专利名称：自动螺旋铣孔装置及方法
技术领域：
本发明公开了一种用于大型工件多孔系的自动螺旋铣孔装置及方法，属于柔性切削加工技术领域。
背景技术：
随着国产支线飞机ARJ21成功投产以及大客C919研制不断推进，如何提高大型骨架件装配制孔的质量与效率成为了整机总装阶段的研究热点。机器人化自动制孔系统，是今后飞机大型、超大型工件智能化制孔的发展主流。但该类制孔系统由于多采用传统的钻孔技术，导致制孔时轴向力过大，目前仅适用于小孔径的加工场合，而且钻孔工艺往往需要 采用多道组合工序，需要设置大量的换刀环节。为了满足不同航空材料的大孔径制孔要求，尤其是钛合金、碳纤增强复合材料、高强度航空铝合金等难加工材料，迫切需要开发一些面向大型工件的新型高效精密制孔装置。螺旋铣孔，也称为轨道式铣孔，是一项以铣削方式对实体工件直接制孔的新技术，它不是钻削与铣削两种加工方法的简单组合，而是利用刀具相对工件的三维螺旋进给完成孔的加工。制孔时，刀具相对待制孔轴线的偏置，使该项技术具有了一刀加工多种孔径的功能，同时能通过较少工序使孔在位置精度、形状精度、表面粗糙度等方面达到规定的使用要求。因此，基于螺旋铣孔技术的机器人化制孔系统在航空、航天、造船等领域的大型工件高效精密制孔中具有广阔的应用前景。至今，国内外航空领域相继出现一些基于螺旋铣孔技术的制孔装置专利报导。如，美国专利PCT/SE2008 /050719、US2003/0143049、PCT/SE03/00467 公开了几种螺旋铣孔装置，这些装置都包括刀具公转半径调节系统、刀具自转系统、刀具公转系统、刀具轴向进给系统。四个子系统均采取独立控制，使整个装置集成度不高，导致整机质量偏重，这对与之配套的工作平台的性能要求很高，尤其是关节型机械手。又如，中国专利CN101633060A公开的一种自动螺旋铣孔单元，该铣孔单元主要包括由刀具自转系统、径向偏移系统、公转系统三部分，但此螺旋铣孔单元因缺少轴向进给系统，使其工程应用受到了一定限制。再如，中国专利CN101664821A公开的一种铣孔装置，该装置具有公转半径调节功能，但公转半径的大小因受到传动齿轮尺寸的制约，使部分小孔径的加工难以完成，而且其轴向进给系统没有给出相关实施详案。另外，中国专利CN101786180A、CN102145405 A公开了两种螺旋铣孔装置，这两种螺旋铣孔装置都不具备公转半径自动调节功能，因而使孔的加工效率受到了一定影响。
发明内容
本发明要解决的技术问题是现有螺旋铣孔装置设计方案存在自动化程度不高、组成结构复杂、整机重量偏大。为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案是一种用于大型工件多孔系的自动螺旋铣孔装置，包括L型的组合支架、设置在组合支架上的螺旋进给机构，以及装于螺旋进给机构内部的公转半径调节机构、刀具自转调速机构；组合支架包括水平方向的底板、垂直方向的背板；螺旋进给机构包括轴向进给壳体、丝杆、支撑筒，以及位于支撑筒内的轴向滑块；轴向进给壳体的底部通过滑块与组合支架底板上导轨滑动相连；支撑筒位于背板的后部，其内壁上沿轴向设有导向条，导向条与轴向滑块的外侧面之间以滑轨副连接；轴向进给驱动输出轴上设有主动齿轮，与主动齿轮相啮合的从动齿轮套接在丝杆的输入端；丝杆从后向前依次贯穿装于轴向滑块上轴承一、背板以及过渡端盖一的组合轴承后，其输出端插入过渡端盖二内孔；与过渡端盖一相连的轴向进给壳体通过两端内孔的轴承与公转壳体相连，轴向进给壳体公转壳体小端设有一个偏心内孔；公转半径调节机构包括与公转壳体内孔端面相连的支撑端盖、装于支撑端盖上的公转半径调节驱动，以及内啮合的小齿轮和大齿轮；公转半径调节驱动输出轴连接小齿轮，大齿轮连接刀具自转调速机构；支撑端盖也设有一个偏心内孔；刀具自转调速机构包括自转壳体、自转壳体端盖、刀杆、刀具、设置在自转壳体内的自转驱动；自转壳体安装于公转壳体的偏心孔内，其与偏心孔内壁之间还设有连接轴承一，其输入端穿过轴承二，并套接有前述大齿轮；自转驱动装于自转壳体端盖的偏心孔内，其输出轴连接刀杆；刀杆前端装有刀具，采用螺母夹紧。为提高组合支架的支撑效果，支架还包括两个直角三角形的加强板，加强板的两条直角边分别贴合连接底板和背板。为保证丝杆的旋转运动能实现刀具的螺旋进给，上述丝杆与公转壳体的过渡端盖二采用花键连接，并用防松螺母轴向并紧，同时丝杆与轴向进给壳体的过渡端盖一的组合轴承过盈相配。为保证铣孔装置具备多种制孔功能，公转壳体与支撑端盖装配后，两者的偏心孔同轴；公转壳体与自转壳体端盖两者的偏心内孔的偏心量大小相等，且位于初始状态时两者偏向相反，从而实现当公转半径为零时，制孔方式为传统钻孔；当公转半径不等于零时，制孔方式为螺旋铣孔。作为本发明的一种改进方案，自转驱动采用气动马达或电主轴。一种采用所述自动螺旋铣孔装置实现的螺旋铣孔方法，包括以下过程
A)螺旋铣孔前，根据待制孔径和刀具直径，公转半径调节驱动通过内啮合的小齿轮和大齿轮带动自转壳体绕着进给公转壳体偏心孔的轴心线进行旋转，从而实现刀具公转半径的调整；
B)螺旋铣孔时，轴向进给驱动通过内啮合的主动齿轮和从动齿轮带动丝杆产生旋转，在组合轴承、丝杠输出端花键连接部和导轨副的共同约束下，丝杆的输出端在带动螺旋进给机构、刀具自转调速机构和公转半径调节机构完成前后移动的同时，也带动刀具自转调速机构和公转半径调节机构发生公转；自转驱动调节控制刀具的自转速度，最终完成螺旋铣孔。本发明具有如下效果1、刀具公转半径调整采取驱动装置自动控制，既实现了一刀多孔的功能，也使公转半径的调节精度得到很好保证，这大大提高了制孔的效率与质量；
2、通过一根多功能丝杆和一个驱动装置实现刀具螺旋进给，简化了结构组成，降低了整机、重量；3、传动方式均采用内啮合的齿轮组件，保证了装置的驱动能力，缩小了装置的径向尺寸；4、装置的各运动部件之间均采用精密轴承或高精度直线导轨副进行互配连接，能有效保证螺旋铣孔的加工精度。
图I为本发明自动螺旋铣孔装置的立体图。图2为本发明自动螺旋铣孔装置的结构示意图。图3为图2俯视图。图I、图2、图3中标号名称
100、螺旋进给机构，101、支撑筒，102、轴向进给驱动，103、轴向滑块，104、主动齿轮 105、从动齿轮，106、轴承一，107、轴承端盖一，108、丝杆，109、组合轴承端盖，110、过渡端盖一，111、组合轴承，112、防松螺母，114、轴承二，115、过渡端盖二，116、公转壳体，117、轴向进给壳体，118、滑块，119、轴承五，120、轴承端盖五，121、导向条；
200、公转半径调节机构，201、支撑端盖，202、公转调节驱动，203、小齿轮，204、大齿轮，205、轴承三，206、轴承端盖三，207、轴承四；
300、刀具自转调速机构，301、自转驱动，302、自转壳体，303、自转壳体端盖，304、螺钉，305、刀杆，306、螺母，307、刀具；
400、组合支架，401、底板，402、背板，403、加强板，404、滑轨。
具体实施例方式下面结合附图和具体实施实例对本发明的自动螺旋制孔装置及方法进行详细阐述。图I和图2所示为本发明公开的一种用于大型工件多孔系的自动螺旋铣孔装置，该装置主要包括L型的组合支架400、设置在组合支架400上的螺旋进给机构100，以及装于螺旋进给机构100内部的公转半径调节机构200、刀具自转调速机构300 ；
组合支架400包括水平方向的底板401、垂直方向的背板402、两个直角三角形的加强板403，加强板403的两条直角边分别贴合连接底板401和背板402，并设置在支架400轴向的两侧；
螺旋进给机构100包括轴向进给壳体117、支撑筒101，以及位于支撑筒101内的轴向滑块103和丝杆108 ;支撑筒101设置在背板402的后部；轴向滑块103外侧面与支撑筒101内孔壁上导向条121以滑轨副连接，其端面装有轴向进给驱动102 ;轴向进给驱动102输出轴上装有主动齿轮104，与主动齿轮104相啮合的从动齿轮105连接丝杆108的输入端；丝杆108从后向前依次贯穿装于轴向滑块上轴承一 106、背板402的螺纹孔以及过渡端盖一 110的组合轴承108后，其输出端插入过渡端盖二 115花键孔，并用防松螺母112轴向并紧；与过渡端盖一 110相连的轴向进给壳体117通过两端内孔的轴承114/119与公转壳体116相连，轴向进给壳体117底部通过滑块118与组合支架400底板上导轨404滑动相连；公转壳体116小端设有一个偏心内孔；公转半径调节机构200 :包括与公转壳体116内孔端面相连的支撑端盖201、装于支撑端盖201上的公转半径调节驱动202，以及内啮合的小齿轮203和大齿轮204 ;公转半径调节驱动202输出轴连接小齿轮203，大齿轮204连接刀具自转调速机构300 ;支撑端盖201也设有一个偏心内孔。
刀具自转调速机构300 :包括自转壳体302、自转壳体端盖303、刀杆305、刀具307、设置在自转壳体302内的自转驱动301 ;自转壳体302安装于公转壳体116的偏心孔内，其与偏心孔内壁之间还设有连接轴承一 207，其输入端穿过轴承二 205，并套接有前述大齿轮204 ;自转驱动301装于自转壳体端盖303的偏心孔内，其输出轴连接刀杆305 ;刀杆305前端装有刀具307，采用螺母306夹紧；
公转壳体116与支撑端盖201装配后,两者的偏心孔同轴；公转壳体116与自转壳体端盖303两者的偏心内孔的偏心量大小相等，且位于初始状态时两者偏向相反；
前述的自转驱动301采用气动马达或电主轴。本发明装置的工作原理如下
螺旋铣孔前，根据待制孔径和刀具直径，公转半径调节驱动202通过内啮合的小齿轮203和大齿轮204带动自转壳体301绕着进给公转壳体116偏心孔的轴心线进行旋转，从而实现刀具公转半径的调整。螺旋铣孔时，轴向进给驱动102通过内啮合的主动齿轮104和从动齿轮105带动丝杆108产生旋转，在组合轴承111、丝杠108输出端花键连接部和导轨副121/404的共同约束下，丝杆102的输出端在带动螺旋进给机构100、刀具自转调速机构200和公转半径调节机构300完成前后移动的同时，也带动刀具自转调速机构200和公转半径调节机构300发生公转；自转驱动301调节控制刀具307的自转速度，最终完成螺旋铣孔。以上所述仅为本发明涉及的自动螺旋铣孔装置及方法的一个较佳实施案例，但本发明的实施范围并不局限于此例。
权利要求
1.一种用于大型工件多孔系的自动螺旋铣孔装置，其特征在于包括L型的组合支架(400)、设置在组合支架(400)上的螺旋进给机构(100)，以及装于螺旋进给机构(100)内部的公转半径调节机构(200)、刀具自转调速机构(300); 组合支架(400):包括水平 方向的底板(401)、垂直方向的背板(402)； 螺旋进给机构(100):包括轴向进给壳体(117)、丝杆(108)、支撑筒(101)，以及位于支撑筒(101)内的轴向滑块(103);轴向进给壳体(117)的底部通过滑块(118)与组合支架(400)底板上导轨(404)滑动相连；支撑筒(101)位于背板(402)的后部，其内壁上沿轴向设有导向条(121)，导向条(121)与轴向滑块(103)的外侧面之间以滑轨副连接；轴向进给驱动(102)输出轴上设有主动齿轮(104)，与主动齿轮(104)相啮合的从动齿轮(105)套接在丝杆(108)的输入端；丝杆(108)从后向前依次贯穿装于轴向滑块上轴承一(106)、背板(402)以及过渡端盖一(110)的组合轴承(111)后，其输出端插入过渡端盖二(115)内孔；与过渡端盖一(110 )相连的轴向进给壳体(117 )通过两端内孔的轴承(114/119 )与公转壳体(116)相连，轴向进给壳体(117)公转壳体(116)小端设有一个偏心内孔； 公转半径调节机构(200):包括与公转壳体(116)内孔端面相连的支撑端盖(201)、装于支撑端盖(201)上的公转半径调节驱动(202)，以及内啮合的小齿轮(203)和大齿轮(204);公转半径调节驱动(202)输出轴连接小齿轮(203)，大齿轮(204)连接刀具自转调速机构(300);支撑端盖(201)也设有一个偏心内孔； 刀具自转调速机构(300):包括自转壳体(302)、自转壳体端盖(303)、刀杆(305)、刀具(307),设置在自转壳体(302)内的自转驱动(301);自转壳体(302)安装于公转壳体(116)的偏心孔内，其与偏心孔内壁之间还设有连接轴承一(207)，其输入端穿过轴承二(205)，并套接有前述大齿轮(204);自转驱动(301)装于自转壳体端盖(303)的偏心孔内，其输出轴连接刀杆(305);刀杆(305)前端装有刀具(307)，采用螺母(306)夹紧。
2.根据权利要求I所述的用于大型工件多孔系的自动螺旋铣孔装置，其特征在于组合支架(400)还包括两个直角三角形的加强板(403)，加强板(403)的两条直角边分别贴合连接底板(401)和背板(402)。
3.根据权利要求I或2所述的用于大型工件多孔系的自动螺旋铣孔装置，其特征在于上述丝杆(108)与背板(402)以螺纹副相连；丝杆(108)与过渡端盖二(115)采用花键连接，并用防松螺母(112 )轴向并紧。
4.根据权利要求I或2所述的用于大型工件多孔系的自动螺旋铣孔装置，其特征在于公转壳体(116)与支撑端盖(201)装配后，两者的偏心孔同轴；公转壳体(116)与自转壳体端盖(303)两者的偏心内孔的偏心量大小相等，且位于初始状态时两者偏向相反。
5.根据权利要求I或2所述的用于大型工件多孔系的自动螺旋铣孔装置，其特征在于自转驱动(301)采用气动马达或电主轴。
6.一种采用权利要求1-5中任意一项所述自动螺旋铣孔装置实现的螺旋铣孔方法，其特征在于包括以下过程 A)螺旋铣孔前，根据待制孔径和刀具直径，公转半径调节驱动(202)通过内啮合的小齿轮(203)和大齿轮(204)带动自转壳体(301)绕着进给公转壳体(116)偏心孔的轴心线进行旋转，从而实现刀具公转半径的调整； B)螺旋铣孔时，轴向进给驱动(102)通过内啮合的主动齿轮(104)和从动齿轮(105)带动丝杆(108)产生旋转，在组合轴承(111)、丝杠(108)输出端花键连接部和导轨副(121/404)的共同约束下，丝杆(102)的输出端在带动螺旋进给机构(100)、刀具自转调速机构(200)和公转半径调节机构(300)完成前后移动的同时，也带动刀具自转调速机构(200)和公转半径调节机构(300)发生公转；自转驱动(301)调节控制刀具(3 07)的自转速度，最终完成螺旋铣孔。
全文摘要
本发明公开了一种用于大型工件多孔系的自动螺旋铣孔装置及方法，所述装置包括L型的支架，以及设置在支架上的公转半径调节机构、刀具自转调速机构、螺旋进给机构。本发明既能用作手持式螺旋制孔工具，也可作为机器人自动制孔系统的末端执行单元，且能大大提高大型工件多孔系加工的质量与效率。
文档编号B23Q5/40GK102717135SQ20121019610
公开日2012年10月10日 申请日期2012年6月14日 优先权日2012年6月14日
发明者任长春, 单以才, 李一民, 章婷, 聂睿瑞, 舒平生 申请人:南京信息职业技术学院