一种用于机器人制孔系统锪窝深度控制的装置及制孔方法

摘要

本发明涉及一种用于机器人制孔系统锪窝深度控制的装置及制孔方法，采用主轴进给模块依托于压脚进给模块的结构，使得在制孔过程中压脚与刀具对壁板的轴向力之和恒定不变，并在压紧壁板时利用力传感器测量压脚与壁板之间的压力，当达到预定压力时，压脚进给电机制动并锁死，压脚位置在制孔过程中保持不变，通过直线光栅尺与主轴进给模块形成误差检测反馈修正的闭环系统，检测出主轴进给模块的机械传递误差，并在闭环控制中给予修正。该方法可以保证机器人制孔系统的锪窝深度。

说明书

技术领域

本发明属于先进数字化装配制造与自动化领域，具体涉及一种基于机器人制孔系 统的锪窝深度控制方法及设备，用于在机器人制孔系统自动制孔时，通过力传感器、 直线光栅尺、伺服系统和控制系统的配合，精确控制制孔刀具的进给量，保证锪窝的 深度。

背景技术

飞机装配中广泛采用铆接连接，在铆埋头铆钉时，钻孔后需要进行锪窝。锪窝深 度对孔的质量和连接强度有很大的影响，如果锪窝过深，蒙皮受力后，会使铆钉松动， 连接强度降低；如果锪窝深度不足，会影响壁板平齐度。因此，一种稳定可靠的锪窝 深度控制方法可以提高制孔质量，保证连接强度。在一般的钻锪设备中使用双边压脚 结构，制孔前壁板两侧同时被压紧，制孔过程中壁板形状不发生变化，孔深容易得到 保证，但此类设备开敞性不足；而在机器人制孔系统中，柔性高，开敞性好，但该系 统采用单边压脚结构，制孔前由单侧压脚压紧壁板，在制孔过程中随着刀具轴向力的 变化，壁板弯曲变形程度发生变化，使得锪窝深度不易控制。

针对机器人制孔的这一难题，一些学者提出了相关的解决方案。如文献《基于压 脚位移补偿的机器人制孔锪窝深度控制》针对机器人自动制孔过程中由飞机壁板变形 和振动引起的锪窝深度控制问题，提出了将末端执行器压脚位移作为实时补偿信号的 制孔进给轴全闭环控制系统的设计方法，并通过引入低通滤波器，有效抑制了压脚高 频振动，保证了锪窝深度。文献《基于气动力控制压脚的机器人制孔系统设计研究》 根据锪窝深度控制难题，提出了主轴进给底座和压脚一体的法案，并采用气动力推动 气缸活塞的形式作为压脚控制的方法，达到了预定的锪窝精度；专利CN102794491A 公开了一种自动化螺旋铣装置及其方法，该专利中利用气缸推动压脚压紧工件，通过 双光栅反馈提高主轴进给量的控制精度，实现了锪窝深度的精确控制。但上述的方法 中压脚压力都是通过气缸的气动力来控制的，而气体压缩性易受温度等外界因素影响， 气压稳定性不高，从而影响压力的控制，在一定程度上影响制孔质量。

发明内容

要解决的技术问题

机器人制孔系统制孔开敞性好，结构灵活，稳定可靠，正广泛应用于飞机装配中， 但由于该系统在加工时采用单侧压紧工件的结构，制孔过程中壁板弯曲变形的程度受 刀具轴向力影响，而刀具轴向力在制孔时不断变化，使得锪窝深度不容易保证，从而 影响加工的质量。

针对该问题，本发明提供了一种用于机器人制孔的控制锪窝深度的装置及方法。 本发明采用主轴进给模块依托于压脚进给模块的结构，使得在制孔过程中压脚与刀具 对壁板的轴向力之和恒定不变，并在压紧壁板时利用力传感器测量压脚与壁板之间的 压力，当达到预定压力时，压脚进给电机制动并锁死，压脚位置在制孔过程中保持不 变，通过直线光栅尺与主轴进给模块形成误差检测反馈修正的闭环系统，检测出主轴 进给模块的机械传递误差，并在闭环控制中给予修正。该方法可以保证机器人制孔系 统的锪窝深度。

技术方案

一种用于机器人制孔的控制锪窝深度的装置，其特征在于包括机器人控制柜、工 业机器人、工作台和末端执行器；机器人控制柜及工业机器人通过螺栓连接安装在工 作台上，末端执行器通过螺栓安装于工业机器人端部。

所述的末端执行器包括压脚模块、主轴和连接板模块；压脚模块包括压脚、压脚 支架、力传感器、光栅尺、主轴进给伺服电机和第一导轨丝杠传动模块，光栅尺通过 螺钉安装在压脚支架的一侧，第一导轨丝杠传动模块通过螺钉安装在压脚支架的下端， 轴进给伺服电机安装在压脚支架后端，通过联轴器与第一导轨丝杠传动模块连接，压 脚通过螺钉安装在压脚支架的前端；连接板模块包括压脚进给伺服电机、第二导轨丝 杠传动模块和连接板；第二导轨丝杠传动模块通过螺钉安装在连接板的下端，压脚进 给伺服电机安装在连接板后端，并且通过联轴器与第二导轨丝杠传动模块连接；导轨 丝杠传动模块安装于压脚支架下端，主轴安装于第一导轨丝杠传动模块上。

一种利用上述装置进行的制孔方法，其特征在于步骤如下：

步骤1：对各执行部件参数主轴制孔转速ν1、锪窝转速ν2、压脚进给速度ν3、压 力值F、主轴进给速度ν4和进给量Z进行初始设定；

步骤2：机器人控制系统根据离线程序移动到制孔处，并通过法向调平使末端执 行器刀具轴向与壁板垂直；

步骤3：由控制系统的PLC或者触发按钮提供压脚进给启动信号；PLC对压脚进 给模块零点进行信号判断，如压脚不处于进给零点，PLC提供压脚回零信号，压脚进 给伺服电机启动压脚回零，否则压脚开始进给；力传感器开始测量压力值f，在整个 进给过程中，判断压脚前后限位情况，如果PLC接收到限位信号，则发出报警，并使 电机反转复位；当力传感器测量值f等于压力设定值F时，PLC控制压脚进给伺服电 机制动，压脚进给锁死，在制孔过程中保持位置不发生改变；

步骤4：由控制系统的PLC或者触发按钮提供主轴进给启动信号；PLC对主轴进 给模块零点进行信号判断，如主轴不处于进给零点，PLC提供主轴回零信号，主轴进 给伺服电机启动，主轴回零；否则光栅尺读取主轴的零点位置坐标为X₀，主轴开始进 给；在整个进给过程中，判断主轴前后限位情况，如PLC接收到限位信号，发出报警， 并使电机反转复位；进给过程中，根据光栅尺的读数X₁，判断主轴的实际进给量为 Z₁＝X₁-X₀，计算出进给误差ΔZ＝Z₁-Z，将误差ΔZ反馈给主轴进给系统，当进给量Z₁到达设定值Z时，主轴进给电机制动；

步骤5：在主轴和压脚进给系统接收到回零信号后，先控制主轴进给伺服电机反 转，主轴回到进给零点，再启动压脚进给伺服电机反转，压脚回到进给零点。

有益效果

本发明提出的一种用于机器人制孔系统锪窝深度控制的装置及方法，具有以下有 益效果：

1)消除了制孔时压脚位置振荡。该方法采用主轴进给模块安装于压脚进给模块上 的结构，并通过力传感器保证压脚有足够压紧力(压紧力大于制孔时刀具轴向力)，在 制孔时锁定压脚位置，使得制孔时压脚压力与主轴刀具轴向力的总和保持恒定，并等 于预设压力值，保证了制孔时壁板变形程度不再随刀具轴向力的变化而变化，使压脚 始终与壁板保持贴合。

2)保证了锪窝精度。该方法中直线光栅尺与主轴进给子模块形成误差检测反馈修 正的闭环系统，能够检测出主轴进给子模块的机械传递误差，并在相应的闭环控制中 给予修正，保证锪窝深度。

3)降低了制孔加工的劳动强度。该方法实现了自动压紧壁板、修正和调整刀具进 给量，提高了制孔的自动化操作，降低了劳动强度。

附图说明

图1锪窝深度控制设备结构整体说明图

图2末端执行器结构图

图3压脚模块结构图

图4压脚压力控制说明图

图5锪窝深度控制过程说明图

图中：1-机器人控制柜；2-工业机器人；3-工作台；4-末端执行器；5-压脚模块； 6-主轴；7-压脚；8-压脚支架；9-力传感器；10-光栅尺；11-主轴进给伺服电机；12- 第一导轨丝杠传动模块；13-壁板；14-连接板模块；15-压脚进给伺服电机；16-第二导 轨丝杠传动模块；17-连接板。

具体实施方式

现结合实施例、附图对本发明作进一步描述：

如图1所示，本发明包括机器人控制柜1、工业机器人2、工作台3和末端执行器 4；机器人控制柜1及工业机器人2通过螺栓连接安装在工作台3上；末端执行器4 通过螺栓安装于工业机器人2端部。

如图2所示，末端执行器4包括压脚模块5、主轴6和连接板模块14；其中压脚 模块5包括压脚7、压脚支架8、力传感器9、光栅尺10及主轴进给伺服电机11、第 一导轨丝杠传动模块12，连接板模块14包括压脚进给伺服电机15、第二导轨丝杠传 动模块16和连接板17。第二导轨丝杠传动模块16通过螺钉安装在连接板17的下端， 压脚进给伺服电机15安装在连接板17后端，并且通过联轴器与第二导轨丝杠传动模 块16连接。

如图3所示，光栅尺10通过螺钉安装在压脚支架8的一侧，第一导轨丝杠传动模 块12通过螺钉安装在压脚支架8的下端，轴进给伺服电机11安装在压脚支架8后端， 通过联轴器与第一导轨丝杠传动模块12连接，压脚7通过螺钉安装在压脚支架8的前 端。

压脚模块5安装于连接板模块14的第二导轨丝杠传动模块16上；主轴6安装于 压脚模块5的第一导轨丝杠传动模块12上；压脚7安装于压脚支架8前端，四个力传 感器9通过螺钉安装于压脚7和压脚支架8之间，光栅尺10安装于压脚支架8侧面， 主轴进给伺服电机11安装于压脚支架8后端，导轨丝杠传动模块12安装于压脚支架 8下端；连接板模块14的压脚进给伺服电机15和导轨丝杠传动模块16分别安装于连 接板17的后端和下端。

力传感器9用于测量压脚7与壁板13之间的压紧力，光栅尺10用于测量主轴6 的位置信息，力传感器9的压力信号和光栅尺10的位置信号通过机器人控制柜1中的 PLC传递给控制系统，控制系统依据压力和刀具进给量的设定值，控制压脚模块5和 主轴6的进给运动，使压脚7和壁板13在制孔过程中保持位置不变，锪窝深度得到精 确的控制。

针对带曲度的铝合金飞机壁板进行制孔，孔径为D1，窝径最大值为D2，锪窝深 度为K，制孔时使用钻锪一体刀具。具体实施步骤如下：

步骤1、系统参数设定：系统工作之前，对各执行部件参数进行相应的初始设定， 包括主轴制孔转速ν1、锪窝转速ν2、压脚进给速度ν3、压力值F、主轴进给速度ν4、 进给量Z的设定。

步骤2、机器人移动到位：机器人控制系统根据离线程序移动到制孔处，并通过 法向调平等操作，使末端执行器刀具轴向与壁板垂直。

步骤3、压脚进给，压紧壁板：由控制系统的PLC或者触发按钮提供压脚进给启 动信号；PLC对压脚进给模块零点进行信号判断，如压脚不处于进给零点，PLC提供 压脚回零信号，压脚进给伺服电机启动压脚回零，否则压脚开始进给；力传感器开始 测量压力值f，如图4所示；在整个进给过程中，判断压脚前后限位情况，如果PLC 接收到限位信号，则发出报警，并使电机反转复位；当力传感器测量值f等于压力设 定值F时，PLC控制压脚进给伺服电机制动，压脚进给锁死，在制孔过程中保持位置 不发生改变。

步骤4、主轴进给，进行钻孔、锪窝：由控制系统的PLC或者触发按钮提供主轴 进给启动信号；PLC对主轴进给模块零点进行信号判断，如主轴不处于进给零点，PLC 提供主轴回零信号，主轴进给伺服电机启动，主轴回零；否则光栅尺读取主轴的零点 位置坐标为X₀，如图5所示，主轴开始进给；在整个进给过程中，判断主轴前后限位 情况，如PLC接收到限位信号，发出报警，并使电机反转复位；进给过程中，根据光 栅尺的读数X₁，如图5所示，判断主轴的实际进给量为Z₁＝X₁-X₀，计算出进给误差 ΔZ＝Z₁-Z，将误差ΔZ反馈给主轴进给系统，当进给量Z₁到达设定值Z时，主轴进给 电机制动，制孔完毕。

步骤5、主轴、压脚位置回零：在主轴和压脚进给系统接收到回零信号后，先控 制主轴进给伺服电机反转，主轴回到进给零点，再启动压脚进给伺服电机反转，压脚 回到进给零点。

本次制孔结束。