CN103072131B - 深孔加工机械手 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种深孔加工机械手，包括至少可提供轴向进给及周向进给的手臂总成、固定于所述手臂总成输出端的用于机加工或探测的工作装置和用于控制手臂总成进给方向及工作装置工作状态的控制系统，手臂总成包括固定臂、轴向单自由度滑动连接于所述固定臂的伸缩臂、周向单自由度转动连接于所述伸缩臂的转动臂，本发明的深孔加工机械手，能够突破深孔孔径限制进行深孔加工和探测，可大大减小刀具长径比，刀具强度高、刚性好，能保证深孔加工精度和表面质量，还可满足位于深孔内加工内花键、孔内曲线结构、内螺旋槽及曲线齿等特殊结构的加工要求，实现具有上述特殊结构的深孔零件的一体加工成型。

Description

深孔加工机械手

技术领域

本发明涉及孔加工技术，尤其涉及一种深孔加工机械手。

背景技术

传统的孔加工一般在车床或钻床上进行，通过在车床或钻床的刀架上装夹钻头、镗刀或扩孔钻头等刀具能够实现钻孔、镗孔和扩孔等常规孔的加工，但用于加工深孔时，刀杆由于受孔径的限制，直径小、长度大、刚性差、强度低，切削时易产生振动、波纹和锥度，影响深孔的直线度和表面粗糙度，而多数情况下深孔深径比高达L/d≥100，如油缸孔、轴的轴向油孔等，这些孔不仅深径比大，而且加工精度和表面质量要求较高，在传统的车床或钻床上加工此类深孔很难达到加工精度和质量要求；不仅如此，采用传统的孔加工设备还很难实现深孔内花键、孔内曲线结构、深孔内螺旋槽及内形腔曲线齿的加工及深孔探测，导致具有上述结构的深孔零件无法一体加工成型和探测其内部表面质量，成为深孔加工领域的一大难题。

因此，为了解决上述问题，需要一种能够突破深孔孔径限制的深孔加工设备，以保证深孔加工精度和表面质量，同时满足位于深孔内加工内花键、孔内曲线结构、内螺旋槽及曲线齿等特殊结构的加工要求及深孔探测，实现具有上述特殊结构的深孔零件的一体加工成型和质量检测。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的是提供一种深孔加工机械手，具有由控制系统控制的可提供轴向进给及周向进给的手臂总成，通过在手臂总成输出端安装机加工刀具、电主轴或探测仪器能够突破深孔孔径限制进行深孔加工，能够保证深孔加工精度和表面质量，还可满足位于深孔内加工内花键、孔内曲线结构、内螺旋槽及曲线齿等特殊结构的加工要求及深孔探测，实现具有上述特殊结构的深孔零件的一体加工成型和质量检测。

本发明的深孔加工机械手，包括至少可提供轴向进给及周向进给的手臂总成、固定于所述手臂总成输出端的用于机加工或探测的工作装置和用于控制手臂总成进给方向及工作装置工作状态的控制系统；所述手臂总成包括固定臂、轴向单自由度滑动连接于所述固定臂的伸缩臂、周向单自由度转动连接于所述伸缩臂的转动臂、安装定位于所述转动臂的用于固定工作装置的固定座以及用于控制伸缩臂轴向移动的驱动组件Ⅰ和用于控制转动臂转动的驱动组件Ⅱ。

进一步，所述固定座沿转动臂径向与之单自由度滑动连接；所述手臂总成还包括用于控制固定座沿转动臂径向滑动的驱动组件Ⅲ；

进一步，所述固定臂及伸缩臂均设有用于径向支撑于深孔内壁的支承足；

进一步，所述驱动组件Ⅰ包括传动连接于固定臂和伸缩臂的丝杠螺母副Ⅰ及用于驱动所述丝杠螺母副Ⅰ的丝杠转动的步进电机Ⅰ；所述步进电机Ⅰ固定于固定臂，丝杠螺母副Ⅰ的丝杠单自由度转动连接于固定臂，丝杠螺母副Ⅰ的螺母固定设于伸缩臂；所述固定臂为空心轴结构，伸缩臂伸入固定臂内孔与之单自由度滑动连接，固定臂内部一体的设有用于固定步进电机Ⅰ及转动连接丝杠螺母副Ⅰ的丝杠的隔板Ⅰ；

所述驱动组件Ⅱ包括固定于伸缩臂的步进电机Ⅱ以及传动连接于所述步进电机Ⅱ输出轴和转动臂的行星轮传动机构；所述转动臂设有与行星轮传动机构传动连接的内齿圈；所述转动臂为空心轴结构，转动臂伸入伸缩臂内孔与之单自由度转动连接，转动臂内部一体的设有用于固定步进电机Ⅱ及行星轮系的行星架的隔板Ⅱ；

所述驱动组件Ⅲ包括固定于转动臂的步进电机Ⅲ以及传动连接于转动臂和固定座并由所述步进电机Ⅲ驱动的丝杠螺母副Ⅱ；所述丝杠螺母副Ⅱ的丝杠沿径向单自由度转动连接于转动臂并由步进电机Ⅲ驱动转动，丝杠螺母副Ⅱ的螺母固定设于固定座；所述转动臂为空心轴结构，转动臂内部设有用于固定步进电机Ⅲ的隔板Ⅲ；

进一步，所述工作装置为车刀、插刀、钻头、镗刀、扩孔钻头、铰刀、电主轴或探测仪器；

进一步，所述支承足为液动可伸缩式结构，其中伸缩臂支承足为径向固定于伸缩臂的支承液压缸；固定臂支承足包括径向滑动连接于固定臂的支承滑块和轴向固定于固定臂用于驱动支承滑块滑动的驱动液压缸；

进一步，所述控制系统包括用于输入控制程序和控制指令以及输出控制信号的控制单元、用于接收所述控制单元的控制信号并控制步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ、步进电机Ⅲ和工作装置执行相应动作的电路系统以及用于接收所述控制单元的控制信号并控制支承液压缸和驱动液压缸工作状态的液压系统；

进一步，所述固定臂和伸缩臂内部设有用于输送切削液的输送管路；伸缩臂前端面设有与所述输送管路连通的用于切削液喷出的喷环；

进一步，所述控制系统还包括用于接收所述控制单元的控制信号并控制切削液输送泵启闭的冷却系统。

本发明的有益效果是：本发明的深孔加工机械手，具有由控制系统控制的可伸入深孔内部并提供轴向进给及周向进给的手臂总成，通过在手臂总成输出端安装机加工刀具、电主轴或探测仪器能够突破深孔孔径限制进行深孔加工和探测，可大大减小刀具长径比，刀具强度高、刚性好，能保证深孔加工精度和表面质量，还可满足位于深孔内加工内花键、孔内曲线结构、内螺旋槽及曲线齿等特殊结构的加工要求，实现具有上述特殊结构的深孔零件的一体加工成型。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述：

图1为本发明的机械原理图；

图2为本发明的控制系统框图；

图3为本发明的液压原理图。

具体实施方式

图1为本发明的机械原理图，图2为本发明的控制系统框图，图3为本发明的液压原理图，如图所示：本实施例的深孔加工机械手，包括至少可提供轴向进给及周向进给的手臂总成、固定于所述手臂总成输出端的用于机加工或探测的工作装置1和用于控制手臂总成进给方向及工作装置1工作状态的控制系统；所述手臂总成包括固定臂2、轴向单自由度滑动连接于所述固定臂2的伸缩臂3、周向单自由度转动连接于所述伸缩臂3的转动臂4、安装定位于所述转动臂4的用于固定工作装置1的固定座5以及用于驱动伸缩臂3轴向移动的驱动组件Ⅰ和用于驱动转动臂4转动的驱动组件Ⅱ；即伸缩臂3由驱动组件Ⅰ驱动滑动和轴向定位；转动臂4由驱动组件Ⅱ驱动转动和转动定位；固定臂2可通过连接件固定安装在类似于机床床身的座体定位，加工时通过伸缩臂3提供轴向进给量进行深孔加工或进入深孔内部加工内花键、孔内曲线结构、内螺旋槽及曲线齿等特殊结构和深孔探测，固定臂2或伸缩臂3上可设置能够径向支撑于深孔内壁的支承足以对手臂总成进行定位，保证手臂总成与工件相对定位的可靠度，避免加工时产生颤振而影响加工质量；也可将手臂总成仅通过支承足与工件进行相对定位，能够突破深孔加工深度的限制，实现深径比较大的零件的加工和探测。

本实施例中，所述固定座5沿转动臂4径向与之单自由度滑动连接；所述手臂总成还包括用于驱动固定座5沿转动臂4径向滑动的驱动组件Ⅲ，即固定座5由驱动组件Ⅲ驱动滑动和径向定位；使手臂总成还能够提供径向进给，利于在深孔内加工内花键、孔内曲线结构、内螺旋槽及曲线齿等特殊结构，实现具有上述特殊结构的深孔零件的一体加工成型。

本实施例中，所述固定臂2及伸缩臂3均设有用于径向支撑于深孔内壁的支承足，可提高手臂总成与工件相对定位的可靠度，避免加工时产生颤振，保证加工质量。

本实施例中，所述驱动组件Ⅰ包括传动连接于固定臂2和伸缩臂3的丝杠螺母副Ⅰ6及用于驱动所述丝杠螺母副Ⅰ6的丝杠转动的步进电机Ⅰ7；所述步进电机Ⅰ7固定于固定臂2，丝杠螺母副Ⅰ6的丝杠单自由度转动连接于固定臂2，丝杠螺母副Ⅰ6的螺母固定设于伸缩臂3；所述固定臂2为空心轴结构，伸缩臂3伸入固定臂2内孔与之单自由度滑动连接，固定臂2内部一体的设有用于固定步进电机Ⅰ7及转动连接丝杠螺母副Ⅰ6的丝杠的隔板Ⅰ8；所述驱动组件Ⅱ包括固定于伸缩臂3的步进电机Ⅱ9以及传动连接于所述步进电机Ⅱ9输出轴和转动臂4的行星轮传动机构10；所述转动臂4设有与行星轮传动机构10传动连接的内齿圈；所述转动臂4为空心轴结构，转动臂4伸入伸缩臂3内孔与之单自由度转动连接，转动臂4内部一体的设有用于固定步进电机Ⅱ9及行星轮系的行星架的隔板Ⅱ11；所述驱动组件Ⅲ包括固定于转动臂4的步进电机Ⅲ12以及传动连接于转动臂4和固定座5并由所述步进电机Ⅲ12驱动的丝杠螺母副Ⅱ13；所述丝杠螺母副Ⅱ13的丝杠沿径向单自由度转动连接于转动臂4并由步进电机Ⅲ12驱动转动，丝杠螺母副Ⅱ13的螺母固定设于固定座5；所述转动臂4为空心轴结构，转动臂4内部设有用于固定步进电机Ⅲ12的隔板Ⅲ14，如图1所示，步进电机Ⅰ7、步进电机Ⅱ9和步进电机Ⅲ12分别相应的固定安装于固定臂2、伸缩臂3和转动臂4内部，不仅结构紧凑、体积小，而且可保证固定臂2、伸缩臂3、转动臂4及步进电机Ⅰ7、步进电机Ⅱ9和步进电机Ⅲ12的同轴度，使加工时运行平稳；丝杠螺母副Ⅰ6绕手臂总成轴线均匀布置2-4个，步进电机Ⅰ7的输出轴通过齿轮副与各丝杠螺母副Ⅰ6的丝杠传动连接；丝杠螺母副Ⅱ13的丝杠与步进电机Ⅲ12的输出轴相互垂直，两者通过锥齿轮副传动连接；转动臂4前端设有至少两个平行于丝杠螺母副Ⅱ13的丝杠用于对固定座5进行滑动导向的导向轴，结构稳定、可靠；本实施例中转动臂4前端指转动臂4靠近工作装置1的一端。

本实施例中，所述工作装置1为车刀、插刀、钻头、镗刀、扩孔钻头、铰刀、电主轴或探测仪器，可完成深孔钻孔加工以及位于深孔内进行内花键、孔内曲线结构、内螺旋槽及曲线齿等特殊结构的加工，可根据实际加工需要选用和更换工作装置1。

本实施例中，所述支承足为液动可伸缩式结构，其中伸缩臂3的支承足为径向固定于伸缩臂3的支承液压缸15；固定臂2的支承足包括径向滑动连接于固定臂2的支承滑块16和轴向固定于固定臂2用于驱动支承滑块16滑动的驱动液压缸17，驱动液压缸17的活塞杆轴向传动连接有通过斜面与支承滑块16滑动连接的楔形块，驱动液压缸17纵向布置可缩小固定臂2径向最大尺寸，利于小孔径深孔加工；伸缩臂3的支承足和固定臂2的支承足均沿手臂总成周向布置多个，伸缩臂3的支承足设于伸缩臂3前端，固定臂2的支承足沿固定臂2轴线多点布置，通过固定臂2的支承足和伸缩臂3的支承足可对手臂总成的定位位置进行灵活、方便的控制，配合伸缩臂3的轴向伸缩作用可实现手臂总成的自由移动及移动和转动同时进行。

本实施例中，所述控制系统包括用于输入控制程序和控制指令以及输出控制信号的控制单元18、用于接收所述控制单元18的控制信号并控制步进电机Ⅰ7、步进电机Ⅱ9、步进电机Ⅲ12和工作装置1执行相应动作的电路系统19以及用于接收所述控制单元18的控制信号并控制支承液压缸15和驱动液压缸17工作状态的液压系统20；该控制系统为开环控制系统；控制单元18以PC机和可输入控制指令的运动控制卡作为基础硬件设施，结合系统软件、应用软件、绘图软件和数控软件对输入的控制指令进行处理并输出相应控制信号给各步进电机的驱动器和各液压缸的电磁阀（当工作装置1为电主轴或探测仪器时还输出相应控制信号给电主轴或探测仪器），使手臂总成和工作装置1在电路系统19和液压系统20的直接控制作用下工作。

本实施例中，所述固定臂2和伸缩臂3内部设有用于输送切削液的输送管路；伸缩臂3前端面设有与所述输送管路连通的用于切削液喷出的喷环，能够将切削液输沿手臂总成输送至加工区，降低切削温度，保证刀具散热性能和使用寿命。

本实施例中，所述控制系统还包括用于接收所述控制单元18的控制信号并控制切削液输送泵启闭的冷却系统21。

最后说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。

Claims (7)

1.一种深孔加工机械手，其特征在于：包括至少可提供轴向进给及周向进给的手臂总成、固定于所述手臂总成输出端的用于机加工或探测的工作装置和用于控制手臂总成进给方向及工作装置工作状态的控制系统；所述手臂总成包括固定臂、轴向单自由度滑动连接于所述固定臂的伸缩臂、周向单自由度转动连接于所述伸缩臂的转动臂、安装定位于所述转动臂的用于固定工作装置的固定座以及用于控制伸缩臂轴向移动的驱动组件Ⅰ和用于控制转动臂转动的驱动组件Ⅱ；所述固定臂及伸缩臂均设有用于径向支撑于深孔内壁的支承足；所述支承足为液动可伸缩式结构，固定臂的支承足包括径向滑动连接于固定臂的支承滑块和轴向固定于固定臂用于驱动支承滑块滑动的驱动液压缸，驱动液压缸的活塞杆轴向传动连接有通过斜面与支承滑块滑动连接的楔形块；所述固定座沿转动臂径向与之单自由度滑动连接；所述手臂总成还包括用于控制固定座沿转动臂径向滑动的驱动组件Ⅲ；所述驱动组件Ⅲ包括固定于转动臂的步进电机Ⅲ以及传动连接于转动臂和固定座并由所述步进电机Ⅲ驱动的丝杠螺母副Ⅱ；所述丝杠螺母副Ⅱ的丝杠沿径向单自由度转动连接于转动臂并由步进电机Ⅲ驱动转动，丝杠螺母副Ⅱ的螺母固定设于固定座。

2.根据权利要求1所述的深孔加工机械手，其特征在于：所述驱动组件Ⅰ包括传动连接于固定臂和伸缩臂的丝杠螺母副Ⅰ及用于驱动所述丝杠螺母副Ⅰ的丝杠转动的步进电机Ⅰ；所述步进电机Ⅰ固定于固定臂，丝杠螺母副Ⅰ的丝杠单自由度转动连接于固定臂，丝杠螺母副Ⅰ的螺母固定设于伸缩臂；所述固定臂为空心轴结构，伸缩臂伸入固定臂内孔与之单自由度滑动连接，固定臂内部一体的设有用于固定步进电机Ⅰ及转动连接丝杠螺母副Ⅰ的丝杠的隔板Ⅰ；

所述驱动组件Ⅱ包括固定于伸缩臂的步进电机Ⅱ以及传动连接于所述步进电机Ⅱ输出轴和转动臂的行星轮传动机构；所述转动臂设有与行星轮传动机构传动连接的内齿圈；所述转动臂为空心轴结构，转动臂伸入伸缩臂内孔与之单自由度转动连接，伸缩臂内部一体的设有用于固定步进电机Ⅱ及行星轮系的行星架的隔板Ⅱ；

所述转动臂为空心轴结构，转动臂内部设有用于固定步进电机Ⅲ的隔板Ⅲ。

3.根据权利要求2所述的深孔加工机械手，其特征在于：所述工作装置为车刀、插刀、钻头、镗刀、铰刀、电主轴或探测仪器。

4.根据权利要求3所述的深孔加工机械手，其特征在于：伸缩臂支承足为径向固定于伸缩臂的支承液压缸。

5.根据权利要求4所述的深孔加工机械手，其特征在于：所述控制系统包括用于输入控制程序和控制指令以及输出控制信号的控制单元、用于接收所述控制单元的控制信号并控制步进电机Ⅰ、步进电机Ⅱ、步进电机Ⅲ和工作装置执行相应动作的电路系统以及用于接收所述控制单元的控制信号并控制支承液压缸和驱动液压缸工作状态的液压系统。

6.根据权利要求5所述的深孔加工机械手，其特征在于：所述固定臂和伸缩臂内部设有用于输送切削液的输送管路；伸缩臂前端面设有与所述输送管路连通的用于切削液喷出的喷环。

7.根据权利要求6所述的深孔加工机械手，其特征在于：所述控制系统还包括用于接收所述控制单元的控制信号并控制切削液输送泵启闭的冷却系统。