铁链条2悬吊于零件工装两侧构成的三点悬 挂。
3. 根据权利要求2所述的法向铆接曲型件的控制方法，其特征在于所述 的三点悬挂包括分别作用于零件工装一边两个端点上悬挂的伺服电动葫卢(Zl、 Z2)和通过一个杠杆共同作用于零件工装另一边中点位置悬挂的伺服电动葫卢(Z3、 Z4)。
4. 根据权利要求1所述的法向铆接曲型件的控制方法，其特征在于所述正方形的优选边距是200 X 200mm。
5. 根据权利要求1所述的法向铆接曲型件的控制方法，其特征在于所述 的超声波传感器可以选用美国邦纳公司生产的超小型高精度的超声波传感器。
6. 根据权利要求1所述的法向铆接曲型件的控制方法，其特征在于步骤4 所述的数据处理软件确定理论法向位置时传感器的数值，并按误差要求计算出 对应于传感器测量数值的公差带，把理论值加上公差带后得出的控制数值，通 过所述传感器分别控制对应伺服电动葫芦在X、 Y、 Z向及法向的升降和自动调 整运动，直到全部的测量数据都在公差范围内。
全文摘要
本发明是涉及一种法向铆接曲型件的控制方法。是在位于零件正上方的同一个水平面上，以自动钻铆机的铆轴为对角线中心设置由四个测量传感器组成的正方形阵列；用四个伺服运动部件通过铁链将零件工装悬吊于两侧的三个点上组成悬挂零件托架，四个传感器分别对应控制所述四个运动部件的升降；由数据处理软件根据实际情况，确定理论法向位置时传感器的数值，并按误差要求计算出对应于传感器测量数值的公差带；对零件的相应点进行高度调整，直到四点的高度差在允许的范围内才发出可铆接信号。本发明采用的三点悬挂零件托架，取代人工视觉法向控制，解决了现有技术采用四点对称悬挂零件无法完成曲型件法向铆接的控制问题。可以。且成本低，效率高，可靠性好。
文档编号B23P23/00GK101109946SQ20071004946
公开日2008年1月23日 申请日期2007年7月6日 优先权日2007年7月6日
发明者方 于, 周文强, 熊丽萍 申请人:成都飞机工业(集团)有限责任公司