基于并联技术的民用大飞机数字化装配机床.pdf

口 基于并联按市的 民 用大 椰 数字化装 配lf n 旆 ■ 文 ／ 哈尔滨量具刃具 集团有限责任公司 谭光恒 摘 要 本文阐述 了并联机床 的基本概 念．并联 机 床 的特 点及应 用领域 ，介绍 了基于并联技 术 的民用大 飞机 数字化装 配机床总体构造 、用途 及功 能．详尽的 描述 了民用飞机数字化装配的主要 工 艺流程 包含 的主 要 内容及该机床 实现这 些流程 的技 术方案。介 绍 了并 联 机构模块的主要技 术参数和该机床的其他技术指标 一 并联技术概述 并联机床 又称虚拟轴机床是 由机械机构学原 理 引用过来 的，机构学里将机构分 为串联机 构和并联 机构， 串联机构的典 型代表是机器人，传统的机 床的 布局实际上也 是串联机 构。理论上讲， 串联机构工作 范围大 灵活性好，但精度低，刚性差，作为机床， 为提高精度和刚性， 不得不将床 身、导轨等制造 的宽 大厚 实， 由此导致了活动范围和灵活性能的下降。 并联机构的典型代表是 S t e w a r t 平 台结构 图 1 ， 即由六根可伸缩杆和动平台构成，可实现 高的动 态特 性，但工作范 围小，后来研究者把并联机 构与串联机 构结合起来，构成混联结构，来达 到高动 态性能 和大 的工 作 空 间， 其典 型 代 表 是 T r i c e p t s 机 床 图 2 。 由于这种结构仍体现 出并联机构 的突出特点，故人们 6 6 第O 7 期数控机床市场 仍 习惯称之 为并联机床 ， 在 国际上 对并联 机 床 的研究 比较 好 的是 瑞典 的 N OU S E公 司， 到 2 0 0 3年，该 公 司已 经销售 出 3 0 0 余 台． ．这些机床大 多在飞机制造领域应用。2 0 0 4年， N OU S E公司 的原班研 发 队伍 组建 了 E x e c h o n公 司， 推 出了新型的并联机床，相对原来的 T r i c e p t s机床 的 性能指标有 了大幅度 的提高 图 3 。 该机床的主要 特点为 l矧 1 S t 、 ’ a r t 并联结构 2 ’ 1 ’r i c e 1 t S L J术核心 模 块 1 ．并联机构仅 有 6个关 节，1 O个 自由度． ．故其 刚性、动态性能及高速 性能大幅提高 2 ．动 态 刚性 一致 性好 该 并联 机床 下 平 台主轴 无论 处于加 工范围的任何 位置，其 动态特性 都保 持高 度一致， 为最佳 切削参数 的选择提 供 了保证 ，用于飞 机 大型铝合壁板的加工， 性能优 于传统 的龙门铣 床 3 ．该机 床加 工范 围 大， 突破 了传 统并 联机 构工 作空 间小 的局限性 且在工 作区域 内可 实现 5到 6面 及全 部复合角度的位置加 工 4 ． 该机床 可实现高速加工 。 由于运动部 分质量轻， 故很 容易实现 高速度及 高加速度运 动，可 以实现高速 切 削。 5 ．灵 活性强 ，可 以根据 用户 需 求构成 不 同的布 局 方式，可 以立置、 卧置 和斜置，甚 至可 以倒 置，用 以加 工大型 构件的下表面。 3新 代并联 机床核心模块 哈量集团与哈尔滨工业大学联合研发了 S t e w a r t 平 江 进 其 二 、 壁 板 装 配 机 床 的构 成 、用途 及 功能 1 、该机床的总体构成见图4 主要 由以下 几部 分构成 1 五轴联动 的并联 机构核心模块 2 三个正交 方向的运动系统 U、V 、W 轴 3 制孔法 向检测调 整系统及壁板压 紧装置 4 自动上胶 装置 5 自动换 刀及 更换 螺栓夹持盘装置 6 多规格螺栓 自动 上料装置 7 十字激光及 红外线无线侧头测量装置 4 2 、机床用途及主要功能 1 实现飞机 壁板的五轴制孔 飞机壁板 部件 由壁板 、框梁及长 桁构组成，要 求 用高锁螺栓 或铆钉将其连 成一个 整体 ，故需要大量 的 制孑 L 工作， 目前在我 国， 这项工作基 本上还是靠 人工 完成，工 作效 率低、 劳动 强度大，质 量难 以保证 。若 采 用五轴联动数控机床 NT L ， 将提高工作效率数十 倍， 加工质量稳定。 应 用机床来实现 自动 制孔， 机床需实现 以下几点 1 实现按区域分段建立工 件坐标 系 采用机床 自动NT L ，首 先要做 的是 建立工件坐标 系，壁板装在 型架 之后 ，通过检测， 得到机床 、型 架 及壁板 之间的相对位置 关系，由于机床 U轴工作行 程很长 可达 6 O米 ，欲使其导轨运动精度很高，成 本 将大幅度提 高，事实上也没 有必要， 可 以采用分 区 第0 7 期数控机床市场 6 7 口 域建立坐标系的办法来保证建模 的精度。 将壁板沿纵 向 U向分成若干个 区域，每个 区 域 的大小不超过机床 核心 模块 X轴 的行程 E X E 7 0 0 型为 2米 ， 在型架的每一个区域装若干个定位球 见 图 5 ，其 位置可 以是任意 的，只 要在机床 核心 模块 运动可以覆 盖范围内即可，这些定位点应事先用激光 跟踪仪检测 出其空 间位置。 当机床处于这个区域位置 时， 用红外线无线侧头测出这些定位 球相对于当下机 床 的相互位置关系，经过坐标 转换， 即可得 到机床相 对壁板的相对定位关系。当加 工下个区域 时，机床 先 在纵 向移动到下一个区域，按 上述步骤重新 建立工件 坐标。每次建立 的坐标 系应与首次建立 的工件坐标 系 是重合 的。 I划 定 1 装 这样，就可 以消 除机床纵 向运动直线性及定位精 度引起 的误差。确保壁板制孔位 置的准确。 2 实现 制孔时的法向进 刀 ； 实现法向进刀的方式有两种 其一是在壁板 实际 情 况与数模 比较差异不 大时， 利用 C A M软件，在设 计加工程序时，按法 向进 刀设定 即可。这种方法实现 起来很简单，不需要机床增加任何其他特殊 装置。但 在实际应 用中的大 多数情况，装在型架上的壁板相对 于数模相差比较大，按数模 自动编程，法向偏 差也大， 无法满足工艺要 求。针对这种情况，本 机床 的解决 方 案是对每一个孔 或一组位置的法向进行检测，方 法是是在NT L 压紧套上装有 3个电感传感器，在压 紧 套接近壁板 前，三个传感器测头 先与壁板 接触，根据 各传感器的读 数，修正机床刀具轴线，使得三个传感 器的指示值相同， 按此方向进刀， 即是壁板的实际法向。 3 实现壁板锪锥孔深度 的精确控制 ，i 同样道理，由于壁板 实际情 况与数模 的偏 离比较 大，如果按数模 编程加工，有可 能导致锪锥孔 时深浅 6 8 第0 7 期数控机床市场 不 一，甚至 出现锪通 的现 象。在本机床的制孔压紧装 置上装有绝对量光栅系统，压紧套端面相对主轴孔基 准线 之间 的距 离事先测定 好，在将 刀具 装入刀柄 时， 通过刀具预调仪调整好刀具长度。在进刀时，通过光 栅，实时 比较刀尖与压紧套端面之间的距离，当达到 规定的加工深度时，机床停 止进刀，从而准确 的保证 加工锥孔 的深度 上述装置见图 6 6 L 装 诺 2 实现 自动涂胶功能 在飞机 的某些部位，要求壁板部件连接螺栓 或 铆钉处 密封，一般采用在壁板锥面涂胶，当将螺栓 压入壁板到位时，螺栓圆锥沉头与锥孔接触，实现密 封。该机床是如此 实现这 一工作过程的 每一个夹持 盘配有一个 储胶 囊，事 先将胶液充入其 内，通过压钉 伺服 油缸 的顶杆 的步 进动作，每次 将胶液定 量挤 出， 在每 一个孔 的倒角处 留有环状 的胶环，保证螺栓铆钉 与孔 的密封。 3 自动装钉及压钉功能 1 为实现在 同一个壁板 上装几种不同规格 的高 锁螺栓 或 铆钉 ，设 置若干个 震动料斗，分 装不 同 规 格 的螺栓 或铆钉 ，通 过 自动 装钉机构，将其 装 在各 自的夹持盘上，通过加持盘传输装置和夹持盘 交 换 装置，再 将各 夹持盘 送入刀库 的指定位置 在进 行 压钉工序 时，应确保 当前装在机床主轴上的夹持盘 螺 栓的规格与设计 完全一致，该 机床有一个压钉过程 的 宏程序， 调用该宏程序 ， 设定 为 M代码， 在该宏程序 中， 按 该代码 要求， 只要填入该规格螺栓 的编号，在工作 时，程序就会 自动确定相应规格 的螺栓、需要的压入 深度及规定设定 的压入 力的大小，避免将其他规格的 螺栓 铆钉压入壁板的可能。 2 实现压钉过程 ； 在这一过程中，机床可以保证实现压钉方向与该孔 轴线重合及实现压钉过程状态 的判断，这些状态 包括 A、间 隙配合 或没 有 螺栓 ，此 时，机 床报 警， 由操作人员更换螺栓或确认没有螺栓 B 、过盈量 太 大或压 偏， 机床 报 警， 人 工更换 螺 栓或排除压偏情况 C 、螺栓是否压到位 判断，到位表示螺栓沉头部 分与壁板锥 孔接触 良好，否则， 判断 为异 常情况，人 工排 查处理 D 、各螺栓 与孔配合过盈 量大小 的数据 统计功能 ， 该 功能 可 以对全部 螺栓 的 干涉量 进 行记 录，并报 存， 供质量分析 之用 图 7为机 床涂胶、压钉装置 图 8为螺栓 加持盘。 7涂胶压钉装髓 图 8 三 机床的主要技术参数 Y轴 1 5 0 0 m m、 广 _ ] 1．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．．一 1 i t - i 9 Z轴 5 0 0 mm； 2 机床快速移动速 度 8 0 m／ mi n 、加速度 2 g 3 定位精度及重复性定位精度 定位精度 0 ． 0 3 mm重复定位精度 0 ． 0 0 5 mm 4 电主轴技 术参数 功率 3 2 K W、转 矩 3 4 N ． m、最大转速 1 8 0 0 0 r p m 、刀柄 H S K 6 3 A 2 、机床 U 、V 、W 轴主要技术参数 1 工 作范 围 U轴 任意，最 大 6 0 0 0 0 mm、V 轴 4 5 0 0 mm、W 轴 1 2 0 0 mm 2 各 轴 移 动 速 度 U轴 4 m／ mi n 、V轴 4 m／ mi n 、W 轴 5 m／ mi n 3 、刀库容量 4 0把 、换 刀时间 3 S ； 4 、压钉伺服油缸最 大压 力 3 0 0 0 0 N 5 、最大 制孑 L 壁板压 紧力 2 0 0 0 N 。 图 1 0为机床 的工作动 态仿 真。也 l O机床工作动 态仿真 第0 7 期数控机床市场 6 9