CN102357839A

CN102357839A - 单向压紧制孔试验装置

Info

Publication number: CN102357839A
Application number: CN2011103267222A
Authority: CN
Inventors: 王珉; 薛少丁; 黄大兴; 曾长; 陈文亮; 郝小忠; 鲍益东
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2011-10-25
Filing date: 2011-10-25
Publication date: 2012-02-22
Anticipated expiration: 2031-10-25
Also published as: CN102357839B

Abstract

一种单向压紧制孔试验装置，其特征是它包括内框（1）、四个Z向升降足（2）、末端执行器移动平台（12）和末端执行器（13），末端执行器（13）的上端与末端执行器移动平台（12）上的Y向滑块相连，Y向滑块安装在Y向导轨上并与驱动螺母相连，驱动螺母与Y向驱动丝杆（18）相连，末端执行器移动平台（12）的两端分别与内框（1）相对两边上安装的X向滑块相连，各X向滑块安装在X向导轨上，至少有一个X向滑块与X向驱动螺母相连，X向驱动螺母与X向丝杆（19）相连；所述的四个Z向升降足（2）的结构相同，它包括保护罩（3）、安装板（5）和滚珠丝杠（6）；所述的末端执行器（13）上安装有用于压紧工件的压紧头（7）及钻孔用的电主轴（9），在压紧头（7）的周围安装有法向传感器（23）。本发明结构简单，调整方便。

Description

单向压紧制孔试验装置

技术领域

本发明涉及一种试验装置，尤其是一种用于获取在复杂表面钻孔参数的试验装置，具体地说是一种单向压紧制孔试验装置。

背景技术

目前，国内各大飞机主机厂，依然采用人工的方法来进行钻孔和连接，这在很大程度上制约着飞机装配的效率和质量。飞机蒙皮的制孔和紧固件连接过程是一个比较复杂的过程，因为紧固件孔一般是在蒙皮、长桁以及长桁接头等零件已经固定在型架上以后才开始制孔，此时，飞机部段结构开敞性不好，难以在机舱内部放置压紧装置，因而必须采用单向压紧的方法来实现，在这种条件下制孔贴合面间隙控制规律与双向压紧有很大不同。因此需要对单向压紧条件下制孔相关工艺参数（单向压紧力、进给量、转速等）的确定进行试验。

发明内容

本发明的目的是针对单向压紧条件下难以获得相关参数而影响单向制孔参数的问题，设计一种单向压紧制孔试验装置，通过在该试验装置上安装的各类检测仪器获得全面的制孔工艺参数（如单向压紧力、进给量、转速等）。

本发明的技术方案是：

一种单向压紧制孔试验装置，其特征是它包括内框1、四个Z向升降足2、末端执行器移动平台12和末端执行器13，末端执行器13的上端与末端执行器移动平台12上的Y向滑块相连， Y向滑块安装在Y向导轨上并与驱动螺母相连，驱动螺母与Y向驱动丝杆18相连，Y向驱动丝杆18安装在末端执行器移动平台12上，末端执行器移动平台12的两端分别与内框1相对两边上安装的X向滑块相连，各X向滑块安装在X向导轨上，至少有一个X向滑块与X向驱动螺母相连，X向驱动螺母与X向丝杆19相连，X向丝杆19安装在内框1边上；所述的四个Z向升降足2的结构相同，它包括保护罩3、安装板5和滚珠丝杠6，保护罩3罩装在安装板5上，安装板5的下端通过球面关节轴承10与底座8相连，底座8支承在被加工面上，安装板5的上端与滚珠丝杠6的一端可转动相连，滚珠丝杠6的另一端穿过保护罩3与Z向驱动装置30相连，Z向螺母固定安装在保护罩3的上部，保护罩3的侧面通过连接机构17与内框1的框边相连；所述的末端执行器13上安装有用于压紧工件的压紧头7及钻孔用的电主轴9，在压紧头7的周围安装有法向传感器23，压紧头7由气缸29驱动。

所述的Y向驱动丝杆18连接有Y向手轮11，X向驱动丝杆19连接有X向手轮14。

所述的Z向驱动装置5为Z向手轮15或伺服电机。

所述的连接机构17主要由X向导轨4、Y向导轨16、X向滑块20和Y向滑块21组成，Y向导轨16安装在内框1上，Y向滑块21安装在Y向导轨16上并与X向滑块20相连，X向导轨4安装在X向滑块20上并与Z向升降足2的保护罩3相连。

与所述的四个Z向升降足2相连的四个连接机构17中至少有一个的X向滑块20和Y向滑块21是固定不动的。

所述的安装板上安装有导轨22，保护罩22相对位置处安装有相配的滑块。

本发明的有益效果：

本发明的末端执行器通过两根分别沿X、Y方向的滑轨与框架相连，这类似于一种“行车”结构，可以在工件表面的任意位置进行制孔。同时将法向传感器应用在该试验装置上，可以很精确的沿曲面法向方向施加压紧力。整套装置结构紧凑，成本相对较低。如果用电机代替手轮，可以实现全自动化调整。

本发明为单向压紧制孔工艺参数的获得提供了理想的实现平台，通过加装相关的传感器即可实现加工过程的在线或离线检测。

附图说明

图1是本发明的俯视结构示意图。

图2是本发明的内框的结构示意图。

图3是本发明的Z向升降足的结构示意图。

图4是图3的后视图。

图5是本发明的连接机构的结构示意图。

图6是图5的左视图。

图7是本发明的连接机构补偿调整示意图。

图8是本发明的末端执行器的结构示意图。

图9是图8的仰视图。

图10是本发明的试验装置的调节过程的原理框图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明。

如图1-10所示。

一种单向压紧制孔试验装置，它包括内框1、四个Z向升降足2、末端执行器移动平台12和末端执行器13，末端执行器13的上端与末端执行器移动平台12上的平台Y向滑块27相连，平台Y向滑块27安装在平台Y向导轨28上并与驱动螺母31相连，驱动螺母31与Y向驱动丝杆18相连，Y向驱动丝杆18安装在末端执行器移动平台12上，在Y向驱动丝杆18的一端上安装有Y向手轮11，末端执行器移动平台12的两端分别与内框1相对两边上安装的平台X向滑块24相连，各平台X向滑块24安装在平台X向导轨25上，至少有一个平台X向滑块24与X向驱动螺母26相连，X向驱动螺母26与X向丝杆19相连，X向丝杆19安装在内框1边上，驱动X向丝杆19的X向手轮14安装在X向丝杆19的一端上，如图1所示；所述的四个Z向升降足2的结构相同，如图3、4所示，它包括保护罩3、安装板5和滚珠丝杠6，保护罩3罩装在安装板5上，安装板5的下端通过球面关节轴承10与底座8相连，底座8支承在被加工面上，安装板5的背面安装有导轨22，保护罩22相对位置处安装有相配的滑块；安装板5的上端与滚珠丝杠6的一端可转动相连，滚珠丝杠6的另一端穿过保护罩3与Z向驱动装置30（可采用Z向手轮15实现）相连，Z向螺母固定安装在保护罩3的上部，保护罩3的侧面通过连接机构17与内框1的框边相连；所述的末端执行器13为一常见的电主轴钻头结构，其上安装有用于压紧工件的压紧头7及钻孔用的电主轴9，在压紧头7的周围安装有法向传感器23，压紧头7由气缸29驱动。所述的连接机构17主要由X向导轨4、Y向导轨16、X向滑块20和Y向滑块21组成，如图5、6所示，Y向导轨16安装在内框1上，Y向滑块21安装在Y向导轨16上并与X向滑块相连，X向导轨4安装在X向滑块20上并与Z向升降足2的保护罩3相连。与所述的四个Z向升降足2相连的四个连接机构17中至少有一个的X向滑块20和Y向滑块21是固定不动的，如图7所示。

进一步详述如下：

本发明的整套试验装置如图1所示，它主要包括：内框、Z向升降足（4根）和末端执行器。

内框如图2所示， X向两侧框架内侧安装导轨，通过导轨滑块与Y向滑动梁相连。在框架X向框架一侧上安装滚珠丝杠，负责滑动梁X向移动。在Y向滑动梁上安装导轨和丝杠，末端执行器通过导轨滑块与该滑动梁相连，在丝杠驱动下实现末端执行器Y向滑动。

Z向升降足的结构如图3、4所示，升降足包括：滚珠丝杠、滚动导轨、手轮、保护罩、安装板、球形铰链。四根升降足的保护罩分别通过连接机构与框架相连，升降足底部固定在工件的工作台上，手轮安置在升降足顶部，与滚珠丝杠连接在一起，可以通过转动手轮来旋转滚珠丝杠实现进给。滚珠丝杠的两端支撑轴承座与升降足的保护罩固定在一起，螺母与保护罩上端固定在一起，通过滚珠丝杠的驱动可以实现保护罩与安装板的相对运动，从而实现升降足的高度发生变化，进而带动内框的俯仰角度发生变化。在安装板的一侧安装有导轨22，负责Z向的导向。升降足的底部有一个球面关节轴承10，升降足通过该轴承与机床工作台相连，可以容忍升降足与工作台之间的夹角在一定范围内可调节。升降足顶部安装有手轮，负责整个机构的调姿，以确保末端执行器加工工件时，加工方向为工件表面的法线方向一致。

末端执行器13是整套装置的加工单元，如图8、9所示，末端执行器由电机、滚珠丝杠、电主轴、法向传感器、压紧装置、滚动导轨、气缸、安装板等组成。在加工时，必须要保证压紧装置施压方向沿着工件表面的法向，同时电主轴也是沿着法向进给。法向的检测是通过法向传感器23来实现的，法向传感器23附在压紧头7一侧，可以精确的测量工件表面的法向。

内框通过连接机构17与升降足相连，连接机构17如图5、6所示，是一个十字滑轨机构，可以承担X、Y两个方向的弯矩与滑动。在本发明中共有四个连接机构17，其中一个连接机构固定，另外两个连接机构单向补偿，剩余一个连接机构双向补偿，如图7所示。

压紧装置方向的调节由安装在四根升降足顶部的手轮来实现，调节过程如图10所示。

在调节的过程中观察法向传感器的测量方向，当测量方向对准了加工位置时停止转动手轮，表明此时压紧头已经在工件表面的法线方向上，这样可以确保压紧头能够沿工件表面的法线方向施加压紧力。压紧头与末端执行器中的Z向滑轨相连，可以实现Z向的进给。压紧头附有气缸，压紧力通过气缸的压力来实现，可以精确的施加压紧力。电主轴的进给通过两部分来实现：第一，在调节手轮的过程中，升降足的高度减小，最后导致末端执行器向工件表面靠近，即电主轴实现了第一步进给；第二步进给通过末端执行器上的滚珠丝杠实现，当压紧头已经沿法线方向将工件压紧时，滚珠丝杠带动电主轴沿Z向进给，加工工件。

具体使用方法为：

（1）将整个试验装置固定在工作台上，依靠四根Z向升降足的底座（图3、4中部件7）与工作台螺栓连接。

（2）当需要在工件表面指定位置钻孔时，同时调节内框1上的X向丝杠19和末端执行器移动平台12上的Y向丝杠18，可以把末端执行器13移动到待加工位置，由此可以实现在工件表面上的任意位置上悬停。

（3）在加工时必须要保证末端执行器上的电主轴（图8中部件9）以及压紧头（图8、9中部件7）处于工件表面的法线方向上。通过压紧头上的法向传感器（图8、9中部件23）来检测工件表面的法线方向，如果电主轴以及压紧头没有处于法线方向上，分别调节四根Z向升降足顶端的手轮（图3中部件15），使每根升降足的高度发生变化，与升降足相连的框架的俯仰角度也会发生变化，进而带动末端执行器上的压紧头7和电主轴9所对的方向也发生变化，一直调节到对正法线方向为止。

（4）Z向升降足在调节过程中，会与工作台发生相对的倾斜，这时可以由升降足下端的球面关节轴承（图3中部件10）来提供升降足在一个锥形范围内的活动。

（5）连接机构为一个十字滑轨机构，在调节过程中，升降足与内框的相对位置发生变化，这个位置变化引起的位移主要靠该连接机构来补偿。

（6）当调节结束时，开始对工件加工，末端执行器上的压紧头（图8中部件7）在气缸（图8中部件29）的推力下沿着导轨方向（即整体装置的Z向）进给，压紧工件，压紧力可以由气压来调节。然后滚珠丝杠在电机的驱动下推动电主轴（图8中部件9）进给，完成工件的加工。

本发明未涉及部分均与现有技术相同或可采用现有技术加以实现。

Claims

1.一种单向压紧制孔试验装置，其特征是它包括内框（1）、四个Z向升降足（2）、末端执行器移动平台（12）和末端执行器（13），末端执行器（13）的上端与末端执行器移动平台（12）上的Y向滑块相连，Y向滑块安装在Y向导轨上并与驱动螺母相连，驱动螺母与Y向驱动丝杆（18）相连，Y向驱动丝杆（18）安装在末端执行器移动平台（12）上，末端执行器移动平台（12）的两端分别与内框（1）相对两边上安装的X向滑块相连，各X向滑块安装在X向导轨上，至少有一个X向滑块与X向驱动螺母相连，X向驱动螺母与X向丝杆（19）相连，X向丝杆（19）安装在内框（1）边上；所述的四个Z向升降足（2）的结构相同，它包括保护罩（3）、安装板（5）和滚珠丝杠（6），保护罩（3）罩装在安装板（5）上，安装板（5）的下端通过球面关节轴承（10）与底座（8）相连，安装板（5）的上端与滚珠丝杠（6）的一端可转动相连，滚珠丝杠（6）的另一端穿过保护罩（3）与Z向驱动装置（30）相连，Z向螺母固定安装在保护罩（3）的上部，保护罩（3）的侧面通过连接机构（17）与内框（1）的框边相连；所述的末端执行器（13）上安装有用于压紧工件的压紧头（7）及钻孔用的电主轴（9），在压紧头（7）的周围安装有法向传感器（23）。

2.根据权利要求1所述的单向压紧制孔试验装置，其特征是所述的Y向驱动丝杆（18）连接在Y向手轮（11），X向驱动丝杆（19）连接有X向手轮（14）。

3.根据权利要求1所述的单向压紧制孔试验装置，其特征是所述的Z向驱动装置（30）为Z向手轮（15）或伺服电机。

4.根据权利要求1所述的单向压紧制孔试验装置，其特征是所述的连接机构（17）主要由X向导轨（4）、Y向导轨（16）、X向滑块（20）和Y向滑块（21）组成，Y向导轨（16）安装在内框（1）上，Y向滑块（21）安装在Y向导轨（16）上并与X向滑块（21）相连，X向导轨（4）安装在X向滑块（20）上并与Z向升降足（2）的保护罩（3）相连。

5.根据权利要求1所述的单向压紧制孔试验装置，其特征是与所述的四个Z向升降足（2）相连的四个连接机构（17）中至少有一个的X向滑块（20）和Y向滑块（21）是固定不动的。

6.根据权利要求1所述的单向压紧制孔试验装置，其特征是所述的安装板上安装有导轨（22），保护罩（3）相对位置处安装有相配的滑块。