一种螺旋铣孔装置的非接触式实时偏心量检测方法与流程

本发明涉及螺旋铣孔加工技术领域，具体涉及一种螺旋铣孔装置的非接触式实时偏心量检测方法。

背景技术：

螺旋铣孔是航空制造业出现的新技术，其原理是采用特制立铣刀，刀具自身高速旋转的同时绕被加工孔轴线公转，并在加工孔轴线方向进给，最终在工件上铣削出一个直径大于刀具自身的圆孔的加工方式，因为刀具进给轨迹呈螺旋线状，因此称之为螺旋铣孔。针对复合材料、钛合金等新型材料的制孔，由于螺旋铣孔轴向切削力较钻孔小，因此表现出优于传统钻孔的特点，螺旋铣孔被应用到飞行器装配中，代替传统钻孔加工一些高质量要求的螺栓孔和铆钉孔，且应用范围不断扩大。螺旋铣孔装置的设计难点在于保证偏心量的调整精度，区别于传统钻孔，螺旋铣孔的加工孔径不仅取决于刀具直径，还与刀具偏心量直接相关，螺旋铣孔加工孔径等于刀具直径加上偏心量的二倍。因此如果刀具制造误差较大或者偏心量控制不准确，将直接导致加工孔径不合格。为了加工出尺寸合格的加工孔，螺旋铣孔装置应该根据刀具的实际尺寸和设定的加工孔径来确定偏心量的理论值，并通过偏心调节机构将偏心量调整到与理论值的误差足够小，以保证实际加工孔径尺寸合格。

偏心量精确调节主要困难在于：(1)刀具制造本身存在一定误差，同时加工过程中由于磨损也会使实际尺寸发生变化，不能检测刀具实际尺寸，只能按照刀具理论尺寸去计算偏心量，从而将刀具误差引入到加工中，影响最终的制孔精度；(2)由于刀具需要加工出切削刃和排屑槽，使得自身形状不规则，直径的测量在实际工程中具有一定难度，不能检测偏心量的实际值，将进一步影响加工精度。现有的螺旋铣孔装置的偏心调节原理可分为两类：一类采用双偏心套筒原理，通过改变内外偏心套筒相对转角实现偏心量调整；一类将主轴通过垂直轴线的直线运动装置布置在公转机构上，通过直线运动装置调整偏心量。无论哪种机构，调整偏心量时，都是通过控制电机旋转，并经过带轮、齿轮、蜗轮蜗杆、丝杠等一级或多级传动副驱动偏心调整机构改变偏心量。虽然电机的转角可以通过电机自身编码器准确控制，但传动机构的引入和零部件的弹性变形、制造误差等，都会使得偏心量的实际输出值与理论输出值产生一定的偏差。由于不能检测偏心量的实际输出值并反馈给控制机构进行误差补偿，从而无法实现偏心量的闭环控制，导致偏心量调整精度难以保证。

现已公开的螺旋铣孔装置的偏心量检测与控制方法，专利号cn201510304427.5，该发明可同时检测刀具实际尺寸和实际偏心量，且具有较高的精测精度和实用性，但由于其自身原理的限制，在偏心量产生变化时，偏心量实际值并不能实时反馈给操作人员或控制系统，需要在偏心量的输出值不变后，先让设备公转一周以上，才能检测出偏心量的实际值，由于检测的滞后性，带来操作上的繁琐，检测效率降低，使用范围也受到限制。

技术实现要素：

本发明的目的在于在螺旋铣孔的偏心量检测过程中，提供一种螺旋铣孔装置的非接触式实时偏心量检测方法，以解决现有技术不能实时检测出偏心量的实际值的问题。刀具公转过程中，通过检测刀具与检测区域的位置关系，可得到实时偏心量。

本发明采用的技术手段如下：

一种螺旋铣孔装置的非接触式实时偏心量检测方法，其特征在于具有如下步骤：

安装第一激光检测装置和第二激光检测装置，第一激光检测装置和第二激光检测装置的激光均垂直于刀具轴线且具有重叠区域形成检测区域；

刀具穿过检测区域，；

刀具公转一周，检测每时刻刀具到检测区域上边缘和左边缘的最短距离，分别记为上边缘距离和左边缘距离，求得上边缘距离平均值和左边缘距离平均值

调节螺旋铣孔装置的偏心量，检测某时刻刀具到检测区域上边缘和左边缘的最短距离，分别记为实时上边缘距离xn和实时左边缘距离yn，则此时实际偏心量e为

并将此时实际偏心量e输出显示，其中，θ为第一激光检测装置和第二激光检测装置的激光在垂直于刀具轴线的平面内的正投影的夹角；

根据显示的实际偏心量e，实时调节螺旋铣孔装置的偏心量，直至得到所需偏心量。

所述重叠区域位于垂直于刀具轴线的平面内；

或，所述重叠区域为第一激光检测装置和第二激光检测装置的激光空间交错区域。

第一激光检测装置和第二激光检测装置结构相同均包括相向设置的激光发射极和激光接收极。

0°＜θ≤90°。

检测过程中，刀具始终穿过检测区域。

上边缘距离平均值满足以下公式：

其中，xmax和xmin分别为上边缘距离中的最大值和最小值；

左边缘距离平均值满足以下公式：

其中，ymax和ymin分别为左边缘距离中的最大值和最小值。

检测过程中，刀具只公转不自转。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

1.对于需要手动调节偏心量的螺旋铣孔装置，操作人员用手旋转设备某一调节机构时，偏心量的变化可以实时测量并显示出来，操作人员可以一边看着实时偏心量的显示值一边旋转偏心调节机构，辅助操作人员进行操作，调节的准确性、可操作性、速度均可以极大地提高，实现一次调节即可达到准确的偏心量。

2.对于需要设备自动调节偏心量的螺旋铣孔装置，偏心量的实时检测值可以反馈给控制系统，形成闭环控制，提高偏心调节速度，提高生产效率。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图做以简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明的具体实施方式中的激光检测装置与螺旋铣孔装置安装示意图。

图2是本发明的具体实施方式中一种螺旋铣孔装置的非接触式实时偏心量检测方法的流程图。

图3是本发明的具体实施方式中一种螺旋铣孔装置的非接触式实时偏心量检测方法的x、y位置表示示意图。

图4是本发明的具体实施方式中一种螺旋铣孔装置的非接触式实时偏心量检测方法的检测计算过程示意图。

图5是本发明的具体实施方式中重叠区域为第一激光检测装置和第二激光检测装置的激光空间交错区域时的结构示意图。

其中，1.螺旋铣孔装置，2.刀具，3.第一激光检测装置，4.第二激光检测装置，5.支架，6.底座，7.检测区域，31.第一激光检测装置发射极，32.第一激光检测装置接收极，41.第二激光检测装置发射极，42.第二激光检测装置接收极。

具体实施方式

为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，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。本发明所提到的方向用语上、下、左、右等，仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用语是用来说明，而非用来限制本发明。

如图1所示，本发明主要利用激光检测的方式，激光检测装置包括第一激光检测装置3、第二激光检测装置4，如图3和4所示，是一种激光检测装置的安装形式，第一激光检测装置3、第二激光检测装置4在垂直于刀具2进给方向的平面内呈θ角(0°＜θ≤90°)安装，第一激光检测装置3包括相向设置的第一激光检测装置发射极31和第一激光检测装置接收极32，第二激光检测装置4包括相向设置的第二激光检测装置发射极41和第二激光检测装置接收极42，两组激光检测装置的两级之间的激光光带具有重叠区域形成检测区域7，所述重叠区域7位于垂直于刀具2轴线的平面内，如图5所示，是另外一种激光检测装置的安装形式，第一激光检测装置3和第二激光检测装置4分别位于两个平面内，两个平面互相平行且均垂直于所述刀具2的轴线，第一激光检测装置和第二激光检测装置的激光光带互相平行，则形成检测区域的重叠区域7为第一激光检测装置3和第二激光检测装置4的激光空间交错区域；

上述两种激光检测装置的安装形式中激光发射极31、41均能发射具有一定宽度的激光光带照射激光接收极32、42，当有物体处于检测区域7时，由于遮光作用，使得激光接收极32、42的接收光有所不同，可以检测出待测工件上边缘与第一激光检测装置3形成的激光光带上边缘的垂直距离x，即为待测工件到检测区域7上边缘的最短距离，及待测工件左边缘与第二激光检测装置4形成的激光光带左边缘的垂直距离y，即为待测工件到检测区域7左边缘的最短距离，本实施例中，待测工件为位于检测区域7内刀具2具有圆形横截面部分的横截面，一般刀具2的前端切削部分是不规则界面形状的，具有圆形横截面部分一般是刀具2的颈部或者刀柄部位。可以理解为在其他实施例中，待测工件也可以为刀具2的前端切削部分的横截面。

如图2所示，一种螺旋铣孔装置的非接触式实时偏心量检测方法，具有如下步骤：

s1、安装激光检测装置，形成检测区域7；

s2、启动螺旋铣孔装置1，使刀具2具有圆形横截面部分穿过检测区域7；

s3、刀具2公转一周，激光检测装置检测计算

检测过程中，理论上刀具2可以自转也可以不自转，刀具2自转时转速较高，在偏心量检测时使刀具2自转可能对检测结果产生影响，因此在检测过程中，刀具2只公转不自转。

如图3所示，刀具2公转状态下，检测刀具2上边缘相对于第一激光检测装置3形成的激光光带上边缘的垂直距离x，即为刀具2到检测区域7上边缘的最短距离，检测刀具2左边缘相对于第二激光检测装置4形成的激光光带左边缘的垂直距离y，即为刀具2到检测区域7左边缘的最短距离，如图4所示，刀具2公转一周后，选取每时刻x中的最小值xmin和最大值xmax，则同时，选取每时刻y中的最小值ymin和最大值ymax，则为了保证测量的准确可靠，检测计算时，刀具2应不自转而只随着公转做平移运动。

s4、调节螺旋铣孔装置1的偏心量，根据此时刀具2位置以及步骤s3计算得到的可计算出此时实际偏心量e，并输出显示。

检测实际偏心量e的检测方法：调节螺旋铣孔装置1的偏心量，检测某时刻，刀具2上边缘相对于第一激光检测装置3形成的激光光带上边缘的垂直距离为xn，即为该时刻刀具2到检测区域7上边缘的最短距离，刀具2左边缘相对于第二激光检测装置4形成的激光光带左边缘的垂直距离为yn，即为某时刻刀具到检测区域左边缘的最短距离，则此时实际偏心量e为

并将此时实际偏心量e输出显示，本实施例中，θ＝90°。

s5、根据显示的实际偏心量e，实时调节螺旋铣孔装置的偏心量，直至得到所需偏心量。

检测过程中，刀具2具有圆形横截面部分始终穿过检测区域，即保证刀具具有圆形横截面部分具有两个分别位于第一激光检测装置的激光中和第二激光检测装置的激光中的横截面，当第一激光检测装置的激光和第二激光检测装置所发出的激光位于同一平面内时，上述两个横截面重合。

实际操作过程中，可以以检测区域7内的刀具2任意一条边缘为基准进行计算，其原理相同，不限于以上边缘或左边缘为基准。

一种螺旋铣孔装置的非接触式实时偏心量检测方法不限于对螺旋铣孔装置偏心量进行检测，也可对刀具直径进行检测。

激光检测装置可以通过支架5固定在螺旋铣孔装置1的底座6上，随螺旋铣孔装置1一起移动；激光检测装置可以始终安装在螺旋铣孔装置1上，也可以只在测量时安装，测量之后即卸下；激光检测装置也可以通过支架5固定在地面上，需要检测刀具2偏心量时，通过机械手等设备移动螺旋铣孔使刀具2具有圆形横截面部分的横截面置于检测区域7内，调整好偏心量之后再将螺旋铣孔装置1移走进行加工。

若激光检测装置通过支架5固定在底座6上，还可以用于检测刀具2轴向位置。刀具2安装螺旋铣孔装置1上时，由于刀具2自身长度的误差和安装误差，使得每次安装下刀具2伸出长度都不完全一致。通过螺旋铣孔装置1的进给装置使刀具2进入或退出检测区域7，刀具2进入或退出的瞬间记录下螺旋铣孔装置1进给装置的位置，以此来确定刀具2的轴向位置。

激光检测装置将检测信号以模拟量或数字量形式传输给螺旋铣孔装置1的控制系统，实现偏心量调整的完全自动化。

对于采用手动方式进行偏心量调整的螺旋铣孔装置1，该发明也可进行偏心量的检测，将检测结果通过激光检测装置自带控制器上的显示屏直接显示出来，供操作人员进行判断。

实施例1

如图1所示，激光检测装置包括第一激光检测装置3、第二激光检测装置4，第一激光检测装置3、第二激光检测装置4在垂直于刀具2进给方向的平面内相互垂直安装，第一激光检测装置3包括相向设置安装在支架5上的第一激光检测装置发射极31和第一激光检测装置接收极32，第二激光检测装置4包括相向设置安装在支架5上的第二激光检测装置发射极41和第二激光检测装置接收极42，支架5安装在自动螺旋铣孔装置1的底座6连接上，该自动螺旋铣孔装置1可实现刀具2自转、刀具2公转、轴向进给及自动调偏心功能。加工孔名义直径d＝10mm，刀具2名义直径d0＝6mm。具体步骤如下|：

s1、将第一激光检测装置3、第二激光检测装置4通过支架5安装在螺旋铣孔装置1的前方的垂直于刀具2进给方向的平面内，第一激光检测装置3和第二激光检测装置4的激光互相垂直的位于同一平面内且具有重叠区域形成检测区域7，使检测区域7内的激光方向垂直于刀具2；

s2、启动螺旋铣孔装置1的进给装置，使刀具2具有圆形横截面部分的横截面位于检测区域7；

s3、刀具2公转一周，激光检测装置检测计算

s4、调节螺旋铣孔装置1的偏心量，根据此时刀具2位置以及步骤s3中计算得到的可计算出此时实际偏心量e，并输出显示。

s5、根据显示的实际偏心量e，实时调节螺旋铣孔装置1的偏心量，直至得到所需偏心量：2mm。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。