专利名称：机器人化智能工装系统的制作方法
机器人化智能工装系统技术领域-本发明涉及一种用于飞行器薄壁曲面零件加工的机器人化智能工装系统，属于制造工程技 术领域，具体涉及飞机蒙皮制造的柔性工艺装备技术。
背景技术：
航空、航天制造的一大难题是飞行器大型蒙皮采用"先成型后加工"工艺时，成型后的 半成品为刚度极差的弹性薄壁件且其表面轮廓为自由曲面，传统的针对刚性体的六点定位原理 和相应的工艺装备技术已不能适用这类零件的高效高精度加工，由此严重影响产品总装质量和 效率。面对这一问题，必须进一步研究新的针对弹性体的曲面定位方法以及所涉及的关键技术。在弹性体曲面定位环境下，工件与工装将以曲面相接触，工装的定位、支承和夹紧(固定) 功能将融为一体，工件在加工空间中的位置与姿态不能仅靠六个定位点来确定，而需由整个定 位/支承曲面来确定。因此，为根据弹性体曲面定位原理实现弹性曲面类零件的加工，必须首先 解决如何生成定位/支承曲面这一关键问题。这可通过刚性和柔性两条途径来解决。刚性途径需 通过机械加工等手段在工装上加工出与工件表面(曲面)相对应的定位/支承曲面，由此实现工 件的定位、支承和加工。由于按此得到的工装定位/支承曲面不具有可变性，因此一种工装只能 用于一种零件，从而将大幅度降低制造柔性。与此相反，柔性途径则是通过人工调整、自动控 制等手段来动态生成所需的工装定位/支承曲面，因此一种工装用于不同零件的加工，从而大幅 度提高了制造柔性。实现柔性途径，必须解决工装定位/支承曲面的快速自动生成方法和相关的技术实现问题。 虽然现有组合工装可以根据蒙皮表面轮廓的设计和工艺要求，通过人工调整得到相对应的 工装定位/支承曲面，具有一定柔性，但这类工装需人工操作，不仅调试繁琐、精度差、效率低、 劳动强度大，而且对工作人员技术水平要求高。这些缺陷使得组合工装难以满足飞行器薄壁曲 面零件高效高精加工的要求。另一方面，虽然可以通过全电动逐点驱动方案构成自动化的柔性工装，但由于飞行器薄壁 曲面零件加工所需的定位、支承数量众多(数十个至数百个)，由此造成需要进行驱动和控制 的环节将高达数百个以上，这就使得按照全电动驱动方案实现柔性工装将使整个工装系统的结 构过于复杂，不仅设计、制造、驱动、控制难度大，而且成本太高，难以满足航空航天器制造 企业的实际需求。此外，这一方案还存在定位、支承环节体积大、难以保证在有效范围内布置较多的定位、支承点，以提高薄壁曲面工件的支承密度和支承刚度，从而减小工件变形、提高 加工精度等问题。
发明内容
本发明的目的在于针对现有工艺装备技术的不足，通过技术创新，提供一种能够根据工件 的CAD/CAM信息，快速精确实现飞行器大型蒙皮的定位、支承与固定的新型机器人化智能工 装系统，从而实现新的"先成型后加工"工艺，有效提高飞行器薄壁曲面零件的加工效率和加 工质量。本发明的特征在于该系统是一种用于飞行器薄壁曲面零件加工的机器人化智能工装系 统，含有基座部件、动梁部件、滑鞍部件、伸縮单元、万向真空吸头、左机器人、右机器人， 以及控制计算机，其中基座部件，是由工字型基座及两侧安装的精密导轨和齿条构成，在分别位于左、右机器人 上的两台控制计算机的控制下，各机器人上的伺服电机通过一个齿轮一齿条式传动机构，驱动 各机器人在所述精密导轨上同步运动，所述齿轮与该伺服电机同轴，齿条则在基座部件上；动梁部件，有多个，其主体为工字型横梁、横梁两端装有对接销钉、两端下部装有锁紧机 构，该锁紧机构由丝杠、螺母斜块、锁紧斜块及与横梁固定的锁紧座构成，并以垂直于所述精 密导轨的方向滑套在基座部件上，且沿平行于精密导轨的方向移动；在该动梁部件面对机器人 的侧面下部有一个动梁锁紧接口，供机器人的锁紧机械手从水平方向插入并带着丝杠转动，随 着丝杠的旋转螺母斜块移动进而推动在动梁部件与基座部件交界面处的锁紧斜块，最终将动梁 部件锁紧在基座部件上；在该动梁部件面对机器人的侧面上部，还有一个对接销钉，供该机器 人的叉型对接机械手从水平方向插入，使机器人和动梁部件实现精准对接，把机器人的同步运 动转变为动梁部件的同步驱动；滑鞍部件，有多个，分别滑套在各动梁部件上，含有上滑座、下滑座、滑鞍油盒、下油路， 并与伸縮单元共用一套液压机构，该液压机构含有液压电机、液压丝杠、液压螺母、液压活 塞、液压油缸，该液压电机与液压丝杠同轴连接，该液压螺母与液压丝杠同轴螺纹连接，液压 活塞固定在液压螺母上，液压活塞在液压油缸内滑动，下油路一端与液压油缸相通，另一端与 滑鞍油盒相通，所述滑鞍油盒位于滑鞍部件与动梁部件的交界面处，液压电机通过液压丝杠和 液压螺母带动液压活塞运动，再通过下油路把有一定压力的液压油传送到滑鞍油盒中，使滑鞍 油盒膨胀，从而把滑鞍部件锁紧在动梁部件上；伸縮单元，有多个，均分别同轴地固定在滑鞍部件上，含有导向套筒、伸縮柱、伸縮油 盒、上油路、伸缩丝杠一伸縮螺母副、上、下支撑座、伸縮电机、小齿形带轮一齿形带一大齿 形带轮、液压机构；导向套筒一内侧装有上、下支撑座，而伸縮丝杠位于上、下支撑座之间，伸縮螺母同轴地与伸縮丝杠螺纹连接，并被固定在伸縮柱上，而伸縮柱可在导向套筒内上下滑 动，导向套筒另一内侧下部装有伸縮电机，伸縮电机的轴上同轴地装着小齿形带轮，通过齿形 带啮合于同轴地连接在伸缩丝杠一端的大齿形带轮，组成了齿形带轮传动机构，而在这一侧的 上部装有液压机构，该液压机构与滑鞍部件共用，上油路一端与液压油缸相通，另一端与伸縮 油盒相通，伸縮油盒位于所述导向套筒与伸缩柱的交界面处，在所述控制计算机控制下，伸縮 电机转过设定的角度，即可使伸縮柱产生相应的位移，当伸縮柱移动到位后，同样在计算机的 控制下，液压机构中的液压电机通过液压丝杠和液压螺母使液压活塞运动，对液压油加压，再 通过上油路把有一定压力的液压油传送到伸縮油盒中，使伸縮油盒膨胀，从而把伸縮柱锁定在导向套筒内某一个位置上；万向真空吸头，通过可拆卸装置由定位销定位被固定在伸縮单元的伸縮柱上； 左、右机器人，在与导轨接触的下表面，装有四个滑块及与齿条啮合的齿轮，该齿轮与伺 服电机同轴，在所述伺服电机的驱动下，机器人沿基座部件上的导轨作X方向运动，在面对动 梁部件的一侧，从上到下分别装有由电机驱动可伸縮的对接用小机械手和锁紧用小机械手，分 别完成机器人对动梁部件的对接和锁紧，在机器人的前外侧面，装有主机械手，由大臂、小臂、 手掌、手指组成，其中大臂由正、反转电机通过齿轮驱动，小臂滑动地套在大臂内，通过伺服 电机驱动丝杠螺母，使小臂作往复伸縮运动，手掌又滑套在小臂内，由伺服电机通过丝杠螺母 驱动，手指位于手掌上，由伺服电机通过齿轮驱动使手指作垂直于手掌移动方向的伸缩，从而 实现抓取动作，在所述控制计算机控制下，大臂先旋转成水平方向(即Y方向)，再伸出小臂， 使小臂中的手掌移动到希望调整位置的滑鞍部件和伸縮单元附近，使小臂内的手掌和手指对准 伸縮单元，再通过手指抓住滑鞍部件上的伸縮单元，把伸縮单元连同滑鞍部件一起移动到Y方向指定的位置上。本发明具有以下显著优点和效果1. 工装系统中各动梁和滑鞍的主要运动通过双机器人协调驱动予以实现，大幅度简化工 装系统的机械结构，降低驱动系统的复杂程度，有效降低整个工装系统的开发和制造成本。2. 由于采用机器人集中驱动取代了数量庞大的独立驱动环节，使动梁和滑鞍系统各单元 的体积大幅度缩小，从而有利于提高支承密度，提高对薄壁曲面工件的支承刚度，减少加工变 形，提高加工精度。3. 由于简化了工装系统的机械系统结构和驱动系统结构，不仅有利于提高整个系统的可 靠性，而且使日常维护得以简化，从而有效降低应用成本。4. 工装系统采用模块化结构，具有很强的可扩展性。增加动梁、滑鞍和伸縮单元的数量， 即可适应更大型工件加工的要求。5. 将计算机技术、机器人技术、精密运动控制技术与机械技术紧密结合，实现大型复杂薄壁曲面零件工装系统作业的智能化控制。6.本工装系统通过数量众多的离散单元支承(小曲面片)所形成的包络来构成与工件表 面几何形状相吻合的定位/支承曲面，由于每个单元支承的位置均通过计算机和机器人予以控 制和驱动，使系统能够根据飞行器蒙皮的曲面形态快速自适应地构建所需的定位/支承包络面， 因而整个系统具有很强的柔性、敏捷性和适应性。实际应用中，只要改变输入信息即可针对不 同的工件自动生成不同的定位/支承包络曲面，并实现定位/支承曲面形态的动态调整。这样， 一套工装系统即可实现众多形状不同、大小各异的薄壁曲面零件的高效、高质加工。
图1为机器人化智能工装系统总体结构不意图a主视图b俯视图。图2为机器人结构和功能示意图a主视图b左视图c俯视图d锁紧机械手功能示意图。 图3为基座部件和动梁部件结构示意图a仰视图b右视图c主视图。 图4为机器人驱动的动梁对接机构示意图。 图5为机器人驱动的动梁锁紧机构示意图。图6为双机器人协调作业驱动滑鞍部件和伸縮单元运动的示意图。 图7为机器人手指抓取伸縮单元的示意图a主视图b俯视图。 图8为滑鞍部件和液压锁紧机构示意图。图9为伸縮单元驱动机构和伸縮锁紧机构示意图a主视图b左视图。
具体实施例方式为实现上述目的，发明图1所示机器人化智能工装系统(以下简称工装系统)。该系统通 过计算机控制双机器人协调运动，实现工装系统的智能化作业。整个系统包括基座部件5、动 梁部件3、滑鞍部件4、伸縮单元2、万向真空吸头l、左机器人7、右机器人8、控制计算机9 等部件。其特征在于基座部件5上装有多个动梁部件3，每个动梁部件均沿X坐标运动；动 梁部件上装有多个滑鞍部件4，每个滑鞍部件沿Y坐标运动；滑鞍部件上装有伸縮单元2，伸 縮单元带动其顶端的万向真空吸头1沿Z坐标运动。其中，Z坐标运动由伸缩单元2自身实现， X、 Y坐标运动由机器人驱动实现。为此，在基座部件5的两侧安装两台机器人7和8，它们沿 X坐标同步运动。每台机器人的内侧面装有两只小机械手， 一只用于完成与动梁对接(抓住动 梁)，以驱动动梁沿X坐标方向运动；另一只用于将动梁锁紧在基座上，使动梁保持在希望的X 坐标位置。此外，机器人前端安装有主机械手6，作旋转、伸縮、抓取等动作。通过主机械手 的协调运动，将滑鞍部件4 (包括其上的伸縮单元2等)驱动到希望的Y坐标位置，并通过内 部锁紧装置将滑鞍固定在动梁部件上，使其保持在希望的Y坐标位置。通过上述过程，各真空吸头将运动到希望的X、 Y、 Z坐标位置。这样，在所有真空吸头的共同作用下将形成曲面工件 加工所需的定位、支承曲面(由众多定位、支承单元组成的阵列式离散曲面)。将薄壁曲面工 件0放置于该定位、支承曲面上，并通过真空吸力固定住，即可对工件进行加工。该系统是一种具有高度柔性的自动化工艺装备系统，在计算机控制下通过机器人和驱动机 构实现的智能化操作，可以按需形成不同的定位/支承阵列，从而对不同类型的飞行器大型蒙皮 进行精确定位、支承和夹紧(固定)。在此基础上，即可按照新的"先成型后加工"工艺实现 飞行器薄壁曲面零件的高效率、高质量、高柔性加工。本发明的实施如图l、图2、图3、图4、图5、图6、图7、图8、图9所示，现结合各图 分别描述如下图l为机器人化智能工装系统的总体结构示意图，主要表示了系统的组成、结构关系以及 双机器人协调作业驱动工装系统运动的过程。整个工装系统由基座部件5、动梁部件3、滑鞍 部件4、伸縮单元2、万向真空吸头l、左机器人8、右机器人7、控制计算机9等组成。(其中， 左、右机器人结构相同)图2所示为机器人结构和功能示意图。该机器人由主机械手6、锁紧机械手15、对接机械 手16、计算机9等组成。机器人下部装有伺服电机通过齿轮齿条传动机构13驱动机器人沿导轨12精确运动。安装于机器人前端的主机械手6由大臂11、小臂10、手掌17、手指16等组成。其中大臂 由伺服电机通过齿轮驱动，作正、反旋转运动；小臂由伺服电机通过丝杠螺母驱动，作往复伸 縮运动；手掌由伺服电机通过丝杠螺母驱动，作往复平移运动；手指由伺服电机通过齿轮驱动， 作伸縮抓取运动。通过上述主机械手各组成环节的运动配合，对工装系统中所有的滑鞍部件4、 伸缩单元2等进行操作，以将它们驱动到指定的位置。安装于机器人侧面的对接机械手15由伺服电机通过齿轮驱动，作往复伸縮运动。对接机 械手的对接部位为叉形结构，由此实现机器人与动梁端部的精准对接，并进一步实现机器人对 动梁的精确驱动，即将机器人的运动转换为动梁的运动。安装于机器人侧面的锁紧机械手14如图2-d所示，由伺服电机19驱动拨叉18使锁紧机械 手14作伸缩运动，而由伺服电机20使锁紧机械手14作正、反旋转运动。通过上述锁紧机械 手14的伸縮和旋转运动相配合，即驱动动梁锁紧机构22对动梁的锁紧和放松。安装于机器人上部的控制计算机9，用于对机器人7、 8的所有运动和工装系统的作业过程 进行控制。图3为基座部件和动梁部件结构示意图。动梁部件3两端各装有一个对接销钉21、两端下 部分别装有动梁锁紧机构22，基座部件5的两侧安装有精密导轨12和齿条13，动梁部件3在 基座部件5上滑动，通过动梁锁紧机构22将其锁紧在基座部件5上的任意位置。图4为机器人驱动的动梁对接机构示意图。机器人7、 8同步移动到某一动梁部件3两侧， 伸出对接机械手15与动梁部件3两端的对接销钉21实现精准对接，因此实现了把两机器人的 同步运动转换为对动梁部件3的同步驱动。图5为机器人驱动的动梁锁紧机构示意图。机器人7、 8同步移动到动梁部件3两侧，锁 紧机械手14先伸出插入动梁锁紧接口 26，再旋转将力矩传递给丝杠25和螺母斜块24，在此 力矩作用下，锁紧斜块23和螺母斜块24作相对运动，从而将动梁部件3锁定在基座部件5上。图6所示为双机器人协调作业驱动滑鞍和伸縮单元运动的不意图。通过机器人协调作业， 驱动滑鞍和伸縮单元运动的过程如下首先，主机械手6旋转9(T ,由垂直待命位置转换到水平工作位置。然后，小臂IO在大臂11中作水平伸縮运动，其端部被移动到希望调整位置的滑鞍部件4 和伸縮单元2附近。接下来，小臂内的手掌17 (小臂内的滑块)移动到的滑鞍部件4前，并伸出手指16抓住 滑鞍部件4上的伸縮单元2，如图7机器人手指抓取伸缩单元示意图所示。最后，通过机器人大臂11、小臂10、手掌17和手指16的协调运动将滑鞍部件4和伸縮 单元2移动到控制指令规定的位置，然后将滑鞍部件锁定在当前位置。图8为滑鞍部件和液压机构示意图。(注与滑鞍部件相连接的液压机构就是图9中的液 压机构38)液压机构的工作过程如下首先由液压电机32通过液压丝杠34和液压螺母33带 动液压活塞31在液压油缸30内运动，对液压油加压，液压油压力的大小由传感器29监控。 因此，液压机构工作时，将具有一定压力的液压油通过下油路28传送到滑鞍油盒27中；液压 油的压力使滑鞍油盒27内腔膨胀，从而将滑鞍部件4锁定在动梁部件3上。 一图9所示为伸縮单元驱动机构和伸縮锁紧机构示意图(注伸縮单元实际工作时处于垂直 状态，由于受排版的限制，图中将其旋转90度成水平状画出)。由图可见，安装于导向套筒 39中的伸縮柱35与伸縮螺母42相连。驱动伸縮螺母42运动的伸縮丝杠37由安装于导向套筒 两端的支承座36和43支承。安装于导向套筒39另一侧的伸縮电机40通过小齿形带轮41、齿 形带44和大齿形带轮45驱动伸縮丝杠37。这样，通过计算机9控制使伸縮电机转过希望的角 度，即可使伸缩柱35产生所需长度的位移。当伸縮柱35移动到位后将其锁定在当前位置。伸 縮柱35的锁紧原理同图8，只是液压机构38工作吋，具有一定压力的液压油通过上油路47 传送到伸縮油盒46中，液压油的压力使伸縮油盒46内腔膨胀，从而将伸縮柱35锁定在导向 套筒39内。
权利要求
1.机器人化智能工装系统，其特征在于该系统是一种用于飞行器薄壁曲面零件加工的机器人化智能工装系统，含有基座部件、动梁部件、滑鞍部件、伸缩单元、万向真空吸头、左机器人、右机器人，以及控制计算机，其中基座部件，是由工字型基座及两侧安装的精密导轨和齿条构成，在分别位于左、右机器人上的两台控制计算机的控制下，各机器人上的伺服电机通过一个齿轮—齿条式传动机构，驱动各机器人在所述精密导轨上同步运动，所述齿轮与该伺服电机同轴，齿条则在基座部件上；动梁部件，有多个，其主体为工字型横梁、横梁两端装有对接销钉、两端下部装有锁紧机构，该锁紧机构由丝杠、螺母斜块、锁紧斜块及与横梁固定的锁紧座构成，并以垂直于所述精密导轨的方向滑套在基座部件上，且沿平行于精密导轨的方向移动；在该动梁部件面对机器人的侧面下部有一个动梁锁紧接口，供机器人的锁紧机械手从水平方向插入并带着丝杠转动，随着丝杠的旋转螺母斜块移动进而推动在动梁部件与基座部件交界面处的锁紧斜块，最终将动梁部件锁紧在基座部件上；在该动梁部件面对机器人的侧面上部，还有一个对接销钉，供该机器人的叉型对接机械手从水平方向插入，使机器人和动梁部件实现精准对接，把机器人的同步运动转变为动梁部件的同步驱动；滑鞍部件，有多个，分别滑套在各动梁部件上，含有上滑座、下滑座、滑鞍油盒、下油路，并与伸缩单元共用一套液压机构，该液压机构含有液压电机、液压丝杠、液压螺母、液压活塞、液压油缸，该液压电机与液压丝杠同轴连接，该液压螺母与液压丝杠同轴螺纹连接，液压活塞固定在液压螺母上，液压活塞在液压油缸内滑动，下油路一端与液压油缸相通，另一端与滑鞍油盒相通，所述滑鞍油盒位于滑鞍部件与动梁部件的交界面处，液压电机通过液压丝杠和液压螺母带动液压活塞运动，再通过下油路把有一定压力的液压油传送到滑鞍油盒中，使滑鞍油盒膨胀，从而把滑鞍部件锁紧在动梁部件上；伸缩单元，有多个，均分别同轴地固定在滑鞍部件上，含有导向套筒、伸缩柱、伸缩油盒、上油路、伸缩丝杠—伸缩螺母副、上、下支撑座、伸缩电机、小齿形带轮—齿形带—大齿形带轮、液压机构；导向套筒一内侧装有上、下支撑座，而伸缩丝杠位于上、下支撑座之间，伸缩螺母同轴地与伸缩丝杠螺纹连接，并被固定在伸缩柱上，而伸缩柱可在导向套筒内上下滑动，导向套筒另一内侧下部装有伸缩电机，伸缩电机的轴上同轴地装着小齿形带轮，通过齿形带啮合于同轴地连接在伸缩丝杠一端的大齿形带轮，组成了齿形带轮传动机构，而在这一侧的上部装有液压机构，该液压机构与滑鞍部件共用，上油路一端与液压油缸相通，另一端与伸缩油盒相通，伸缩油盒位于所述导向套筒与伸缩柱的交界面处，在所述控制计算机控制下，伸缩电机转过设定的角度，即可使伸缩柱产生相应的位移，当伸缩柱移动到位后，同样在计算机的控制下，液压机构中的液压电机通过液压丝杠和液压螺母使液压活塞运动，对液压油加压，再通过上油路把有一定压力的液压油传送到伸缩油盒中，使伸缩油盒膨胀，从而把伸缩柱锁定在导向套筒内某一个位置上；万向真空吸头，通过可拆卸装置由定位销定位被固定在伸缩单元的伸缩柱上；左、右机器人，在与导轨接触的下表面，装有四个滑块及与齿条啮合的齿轮，该齿轮与伺服电机同轴，在所述伺服电机的驱动下，机器人沿基座部件上的导轨作X方向运动，在面对动梁部件的一侧，从上到下分别装有由电机驱动可伸缩的对接用小机械手和锁紧用小机械手，分别完成机器人对动梁部件的对接和锁紧，在机器人的前外侧面，装有主机械手，由大臂、小臂、手掌、手指组成，其中大臂由正、反转电机通过齿轮驱动，小臂滑动地套在大臂内，通过伺服电机驱动丝杠螺母，使小臂作往复伸缩运动，手掌又滑套在小臂内，由伺服电机通过丝杠螺母驱动，手指位于手掌上，由伺服电机通过齿轮驱动使手指作垂直于手掌移动方向的伸缩，从而实现抓取动作，在所述控制计算机控制下，大臂先旋转成水平方向(即Y方向)，再伸出小臂，使小臂中的手掌移动到希望调整位置的滑鞍部件和伸缩单元附近，使小臂内的手掌和手指对准伸缩单元，再通过手指抓住滑鞍部件上的伸缩单元，把伸缩单元连同滑鞍部件一起移动到Y方向指定的位置上。
全文摘要
机器人化智能工装系统用于飞行器薄壁曲面零件加工领域，其特征在于整个系统包括基座部件、动梁部件、滑鞍部件、伸缩单元、万向真空吸头、左、右机器人，以及控制计算机。在计算机控制下，机器人通过对接机构实现对动梁部件的精准对接后，一起沿X方向同步运动调整到位，再通过锁紧机构实现动梁部件对基座部件的锁紧；同时，机器人主机械手的大臂旋转到水平位置后，依次伸出小臂，移动手掌，再伸出手指抓住固定在滑鞍部件上的伸缩单元使其沿Y方向运动调整到位，而后伸缩单元自身对Z方向运动进行调整，最终通过伸缩柱上固定的万向真空吸头形成用于支撑薄壁曲面零件的曲面形状。本发明用于不同零件的加工，从而大幅度提高了制造的柔性。
文档编号B23Q3/00GK101269466SQ20081010381
公开日2008年9月24日 申请日期2008年4月11日 优先权日2008年4月11日
发明者凯 周, 琪 钱, 门延武 申请人:清华大学