技术领域
[0001] 本
发明涉及机加工领域，特别是涉及一种自动钻铆机的多功能末端执行器。
背景技术
[0002] 在飞机壁板等金属组件的装配中，
铆接仍是目前的最主要连接方法之一，占据了极大的工作量。传统的人工铆接劳动条件差，生产效率低，铆接
质量严重依赖于工人的经验和技术，且不符合飞机数字化装配的发展要求，因此采用自动钻铆机来代替人工操作势在必行。但是，高端自动钻铆机的原理和结构相当复杂，目前世界上只有欧美国家的少数厂商具备开发和制造的能
力，如EI、GEMCOR、BROETJE等，高端自动钻铆机的研制在国内尚处于空白状态。国内的飞机壁板铆接要么是采用人工操作或低端设备进行操作，要么依赖于进口国外的自动钻铆机，研发拥有自主知识产权的高端自动钻铆机不仅对于飞机数字化装配具有重大意义，对于推动我国的高端装备制造战略也深具影响。
[0003] 作为自动钻铆机的主要末端执行机构，多功能末端执行器的设计是重点与难点之一，在保证制孔
精度和铆接质量满足设计要求的前提下，应能智能检测并识别
定位特征，能在线快速更换不同规格的
钻头和铆头，能快速自动排列和输送不同规格的
铆钉，能完成制孔、锪窝、除尘和插钉等操作，配合镦紧头可实现压铆功能。多功能末端执行器无疑是高端自动钻铆机的核心部件，体现着自动钻铆机的集成化和多功能化，影响着自动钻铆机的加工质量和效率，决定了自动钻铆机的自动化和智能化程度。
[0004] 公开号为CN203918448U的中国
专利文献公开了一种新型自动钻铆末端执行器，该自动钻铆机构机械部分包括：
主轴进给单元、压紧与铆接单元、测量单元及辅助机构。为了保证钻孔和铆接的
位置一致性，自动钻铆单元设计了一种钻铆切换机构(由步进
电机进行驱动)，实现了钻孔压紧和铆接的一体化。在自动钻铆单元中，主轴进给的
驱动电机和压紧与铆接的驱动电机均采用绝对值
编码器，零转速时能够自
锁，且自动钻铆单元增加了高精度激光测距装置，保证系统回零及定位的准确。该技术方案仍不能满足大型设备的铆接作业要求。
[0005] 公开号为CN103447826A的中国专利文献公开了一种集成式多功能自动钻铆末端执行器，它包括上末端执行器和下末端执行器，所述的下末端执行器用于与上末端执行器配合完成铆接工作，其特征是所述的上末端执行器包括钻锪单元、送钉单元、插钉单元、压紧单元和换位单元上末端执行器
基座，它一方面用于与自主移动机构相连，另一方面用于安装所述的钻锪单元、送钉单元、插钉单元、压紧单元和换位单元，所述的换位单元安装在上末端执行器基座内部，所述的钻锪单元和插钉单元均安装在换位单元上，所述的压紧单元安装在上末端执行器基座的下部。该技术方案中各单元集成化程度不高，配合程度不好，造成末端执行器体积变大，铆接质量下降。
发明内容
[0006] 针对
现有技术存在的不足，本发明提供了一种集成化程度高、可执行功能多、加工精度高的自动钻铆机的多功能末端执行器。
[0007] 本发明的技术方案为：
[0008] 一种自动钻铆机的多功能末端执行器，包括制孔单元、
铣削单元、测孔单元、基座单元、压脚单元、送钉单元、插钉单元、换刀单元及视觉测量单元；
[0009] 基座单元包括执行器基座和安装在执行器基座上的工位切换驱动组件，视觉测量单元固定安装于执行器基座背部；
[0010] 插钉单元主要由驱动电机组件、上铆模、拉刀装置、尾部顶
块、压力
传感器、进给驱动组件和伸缩柱组件装配而成；
[0011] 换刀单元主要由铆模库、换模
机械臂、换刀机械臂和刀库构成；
[0012] 送钉单元主要由安装底座组件、送钉头模块、输送弯管、激光测微仪、一层伸缩组件、送钉
气缸、二层伸缩组件、底层
导轨座、推钉头、夹钉组件和出钉头组件装配而成；
[0013] 压脚单元主要由测距传感器组件、排削管、压脚下过渡接头、压脚气缸、压脚下导轨组件、压脚主体、铆钉回收组件、、压脚上导轨组件和压脚头装配而成。
[0014] 自动钻铆机的多功能末端执行器分为多个工作单元。
[0015] 基座单元包括执行器基座和工位切换驱动组件，执行器基座上布置有多个单元，其中能够通过工位切换驱动组件来切换不同的工作单元到工作位置，为了减小因为工位切换带来的误差，视觉测量单元固定安装于执行器基座背部。
[0016] 在作业时，压脚单元压紧需要进行加工的飞机壁板；压脚单元安装在执行器基座上，并通过压脚上下、导轨组件完成进给动作。当压脚上下、导轨组件推动压脚头向构件靠拢达到工作位置时，通过测距传感器组件能够测量构件例如曲面法矢等表面数据，从而自动修正参数，反馈压脚上下、导轨组件更好的驱动压脚头固定构件；当固定完成后，在进行制孔作业时，会产生一些碎屑，通过排削管能够有效的排除碎屑对后续铆接作业的影响；铆接过程中，当铆钉不适合被作业需要回收时，能够通过铆钉回收组件将退回的铆钉输送至下位机。该压脚单元能够很好的处理制孔铆接作业时出现的各种问题，为作业提供了稳定的操作环境。
[0017] 压脚单元压紧后通过插钉单元的上铆模将铆钉插入飞机壁板，上铆模通过拉刀装置固定在伸缩柱组件的顶端并且由伸缩柱组件提供进给，伸缩柱组件依靠驱动电机组件驱动；其中压脚单元的尾部设有固定的尾部顶块，尾部顶块和伸缩柱组件之间设有用于感应上铆模经伸缩柱组件传递过来的上铆力的
压力传感器。
[0018] 插钉单元作业所需要的铆钉由送钉单元提供；送钉单元通过安装底座组件固定在基座单元上，安装底座组件上通过底层导轨座滑动安装有一层伸缩组件，一层伸缩组件上滑动安装有二层伸缩组件，二层伸缩组件的顶部设有用于将夹钉组件内的铆钉推出的推钉头，夹钉组件内的铆钉通过连接有输送弯管的出钉头组件提供，一层伸缩组件和二层伸缩组件的运动通过送钉气缸驱动。夹钉组件还设有检测铆钉尺寸的激光测微仪。
[0019] 插钉单元能够根据不同的加工要求更换上铆模，上铆模的更换操作可以通过换刀装置自动进行。换刀单元主要由铆模库、换模机械臂、换刀机械臂和刀库构成。
[0020] 作为优选，所述基座单元的工位切换驱动组件相错分布于执行器基座左右，每套工位切换驱动组件均包括固定在执行器基座上的基座
伺服电机、通过
同步带与基座伺服电机联动的滚珠
丝杠副以及通过滚珠
直线导轨安装在执行器基座上的工位
滑板；该工位滑板与滚珠丝杠副上的丝杠
螺母座联动；所述制孔单元和插钉单元分别安装在左右侧工位滑板上。
[0021] 工位切换驱动组件相错分布于执行器基座左右，分别在伺服电机驱动下，通过同步带带动滚珠丝杠副，使丝杠螺母座利用导轨滑块副移动，实现工位滑板在滚珠直线导轨上的运动。其中，制孔单元和插钉单元分别安装在左右侧工位滑板上，可实现快速切换和并行工作，保证加工的可达性和效率。
[0022] 作为优选，所述的制孔单元、铣削单元和测孔单元分别联动有独立的分别用于驱动制孔、铣削和孔径测量的制孔伺服电机，铣削伺服电机和测孔伺服电机；其中，制孔单元、铣削单元内均安装有用于保证制孔主轴组件和铣削主轴组件的进给精度的光栅尺。
[0023] 制孔单元、铣削单元和测孔单元在各自的伺服电机驱动下，完成进给方向的运动，依次实现制孔、铣削和孔径测量等功能。其中，制孔主轴组件和铣削主轴组件的进给量由光栅尺测量，并通过位移反馈保证精确度。
[0024] 作为优选，所述插钉单元的插钉主轴组件联动有插钉伺服电机，钉单元内安装有用于保证进给精度由光栅尺；插钉单元的尾部安装有用于检测插钉主轴组件进给的插钉压力传感器；插钉单元还设有用于在压铆时与执行器基座上的铆接顶块相配合以平衡压铆力的尾部顶块。
[0025] 插钉主轴组件在伺服电机驱动下完成进给方向的运动，进给量由光栅尺测量，并通过位移反馈保证精确度；安装于插钉单元尾部的压力传感器检测力
信号、实现力控制；尾部顶块在压铆时与基座上的铆接顶块相配合，平衡压铆力。
[0026] 作为优选，所述换刀单元的刀库和铆模库安装于执行器基座左右两侧，刀库和铆模库分别配备换刀机械臂和换模机械臂；换刀机械臂和换模机械臂均联动有用于驱动进给的无杆气缸、用于驱动旋转的机械臂伺服电机以及用于抓取钻头或铆头的气爪；换刀单元内安装有沿圆周均布十种钻头的刀库旋转盘以及沿圆周均布八种铆头的铆模库旋转盘，刀库旋转盘和铆模库旋转盘上均设置有用于检测旋转位置的旋转盘传感器。
[0027] 刀库和铆模库安装于基座左右两侧，分别配备换刀机械臂和换铆模机械臂。在无杆气缸作用下，机械臂完成进给方向的运动；在伺服电机和减速器作用下，同步带轮对驱动机械臂旋转，通过气爪抓取钻头或铆头；刀库旋转盘、铆模库旋转盘可沿圆周分别均布十种钻头、八种铆头，并通过传感器检测旋转位置，实现闭环控制，保证不同规格钻头、铆头的快准确更换。
[0028] 作为优选，所述送钉单元并排分布五组具有可更换的送钉头模块，送钉头模块联动有送钉气缸，送钉头模块连通有用于输送铆钉的弯管，送钉头模块的顶部安装有用于推钉、夹钉的送钉组件，该送钉组件设有用于测量铆钉直径的激光测微仪。
[0029] 送钉单元并排分布五组具有可换性的送钉头模块，能快速完成不同规格铆钉的输送，便于人工添换铆钉；采用气缸驱动，通过弯管输送铆钉，通过机械构件实现推钉、夹钉等操作，结构紧凑、可靠高效、经济环保；采用激光测微仪测量铆钉直径，确保所送铆钉满足规格要求。
[0030] 作为优选，所述的压脚单元内设有测量铆接曲面法失的测距传感器组件，压脚单元的压脚头联动有用于完成与铆接构件压紧动作的压脚气缸；压脚单元还设有用于测量压脚伸缩量的压脚长度计。
[0031] 压脚单元通过测距传感器组件测量铆接曲面法失，压脚通过气缸驱动与铆接构件紧密贴合，具有提高构件
刚度、防屑排屑的功能。长度计测量压脚伸缩量实现闭环反馈，实现对制孔深度和插钉深度的精确控制。
[0032] 作为优选，所述视觉测量单元包括通过视觉测量伺服电机驱动进行自动对焦的相机。
[0033] 视觉测量单元固定安装于执行器基座后侧，相机通过伺服电机驱动进行自动对焦，避免工位切换导致的相对运动，减少
坐标系转换所带来的误差，测量时不影响其余工位的并行工作，缩短整个钻铆循环的周期。
[0034] 本发明具有以下优点：
[0035] (1)各单元在基座上依次分布，可实现快速切换和并行工作，保证加工的可达性和效率；
[0036] (2)配备换刀单元，换刀机械臂从刀库旋转盘中自动夹取目标刀具，可实现不同规格钻头和铆头的快准确更换；
[0037] (3)配备送钉单元，并排分布五组具有可换性的送钉头模块，能快速完成不同规格铆钉的输送，便于人工添换铆钉；
[0038] (4)配备压脚单元，通过测距传感器组件测量铆接曲面法失，压脚头通过气缸驱动与铆接构件紧密贴合，可提高构件刚度、防屑排屑，实现对制孔深度和插钉深度的精确控制；
[0039] (5)视觉测量单元固定安装于执行器基座后侧，运动摄像机即可完成调焦照相，避免工位切换导致的相对运动，减少坐标系转换所带来的误差，可实现智能检测、识别定位特征；
[0040] (6)采用伺服驱动，结合位移反馈和
力反馈，能够精确、实时地控制相关单元的进给运动。
附图说明
[0041] 图1(a)是自动钻铆机多功能末端执行器的轴测图；
[0042] 图1(b)是自动钻铆机多功能末端执行器的左视图；
[0043] 图2为图1中自动钻铆机的多功能末端执行器的压脚单元主视图；
[0044] 图3为图2中自动钻铆机的压脚单元的剖视图；
[0045] 图4为图2中自动钻铆机的压脚单元的立体图；
[0046] 图5为图1中自动钻铆机的多功能末端执行器的插钉单元示意图；
[0047] 图6是图5中的自动钻铆机的插钉单元左剖视图；
[0048] 图7是图5中的自动钻铆机的插钉单元主剖视图；
[0049] 图8是图5中的自动钻铆机的插钉单元操作无头铆钉时的工作状态示意图；
[0050] 图9为图5中的自动钻铆机的插钉单元操作沉头铆钉时的工作状态示意图；
[0051] 图10是图1中自动钻铆机的多功能末端执行器的送钉单元的示意图；
[0052] 图11是图10中自动钻铆机的送钉单元的左剖视图；
[0053] 图12是图11中自动钻铆机的夹钉组件的左视图和主视图；
[0054] 图13是图1中自动钻铆机的多功能末端执行器的换刀组件轴测图；
[0055] 图14是图13中自动钻铆机的换刀组件主剖视图；
[0056] 图15是图13中自动钻铆机的刀爪组件轴测图。
具体实施方式
[0057] 下面结合附图说明本发明具体实施方式。
[0058] 如图1(a)和图1(b)所示，一种用于自动钻铆机的多功能末端执行器，包括制孔单元1、铣削单元2、测孔单元3、基座单元4、压脚单元5、送钉单元8、插钉单元12、换刀单元18及视觉测量单元22。
[0059] 基座单元4包括执行器基座23和安装在执行器基座23上的工位切换驱动组件24，视觉测量单元22固定安装于执行器基座23背部；工位切换驱动组件24包括伺服电机25、同步带26、丝杠螺母座27和工位滑板28。视觉测量单元22固定安装于执行器基座23背部。插钉单元12主要由驱动电机组件11、上铆模13、拉刀装置14、尾部顶块474、压力传感器473、进给驱动组件452和伸缩柱组件454装配而成。换刀单元18主要由铆模库16、换模机械臂17、换刀机械臂19和刀库21构成。送钉单元8主要由安装底座组件103、送钉头模块104、输送弯管9、激光测微仪10、一层伸缩组件111、送钉气缸、二层伸缩组件115、底层导轨座113、推钉头116、夹钉组件117和出钉头118装配而成。压脚单元5主要由测距传感器组件334、排削管
338、压脚下过渡接头336、气缸342、下导轨337、压脚头341、铆钉回收组件335、、压脚上导轨组件和压脚头333装配而成。
[0060] 工位切换驱动组件相错分布于执行器基座左右，分别在伺服电机25驱动下，通过同步带26带动滚珠丝杠副7，使丝杠螺母座27利用导轨滑块副移动，实现工位滑板28在滚珠直线导轨6上的运动。其中，制孔单元1和插钉单元12分别安装在左右侧工位滑板6上，可实现快速切换和并行工作，保证加工的可达性和效率。制孔单元1、铣削单元2和测孔单元3在各自的伺服电机驱动下，完成进给方向的运动，依次实现制孔、铣削和孔径测量等功能。其中，制孔主轴组件和铣削主轴组件的进给量由光栅尺测量，并通过位移反馈保证精确度。插钉主轴组件在伺服电机驱动下完成进给方向的运动，进给量由光栅尺测量，并通过位移反馈保证精确度；安装于插钉单元尾部的压力传感器检测力信号、实现力控制；尾部顶块在压铆时与基座上的铆接顶块相配合，平衡压铆力。刀库21和铆模库16安装于基座左右两侧，分别配备换刀机械臂19和换模机械臂17。在无杆气缸作用下，机械臂完成进给方向的运动；在伺服电机和减速器作用下，同步带轮对驱动机械臂旋转，通过气爪抓取钻头或铆头；刀库旋转盘20、铆模库旋转盘15可沿圆周分别均布十种钻头、八种铆头，并通过传感器检测旋转位置，实现闭环控制，保证不同规格钻头、铆头的快准确更换。送钉单元8并排分布五组具有可换性的送钉头模块104，能快速完成不同规格铆钉的输送，便于人工添换铆钉；采用气缸驱动，通过弯管输送铆钉，通过机械构件实现推钉、夹钉等操作，结构紧凑、可靠高效、经济环保；采用激光测微仪测量铆钉直径，确保所送铆钉满足规格要求。压脚单元5通过测距传感器组件测量铆接曲面法失，压脚通过气缸驱动与铆接构件紧密贴合，具有提高构件刚度、防屑排屑的功能。长度计测量压脚伸缩量实现闭环反馈，实现对制孔深度和插钉深度的精确控制。视觉测量单元固定安装于执行器基座后侧，相机通过伺服电机驱动进行自动对焦，避免工位切换导致的相对运动，减少坐标系转换所带来的误差，测量时不影响其余工位的并行工作，缩短整个钻铆循环的周期。
[0061] 如图2～图4所示的压脚单元，通过压脚上导轨组件中的上导轨331，压脚主体333，测距传感器组件334，铆钉回收组件335，压脚下过渡接头336，压脚下导轨组件中的下导轨337，排削管338，压脚气缸(包括上驱动气缸339和下驱动气缸342)，长度计340，压脚头341等装配而成。整个压脚单元通过上、下导轨的滑块座与执行器基座连接在一起。压脚主体
333与上导轨331导轨座连接，上驱动气缸339安装在上导轨滑块底座上并通过销钉与压脚主体333连接在一起。长度计340安装在上驱动气缸339底座上，并通过长度计
连接杆343与压脚主体333连接。下驱动气缸342安装在下导轨337的滑块座上，并且通过压脚下过渡接头
336与压脚主体333连接在一起。压脚头341和测距传感器组件334安装在压脚主体333上，4个测距传感器组件334均匀分布在压脚头341周围一圈。铆钉回收组件335的回收管和排削管338分别安装在压脚主体333两侧。
[0062] 如图5～图9所示的插钉单元驱动电机组件11、上铆模13、拉刀装置14、尾部顶块474、压力传感器473、进给驱动组件452和伸缩柱组件454装配而成。驱动电机，同步带轮轴，高
扭矩同步带轮，通过电机安装板安装在电机座上，和电机座盖板一起组成驱动电机组件
11。由滚珠丝杠
轴承座463，轴承464，滚珠丝杠副465，丝杠螺母座468，滚珠丝杠端部挡块
470组成进给驱动组件452。导轨滑块副480安装在伸缩柱组件454与壳体453之间，能够
支撑伸缩柱组件454在进给方向移动。行程撞块466安装在壳体上板469的行程撞块座467上，压力传感器473和尾部顶块474位于进给驱动组件452后方的壳体453中。伸缩柱组件454顶部安装有伸缩柱组件前盖板471，上铆模13通过拉刀装置14固定于伸缩柱组件454顶部。光栅标尺475和光栅标尺读数头476分别安装在伸缩柱组件454和侧板上，能够测量伸缩柱组件
454和侧板间的相对位移。光电
开关477安装于壳体侧板479的光电开关安装板478上。插钉单元可以同时满足无头铆钉和有头铆钉的铆接要求，如图8和图9分别表示铆接无头铆钉
488和沉头铆钉481的状态，其中压脚头341和自动钻铆机镦紧侧机床上的铆接头的衬套483用于夹紧飞机壁板486和
机身框架487，上铆模13和
铆杆484用于完成压铆。
[0063] 如图10～图12所示的送钉单元，包括安装底座组件103、送钉头模块104、输送弯管9、出钉气缸107、叉型安装座108、送钉气缸(第一伸缩气缸109，第二伸缩气缸112)、气缸
支架110、一层伸缩组件111、安装底座组件导轨座113、微型直线导轨114、二层伸缩组件115、推钉头116、出钉头118、激光测微仪发射端101、传感器支架102、激光测微仪接收端105、盖板119、夹钉组件117(夹钉
基板120、第一夹钉副爪121、第一
弹簧座122、第二夹钉副爪123、弹簧124、第二弹簧座125)。其中，二层伸缩组件115通过导轨滑块与一层伸缩组件111相连，第一伸缩气缸109、第二伸缩气缸112通过气缸支架分别安装于一层伸缩组件111、二层伸缩组件115的底端；
[0064] 第一夹钉副爪121和第二夹钉副爪123完全打开的之后与竖直方向所成
角度为8度；激光测微仪10由激光测微仪发射端101和激光测微仪接收端105组成，通过传感器支架102分别安装于安装底座组件103的左上侧和右上侧。
[0065] 如图13～图15所示换刀单元，包括
保护罩601、铆模602、铆模库旋转盘15、铆模库底座604、第一减速器605、第二减速器610、第一伺服电机606、第二伺服电机608、刀库支架607、气缸滑台609、换刀机械手滑板611、同步带
箱体612、电磁
阀组件613、气爪转臂614、
气动滑台615、气爪连接座616、气动爪617、气缸主体618、随动带轮619、随动带轮轴620、同步带621、同步带轮622、同步带轮轴623、刀爪组件624、弹簧罩625、弹簧626、铆模盘安装
法兰627、顶刀头628、气缸629、刀爪630、刀爪弹簧631、传感器633、传感器支架634。其中，第一伺服电机606与第一减速器605相联，第一减速器605通过铆模库底座604与铆模盘安装法兰
627连接，带动铆模盘安装法兰627的旋转；铆模盘安装法兰627与铆模库旋转盘15连接，铆模602安装在铆模库旋转盘15上，传感器633通过传感器支架634固定在铆模库底座604上，实现对刀具的位置检测。第二伺服电机608通过第二减速器610与同步带轮轴623连接，同步带轮轴623与同步带轮622固定后经同步带621带动随动带轮619，随动带轮619与随动带轮轴620连接后与同步带轮箱体612相联，通过同步带传动实现换刀臂的旋转运动。同步带轮箱体612与换刀机械手滑板611相连后固定在气缸滑台609上，气缸主体618推动气缸滑台
609实现前后进给运动，
电磁阀组件613安装在同步带箱体612侧面，气爪转臂614一端与随动带轮轴620连接，另一端与气动滑台615连接，气动滑台615通过气爪连接座616与气动爪
617相连，通过气动爪617实现刀爪组件624的张开和闭合，完成刀具的夹取和安放。刀爪630通过弹簧631与刀爪组件624相联，通过刀爪630上下运动和弹簧631的压紧作用，实现刀具的柔性夹取。气缸629与铆模库底座604相连，顶刀头628与通过弹簧626、弹簧罩625与铆模库旋转盘15相连，由气缸629推动顶刀头628运动，实现刀具的夹紧及松开。
[0066] 本发明的具体工作过程如下：
[0067] 1.自动钻铆机完成自检并复位，带飞机壁板的壁板工装入位；
[0068] 2.换刀机械臂从刀库选取相应的刀具装入制孔单元，换模机械臂从铆模库选取相应的铆头装入插钉单元；
[0069] 3.在五轴联动数控设备的带动下，多功能末端执行器整体移动到
指定位置；
[0070] 4.视觉测量单元照相检测壁板上的基准孔，完成检测后返回待机位置；
[0071] 5.送钉单元将铆钉送入夹钉组件，夹钉组件将铆钉送入插钉单元上的铆头夹持脚中；
[0072] 6.在线测量铆钉直径，判断直径是否正确。若是，执行下一步；否则，由铆钉回收装置回收；
[0073] 7.多功能末端执行器压脚测量伸出量，压紧
工件；
[0074] 8.将制孔单元切换到工作位置，刀具主轴回转进给，完成制孔、锪窝后退回；
[0075] 9.制孔单元上的孔径测量组件切换到工作位置，测孔头前进，完成测孔径后返回；
[0076] 10.制孔单元返回待机位置，并将插钉单元切换到工作位置，带铆钉的铆头前进，将铆钉完全插入铆钉孔并固定不动；
[0077] 11.在镦紧头的配合下，完成压铆；
[0078] 12.完成压铆后压脚松开，插钉单元返回待机位置；
[0079] 13.多功能末端执行器移动到下一位置并重复下一周期。以上所述仅为本发明的优选
实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何
修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
