一种机器人螺旋铣削碳纤维复合材料的制孔终端及方法

本发明涉及一种制孔终端及方法，尤其是一种机器人螺旋铣削碳纤维复合材料的制孔终端及方法。

背景技术：

碳纤维复合材料因具有优异的力学性能，被广泛应用于现代飞行器的结构件，但其特有的层叠属性，使连接孔的加工一直面临着出口分层的风险，特别是采用具有较大轴向力的传统钻削。为了降低制孔的轴向力，一种新兴的螺旋铣孔技术成为了近期国内外航天航空制造业的研究热点。

螺旋铣孔技术虽具有轴向力小的工艺优势，加工孔时刀具却需要完成偏心调节、自转、公转、轴向进给等四种运动，导致其加工装备比钻削装备复杂得多。由于飞行器构件尺寸大、重量大，将螺旋铣孔装备与工业机器人装接进行螺旋铣孔，是未来实现大型碳纤维复合材料构件高效无损制孔的一种较好选择。但检索发现，现有螺旋铣孔装备通常被视为一种动力头、被独立设计，缺乏与工业机器人间的协同设计，导致整机结构复杂、重量大，而且还使工业机器人的第六轴未被充分使用。

因此，对于机器人螺旋铣削碳纤维复合材料构件的制孔，有必要基于此类材料的切削性能，将螺旋铣孔装备与工业机器人本体相结合，开发一种专用的制孔终端及方法，能够满足此类材料的螺旋铣孔需要。

技术实现要素：

发明目的：提供一种机器人螺旋铣削碳纤维复合材料的制孔终端及方法，能够满足碳纤维复合材料构件的螺旋铣孔需要。

技术方案：本发明所述的机器人螺旋铣削碳纤维复合材料的制孔终端，包括锥型壳体、公转轴、集成式主轴单元以及刀具；集成式主轴单元包括旋转驱动机构、偏心及进给调节机构以及刀具连接机构；

公转轴通过公转轴承旋转式安装在锥型壳体的中心轴孔内，旋转驱动机构安装在公转轴的前端；刀具连接机构固定安装在旋转驱动机构的前端上，由旋转驱动机构对刀具连接机构进行旋转驱动；刀具可拆卸对接安装在刀具连接机构的前端；偏心及进给调节机构安装在公转轴的前端，用于对旋转驱动机构前端的偏心位置以及进给量进行调节。

进一步的，在公转轴的后端设置有用于与机器人输出轴端部上的螺栓孔；在公转轴的后端上还设置有定位销孔。

进一步的，旋转驱动机构包括旋转驱动器、驱动器安装座、伸缩传动轴以及旋转驱动轴；旋转驱动器通过驱动器安装座固定安装在公转轴的前端上；伸缩传动轴的后端通过虎克铰链连接到旋转驱动器的输出轴端部上；伸缩传动轴的前端通过虎克铰链连接到旋转驱动轴的后端上；刀具连接机构固定安装在旋转驱动轴的前端上。

进一步的，偏心及进给调节机构包括支撑套管、环形支撑以及至少三根电动伸缩杆；支撑套管贯穿式固定安装在环形支撑的中部环孔中，旋转驱动轴通过滚动轴承旋转式安装在支撑套管中；各个电动伸缩杆的后端均球形铰接安装在公转轴的前端上，且各个后端的铰接点等间隔设置在同一圆周上；各个电动伸缩杆的均球形铰接安装在环形支撑上，且各个前端的铰接点等间隔设置在同一圆周上。

进一步的，在锥型壳体的前端设置有平稳支撑机构；平稳支撑机构包括平稳支撑圆盘以及各个导向杆；各个导向杆的后端均固定安装在锥型壳体的前端上；在平稳支撑圆盘的中心处设置有中心圆孔，在中心圆孔的孔壁上设置有支撑环槽；在平稳支撑圆盘的圆周边缘处间隔设置有各个导向孔，各个导向杆的前端分别贯穿各个导向孔，并在导向杆的前端上设置有限位凸圈；在环形支撑的边缘上设置有径向伸出的各个平稳支撑杆，且平稳支撑杆的端部伸入支撑环槽内。

进一步的，刀具连接机构包括连接圆柱、至少三根锁定方杆以及按压圆环；连接圆柱的后端固定在旋转驱动轴的前端上；在连接圆柱的前端中心处沿其轴向设置有对接孔，并在对接孔的孔底部设置有限位凸块；刀具的后端插装在对接孔内，并在刀具的后端面上设置有限位凹槽；限位凸块嵌入限位凹槽内；在连接圆柱的外壁圆周上倾斜设置有各个斜插方孔，且各个斜插方孔间隔设置在同一圆周上；在刀具的后端圆周上间隔设置有各个按压凹槽；各个锁定方杆的后端分别插装在各个斜插方孔上，且各个锁定方杆的后端分别按压在各个按压凹槽内，用于推动刀具锁定在对接孔内；按压圆环螺纹旋合安装在连接圆柱上，且各个锁定方杆的前端按压在按压圆环的后侧面上。

进一步的，在各个斜插方孔的外端孔口处均设置有一个后端支撑座；在各个锁定方杆的前端外侧均设置有一个侧边凸块；在对应位置处的后端支撑座与侧边凸块之间均弹性支撑设置有一根回弹压簧。

进一步的，在按压圆环的圆周上间隔设置有各个防滑凸棱；在连接圆柱上设置有环形罩壳，且按压圆环的后侧面嵌入环形罩壳内；回弹压簧以及各个锁定方杆的前端均位于环形罩壳内。

进一步的，在各个锁定方杆的前端上均设置有按压切面，且在按压切面上滚动式安装有支撑滚珠；在按压圆环的后侧环面上设置有挤压凹槽，支撑滚珠支撑在挤压凹槽内。

本发明还提供了一种机器人螺旋铣削碳纤维复合材料的制孔终端的制孔方法，包括如下步骤：

步骤1，在制孔前，控制六轴工业机器人将制孔终端调至待制孔对应的加工位姿，具体步骤包括：

a、根据待制孔直径dh和刀具的刀具直径dt，计算出刀具所需的偏心量e，即：

e＝(dh-dt)/2；

b、根据刀具所需的偏心量e，由机器人控制器解算出各个电动伸缩杆的控制量，对各个电动伸缩杆的伸缩长度进行驱动控制，从而将旋转驱动轴移至相应的偏心位置处；

c、由机器人控制器控制六轴工业机器人的第一至五轴，将制孔终端调至待制孔对应的加工位姿；

步骤2：在制孔时，由六轴工业机器人的第六轴驱动公转轴旋转，再控制旋转驱动机构完成螺旋铣孔，具体步骤包括：

d、由机器人控制器启动六轴工业机器人的第六轴，带动集成式主轴单元整体旋转，实现刀具的公转运动；

e、由机器人控制器启动旋转驱动器旋转，由伸缩传动轴带动主轴和刀具进行自转驱动；

f、根据待制孔的深度要求，由机器人控制器解算出各个电动伸缩杆的控制量，对各个电动伸缩杆的伸缩长度进行驱动控制，带动旋转驱动轴沿着待制孔的中心轴线进给，实现刀具的轴向进给控制。

本发明与现有技术相比，其有益效果是：(1)通过公转轴连接工业机器人第六轴的输出端，合理利用机器人第六轴实现螺旋铣孔的刀具的公转运动，简化了制孔终端的组成结构，降低了整机重量和成本；(2)通过三根电动伸缩杆既实现螺旋铣孔的刀具轴向进给，又实现螺旋铣孔的刀具偏心调节，在有效提高系统集成度的同时，增大刀具偏心量的调节范围和调节能力，还增强了本制孔终端的加工能力；(3)通过伸缩传动轴及其配置的虎克铰链，有效解决了旋转驱动轴在刀具偏心公转运动中动力输入；(4)将旋转驱动器通过驱动器安装座安装在公转轴上，保障了制孔过程中旋转驱动的平稳性，进而提高机器人螺旋铣削碳纤维复合材料制孔时的质量和效率。

附图说明

图1为本发明的整体剖视结构示意图；

图2为本发明的偏心调节示意图；

图3为本发明的偏心及进给量调节示意图；

图4为本发明的刀具连接机构剖视结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明技术方案进行详细说明，但是本发明的保护范围不局限于所述实施例。

实施例1：

如图1-4所示，本发明所述的机器人螺旋铣削碳纤维复合材料的制孔终端包括：锥型壳体1、公转轴2、集成式主轴单元以及刀具9；集成式主轴单元包括旋转驱动机构、偏心及进给调节机构以及刀具连接机构；

公转轴2通过公转轴承10旋转式安装在锥型壳体1的中心轴孔内，旋转驱动机构安装在公转轴2的前端；刀具连接机构固定安装在旋转驱动机构的前端上，由旋转驱动机构对刀具连接机构进行旋转驱动；刀具9可拆卸对接安装在刀具连接机构的前端；偏心及进给调节机构安装在公转轴2的前端，用于对旋转驱动机构前端的偏心位置以及进给量进行调节。

利用集成式主轴单元既实现螺旋铣孔的刀具轴向进给，又实现螺旋铣孔的刀具偏心调节，在有效提高系统集成度的同时，增大刀具偏心量的调节范围和调节能力，还增强了本制孔终端的加工能力；利用偏心及进给调节机构能够对刀具9的偏心位置进行调节，从而实现对碳纤维复合材料进行螺旋铣削；利用刀具连接机构能够可拆卸对接安刀具9，从而能够便于更换刀具9。

进一步的，在公转轴2的后端设置有用于与机器人输出轴端部上的螺栓孔34；在公转轴2的后端上还设置有定位销孔35。利用螺栓孔34和定位销孔35能够便于实现公转轴2的后端与工业机器人第六轴的输出端精确对接安装。

进一步的，旋转驱动机构包括旋转驱动器3、驱动器安装座6、伸缩传动轴4以及旋转驱动轴5；旋转驱动器3通过驱动器安装座6固定安装在公转轴2的前端上；伸缩传动轴4的后端通过虎克铰链连接到旋转驱动器3的输出轴端部上；伸缩传动轴4的前端通过虎克铰链连接到旋转驱动轴5的后端上；刀具连接机构固定安装在旋转驱动轴5的前端上。利用驱动器安装座6能够便于将旋转驱动器3固定安装在公转轴2的前端上，确保旋转驱动的稳定性。

进一步的，偏心及进给调节机构包括支撑套管12、环形支撑7以及三根电动伸缩杆8；支撑套管12贯穿式固定安装在环形支撑7的中部环孔中，旋转驱动轴5通过滚动轴承11旋转式安装在支撑套管12中；各个电动伸缩杆8的后端均球形铰接安装在公转轴2的前端上，且各个后端的铰接点等间隔设置在同一圆周上；各个电动伸缩杆8的均球形铰接安装在环形支撑7上，且各个前端的铰接点等间隔设置在同一圆周上。利用三根电动伸缩杆8对环形支撑7进行平稳支撑，通过对三根电动伸缩杆8的长度进行调节，实现对支撑套管12及旋转驱动轴5的偏心度进行调节，且还能够对制孔的进给量进行调节；利用支撑套管12与旋转驱动轴5的配合，能够增强旋转驱动轴5的稳定性。

进一步的，在锥型壳体1的前端设置有平稳支撑机构；平稳支撑机构包括平稳支撑圆盘14以及各个导向杆13；各个导向杆13的后端均固定安装在锥型壳体1的前端上；在平稳支撑圆盘14的中心处设置有中心圆孔36，在中心圆孔36的孔壁上设置有支撑环槽16；在平稳支撑圆盘14的圆周边缘处间隔设置有各个导向孔，各个导向杆13的前端分别贯穿各个导向孔，并在导向杆13的前端上设置有限位凸圈15；在环形支撑7的边缘上设置有径向伸出的各个平稳支撑杆17，且平稳支撑杆17的端部伸入支撑环槽16内。利用平稳支撑杆17与支撑环槽16的配合，能够在进行偏心量和进给量调节时确保环形支撑7的稳定性，增强旋转驱动轴5的轴向稳定性；利用导向杆13与导向孔的滑动配合，能够增强平稳支撑圆盘14前后平移的稳定性；利用限位凸圈15能够限定平稳支撑圆盘14的滑移范围。

进一步的，刀具连接机构包括连接圆柱18、四根锁定方杆25以及按压圆环30；连接圆柱18的后端固定在旋转驱动轴5的前端上；在连接圆柱18的前端中心处沿其轴向设置有对接孔19，并在对接孔19的孔底部设置有矩形的限位凸块20；刀具9的后端插装在对接孔19内，并在刀具9的后端面上设置有矩形的限位凹槽21；限位凸块20嵌入限位凹槽21内；在连接圆柱18的外壁圆周上倾斜设置有各个斜插方孔24，且各个斜插方孔24间隔设置在同一圆周上；在刀具9的后端圆周上间隔设置有各个按压凹槽22；四根锁定方杆25的后端分别插装在各个斜插方孔24上，且四根锁定方杆25的后端分别按压在各个按压凹槽22内，用于推动刀具9锁定在对接孔19内；按压圆环30螺纹旋合安装在连接圆柱18上，且各个锁定方杆25的前端按压在按压圆环30的后侧面上。利用按压圆环30、斜插方孔24、锁定方杆25以及按压凹槽22的配合，能够推动刀具9锁定在对接孔19内；利用限位凸块20与限位凹槽21的配合，能够对刀具9与连接圆柱18的相对旋转进行限定，从而确保刀具9旋转驱动的可靠性。

进一步的，在各个斜插方孔24的外端孔口处均设置有一个后端支撑座26；在四根锁定方杆25的前端外侧均设置有一个侧边凸块27；在对应位置处的后端支撑座26与侧边凸块27之间均弹性支撑设置有一根回弹压簧28。利用回弹压簧28能够在按压圆环30释放后，推动锁定方杆25拔出，实现对刀具9的解锁。

进一步的，在按压圆环30的圆周上间隔设置有各个防滑凸棱32；在连接圆柱18上设置有环形罩壳23，且按压圆环30的后侧面嵌入环形罩壳23内；回弹压簧28以及四根锁定方杆25的前端均位于环形罩壳23内。利用环形罩壳23能够在制孔时对回弹压簧28以及锁定方杆25进行防护；利用防滑凸棱32能够便于旋转调节按压圆环30。

进一步的，在四根锁定方杆25的前端上均设置有按压切面33，且在按压切面33上滚动式安装有支撑滚珠29；在按压圆环30的后侧环面上设置有挤压凹槽31，支撑滚珠29支撑在挤压凹槽31内。利用支撑滚珠29能够在旋转调节按压圆环30时降低旋转阻力；利用挤压凹槽31能够限定支撑滚珠29的支撑范围。

本发明还提供了一种机器人螺旋铣削碳纤维复合材料的制孔终端的制孔方法，包括如下步骤：

步骤1，在制孔前，控制六轴工业机器人将制孔终端调至待制孔对应的加工位姿，具体步骤包括：

a、根据待制孔直径dh和刀具9的刀具直径dt，计算出刀具9所需的偏心量e，即：

e＝(dh-dt)/2；

b、根据刀具9所需的偏心量e，由机器人控制器解算出各个电动伸缩杆8的控制量，对各个电动伸缩杆8的伸缩长度进行驱动控制，从而将旋转驱动轴5移至相应的偏心位置处，使得旋转驱动器3输出轴的中心轴线o0与旋转驱动轴5的中心轴线o1距离为e；

c、由机器人控制器控制六轴工业机器人的第一至五轴，将制孔终端调至待制孔对应的加工位姿；

步骤2：在制孔时，由六轴工业机器人的第六轴驱动公转轴2旋转，再控制旋转驱动机构完成螺旋铣孔，具体步骤包括：

d、由机器人控制器启动六轴工业机器人的第六轴，带动集成式主轴单元整体旋转，实现刀具9的公转运动；

e、由机器人控制器启动旋转驱动器3旋转，由伸缩传动轴4带动主轴5和刀具9进行自转驱动；

f、根据待制孔的深度要求，例如深度为fa，则由机器人控制器解算出各个电动伸缩杆8的控制量，对各个电动伸缩杆8的伸缩长度进行驱动控制，带动旋转驱动轴5沿着待制孔的中心轴线进给，实现刀具9的轴向进给在初始长度d0的基础上增加fa。

如上所述，尽管参照特定的优选实施例已经表示和表述了本发明，但其不得解释为对本发明自身的限制。在不脱离所附权利要求定义的本发明的精神和范围前提下，可对其在形式上和细节上作出各种变化。