一种面向叠层材料的超声辅助钻铆装置的制作方法

本发明涉及钻铆装置技术领域，尤其涉及一种面向叠层材料的超声辅助钻铆装置。

背景技术：

叠层材料结构由于综合单一构件优越的材料性能，因此在飞机制造上得到广泛应用。叠层之间的连接通常是铆钉，铆钉连接质量的好坏直接影响装配的总体性能，进而影响叠层材料结构的性能。据统计，一台飞机有数以万计的连接孔，铆钉的装配失效会加速机体的疲劳失效，不仅影响叠层材料结构的使用寿命，而且由于连接处极易疲劳断裂导致危及乘机安全。

复合层叠材料通常是一次性钻铆，由于不同叠层构件的强度、热导率和高温化学活性具有明显差异，因此在一体化钻铆过程中，不仅容易产生刀具磨损的现象，还会降低制孔质量。目前常用的钻铆装置加工孔采用的是钻铆头，其加工精度不高且加工时会产生大量热量，影响复合层叠材料的材料物理化学性能，钻孔质量难以保证。因此，实现叠层构件高精密制孔成为提高装配件使用性能、延长刀具使用寿命的重要前提。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一。为此，本发明提出一种面向叠层材料的超声辅助钻铆装置，所述超声辅助钻铆装置状的加工精度较高，钻孔质量较好，使用寿命较长。

根据本发明实施例的面向叠层材料的超声辅助钻铆装置，包括：超声加工组件，所述超声加工组件包括：钻铆工具头；换能模块，所述换能模块包括多个换能件，所述多个换能件与所述钻铆工具头相连；导电滑环模块，所述导电滑环模块包括定子模组与转子模组，所述定子模组适于与外部固定装置相连，所述转子模组转动配合在所述定子模组上，所述转子模组与所述换能模块相连；超声发生器，所述超声发生器与所述定子模组相连；驱动组件，所述驱动组件与所述转子模组相连，以驱动所述转子模组、所述换能模块及所述钻铆工具头同步转动；其中；所述超声发生器依次通过所述定子模组、所述转子模组、所述换能模块将电信号传递至所述多个换能件，所述多个换能件在接收电信号后发出机械振动，以带动所述钻铆工具头振动。

根据本发明实施例的面向叠层材料的超声辅助钻铆装置，由于钻铆工具头在旋转的过程中还发生了超声高频振动，减少了加工中出现碎屑、毛刺，飞边的问题，提高了加工质量和装配质量。此外，利用超声高频振动原理极大降低了加工温度，避免加工温度过高导致的材料变形问题，保证了加工质量，延长了钻铆工具头的使用寿命。

在一些实施例中，所述的面向叠层材料的超声辅助钻铆装置，还包括：信号采集处理装置，所述信号采集处理装置分别与所述导电滑环模块、所述超声发生器及所述驱动组件电连接，所述信号采集处理装置可采集所述导电滑环模块的电信号，并且根据所述导电滑环模块的电信号调整所述超声发生器的输出频率和/或调整所述钻铆工具头的加工工艺参数。

在一些具体的实施例中，所述信号采集处理装置包括：电流计，所述电流计与所述导电滑环模块电连接，以采集所述导电滑环模块的电信号；指令输出接口，所述指令输出接口分别与所述超声发生器及所述驱动组件相连，以调整所述超声发生器的输出参数和/或所述驱动组件的输出参数；处理器，所述处理器分别与所述电流计及所述指令输出接口电连接，所述处理器可根据所述电流计的采集结果朝向所述指令输出接口发出不同的指令。

在一些实施例中，所述转子模组设在所述定子模组的朝向所述钻铆工具头的一端；所述转子模组包括：转子滑环和套设在所述转子滑环外侧的转子绝缘层，所述定子模组包括：定子支架、定子绝缘层和碳刷，所述定子绝缘层设在所述定子支架上，所述定子绝缘层具有朝向所述转子模组敞开的配合孔，所述碳刷的一端配合在所述配合孔内，且所述碳刷的一端与所述配合孔的底壁之间设有弹性件，所述碳刷在所述弹性件的弹力下止抵在所述转子滑环的端面上。

在一些实施例中，所述导电滑环装置还包括：壳体，所述壳体的朝向所述钻铆工具头的一端敞开设置，所述壳体封闭端上设有配合槽，所述转子模组配合在所述配合槽内，所述壳体敞开端罩设在所述多个换能件外侧。

在一些实施例中，所述壳体的封闭端上形成有连接轴，所述连接轴通过联轴器与所述驱动组件相连。

在一些实施例中，所述换能模块包括：前盖板，所述前盖板盖合在所述壳体的敞开端；后盖板，所述后盖板设在所述前盖板的远离钻铆工具头的一侧，所述多个换能件夹设在所述前盖板与所述后盖板之间。

在一些可选的实施例中，所述前盖板与所述后盖板之间配合有螺栓，所述多个换能件穿设在螺栓上。

在一些实施例中，所述换能件为压电陶瓷件。

在一些实施例中，所述的面向叠层材料的超声辅助钻铆装置，还包括：柔性快换组件，所述柔性快换装置适于与外部支撑装置相连，所述驱动组件设在所述外部支撑装置上。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

本发明的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：

图1是本发明实施例的超声辅助钻铆装置的结构示意图。

图2是本发明实施例的超声辅助钻铆装置能量传递示意图。

图3是本发明实施例的超声辅助钻铆装置控制逻辑示意图。

图4是本发明实施例的超声辅助钻铆装置另一个控制逻辑示意图。

附图标记：

超声辅助钻铆装置100、卡接件4、钻铆工具头5、壳体7、连接轴71、超声加工组件10、驱动组件11、联轴器12、导电滑环模块20、定子支架21、定子绝缘层22、弹性件23、碳刷24、定子模组25、转子模组26、转子滑环27、转子绝缘层28、超声发生器29、换能模块30、后盖板31、换能件32、前盖板33、螺栓34、信号处理装置40。

具体实施方式

下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”、“轴向”、“径向”、“周向”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，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

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。

下面参考图1-图2描述根据本发明实施例的面向叠层材料的超声辅助钻铆装置100。

如图1所示，根据本发明实施例的面向叠层材料的超声辅助钻铆装置100包括超声加工组件10和驱动组件11，超声加工组件10包括钻铆工具头5、换能模块30、导电滑环模块20及超声发生器29，换能模块30包括多个换能件32，多个换能件32与钻铆工具头5相连，导电滑环模块20包括定子模组25与转子模组26，定子模组25适于与外部固定装置相连，转子模组26转动配合在定子模组25上，转子模组26与换能模块30相连，超声发生器29与定子模组25相连，驱动组件11与转子模组26相连，以驱动转子模组26、换能模块30及钻铆工具头5同步转动。超声发生器29依次通过定子模组25、转子模组26、换能模块30将电信号传递至多个换能件32，多个换能件32在接收电信号后发出机械振动，以带动钻铆工具头5振动。

首先需要说明的是，钻铆工具头5可以为麻花钻、金刚石或cbn空心磨削工具、铆接件等等，在此不对钻铆工具头5的具体类型做出限定。

可以理解的是，在本发明中，一方面驱动组件11依次通过转子模组26、换能模块30驱动钻铆工具头5转动，另一方面超声发生器29依次通过定子滑环、转子滑环27、换能模块30将电信号传递至多个换能件32，多个换能件32在接收电信号后发出机械振动，以带动钻铆工具头5振动。由此实现了钻铆工具头5在转动的过程中发生超声高频振动，这样的切削方式解决了现有钻铆装置在工作过程中高温、碎屑、毛刺、飞边带来的加工和装配误差问题，利用超声高频振动原理极大降低了加工温度，避免加工温度过高导致的材料变形问题。

此外，采用超声高频振动原理加工，降低了钻孔过程的震荡感，降低了操作门槛，且在加工过程中只需要激活开关，无需长时间按压开关部位，减少使用者出现手指疲劳的现象。

根据本发明实施例的面向叠层材料的超声辅助钻铆装置100，由于钻铆工具头5在旋转的过程中还发生了超声高频振动，减少了加工中出现碎屑、毛刺，飞边的问题，提高了加工质量和装配质量。此外，利用超声高频振动原理极大降低了加工温度，避免加工温度过高导致的材料变形问题，保证了加工质量，延长了钻铆工具头5的使用寿命。

在一些实施例中，如图3-图4所示，面向叠层材料的超声辅助钻铆装置100还包括信号采集处理装置40，信号采集处理装置40分别与导电滑环模块20、超声发生器29及驱动组件11电连接，信号采集处理装置40可采集导电滑环模块20的电信号，并且根据导电滑环模块20的电信号调整超声发生器29的输出频率和/或调整钻铆工具头5的加工工艺参数。

可以理解的是，由于本发明实施例的信号采集处理装置40可采集导电滑环模块20的电信号，且并且根据导电滑环模块20的电信号调整超声发生器29的输出频率和/或调整钻铆工具头5的加工工艺参数。由此，如图3所示，一方面信号处理装置40调整超声发生器29的输出，使得在实际加工过程中，超声发生器29输出电信号更为贴合实际的加工工况，从而在一定程度上提高超声辅助钻铆装置100的加工精度。具体而言，在超声钻铆工具头5加工复合层叠材料过程中，当切削力改变或者超声钻铆工具头5接触到不同层的材料构件时，超声辅助钻铆装置100的负载产生改变，导电滑环模块20的转子电路中的阻抗发生改变，转子电路中的电流发生变化，与之对应的是定子电路中的电流也发生变化，信号处理装置40可检测到该电流变化，并根据该电流变化调整超声发生器29的输入频率，使得超声发生器29输出电信号更为贴合实际的加工工况。

另一方便，如图4所示，信号处理装置40可以调整钻铆工具头5的加工工艺参数，从而实现线监测叠层材料零件钻铆过程以及自适应调整优化钻铆过程的目的。具体而言，在超声辅助钻铆装置100工作过程中，超声发生器29始终恒压输入超声电信号。由于换能件32可将接受到的电信号转为超声振动，超声振动经过钻铆工具头5传播后作用于待加工工件表面，而待加工工件表面会反射一段超声波作用于钻铆工具头5，该反射波与加工表面带来的反切削力作用于钻铆工具头5，而根据不同待加工工件表面的物理特性和分子结构差异，其反射的波性质和切削反力也存在明显差异。也就是说当钻铆工具头5由一层待加工工件表面运动到另一层待加工工件表面时，负载阻抗发生变化，从而使得导电滑环模块20的转子电路的电流以及定子电路的电流均会发生变化。这样便可通过监测输出电流值的变化确定待加工工件的材料类型，从而调整钻铆工具头5的加工工艺参数，使得加工工艺参数达到该材料类型的最优加工工艺参数，从而达到在线监测叠层材料类型以及自适应调整优化钻铆过程的目的。

在一些具体的实施例中，信号采集处理装置40包括电流计、指令输出接口和处理器，电流计与导电滑环模块20电连接，以采集导电滑环模块20的电信号，指令输出接口分别与超声发生器29及驱动组件11相连，以调整超声发生器29的输出参数和/或驱动组件11的输出参数。处理器分别与电流计及指令输出接口电连接，处理器可根据电流计的采集结果朝向指令输出接口发出不同的指令。这里需要说明的是，处理器内可以预先存储不同材料的工艺数据库，使得检测到钻铆工具头5当前加工的是某种材料时即可调整钻铆工具头5的加工工艺参数，使得加工工艺参数达到该材料类型的最优加工工艺参数。当然，这个工艺数据库可以是根据相关领域参考资料确定，也可以是通过实际实验确定的最佳工艺参数。

在一些实施例中，如图2所示，转子模组26设在定子模组25的朝向钻铆工具头5的一端。定子模组25包括定子支架21、定子绝缘层22和碳刷24，定子绝缘层22设在定子支架21上，定子绝缘层22具有朝向转子模组26敞开的配合孔转子滑环27和套设在转子滑环27外侧的转子绝缘层28，导电滑环模块20还包括碳刷24，碳刷24的一端配合在配合孔内，且碳刷24的一端与配合孔的底壁之间设有弹性件23，碳刷24在弹性件23的弹力下止抵在转子滑环27的端面上。由此，可以较好地保证超声发生器29发出的电信号能够依次通过定子模组25、转子模组26传递到换能模组，从而较好地保证了换能件32在接收电信号后发出机械振动以带动所述钻铆工具头5振动。

在一些实施例中，如图1所示，导电滑环装置还包括壳体7，壳体7的朝向钻铆工具头5的一端敞开设置，壳体7封闭端上设有配合槽，转子模组26配合在配合槽内，壳体7敞开端罩设在多个换能件32外侧。可以理解的是，壳体7的敞开端罩设在换能件32的外侧在一定程度上起到了保护换能件32的作用，降低了换能件32的损坏率，从而在一定程度上延长了超声辅助钻铆装置100的使用寿命。

在一些实施例中，如图1所示，壳体7的封闭端上形成有连接轴71，连接轴71通过联轴器12与驱动组件11相连。由此，较好地保证了驱动组件11与转子模组26的连接关系，从而保证了驱动组件11能够较为稳定地驱动钻铆工具头5转动。

在一些实施例中，如图1所示，换能模块30包括前盖板33和后盖板31，前盖板33盖合在壳体7的敞开端，后盖板31设在前盖板33的远离钻铆工具头5的一侧，多个换能件32夹设在前盖板33与后盖板31之间。可以理解的是，采用将多个换能件32夹设在前盖板33和后盖板31之间的技术方案能够较好地保证换能件32的稳定性，从而保证了钻铆工具头5的运动平稳性。当然，换能模块30的结构的并不限于上述实施例，在本发明的其他实施例中，换能模块30的结构还可以形成为其他结构，在此不对换能模块30的具体结构一一举例说明。

在一些实施例中，如图1所示，前盖板33通过卡接件4与钻铆工具头5相连，由此较为方便地实现了钻铆工具头5安装、拆卸和更换。

在一些可选的实施例中，如图1所示，前盖板33与后盖板31之间配合有螺栓34，多个换能件32穿设在螺栓34上。由此，螺栓34能够给夹设在前盖板33和后盖板31之间的多个换能件32提供合适的预紧力，保证了换能件32能够较为稳定地配合在前盖板33与后盖板31之间，避免了换能件32安装不稳定导致地钻铆工具头5运动不稳定的现象发生。

在一些实施例中，换能件32为压电陶瓷件。当然，在本发明的一些实施例中，换能件32可以不是压电陶瓷件而是其他可以将电能转化为机械振动的材料制成。

在一些实施例中，面向叠层材料的超声辅助钻铆装置100还包括柔性快换组件，柔性快换装置适于与外部支撑装置相连，驱动组件11设在外部支撑装置上。可以理解的是，由于本发明实施例的超声辅助钻铆装置100还柔性快换组件，由此可以实际需要灵活地将超声辅助钻铆装置100接入机床主轴、机器手以及手持钻铆把手等支撑设备，满足所提超声入住钻铆装置在机床、机器人、人工等多种环境的应用。

实施例：

如图1-图2所示，本实施例的面向叠层材料的超声辅助钻铆装置100包括超声加工组件10和驱动组件11，超声加工组件10包括钻铆工具头5、换能模块30、导电滑环模块20及超声发生器29。

超声发生器29依次通过定子模组25、转子模组26、换能模块30将电信号传递至换能模块30，换能模块30在接收电信号后发出机械振动，以带动钻铆工具头5振动。

导电滑环模块20包括定子模组25、转子模组26、电刷24及壳体7，定子模组25适于与外部固定装置相连，壳体7的朝向钻铆工具头5的一端敞开设置，壳体7封闭端上设有配合槽，转子模组26配合在配合槽内。转子模组26转动配合在定子模组25上，定子模组25与超声发生器29相连。转子模组26与换能模块30相连且设在定子模组25的朝向钻铆工具头5的一端。定子模组25包括定子支架21和设在定子支架21上的定子绝缘层22，定子绝缘层22具有朝向转子模组26敞开的配合孔转子滑环27和套设在转子滑环27外侧的转子绝缘层28，碳刷24的一端配合在配合孔内，且碳刷24的一端与配合孔的底壁之间设有弹性件23，碳刷24在弹性件23的弹力下止抵在转子滑环27的端面上。

换能模块30包括前盖板33、后盖板31和多个换能件32，前盖板33盖合在壳体7的敞开端，后盖板31设在前盖板33的远离钻铆工具头5的一侧，多个换能件32夹设在前盖板33与后盖板31之间。驱动组件11与转子模组26相连，以驱动转子模组26、换能模块30及钻铆工具头5同步转动。

本实施例的面向叠层材料的超声辅助钻铆装置100具有以下优点：

(1)解决了现有钻铆装置加工复合材料时针对不同材料在线监测识别和在线反馈工艺参数的难题，在无须人工参与的情况下，即可完成切削复合层叠材料且切削到不同构件时主动调整工艺参数，实现了智能化钻铆。

(2)解决了现有钻铆装置在工作过程由于高温、碎屑、毛刺、飞边带来的加工和装配误差问题；

(3)利用超声加工原理极大降低了加工温度，避免加工温度过高导致的叠层材料零件变形不同的问题；

(4)利用超声加工原理，降低了钻孔过程的震荡感，降低了操作门槛。在加工过程中只需要激活开关，无需长时间按压开关部位，减少操作者的手指疲劳。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示意性实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不一定指的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。