面向復(fù)合材料翼面類部件的自動制孔設(shè)備及其制孔方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種面向復(fù)合材料翼面類部件的自動制孔設(shè)備，為五軸聯(lián)動數(shù)控設(shè)備，包括主機架、B軸支架、A軸轉(zhuǎn)盤、Z軸部裝、Y軸拖鏈、Z軸拖鏈、吸屑裝置、刀具潤滑系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)油泵，Z軸部裝上設(shè)有主軸，主軸上通過液壓夾緊有鉆孔、鉸孔、锪窩一體結(jié)構(gòu)的復(fù)合刀具；在Z軸部裝的端部對稱設(shè)有四個激光測距傳感器，并分布于四個象限；在Z軸的部裝下方設(shè)有壓力腳支架，壓力腳支架的中心孔的圓周處設(shè)有壓力腳，壓力腳上設(shè)有壓力腳傳感器。該制孔裝置及其方法不僅夾緊和定位精度高，而且加工出的孔準確度高，并降低在制孔過程中對復(fù)合材料的損傷，從而在提高工作效率的同時，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。
【專利說明】面向復(fù)合材料翼面類部件的自動制孔設(shè)備及其制孔方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種面向復(fù)合材料翼面類部件的自動制孔設(shè)備及其方法，設(shè)有一種全自動數(shù)控機械加工方法。
【背景技術(shù)】
[0002]二十世紀九十年代以后，航空制造業(yè)對飛機裝配技術(shù)提出了高質(zhì)量、高效率、低成本并能適應(yīng)多品種產(chǎn)品的生產(chǎn)要求。自動制孔方法作為提高裝配效率和裝配質(zhì)量的有效途徑，其需求程度與發(fā)展趨勢也日益膨脹。常規(guī)形式的五坐標自動制孔方法雖然具備五軸聯(lián)動功能、法向調(diào)整功能和制孔精度檢測功能等，但是仍然無法滿足大尺寸、變厚度、復(fù)雜夾層的復(fù)合材料翼面類部件的制孔需求。完善自動制孔工藝方法，降低制孔過程對復(fù)合材料之間的劈裂、分層損傷；控制制孔垂直度，避免緊固件安裝后產(chǎn)品外形超出設(shè)計允許值；優(yōu)化離線編程技術(shù)，自動生成制孔順序，保證制孔點位的準確度等，都是傳統(tǒng)自動制孔方法亟待解決的問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]本發(fā)明要解決的技術(shù)問題是提供一種面向復(fù)合材料翼面類部件的自動制孔設(shè)備及其方法，該制孔方法不僅夾緊和定位精度高，而且加工出的孔準確度高，并降低在制孔過程中對復(fù)合材料的損傷，從而在提高工作效率的同時，保證了產(chǎn)品的質(zhì)量。
[0004]為解決以上問題，本發(fā)明的具體技術(shù)方案如下:一種面向復(fù)合材料翼面類部件的自動制孔設(shè)備，為五軸聯(lián)動數(shù)控設(shè)備，包括主機架、B軸支架、A軸轉(zhuǎn)盤、Z軸部裝、Y軸拖鏈、Z軸拖鏈、吸屑裝置、刀具潤滑系統(tǒng)和潤滑系統(tǒng)油泵，Z軸部裝上設(shè)有主軸，主軸上通過液壓夾緊有鉆孔、鉸孔、锪窩一體結(jié)構(gòu)的復(fù)合刀具；在Z軸部裝的端部對稱設(shè)有四個激光測距傳感器，并分布于四個象限；在Z軸的部裝下方設(shè)有壓力腳支架，壓力腳支架的中心孔的圓周處設(shè)有壓力腳，壓力腳上設(shè)有壓力腳傳感器。
[0005]利用面向復(fù)合材料翼面類部件的自動制孔設(shè)備進行制孔的方法，包括以下步驟: O工件坐標系與設(shè)備坐標系建立一致坐標系:
1.1)使用激光跟蹤儀，測量裝配工裝的基準框架，根據(jù)數(shù)模中的靶球位置與實際測量中的靶球位置讀數(shù)，將裝配工裝的實際位置與數(shù)模的理論位置統(tǒng)一；
1.2)使用激光跟蹤儀對設(shè)備刀尖位置進行測量，并修正刀尖位置；
1.3)將1.1步驟中測得的裝配工裝基準框架實際位置坐標值和1.2步驟中測得的刀尖位置坐標值,導(dǎo)入CATIA系統(tǒng)中，建立設(shè)備坐標系；
1.4)自定義某一位置作為工件零點，將各坐標軸方向與設(shè)備軸方向統(tǒng)一，以此在CATIA系統(tǒng)中建立工件坐標系；
1.5)操作自動制孔設(shè)備，令設(shè)備刀尖位于工件零點，讀取此時刀尖的X、Y、Z坐標值；
1.6)利用CATIA中的測量功能，測量在第1.3步驟中所建立的設(shè)備刀尖位置點在所設(shè)置的工件坐標中位置，由此，計算所需進行的框架偏轉(zhuǎn)；1.7)在設(shè)備中設(shè)置零點偏置值，編程階段首先調(diào)用該零點偏置值即可完成設(shè)備中工件坐標系的標定工作；
2)將裝配孔的信息批量導(dǎo)入計算機內(nèi)，并批量生成制孔信息；
3)采用鉆孔、鉸孔、锪窩一體結(jié)構(gòu)的復(fù)合刀具，并采用液壓式夾緊；
4)采用激光尋法矢量的誤差補償方法對刀具位置進行調(diào)整；
4.1)將刀具當前的矢量方向作為激光尋法線過程的起始值，即后續(xù)誤差補償?shù)幕A(chǔ)數(shù)
據(jù)；
4.2)取消Z軸主軸鉆頭的進給倍率，并關(guān)閉相機電源；
4.3)將加工點信息的值賦予給設(shè)備的X、Y、Z、A和B軸，使設(shè)備運行到加工點；
4.4)利用四個激光測距傳感器，測得四個象限測量值Rl、R2、R3和R4 ；
4.5)判斷測量值R1、R2、R3和R4，當對角的激光傳感器相等，即R1=R3，R2=R4時，則判斷刀具方向為待加工面的法線方向，系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)至第5步驟；反之，繼續(xù)4.6步驟；
4.6)啟動法矢量誤差補 償:通過激光測距傳感器的四個象限測量值得出機床B軸擺角和A軸擺角，
計算得出B軸擺角Rb:
Rb=ATAN2 ((R2-R4-R1+R3), (4*112.5)) + $AA_IW[MB]，其中 $AA_Iff[MB]為機床B軸的當前擺角值；
計算得出A軸擺角Ra:
Ra=ATAN2 (R1-R3+R2-R4) * COS (Rb)，4*89.5) +$AA_Iff[MA]，其中 $AA_IW[MA]為機床 A軸的當前擺角值；
上述的“ATAN2函數(shù)”為計算給定橫坐標和縱坐標點的反正切值，函數(shù)計算的結(jié)果是-JI~JI之間的弧度值；
4.7)計算激光尋法次數(shù)Rn:每計算一次法矢量誤差補償值，系統(tǒng)程序?qū)⒆詣訉しù螖?shù)Rn+1，Rn的初始值為O ;
4.8)激光法補償運動:將4.6步驟中計算的A軸及B軸擺角值傳遞給上位機后，系統(tǒng)對機床的A軸和B軸做出一次補償調(diào)整；
4.9)補償反饋:補償后，系統(tǒng)將重復(fù)4.4到4.8步驟驗證法矢量，并將結(jié)果反饋給上位機，一種情況是補償成功，則系統(tǒng)自動啟動激光保護屏蔽，準備制孔；另一種情況是尋法次數(shù)超過3次仍不滿足精度要求，則尋法線失敗報警，系統(tǒng)自動跳過此加工點；
5)自動鉆孔、锪窩制孔:
5.1)鉆頭轉(zhuǎn)速啟動，鉆頭潤滑啟動；
5.2)鉆頭進給到預(yù)定深度后，鉆頭撤回到安全面；
5.3)鉆孔位置是否到達，如果不到達，返回5.2步驟；
5.4)鉆頭進給到最終孔深度后，鉆頭快速進給到锪窩起始位置；
5.5)制孔主軸啟動；
5.6)主軸法向低速進給，直至達到锪窩深度，法向進給停止，主軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動2秒；
5.7)主軸停止轉(zhuǎn)動后，鉆頭高速退出到安全面，該制孔完畢。
[0006]所述的面向復(fù)合材料翼面類部件的自動制孔設(shè)備進行制孔的方法，在步驟5的自動制孔過程中，壓力腳接觸待加工蒙皮，其上的壓力傳感器將壓力值實時傳遞給上位機，當壓力腳接觸到蒙皮的時候，壓力腳的壓力值和電機的扭矩值實時傳遞給上位機，判斷是否繼續(xù)施加壓力；當壓力腳的壓力達到預(yù)設(shè)值時，壓力腳自動停止前壓動作。
[0007]該面向復(fù)合材料翼面類部件的自動制孔設(shè)備采用上述結(jié)構(gòu)，滿足了大尺寸、變厚度、雙曲面、復(fù)合材料壁板與鋁合金疊層的鉆孔加工，并實現(xiàn)了鉆頭在一次進給過程中完成制孔、锪窩的工序，不僅提高了工作效率，同時大大提高了加工精度，防止了復(fù)合材料鉆孔過程中的劈裂和分層損傷。
【專利附圖】

【附圖說明】
[0008]圖1為面向復(fù)合材料翼面類部件的自動制孔設(shè)備的側(cè)視圖。
[0009]圖2為面向復(fù)合材料翼面類部件的自動制孔設(shè)備的主視圖。
[0010]圖3為Z軸部裝的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0011]圖4為Z軸部裝的剖視圖。
[0012]圖5為工件坐標系與設(shè)備坐標系的轉(zhuǎn)換流程圖。
[0013]圖6為自動制孔工藝流程圖。
【具體實施方式】
[0014]如圖1至圖4所示，一種面向復(fù)合材料翼面類部件的自動制孔設(shè)備，為五軸聯(lián)動數(shù)控設(shè)備，包括主機架1、B軸支架2、A軸轉(zhuǎn)盤3、Z軸部裝4、Y軸拖鏈8、Ζ軸拖鏈9、吸屑裝置
5、刀具潤滑系統(tǒng)6和潤滑系統(tǒng)油泵7，Z軸部裝4上設(shè)有主軸，主軸上通過液壓夾緊有鉆孔、鉸孔、锪窩一體結(jié)構(gòu)的復(fù)合刀具；在Z軸部裝4的端部對稱設(shè)有四個激光測距傳感器24，并分布于四個象限；在Z軸的部裝下方設(shè)有壓力腳支架16，壓力腳支架16的中心孔的圓周處設(shè)有壓力腳18，壓力腳18上設(shè)有壓力腳傳感器17。
[0015]利用上述的面向復(fù)合材料翼面類部件的自動制孔設(shè)備進行制孔的方法，包括以下步驟:
1)工件坐標系與設(shè)備坐標系建立一致坐標系，如圖5所示:
1.0使用激光跟蹤儀，測量裝配工裝的基準框架，根據(jù)數(shù)模中的靶球位置與實際測量中的靶球位置讀數(shù)，將裝配工裝的實際位置與數(shù)模的理論位置統(tǒng)一；
1.2)使用激光跟蹤儀對設(shè)備刀尖位置進行測量，并修正刀尖位置；
1.3)將1.1步驟中測得的裝配工裝基準框架實際位置坐標值和1.2步驟中測得的刀尖位置坐標值,導(dǎo)入CATIA系統(tǒng)中，建立設(shè)備坐標系；
1.4)自定義某一位置作為工件零點，將各坐標軸方向與設(shè)備軸方向統(tǒng)一，以此在CATIA系統(tǒng)中建立工件坐標系；
1.5)操作自動制孔設(shè)備，令設(shè)備刀尖位于工件零點，讀取此時刀尖的X、Y、Z坐標值；
1.6)利用CATIA中的測量功能，測量在第1.3步驟中所建立的設(shè)備刀尖位置點在所設(shè)置的工件坐標中位置，由此，計算所需進行的框架偏轉(zhuǎn)；
1.7)在設(shè)備中設(shè)置零點偏置值，編程階段首先調(diào)用該零點偏置值即可完成設(shè)備中工件坐標系的標定工作；
2)將裝配孔的信息批量導(dǎo)入計算機內(nèi)，并批量生成制孔信息；
3)采用鉆孔、鉸孔、锪窩一體結(jié)構(gòu)的復(fù)合刀具，并采用液壓式夾緊；4)采用激光尋法矢量的誤差補償方法對刀具位置進行調(diào)整，該補償調(diào)整保證了刀具在鉆制孔前，刀具與曲面法向垂直；
4.1)將刀具當前的矢量方向作為激光尋法線過程的起始值，即后續(xù)誤差補償?shù)幕A(chǔ)數(shù)
據(jù)；
4.2)取消Z軸主軸鉆頭的進給倍率，并關(guān)閉相機電源；
4.3)將加工點信息的值賦予給設(shè)備的X、Y、Z、A和B軸，使設(shè)備運行到加工點；
4.4)利用四個激光測距傳感器，測得四個象限測量值Rl、R2、R3和R4 ；
4.5)判斷測量值R1、R2、R3和R4，當對角的激光傳感器相等，即R1=R3，R2=R4時，則判斷刀具方向為待加工面的法線方向，系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)至第5步驟；反之，繼續(xù)4.6步驟；
4.6)啟動法矢量誤差補償:通過激光測距傳感器24的四個象限測量值得出機床B軸擺角和A軸擺角，
計算得出B軸擺角Rb:
Rb=ATAN2 ((R2-R4-R1+R3), (4*112.5)) + $AA_IW[MB]，其中 $AA_Iff[MB]為機床B軸的當前擺角值；
計算得出A軸擺角Ra:
Ra=ATAN2 (R1-R3+R2-R4) * COS (Rb)，4*89.5) +$AA_Iff[MA]，其中 $AA_IW[MA]為機床 A軸的當前擺角值；
上述的“ATAN2函數(shù)”為計算給定橫坐標和縱坐標點的反正切值，函數(shù)計算的結(jié)果是-JI~JI之間的弧度值；
4.7)計算激光尋法次數(shù)Rn:每計算一次法矢量誤差補償值，系統(tǒng)程序?qū)⒆詣訉しù螖?shù)Rn+1，Rn的初始值為O ;
4.8)激光法補償運動:將4.6步驟中計算的A軸及B軸擺角值傳遞給上位機后，系統(tǒng)對機床的A軸和B軸做出一次補償調(diào)整；
4.9)補償反饋:補償后，系統(tǒng)將重復(fù)4.4到4.8步驟驗證法矢量，并將結(jié)果反饋給上位機，一種情況是補償成功，則系統(tǒng)自動啟動激光保護屏蔽，準備制孔；另一種情況是尋法次數(shù)超過3次仍不滿足精度要求，則尋法線失敗報警，系統(tǒng)自動跳過此加工點；
5)自動鉆孔、鎊窩制孔，如圖6所示:
5.1)鉆頭轉(zhuǎn)速啟動，鉆頭潤滑啟動；
5.2)鉆頭進給到預(yù)定深度后，鉆頭撤回到安全面；
5.3)鉆孔位置是否到達，如果不到達，返回5.2步驟；
5.4)鉆頭進給到最終孔深度后，鉆頭快速進給到锪窩起始位置；
5.5)制孔主軸啟動；
5.6)主軸法向低速進給，直至達到锪窩深度，法向進給停止，主軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動2秒；
5.7)主軸停止轉(zhuǎn)動后，鉆頭高速退出到安全面，該制孔完畢。
[0016]在步驟5的自動制孔過程中，壓力腳18接觸待加工蒙皮，其上的壓力傳感器17將壓力值實時傳遞給上位機，當壓力腳接觸到蒙皮的時候，壓力腳的壓力值和電機的扭矩值實時傳遞給上位機，判斷是否繼續(xù)施加壓力；當壓力腳的壓力達到預(yù)設(shè)值時，壓力腳自動停止前壓動作。在該步驟中，系統(tǒng)根據(jù)不同夾層結(jié)構(gòu)及厚度選擇壓緊力的強度，從而保證復(fù)材-鋁合金疊層的緊密貼合，即有效防止了復(fù)合材料的劈裂情況的發(fā)生，而且防止了在制孔過程中切削進入到夾層中，造成零件的損傷。
[0017]經(jīng)過大量制孔試驗，使用該設(shè)備及其該方法所制的裝配孔，孔位偏差< ±0.5mm,制孔精度達到H7級，孔壁粗糙度0.8。按孔位安裝高鎖螺栓后，垂直度偏差< 0.5°，螺栓頭凸出量< 0.1mm,符合設(shè)計文件要求。
【權(quán)利要求】
1.一種面向復(fù)合材料翼面類部件的自動制孔設(shè)備，為五軸聯(lián)動數(shù)控設(shè)備，包括主機架(1)、8軸支架(2)^軸轉(zhuǎn)盤(3)、2軸部裝(4)、￥軸拖鏈(8)、2軸拖鏈(9)、吸屑裝置(5)、刀具潤滑系統(tǒng)(6)和潤滑系統(tǒng)油泵(7)，其特征在于:Z軸部裝(4)上設(shè)有主軸，主軸上通過液壓夾緊有鉆孔、鉸孔、锪窩一體結(jié)構(gòu)的復(fù)合刀具；在〖軸部裝(4)的端部對稱設(shè)有四個激光測距傳感器(24)，并分布于四個象限；在Z軸的部裝下方設(shè)有壓力腳支架(16)，壓力腳支架(16)的中心孔的圓周處設(shè)有壓力腳(18)，壓力腳(18)上設(shè)有壓力腳傳感器(17)。
2.利用權(quán)利要求1所述的面向復(fù)合材料翼面類部件的自動制孔設(shè)備進行制孔的方法，其特征在于包括以下步驟: 1)工件坐標系與設(shè)備坐標系建立一致坐標系: .1.1)使用激光跟蹤儀，測量裝配工裝的基準框架，根據(jù)數(shù)模中的靶球位置與實際測量中的靶球位置讀數(shù)，將裝配工裝的實際位置與數(shù)模的理論位置統(tǒng)一； .1.2)使用激光跟蹤儀對設(shè)備刀尖位置進行測量，并修正刀尖位置； .1.3)將1.1步驟中測得的裝配工裝基準框架實際位置坐標值和1.2步驟中測得的刀尖位置坐標值,導(dǎo)入CATIA系統(tǒng)中，建立設(shè)備坐標系； .1.4)自定義某一位置作為工件零點，將各坐標軸方向與設(shè)備軸方向統(tǒng)一，以此在CATIA系統(tǒng)中建立工件坐標系； . 1.5)操作自動制孔設(shè)備，令設(shè)備刀尖位于工件零點，讀取此時刀尖的X、Y、Z坐標值； .1.6)利用CATIA中的測量功能，測量在第1.3步驟中所建立的設(shè)備刀尖位置點在所設(shè)置的工件坐標中位置，由此，計算所需進行的框架偏轉(zhuǎn)； .1.7)在設(shè)備中設(shè)置零點偏置值，編程階段首先調(diào)用該零點偏置值即可完成設(shè)備中工件坐標系的標定工作； 2)將裝配孔的信息批量導(dǎo)入計算機內(nèi)，并批量生成制孔信息； 3)采用鉆孔、鉸孔、锪窩一體結(jié)構(gòu)的復(fù)合刀具，并采用液壓式夾緊； 4)采用激光尋法矢量的誤差補償方法對刀具位置進行調(diào)整； . 4.1)將刀具當前的矢量方向作為激光尋法線過程的起始值，即后續(xù)誤差補償?shù)幕A(chǔ)數(shù)據(jù)； . 4.2)取消Z軸主軸鉆頭的進給倍率，并關(guān)閉相機電源； .4.3)將加工點信息的值賦予給設(shè)備的X、Y、Z、A和B軸，使設(shè)備運行到加工點； .4.4)利用四個激光測距傳感器，測得四個象限測量值Rl、R2、R3和R4 ； .4.5)判斷測量值R1、R2、R3和R4，當對角的激光傳感器相等，即R1=R3，R2=R4時，則判斷刀具方向為待加工面的法線方向，系統(tǒng)直接轉(zhuǎn)至第5)步驟；反之，繼續(xù)4.6)步驟； .4.6)啟動法矢量誤差補償:通過激光測距傳感器(24)的四個象限測量值得出機床B軸擺角和A軸擺角， 計算得出B軸擺角Rb:
Rb=ATAN2 ((R2-R 4-R1+R3), (4*112.5)) + $AA_IW[MB]，其中 $AA_Iff[MB]為機床B軸的當前擺角值； 計算得出A軸擺角Ra:
Ra=ATAN2 (R1-R3+R2-R4) * COS (Rb)，4*89.5) +$AA_Iff[MA]，其中 $AA_IW[MA]為機床 A軸的當前擺角值；上述的“ATAN2函數(shù)”為計算給定橫坐標和縱坐標點的反正切值，函數(shù)計算的結(jié)果是-JI~JI之間的弧度值； .4.7)計算激光尋法次數(shù)Rn:每計算一次法矢量誤差補償值，系統(tǒng)程序?qū)⒆詣訉しù螖?shù)Rn+1，Rn的初始值為O ; .4.8)激光法補償運動:將4.6步驟中計算的A軸及B軸擺角值傳遞給上位機后，系統(tǒng)對機床的A軸和B軸做出一次補償調(diào)整； .4.9)補償反饋:補償后，系統(tǒng)將重復(fù)4.4到4.8步驟驗證法矢量，并將結(jié)果反饋給上位機，一種情況是補償成功，則系統(tǒng)自動啟動激光保護屏蔽，準備制孔；另一種情況是尋法次數(shù)超過3次仍不滿足精度要求，則尋法線失敗報警，系統(tǒng)自動跳過此加工點； .5)自動鉆孔、锪窩制孔: . 5.1)鉆頭轉(zhuǎn)速啟動，鉆頭潤滑啟動； . 5.2)鉆頭進給到預(yù)定深度后，鉆頭撤回到安全面； . 5.3)鉆孔位置是否到達，如果不到達，返回5.2步驟； .5.4)鉆頭進給到最終孔深度后，鉆頭快速進給到锪窩起始位置； .5.5)制孔主軸啟動； .5.6)主軸法向低速進給，直至達到锪窩深度，法向進給停止，主軸繼續(xù)轉(zhuǎn)動2秒； .5.7)主軸停止轉(zhuǎn)動后，鉆頭高速退出到安全面，該制孔完畢。
3.如權(quán)利要求2所述的面向復(fù)合材料翼面類部件的自動制孔設(shè)備進行制孔的方法，其特征在于:在步驟5的自動制孔過程中，壓力腳(18)接觸待加工蒙皮，其上的壓力傳感器(17)將壓力值實時傳遞給上位機，當壓力腳接觸到蒙皮的時候，壓力腳的壓力值和電機的扭矩值實時傳遞給上 位機，判斷是否繼續(xù)施加壓力；當壓力腳的壓力達到預(yù)設(shè)值時，壓力腳自動停止前壓動作。
【文檔編號】B23B39/24GK103722207SQ201310713396
【公開日】2014年4月16日 申請日期:2013年12月23日 優(yōu)先權(quán)日:2013年12月23日
【發(fā)明者】歐陽 , 黃曉宇, 劉哲 申請人:沈陽飛機工業(yè)（集團）有限公司