CN107278260B

CN107278260B - 孔检查装置

Info

Publication number: CN107278260B
Application number: CN201580069950.2A
Authority: CN
Inventors: G·卢贝
Original assignee: KUKA Systems Aerospace SAS
Current assignee: KUKA Systems Aerospace SAS
Priority date: 2014-12-22
Filing date: 2015-12-17
Publication date: 2020-11-06
Anticipated expiration: 2035-12-17
Also published as: BR112017013271B1; US20170350682A1; MX2017008321A; WO2016102309A1; CA2970102C; EP3037193A1; CN107278260A; BR112017013271A2; US10254100B2; EP3037193B1; CA2970102A1

Abstract

本发明涉及一种用于检查孔的测量装置，其可以有利地安装在铆接机器人上，该铆接机器人适于在检查后将铆钉***孔中。该测量装置包括具有中空壳体和相互作用装置的试验心轴，由此可以检测相互作用装置的相对位置以确定被检查的孔的特性。该测量装置还包括布置为可相对于试验心轴移动的衬套。

Description

孔检查装置

技术领域

本发明涉及一种用于检查孔的测量装置，更具体地涉及一种用于检查用于紧固的钻孔或冲压孔的测量装置。

背景技术

诸如铆钉等机械紧固件通常用于紧固工件，且通常由一端具有头部的柱形轴构成。在紧固过程中，紧固件被放置在之前被冲压或钻开的孔中。在铆接的情况下，铆钉的轴扩张，从而将铆钉保持在适当位置。

铆接通常用于例如商用和军用飞行器的组装。因此铆钉承载着从飞行器的一部分到相邻部分的关键载荷。特别是对于航空部件的制造而言，提供用于铆接的正确孔径非常重要，制造公差非常紧。如果孔直径太大，则铆钉可能无法正确地保持在适当位置，且可在稍后的操作期间不利地变松。另一方面，如果孔直径太小，则铆钉可能难以安装在其中，或者可能以非最佳方式预加载。这可能引起不期望的噪音，甚至产生不能提供最佳强度的接头。还有一点，如果铆钉的头部没有完全放置在孔或其埋头孔(counter sink)内，则可能发生空气湍流，这增加了燃料需求，因此必须避免。

因此，在铆接期间以及在利用孔的许多其他紧固方法中，在将诸如铆钉等紧固件安装在其中之前，通常使用测量设备检查孔直径。因此，试验心轴(孔径规)被***钻孔或冲孔中，确定从测量杆到孔壁的横向距离。该测量通常以高速并以高精度(即，在μm的范围)进行。

然而，通过已知的测量或检查方法，无法表征(characterize)孔表面处的边缘。尽管在一方面，一些应用可能期望孔具有尖锐边缘，但是通常也需要提供埋头孔。容易想到的是，尤其埋头孔的深度对于将紧固件适当地放置到孔中是重要的。例如，如果埋头孔的深度不正确，则紧固件的端部可能从工件的表面比所期望的更加突出。对于航空应用，这种不正确座接的紧固件可能导致额外的燃料消耗，甚至可能对飞行器的适航性产生负面影响。

鉴于上述情况，本发明的目的是提供一种用于检查孔的、尤其是检查用于铆接的钻孔或冲压孔的测量装置，使得能够测量埋头孔深度和所述孔的孔径。本发明的另一个目的是提供一种能以快速和优选的自动化方式检查孔的测量装置。本发明的再一个目的是提供一种用于检查孔的测量装置，由此可以将测量装置设置在用于工业机器人的操纵装置(effector)上，例如用于铆接工件的操纵装置。

通过阅读以下描述，这些和其他目的将变得显而易见的，根据本发明的用于检查孔的测量装置，这些和其他目的能通过本发明来实现。

发明内容

根据本发明，提供了一种用于检查孔的测量装置，特别是检查用于铆接的孔的测量装置。孔可在目标物中被冲压出或钻出，该孔用于在里面放置或安装诸如铆钉等紧固件。测量装置包括试验心轴，试验心轴进而包括中空壳体和相互作用装置。相互作用装置布置在壳体中并且可以从试验心轴的中空壳体的外表面部分地突出且可相对于中空壳体移动。因此，相互作用装置与中空壳体的外表面的距离可以改变。此外，相互作用装置的相对位置可以由分配给装置的合适的检测装置来检测。

测量装置还包括其中布置有试验心轴的衬套。该衬套被布置成相对于试验心轴可移动，即试验心轴和衬套可相对于彼此在第一位置和第二位置之间移动。在第一位置，衬套覆盖相互作用装置，且与相互作用装置接触、优选地直接接触，上述相互作用装置从试验心轴的中空壳体的外表面至少部分地突出。优选地，试验心轴紧密地适配到衬套中。处于第二位置的衬套露出相互作用装置。换言之，衬套适于沿着试验心轴的纵向延伸移动，从而覆盖或露出相互作用装置。当衬套覆盖相互作用装置时，衬套与所述相互作用装置接触(即，相互作用)。当衬套从第一位置移动到第二位置时，相互作用装置的相对位置改变，反之亦然。

因此，由于相互作用装置的相对位置可以被检测，所以能够检测衬套是否与相互作用装置接触。这允许确定埋头孔的深度(将在下文中说明)，并提供进一步的优点，特别是自动化检查过程的优点。当将试验心轴***待检查的孔中时，衬套相对于试验心轴被移动——例如，由于它邻接待检查的孔周围的表面——到第二位置，由此相互作用装置被露出。因此，相互作用装置例如借助适于将复位力施加到相互作用装置的合适的恢复装置，有利地相对于试验心轴的壳体移动到它们的最外位置。相对位置的该变化可以被检测，并通过产生相应的信号，可以确定相互作用装置何时进入例如由孔的埋头孔所提供的空间。

优选地，如上面简短所述，试验心轴还包括恢复装置，其适于施加复位力以迫使相互作用装置从中空壳体的外表面突出，即，推动相互作用装置径向远离中空壳体。因此，迫使相互作用装置居于相互作用装置从中空壳体的外表面突出尽可能远的位置。在衬套的第一位置中，相互作用装置因而被迫使与衬套的内壁接触。当衬套处于第二位置并露出相互作用装置时，恢复装置迫使相互作用装置从中空壳体的外表面进一步突出。

优选地，试验心轴的中空壳体是中空管。更优选地，衬套也是中空管，其内径大于试验心轴的中空壳体的外径。当衬套处于其第一位置时，其至少部分地包围试验心轴，例如，至少位于相互作用装置从试验心轴的中空壳体延伸或突出的区域中。更优选地，衬套的内径小于相互作用装置的最大延伸量。因此，当衬套处于其第一位置时，其覆盖相互作用装置并与相互作用装置接触。

优选地，衬套包括适于在衬套处于初始位置时至少部分地接收相互作用装置的至少一个凹部或开口。进一步优选地，当衬套从所述初始位置移动到另一位置时，例如，从初始位置移动到第一位置，相互作用装置的相对位置被改变。换言之，在衬套的初始位置，相互作用装置设置在所述凹部或开口中，并因此可以从试验心轴的壳体突出很大程度。当衬套移动时，相互作用装置被迫向内移出凹部或开口并进入衬套中。因此，相互作用装置的(可检测的)相对位置被改变。

在实践中，当待检查的孔接合时，特别是当试验心轴***所述孔中时，衬套从第一位置移动到至少第二位置。当接合孔时，衬套首先与孔周围的表面接触(其邻接表面且不能在孔的方向上进一步移动)。当测量装置现在进一步朝向孔移动或进入孔中时，衬套相对于试验心轴移动，直到衬套到达第二位置并露出相互作用装置。如上所述，该露出可以被检测到。

根据本发明的测量装置优选地被构造成在用于紧固工件的端部操纵装置(例如铆接机器人，即自动执行铆接过程的全部或某些步骤的机器)处使用。

根据本发明，还提供一种用于紧固工件的端部操纵装置，其包括如上所述的测量装置。

还有一种用于检查孔的方法，特别是检查用于铆钉或类似紧固件的孔的方法，其中设置如上所述的测量装置并朝向工件中的孔移动，直到衬套与表面邻接所述孔周围的工件表面。当实现上述目的时，测量装置进一步朝向孔移动(整个移动优选地在没有任何停止的情况下完成)，使得试验心轴相对于衬套在孔的方向上移动并最终进入孔。根据测量装置的移动，试验心轴将相对于衬套移动，因为衬套与工件邻接，因此不能再进一步移动。当试验心轴相对于衬套移动到一定程度(和离开衬套)时，相互作用装置离开衬套并露出。当相互作用装置不再被衬套覆盖时，这由检测装置检测到，并产生信号S₁。一旦进一步移动，相互作用装置与孔的内壁接触，然后该接触用检测装置再次检测，产生信号S₂。基于信号S₁和S₂，现在能够确定在产生信号S₁和S₂之间所覆盖的试验心轴的距离。这可以例如通过精确地测量试验心轴的移动量的装置而实现：当产生信号S₁时，试验心轴的实际位置是例如由所述装置确定。该位置可以例如是预定参考系中的实际位置，且可以例如是相对于衬套的位置。当产生信号S₂时，再次确定试验心轴的实际位置，由此信号S₁处的位置和信号S₂处的位置的比较使得能够精确确定试验心轴行进的距离。在具有埋头孔的孔的情况下，该行进距离可以例如对应于埋头孔的深度。

取决于测量装置和待检查的孔的尺寸，也可能测量形状，特别是埋头孔的倒角角度。如果例如相互作用装置从试验心轴的外表面突出到足够的延伸，则能够测量埋头孔的外径(主直径或最大直径)，以及如果相互作用装置保持与埋头孔的壁接触且因此在试验心轴被更深地推入孔中时被连续地向内推，通过使试验心轴更深地进入孔中，也能够测量埋头孔的轮廓。

如果埋头孔的倒角角度是已知的，则一旦确定了埋头孔的深度，且测量了孔的入口直径(孔的入口直径对应于埋头孔的内径或最小直径)，也就能够计算出埋头孔的外径。

使用测量装置在试验心轴在孔内转动或旋转并获得多个信号时是特别有利的。这允许更精确地测量孔的直径，并检查例如孔是否是圆形的，而非(例如)卵形或椭圆形。

附图说明

在下文中，参照附图示例性地描述本发明。

图1到图5示出了根据本发明的在相对于待检查的孔的不同工作位置处检查孔的测量装置的横截面示意图。

图6是根据本发明的另一测量装置的示意图。

图7示出了图6的测量装置的另一种构造。

图8示出了图6的测量装置的一部分的详细视图。

图9示出了图6的测量装置的另一种构造的一部分的详细视图。

图10示出了具有包括测量装置的端部操纵装置的工业机器人的示意图。

具体实施方式

图1到图5示意性地示出了利用根据本发明的示例性测量装置10来检查孔的不同步骤。下面将借助该示例说明测量装置10的功能。

图1示出了适于检查孔21的测量装置10的横截面的示意图。在工件或目标物20中制备孔21，即钻开或冲压。在孔21的周围，目标物20具有平坦外表面22，而孔21具有埋头孔深度为t_CS的埋头孔21’。孔21具有与埋头孔21’的内径d_CSi对应的内径d_h。埋头孔21’的外径(或大直径/最大直径)表示为d_CSO，且在所示示例中，埋头孔21’具有90°的倒角α。

测量装置10具有试验心轴11，该试验心轴包括中空壳体12，该中空壳体进而具有内壁13和外壁14，内壁13和外壁14进而限定中空壳体12的外径和内径。试验心轴11还包括相互作用装置15、16，其设置成基本布置在中空壳体12内的球形元件的形式。由此，本领域技术人员应理解，术语“基本在……内部”是指球形元件的至少50％布置在中空壳体12内。

相互作用装置15、16部分地延伸穿过所述中空壳体12的圆形开口并从壳体突出。由于圆形开口的直径小于球形元件的直径，所以球形元件不能完全从中空壳体12中掉出。本领域技术人员应理解，相互作用装置15、16也可以设置成不同的形式，例如设置成锥形、楔形等形式。本领域技术人员进一步应理解，还可以例如通过将相互作用装置15、16以柔性的方式按压(pinning)在中空壳体12内，来防止相互作用装置15、16以不同的方式从中空壳体12中掉出。

试验心轴11还具有恢复装置17，其适于施加复位力以推动相互作用装置15、16从中空壳体12的外表面突出。优选地，恢复装置17借助压缩弹簧17’(图1所示)被推向试验心轴的尖端。在所示的实施例中，恢复装置17具有锥形尖端，使得当相互作用装置15、16径向向内移动时，它们将恢复装置17推向图中的左侧。因此，当恢复装置17在图中向左侧移动时，相互作用装置被径向向外推动。在图1的情况下，相互作用装置15、16推挤衬套30的内壁，该衬套30被布置成可相对于试验心轴11移动。

试验心轴11还包括联接到恢复装置17并适于指示相互作用装置15、16的相对位置的检测装置18，因为装置15、16的相对位置直接地联接到恢复装置17的位置。因此，当相互作用装置15、16的相对位置由于例如从试验心轴11外部施加到相互作用装置15、16上的力导致的位移而发生变化时，相互作用装置15、16与恢复装置17相互作用，并将恢复装置17移动到图1中的右侧。恢复装置17的该移动由检测装置18检测，且该移动能够产生响应信号。

图1的测量装置10还具有围绕试验心轴11的衬套30。衬套30的内径使得当衬套30覆盖相互作用装置15、16时衬套30与相互作用装置15、16接触。因此，本领域技术人员应理解，衬套30的内径可以变化。然而，衬套30的限定部分的内径应该使得当衬套30处于第一位置时，衬套30接触相互作用装置15、16。衬套30的外径或衬套30的外形尺寸大于待检查的孔21的埋头孔宽度。因此，当测量装置10与孔21接合时，衬套30不会穿过孔21或孔21的埋头孔。

如图2所示，当开始检查孔21时，测量装置10接近目标物20，直到衬套30与目标物20的外平坦表面22接触。试验心轴11与孔21对准。衬套30仍然处于图1的第一位置，在此处其与相互作用装置15、16接触。

图3示出了在检查孔21期间的后续步骤。优选地，测量装置10包括适于沿纵向方向移动试验心轴的自动致动装置。因此，自动致动装置可以使试验心轴11移动以穿过待检查的孔21。从图3中可以看出，衬套30由于衬套30与目标物20的侧壁22接触而相对于试验心轴11移动。一旦相互作用装置15、16不再被衬套30覆盖，则相互作用装置15、16的相对位置会改变，因为恢复装置17推动相互作用装置15、16从中空壳体12进一步突出。恢复装置17向前(图中为左侧)移动，且该移动由检测装置18检测，该检测装置18产生响应信号。由此，相互作用装置15、16的相对位置变化被检测到。相应的信号在下文中被表示为信号S₁。

图4示出了检查孔21中的后续步骤。与图3中的情况相比，试验心轴11进一步移动到孔21中，且相互作用装置15、16现在与目标物20接触。当将试验心轴进一步移动到孔21中时，相互作用装置15、16将被推回到试验心轴11的中空壳体12中或被推向试验心轴11的中空壳体12。由于与恢复装置17的锥形联接，所以恢复装置17在图1到图5中向右移动。恢复装置17的该移动由检测装置18检测，并由此检测相互作用装置15、16的相对位置的变化。因此，当相互作用装置15、16本身进入孔21自身时，这由检测装置18检测，且装置18输出新信号，该新信号在下文中被表示为信号S₂。

图5示出了将试验心轴11进一步***待检查的孔21中的情况。相互作用装置15、16现在与孔21的内壁接触，且检测装置18能够指示相互作用装置15、16的相对位置。相应的信号在下文中被表示为信号S₃。

因此，由于测量装置的几何形状和尺寸是已知的，且试验心轴的线性移动的量也是已知的，所以可以从所提供的信号S₁、S₂和S₃中确定埋头孔的深度以及孔21的直径。具体而言，基于信号S₁和S₂，可以确定埋头孔的深度，而信号S₃允许确定孔21的直径。因此，有利的是能够在一次操作中测量两个特性。同样，埋头孔的角度也是已知的，所以本领域技术人员也可以容易地确定或计算埋头孔的外径d_CSO。图6示出了测量装置10’，该测量装置10’包括试验心轴11’、衬套30’和沿纵向方向移动试验心轴11’的自动致动装置40’。衬套30’包括两个凹槽或开口31’、32’，它们适于当衬套30’处于初始位置覆盖试验心轴11’时，至少部分地接收相互作用装置15’、16’(参见图9的详细视图)。初始位置对应于测量装置10’的空闲位置，即，在试验心轴11’没有穿过待检查的孔时。初始位置还不同于衬套30’的第一位置，在该第一位置处，衬套30’的内壁与相互作用装置15’、16’接触。类似于图2所示的情况，当衬套30’与目标物第一次接触时，衬套30’顺利地移动到第一位置。

图7示出了图6的测量装置的另一种构造，即，由于自动致动装置40’的操作，试验心轴11’在纵向方向上移动。

图8示出了图6和图7的测量装置11’的尖端的详细视图。衬套30’覆盖试验心轴11’，且相互作用装置15’、16’设置在开口31’、32’中。因此，衬套30’处于其初始位置。

当随后衬套30’相对于试验心轴11’移动时，该衬套从初始位置移动到第一位置，由此相互作用装置移出它们各自的开口31’、32’并与衬套的内壁接触。换言之，相互作用装置被衬套的内壁径向向内地推动，与图1到图5的装置相似或相同，该位置变化可以被检测到。因此，当相互作用装置15’、16’离开开口30’、31并经由与衬套30’的接触而被移动或按压在中空壳体12内时，在检测装置处产生信号。该信号在下文中将被表示为信号S₀。

该信号S₀指示衬套30’远离其初始位置移动，即衬套30’相对于试验心轴11’移动。因此，能够确定测量装置10’什么时候与例如表面22接触，当测量装置例如由工业机器人操作时，这在自动化检查过程中是非常有利的。因此，信号S₀表示测量装置与待检查的目标物的表面接触。基于所述信息，纵向运动的速度，即由自动致动装置引发的速度可以例如被改变。因此，能够例如以高速接合孔，并以降低的速度对埋头孔深度和孔径进行检查或实际测量。备选地或附加地，还可以基于信号S₀改变其他参数。以下步骤类似于参照图1到图5所描述的步骤；即，借助图6到图9的装置，可以确定缩孔(sink hole)的深度。

图9示出了测量装置10’，此时，随着衬套30’被完全推回，其试验心轴11’完全未覆盖。因此，相互作用装置15’、16’未被覆盖且从试验心轴11’的壳体12’尽可能远地延伸(最大突起)。外壳50’容纳适于施加复位力以将衬套30’推动到初始位置的复原装置。例如，复原装置可以包括弹簧或类似物。本领域技术人员应理解，不管衬套是否具有开口31’、32’，都可以选择复原装置。

本领域技术人员还应理解，上面讨论的图并未按比例绘制，且例如相互作用装置可以采取不同的形式。因此，本领域技术人员能够想到选择合适的部件以实现测量装置的期望的方案。此外，本领域技术人员应当理解，根据待检查的孔和孔的预期质量和制造公差来设定相互作用装置的最大延伸。

图10完全示意性地图示出了工业机器人70，该工业机器人具有包括如本文所述的测量装置的端部操纵装置60。该机器人可以用于自动检查孔，或端部操纵装置60可包括用于机械紧固件、特别是铆钉的自动安装的附加工具。

附图标记列表

10、10’ 测量装置

11、11’ 试验心轴

12、12’ 中空壳体

13 中空壳体的内壁

14 中空壳体的外壁

15、16、15’、16’ 相互作用装置

17 恢复装置

17’ 压缩弹簧

18 检测装置

20 目标物

21 目标物中的孔

21’ 埋头孔

22 目标物的外表面

30，30’ 衬套

31’、32’ 衬套的开口

40’ 致动装置

50’ 包括复原装置的外壳

60 端部操纵装置

70 机器人

d_h 孔径

d_CSi 埋头孔的内径

d_CSo 埋头孔的外径

t_CS 埋头孔的深度

α 埋头孔的倒角角度

Claims

1.一种用于检查孔(21)的测量装置(10、10’)，所述装置包括：

试验心轴(11、11’)，包括中空壳体(12、12’)和布置在所述中空壳体(12、12’)中的相互作用装置(15、16、15’、16’)，所述相互作用装置(15、16、15’、16’)能够至少部分地穿过所述中空壳体(12、12’)中的开口而突出，且布置成能够相对于所述中空壳体(12、12’)移动；

检测装置(18)，用以检测所述相互作用装置(15、16、15’、16’)的相对位置；以及

衬套(30、30’)，供所述试验心轴(11、11’)布置在其中，所述衬套(30、30’)能够相对于所述试验心轴(11、11’)在覆盖所述相互作用装置(15、16、15’、16’)的第一位置与露出所述相互作用装置(15、16、15’、16’)的第二位置之间移动，其中当所述衬套(30、30’)处于所述第一位置时，所述衬套(30、30’)与所述相互作用装置(15、16、15’、16’)接触；

其中，所述相互作用装置(15、16、15’、16’)的露出能够由所述检测装置(18)检测，而且

所述衬套(30、30’)包括至少一个凹部或开口(31’、32’)，当所述衬套(30、30’)处于与所述第一位置不同的初始位置时，所述至少一个凹部或开口适于至少部分地接收所述相互作用装置(15、16、15’、16’)。

2.根据权利要求1所述的测量装置(10、10’)，其中，所述试验心轴(11、11’)还包括恢复装置(17)，所述恢复装置适于施加复位力以迫使所述相互作用装置(15、16，15’，16’)从所述中空壳体(12、12’)的外表面突出。

3.根据权利要求1或2所述的测量装置(10、10’)，其中，所述衬套(30、30’)是中空管，其内径大于所述试验心轴(11、11’)的中空壳体(12、12’)的外径，而且处于所述第一位置的所述衬套(30、30’)至少部分地包围所述试验心轴(11、11’)。

4.根据权利要求3所述的测量装置(10、10’)，其中，所述衬套(30、30’)的内径小于所述相互作用装置(15、16、15’、16’)的最大突出量。

5.根据权利要求1或2所述的测量装置(10、10’)，其中，所述相互作用装置(15、16、15’、16’)包括球形元件，所述球形元件被布置在所述中空壳体(12、12’)内，并部分地穿过所述中空壳体(12、12’)的圆形的开口而突出，其中所述圆形的开口的直径小于所述球形元件的直径。

6.根据权利要求1或2所述的测量装置(10、10’)，其中，所述检测装置(18)适于在所述相互作用装置(15、16、15’、16’)的相对位置改变时产生信号。

7.根据权利要求1所述的测量装置(10、10’)，其中，当所述衬套(30、30’)从所述初始位置移动到另一位置时，所述相互作用装置(15、16、15’、16’)的相对位置被改变。

8.根据权利要求1或2所述的测量装置(10、10’)，还包括自动致动装置(40’)，所述自动致动装置适于在所述试验心轴的纵向方向上移动所述试验心轴(11、11’)。

9.根据权利要求8所述的测量装置(10、10’)，其中，所述测量装置(10、10’)包括用于确定所述试验心轴(11、11’)的纵向移动的量的装置。

10.根据权利要求1或2所述的测量装置(10、10’)，还包括复原装置，所述复原装置适于施加复位力以将所述衬套(30、30’)推入所述第一位置或初始位置。

11.根据权利要求1或2所述的测量装置(10、10’)，其中，所述测量装置(10、10’)适于测量待检查的孔(21)的直径和埋头孔深度。

12.一种用于紧固工件的端部操纵装置，包括根据权利要求1到11中任一项所述的用于检查孔(21)的测量装置(10、10’)。

13.一种用于检查孔的方法，包括以下步骤：

-提供根据前述权利要求1到11中任一项所述的测量装置；

-将所述测量装置朝向工件中的孔移动，直到衬套与围绕所述孔的工件的表面邻接；

-进一步将所述测量装置向所述孔移动，使得所述试验心轴相对于所述衬套移动到所述孔中；

-当所述相互作用装置不再被所述衬套覆盖时，利用所述检测装置进行检测，并产生信号S₁；

-当所述相互作用装置与所述孔的内壁接触时，利用所述检测装置进行检测，并产生信号S₂；以及

-基于所述信号S₁和S₂：确定在所述信号S₁和S₂的产生之间所覆盖的所述试验心轴的距离。