CN102145405B

CN102145405B - 差动螺旋制孔装置及方法

Info

Publication number: CN102145405B
Application number: CN2011100388935A
Authority: CN
Inventors: 李亮; 何宁; 单以才; 杨吟飞; 章婷; 赵威; 秦晓杰; 钱甘
Original assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Current assignee: Nanjing University of Aeronautics and Astronautics
Priority date: 2011-02-16
Filing date: 2011-02-16
Publication date: 2012-11-21
Anticipated expiration: 2031-02-16
Also published as: CN102145405A

Abstract

本发明公开了一种差动螺旋制孔装置及方法，属于柔性加工装备技术领域。该装置主要包括用于实现刀杆螺旋运动的差动螺旋进给机构、驱动刀杆旋转的自转机构，以及调整刀杆相对支撑筒的轴心线进行偏移的径向调偏机构。其方法的特征在于制孔时刀杆的螺旋运动由差动螺旋进给机构控制，刀具的自转是通过自转机构实现。径向调偏机构的设置，使刀杆相对支撑筒的公转半径可根据待制孔径进行调整，加以差动组合螺旋易于实现小的轴向进给，使本发明的装置与方法可用于钛合金、碳纤增强复合材料等难加工材料的批量化制孔。此外，本装置集成度高、重量轻盈，可用作一些机器人自动制孔系统的末端执行单元。本发明涉及的装置与方法能大大提高难加工零件制孔的质量与效率。

Description

差动螺旋制孔装置及方法

技术领域

本发明公开了一种用于孔系的螺旋制孔装置，尤其涉及一种用差动螺旋制孔装置及方法，属于柔性加工装备技术领域。

背景技术

随着现代飞机高速、高机动性能要求的不断提高，具有整体化、轻量化、模块化等结构特征的飞机骨架件对制孔精度要求也越来越高。面对大飞机批量化生产进程的不断提速，要实现航空难加工材料的高效率、高精度制孔，开发一些新的制孔工艺及其装备势在必行。

目前，对于航空领域的难加工材料，其制孔技术多采用传统钻削。但钻孔是一个封闭式连续切削过程，对于导热较差的钛合金而言，停滞于切削区域的大量热量能迅速降低刀具的使用寿命。其次，传统钻削的轴向力很大，容易导致碳纤增强复合材料出现撕裂、劈裂、起毛、分层等致命性缺陷。为此，现行制孔流程常采用“预制底孔——扩孔——铰孔”的组合工序，同时因钻孔会带来连续切屑，需要增设大量拆装排屑操作。就航空装配领域大量制孔而言，这些直接影响装配的生产周期。螺旋铣孔是近年来一种新兴的制孔技术，因具有切削力小、加工精度好、制孔效率高等优势，得到了国内外航空制造业的高度关注，国外已出现部分螺旋铣孔装置。

美国专利PCT/SE2008/050719、US2003/0143049、PCT/SE03/00467公开了几种螺旋铣孔方法及装置，其装置均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。四种子系统因相互实现了运动解耦，能够接受独立控制。但这些螺旋铣孔装置集成度不高，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。

此外，中国专利公开号：CN101633060A，名称：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，可用于一些高强度切削、难加工材料的加工。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。

另外，中国专利公开号：CN101664821A，名称：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。

发明内容

本发明针对现有螺旋铣孔装置结构复杂、重量偏大及部分装置无轴向进给机构或制小孔能力较低等方面的不足，提出了一种差动螺旋制孔装置及方法。

一种差动螺旋制孔装置，其特征在于：该装置主要包括中间带有隔板的支撑筒，支撑筒被隔板分成上支撑筒和下支撑筒，还包括安装于支撑筒内的用以实现刀杆螺旋运动的螺旋进给机构、用于驱动刀杆自转以及调整刀杆相对支撑筒的中心轴线偏移的自转及径向调偏机构。所述的螺旋进给机构包括：通过滑键结构安装于上支撑筒内的带有内螺纹的第一滑动筒、通过滑键结构安装于下支撑筒内的第二滑动筒、还包括安装于隔板上的带有粗头和细头的T型丝杆，T型丝杆粗细两头的外螺纹旋向相反，T型丝杆粗头与第一滑动筒的内螺纹配合，细头与隔板的内螺纹配合；上述T型丝杆细头的末端通过轴承安装于上述第二滑动筒上，第二滑动筒设有用于驱动T型丝杆的第一电机及第一齿轮副；还包括通过轴承安装于第一滑动筒上部的公转壳体，公转壳体下端盖安装有导柱，导柱另一端穿过安装于T型丝杆粗头端面的导套；上述自转及径向调偏机构包括：安装于公转壳体下端盖的第二电机、依次安装于公转壳体内的与第二电机相连的偏心调节小齿轮、与偏心调节小齿轮配合的偏心调节大齿轮；还包括通过轴承安装于公转壳体上部的径向偏移壳体，该自转及径向调偏机构还包括依次安装于偏心调节壳体内与偏心调节大齿轮相互连的变速齿轮副、以及安装于变速齿轮副最后一级输出齿轮上的刀杆；上述径向偏移壳体与公转壳体之间还安装有偏心调节蜗轮蜗杆，其中蜗杆安装于公转壳体上，蜗轮安装于径向偏移壳体上；上述变速齿轮副最后一级齿轮的轴线与偏心调节小齿轮的轴线具有间距e₀，偏心调节范围为0-2e₀。

一种利用所述差动螺旋制孔装置实现螺旋制孔的方法，其特征在于包括以下过程：A)刀杆螺旋进给时，第一电机通过第一齿轮副带动T型丝杆旋转，T型丝杆在隔板内螺纹约束下，带动第二滑动筒一同沿支撑筒轴心线前后移动；T型丝杆粗头与第一滑动筒内螺纹的配合使得第一滑动筒产生与T型丝杆运行方向相反的运动；由于上述两种运动的叠加使第一滑动筒获得相对支撑筒的差动速度，即刀杆的轴向差动进给，刀杆的轴向差动进给速度为：V＝n*(p2-p1)，其中n为第一电机转速，p2为T型丝杆的细头螺距，p1为T型丝杆的粗头螺距；刀杆轴向差动进给的同时，T型丝杆粗头通过导柱带动公转壳体旋转，由于偏心调节壳体偏心安装于公转壳体上，从而实现刀杆的螺旋进给；B)刀杆自转时，第二电机相继通过内啮合齿轮副、偏心调节齿轮副、变速齿轮副带动刀杆旋转；C)初始状态变速齿轮副最后一级输出齿轮的轴线与第一电机轴线重合，即自转和公转的偏心距为0；刀杆偏心调节时，驱动偏心调节蜗杆通过置于偏心调节壳体的蜗轮带动变速齿轮副与刀杆一同绕偏心调节小齿轮(2405)转动，由于变速齿轮副最后一级输出齿轮的轴线与偏心调节小齿轮的轴线具有间距e₀，所以刀杆偏心调节范围为0-2e₀。

本发明具有如下效果：1、刀杆螺旋进给是由差动螺旋控制，易于实现轴向的小进给切削，尤其适用于一些难加工材料孔系的优质高效制孔；2、采用一个差动螺旋进给机构同时实现刀杆的轴向进给和公转进给，简化了装置组成，降低了装置重量；3、与第二电机输出轴相连的啮合齿轮副的设置，有效解决了高速运动时电机直接与中间轴相连带来的质量偏心问题；4、偏心调节刻度的设定，便于确定刀杆径相对支撑筒轴线的公转半径；5、通过多级齿轮副的优化布置，实现刀杆轴线相对支撑筒中心轴线的较小偏心，使“以铣代钻”能实现一次成孔；6、径向调偏机构使一把刀具能够连续加工多种孔径，大大提高了本装置的作业效率；7、装置的各部件之间均采用高精度轴承进行连接，能有效保证整机的装配精度、运动传递精度。

附图说明

图1为根据本发明的难加工材料螺旋制孔装置一较佳实施案例的结构示意图，且差动螺旋进给机构的轴向进给处于初始位置；

图2为本发明的刀杆位于无偏心状态的示意图，且差动螺旋进给机构的轴向进给处于最大位置；

图3为本发明的刀杆自转的运动传递示意图；

图4为本发明的刀杆公转半径调节的运动传递示意图：4a是刀杆公转半径为零状态，4b为刀杆公转半径为最大值状态；

图5为本发明的差动螺旋轴向进给的运动传递示意图；

图中标号名称：1000、差动螺旋进给机构，2000、自转及径向偏移机构，1100、差动螺旋轴向进给机构，1001、支撑筒，1001-1、支撑板，1001-2、上支撑筒，1001-3、下支撑筒，1102、第一滑动筒，1103、滑键，1104、T型丝杆，1105、小齿轮，1106、第一电机，1107、第二滑动筒，1108、大齿轮，1109、盖板，1110、轴承端盖一，1111、轴承，1112、导套，1113、轴承端盖二，1200、公转进给机构，1201、公转壳体，1202、公转壳体端盖，1203、导柱，1204、轴承，1205、套筒，1206、防屑落端盖一，2300、径向偏移机构，2301、径向偏移壳体，2302、蜗杆，2303、蜗轮，2304、轴承，2305、径向偏移壳体端盖，2306、防屑落端盖二，2400、刀杆自转机构，2401、第二电机，2402、内啮合大齿轮，2403、内啮合小齿轮，24004、中间轴I，2405、偏心调节小齿轮，2406、偏心调节大齿轮，2407、多级变速齿轮副输入轴，2408、过渡齿轮，2409、多级变速齿轮副输出齿轮，2410、轴承，2411、刀杆，2412、刀具，e：表示刀杆相对支撑筒中心轴线的径向偏移距离，e₀：表示变速齿轮副最后一级输出齿轮的轴线与偏心调节小齿轮的轴线的间距。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施实例对本发明的差动螺旋制孔装置及方法进行详细阐述。

图1是本发明公开的一种用于难加工材料的螺旋制孔装置，该装置主要包括中间带有隔板的支撑筒1101，支撑筒被隔板分成上支撑筒和下支撑筒，还包括安装于支撑筒内的用以实现刀杆2411螺旋运动的螺旋进给机构1000、用于驱动刀杆旋转的自转机构2400，以及调整刀杆相对支撑筒的中心轴线偏移的径向调偏机构2300；

所述的螺旋进给机构1000主要由带有内螺纹的第一滑动筒1102、第二滑动筒1107、带有粗头和细头的T型丝杆1104组成。T型丝杆粗细两头的外螺纹旋向相反。T型丝杆细头安装于支撑筒的中间隔板上，细头末端还通过轴承与第二滑动筒1107相连。第二滑动筒1107通过滑键结构安装于下支撑筒内，其上装有用于驱动T型丝杆的第一电机1106及第一齿轮副1105/1108。T型丝杠粗头与通过滑键结构安装于上支撑筒内的第一滑动筒1102的内螺纹相连。第一滑动体1102内孔的上部装有公转壳体1201，公转壳体下端盖1202带有导柱1203，导柱的另一端与T型丝杆粗头端面的导套1112滑动相连。

所述的自转及径向调偏机构2000主要包括安装于公转壳体下端盖1202的第二电机2401、通过轴承安装于公转壳体上部的径向调偏机构2300和自转传动机构2400。第二电机2401通过输出轴的内啮合大齿轮2406与中间轴I 2404上内啮合小齿轮2403相连。对于公转壳体转速较低情形，第二电机输出轴可与中级轴I直接相连。中间轴I 2404偏心安装在公转壳体1201内部，通过上端的偏心调节小齿轮2403与径向偏移壳体2301内部的多级变速齿轮副的输入轴上的偏心调节大齿轮2406相连，多级变速齿轮副最后一级输出齿轮2409上装有刀杆2411，刀杆同时经过轴承偏心安装在偏心偏移壳体端盖2305上。

上述的径向调偏机构2400的蜗轮蜗杆安装在径向偏移壳体2301与公转壳体1201之间，蜗杆2302安装于公转壳体内部，蜗轮2303套装于偏心调节壳体外圆上。安装在公转壳体1201和偏心调节壳体2301的上端面的防屑落端盖一1206和防屑落端盖二2306设有刀杆偏心调节定位的刻度指示，刻度指针在防屑落端盖二上，定位刻度在防屑落端盖一上，所述刻度的间距是按照公式

(e = 2 e_{0} * \sin (\frac{θ}{i * 2}))

来设置。

本发明装置的工作原理如下：铣孔前，首先根据待制孔直径进行刀具公转半径调节，通过径向调偏机构2300将刀杆调至所需的工作位置。铣孔时，刀杆螺旋进给是由螺旋进给机构1000提供，刀杆自转是由自转的第一电机2401经多级齿轮传动实现。

刀杆进行径向偏移时，首先驱动蜗杆2302，通过蜗轮2303带动径向偏移壳体2301旋转。由于刀杆2411偏心安装在径向偏移壳体端盖2305上，刀杆随同径向偏移壳体绕偏心调节小齿轮2405的中心轴线进行选择，从而完成刀杆2411公转半径的调节。

刀杆自转时，利用蜗轮蜗杆的自锁功能，将公转壳体1201与径向偏移壳体2301连成一体。用于刀具自转的第二电机2401通过输出轴的内啮合大齿轮2406带动设有内啮合小齿轮2403的中间轴I 2404进行旋转，继而通过偏心调节齿轮副给径向偏移壳体2302内多级变速齿轮输入动力，最终通过多级变速齿轮的最后一级输出齿轮2409带动刀杆2411旋转。

刀杆螺旋进给时，刀杆的螺旋运动是通过差动螺旋进给机构1000来完成。工作时，安装在第二滑动筒上的第一电机1106通过第一齿轮副1105/1108带动T型丝杆1104旋转。T型丝杆在隔板内螺纹约束下，带动第二滑动筒1102一同沿支撑筒1101轴心线前后移动。由于T型丝杆1104粗头与细头的螺纹旋向相反，T型丝杆粗头与第一滑动筒1102内螺纹的配合使得第一滑动筒产生与T型丝杆运行方向相反的运动。这两种运动的叠加使第一滑动筒获得了相对支撑筒1101的差动速度，即刀杆2411的轴向差动进给。刀杆轴向差动进给的同时，T型丝杆1104粗头通过导柱1203带动公转壳体1201旋转，由于径向偏移壳体2301偏心安装于公转壳体上，从而实现刀杆2411的螺旋进给，最终完成螺旋制孔。对于不同难加工材料的制孔，可以通过改变T型丝杠1104的粗头和细头外螺纹的螺距P1和P2及第一电机1106的转速来实现。

以上所述仅为本发明涉及的螺旋制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。

Claims

1.一种差动螺旋制孔装置，其特征在于：

该装置主要包括中间带有隔板的支撑筒（1101），支撑筒被隔板分成上支撑筒和下支撑筒，还包括安装于支撑筒内的用以实现刀杆（2411）螺旋运动的螺旋进给机构（1000）、用于驱动刀杆自转以及调整刀杆相对支撑筒的中心轴线偏移的自转及径向调偏机构（2000）；

所述的螺旋进给机构（1000）包括：

通过滑键结构安装于上支撑筒内的带有内螺纹的第一滑动筒（1102）、通过滑键结构安装于下支撑筒内的第二滑动筒（1107）、还包括安装于隔板上的带有粗头和细头的T型丝杆（1104），T型丝杆粗细两头的外螺纹旋向相反，T型丝杆粗头与第一滑动筒（1102）的内螺纹配合，细头与隔板的内螺纹配合；上述T型丝杆细头的末端通过轴承安装于上述第二滑动筒上，第二滑动筒设有用于驱动T型丝杆的第一电机（1106）及第一齿轮副（1105/1108）；

还包括通过轴承安装于第一滑动筒（1102）上部的公转壳体（1201），公转壳体下端盖（1202）安装有导柱（1203），导柱另一端穿过安装于T型丝杆粗头端面的导套（1112）；

上述自转及径向调偏机构（2000）包括：

安装于公转壳体下端盖(1202)的第二电机（2401）、依次安装于公转壳体(1201)内的与第二电机相连的偏心调节小齿轮（2405）、与偏心调节小齿轮配合的偏心调节大齿轮（2406）；还包括通过轴承安装于公转壳体上部的径向偏移壳体（2301），该自转及径向调偏机构（2000）还包括依次安装于径向偏移壳体内与偏心调节大齿轮相互连的变速齿轮副、以及安装于变速齿轮副最后一级输出齿轮（2409）上的刀杆（2411）；

上述径向偏移壳体（2301）与公转壳体（1201）之间还安装有偏心调节蜗轮蜗杆，其中蜗杆（2302）安装于公转壳体上，蜗轮（2303）安装于径向偏移壳体上；上述变速齿轮副最后一级齿轮（2409）的轴线与偏心调节小齿轮（2405）的轴线具有间距e₀，偏心调节范围为0-2e₀。

2.根据权利要求1所述的差动螺旋制孔装置，其特征在于：

上述第二电机（2401）与偏心调节小齿轮（2403）之间还安装有内啮合齿轮副，其中内啮合大齿轮（2402）与第二电机相连，内啮合小齿轮（2403）与偏心调节小齿轮（2403）通过中间轴I（2404）同轴相连；上述第二电机的轴线与支撑筒（1101）中轴线重合。

3.根据权利要求1所述的差动螺旋制孔装置，其特征在于：

上述的公转壳体（1201）和径向偏移壳体（2301）的上端面分别装有防屑落端盖一（1206）和防屑落端盖二（2306）；防屑落端盖一与防屑落端盖二之间设有刀杆偏心调节定位的刻度指示，刻度指针在防屑落端盖二上，定位刻度在防屑落端盖一上，所述刻度的间距是按照公式

来设置，其中θ为蜗杆旋转角度，i为蜗轮蜗杆传动比，e为刀杆相对支撑筒轴心线的径向偏移。

4.一种利用权利要求1所述差动螺旋制孔装置实现的螺旋制孔方法，其特征在于包括以下过程：

A)刀杆螺旋进给时，第一电机（1106）通过第一齿轮副（1105/1108）带动T型丝杆（1104）旋转，T型丝杆在隔板内螺纹约束下，带动第二滑动筒（1107）一同沿支撑筒（1101）轴心线前后移动；T型丝杆粗头与第一滑动筒（1102）内螺纹的配合使得第一滑动筒产生与T型丝杆运行方向相反的运动；由于上述两种运动的叠加使第一滑动筒获得相对支撑筒的差动速度，即刀杆的轴向差动进给，刀杆的轴向差动进给速度为：

V=n*（p2-p1），其中n为第一电机转速，p2为T型丝杆的细头螺距，p1为T型丝杆的粗头螺距；

刀杆轴向差动进给的同时，T型丝杆粗头通过导柱带动公转壳体（1201）旋转，由于径向偏移壳体（2301）偏心安装于公转壳体上，从而实现刀杆的螺旋进给；

B)刀杆自转时，第二电机（2401）相继通过内啮合齿轮副、偏心调节齿轮副、变速齿轮副带动刀杆旋转；

C)初始状态变速齿轮副最后一级输出齿轮的轴线与第一电机轴线重合，即自转和公转的偏心距为0；刀杆偏心调节时，驱动偏心调节蜗杆通过置于径向偏移壳体的蜗轮带动变速齿轮副与刀杆一同绕偏心调节小齿轮（2405）转动，由于变速齿轮副最后一级输出齿轮的轴线与偏心调节小齿轮的轴线具有间距e₀，所以刀杆偏心调节范围为0-2e₀。