一种自动调整孔径的螺旋铣孔装置及其工作方法
【专利摘要】本发明公开了一种自动调整孔径的螺旋铣孔装置及其工作方法，所述的装置包括刀具、内套筒、外套筒、分装式力矩电机、电磁离合器、旋转平移机构、气缸、直线进给机构及定位装置；旋转平移机构由动环、过渡环、定环、前连杆、后连杆和销轴组成。本发明除使用双偏心套筒来改变偏心量外，还使双偏心套筒之间发生相对旋转。由于刀具公转的需要，驱动外套筒的电机是必不可少的，通过使用旋转平移机构，可以使外套筒旋转时内套筒平动而不转动，从而改变了内外套筒之间的相对转角。本发明利用气缸压紧的方式实现定环的机械锁死，结构简单，锁死牢固，成本低廉。本发明利用公转使用的分装式力矩电机即可实现刀具偏心量的自动调节，无需配备额外的动力源。
【专利说明】一种自动调整孔径的螺旋铣孔装置及其工作方法
【技术领域】
[0001]本发明属于螺旋铣孔加工【技术领域】，涉及一种针对新型材料如复合材料、铝合金、钛合金等难加工材料的自动调整孔径的螺旋铣孔装置及其工作方法。
【背景技术】
[0002]螺旋铣孔是航空制造业出现的用于复合材料、钛合金等难加工材料制孔的新技术。复合材料、钛合金等新型材料由于具有优良的机械物理性能而被大量运用到飞行器设计中，制造蒙皮、支撑梁等结构部件。此类结构部件在飞行器装配过程中需要加工大量的连接孔，如铆钉孔、螺栓孔等。复合材料、钛合金属于典型的难加工材料，采用麻花钻钻孔是目前航空航天制造企业最常用的制孔方法。对复合材料采用麻花钻制孔时，轴向力较大，容易出现分层、撕裂、纤维拔出、毛刺等加工缺陷，刀具磨损严重，加工精度低。对钛合金材料采用麻花钻制孔时，容易在出口产生飞边毛刺，切削温度高，热影响严重，刀具急剧磨损，孔壁受到连续切屑的摩擦挤压作用，精度和质量差。当进行飞行器机翼与机身对接或机身不同舱段对接时，需要将复合材料和钛合金罗叠起来形成复合材料/合金叠层结构，进行一体式制孔。由于两种材料性能差异大，刀具形状和加工参数难以匹配，且加工孔直径和深度大，加工质量要求高，制孔难度进一步增加。为解决上述问题，保证制孔精度和质量，目前不得不采用细化工艺的方法，通过钻、扩、铰等一系列工序才能最终完成一个孔的加工，工艺流程长，成产效率低，需要刀具种类多，且前一道工艺产生的损伤严重时后续工艺不能完全消除。另一方面，飞行器装配现场多由工人采用手持气钻工具进行加工，加工复合材料时会产生大量有害粉尘，工人工作环境恶劣；加工钛合金时需要用手施加很大的轴向压力，工人劳动强度大。
[0003]螺旋铣孔技术为了解决上述问题而出现。螺旋铣孔相对于传统钻孔而言属于偏心加工过程，专用铣刀在自转的同时绕被加工孔中心公转，并在轴线方向上进给，刀具中心的轨迹不再是直线而是螺旋线。现有的学术研究及工程实践都已经证实，螺旋铣孔相对于传统钻孔具有更多优点:加工复合材料时不易出现分层、撕裂、纤维拔出、毛刺等加工缺陷；加工钛合金时出入口均不会产生毛刺；切削力小，切削温度低；切屑不连续且具有天然的排屑空间；能通过调整偏心来改变孔径而不需要更换刀具。螺旋铣孔的这些优势使其在航空难加工材料以及更广泛的领域具有巨大的应用前景。
[0004]为了实现飞行器装配现场的螺旋铣孔加工，必须开发专用的螺旋铣孔装置。
[0005]现已出现的螺旋铣孔装置大致可分为两类。一类采用手动的方式调整偏心量。如中国专利CN200910068518公开的《螺旋铣孔方法及其装置》，中国专利CN201010138419公开的《螺旋铣孔装置及方法》，中国专利CN201310105521公开的《一种便携式螺旋铣孔装置及加工方法》等。此类螺旋铣孔装置由于采用手动方式调节偏心量，自动化程度低，调节精度差，当加工孔尺寸种类多时，需要不断地用手调整偏心量，操作十分繁琐，影响生产效率。该类装置不适用于机器人定位的全自动螺旋铣孔加工。
[0006]另一类为采用自动调整偏心量的螺旋铣孔装置。如中国专利CN200910306026公开的《自动螺旋铣孔单元》，中国专利CN201210208170公开的《自动螺旋铣孔装置》，中国专利以CN201210300281公开的《一种自动化螺旋铣孔装置及其方法》等。此类螺旋铣孔装置虽然都实现了偏心量的自动调节，但除了自转、公转、进给各自所必须的动力源之外，都需要额外增加动力源来驱动偏心调节机构才能实现偏心量的自动调节；这一额外增加的动力源往往为伺服电机，从而使装置结构复杂，增大了整个装置的尺寸和重量。当需将螺旋铣孔装置安装于机械手上时，由于整体重量增加，就需要购买承载能力更大的机械手，增加了成本。另一方面，由于需要控制的电机数量增加，控制电路复杂，配套的控制系统需要更多的输出口。以上种种都增加了螺旋铣孔装置的制造和使用成本。
【发明内容】
[0007]为解决现有自动螺旋铣孔装置存在的上述问题，本发明设计了一种动力源数目少、体积小、重量轻、结构简单和成本低的自动调节的螺旋铣孔装置及其工作方法。
[0008]为了实现上述目的，本发明的技术方案如下:一种自动调整孔径的螺旋铣孔装置，包括刀具、电主轴、内套筒、外壳、外套筒、分装式力矩电机、电磁离合器、旋转平移机构、挡块、压块、气缸、碟片、直线进给机构及定位装置。所述的刀具安装在电主轴的输出轴上；电主轴通过轴承支撑在内套筒内、可在内套筒内转动；内套筒的内孔轴线与外圆柱面轴线有一定的偏心量，内套筒通过锥面和圆柱面与外套筒装配，内套筒、外套筒之间可以相对转动；外套筒的内孔轴线与外圆柱面轴线有一定的偏心量，外套筒通过轴承安装在外壳内并可在外壳内转动；分装式力矩电机的定子与外壳连接，分装式力矩电机的转子安装在外套筒上；旋转平移机构的动环安装在内套筒一端，旋转平移机构的定环通过轴承安装在外壳内并可在外壳内转动，定环一端与碟片连接；电磁离合器的定子安装在外套筒上，电磁离合器的转子安装在内套筒上；气缸安装于外壳内，气缸活塞杆前端固定有压块；外壳安装在直线进给机构上，直线进给机构由直线导轨、滚珠丝杠和伺服电机组成；直线进给机构安装在定位装置上。
[0009]所述的旋转平移机构由动环、过渡环、定环、前连杆、后连杆和销轴组成。动环、过渡环和定环的水平面上分别均匀分布有三个圆柱孔，三个圆柱孔的中心轴线平行；所述的前连杆和后连杆各有三个，每个前连杆上有两个轴线平行的圆柱孔，每个后连杆上有两个轴线平行的圆柱孔；每个前连杆的一个圆柱孔通过销轴与动环上的一个圆柱孔可转动的连接、其另一个圆柱孔通过销轴与过渡环上的一个圆柱孔可转动的连接；每个后连杆的一个圆柱孔通过销轴与过渡环上的一个圆柱孔可转动的连接、其另一个圆柱孔通过销轴与定环上的一个圆柱孔可转动的连接；所述的三个前连杆和三个后连杆相互平行。
[0010]本发明所述的动环与过渡环之间由2个或3个以上的前连杆连接，所述的过渡环与定环之间由2个或3个以上的后连杆连接。
[0011]本发明所述的分装式力矩电机可用伺服电机或步进电机取代，并通过同步带和齿轮驱动外套筒转动。
[0012]本发明所述的电主轴可用气动主轴代替。
[0013]本发明所述的定位装置是机械手或自动钻铆机。
[0014]一种自动调整孔径的螺旋铣孔装置的工作方法，包括如下步骤:
[0015]a、根据所选刀具直径及待加工孔直径确定偏心量，偏心量e =(孔直径-刀具直径)/ 2 ；
[0016]b、将气缸上气，使其活塞杆伸出，气缸通过前端固定的压块向碟片施加压力，使碟片发生弹性变形，与挡块挤压产生摩擦力，使碟片锁死，不能旋转；
[0017]C、电磁离合器通电，解除定子与转子锁死状态；
[0018]d、启动分装式力矩电机，带动外套筒旋转一定角度，将偏心量调整为设定值；
[0019]e、电磁离合器断电，其定子与转子之间锁死；
[0020]f、将气缸上气，使其活塞杆收回，碟片弹性变形恢复，与挡块分离；
[0021]g、启动分装式力矩电机带动外套筒转动,实现刀具的公转；
[0022]h、启动电主轴，实现刀具的自转；
[0023]1、启动直线进给机构实现刀具的轴向进给，直至完成螺旋铣孔加工过程。
[0024]与现有技术相比，本发明具有以下有益效果:
[0025]1、本发明使用双偏心套筒来改变偏心量已经是此领域广泛使用的方式，其关键在于使双偏心套筒之间发生相对旋转。由于刀具公转的需要，驱动外套筒的电机是必不可少的，通过使用旋转平移机构，可以使外套筒旋转时内套筒平动而不转动，从而改变了内、夕卜套筒之间的相对转角。旋转平移机构采用了三个圆环通过连杆连接的形式，几何原理上为两个平行四边形机构。当定环完全固定时，动环可以在一定范围内平动而不能旋转；当定环轴线位置固定但可以旋转时，动环可以在一定范围内平动或旋转，且动环与定环的转速完全一致。本发明利用气缸压紧的方式实现定环的机械锁死，结构简单，锁死牢固，成本低廉。
[0026]2、本发明使用电磁离合器来实现内外套筒之间的锁死与解锁，电磁离合器是机械行业广泛使用的元器件，易于购买，技术成熟。通过以上结构与方法，本发明通过使用旋转平移机构，利用公转使用的分装式力矩电机即可实现刀具偏心量的自动调节，无需为偏心调节机构配备额外的动力源。
[0027]3、由于本发明动力源数目减少，整个装置的体积和重量均减小，成本了降低。由于本发明的体积和重量均减小，用承载能力更低的机械手即可承载本装置，进一步节约了成本。由于需要控制的动力源数目减少，配套的数控系统复杂程度降低，进一步节约了成本。由于动力源数目减少，装置结构简单，可靠性提高，制造成本降低。
【专利附图】
【附图说明】
[0028]本发明共有附图2张，其中:
[0029]图1为本发明的一种自动调整孔径的螺旋铣孔装置的结构示意图。
[0030]图2为本发明旋转平移机构示意图。
[0031]图中:1、刀具，2、电主轴，3、内套筒，4、外壳，5、外套筒，6、分装式力矩电机，7、电磁离合器，8、动环，9、过渡环，10、定环，11、挡块，12、压块，13、气缸，14、碟片，15、前连杆，16、
后连杆。
【具体实施方式】
[0032]下面结合技术方案和附图详细说明本发明的具体实施，加工材料可为钛合金、铝合金、碳纤维、复合材料/合金叠层构件等难加工材料。
[0033]如图1所示，一种自动调整孔径的螺旋铣孔装置，包括刀具1、电主轴2、内套筒3、外壳4、外套筒5、分装式力矩电机6、电磁离合器7、旋转平移机构、挡块11、压块12、气缸13、碟片14、直线进给机构及定位装置；
[0034]所述的刀具I安装在电主轴2的输出轴上；电主轴2通过轴承支撑在内套筒3内、可在内套筒3内转动；内套筒3的内孔轴线与外圆柱面轴线有一定的偏心量，内套筒3通过锥面和圆柱面与外套筒5装配，内套筒3、外套筒5之间可以相对转动；外套筒5的内孔轴线与外圆柱面轴线有一定的偏心量，外套筒5通过轴承安装在外壳4内并可在外壳4内转动；分装式力矩电机6的定子与外壳4连接，分装式力矩电机6的转子安装在外套筒5上；旋转平移机构的动环8安装在内套筒3 —端，旋转平移机构的定环10通过轴承安装在外壳4内并可在外壳4内转动，定环10—端与碟片14连接；电磁离合器7的定子安装在外套筒5上，电磁离合器7的转子安装在内套筒3上；气缸13安装于外壳4内，气缸活塞杆前端固定有压块12 ;外壳4安装在直线进给机构上，直线进给机构由直线导轨、滚珠丝杠和伺服电机组成；直线进给机构安装在定位装置上。
[0035]所述的旋转平移机构由动环8、过渡环9、定环10、前连杆15、后连杆16和销轴组成。动环8、过渡环9和定环10的水平面上分别均匀分布有三个圆柱孔，三个圆柱孔的中心轴线平行；所述的前连杆15和后连杆16各有三个，每个前连杆15上有两个轴线平行的圆柱孔，每个后连杆16上有两个轴线平行的圆柱孔；每个前连杆15的一个圆柱孔通过销轴与动环8上的一个圆柱孔可转动的连接、其另一个圆柱孔通过销轴与过渡环9上的一个圆柱孔可转动的连接；每个后连杆16的一个圆柱孔通过销轴与过渡环9上的一个圆柱孔可转动的连接、其另一个圆柱孔通过销轴与定环10上的一个圆柱孔可转动的连接；所述的三个前连杆15和三个后连杆16相互平行。
[0036]所述的动环8与过渡环9之间由2个或3个以上的前连杆15连接，所述的过渡环9与定环10之间由2个或3个以上的后连杆16连接。
[0037]所述的分装式力矩电机6用伺服电机或步进电机取代，并通过同步带和齿轮驱动外套筒5转动。
[0038]所述的电主轴2用气动主轴代替。
[0039]所述的定位装置是机械手或自动钻铆机。
[0040]一种自动调整孔径的螺旋铣孔装置的工作方法，包括如下步骤:
[0041]a、根据所选刀具直径及待加工孔直径确定偏心量，偏心量e =(孔直径-刀具直径)/2;
[0042]b、将气缸13上气，使其活塞杆伸出，气缸13通过前端固定的压块12向碟片14施加压力，使碟片14发生弹性变形，与挡块11挤压产生摩擦力，使碟片14锁死，不能旋转；
[0043]C、电磁离合器7通电，解除定子与转子锁死状态；
[0044]d、启动分装式力矩电机6，带动外套筒5旋转一定角度，使偏心量调整为设定值；
[0045]e、电磁离合器7断电，其定子与转子之间锁死；
[0046]f、将气缸13上气，使其活塞杆收回，碟片14弹性变形恢复，与挡块11分离；
[0047]g、启动分装式力矩电机6带动外套筒5转动,实现刀具I的公转；
[0048]h、启动电主轴2，实现刀具I的自转；
[0049]1、启动直线进给机构实现刀具I的轴向进给，直至完成螺旋铣孔加工过程。
[0050]本发明的工作原理如下:[0051 ] 实现螺旋铣孔，刀具需要完成自转、公转、轴向进给三个运动。
[0052]电主轴2驱动刀具I进行自转；分装式力矩电机6驱动外套筒5实现公转；直线进给机构的伺服电机带动滚珠丝杠旋转实现轴向进给。
[0053]偏心量的调节采用此领域公知的双偏心套筒的原理，通过改变内套筒3与外套筒5之间的相对转角来改变偏心量。
[0054]内外套筒3、5之间采用机械行业经常使用的断电锁死的电磁离合器7来实现锁死与解锁。
[0055]外套筒5与分装式力矩电机6连接，这是公转所必须的动力源。本发明是利用公转使用的分装式力矩电机6来调节偏心量。要想让内外套筒3、5相对转动，可以让外套筒5转动的同时，内套筒3不旋转来实现。公转的分装式力矩电机6可以驱动外套筒5旋转；通过引入旋转平移机构可以使外套筒5旋转时内套筒3平动而不转动。
[0056]旋转平移机构采用了三个圆环通过连杆连接的形式，几何原理上为两个平行四边形机构。当定环10完全固定时，动环8可以在一定范围内平动而不能旋转；当定环10轴线位置固定但可以旋转式，动环8可以在一定范围内平动或旋转，且此时动环8与定环10的转速完全一致。
[0057]本发明的定环10由轴承支承，其轴线位置固定。
[0058]调节偏心量时，通过气缸13压紧碟片14的方式利用摩擦力使定环10锁死，不能旋转，此时由于旋转平移机构的作用，与动环8连接的内套筒3只能平动而不能旋转。
[0059]公转时，由于旋转平移机构的作用，碟片14跟随内、外套筒3、5以相同的速度转动，平移机构不会对公转运动产生机械干涉。
[0060]实施例:用Φ8的铣刀加工Φ 10的孔，具体加工过程如下:
[0061]a、根据所选刀具直径及待加工孔直径确定偏心量，偏心量e = (10 - 8)/2 = Imm ；
[0062]b、将气缸13上气，使其活塞杆伸出，气缸13通过前端固定的压块12向碟片14施加压力，使碟片14发生弹性变形，与挡块11挤压产生摩擦力，使碟片14锁死，不能旋转；
[0063]C、电磁离合器7通电，解除定子与转子锁死状态；
[0064]d、启动分装式力矩电机6，带动外套筒5旋转一定角度，使偏心量调整为设定值；
[0065]e、电磁离合器7断电，其定子与转子之间锁死；
[0066]f、将气缸13上气，使其活塞杆收回，碟片14弹性变形恢复，与挡块11分离；
[0067]g、启动分装式力矩电机6带动外套筒5转动,实现刀具I的公转；
[0068]h、启动电主轴2，实现刀具I的自转；
[0069]1、启动直线进给机构实现刀具I的轴向进给，直至完成螺旋铣孔加工过程。
【权利要求】
1.一种自动调整孔径的螺旋铣孔装置，包括刀具(I)、电主轴(2)、内套筒(3)、外壳(4)、外套筒(5)、分装式力矩电机(6)、挡块(11)、压块(12)、气缸(13)、碟片(14)、直线进给机构及定位装置；其特征在于:还包括旋转平移机构和电磁离合器(7)； 所述的刀具(I)安装在电主轴(2)的输出轴上；电主轴(2)通过轴承支撑在内套筒(3)内、可在内套筒(3)内转动；内套筒(3)的内孔轴线与外圆柱面轴线有一定的偏心量，内套筒(3)通过锥面和圆柱面与外套筒5装配，内套筒(3)、外套筒(5)之间可以相对转动；夕卜套筒(5)的内孔轴线与外圆柱面轴线有一定的偏心量，外套筒(5)通过轴承安装在外壳(4)内并可在外壳(4)内转动；分装式力矩电机(6)的定子与外壳(4)连接,分装式力矩电机(6)的转子安装在外套筒(5)上；旋转平移机构的动环⑶安装在内套筒(3) —端，旋转平移机构的定环(10)通过轴承安装在外壳(4)内并可在外壳(4)内转动，定环(10) —端与碟片(14)连接；电磁离合器(7)的定子安装在外套筒(5)上，电磁离合器(7)的转子安装在内套筒(3)上；气缸(13)安装于外壳(4)内，气缸活塞杆前端固定有压块(12);外壳(4)安装在直线进给机构上，直线进给机构由直线导轨、滚珠丝杠和伺服电机组成；直线进给机构安装在定位装置上； 所述的旋转平移机构由动环(8)、过渡环(9)、定环(10)、前连杆(15)、后连杆(16)和销轴组成。动环(8)、过渡环(9)和定环(10)的水平面上分别均匀分布有三个圆柱孔，三个圆柱孔的中心轴线平行；所述的前连杆(15)和后连杆(16)各有三个，每个前连杆(15)上有两个轴线平行的圆柱孔，每个后连杆(16)上有两个轴线平行的圆柱孔；每个前连杆(15)的一个圆柱孔通过销轴与动环(8)上的一个圆柱孔可转动的连接、其另一个圆柱孔通过销轴与过渡环(9)上的一个圆柱孔可转动的连接；每个后连杆(16)的一个圆柱孔通过销轴与过渡环(9)上的一个圆柱孔可转动的连接、其另一个圆柱孔通过销轴与定环(10)上的一个圆柱孔可转动的连接；所述的三个前连杆(15)和三个后连杆(16)相互平行。
2.根据权利要求1所述的一种自动调整孔径的螺旋铣孔装置，其特征在于:所述的动环(8)与过渡环(9)之间由2个或3个以上的前连杆(15)连接，所述的过渡环(9)与定环(10)之间由2个或3个以上的年连杆(15)连接。
3.根据权利要求1所述的一种自动调整孔径的螺旋铣孔装置，其特征在于:所述的分装式力矩电机(6)用伺服电机或步进电机取代，并通过同步带和齿轮驱动外套筒(5)转动。
4.根据权利要求1所述的一种自动调整孔径的螺旋铣孔装置，其特征在于:所述的电主轴(2)用气动主轴代替。
5.根据权利要求1所述的一种自动调整孔径的螺旋铣孔装置，其特征在于:所述的定位装置是机械手或自动钻铆机。
6.一种自动调整孔径的螺旋铣孔装置的工作方法，其特征在于:包括如下步骤: a、根据所选刀具直径及待加工孔直径确定偏心量，偏心量e=(孔直径-刀具直径)/ 2 ； b、将气缸(13)上气，使其活塞杆伸出，气缸(13)通过前端固定的压块(12)向碟片(14)施加压力，使碟片(14)发生弹性变形，与挡块(11)挤压产生摩擦力，使碟片(14)锁死，不能旋转； C、电磁离合器(7)通电，解除定子与转子锁死状态； d、启动分装式力矩电机￠)，带动外套筒(5)旋转一定角度，使偏心量调整为设定值；e、电磁离合器(7)断电，其定子与转子之间锁死；f、将气缸(13)上气，使其活塞杆收回，碟片(14)弹性变形恢复，与挡块(11)分离；g、启动分装式力矩电机(6)带动外套筒(5)转动，实现刀具(I)的公转；h、启动电主轴(2)，实现刀具(I)的自转；l、启动直线进给机构实现刀具(I)的轴向进给，直至完成螺旋铣孔加工过程。
【文档编号】B23Q5/28GK104439445SQ201410637775
【公开日】2015年3月25日 申请日期:2014年11月12日 优先权日:2014年11月12日
【发明者】康仁科, 董志刚, 杨国林, 朱祥龙, 王欢 申请人:大连理工大学