一种螺旋铣孔装置的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。同时由于该发明采用的为非接触式激光传感器，成本较高，且易受测量物体表面质量和毛刺的干扰，测量稳定性差。

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且成本较高的问题。本发明采用的技术手段如下：

一种螺旋铣孔装置的接触式实时偏心量检测方法，具有如下步骤：

安装第一接触式检测装置和第二接触式检测装置，第一接触式检测装置和第二接触式检测装置的接触端可沿垂直于刀具轴线方向移动且与刀具具有圆形横截面部分始终贴合；

刀具公转一周，检测每时刻第一接触式检测装置和第二接触式检测装置的接触端的位移量，分别记为第一接触端位移量和第二接触端位移量，求得第一接触端位移量平均值和第二接触端位移量平均值

调节螺旋铣孔装置的偏心量，检测某时刻第一接触式检测装置和第二接触式检测装置的接触端的位移量，分别记为实时第一接触端位移量xn和实时第二接触端位移量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为第一接触式检测装置的接触端移动路径和第二接触式检测装置的接触端移动路径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。

0°＜θ≤90°。

所述第一接触式检测装置和所述第二接触式检测装置为接触式位移传感器且结构相同，均包括传感器、接触板、光轴、直线轴承、压缩弹簧和支架；

所述接触板的前端呈平面为所述接触端，所述接触板的后端设有所述光轴，所述光轴通过所述直线轴承与所述支架连接并限定所述接触端的移动路径，所述压缩弹簧套接在所述光轴上，其两端分别与所述接触板的后端和所述直线轴承连接，所述传感器设置在所述支架上且用于检测测头的伸缩量，其前端设有可沿平行于所述接触端的移动路径方向伸缩且端部与所述接触板的后端接触的所述测头。

所述第一接触式检测装置和所述第二接触式检测装置为接触式位移传感器且结构相同，均包括传感器、接触板、光轴套管、直线轴承、压缩弹簧和支架；

所述接触板的前端呈平面为所述接触端，所述接触板的后端设有所述光轴套管，所述光轴套管通过所述直线轴承与所述支架连接并限定所述接触端的移动路径，所述压缩弹簧套接在所述光轴套管上，其两端分别与所述接触板的后端和所述直线轴承连接，所述传感器设置在所述支架上且用于检测测头的伸缩量，所述测头位于所述传感器前端，其穿过所述光轴套管与所述接触板的后端接触且可沿平行于所述接触端的移动路径方向伸缩。

所述第一接触式检测装置和所述第二接触式检测装置为接触式位移传感器且结构不相同，可分别为上述两种结构。

在检测过程中，刀具轴线位置变化时，由于压缩弹簧的作用，所述接触端始终与刀具贴合，测头随之移动，传感器可检测出此时测头的伸缩量，即为所述接触端的位移量。

第一接触端位移量平均值满足以下公式：

其中，xmax和xmin分别为第一接触端位移量中的最大值和最小值；

第二接触端位移量平均值满足以下公式：

其中，ymax和ymin分别为第二接触端位移量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。

3.由于本发明采用的传感器为接触式位移传感器，成本低，测量稳定性好。

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接触式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的接触式检测装置结构示意图。

图3是本发明的具体实施方式中一种螺旋铣孔装置的接触式实时偏心量检测方法的流程图。

图4是本发明的具体实施方式中接触式检测装置的测量示意图。

图5是本发明的实施例1中的接触式检测装置与螺旋铣孔装置安装示意图。

图6是本发明的实施例1中的接触式检测装置结构示意图。

图7是本发明的实施例1中接触式检测装置的测量示意图。

其中，1.螺旋铣孔装置，2.刀具，3.第一接触式检测装置，4.第二接触式检测装置，5.支架，6.底座，7.接触板，8.测头，9.压缩弹簧，10.直线轴承，11.光轴，12.传感器，13.光轴套管，31.第一接触式检测装置测头，32.第一接触式检测装置接触板，41.第二接触式检测装置测头，42.第二接触式检测装置接触板。

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。

本发明主要利用接触式检测的方式，接触式检测装置包括第一接触式检测装置3、第二接触式检测装置4，所述第一接触式检测装置3和第二接触式检测装置4的接触端可沿垂直于刀具2轴线方向移动，第一接触式检测装置3的接触端移动路径和第二接触式检测装置4的接触端移动路径在垂直于刀具2轴线的平面内的正投影的夹角θ，满足0°＜θ≤90°，如图2所示，接触式检测装置包括传感器12、接触板7(32、42)、光轴11、直线轴承10、压缩弹簧9和支架5，传感器12前端安装有测头8(31、41)，测头8受外部载荷的作用下可沿轴向(平行于所述接触端的移动路径方向)伸缩运动，传感器12可检测出测头8的伸缩量，接触板7前端为平面，即所述接触端，测头8与接触板7后端接触，接触板7利用光轴11可在直线轴承10中沿其轴线方向(平行于所述接触端的移动路径方向)移动，压缩弹簧9安装在光轴11圆周上，一端连接接触板7，另一端连接直线轴承10，所述传感器12和直线轴承10均安装在支架5上，当待测工件公转时，使接触板7产生移动，传感器12可检测出接触板7的位移量。本实施例中，待测工件为刀具2具有圆形横截面部分，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。

如图3所示，一种螺旋铣孔装置的接触式实时偏心量检测方法，具有如下步骤：

s1、安装第一接触式检测装置3和第二接触式检测装置4；

s2、启动螺旋铣孔装置1，使刀具2具有圆形横截面部分与第一接触式检测装置和第二接触式检测装置的接触端始终贴合；

s3、刀具2公转一周，接触式检测装置检测计算

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，因此在检测刀具2公转轴线位置时，刀具2只公转不自转。

如图4所示，检测计算方法为：刀具2公转状态下，第一接触式检测装置3前端的第一接触式检测装置接触板32接触刀具2左侧，第二接触式检测装置4前端的第二接触式检测装置接触板42接触刀具2下侧，设x轴方向与第一接触式检测装置3的接触端移动路径平行，y轴方向与第二接触式检测装置4的接触端移动路径平行，当刀具2公转一周后，记录第一接触式检测装置3的显示值(传感器12示数，即第一接触端位移量)在x轴方向上，x的最大值xmax和最小值xmin，则同时，记录第二接触式检测装置4的显示值(传感器12示数，即第二接触端位移量)在y轴方向上，y的最大值ymax和最小值ymin，则

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中检测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，第一接触式检测装置3的显示值(传感器12示数，即实时第一接触端位移量)为xn，及第二接触式检测装置4的显示值(传感器12示数，即实时第二接触端位移量)为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，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1的偏心量，直至得到所需偏心量。

所述接触式检测装置在检测过程中，接触端的移动路径与刀具2轴线垂直轴线布置，刀具2轴线位置变化时，由于压缩弹簧9的作用，刀具2外圆周与接触板7始终保持接触，接触板7在传感器12轴线方向(平行于所述接触端的移动路径方向)移动，测头8随之移动，传感器12可检测出刀具2在某个检测方向的位置变化。

接触式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；接触式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；接触式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装置1使刀具2具有圆形横截面部分与第一接触式检测装置和第二接触式检测装置的接触端贴合，调整好偏心量之后再将螺旋铣孔装置1移走进行加工。

接触式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，将检测结果通过接触式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。

如图1所示，接触式检测装置包括第一接触式检测装置3、第二接触式检测装置4，所述第一接触式检测装置3和第二接触式检测装置4的接触端可沿垂直于刀具2轴线方向移动，第一接触式检测装置3的接触端移动路径和第二接触式检测装置4的接触端移动路径在垂直于刀具2轴线的平面内的正投影的夹角θ＝90°，接触式检测装置包括传感器12、接触板7、光轴11、直线轴承10、压缩弹簧9和支架5，接触式检测装置的传感器12和直线轴承10安装在支架5上，支架5安装在自动螺旋铣孔装置1的底座6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、将第一接触式检测装置3、第二接触式检测装置4通过支架5安装；

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与第一接触式检测装置和第二接触式检测装置的接触端始终贴合；

s3、刀具2公转一周，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中计算检测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。

实施例1

作为另外的实施例显示如下，如图5所示，接触式检测装置包括第一接触式检测装置3、第二接触式检测装置4，所述第一接触式检测装置3、第二接触式检测装置4的接触端可沿垂直于刀具2轴线方向移动，第一接触式检测装置3的接触端移动路径和第二接触式检测装置4的接触端移动路径在垂直于刀具2轴线的平面内的正投影的夹角θ，满足0°＜θ≤90°，如图6所示，接触式检测装置包括传感器12、接触板7(32、42)、光轴套管13、直线轴承10、压缩弹簧9和支架5，传感器12前端安装有测头8(31、41)，测头8受外部载荷的作用下可沿轴向(平行于所述接触端的移动路径方向)伸缩运动，传感器12可检测出测头8的伸缩量，接触板7前端为平面，即所述接触端，接触板7后端连接光轴套管13一端，测头8套装在光轴套管13内并与接触板7接触，接触板7利用光轴套管13可在直线轴承10中沿其轴线方向(平行于所述接触端的移动路径方向)移动，压缩弹簧9安装在光轴套管13圆周上，当刀具2公转时，使接触板7产生移动，传感器12可检测出接触板7的位移量。

如图3所示，一种螺旋铣孔装置的接触式实时偏心量检测方法，具有如下步骤：

s1、安装第一接触式检测装置3和第二接触式检测装置4；

s2、启动螺旋铣孔装置1，使刀具2具有圆形横截面部分呈圆形截面部分位于检测区域内与第一接触式检测装置和第二接触式检测装置的接触端始终贴合；

s3、刀具2公转一周，接触式检测装置检测计算

如图7所示，检测计算方法为：刀具2公转状态下，第一接触式检测装置3前端的第一接触式检测装置接触板32接触刀具2左侧，第二接触式检测装置4前端的第二接触式检测装置接触板42接触刀具2下侧，设x轴方向与第一接触式检测装置3的接触端移动路径平行，y轴方向与第二接触式检测装置4的接触端移动路径平行，当刀具2公转一周后，记录第一接触式检测装置3的显示值(传感器12示数，即第一接触端位移量)在x轴方向上，x的最大值xmax和最小值xmin，则同时，记录第二接触式检测装置4的显示值(传感器12示数，即第二接触端位移量)在y轴方向上，y的最大值ymax和最小值ymin，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中检测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，第一接触式检测装置3的显示值(传感器12示数，即实时第一接触端位移量)为xn，及第二接触式检测装置4的显示值(传感器12示数，即实时第二接触端位移量)为yn，则此时实际偏心量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1的偏心量，直至得到所需偏心量。

所述的接触式检测装置在检测过程中，接触端的移动路径与刀具2垂直轴线布置，刀具2轴线位置变化时，由于压缩弹簧9的作用，刀具2外圆周与接触板7始终保持接触，接触板7在传感器12轴线方向(平行于所述接触端的移动路径方向)移动，测头8随之移动，传感器12可检测出刀具2在某个检测方向的位置变化。

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。