通过数字控制执行自动铆接过程的多功能装置及其方法

专利名称：通过数字控制执行自动铆接过程的多功能装置及其方法
技术领域：
如本说明书的题目所述，下面的发明涉及用于通过数字控制来自动铆接的多功能 装置和方法，其实质目标在于有助于通过铆接由金属、碳纤维、玻璃纤维或其他材料制成的 工件而实现的联接，其中工件具有非常严格的制造公差，例如航天工业中所需要的，不过不 排除其他应用。本发明的其他目标是以如下方式克服现有技术的限制，即使得本发明能够用于并 联运动学机器和笛卡尔运动学系统，从而不需要沉重的多功能头部，以便获得更简单且花 费较少的装置。
背景技术：
在结构的制造中，可以通过各种方法来实现连结两个工件以便从结构角度获得单 个工件的方式，所述方法例如焊接、胶黏、铆接等。在航天工业中，传统上，大部分结构借助 于铆接来连结。对于金属材料而言，这是由于需要使用难于焊接的轻质材料，例如铝合金。 在复合材料的情况下，例如碳纤维、玻璃“kevlar (凯夫拉)”、“glare”等，当产生第一子结 构时，例如将翼梁连结到机翼或稳定器的内衬时，这可以借助于胶黏方法来实现，例如共同 固化(co-curing)、共同胶黏等。不过，这些方法在其他类型结构中是不可能的，这或者是由 于制造方法不可能适用于较大尺寸，例如不适用于将内衬连结到翼梁，或者是由于要连结 的材料具有不相似的特性，例如由复合材料制成的内衬或金属肋的连结。为此，铆接工件以便形成子结构和结构目前仍然是航天工业中的惯常方法。此外，航天工业中，越来越多地使用由成千或上万的铆接位置来确定工件的大型 结构，因而自动铆接操作会显著降低生产成本。这方面，包括由数字控制系统管理的操作会允许获得高度有效的制造过程。由于 要对大量的点编制由系统执行的任务，所以最佳编程方法是所谓的“离线”方法，其中由工 作站执行并根据由计算机辅助的工件三维图形模型来进行编程而不需要具有真实试样工 件。由于航天工业通常需要严格的制造公差，所以铆接需要非常精密的技术，或者需 要制造非常高精密的工具来手动或半自动地(必然会增加工件的修整时间)或者借助于需 要高精度的自动系统(必然会增加设备成本)来执行钻进或铆接任务。此外，执行正确铆接的微操作的量(微操作例如是在直径上、垂直于表面、在定置 时等钻至非常严格的公差)、应用密封剂、检查连结的厚度以及单个工件中直径、厚度和铆 接类型的多样性意味着自动化需要多功能系统，所述系统能够一旦被定位在点上就执行所 有这些微操作。解决这个问题的最常用技术方案需要生产具有非常复杂的多功能头部的系 统且同一头部中存在其大量自身运动并且从而具有相当可观的重量。通常，当前使用的自动化系统由高精度大规模系统(微米量级)构成且具有非常高 的成本。这种类型系统的示例是具有5、6或更多个笛卡尔运动学轴线的机械工具(例如“桥 门”、“门架”或“栏柱”等类型的机器)，在其上多功能头部被设置成具有其自身运动并且具有较大重量。为了能够在具有足够精度和重复性的情况下移动这些笨重的头座，需要非常 笨重且刚性的机器。因此，名为“Riveting process and facility for the construction of wings and stabilizers of aircraft” 的专利 ES 2155330 (申请号 009800941)指出 了与仅适用于“门架”或“桥门，，类型的机器有关的缺点。其他工业的典型自动系统(例如车辆工业的拟人机器人)是不可应用的，这是因为 其有限的精度特征(毫米量级)和重复性以及其较低有效载荷的原因，这使得它们不能够精 密且重复地定位较大或甚至中等重量的多功能头部。此外，这种类型的机器人不接受由“离 线”方法进行足够精密的编程，因此其通常借助于在试样上教导工作位置来编程。在航天工 件的情况下，大量要编程的位置使得其在技术和经济这两个方面均是不可行的。仅是在最近才开始使用拟人机器人，不过为了弥补它们本身缺少精度的问题，测 量系统、温度补偿系统及其他系统已经被加入到这些拟人机器人中，不过在所有情况下所 实现的具体精度(十分之几毫米的量级)均低于数字控制的机械工具类型的传统机器所实 现的精度。由于它们高度复杂、校准和调节困难并且由于与实现所需精度必须的所有周边 系统有关的高成本的原因，这些系统目前被限制于非常特定的应用，并且它们提供的技术 方案不能扩展到航空或航天工业中的大部分自动钻进和铆接应用。关于这里描述的系统的中间情况由并联运动学机器限定，由于其百分之几量级的 精度(高于关节型机器人并且甚至高于增强型关节型机器人的精度)的原因，从而所述并联 运动学机器允许使用比关于拟人机器人所述的头座更加沉重的头座来进行精确操作，且它 们比笛卡尔运动学机器便宜。其构造所必须的过度重量构成了借助数字控制所管理的多功能头部的现今自动 铆接系统的主要问题。借助于西班牙专利申请号P 200401154，克服了需要由相应铆接机器执行的运动 中的某些限制，不过存在与如下事实相关的缺点，即其不再需要回转器(回飞)类型的致动 而不是(借助于气动或伺服致动的汽缸的)线性致动，并且其没有省去这些线性致动的组
I=I O此外，当试图执行自动铆接过程时，存在与有效管理从而将工件的自动铆接结合 在单个过程中有关的问题，其中所述工件包括单个类型铆钉的多种类型的直径和长度以及 铆钉类型的多样化，并且通常是当公差非常严格时，例如在航天工业的情况下。传统上，在 执行钻进之后并且在进行整个手动阶段之后执行铆接，其中已经被钻孔的工件被分开以便 执行清洗、去除毛刺、应用不同类型的密封剂(例如插补密封剂)和垫片/补偿件(以便消除 要被铆接的工件之间的空隙)的任务。当前的自动铆接系统的特征通常在于，其基于输送器系统(其具有高的或非常高 的精度和重复性或者基于借助于辅助系统而具有强化精度和重复性的拟人机器人)，多功 能头部以如下方式在具有其自身运动(旋转、回转(回飞)类型、线性或其组合)的情况下被 安装到该输送器系统上，即定位系统将头座定位在靠近工作点的位置并且在保持固定的同 时执行铆接周期中的所有微操作，其中头座借助于致动而将不同模块提供到工作点。具有 多功能机构和旋转机构的这种类型的头座是例如专利US 2002173226 "Multispindle end effector”、US 2003232579“Multi_spindle end effector'MO 02094505“Multi_spindle end effector，，禾口 EP 0292056"Driving mechanism and manipulator comprising a sucha driving mechanism”中描述的头座。这种类型的头座需要线性或旋转致动系统或者二者 的组合，以获得高精度监测和控制，且在头座的有用寿命期间具有高质量材料且很少或没 有磨损，同时这意味着系统重量和复杂性的显著增加，从而通常特别考验维修性和可靠性。 因为这些原因，多功能头部可能代表着比实际定位系统更高的成本。此外，头座的这种复杂 性意味着，因为它们非常笨重，有时接近半吨，所以非常显著地降低了定位系统在精度和重 复性方面的性能。此夕卜，存在来自于例如 Brotje、Gemcor> Electroimpact、Alema、HydroControl 及 其他公司的不同CNC机器/头座的专利，而我们认为其没有显示本发明的典型特征。

发明内容
为了实现目标并避免上述问题，本发明由通过数字控制来自动铆接的多功能装置 和方法构成，其中所述装置可应用于如航天工业所需的在具有非常严格的制造公差的情况 下借助于铆接工件而实现的联接，其中所述工件由金属、碳纤维、玻璃纤维或其他材料制 成；所述装置包括具有高精度定位系统的机器或机器人，其通过数字控制来运动并且匹配 于头座，该头座应用到要被处理的工件。作为新颖性，根据本发明，装置的头部具有单功能模块阵列或多个单功能模块，每 个模块在相同工作点以如下方式实现连续操作，即所述单功能模块被上述定位系统提供到 所述工作点。定位系统包括数字控制笛卡尔机器(桥门、门架、C型或其他)、并联运动学机 器或机器人、精密关节型机器人或者具有足够精度和重复性以便在具有严格公差的情况下 被应用到大型结构的机器或机器人；而不同的单功能模块被设置在框架上，该框架刚性地 且精确地附连到定位系统的联接凸缘。模块横向、纵向或以格栅或矩阵形式被定位在框架 上，或者适应于由要连结的工件或其固定工具所施加的可及性限制。根据本发明的优选实施例，不同单功能模块具有其自身的机构，该机构使得模块 运动靠近或远离要被处理的工件，并且在一些情况下可以被数字控制定位系统所提供的实 际前进(actual advance)所代替。机构对于各模块而言是独立的，对于所有模块而言具有 联合致动，或者对于各模块组而言是独立的。根据本发明的优选实施例，本发明的装置还包括工作例程程序，其借助于“离线” 编程技术被执行，这避免了必须通过教导其在真实试样工件上执行的任务来给系统编程， 这样在铆接过程期间所限定的总体运动由相同数字控制来管理，其中所述运动包括定位系 统的和各单功能模块的运动。本发明的方法使用上述本发明装置，并且除了上述连续操作之外其还有助于下述 各项
-不同直径的钻进、铰孔和锪削操作； -检查钻孔的质量； -检查工件的厚度；
-在钻孔和/或要装配的铆钉中应用密封剂； -选择和供应要装配的铆钉、紧固件或销； -装配铆钉、紧固件或销； -铆接或紧固；-检查铆钉、紧固件或销的正确装配； -清洁；
-对于空气动力学公差的调节操作； -检查空气动力学公差。根据本发明方法，已经提供了在运动到下一工作点之前在同一工作点进行钻进、 铰孔、锪削、密封和铆接的操作。根据本发明方法，在给定工作点，借助于安装在邻近或足够靠近的位置处的紧固 件来确保被连结的工件的正确翻边。在该方法之前的预组装期间安装紧固器件或者通过与 该方法对应的装置来自动安装紧固器件。使用已经描述的结构，本发明呈现了下述优点。本发明省去了在相应头部具有旋转运动的情况下对于线性运动或者这些线性运 动的组合的需要，从而有效减少了铆接头座的重量。借助于本发明，可以排除借助于旋转或线性致动或者其组合而作用于、驱动和控 制呈送每个单功能模块的运动的需要。这样，减小了头座所需的结构重量，使得不必使用具有非常高的有效负荷的机器， 机器中也不必有精度增强系统(例如并联运动学机器)，这样本发明允许借助于具有非常高 精度的常规数字控制机床、具有标准精度的常规数字控制机床、并联运动学机器或大致上 具有足够的精度和重复性且通过数字控制来自动化或控制的任意系统来在自动化平台上 进行自动铆接。借助于简化本发明所促成的需求，也允许减少所需的致动数量，减少自动铆接系 统的整体成本，从而使得其在经济方面比传统的自动铆接系统更有效率，并且由于减少了 致动量且因而减少了易于在装置使用寿命期间失效或故障的元件的数量，从而显著地增强 了可靠性和维修性。因此，本发明提供的主要优点在于省去了对于非常高精度的机器人架构的需求， 减少了头部的重量，并且因而允许其使用传统数字控制机器，例如“桥门”、“门架”、“C型” 或其他类型但不限于此，这样并联运动学机器和精密关节型机器人也可以被使用。此外，本 发明使得每个模块中省去了对于自身致动的需要，并且使得机构省去了对于更换模块的需 要，从而增加了可靠性和维修性且降低了装置的成本。此外，借助于本发明，省去了在钻进后分离工件的需要，因为确保了工件间的正确 且牢固的固定，并且最小化了由于本发明装置先前装配的铆钉在钻进期间产生的毛刺和切 削屑或切削片。通过允许装置装配不同直径和长度的铆钉，总是可以确保在特定工作位置 处总是存在足够靠近的位置或来自预组装阶段的铆钉或临时紧固件，或者由装置自动装配 的铆钉，这确保了在要被铆接的板之间的牢固固定。因而，可以使用不同类型的铆钉，并且可以实现一种执行自动铆接工件的过程，其 中使用各种类型、直径和长度的铆钉，这是重要的，并且所有这些均不必要进行停止操作来 更换工具、模块等，而进行停止操作会增加周期时间且因而减少方法的经济收益。下面，为了有助于更好地理解本说明书且形成其整体部分，提供了一些附图，其中 通过示意性而不是限制性的方式呈现了本发明的目标。


图1-4:示出了透视根据本发明实施的四个装置的相应示意图，其实施了本发明 的方法。图5-7 示出了上述图1-4中任意附图中存在的头部的三种可能性的相应示意平 面图。
具体实施例方式参考附图中采用的附图标记描述了本发明的示例。因此，这个示例的装置和方法借助于航天工业中的铆钉被应用到工件4的联接 (union)，该装置具有由数字控制移动的机器或机器人1，5，6，7，其可以被放置在一些轨道 2上并且包括头部3，该头部3配备有单功能模块8的阵列或多个单功能模块8，从而在单个 工作点执行各种连续操作，使得模块8被相应定位系统提供到该工作点。所述机器或机器人由图1中的门架机器1、图2中的栏柱机器5、图3中的并联运 动学机器6及图4中的拟人机器人7构成。在这四种情况中的任意情况下，头部3具有框架或底盘9，其借助于腕部10被连结 到输送器系统，如图5-7所示。头座3的单功能模块8可以以横向、纵向或者矩阵或格栅型的方式被设置在其中， 如图5、图6和图7所分别示出的。根据上述方法，本示例的装置可以在单个工作位置上执行各种微操作，例如不同 直径的钻进、铰孔和锪削操作；检查钻孔的质量；检查工件的厚度；在钻孔和/或要装配的 铆钉、紧固件或销中应用密封剂；选择和供应要装配的铆钉、紧固件或销；装配铆钉、紧固 件或销；铆接；检查铆钉的正确装配；清洁；对于空气动力学公差的调节操作；检查空气动 力学公差的操作；或其他操作。根据本示例，借助于头部3来执行上述微操作，该头部3由多功能数字控制来管 理，从而具有在不需要更换系统中的任意工件和/或转接器的情况下装配不同长度和直径 的铆钉的能力，并且其中负责执行各微操作的不同模块8不需要具有其自己的致动来被提 供到工作点。而是，实际的常规数字控制机床、并联运动学机器或大体上任意自动化系统或 由数字控制所控制的系统(其具有足够精度和重复性)来执行将各模块8提供到工作点的运 动，机器如图1-4中所示且被标示为1，5，6和7。本示例的方法允许借助于装配空心铆钉(其属于一个或多个工件且具有致动并装 配在结构的仅仅一侧，例如专利US 5816761、US 4457652、US 4967463、US 4747202所述 的铆钉以及标准EN6122及族系，不过不限于此)或者由两个销和闭合卡圈构成的铆钉(例 如但不限于，Hi-LOK或Hi-LITE类型的或者L0CKB0LT隧道类型的可断开卡圈，或专利US 4221152、US 4198895、US 4325418、US 4472096、US 3915053、US 2882773、US 2927491、US 2940495、US 3027789、US 3138987、US 3390906所述的铆钉)在工件中执行自动铆接，其中 所述工件通常是航天工业中的。本示例的装置和方法允许非常严格的公差，并且使得工件可以被铆钉连结，其中 所述工件由金属、复合材料、碳纤维、“Kevlar”、玻璃纤维、“glare”或其他材料或者上述材 料的组合制成。
在本示例中，已经提供了一种机构，其使得模块8靠近或远离以便在一个模块8的 操作期间阻止没有被使用的另一个模块与工件4或者该工件的固定工具相冲突。这种机构 可以是气动、电动的或通常使用的任意种类，并且根据情况在其前进中将不需要非常精密， 例如在被应用到密封剂敷料器模块的情况下。在其他情况下，所述机构可以被数字控制定 位系统所提供的实际前进来代替，从而在前进中获得如定位系统之前相同的精度和重复性 特征。这可以是如下情况，例如钻机电动心轴的前进。此外，可替换地，单个前进机构可以 被用于一个或更多个模块8，从而有助于减少元件数量、重量、复杂性、成本、有助于维修性 等等。在任意情况下，模块8的前进可以借助于数字控制来管理，该数字控制控制定位系统 的运动以及模块8的运动。每个模块8从工作周期内执行微操作这个意义上说均可以是单功能的，不过其并 不需要被限制于一种特定类型的铆钉。例如，在铆钉杆上或相应孔上施加密封剂的模块将 被限制于执行施加密封剂的微操作，不过其不需要任意手动或自动的外部更换以在不同尺 寸的钻孔上施加密封剂。其上设置有本示例头部3的定位系统将该头部3定位在将要执行整个周期的点 上，并且此外，在各微操作期间该定位系统将各模块8提供到工作点。因为本发明的装置具有较轻重量，所以相应的定位系统不需要非常笨重，这样，因 为其较轻，所以其可以结合将在工作点执行其他操作的其他模块8，从而在更重定位器的基 础上增强铆接性能。根据本示例，本发明装置可以以如下方式执行该方法。预备阶段，其中要被铆接的工件被手动或自动地准备，如果需要则施加插补密封 剂和补偿件，以及借助于临时或永久紧固件以某一比例将其结合，这样确保要被铆接的工 件的正确初始翻边以及工件在工具上的随后放置。定位系统将连续地将多功能头部系统的不同模块提供到相同点，其中不同模块8 中的每个模块均执行其各自的功能。一旦在单个工作点的操作已经完成，则定位器将自动铆接系统移到下一工作点。 这里，借助于装配在相邻位置的紧固件来确保要被结合的工件的正确翻边。所述紧固件在 过程的前一阶段期间被装配或者由本发明的装置自动地装配。该方法可以使得装置能够管理不同的待装配铆钉(类型、直径、长度等)，并且这是 可能的，因为具有更轻重量的头座3可以包括允许扩展待装配铆钉类型的新模块8。因为可 以装配更广范围的铆钉，所以确保了系统总是能够在过程中铆接，这样总是确保始终存在 足够靠近工作位置的位置或始终存在来自预组装阶段的铆钉或临时紧固件或存在由装置 自动安装的铆钉，这确保了在被铆接工件之间的牢固固定。一旦铆钉的自动装配已经被执行，则可以借助于安装在头部3内的检查模块来进 行对于已经装配的铆钉的检验。而且可能的是在各铆钉装配之后且在装配下一铆钉之前执 行该功能。所以，获得了一种方法，其可以容易地实施且不取决于各种要装配的铆钉是小还 是大，从而有助于组装具有严格公差的大尺寸结构，例如通常在航天工业中的结构。通过确 保钻进期间的正确翻边，确保了在要连结的不同工件的界面处不产生复合材料的切削屑或 粉屑，从而省去了对于分离工件以便清洁的需求。因此，不需要必须向过程增加额外步骤，这会导致制造成本的显著减少。 此外，根据本示例，所使用的工作例程程序应用了离线编程技术，其不需要通过使 用真实试样工件来向其教导要执行的任务而给系统编程。
权利要求
1.一种用于通过数字控制来自动铆接的多功能装置，其适用于通过铆接具有严格制造 公差的金属工件、碳纤维工件、玻璃纤维工件或其他工件而实现的联接，所述工件例如是航 天工业中所需的工件；所述装置包括具有高精度定位系统的机器或机器人(1，5，6，7)，其 由数字控制移动并且设有头部(3)，该头部应用于待处理的工件(4);其中所述头部(3)具 有多个单功能模块(8)，所述单功能模块中的每一个在单个工作点执行连续操作，使得所述 单功能模块(8)被所述定位系统提供到所述工作点；所述定位系统包括数字控制笛卡尔机 器、门架、桥门、“C”型或其他机器、并联运动学机器或机器人、精密关节型机器人、或者具有 足够精度和重复性的机器或机器人以应用到具有严格公差的大型结构；而不同的单功能模 块(8)被设置在刚性且精密连结于所述定位系统的联接凸缘的框架(9)上，所述模块(8)被 横向、纵向或以矩阵形式被定位在所述框架(9)上或者适应于由待连结的工件或该工件的 固定工具所施加的可及性限制。
2.根据权利要求1所述的用于通过数字控制来自动铆接的多功能装置，其中每个单功 能模块(8)设有其自身的机构，该机构使得其靠近或远离待处理的工件(4)，且该机构在一 些情况下由所述数字控制定位系统提供的实际前进所代替，对于每个模块(8)而言所述机 构是独立的，其具有用于所有所述模块(8)的联合致动，或者对于各模块(8)组而言所述机 构是独立的。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的用于通过数字控制来自动铆接的多功能装置， 其中还包括工作例程程序，该工作例程程序借助于“离线”编程技术来实现，这避免了必须 通过在真实试样工件上教导其要执行的任务来给所述系统编程，这样在铆接过程期间所限 定的全部运动均由同一数字控制来管理，其中所述全部运动包括所述定位系统的运动和每 个单功能模块的运动。
4.一种使用上述装置的方法，其中所述连续操作包括 -不同直径的钻进、铰孔和锪削操作；-检查钻孔的质量； -检查工件的厚度；-在钻孔中和/或要装配的铆钉中应用密封剂； -选择和供应要装配的铆钉、紧固件或销； -装配所述铆钉、紧固件或销； -铆接或紧固；-检查所述铆钉、紧固件或销的正确装配； -清洁；-对于空气动力学公差的调节操作； -检查空气动力学公差。
5.根据权利要求4所述的方法，其中在运动到下一工作点之前在同一工作点执行钻 进、铰孔、锪削、密封和铆接的操作。
6.根据权利要求4所述的方法，其中在给定工作点处，要被连结的工件的正确翻边是 通过在邻近或足够靠近的位置处安装的紧固器件来确保的，所述紧固器件在所述方法之前 在预组装阶段被安装或者通过与所述方法相对应的所述装置被自动安装。
全文摘要
本发明涉及一种装置，该装置包括具有头部单元(3)的机器人(1)，所述头部单元包括多个单功能模块，所述单功能模块在工作点上执行不同且连续的操作。机器人可以是精密的关节型机器人、笛卡尔机器、并联运动学机器人等，并且所述模块可以被横向、纵向或以矩阵形式被安装在头部单元内。方法包括根据不同直径的钻进、铰孔和锪削操作；钻孔的质量控制；工件的厚度检查；应用密封剂；选择和供应要装配的铆钉或螺栓；插入铆钉或螺栓；铆接；铆接设备检查；清洁；空气动力学公差的调节和空气动力学公差检查。
文档编号B21J15/10GK102083567SQ200980124372
公开日2011年6月1日 申请日期2009年5月25日 优先权日2008年6月27日
发明者佩雷斯马林 D., R. 阿斯托尔加拉米雷斯 J. 申请人:空中客车营运公司