一種自動調整孔徑的螺旋銑孔裝置及其工作方法
【專利摘要】本發明公開了一種自動調整孔徑的螺旋銑孔裝置及其工作方法，所述的裝置包括刀具、內套筒、外套筒、分裝式力矩電機、電磁離合器、旋轉平移機構、氣缸、直線進給機構及定位裝置；旋轉平移機構由動環、過渡環、定環、前連桿、后連桿和銷軸組成。本發明除使用雙偏心套筒來改變偏心量外，還使雙偏心套筒之間發生相對旋轉。由于刀具公轉的需要，驅動外套筒的電機是必不可少的，通過使用旋轉平移機構，可以使外套筒旋轉時內套筒平動而不轉動，從而改變了內外套筒之間的相對轉角。本發明利用氣缸壓緊的方式實現定環的機械鎖死，結構簡單，鎖死牢固，成本低廉。本發明利用公轉使用的分裝式力矩電機即可實現刀具偏心量的自動調節，無需配備額外的動力源。
【專利說明】一種自動調整孔徑的螺旋銑孔裝置及其工作方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于螺旋銑孔加工【技術領域】，涉及一種針對新型材料如復合材料、鋁合金、鈦合金等難加工材料的自動調整孔徑的螺旋銑孔裝置及其工作方法。
【背景技術】
[0002]螺旋銑孔是航空制造業出現的用于復合材料、鈦合金等難加工材料制孔的新技術。復合材料、鈦合金等新型材料由于具有優良的機械物理性能而被大量運用到飛行器設計中，制造蒙皮、支撐梁等結構部件。此類結構部件在飛行器裝配過程中需要加工大量的連接孔，如鉚釘孔、螺栓孔等。復合材料、鈦合金屬于典型的難加工材料，采用麻花鉆鉆孔是目前航空航天制造企業最常用的制孔方法。對復合材料采用麻花鉆制孔時，軸向力較大，容易出現分層、撕裂、纖維拔出、毛刺等加工缺陷，刀具磨損嚴重，加工精度低。對鈦合金材料采用麻花鉆制孔時，容易在出口產生飛邊毛刺，切削溫度高，熱影響嚴重，刀具急劇磨損，孔壁受到連續切屑的摩擦擠壓作用，精度和質量差。當進行飛行器機翼與機身對接或機身不同艙段對接時，需要將復合材料和鈦合金羅疊起來形成復合材料/合金疊層結構，進行一體式制孔。由于兩種材料性能差異大，刀具形狀和加工參數難以匹配，且加工孔直徑和深度大，加工質量要求高，制孔難度進一步增加。為解決上述問題，保證制孔精度和質量，目前不得不采用細化工藝的方法，通過鉆、擴、鉸等一系列工序才能最終完成一個孔的加工，工藝流程長，成產效率低，需要刀具種類多，且前一道工藝產生的損傷嚴重時后續工藝不能完全消除。另一方面，飛行器裝配現場多由工人采用手持氣鉆工具進行加工，加工復合材料時會產生大量有害粉塵，工人工作環境惡劣；加工鈦合金時需要用手施加很大的軸向壓力，工人勞動強度大。
[0003]螺旋銑孔技術為了解決上述問題而出現。螺旋銑孔相對于傳統鉆孔而言屬于偏心加工過程，專用銑刀在自轉的同時繞被加工孔中心公轉，并在軸線方向上進給，刀具中心的軌跡不再是直線而是螺旋線。現有的學術研究及工程實踐都已經證實，螺旋銑孔相對于傳統鉆孔具有更多優點:加工復合材料時不易出現分層、撕裂、纖維拔出、毛刺等加工缺陷；加工鈦合金時出入口均不會產生毛刺；切削力小，切削溫度低；切屑不連續且具有天然的排屑空間；能通過調整偏心來改變孔徑而不需要更換刀具。螺旋銑孔的這些優勢使其在航空難加工材料以及更廣泛的領域具有巨大的應用前景。
[0004]為了實現飛行器裝配現場的螺旋銑孔加工，必須開發專用的螺旋銑孔裝置。
[0005]現已出現的螺旋銑孔裝置大致可分為兩類。一類采用手動的方式調整偏心量。如中國專利CN200910068518公開的《螺旋銑孔方法及其裝置》，中國專利CN201010138419公開的《螺旋銑孔裝置及方法》，中國專利CN201310105521公開的《一種便攜式螺旋銑孔裝置及加工方法》等。此類螺旋銑孔裝置由于采用手動方式調節偏心量，自動化程度低，調節精度差，當加工孔尺寸種類多時，需要不斷地用手調整偏心量，操作十分繁瑣，影響生產效率。該類裝置不適用于機器人定位的全自動螺旋銑孔加工。
[0006]另一類為采用自動調整偏心量的螺旋銑孔裝置。如中國專利CN200910306026公開的《自動螺旋銑孔單元》，中國專利CN201210208170公開的《自動螺旋銑孔裝置》，中國專利以CN201210300281公開的《一種自動化螺旋銑孔裝置及其方法》等。此類螺旋銑孔裝置雖然都實現了偏心量的自動調節，但除了自轉、公轉、進給各自所必須的動力源之外，都需要額外增加動力源來驅動偏心調節機構才能實現偏心量的自動調節；這一額外增加的動力源往往為伺服電機，從而使裝置結構復雜，增大了整個裝置的尺寸和重量。當需將螺旋銑孔裝置安裝于機械手上時，由于整體重量增加，就需要購買承載能力更大的機械手，增加了成本。另一方面，由于需要控制的電機數量增加，控制電路復雜，配套的控制系統需要更多的輸出口。以上種種都增加了螺旋銑孔裝置的制造和使用成本。
【發明內容】
[0007]為解決現有自動螺旋銑孔裝置存在的上述問題，本發明設計了一種動力源數目少、體積小、重量輕、結構簡單和成本低的自動調節的螺旋銑孔裝置及其工作方法。
[0008]為了實現上述目的，本發明的技術方案如下:一種自動調整孔徑的螺旋銑孔裝置，包括刀具、電主軸、內套筒、外殼、外套筒、分裝式力矩電機、電磁離合器、旋轉平移機構、擋塊、壓塊、氣缸、碟片、直線進給機構及定位裝置。所述的刀具安裝在電主軸的輸出軸上；電主軸通過軸承支撐在內套筒內、可在內套筒內轉動；內套筒的內孔軸線與外圓柱面軸線有一定的偏心量，內套筒通過錐面和圓柱面與外套筒裝配，內套筒、外套筒之間可以相對轉動；外套筒的內孔軸線與外圓柱面軸線有一定的偏心量，外套筒通過軸承安裝在外殼內并可在外殼內轉動；分裝式力矩電機的定子與外殼連接，分裝式力矩電機的轉子安裝在外套筒上；旋轉平移機構的動環安裝在內套筒一端，旋轉平移機構的定環通過軸承安裝在外殼內并可在外殼內轉動，定環一端與碟片連接；電磁離合器的定子安裝在外套筒上，電磁離合器的轉子安裝在內套筒上；氣缸安裝于外殼內，氣缸活塞桿前端固定有壓塊；外殼安裝在直線進給機構上，直線進給機構由直線導軌、滾珠絲杠和伺服電機組成；直線進給機構安裝在定位裝置上。
[0009]所述的旋轉平移機構由動環、過渡環、定環、前連桿、后連桿和銷軸組成。動環、過渡環和定環的水平面上分別均勻分布有三個圓柱孔，三個圓柱孔的中心軸線平行；所述的前連桿和后連桿各有三個，每個前連桿上有兩個軸線平行的圓柱孔，每個后連桿上有兩個軸線平行的圓柱孔；每個前連桿的一個圓柱孔通過銷軸與動環上的一個圓柱孔可轉動的連接、其另一個圓柱孔通過銷軸與過渡環上的一個圓柱孔可轉動的連接；每個后連桿的一個圓柱孔通過銷軸與過渡環上的一個圓柱孔可轉動的連接、其另一個圓柱孔通過銷軸與定環上的一個圓柱孔可轉動的連接；所述的三個前連桿和三個后連桿相互平行。
[0010]本發明所述的動環與過渡環之間由2個或3個以上的前連桿連接，所述的過渡環與定環之間由2個或3個以上的后連桿連接。
[0011]本發明所述的分裝式力矩電機可用伺服電機或步進電機取代，并通過同步帶和齒輪驅動外套筒轉動。
[0012]本發明所述的電主軸可用氣動主軸代替。
[0013]本發明所述的定位裝置是機械手或自動鉆鉚機。
[0014]一種自動調整孔徑的螺旋銑孔裝置的工作方法，包括如下步驟:
[0015]a、根據所選刀具直徑及待加工孔直徑確定偏心量，偏心量e =(孔直徑-刀具直徑)/ 2 ；
[0016]b、將氣缸上氣，使其活塞桿伸出，氣缸通過前端固定的壓塊向碟片施加壓力，使碟片發生彈性變形，與擋塊擠壓產生摩擦力，使碟片鎖死，不能旋轉；
[0017]C、電磁離合器通電，解除定子與轉子鎖死狀態；
[0018]d、啟動分裝式力矩電機，帶動外套筒旋轉一定角度，將偏心量調整為設定值；
[0019]e、電磁離合器斷電，其定子與轉子之間鎖死；
[0020]f、將氣缸上氣，使其活塞桿收回，碟片彈性變形恢復，與擋塊分離；
[0021]g、啟動分裝式力矩電機帶動外套筒轉動,實現刀具的公轉；
[0022]h、啟動電主軸，實現刀具的自轉；
[0023]1、啟動直線進給機構實現刀具的軸向進給，直至完成螺旋銑孔加工過程。
[0024]與現有技術相比，本發明具有以下有益效果:
[0025]1、本發明使用雙偏心套筒來改變偏心量已經是此領域廣泛使用的方式，其關鍵在于使雙偏心套筒之間發生相對旋轉。由于刀具公轉的需要，驅動外套筒的電機是必不可少的，通過使用旋轉平移機構，可以使外套筒旋轉時內套筒平動而不轉動，從而改變了內、夕卜套筒之間的相對轉角。旋轉平移機構采用了三個圓環通過連桿連接的形式，幾何原理上為兩個平行四邊形機構。當定環完全固定時，動環可以在一定范圍內平動而不能旋轉；當定環軸線位置固定但可以旋轉時，動環可以在一定范圍內平動或旋轉，且動環與定環的轉速完全一致。本發明利用氣缸壓緊的方式實現定環的機械鎖死，結構簡單，鎖死牢固，成本低廉。
[0026]2、本發明使用電磁離合器來實現內外套筒之間的鎖死與解鎖，電磁離合器是機械行業廣泛使用的元器件，易于購買，技術成熟。通過以上結構與方法，本發明通過使用旋轉平移機構，利用公轉使用的分裝式力矩電機即可實現刀具偏心量的自動調節，無需為偏心調節機構配備額外的動力源。
[0027]3、由于本發明動力源數目減少，整個裝置的體積和重量均減小，成本了降低。由于本發明的體積和重量均減小，用承載能力更低的機械手即可承載本裝置，進一步節約了成本。由于需要控制的動力源數目減少，配套的數控系統復雜程度降低，進一步節約了成本。由于動力源數目減少，裝置結構簡單，可靠性提高，制造成本降低。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0028]本發明共有附圖2張，其中:
[0029]圖1為本發明的一種自動調整孔徑的螺旋銑孔裝置的結構示意圖。
[0030]圖2為本發明旋轉平移機構示意圖。
[0031]圖中:1、刀具，2、電主軸，3、內套筒，4、外殼，5、外套筒，6、分裝式力矩電機，7、電磁離合器，8、動環，9、過渡環，10、定環，11、擋塊，12、壓塊，13、氣缸，14、碟片，15、前連桿，16、
后連桿。
【具體實施方式】
[0032]下面結合技術方案和附圖詳細說明本發明的具體實施，加工材料可為鈦合金、鋁合金、碳纖維、復合材料/合金疊層構件等難加工材料。
[0033]如圖1所示，一種自動調整孔徑的螺旋銑孔裝置，包括刀具1、電主軸2、內套筒3、外殼4、外套筒5、分裝式力矩電機6、電磁離合器7、旋轉平移機構、擋塊11、壓塊12、氣缸13、碟片14、直線進給機構及定位裝置；
[0034]所述的刀具I安裝在電主軸2的輸出軸上；電主軸2通過軸承支撐在內套筒3內、可在內套筒3內轉動；內套筒3的內孔軸線與外圓柱面軸線有一定的偏心量，內套筒3通過錐面和圓柱面與外套筒5裝配，內套筒3、外套筒5之間可以相對轉動；外套筒5的內孔軸線與外圓柱面軸線有一定的偏心量，外套筒5通過軸承安裝在外殼4內并可在外殼4內轉動；分裝式力矩電機6的定子與外殼4連接，分裝式力矩電機6的轉子安裝在外套筒5上；旋轉平移機構的動環8安裝在內套筒3 —端，旋轉平移機構的定環10通過軸承安裝在外殼4內并可在外殼4內轉動，定環10—端與碟片14連接；電磁離合器7的定子安裝在外套筒5上，電磁離合器7的轉子安裝在內套筒3上；氣缸13安裝于外殼4內，氣缸活塞桿前端固定有壓塊12 ;外殼4安裝在直線進給機構上，直線進給機構由直線導軌、滾珠絲杠和伺服電機組成；直線進給機構安裝在定位裝置上。
[0035]所述的旋轉平移機構由動環8、過渡環9、定環10、前連桿15、后連桿16和銷軸組成。動環8、過渡環9和定環10的水平面上分別均勻分布有三個圓柱孔，三個圓柱孔的中心軸線平行；所述的前連桿15和后連桿16各有三個，每個前連桿15上有兩個軸線平行的圓柱孔，每個后連桿16上有兩個軸線平行的圓柱孔；每個前連桿15的一個圓柱孔通過銷軸與動環8上的一個圓柱孔可轉動的連接、其另一個圓柱孔通過銷軸與過渡環9上的一個圓柱孔可轉動的連接；每個后連桿16的一個圓柱孔通過銷軸與過渡環9上的一個圓柱孔可轉動的連接、其另一個圓柱孔通過銷軸與定環10上的一個圓柱孔可轉動的連接；所述的三個前連桿15和三個后連桿16相互平行。
[0036]所述的動環8與過渡環9之間由2個或3個以上的前連桿15連接，所述的過渡環9與定環10之間由2個或3個以上的后連桿16連接。
[0037]所述的分裝式力矩電機6用伺服電機或步進電機取代，并通過同步帶和齒輪驅動外套筒5轉動。
[0038]所述的電主軸2用氣動主軸代替。
[0039]所述的定位裝置是機械手或自動鉆鉚機。
[0040]一種自動調整孔徑的螺旋銑孔裝置的工作方法，包括如下步驟:
[0041]a、根據所選刀具直徑及待加工孔直徑確定偏心量，偏心量e =(孔直徑-刀具直徑)/2;
[0042]b、將氣缸13上氣，使其活塞桿伸出，氣缸13通過前端固定的壓塊12向碟片14施加壓力，使碟片14發生彈性變形，與擋塊11擠壓產生摩擦力，使碟片14鎖死，不能旋轉；
[0043]C、電磁離合器7通電，解除定子與轉子鎖死狀態；
[0044]d、啟動分裝式力矩電機6，帶動外套筒5旋轉一定角度，使偏心量調整為設定值；
[0045]e、電磁離合器7斷電，其定子與轉子之間鎖死；
[0046]f、將氣缸13上氣，使其活塞桿收回，碟片14彈性變形恢復，與擋塊11分離；
[0047]g、啟動分裝式力矩電機6帶動外套筒5轉動,實現刀具I的公轉；
[0048]h、啟動電主軸2，實現刀具I的自轉；
[0049]1、啟動直線進給機構實現刀具I的軸向進給，直至完成螺旋銑孔加工過程。
[0050]本發明的工作原理如下:[0051 ] 實現螺旋銑孔，刀具需要完成自轉、公轉、軸向進給三個運動。
[0052]電主軸2驅動刀具I進行自轉；分裝式力矩電機6驅動外套筒5實現公轉；直線進給機構的伺服電機帶動滾珠絲杠旋轉實現軸向進給。
[0053]偏心量的調節采用此領域公知的雙偏心套筒的原理，通過改變內套筒3與外套筒5之間的相對轉角來改變偏心量。
[0054]內外套筒3、5之間采用機械行業經常使用的斷電鎖死的電磁離合器7來實現鎖死與解鎖。
[0055]外套筒5與分裝式力矩電機6連接，這是公轉所必須的動力源。本發明是利用公轉使用的分裝式力矩電機6來調節偏心量。要想讓內外套筒3、5相對轉動，可以讓外套筒5轉動的同時，內套筒3不旋轉來實現。公轉的分裝式力矩電機6可以驅動外套筒5旋轉；通過引入旋轉平移機構可以使外套筒5旋轉時內套筒3平動而不轉動。
[0056]旋轉平移機構采用了三個圓環通過連桿連接的形式，幾何原理上為兩個平行四邊形機構。當定環10完全固定時，動環8可以在一定范圍內平動而不能旋轉；當定環10軸線位置固定但可以旋轉式，動環8可以在一定范圍內平動或旋轉，且此時動環8與定環10的轉速完全一致。
[0057]本發明的定環10由軸承支承，其軸線位置固定。
[0058]調節偏心量時，通過氣缸13壓緊碟片14的方式利用摩擦力使定環10鎖死，不能旋轉，此時由于旋轉平移機構的作用，與動環8連接的內套筒3只能平動而不能旋轉。
[0059]公轉時，由于旋轉平移機構的作用，碟片14跟隨內、外套筒3、5以相同的速度轉動，平移機構不會對公轉運動產生機械干涉。
[0060]實施例:用Φ8的銑刀加工Φ 10的孔，具體加工過程如下:
[0061]a、根據所選刀具直徑及待加工孔直徑確定偏心量，偏心量e = (10 - 8)/2 = Imm ；
[0062]b、將氣缸13上氣，使其活塞桿伸出，氣缸13通過前端固定的壓塊12向碟片14施加壓力，使碟片14發生彈性變形，與擋塊11擠壓產生摩擦力，使碟片14鎖死，不能旋轉；
[0063]C、電磁離合器7通電，解除定子與轉子鎖死狀態；
[0064]d、啟動分裝式力矩電機6，帶動外套筒5旋轉一定角度，使偏心量調整為設定值；
[0065]e、電磁離合器7斷電，其定子與轉子之間鎖死；
[0066]f、將氣缸13上氣，使其活塞桿收回，碟片14彈性變形恢復，與擋塊11分離；
[0067]g、啟動分裝式力矩電機6帶動外套筒5轉動,實現刀具I的公轉；
[0068]h、啟動電主軸2，實現刀具I的自轉；
[0069]1、啟動直線進給機構實現刀具I的軸向進給，直至完成螺旋銑孔加工過程。
【權利要求】
1.一種自動調整孔徑的螺旋銑孔裝置，包括刀具(I)、電主軸(2)、內套筒(3)、外殼(4)、外套筒(5)、分裝式力矩電機(6)、擋塊(11)、壓塊(12)、氣缸(13)、碟片(14)、直線進給機構及定位裝置；其特征在于:還包括旋轉平移機構和電磁離合器(7)； 所述的刀具(I)安裝在電主軸(2)的輸出軸上；電主軸(2)通過軸承支撐在內套筒(3)內、可在內套筒(3)內轉動；內套筒(3)的內孔軸線與外圓柱面軸線有一定的偏心量，內套筒(3)通過錐面和圓柱面與外套筒5裝配，內套筒(3)、外套筒(5)之間可以相對轉動；夕卜套筒(5)的內孔軸線與外圓柱面軸線有一定的偏心量，外套筒(5)通過軸承安裝在外殼(4)內并可在外殼(4)內轉動；分裝式力矩電機(6)的定子與外殼(4)連接,分裝式力矩電機(6)的轉子安裝在外套筒(5)上；旋轉平移機構的動環⑶安裝在內套筒(3) —端，旋轉平移機構的定環(10)通過軸承安裝在外殼(4)內并可在外殼(4)內轉動，定環(10) —端與碟片(14)連接；電磁離合器(7)的定子安裝在外套筒(5)上，電磁離合器(7)的轉子安裝在內套筒(3)上；氣缸(13)安裝于外殼(4)內，氣缸活塞桿前端固定有壓塊(12);外殼(4)安裝在直線進給機構上，直線進給機構由直線導軌、滾珠絲杠和伺服電機組成；直線進給機構安裝在定位裝置上； 所述的旋轉平移機構由動環(8)、過渡環(9)、定環(10)、前連桿(15)、后連桿(16)和銷軸組成。動環(8)、過渡環(9)和定環(10)的水平面上分別均勻分布有三個圓柱孔，三個圓柱孔的中心軸線平行；所述的前連桿(15)和后連桿(16)各有三個，每個前連桿(15)上有兩個軸線平行的圓柱孔，每個后連桿(16)上有兩個軸線平行的圓柱孔；每個前連桿(15)的一個圓柱孔通過銷軸與動環(8)上的一個圓柱孔可轉動的連接、其另一個圓柱孔通過銷軸與過渡環(9)上的一個圓柱孔可轉動的連接；每個后連桿(16)的一個圓柱孔通過銷軸與過渡環(9)上的一個圓柱孔可轉動的連接、其另一個圓柱孔通過銷軸與定環(10)上的一個圓柱孔可轉動的連接；所述的三個前連桿(15)和三個后連桿(16)相互平行。
2.根據權利要求1所述的一種自動調整孔徑的螺旋銑孔裝置，其特征在于:所述的動環(8)與過渡環(9)之間由2個或3個以上的前連桿(15)連接，所述的過渡環(9)與定環(10)之間由2個或3個以上的年連桿(15)連接。
3.根據權利要求1所述的一種自動調整孔徑的螺旋銑孔裝置，其特征在于:所述的分裝式力矩電機(6)用伺服電機或步進電機取代，并通過同步帶和齒輪驅動外套筒(5)轉動。
4.根據權利要求1所述的一種自動調整孔徑的螺旋銑孔裝置，其特征在于:所述的電主軸(2)用氣動主軸代替。
5.根據權利要求1所述的一種自動調整孔徑的螺旋銑孔裝置，其特征在于:所述的定位裝置是機械手或自動鉆鉚機。
6.一種自動調整孔徑的螺旋銑孔裝置的工作方法，其特征在于:包括如下步驟: a、根據所選刀具直徑及待加工孔直徑確定偏心量，偏心量e=(孔直徑-刀具直徑)/ 2 ； b、將氣缸(13)上氣，使其活塞桿伸出，氣缸(13)通過前端固定的壓塊(12)向碟片(14)施加壓力，使碟片(14)發生彈性變形，與擋塊(11)擠壓產生摩擦力，使碟片(14)鎖死，不能旋轉； C、電磁離合器(7)通電，解除定子與轉子鎖死狀態； d、啟動分裝式力矩電機￠)，帶動外套筒(5)旋轉一定角度，使偏心量調整為設定值；e、電磁離合器(7)斷電，其定子與轉子之間鎖死；f、將氣缸(13)上氣，使其活塞桿收回，碟片(14)彈性變形恢復，與擋塊(11)分離；g、啟動分裝式力矩電機(6)帶動外套筒(5)轉動，實現刀具(I)的公轉；h、啟動電主軸(2)，實現刀具(I)的自轉；l、啟動直線進給機構實現刀具(I)的軸向進給，直至完成螺旋銑孔加工過程。
【文檔編號】B23Q5/28GK104439445SQ201410637775
【公開日】2015年3月25日 申請日期:2014年11月12日 優先權日:2014年11月12日
【發明者】康仁科, 董志剛, 楊國林, 朱祥龍, 王歡 申請人:大連理工大學