本发明涉及自动钻铆技术领域，具体涉及一种集成法向找正功能的自动钻铆末端执行器压力脚装置。
背景技术：
随着现代飞机性能要求的提高，自动化装配技术得到了越来越广泛的应用。目前飞机上的结构件在装配过程中以机械连接为主，机械连接带来大量的制孔问题，为了满足飞机长寿命要求就必须解决精密制孔技术难题，因此机器人精密制孔技术成为飞机自动化装配技术的一个重要的应用和研究方向。末端执行器上的压力脚作为压紧工件、法向检测的装置，就成为了自动化装配技术中的一个重要的研究领域。
国外关于机器人自动制孔技术的应用和研究已相当成熟：美国的electroimpact公司与英国空客公司联合设计了一套机器人钻削系统，主要用于波音f/a-18e/f的机翼后缘襟翼的钻孔与锪窝；洛克希德·马丁公司f-35飞机碳纤维环氧复合材料机翼上壁板制孔用的大型龙门式钻铆系统。国内在飞机装配领域与航空先进技术国家还存在教大的差距，对机器人精密制孔的研究处于起步阶段，因此需要大力发展以满足新一代飞机的研制与生产要求。
在机器人自动化制孔过程中，由于机器人本身的定位误差，型架的制造、安装误差、产品的加工装配误差等，导致飞机蒙皮表面代加工点的外法矢方向与刀具轴线方向存在一定的夹角，如果此夹角过大，必然会影响产品的精度和装配的可靠性，同时还会对刀具的寿命产生一定的影响，因此现在国内外一般的做法是在每次钻孔前进行法向找正，而法向找正大多数是通过装在压力脚外部的四个激光位移传感器获取待加工孔附近区域的四个点的空间位置，进而拟合出待加工孔的法矢。本发明的压力脚装置用长度计代替激光位移传感器来获取待加工孔的法矢，并将长度计内置在压力脚内部，这样做的优点是：
1、长度计较激光位移传感器有较高的精度，在分辨率上能提高一个数量级，因此能消除因测量误差导致的法相检测误差；
2、激光位移传感器照射到工件表面的四个点构成的区域面积较大，当工件的曲率较大时，所拟合的法向与待加工点的法向出入较大，而本发明压力脚的测量方式采用接触式的测量方式，与工件的接触区域就是压力脚端部的圆环构成的区域，面积可以做的更小，因此本发明的压力脚装置可以适应更大曲率工件的自动化制孔；
3、激光位移传感器采用激光测距的方式，现场可能受到环境的影响或工装的阻挡导致光路不稳或者照射点不正确，使得法向找正失败，而采用接触式的压力脚就不会面临这样的问题。
技术实现要素：
本发明提供了一种压力脚装置，该压力脚的测量法向的传感器元件为长度计，采用接触式测量法向的方法测量加工点处的法向。
本发明提供的技术方案是：
一种集成法向找正功能的自动钻铆末端执行器压力脚装置，包括压力脚基座和法向找正系统，所述压力脚基座安装在末端执行器上，为可拆卸的部分，通过外部的气缸驱动向前；所述法向找正系统包括安装在压力脚内部的球轴承、压力脚外部的长度计、预拉伸弹簧及压力头安装座；所述压力脚基座和压力头安装座通过预拉紧弹簧连接；在压力脚基座上设有球轴承和长度计，所述长度计通过固定块固定在压力脚基座后端，其均布排列在压力脚基座中心四周，所述长度计的测量头与压力头安装座接触；所述球轴承的内表面固定在压力脚基座中心，压力头通过四个螺栓安装固定在压力头安装座上，所述压力头内侧固定安装在球轴承的外表面，通过球轴承内外表面的配合，使得压力头安装座能绕压力脚基座在空间±15°角度范围内旋转来贴合工件表面。
进一步的，所述长度计7为四个，长度计和预拉紧弹簧呈环向间隔分布。
进一步的，在压力脚基座上下对角布置两个销孔和螺栓孔。
利用上述的压力脚装置找正的方法，包括以下步骤：
步骤1：压力脚在气缸的驱动下向工件运动并逐渐接触工件直至压紧，工件受到压力脚的压力；
步骤2：球轴承在工件的反作用力的作用下开始沿着工件表面旋转直至压力脚端部完全贴合工件表面，四个预拉紧弹簧部分伸长，部分缩短，四个长度计的测量杆部分伸长、部分缩短，这样工件的平面信息转换为到长度计长度信息上；
步骤3：上位机根据四个长度计反馈上的长度值计算出工件的法向以及机器人相对于工件的法向姿态；
步骤4：气缸缩回，压力脚在预拉紧弹簧的作用下回到初始状态，上位机发送所计算的法向姿态给机器人，机器人运动到目标姿态，完成了一个目标区域法向找正的过程。
该发明的装置不仅能在制孔时提供压紧力，而且还具备法向找正的功能。与传统的压力脚相比，将激光位移传感器去掉，换成长度计并将其内置安装，通过安装在压力脚内部的可在空间±15°范围内自由旋转球轴承来贴合工件表面，这种方法使得距离测量方式由原来的非接触式方式变为接触式的测量方式，测量精度由丝级提升至微米级，这样做能最大限度的消除由测量误差导致的法向找正误差，提高法向检测的精度，此外，采用激光位移传感器作为末端到工件距离的测量元器件受加工环境的影响，例如工装可能阻挡激光位移传感器的光线，加工环境的粉尘导致光线时断时续，而采用接触式的压力脚就不会遇到这些问题。接触式的压力脚相比于传统的压力脚可以做的更小，其更能反映待钻孔周围小范围区域内的法向，这样能适应更大曲率工件的加工。该压力脚装置不像传统的压力脚固连在末端执行器上，它通过定位销和螺栓连接到末端执行器上，可以随时拆卸。
该发明有如下技术效果：
(1)能满足较大曲率工件的自动化制孔需求；
(2)该压力脚装置可任意拆卸；
(3)所需要的原始信息较少，能准确快速的获取机器人的法向信息；
(4)对加工环境的依赖性较小；
(5)测量精度与用激光位移传感器测量法向的方式相比教高。
附图说明
图1为具体实施的压力脚结构示意图；
图2为具体实施的系统工作流程图；
图中：1-压力脚基座，2-预拉紧弹簧，3-球轴承，4-压力头安装座，5-压力头，6-螺栓孔，7-长度计，8-固定块，9-销孔。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
一种集成法向找正功能的自动钻铆末端执行器压力脚装置结构图。包括压力脚基座1和法向找正系统，所述压力脚基座通过压力脚上下二个定位销安装在末端执行器上，属于可拆卸的部分，它是通过外部的气缸驱动向前；所述法向找正系统包括安装在压力脚内部的球轴承3、压力脚外部的长度计7、预拉伸弹簧2及压力头安装座4。
该压力脚装置可以分为两大部分，第一部分为压力脚基座1，长度计7通过固定块8固定在压力脚基座1上，其均布排列在压力脚中心四周，压力脚中心固定球轴承3的内表面，在压力脚上下对角布置两个销孔9和螺栓孔6，分别起到定位和固定的作用；第二部分为压力头安装座4，压力头5通过4个螺栓安装固定在压力头安装座4上，其后面固定安装有球轴承3的外表面。通过球轴承3内外表面的配合，使得第二部分能绕第一部分在空间±15°范围内任意选转。第一部分和第二部分通过预拉紧弹簧2连接在一起，使用预拉紧弹簧2能够保证压力脚在工作时球轴承3能够在±15°空间范围内任意旋转，在不工作时又能恢复到原位。长度计7本身固定在压力脚基座1上，其测量头与压力头安装座4接触，初始状态处于量程的中心附近，压力脚工作时，由于球轴承的旋转必然会引起4个长度计的伸缩量改变，这时长度计读出的4个值就可以直接反映球轴承的转动量，进而间接反映工件表面相对于压力脚的法向。长度计7和弹簧2呈环向间隔分布。
如图2为系统的工作流程图。当机器人控制末端执行器运动到制孔位后，上位机发送信号给气缸，气缸动作，压力脚向前推出，压力头5逐渐接触工件表面并压紧，此时，由于压力脚进给的方向与待加工孔处的法向不重合，在球轴承3的作用下，压力头5安装座会发生转动直至压力头贴合待加工孔周围的表面，压力头安装座的转动引起部分预拉紧弹簧2拉长，部分回缩，长度计7的测量杆同样也会部分伸长，部分回缩，待气缸的气压稳定后，长度计7的测量杆的长度就不在发生变化，此时就可以采集四个长度计的数值，为防止可能会出现的数值不准确的现象，需要对读出的四个数值进行判断，如果有数值不在预估的范围之内，则需要重新采集，等到数值均正确之后，带入预先编写好的法向找正算法中计算待加工孔处的法向和相应的姿态，待压力脚回缩之后，控制机器人调整到算好的新的法向姿态中去，至此法向找正过程已经完成，可以进行后续的制孔加工。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例，并非对本发明作任何形式上的限制，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，依据本发明的技术实质，对以上实施例所作的任何简单的修改、等同替换与改进等，均仍属于本发明技术方案的保护范围之内。