专利名称：一种曲面自动制孔末端执行器的制作方法
技术领域：
本发明属于自动化制造领域，具体来说，涉及一种曲面自动制孔末端执行器，尤其 适用于飞机翼面的自动制孔。
背景技术：
目前飞机结构件采用的主要连接方法仍是机械连接，一架大型飞机上大约有 150 200万个连接件。在飞机的各种安全故障中，机体损伤的故障数量已占到总故障数量 的30%以上，因此，飞机的总寿命主要决定于机体的寿命。疲劳破坏是飞机机体丧失工作能 力的根本原因，其中75% 80%的疲劳破坏发生在机体结构的连接孔处。为了满足现代大 型飞机长寿命、高可靠性、低成本和高效率制造的要求，可通过各种技术途径改善各连接点 的技术状态(表面质量、配合性质、结构形式等)，大量采用长寿命连接技术，实现飞机结构 高质量和高效率装配，其中一个很重要的途径是通过自动化设备进行自动精密制孔，提高 制孔质量。现代大型飞机外形、结构复杂，零件数量多(达300余万件)，内部空间紧凑，协调 关系复杂，装配和安装的工作通路差，其中飞机装配劳动量占整个飞机制造劳动量的50% 以上。因此，飞机装配是一项技术难度大、涉及学科领域多的综合性集成技术，在很大程度 上决定了飞机的最终质量、制造成本和周期，是整个飞机制造过程的龙头、关键和核心技 术。借助于高刚性和预先的结构设计，以及先进的自动控制技术，常规的自动化制造 技术可以将加工误差控制在微小的的范围之内，因此使得精密制造或装配成为了可能。在 飞机装配中，传统的做法是，根据飞机机构特定的装配要求来定制用户所需的机床。飞机的 结构一般都比较庞大，高精度装配的结果往往是装配设备的大型化、高刚性、高成本、设备 用途太专一，并且需要配套固定型架或自动托架，其投资也是巨大的。随着飞机部件尺寸的 增大，这种形式的自动化装配在实践当中受到了很大的限制，某种程度上，由于传统自动化 装配的成本过于昂贵，不得不退而采用手工装配。手工装配的问题是，随着飞机部件尺寸的 增大，装配的成本也随之增大，同时手工装配的错误经常导致产生高昂的维修费用，零部件 的报废以及装配周期的延误。现有工业机械臂主要是面向汽车，家电，陶瓷等行业，工作空间相对较小，负载能 力较低。如果开发大范围、大负载的工业机械臂，又难以解决高精度与大工作空间的矛盾。 轻便的自动化设备为飞机柔性装配提供了另一种选择。它牺牲了整体精度而追求局部精 度，并在部件层面上充分利用了飞机部件自身特点，而且质量轻，更经济，可以分配到作业 现场或依附到飞机部件上，不需要大的安装场地，而且设备的造价变得低廉许多。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，由于机器人自动制孔系统可以沿 纵向长距离移动，能够完成对飞机的各个部分进行钻铆加工而无需移动工件，与传统的自 动钻铆加工方式相比，大大提高了加工精度和效率，因此在国外已得到广泛的研究和应用。 但由于现有机器人刚度和精度低、负载小，使得传统的机器人在飞机装配上的应用水平低。
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综上所述，研究开发具有传统制孔机器人轻便、灵活及成本低的优点，并且具有较 高刚性、较大负载承受力和高精度，满足飞机自动化装配的要求的柔性曲面制孔机器人是 飞机柔性装配技术的一个重要应用和研究方向，多功能制孔末端执行器是关键技术之一。
发明内容
本发明的目的是提供可以测量所制孔坐标点曲面法线方向，调整制孔主轴至法向 方向，并由压紧单元对制孔处实施压紧的曲面自动制孔末端执行器。本发明曲面自动制孔末端执行器，包括制孔单元1、压紧单元2、法向测量单元3、 定位圈4、二维法向调整单元5、外支撑圈6 ；制孔单元1和压紧单元2固定在定位圈4上； 二维法向调整单元5与带动其绕Y轴转动的设置在外支撑圈6上的Y轴转动动力机构58 相连；定位圈4与带动其绕X轴转动的设置在二维法向调整单元5上的X轴转动动力机构 54相连；压紧单元2包括压紧动力机构25、在压紧动力机构25的带动下沿ζ轴移动的支撑 架21、与支撑架21通过球关节连接的压紧头23，压紧头23上开有可通过制孔主轴的通孔 26 ；制孔单元1包括制孔动力机构13、在制孔动力机构13的带动下沿ζ轴移动的制孔主轴 单元12 ；制孔主轴单元包括可以转动的制孔主轴，制孔主轴与支撑架21上的球关节同轴； 法向测量单元3包括固定在压紧头23背面的测板31、四个用于检测测板31移动距离的位 移传感器32，位移传感器32设置在支撑架21上、且均布在制孔主轴的圆周方向上。本发明的有益效果其工作时，压紧动力机带动支撑架和压紧头沿ζ轴移动向下 移动，由于压紧头通过球关节设置在支撑架上可以相对支撑架转动，所以压紧头即可压紧 在需要制孔处的周边。而测板31固定在压紧头上，随压紧头一起动作，这样可以通过位移 传感器32检测的测板31的移动距离不同，解算出制孔点出曲面的法向矢量。四个位移传 感器32可更加精确的测量出制孔主轴是否在法向方向，尤其适用于比较复杂的曲面。这时 通过X轴转动动力机构M带动定位圈4绕X轴转动或/和通过Y轴转动动力机构58带动 二维法向调整单元5绕Y轴转动，即可调整定位圈4位置，从而调整固定在定位圈4上制孔 单元1和压紧单元2 (调整过程中，支撑板动作，压紧头不动)的姿态，使得位移传感器32 检测的测板31的移动相等，达到制孔主轴位于法线方向上目的。然后，制孔主轴单元12在 制孔动力机构25的带动下沿ζ轴向下移动，制孔主轴穿过压紧头的通孔沈而在需要制孔 处制孔。因此，本发明的效果是它可以测量所制孔坐标点曲面法线方向，调整制孔主轴至 法向方向，并由压紧单元对制孔处实施压紧。上述的曲面自动制孔末端执行器，制孔动力机构13为固定在制孔底板11上的制 孔伺服电机；制孔伺服电机通过滚珠丝杠带动滑动设置在制孔底板11上的制孔主轴单元 12。上述的曲面自动制孔末端执行器，制孔主轴单元12为电主轴。电主轴属于现有技 术，不再描述。上述的曲面自动制孔末端执行器，压紧动力机构25为固定在压紧底板M上的压 紧伺服电机；压紧伺服电机通过滚珠丝杠带动滑动设置在压紧底板M上的支撑架21。这 样，即可通过压紧伺服电机提供压紧力，并通过扭矩控制控制压紧力。上述的曲面自动制孔末端执行器，二维法向调整单元5为一个位于外支撑圈6内 的内支撑圈51，内支撑圈51与平行于Y轴的支承轴Y相连，支承轴Y与Y轴转动动力机构58相连；定位圈4设置在内支撑圈51内，定位圈4与平行于X轴的支承轴X相连，支承轴 X与X轴转动动力机构讨相连。采用在同一个平面内垂直布置的两个转动轴(即支承轴X 和支承轴Y)，可以快速精确地实现法向姿态调整，且结构简单紧凑。
图1是本发明的总体三维结构示意图。图2是本发明的制孔单元三维结构示意图。图3是本发明的压紧单元及法向测量单元三维结构示意图。图4是本发明的二维法向调整单元、外支撑圈等的三维结构示意图。图5是本发明的压紧单元中的压紧头示意图。图6是本发明的压紧单元中的支撑架示意图。图7是本发明的制孔单元、压紧单元、法向测量单元等的结构示意图。图8是本发明的压紧头、支撑架、固定圈等连接示意图。图中，1、制孔单元，2、压紧单元，3、法向测量单元，4、定位圈，5、二维法向调整单元，6、外 支撑圈(支撑圈Y)；11、制孔底板，12、高速电主轴(制孔主轴单元)，13、制孔伺服电机及减速机；21、支撑架，22、固定圈，23、压紧头，对、压紧底板，25、压紧伺服电机及减速机(压 紧动力机构)，26、通孔，231、球形外关节，211、球形内关节；31、测板，32、位移传感器，33、固定座；51、支撑圈X (内支撑圈)，52、支承轴XA，53、支承轴XB，M、伺服电机及减速机X (X 轴转动动力机构)，56、支承轴YA，57、支承轴TO，58、伺服电机及减速机Y(Y轴转动动力机 构)。
具体实施例方式下面结合附图详细说明本发明的技术方案。如图1、7所示，本发明的曲面自动制孔末端执行器，包括制孔单元1、压紧单元2、 法向测量单元3、定位圈4、二维法向调整单元5、外支撑圈6。参见图3，压紧单元2包括固定在压紧底板M上的压紧伺服电机及减速机25、通 过直线滑轨沿ζ轴滑动设置在压紧底板M上的支撑架21、压紧头23等。压紧伺服电机及 减速机25通过联轴器与滚珠丝杠相连，滚珠丝杠再与支撑架21相连。压紧伺服电机及减 速机25动作，可以带动支撑架21沿ζ轴移动。压紧头23的外表面具有球形外关节231，支 撑架21上具有与球形外关节231相应的球形内关节211。球形外关节231与相应的球形内 关节211组成了球关节。压紧头23通过球关节连接与支撑架21上，压紧头23上开有可通 过制孔主轴的通孔沈。固定圈22固定在支撑架21上防止压紧头23脱落。参见图2，制孔单元1包括固定在制孔底板11上的制孔伺服电机及减速机13、通 过直线滑轨沿ζ轴滑动设置在制孔底板11上的高速电主轴12等。制孔伺服电机及减速机 13通过联轴器与滚珠丝杠相连，滚珠丝杠再与高速电主轴12相连。制孔伺服电机及减速机 13动作，可以带动高速电主轴12沿ζ轴移动。高速电主轴12包括可以转动的制孔主轴。上的球形内关节211同轴。参见图3，法向测量单元3包括固定在压紧头23背面(内侧)的测板31、四个用 于检测测板31移动距离的位移传感器32，位移传感器32设置在支撑架21上、且均布在制 孔主轴的圆周方向上。参见图4，二维法向调整单元5为一个位于外支撑圈6内的内支撑圈51，内支撑圈 51相对的两侧面分别通过与Y轴平行的支承轴YA56、支承轴TO57与外支撑圈6相连，支承 轴YA和支承轴YB共同组成了支承轴Y ；支承轴YB与固定在外支撑圈6上的伺服电机及减 速机Y (Y轴转动动力机构)58相连。伺服电机及减速机Y动作，带动内支撑圈51和支承轴 YA和支承轴YB绕Y轴转动。定位圈4设置在内支撑圈51内，定位圈4与平行于X轴的支承轴X相连，支承轴 X与X轴转动动力机构M相连。内支撑圈51的另外两个相对侧面分别通过与X轴平行的 支承轴XA52、支承轴XB53与定位圈4相连，支承轴XA和支承轴XB共同组成了支承轴X ’支 承轴XB与固定在内支撑圈51上的伺服电机及减速机X(X轴转动动力机构)M相连。伺服 电机及减速机X动作，带动定位圈4和支承轴XA和支承轴XB绕X轴转动。制孔单元1与压紧单元2呈90°分别固定在定位圈4内部相邻的两个侧面上。如图2所示，制孔单元1通过制孔底板11固定在定位圈4内部，用于在曲面上给定 坐标位置制孔，高速电主轴12由制孔伺服电机及减速机13驱动，通过直线滑轨连接在制孔 底板11上，制孔伺服电机及减速机13与滚珠丝杠使用联轴器联结，将电机扭矩转化为力， 为高速电主轴12提供进给力。如图3，图5及图6所示，压紧单元2通过压紧底板M固定在定位圈4内部，支撑 架21通过直线滑轨连接在压紧底板24上。压紧伺服电机及减速机25与滚珠丝杠使用联 轴器联结，将电机扭矩转化为力，为压紧单元2提供压紧力。压紧头23的球形外关节231与 支撑架21的球形内关节211通过球形关节联结在一起，压紧头23可以在支撑架内旋转任 意角度，保证压紧头紧密接触制孔部位。通过控制压紧伺服电机及减速机25的输出扭矩， 并考虑由于摩擦等因素造成的扭矩损失，采用阻抗控制技术，滑模变结构控制技术，为压紧 头提供精确地压紧力。法向测量单元3包括测板31，四个位移传感32，四个固定座33，测板31固定在压 紧头23的内侧，随压紧头改变角度，测板平面与压紧头端面232始终保持平行，测板的法向 方向代表了制孔坐标点曲面的法向方向，四个位移传感器32均布在高速电主轴12的四周 并通过固定座33固定在支撑架21上。每个位移传感器32在弹簧的作用下，其端部抵在测 板31表面，与测板31充分接触。如图4所示，二维法向调整单元包括支撑圈X(内支撑圈)51、支承轴XA52、支承轴 XB53、伺服电机及减速机XM、支承轴YA56、支承轴TO57、伺服电机及减速机Y58等。支撑圈 X通过支承轴YA和支承轴YB联结在支撑圈Y (外支撑圈)上，由伺服电机及减速机Y提供 动力，可以绕Y轴转动。定位圈4通过支承轴XA和支承轴XB联结在支撑圈X上，由伺服电 机及减速机X提供动力，可以绕X轴转动。与现有技术相比，本发明的曲面自动制孔末端执行器可以实现快速法向测量，快 速法向调整，压紧力准确可控，整个装置结构简单紧凑。本技术方案中，法向测量单元采用 四个位移传感器，可以在被测曲面解算出四个平面，从而可以更加精确地确定制孔坐标点
6曲面法线方向，同时可以适应更为复杂的曲面的法向制孔；压紧单元采用控制伺服电机扭 矩的方式控制压紧力，无需单独采用力传感器测量压紧力，而采用阻抗控制，充分考虑了各 配合部件之间的摩擦阻力，直接由伺服电机扭矩控制提供所要求的压紧力。本发明结构简 单，压紧力控制更为精确；二维法向调整单元，采用在同一个平面内垂直布置的两个转动 轴，可以快速精确地实现法向姿态调整，且结构简单紧凑。 总而言之，本发明公开了一种曲面自动制孔末端执行器，包括制孔单元、压紧单 元、法向测量单元、定位圈、二维法向调整单元、外支撑圈。制孔单元和压紧单元固定在定位 圈上；法向测量单元固定在压紧单元上，在压紧单元上通过球形关节联结有压紧头，压紧头 内侧固定一块测板，测板可以随压紧头转动，在压紧单元的四角固定四个位移传感器，测板 四角分别与四个位移传感器接触，位移传感器分别测量测板四角位移，从而计算出制孔坐 标处曲面的法线方向。压紧单元由伺服电机与滚珠丝杠驱动，控制伺服电机的扭矩可以控 制压紧力；定位圈固定在二维法向调整单元上，可以分别绕X轴和Y轴旋转，从而完成法向 调整。该结构可以自动测量所制孔坐标点曲面法线方向，自动调整制孔主轴至法向方向，压 紧单元自动实施压紧，并可控制压紧力，能很好完成曲面制孔加工。
权利要求
1.一种曲面自动制孔末端执行器，其特征在于，它包括制孔单元(1)、压紧单元O)、法 向测量单元(3)、定位圈(4)、二维法向调整单元(5)、外支撑圈(6)；制孔单元(1)和压紧单元O)固定在定位圈(4)上；二维法向调整单元(5)与带动其绕Y轴转动的设置在外支撑圈(6)上的Y轴转动动力 机构(58)相连；定位圈(4)与带动其绕X轴转动的设置在二维法向调整单元( 上的X轴转动动力机 构(54)相连；压紧单元( 包括压紧动力机构(25)、在压紧动力机构0 的带动下沿ζ轴移动的支 撑架(21)、与支撑架通过球关节连接的压紧头(23)，压紧头上开有可通过制孔 主轴的通孔06)；制孔单元(1)包括制孔动力机构(13)、在制孔动力机构(1 的带动下沿ζ轴移动的制 孔主轴单元(1 ；制孔主轴单元包括可以转动的制孔主轴，制孔主轴与支撑架上的球 关节同轴；法向测量单元C3)包括固定在压紧头背面的测板(31)、四个用于检测测板(31) 随压紧头转动角度的位移传感器(32)，位移传感器(3 设置在支撑架上、且均 布在制孔主轴的圆周方向上。
2.如权利要求1所述的曲面自动制孔末端执行器，其特征在于，二维法向调整单元(5) 为一个位于外支撑圈(6)内的内支撑圈(51)，内支撑圈(51)与平行于Y轴的支承轴Y相 连，支承轴Y与Y轴转动动力机构(58)相连。
3.如权利要求2所述的曲面自动制孔末端执行器，其特征在于，定位圈(4)设置在内 支撑圈(51)内，定位圈(4)与平行于X轴的支承轴X相连，支承轴X与X轴转动动力机构 (54)相连。
全文摘要
本发明公开了一种曲面自动制孔末端执行器，包括制孔单元、压紧单元、法向测量单元、定位圈、二维法向调整单元、外支撑圈。制孔单元和压紧单元固定在定位圈上；法向测量单元固定在压紧单元上，在压紧单元上通过球形关节联结有压紧头，压紧头内侧固定一块测板，测板可以随压紧头转动，在压紧单元的四角固定四个位移传感器，测板四角分别与四个位移传感器接触，位移传感器分别测量测板四角位移，从而计算出制孔坐标处曲面的法线方向。压紧单元由伺服电机与滚珠丝杠驱动，控制伺服电机的扭矩可以控制压紧力；定位圈固定在二维法向调整单元上，可以分别绕X轴和Y轴旋转，从而完成法向调整。该结构末端执行器能很好完成曲面制孔加工。
文档编号B23B41/00GK102091799SQ20101059439
公开日2011年6月15日 申请日期2010年12月17日 优先权日2010年12月17日
发明者张来喜, 王兴松 申请人:东南大学