機器人制孔末端執行器的制造方法
【專利摘要】本發明公開了一種適用于工業機器人的制孔末端執行器。它包括切削單元、連接單元、進給單元、壓緊單元和測量單元。切削單元主要包括電主軸、刀柄及刀具、伺服電機、切削傳動組件，實現行星鉆削；連接單元主要包括連接板和工具快換裝置，實現三種安裝方式及不同安裝方式間的快速切換；進給單元主要包括絲杠螺母副、進給電機、進給傳動組件，實現行星鉆削的進給運動；壓緊單元主要包括氣缸、壓板、壓管、壓頭，實現工件的壓緊；測量單元包括光電距離傳感器和力傳感器，實現壓緊前、后刀具垂直度的檢測和制孔過程中刀具狀態的實時監測。本發明結合工業機器人使用可構成柔性制孔系統，實現對疊層材料的精益制孔。
【專利說明】機器人制孔末端執行器
【技術領域】
[0001]本發明屬于自動化制孔領域，涉及一種適用于工業機器人的制孔末端執行器。
【背景技術】
[0002]目前，飛機裝配已經成為我國飛機研制生產的瓶頸環節，智能制造裝備的發展也將成為世界各國競爭的焦點。機械連接是一種重要的飛機裝配手段，如承擔787飛機部分生產任務的波音澳大利亞墨爾本分部，每月需加工28萬個裝配用孔，可見制孔質量和效率對提升飛機部件裝配質量和裝配效率，縮短整機裝配周期有著重要意義。
[0003]機器人制孔系統具備可編程性和運動靈活性，能迅速適應產品的變化，且不會過分增加企業的投入，符合精益系統和精益制造的理念。國外已將這種智能制造裝備應用于各類民用及軍用飛機的裝配用孔加工過程中。機器人制孔系統的出現很好地平衡了制孔質量、成本和效率，對提升企業的市場競爭力有重要意義，但是航空工業對產品質量的嚴要求也使它必須在性能上不斷提高。另一方面，隨著復合材料在飛機結構件上的大規模使用，飛機部件的裝配將面臨對碳纖維增強復合材料/鋁合金、碳纖維增強復合材料/鈦合金等疊層材料的孔加工。傳統鉆削方式加工疊層材料時，易引發孔徑超差，孔壁粗糙度差，刀具磨損劇烈，層間毛刺、出口毛刺及復合材料分層、撕裂、纖維脫出、基體材料熱損傷等缺陷。
[0004]自身性能的再提高和加工對象的改變決定了機器人制孔系統的進一步發展趨勢是提高其精益制孔能力，而制孔末端執行器是機器人制孔系統的關鍵組件，其性能將直接影響到制孔質量、效率和成本。高精度、高性能、高速化的飛機裝配發展趨勢要求制孔末端執行器設計時應注重新的切削技術、新刀具、新的傳動方式、先進測控技術等，同時在模塊化設計的基礎上，嘗試進行物質流-能量流-信息流的耦合設計，即從集成科學的高度促進功能更為強大、性能更加優越的制孔末端執行器的發展。

【發明內容】

[0005]本發明的目的是針對疊層材料精益制孔需求，提供一種工業機器人用制孔末端執行器，該制孔末端執行器能為機器人提供三種安裝方式，并能實現刀具與工件表面的垂直度檢測、壓緊、行星鉆削和軸向切削力實時監測。
[0006]機器人制孔末端執行器包括切削單元、連接單元、進給單元、壓緊單元和測量單
J Li ο
[0007]所述切削單元包括電主軸、接長刀柄、刀具、皮帶、公轉皮帶輪、公轉伺服電機支架、公轉伺服電機、軌道調節主動齒輪、軌道調節伺服電機支架、軌道調節伺服電機、軌道調節從動齒輪、套筒座、外偏心套筒、滾動軸承和內偏心套筒。
[0008]刀具通過接長刀柄裝夾在電王軸上，電王軸驅動刀具完成切削運動中的自轉運動；電主軸固定在內偏心套筒內，由安裝在外偏心套筒內的第一滾動軸承和第二滾動軸承來支承內偏心套筒，并由安裝在套筒座內的第二滾動軸承和第四滾動軸承來支承外偏心套筒；軌道調節伺服電機通過軌道調節伺服電機支架固定在外偏心套筒上，固定在軌道調節伺服電機輸出軸上的軌道調節主動齒輪將動力傳遞給固定在內偏心套筒上的軌道調節從動齒輪，內偏心套筒的旋轉帶動刀具公轉半徑調節；公轉伺服電機通過公轉伺服電機支架固定在套筒座上，固定在公轉伺服電機輸出軸上的公轉皮帶輪將動力經皮帶傳遞給外偏心套筒，外偏心套筒的旋轉驅動刀具完成切削運動中的公轉運動。
[0009]所述連接單元包括懸掛連接板、側面連接板、同軸連接板和工具快換裝置。
[0010]懸掛連接板和同軸連接板以L型連接，側面連接板的兩條直角邊分別貼合連接懸掛連接板和同軸連接板；懸掛連接板、側面連接板和同軸連接板分別相連第一工具快換裝置、第二工具快換裝置和第三工具快換裝置，實現了工業機器人和制孔末端執行器的三種安裝方式及不同安裝方式間的快速切換；導軌支座安裝在懸掛連接板上。
[0011]所述進給單元包括后支板、滑動支座、直線導軌及滑塊、前支板、導軌支座、絲杠支座、絲杠螺母副、螺母支架、進給電機支架、進給電機、同步帶和帶輪。
[0012]直線導軌固定在導軌支座上，每根直線導軌上安裝有四個滑塊；進給電機通過進給電機支架固定在后支板上，進給電機的輸出軸與主動同步帶輪連接，絲杠的一端穿過第一絲杠支座后與從動同步帶輪連接，主動同步帶輪與從動同步帶輪間套接有同步帶，絲杠上套接有螺母，螺母固定在螺母支架上，螺母支架與滑動支座相連，絲杠的另一端安裝在第二絲杠支座上；滑動支座固定在第一滑塊、第二滑塊、第三滑塊和第四滑塊上，并與套筒座相連，進給電機通過同步帶和帶輪驅動絲杠螺母副實現切削單元沿直線導軌的進給運動；第一絲杠支座安裝在后支板上，后支板固定在第五滑塊和第六滑塊上，第二絲杠支座安裝在前支板上，前支板固定在第七滑塊和第八滑塊上。
[0013]所述壓緊單元包括氣缸、壓管、氣缸支桿、壓板支座、彈性膠套、壓頭和壓板。
[0014]第一氣缸支桿和第二氣缸支桿相對放置，安裝在同軸連接板上，第一氣缸支桿上連接有第一氣缸，第二氣缸支桿上連接有第二氣缸；第一氣缸和第二氣缸同時與壓板相連，壓板安裝在壓板支座上，壓板支座固定在前支板上；壓管安裝在壓板上，壓頭通過彈性膠套與壓管相連。第一氣缸和第二氣缸提供壓緊力給工件，壓緊力可補償重力對末端執行器角度造成的影響，消除疊層材料層與層間的間隙，改善機器人在制孔時的受力狀況；壓頭和壓管以球面形式配合，便于工件壓緊后刀具的垂直度調整。
[0015]測量單元包括力傳感器和光電距離傳感器。
[0016]所述力傳感器安裝在壓管上，所述光電距離傳感器安裝在壓板上。
[0017]本發明與現有技術相比，優勢在于:
[0018]I)制孔末端執行器可以以三種安裝方式實現同機器人的快速連接，提升了機器人制孔系統的制孔質量、制孔效率和對不同構型工件的適應性。
[0019]2)電主軸自轉軸和其公轉軸采用非平行布局，有利于改善復合材料的分層和撕裂，并能有效抑制毛刺。
[0020]3)在制孔過程中，可實時調節刀具公轉半徑，增強了制孔末端執行器的工藝柔性。
[0021]4)通過力傳感器實時監測刀具狀態，提高了制孔過程的可靠性。
[0022]5)借助光電距離傳感器，配合垂直度調整算法，可快速實現機器人制孔末端執行器在工件目標孔位壓緊前和壓緊后的刀具垂直度調整。
【專利附圖】

【附圖說明】[0023]圖1是本發明機器人制孔末端執行器的整體結構圖。
[0024]圖2是本發明機器人制孔末端執行器中切削單元的結構圖。
[0025]圖2A是本發明切削單元中滾動軸承的安放示意圖。
[0026]圖2B是本發明切削單元中內偏心套筒的結構示意圖。
[0027]圖3是本發明機器人制孔末端執行器中連接單元的結構圖。
[0028]圖4A是本發明機器人制孔末端執行器中進給單元的結構圖。
[0029]圖4B是本發明機器人制孔末端執行器中進給單元的另一角度結構視圖。
[0030]圖5是本發明機器人制孔末端執行器中壓緊單元的結構圖。
[0031]圖5A是本發明壓緊單元中壓管、壓頭和彈性膠套的結構圖。
[0032]圖中:1.切削單元101.電主軸
[0033]102.接長刀柄103.刀具104.皮帶
[0034]105.公轉皮帶輪106.公轉伺服電機支架107.公轉伺服電機
[0035]108.軌道調節主動齒輪 109.軌道調節伺服電機支架110.軌道調節伺服電機
[0036]111.軌道調節從動齒輪 112.套筒座113.外偏心套筒
[0037]114A~B.滾動軸承115A~B.滾動軸承116.內偏心套筒
[0038]2.連接單元21.懸掛連接板22.側面連接板
[0039]23.同軸連接板24A~C.工具快換裝置
[0040]3.進給單元301.后支板302.滑動支座
[0041]303A~H.滑塊304.前支板305A~B.導軌支座
[0042]306.絲杠前支座307.絲杠308.螺母支架
[0043]309.螺母310.絲杠后支座311.進給電機支架
[0044]312.進給電機313.主動同步帶輪314.同步帶
[0045]315.從動同步帶輪316A~B.直線導軌
[0046]4.壓緊單元41A~B.氣缸42.壓管
[0047]43A~B.氣缸支桿44.壓板支座45.彈性膠套
[0048]46.壓頭47.壓板
[0049]5.測量單元51.力傳感器52A~C.光電距
離傳感器
【具體實施方式】
[0050]下面結合附圖對本發明做進一步的詳細說明。
[0051]參見圖1所示，機器人制孔末端執行器包括切削單元1、連接單元2、進給單元3、壓緊單元4和測量單元5。在實施制孔前，制孔末端執行器需要先隨機器人移動到目標孔位；然后根據測量單元5中的光電距離傳感器52A?C的測量數值，配合垂直度調整算法，完成壓緊前的刀具103垂直度調整；壓緊單元2壓緊工件，再次根據測量單元5中的光電距離傳感器52A?C的測量數值，配合垂直度調整算法，完成壓緊后的刀具103垂直度調整；進給單元3帶動切削單元I對工件實施行星鉆削制孔。
[0052](一)切削單元
[0053]參見圖2、圖2A和圖2B所示，切削單元I包括電主軸101、接長刀柄102、刀具103、皮帶104、公轉皮帶輪105、公轉伺服電機支架106、公轉伺服電機107、軌道調節主動齒輪108、軌道調節伺服電機支架109、軌道調節伺服電機110、軌道調節從動齒輪111、套筒座112、外偏心套筒113、滾動軸承114A?B、滾動軸承115A?B和內偏心套筒116。
[0054]刀具103通過接長刀柄102裝夾在電主軸101上，電主軸101驅動刀具103完成切削運動中的自轉運動；電主軸101固定在內偏心套筒116內，由安裝在外偏心套筒113內的滾動軸承114A和滾動軸承114B來支承內偏心套筒116，并由安裝在套筒座112內的滾動軸承115A和滾動軸承115B來支承外偏心套筒113 ;軌道調節伺服電機110通過軌道調節伺服電機支架109固定在外偏心套筒113上，固定在軌道調節伺服電機110輸出軸上的軌道調節主動齒輪108將動力傳遞給固定在內偏心套筒116上的軌道調節從動齒輪111，內偏心套筒116的旋轉帶動刀具103公轉半徑調節；公轉伺服電機107通過公轉伺服電機支架106固定在套筒座112上，固定在公轉伺服電機107輸出軸上的公轉皮帶輪105將動力經皮帶104傳遞給外偏心套筒113，外偏心套筒113的旋轉驅動刀具103完成切削運動中的公轉運動。
[0055]在切削單元I中內偏心套筒116的內孔軸線對其外圓軸線的傾角為Θ度，外偏心套筒113的內孔軸線和其外圓軸線平行，內偏心套筒116的外圓軸線和外偏心套筒113的內圓軸線重合。內偏心套筒116和外偏心套筒113的配合形式使電主軸自轉軸和其公轉軸呈非平行狀態，有利于改善復合材料的分層和撕裂，并能有效抑制毛刺。
[0056]( 二 )連接單元
[0057]參見圖3所示，連接單元包括懸掛連接板21、側面連接板22、同軸連接板23和工具快換裝置24A?C。
[0058]懸掛連接板21和同軸連接板23以L型連接，側面連接板22的兩條直角邊分別貼合連接懸掛連接板21和同軸連接板23 ;懸掛連接板21、側面連接板22和同軸連接板23分別相連工具快換裝置24A、工具快換裝置24B和工具快換裝置24C，實現了工業機器人和制孔末端執行器的三種安裝方式及不同安裝方式間的快速切換；導軌支座305A?B安裝在懸掛連接板21上。
[0059](三)進給單元
[0060]參見圖4A和圖4B所示，進給單元包括后支板301、滑動支座302、滑塊303A?H、前支板304、導軌支座305A?B、絲杠前支座306、絲杠307、螺母支架308、螺母309、絲杠后支座310、進給電機支架311、進給電機312、主動同步帶輪313、同步帶314、從動同步帶輪315和直線導軌316A?B。
[0061]直線導軌316A固定在導軌支座305B上，直線導軌316B固定在導軌支座305A上，每根直線導軌上安裝有四個滑塊；進給電機312通過進給電機支架311固定在后支板301上，進給電機312的輸出軸與主動同步帶輪313連接，絲杠307的一端穿過絲杠后支座310后與從動同步帶輪315連接，主動同步帶輪313與從動同步帶輪315間套接有同步帶314，絲杠307上套接有螺母309，螺母309固定在螺母支架308上，螺母支架308與滑動支座302相連，絲杠307的另一端安裝在絲杠前支座306上；滑動支座302固定在滑塊303A、滑塊303D、滑塊303E和滑塊303H上，并與套筒座112相連，進給電機312經傳動副(主動同步帶輪313、同步帶314和從動同步帶輪315的組合)驅動絲杠螺母副(絲杠307和螺母309的組合)實現切削單元I沿直線導軌316A?B的進給運動；絲杠后支座310安裝在后支板301上，后支板301固定在滑塊303F和滑塊303G上，絲杠前支座306安裝在前支板304上，前支板304固定在滑塊303B和滑塊303C上。
[0062](四)壓緊單元
[0063]參見圖5和圖5A所示，壓緊單元包括氣缸41A?B、壓管42、氣缸支桿43A?B、壓板支座44、彈性膠套45、壓頭46和壓板47。
[0064]氣缸支桿43A和氣缸支桿43B相對放置，安裝在同軸連接板23上，氣缸支桿43A上連接有氣缸41A，氣缸支桿43B上連接有氣缸41B ;氣缸41A和氣缸41B與壓板47相連，壓板47安裝在壓板支座44上，壓板支座44固定在前支板304上；壓管42安裝在壓板47上，壓頭46通過彈性膠套45與壓管42相連。氣缸41A和氣缸41B提供壓緊力給工件，壓緊力可補償重力對末端執行器角度造成的影響，消除疊層材料層與層間的間隙，改善機器人在制孔時的受力狀況；壓頭46和壓管42以球面形式配合，便于工件壓緊后刀具103的垂直度調整。
[0065](五)測量單元
[0066]參見圖5所示，測量單元包括力傳感器51和光電距離傳感器52A?C。
[0067]力傳感器51安裝在壓管42上，三個光電距離傳感器52A?C安裝在壓板47上。
[0068]力傳感器51實時監測刀具狀態，提高了制孔過程的可靠性。三個光電距離傳感器52A?C的測量值反饋給工業機器人，實現刀具103的垂直度調整。
【權利要求】
1.一種適用于工業機器人的制孔末端執行器，其特征在于:該末端執行器包括切削單元(I)、連接單元(2)、進給單元(3)、壓緊單元(4)和測量單元(5)； 切削單元(I)包括電主軸(101 )、接長刀柄(102)、刀具(103)、皮帶(104)、公轉皮帶輪(105)、公轉伺服電機支架(106)、公轉伺服電機(107)、軌道調節主動齒輪(108)、軌道調節伺服電機支架(109)、軌道調節伺服電機(110)、軌道調節從動齒輪(111)、套筒座(112)、外偏心套筒(113 )、滾動軸承(114A?B )、滾動軸承(115A?B )和內偏心套筒(116 ); 連接單元(2)包括懸掛連接板(21)、側面連接板(22)、同軸連接板(23)和工具快換裝置(24A ?C)； 進給單元(3)包括后支板(301)、滑動支座(302)、滑塊(303A?H)、前支板(304)、導軌支座(305A?B)、絲杠前支座(306)、絲杠(307)、螺母支架(308)、螺母(309)、絲杠后支座(310)、進給電機支架(311)、進給電機(312)、主動同步帶輪(313)、同步帶(314)、從動同步帶輪(315)和直線導軌(316A?B)； 壓緊單元(4)包括氣缸(41A?B)、壓管(42)、氣缸支桿(43A?B)、壓板支座(44)、彈性膠套(45)、壓頭(46)和壓板(47)； 測量單元(5)包括力傳感器(51)和光電距離傳感器(52A?C)。
2.根據權利要求1所述的制孔末端執行器，其特征在于:所述切削單元(I)中內偏心套筒(116)的內孔軸線對其外圓軸線的傾角為Θ度。
3.根據權利要求1所述的制孔末端執行器，其特征在于:所述切削單元(I)中軌道調節伺服電機(110 )通過軌道調節伺服電機支架(109 )固定在外偏心套筒(113 )上，固定在軌道調節伺服電機(110)輸出軸上的軌道調節主動齒輪(108)將動力傳遞給固定在內偏心套筒(116)上的軌道調節從動齒輪(111)，內偏心套筒(116)的旋轉帶動刀具(103)公轉半徑調節。
4.根據權利要求1所述的制孔末端執行器，其特征在于:所述連接單元(2)中的懸掛連接板(21)上安裝有工具快換裝置(24A)，側面連接板(22)上安裝有工具快換裝置(24B)，同軸連接板(23)上安裝有工具快換裝置(24C)，實現了工業機器人和制孔末端執行器的三種安裝方式及不同安裝方式間的快速切換。
5.根據權利要求1所述的制孔末端執行器，其特征在于:所述壓緊單元(4)中的壓管(42)和壓頭(46)以球面形式配合，并通過所述壓緊單元(4)中的彈性膠套(45)連接。
6.根據權利要求1所述的制孔末端執行器，其特征在于:所述測量單元(5)中的力傳感器(51)安裝在壓管(42)上，實現刀具(103)狀態的實時監測。
7.根據權利要求1所述的制孔末端執行器，其特征在于:所述測量單元(5)中的光電距離傳感器(52A?C)安裝在壓板(47)上，實現機器人制孔末端執行器在工件目標孔位壓緊前和壓緊后的刀具垂直度測量。
【文檔編號】B23B41/06GK103639471SQ201310656352
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月5日 優先權日:2013年12月5日
【發明者】梁杰, 張興華 申請人:鄭州大學