制孔法向找正方法、制孔末端执行装置及制孔机器人与流程

1.本发明涉及孔加工技术领域，尤其是涉及一种制孔法向找正方法、制孔末端执行装置及制孔机器人。


背景技术：

2.在航空产品制造过程中，由于航空产品的特殊性，其连接方式多为铆钉铆接或螺栓螺接的连接方式，为铆钉制孔锪窝后再进行铆接作业或螺栓制孔锪窝后进行螺接作业。锪窝精度控制是飞机壁板制孔质量的重要技术指标， 直接关系的飞机的装配质量和性能指标。
3.在实际制孔过程中，制孔机器人装上制孔工具（tool）对工件进行加工，通过建立工具坐标系描述工具在空间中的位置和姿态，工具坐标系的原点称为tcp，则若干加工点的位姿在工具坐标系下可用位置坐标x，y，z和 姿态rx(绕x轴旋转的角度)，ry（绕y轴的旋转角度），rz（绕z轴的旋转角度）来表示。
4.制孔过程为机器人移动到制孔位置，调整姿态使得刀具垂直于工件表面，调整姿态的过程中，机器人的刀尖点位置不能发生移动， 所以姿态计算是在以刀尖点为原点的工具坐标下，计算rx，ry，rz，使得加工刀具垂直于工件表面，也即通常是在刀尖处建立工具坐标系。
5.在制孔工具由一个加工点移动到另一个加工点后，机器人移动到加工位置后，调整刀具姿态，姿态的不同，实际加工位置点会和要求加工的位置点产生偏差，而机器人移动到加工点后，无法保证刀尖点紧贴工件表面，从而无法保证工具坐标系的原点并不是加工点，这就会导致机器人加工的孔的实际位置有偏差，制孔精度低。


技术实现要素：

6.本发明的目的在于提供一种制孔法向找正方法、制孔末端执行装置及制孔机器人，以在一定程度上解决现有技术中存在的加工的孔的实际位置有偏差，制孔精度低的技术问题。
7.本发明提供了一种制孔法向找正方法，包括：以刀具的刀尖为原点建立固定工具坐标系，并获得固定工具坐标系在机器人基坐标系下的第一位姿矩阵；测量所述刀尖与加工点之间的距离；根据所述距离获得固定工具坐标系沿刀具的进给方向平移所述距离的变换矩阵；根据所述第一位姿矩阵和所述变换矩阵获得以加工点为原点的动态工具坐标系在机器人基座标系下的第二位姿矩阵；测量所述刀具当前姿态与工件当前加工处法向的偏差角度；根据所述偏差角度在所述动态工具坐标系下调整所述刀具的姿态。
8.制孔机器人的控制器可以以刀具的刀尖为原点建立固定工具坐标系，并获得固定
工具坐标系在机器人基坐标系下的第一位姿矩阵，控制器根据测量到的所述刀尖与加工点之间的距离获得固定工具坐标系沿刀具的进给方向（如x轴方向）平移所述距离的变换矩阵，机器人根据第一位姿矩阵和变换矩阵，通过，从而得到以加工点为原点的动态工具坐标系在机器人基座标系下的第二位姿矩阵，也即以加工点为原点建立动态工具坐标系，最后测量所述刀具当前姿态在所述动态工具坐标系下与工件当前加工处法向的偏差角度；在动态工具坐标系下，控制器控制刀具分别绕z、y、x轴旋转α，β，γ角度调整姿态。在此过程中，以加工点为原点建立的动态工具坐标系，则在调整刀具姿态过程中，始终以加工点为原点进行角度调整，因此，不论如何调整，当刀具进给加工时，实际加工点也会是设定的加工点，提高了制孔准确性，提高了制孔精度。
9.本发明提供一种制孔末端执行装置，用于实现上述的制孔法向找正方法，包括：基板、刀具、支架、刀具驱动件、距离测量元件以及多个激光位移传感器；所述支架与所述基板连接，所述刀具驱动件固定在所述支架上，所述刀具驱动件与所述刀具驱动连接，所述距离测量元件与所述基板连接，所述距离测量元件用于检测所述刀具的刀尖与工件的加工点之间的距离，所述刀具的两侧均设有所述激光位移传感器，多个所述激光位移传感器用于测量刀具的轴向与工件的当前加工处的法向之间的偏差角度；所述刀具驱动件、所述距离测量元件以及多个激光位移传感器用于与制孔机器人的控制器通信连接。
10.进一步地，所述制孔末端执行装置还包括压紧模块、窝深控制模块和进给模块；所述压紧模块包括压紧气缸和压脚，所述窝深控制模块包括窝深顶杆；所述进给模块包括进给气缸、进给固定板和限位块；所述刀具驱动件为刀具旋转驱动件；所述压紧气缸与所述基板连接，所述压紧气缸分别与所述压脚和所述窝深控制模块传动连接以驱动所述压脚和所述窝深控制模块沿所述刀具的轴向伸缩，所述进给气缸与所述进给固定板驱动连接以驱动所述进给固定板沿所述刀具的轴向运动，所述限位块和所述支架均与所述进给固定板连接。
11.进一步地，所述窝深控制模块还包括窝深调节驱动件，所述窝深调节驱动件与所述窝深顶杆传动连接以驱动所述窝深顶杆沿所述刀具的轴向伸缩。
12.进一步地，所述窝深控制模块还包括窝深连接块、窝深限位块和光电开关；所述窝深顶杆包括第一杆部和第二杆部，所述第一杆部和所述第二杆部之间形成台阶；所述窝深调节驱动件与所述窝深连接块的一侧连接，所述光电开关和所述窝深限位块均与所述窝深连接块的另一侧连接；所述光电开关上设有滑设所述第一杆部的滑槽，所述窝深限位块上设有滑设所述第二杆部的滑槽。
13.进一步地，制孔末端执行装置还包括压脚连接板；所述压脚呈筒状设置，所述刀具穿设在所述压脚内，所述压脚连接板的一端与所述压脚驱动件连接，所述压脚连接板的另一端与所述压脚连接，在所述压脚连接板的宽度方向上，所述压脚连接板的两侧对称设有两个所述激光位移传感器。
14.进一步地，所述支架的顶部设有滑块，所述压脚固定板的底部设有滑槽，所述滑块设置在所述滑槽内。
15.进一步地，所述进给模块还包括进给连接板、进给连接盘和进给套筒；所述进给连接板与所述进给固定板的靠近所述压脚的一端连接，所述进给连接盘与所述进给连接板连接，所述进给连接盘与所述进给套筒连接，所述进给套筒穿设固定在所述压脚连接板上，所
述刀具与进给套筒连接。
16.进一步地，所述制孔末端执行装置还包括吸料管道和排料管道；所述压脚上设有出料口，所述吸料管道的一端与所述出料口连通，所述吸料管道的另一端与所述排料管道连通；所述吸料管道设置在所述压脚连接板上。
17.进一步地，所述距离测量元件为光栅尺，所述光栅尺设置在所述压脚驱动件的活动部上。
18.本发明提供一种制孔机器人，包括控制器以及上述制孔末端执行装置，所述制孔末端执行装置与所述控制器通信连接。
19.应当理解，前述的一般描述和接下来的具体实施方式两者均是为了举例和说明的目的并且未必限制本公开。并入并构成说明书的一部分的附图示出本公开的主题。同时，说明书和附图用来解释本公开的原理。
附图说明
20.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
21.图1为本发明实施例的制孔末端执行装置的第一视角的结构示意图；图2为本发明实施例的制孔末端执行装置的第二视角的结构示意图；图3为本发明实施例的制孔末端执行装置的第三视角的结构示意图；图4为图1所示的制孔末端执行装置中压紧模块的结构示意图；图5为图1所示的制孔末端执行装置中进给模块的结构示意图；图6为图1所示的制孔末端执行装置中窝深控制模块的结构示意图。
22.图标：10-基板；20-刀具；30-刀具旋转驱动件；40-光栅尺；50-激光位移传感器；60-压紧模块；70-窝深控制模块；80-进给模块； 90-支架；100-吸料管道；110-排料管道；120-锁紧气缸；61-压紧气缸；62-压脚；63-压脚连接板；71-窝深顶杆；72-窝深调节驱动件；73-窝深连接块；74-光电开关；75-窝深限位块；81-进给气缸；82-进给固定板；83-限位块；84-进给连接板；85-进给连接盘；86-进给套筒。
具体实施方式
23.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。
24.通常在此处附图中描述和显示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。
25.基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
26.在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了
便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
27.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
28.实施例一本发明提供一种制孔法向找正方法，包括：以刀具20的刀尖为原点建立固定工具坐标系，并获得固定工具坐标系在机器人基坐标系下的第一位姿矩阵；测量刀尖与加工点之间的距离；根据距离获得固定工具坐标系平移距离的变换矩阵；根据第一位姿矩阵和变换矩阵获得以加工点为原点的动态工具坐标系在机器人基座标系下的第二位姿矩阵；测量刀具20当前姿态与工件当前加工处法向的偏差角度；根据偏差角度调整在动态工具坐标系下刀具20的姿态。
29.本实施例中，制孔机器人的控制器可以以刀具20的刀尖为原点建立固定工具坐标系，并获得固定工具坐标系在机器人基坐标系下的第一位姿矩阵，控制器根据测量到的测量刀尖与加工点之间的距离获得固定工具坐标系平移沿刀具20的进给方向（如x轴方向）平移距离的变换矩阵，机器人根据第一位姿矩阵和变换矩阵，通过，从而得到以加工点为原点的动态工具坐标系在机器人基座标系下的第二位姿矩阵，也即以加工点为原点建立动态工具坐标系，最后测量刀具20当前姿态在动态工具坐标系下与工件当前加工处法向的偏差角度；在动态工具坐标系下，控制器控制刀具20分别绕z、y、x轴旋转α，β，γ角度调整姿态（也即刀具旋转rx、ry、rz）。在此过程中，以加工点为原点建立的动态工具坐标系，则在调整刀具20姿态过程中，始终以加工点为原点进行角度调整，因此，不论如何调整，当刀具20进给加工时，实际加工点也会是设定的加工点，提高了制孔准确性，提高了制孔精度。
30.其中，。
31.实施例二如图至图6所示，本发明实施例提供一种制孔末端执行装置，用于实现实施例一中制孔法向找正方法，包括：基板10、刀具20、支架90、刀具20驱动件、距离测量元件以及多个激光位移传感器50；支架90与基板10连接，刀具20驱动件固定在支架90上，刀具20驱动件与刀具20驱动连接，距离测量元件与基板10连接，距离测量元件用于检测刀具20的刀尖与工件的加工点之间的距离，刀具20的两侧均设有激光位移传感器50，多个激光位移传感器50
用于测量刀具20的轴向与工件的当前加工处的法向之间的偏差角度。
32.本实施例中，距离传感器可以检测刀尖与加工点之间的距离d，然后将该数据输送给制孔机器人的控制器，控制器根据距离d获得变换矩阵，控制器根据第一位姿矩阵和变换矩阵，通过，从而得到以加工点为原点的动态工具坐标系在机器人基座标系下的第二位姿矩阵，也即以加工点为原点建立动态工具坐标系，最后测量刀具20当前姿态在动态工具坐标系下与工件当前加工处法向的偏差角度；在动态工具坐标系下，控制器控制刀具20分别绕z、y、x轴旋转α，β，γ角度调整姿态。在此过程中，以加工点为原点建立的动态工具坐标系，则在调整刀具20姿态过程中，始终以加工点为原点进行角度调整，因此，不论如何调整，当刀具20进给加工时，实际加工点也会是设定的加工点，提高了制孔准确性，提高了制孔精度。
33.其中，激光位移传感器50的数量可以为四个，刀具20的左右两侧均设置有两个激光位移传感器50，当控制器建立好当前加工点处的动态工具坐标系后，四个激光位移传感器50的读数值为激光位移传感器50的探头距离工件表面的值，标定后，四个激光位移传感器50值相等时，刀具20垂直于工件表面，控制器根据四个激光位移传感器的读数值，可以计算出当前刀具20的姿态与工件法线的偏差角度，即刀具20需要调整的法向角度（此过程可以根据常规技术手段获得）。
34.如图1至图6所示，在上述实施例基础之上，进一步地，制孔末端执行装置还包括压紧模块60、窝深控制模块70和进给模块80；压紧模块60包括压紧气缸61和压脚62，窝深控制模块70包括窝深顶杆71；进给模块80包括进给气缸81、进给固定板82和限位块83；压紧气缸61与基板10固定连接，压紧气缸61分别与压脚62和窝深控制模块70传动连接以驱动压脚62和窝深控制模块70沿刀具20的轴向伸缩，进给气缸81与进给固定板82驱动连接以驱动进给固定板82沿刀具20的轴向运动，限位块83和支架90均与进给固定板82连接。
35.具体地，压紧气缸61包括压紧固定部、压紧活塞杆和压紧活动部，压紧固定部固定在基板10上，压紧活塞杆滑设在压紧固定部内，压紧活塞杆与压紧活动部连接，以带动压紧活动板运动，压脚62和窝深控制模块70均可以与压紧活动部连接。进给气缸81包括进给固定部和进给活塞杆，进给活塞杆可以在进给固定部内滑动，进给活塞杆与进给固定板82连接。
36.在锪窝过程中，压紧气缸61驱动压脚62伸出（向靠近工件的方向运动），以使压脚62与工件抵接，可以通过计算设置压紧气缸61的工作压力，以使压脚62在工件平稳状态下与工件抵接时受到的反作用力与压紧气缸61的工作压力相等，两者平衡，此时压紧气缸61停止工作；进给气缸81可以驱动进给固定板82向靠近窝深顶杆71的方向运动，从而驱动限位块83向靠近窝深顶杆71的方向运动，可以通过计算设置进给气缸81的工作压力，以使限位块83与窝深顶杆71接触时的限位块83受到的反作用力与进给气缸81的工作压力相等，两者平衡，此时进给气缸81停止工作。
37.理想状态下，也即在加工过程中工件保持平稳不会起伏状态下，当进给气缸81驱动限位块83与窝深顶杆71接触时，进给气缸81停止工作，同时锪窝完成。然而实际加工过程中，工件在不停的振动，出现起伏（靠近进给气缸81的为起，远离进给气缸81为伏），而刀具20仍在旋转，这就容易导致窝深加工不到位或者加工过深，加工精度欠佳。
38.本实施例中，采用压紧气缸61作为压脚62的驱动件，压紧气缸61为柔性驱动件，压紧活塞杆可以双向运动，当反作用力大于压紧气缸61的工作压力时，压紧活塞杆可以回缩，当反作用力小于压紧气缸61的工作压力时，压紧活塞杆伸出；同理，采用进给气缸81作为限位块83的驱动件，进给气缸81为柔性驱动件，进给活塞杆可以双向运动，当反作用力大于进给气缸81的工作压力时，进给活塞杆可以回缩，当反作用力小于进给气缸81的工作压力时，进给活塞杆伸出。
39.因此，当限位块83与窝深顶杆71抵接后，工件仍处于不平稳状态，工件振动、起起伏伏，若工件向靠近进给气缸81的方向运动时，压脚62受到的反作用力变大，也即压脚62受到的反作用力大于压紧气缸61的工作压力，从而推动压紧活动部和压紧活塞杆回缩，直至压脚62的反作用力与压紧气缸61的工作压力相等，压紧活动部运动过程中带动窝深顶杆71向靠近进给固定部方向运动，此时，限位块83受到的反作用力也变大，也即限位块83受到的反作用力大于进给气缸81的工作压力，从而推动进给固定板82和进给活塞杆回缩，直至限位块83受到的作用力与进给气缸81的工作压力相等；若工件向远离进给气缸81的方向运动时，工件有脱离压脚62的趋势甚至工件与压脚62脱离，则压脚62受到的反作用力变小，也即压脚62受到的反作用力小于压紧气缸61的工作压力，则压紧气缸61进给，压紧活塞杆驱动压紧活动部运动，从而压紧活动部驱动压脚62向靠近工件的方向运动直至压脚62受到的反作用力与压紧气缸61的工作压力相等，同时，压紧活动部驱动窝深顶杆71向远离限位块83方向运动，限位块83受到的反作用力变小，也即限位块83受到的反作用力小于进给气缸81的工作压力，则进给气缸81进给，驱动进给固定板82向靠近窝深顶杆71的方向运动，直至限位块83与窝深顶杆71再次接触。由此可知，本实施例中的进给模块80和压紧模块60可以实现整体浮动结构，可以根据工件的起伏情况，实现整体后退或者前进，避免加工不到位或者加工过深，从而提高窝深加工精度。
40.如图6所示，在上述实施例基础之上，进一步地，窝深控制模块70还包括窝深调节驱动件72，窝深调节驱动件72与窝深顶杆71传动连接以驱动窝深顶杆71沿刀具20的轴向伸缩。
41.本实施例中，限位块83与窝深顶杆71接触时，进给气缸81停止进给工作，也即完成窝深加工，而窝深调节驱动件72可以驱动窝深顶杆71向靠近限位块83或者远离限位块83的方向运动，从而可以调节窝深顶杆71与限位块83之间的距离（具体的，调节窝深顶杆74的靠近限位块83的一端与限位块83之间的距离），因此，进给气缸81的进给距离可以调节，从而可以加工不同窝深，可以在使用同一规格的刀具20前提下实现不同窝深的加工，避免频繁更换不同规格的刀具20，可以提高加工效率，也避免更换刀具20造成的装配误差，可以进一步提高加工精度。
42.如图6所示，在上述实施例基础之上，进一步地，窝深控制模块70还包括窝深连接块73、窝深限位块75和光电开关74；窝深顶杆71包括第一杆部和第二杆部，第一杆部和第二杆部之间形成台阶；窝深调节驱动件72与窝深连接块73的一侧连接，光电开关74和窝深限位块75均与窝深连接块73的另一侧连接；光电开关74上设有滑设第一杆部的滑槽，窝深限位块75上设有滑设第二杆部的滑槽。
43.本实施例提供的窝深控制模块70结构紧凑。其中，可以通过光电开关74来对窝深顶杆71的原点进行标定。
44.如图4所示，在上述实施例基础之上，进一步地，制孔末端执行装置还包括压脚连接板63；压脚62呈筒状设置，刀具20穿设在压脚62内，压脚连接板63的一端与压脚62驱动件连接，压脚连接板63的另一端与压脚62连接，在压脚连接板63的宽度方向上，压脚连接板63的两侧对称设有两个激光位移传感器50。本实施例中，压脚62呈筒状设置，则能够对加工点的四周进行压紧，能够进一步提高加工精度。
45.如图5所示，在上述实施例基础之上，进一步地，支架90的顶部设有安装块，压脚62固定板的底部设有安装槽，安装块卡设在安装槽内；安装槽的长度大于安装块的长度，安装块卡设在安装槽内，能够实现定位，且安装槽的长度大于安装块的长度，则方便安装装配。
46.如图5所示，在上述实施例基础之上，进一步地，进给模块80还包括进给连接板84、进给连接盘85和进给套筒86；进给连接板84与进给固定板82的靠近压脚62的一端连接，进给连接盘85与进给连接板84连接，进给连接盘85与进给套筒86连接，进给套筒86穿设固定在压脚连接板63上，刀具20与进给套筒86连接。
47.本实施例中，支架90与进给固定板82连接，刀具旋转驱动件30与支架90连接，进给套筒86与刀具20连接，刀具旋转驱动件30与刀具20连接，则进给气缸81可以在同时带动刀具20和刀具旋转驱动件30运动，使得刀具20进给平稳。
48.如图3所示，在上述实施例基础之上，进一步地，制孔末端执行装置还包括吸料管道100和排料管道110；压脚62上设有出料口，吸料管道100的一端与出料口连通，吸料管道100的另一端与排料管道110连通；吸料管道100设置在压脚连接板63上。
49.其中，吸料管道100可以采用管结构，固定在压紧连接板上。作为一种可选方案，在压紧连接板上设置流道槽，在流道槽上设置盖板，流道槽和盖板形成吸料管道100，这种结构使得压紧连接板结构简单、紧凑。可以在指控机器人末端执行装置上设置吸风扇或者真空泵等吸料动力装置，将加工过程中刀具20处产生的碎屑吸出、排出，避免碎屑影响加工。
50.在上述实施例基础之上，进一步地，距离测量元件可以为激光距离传感器或者红外线距离传感器等。
51.作为一种可选方案，如图2所示，距离测量元件为光栅尺40，光栅尺40设置在压脚62驱动件的活动部上。本实施例中，初始状态，刀尖和压力脚端面（例如压力脚的外端面）的相对距离是固定已知的，压力脚伸出直至加工点时，也即压力脚与工件达到平衡状态，光栅尺40可以计算出压力脚的伸出距离，从而得出刀尖距离工件的加工点的距离。
52.如图1所示，在上述实施例基础之上，进一步地，制孔末端执行装置上还设有锁紧气缸120和锁紧块，锁紧块上设有凹槽，锁紧气缸120与进给固定板82连接，锁紧气缸120的活塞杆能够与锁紧块连接，锁紧块的凹槽能够卡在刀具旋转驱动件30的主轴连接，以将主轴锁定，方便换刀。
53.其中，在限位块83的宽度方向上，限位块83的一侧能够与窝深顶杆71接触，在限位块83的厚度方向上，锁紧气缸120的固定部固定在限位块83的远离刀具旋转驱动件30的主轴的一侧，锁紧块固定在限位块83的靠近刀具旋转驱动件30的主轴的一侧，限位块83上设有用于穿设锁紧气缸120的活塞杆的通孔。
54.实施例三本发明的实施例还提供了一种制孔机器人，包括控制器以及实施例二中任一技术方案中的制孔末端执行装置，制孔末端执行装置与控制器通信连接。因而，制孔机器人具有
该制孔末端执行装置的全部有益技术效果，在此，不再赘述。
55.最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。在此处所提供的说明书中，说明了大量具体细节。然而，能够理解，本发明的实施例可以在没有这些具体细节的情况下实践。在一些实例中，并未详细示出公知的方法、结构和技术，以便不模糊对本说明书的理解。此外，本领域的技术人员能够理解，尽管在此的一些实施例包括其它实施例中所包括的某些特征而不是其它特征，但是不同实施例的特征的组合意味着处于本发明的范围之内并且形成不同的实施例。