[0001] 本发明涉及飞机装配自动钻铆技术领域，特别是涉及一种几何‑力在线感知钻铆压力脚装置及在线感知方法。

[0002] 采用自动钻铆技术实现飞机壁板的制孔和铆接是提高飞机装配质量与效率的有效途径。压力脚装置是钻铆末端执行器中决定制孔垂直度、控制壁板变形与减少层间毛刺的关键模块，其结构与功能直接影响连接接头的可靠性。

[0003] 制孔垂直度是影响孔加工质量的关键几何因素之一，若孔的垂直度精度较差，则会导致孔径偏差，直接影响飞机装配的连接质量，进而导致接头连接的不稳定。在飞机装配中，通常是多层结构件进行一次性钻削加工，钻头切削刃多次进出不同材料，钻削力在整个加工过程中发生很大波动，钻削力直接影响钻削热的产生、孔壁加工质量和刀具磨损程度，尤其是在加工复合材料时，通过控制钻削力可以有效减少分层损伤。目前国内的大多数压力脚装置仅实现了法向检测功能，未能实现钻铆过程中几何与力因素的实时监测。

[0004] 随着工业互联网、大数据分析技术的逐渐成熟，飞机装配逐步迈入智能化阶段。一方面，在飞机产量不断提升的形势下，自动钻铆生产线逐渐暴露出工艺数据离散、制造执行缺乏异常处理和动态补偿等问题；另一方面，针对狭小装配空间下复杂曲率壁板的制孔连接难题，对压力脚装置提出了更高的可达性要求，自动装配系统向轻量化、高度集成化发展已成为必然趋势。

[0035] 下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。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。

[0036] 本发明的目的是提供一种几何‑力在线感知钻铆压力脚装置及在线感知方法，实现钻削力、铆接力的在线监测以及完成压力脚装置的轻量化设计。

[0037] 为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

[0038] 如图1‑3所示，本发明提供的几何‑力在线感知钻铆压力脚装置包括安装在末端执行器上的压力脚主体1、快换锁紧机构2、压力脚安装板3、传感器组4和其他附件5。快换锁紧机构2实现压力脚主体1与压力脚安装板3之间的快速连接。所述传感器组4用于实时监测所述压力脚主体在钻铆过程中几何与力的因素。

[0039] 压力脚主体1包括吸屑管11、压力脚筒12、限位球轴承座13、压力脚转盘14、压力脚压头15、复位弹簧16、弹簧紧固件17和吹屑盒18。

[0040] 吸屑管11和吹屑盒18分别安装于压力脚筒12的下端和上端，呈垂直分布，与压力角筒12形成排屑通路，提高制孔排屑率。

[0041] 限位球轴承座13通过螺纹连接安装在压力脚筒12前端，在进行制孔法向测量时其所在位置固定不动，其上凸出的4个限位块132能够限制压力脚转盘14的旋转范围，避免线性位移传感器41工作时超出量程而造成破坏。

[0042] 考虑接触磨损，压力脚转盘14和压力脚压头15采用分体式设计，压力脚压头15通过销定位和磁铁吸附连接于压力脚转盘14，便于及时更换；压力脚转盘14通过复位弹簧16和弹簧紧固件17实现与所述限位球轴承座13的球面接触与紧固连接，压力脚压头15接触壁板表面时，当孔位点处实际的法向与理论法向存在差异时，压力脚转盘14与限位球轴承座13发生球面相对转动，自适应调整后与壁板表面相切，表征出当前孔位点处的实际法向；测量完成后，复位弹簧16产生回复力使压力脚转盘及时回正。

[0043] 快换锁紧机构2包括锁紧环21、止动销22、锁紧外圈23和锁紧内圈24。锁紧环21为圆台筒状结构，其前端通过螺纹连接安装于压力脚筒12末端，其末端具有3个定位柱销211，定位柱销211中段直径小于前后段直径，在进行快换时3个定位柱销211插入锁紧内圈内孔241和锁紧外圈内孔231中，锁紧外圈23上有锁紧手柄232，顺时针旋转锁紧手柄232，定位柱销211中段进入锁紧外圈卡槽233中，最后插入止动销22完成快换锁紧。

[0044] 传感器组4包括线性位移传感器41、压力传感器42、激光测距传感器43、光电传感器44。

[0045] 所述线性位移传感器41数量为4个，采用径向输出有利于布线，环向对称安装在限位轴承座13上的4个安装夹131上，安装夹131使用平面定位，使用螺栓拧紧；线性位移传感器41与压力角前转盘14后端面呈点接触，得到三个点的位移增量便可以通过计算得到平面的法向，保留另外一个点的位移可以对位移增量进行平均优化，提高测量的准确度，最后将所测得的当前点位法向信息反馈给控制系统，便于法向找正反馈补偿。

[0046] 所述压力传感器42数量为3个，环向均匀安装在锁紧内圈24上，通过螺栓连接固连在压力脚安装板3上，用于实时监测所述压力脚压头接触壁板的压紧力，能够很好控制壁板的变形，避免产生接触损伤。

[0047] 所述激光测距传感器43数量为1个，通过螺纹连接安装在所述压力脚安装板3右侧，通过激光测距实现压力脚装置大行程位移下快速运动，具有防碰撞预警功能。

[0048] 所述光电传感器44数量为1个，通过光电传感器连接件45安装于所述压力脚安装板3右侧端面，刀具每次制孔后退回，通过智能反射式原理实时检测刀具的完整性，解决出现断刀损伤而无法及时响应的情况，同时通过计数还可以判断刀具磨损程度。

[0049] 本实施例中，压力脚安装板的中心孔33、压力脚主体的中心孔19和快换锁紧机构的中心孔25均为同心孔。

[0050] 本实施例中，其他附件5包括冷凝管51和冷凝管安装件52，冷凝管51通过冷凝管安装件52安装于压力脚安装板内侧，减少刀具切削热对制孔质量的影响。

[0051] 上述装置的安装过程如下：

[0052] 步骤1，采用销定位，磁铁吸附的方式将压力脚压头15与压力脚转盘14进行连接；采用销定位，螺栓紧固的方式将压力脚转盘14与压力脚筒12进行连接；然后根据压力脚转盘14上安装夹131处的定位面对4个线性位移传感器41进行定位，随后用螺栓进行拧紧，最后将压力脚压头15与压力脚转14盘的组合体通过复位弹簧16及弹簧紧固件17进行安装。

[0053] 步骤2，把锁紧环21与压力脚主体1进行螺纹连接，将3个压力传感器42与压力脚安装板3上的压力传感器定位孔33进行定位，将组合好的锁紧机构外圈23与锁紧机构内圈24通过螺栓进行连接。

[0054] 步骤3，将安装好的压力脚主体1与快换锁紧机构2进行对接，将锁紧环21的3个定位柱销211插入锁紧内圈的中心孔241与锁紧外圈的中心孔231中，顺时针旋转锁紧手柄232，锁紧外圈23转动25°到达锁止位置，然后插入止动销22，完成快速锁紧。

[0055] 本发明通过设置压力脚压头、压力脚转盘、限位球轴承座以及复位弹簧实现壁板法向的快速精准检测及自适应调整；通过快换锁紧机构实现了压力脚主体的快速更换，提高了定位精度，增强了其维护性；通过设置压力传感器实现了钻铆过程中钻削力、铆接力的在线感知与实时监测，给优化工艺参数与分析数据提供了切实可靠依据；集成了线性位移传感器、压力传感器、激光测距传感器和光电传感器，实现了装配制孔法向、压紧力、工作距离、刀具情况数据的应采尽采，突破了飞机装配状态数据实时分析、故障诊断技术；将压力脚主体、多传感器、排屑接口和刀具冷却接口进行高度集成，整体结构紧凑，实现了压力脚装置的轻量化设计，提高了压力脚装置的可达性，拓展了其工作范围；最终实现了飞机装配的高效精准钻铆。

[0056] 如图4所示，本发明还提供了一种几何‑力在线感知方法，所述方法应用于上述的几何‑力在线感知钻铆压力脚装置，所述方法包括：

[0057] S1：机器人控制钻铆末端执行器运动到离线点位，通过电机驱动丝杠推动压力脚装置靠近壁板，通过激光测距传感器43监测距离壁板距离；在压力脚压头15距离壁板表面越来越近时减慢进给速度，防止冲击损伤。

[0058] S2：压力脚压头接触壁板表面，压力传感器监测压力脚压头的接触力，由于当前主轴法向可能与孔位法向存在偏角，压力脚转盘发生转动直到压力脚压头端面与壁板表面相切，当线性位移传感器读数稳定后，采集线性位移传感器的数值，并根据线性位移传感器的数值进行法向调姿。

[0059] 随着压力脚压头15逐渐接触壁板表面，压力传感器42实时监测压力脚压头的接触力，由于当前主轴法向可能与孔位法向存在偏角，压力脚转盘14发生转动直到压力脚压头15端面与壁板表面相切，当线性位移传感器41读数稳定后，采集4个线性位移传感器41的数值，经过法向找正优化算法拟合得到当前位置的法向，反馈给控制系统进行法向调姿。

[0060] S3：压力脚压头压紧壁板，通过压力传感器监测压紧力，保证压紧力既能压紧壁板，又不对壁板表面产生损伤。

[0061] S4：开始制孔前，刀具到达光电传感器44工作位点，检测刀具状态，开始制孔，压力传感器42实时监测钻削力，完成制孔，刀具退回光电传感器44工作位点，再次检测刀具状态。

[0062] S5：设置冷凝间隔时间，在刀具退回冷凝管51位点时，进行喷雾冷却，提高刀具寿命。

[0063] S6：切换铆接工位，压力传感器42监测铆接力，完成连接。

[0064] 本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。

[0065] 本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。