CN103273105A - 机械手钻孔装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种机械手钻孔装置，包括磁力支座（10）、位置调节机构（20）、钻孔机构（30）和支腿组（40），所述位置调节机构（20）安装在所述磁力支座（10）和所述钻孔机构（30）之间，以调节所述钻孔机构（30）的空间位置，所述支腿组（40）安装在所述钻孔机构（30）的下方，用以支撑所述钻孔机构（30）。本发明的机械手钻孔装置不会对其中的钻孔机构的工作位置进行约束，能够实现绝大部分位置的准确钻孔，提高了盲孔法测量焊接残余应力的精度，有利于更好地分析零部件的性能。此外，机械手钻孔装置占用空间小，适应于多种位置的钻孔操作而无需更换其中的部件，有效地提高了残余应力试验工作的效率。

Description

机械手钻孔装置

技术领域

本发明涉及机械领域，具体地，涉及一种机械手钻孔装置。

背景技术

在机械加工过程中，例如在铸造、锻造、焊接及各类切削加工过程中，工件均会由于受外力和温度的作用而产生残余应力。残余应力的产生、叠加及释放过程将造成零件内部应力状况的重新分布，从而可能影响零件的尺寸和形位精度以及零部件的装配精度，由此降低零件的抗疲劳强度、抗应力腐蚀及抗蠕变开裂的能力等。因此，分析零件中的残余应力状况有利于提高零件的性能和使用寿命。

目前在工程应用上存在多种测量残余应力的方法，如包括钻孔法、分割切条法释放法、逐层铣削法等机械释放法，以及X射线衍射法、磁性法等非破坏无损伤测量方法。其中，对于工程机械的焊接部件，优先采用钻孔法测量焊接残余应力，该方法的测量精度高，对构件的破坏性小，而且操作简单方便。

例如参见图1A和图1B，在混凝土泵车中，料斗是混凝土泵车内部和外界链接的一个通道，作为混凝土输送泵中的核心元件，料斗的前墙板3与目镜板1等处工作时受到的压力高达700MPa，这就要求料斗结构具有较高的承载能力及疲劳强度。目前，大部分料斗采用的是厚板高强钢焊接而成。而料斗焊接是一个不均匀的加热和冷却过程，焊缝4及其附近区域的温度严重不均匀，因此焊缝4和邻近区域塑性变形压缩严重，冷却后将产生很大的焊接残余应力和残余变形。由于这些焊接残余应力的存在，料斗结构的稳定性、疲劳强度、承载能力以及加工尺寸精度等受到直接影响。因此，为了掌握料斗的焊接残余应力的分布及规律，控制残余应力的值，避免出现危害，必须对料斗某些关键部位进行残余应力测试。

图1A和图1B显示了现有技术中采用三角支架装置进行盲孔法检测料斗残余应力的位置。由图可见，图1B中A点位置位于焊接热影响区内（搅拌轴承座2的角焊接区），是焊接残余应力最佳测试点，然而现有的三角支架装置只能在图示的B点位置实现精准的打孔，这样，显然无法准确地测定角焊接处的焊接残余应力。换言之，现有技术中，由于支架的占用空间导致钻头的调节幅度小，导致不能对直角焊缝处的残余应力进行测量。而在必须测量某一点位置的残余应力的情况下，只能更换支架及套筒。

发明内容

本发明的目的是提供一种机械手钻孔装置，该机械手钻孔装置适应于多种位置的钻孔操作。

为了实现上述目的，本发明提供一种机械手钻孔装置，该机械手钻孔装置包括磁力支座、位置调节机构、钻孔机构和支腿组，所述位置调节机构安装在所述磁力支座和所述钻孔机构之间，以调节所述钻孔机构的空间位置，所述支腿组与所述钻孔机构连接，用以支撑所述钻孔机构。

优选地，所述钻孔机构包括钻台、钻杆和钻头，所述钻台上设置有通孔，所述钻杆可轴向移动地设置在该通孔内，所述钻头固定在所述钻杆的下端。

优选地，所述磁力支座包括磁性座体和安装在该磁性座体上的滑轴，所述位置调节机构可转动地安装在所述滑轴上，以调节所述钻孔机构的角度。

优选地，所述位置调节机构包括垂直滑块、水平滑块和连杆组，该连杆组分别与所述垂直滑块和所述水平滑块铰接，所述垂直滑块可滑动地安装在所述滑轴上，所述水平滑块可滑动地安装在所述钻台上。

优选地，所述垂直滑块上设置有第一锁紧器，该第一锁紧器用于固定所述垂直滑块。

优选地，所述钻台上设置有第二锁紧器，该第二锁紧器用于限制所述水平滑块的滑动。

优选地，所述连杆组包括第一连杆、第二连杆和连接耳板，所述第一连杆的一端铰接在所述垂直滑块上，所述第二连杆的一端铰接在所述水平滑块上，所述第一连杆和所述第二连杆分别与所述连接耳板铰接。

优选地，所述支腿组包括至少两个支腿和连接件，该连接件位于所述至少两个支腿之间，用于调节所述至少两个所述支腿之间的展开距离，所述钻台与所述连接件连接。

优选地，所述钻台包括固定台和相对于该固定台可转动的转动台，所述固定台与所述连接件连接，所述转动台上设置有所述通孔。

优选地，所述固定台和所述转动台中的一者的端部设置有齿圈，另一者的端部设置有齿轮，该齿轮与所述齿圈以可相对转动且可锁紧的方式接合。

优选地，所述支腿的下端固定有磁性件。

优选地，所述支腿球铰于所述磁性件。

优选地，所述磁性件的末端和/或所述磁性座体的末端为柱面体、球面体或倒圆锥体。

本发明通过磁力支座和支腿组对钻孔机构提供稳定且足够的承载力，并且通过位置调节机构将钻孔机构递送到所需的焊接位置并定位，因而不会对钻孔机构的工作位置进行约束，能够实现绝大部分位置的准确钻孔，提高了盲孔法测量焊接残余应力的精度，有利于更好地分析零部件的性能，提高零部件的使用寿命。此外，本发明的机械手钻孔装置占用空间小，适应于多种位置的钻孔操作而无需更换其中的部件，有效地提高了残余应力试验工作效率。

本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

附图说明

附图是用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1A是现有技术中采用三角支架装置进行盲孔法检测料斗残余应力的示意图，图1B是图1A部分结构的放大示意图；

图2是本发明的机械手钻孔装置的示意图；

图3A是采用本发明的机械手钻孔装置进行盲孔法检测料斗残余应力的示意图，图3B是图3A部分结构的放大示意图；

图4是本发明的机械手钻孔装置的另一实施方式的结构示意图；

图5A是图4的机械手钻孔装置中钻台的分解示意图，图5B是图4的机械手钻孔装置中支腿的分解示意图。

附图标记说明

1目镜板      2搅拌轴承座      3前墙板

4焊缝        10磁力支座       11磁性座体

12滑轴       13第一锁紧器     20位置调节机构

21垂直滑块   22水平滑块       23连杆组

30钻孔机构   31钻台           32钻杆

33钻头       34卡圈           35第二锁紧器

36水平仪     40支腿组         41支腿

42连接件     43磁性件         231第一连杆

232第二连杆  233连接耳板      311固定台

312转动台    311a齿圈        312a齿轮

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

在本发明中，在未作相反说明的情况下，使用的方位词如“上、下、左、右”通常是指附图中的上、下、左、右。

参见图2至图5B，本发明涉及一种机械手钻孔装置，主要用于在盲孔法测量焊接残余应力的方法中进行准确钻孔，但是本发明不限于上述应用。即本发明适用于各种大型刚结构件工种工况的残余应力测试，同时也可以对一些比较小的结构件进行精准的测试，而且钻得的钻孔不仅可以应用于应力测试，也可以用于安装部件等。

如图所示，本发明的机械手钻孔装置主要包括磁力支座10、位置调节机构20、钻孔机构30和支腿组40。其中，磁力支座10起主要支撑作用并用于安装所述位置调节机构20，此外，由于磁力支座10的磁性作用还可以防止机械手钻孔装置在被测部件上移动。位置调节机构20安装在磁力支座10和钻孔机构30之间，用以调节钻孔机构30的空间位置，即钻孔机构30的高度、水平位置和角度等，其中所述角度应当不仅包括钻孔机构30相对于磁力支座10左右摆动时摆动的角度，而且应当还包括钻孔机构30相对于磁力支座10的支撑面上下摆动时摆动的角度。所述支腿组40与钻孔机构30连接，用以支撑钻孔机构30，例如支腿组40安装在钻孔机构的下方，但不限于这一安装位置，而钻孔机构30则用于在所需位置进行钻孔。具体地，所述钻孔机构30可以包括钻台31、钻杆32和钻头33，钻台31上设置有通孔（未标示），钻杆32可轴向移动地设置在该通孔内，并且所述钻头33固定在所述钻杆32的下端，其中，钻杆32可以通过设置在钻台31上的卡圈34进行径向固定，并且在图4所示的机械手钻孔装置中，钻台31上还可以设置水平仪36，以便于根据水平仪的显示状态，通过位置调节机构20将钻台31调节至水平位置。关于水平仪的结构和工作原理等均是本领域技术人员所熟知，不再详述。

在应用盲孔法进行焊接残余应力测量时，可以将上述机械手钻孔装置的磁力支座10放置在靠近钻孔点的位置后，然后通过调节位置调节机构20，使得钻孔机构30可以准确地处于钻孔点上方，并最后进行钻孔操作。根据上述结构，机械手钻孔装置的磁力支座10和支腿组40既能够提供稳定且足够的承载力，又不会对钻孔机构30的工作位置进行约束，并且通过位置调节机构20可以将钻孔机构30递送到所需的焊接位置并定位，因而可以对绝大部分位置进行准确钻孔，提高了盲孔法测量焊接残余应力的精度，有利于更好地分析零部件的性能，提高零部件的使用寿命。此外，本发明的机械手钻孔装置占用空间小，适应于多种位置的钻孔操作而无需更换其中的部件，有效地提高了残余应力试验工作效率。

如图2所示，磁力支座10具体可以包括磁性座体11和滑轴12，磁性座体11具有较强磁性，能够强力吸附在零部件的表面上，滑轴12可通过多种方式安装在磁性座体11上。在具体实施方式中，位置调节机构20可转动地安装在上述滑轴12上，由于钻孔机构30与位置调节机构20连接，因而可以通过位置调节机构20调节钻孔机构30的角度。

在一种具体实施方式中，位置调节机构20可以包括垂直滑块21、水平滑块22和连杆组23，连杆组23分别与垂直滑块21和水平滑块22铰接，以适应垂直滑块21和水平滑块22之间空间距离的变化，并且水平滑块22可水平滑动地安装在钻孔机构30上。

其中，垂直滑块21可滑动地安装在磁力支座10的滑轴12上，主要用于调节垂直滑块21与水平滑块22之间的空间距离，进而调节磁力支座10与钻孔机构30之间的距离。优选地，垂直滑块21为中空部件，通过将垂直滑块21可转动地套装在滑轴12上，用以调节位置调节机构20的角度，进而可以调节钻孔机构30的角度。

在钻孔机构30进行钻孔作业时，上述垂直滑块21和水平滑块22应当固定不动。因此，为了防止垂直滑块21和水平滑块22发生滑动，需要分别设置相应的锁紧结构。例如，在垂直滑块21上可以设置第一锁紧器13，用于限制垂直滑块21的滑动和转动，并且在钻台31上可以设置第二锁紧器35，用于限制水平滑块22的滑动。上述第一锁紧器13和第二锁紧器35可以是拧紧螺丝，但不限于拧紧螺丝。

进一步地，所述连杆组23可以包括第一连杆231、第二连杆232和连接耳板233，第一连杆231的一端铰接在垂直滑块21上，第二连杆232的一端铰接在水平滑块22上，并且第一连杆231和第二连杆232分别与连接耳板233铰接。参见图2，在垂直滑块21的一侧上伸出有一对连接支耳（未标示），第一连杆231的一端通过套装在连接两个连接支耳的螺栓上而形成铰接结构。此外，第二连杆232的一端与水平滑块22之间形成相同的铰接结构，第一连杆231的另一端和第二连杆232的另一端分别与两个连接耳板233之间形成类似的铰接结构，在此不再赘述。

可以理解，上述螺栓不但可以实现铰接结构，而且可以使垂直滑块21与第一连杆231、第一连杆231与第二连杆232以及第二连杆232与水平滑块22之间的相对位置的固定不变。另外，为适应钻孔机构30相对于磁力支座10的支撑面的上下摆动，还可以使第一连杆231与垂直滑块21之间形成球铰结构等。

另外，为了在钻孔操作中能够提供足够的承载力，支腿组40优选地包括两个支腿41和位于两个支腿41之间的连接件42，但是支腿41的数目不限于两个。由图看见，连接件42位于两个支腿41之间主要用于调节两个支腿41之间的展开距离。在该结构下，所述钻孔机构30的钻台31与所述连接件42连接，从而对钻杆32进行定位。可以理解，两个支腿41与磁力支座10可以形成结构稳定的三角形，从而为钻孔结构30提供稳定的承载力。而且，为了提供更好的稳定性，支腿41的下端也可以固定磁性件43，以将支腿41吸附在被测的零部件上。

优选地，如前所述，与第一连杆231相对于垂直滑块21转动的结构相结合，将钻台31设置成可转动的方式，可以实现钻孔机构30相对于磁力支座10的支撑面的摆动，从而可以适应不同的焊接位置表面情况，准确定位。

例如，图4、图5A和图5B显示了机械手钻孔装置的另一种实施方式，该实施方式中，主要的部件和结构与图2所示的实施方式基本相同，因而相同的内容不再重复描述。两种实施方式中不同的是钻台31的结构。如图4和图5所示，钻台31包括固定台311和相对于该固定台311可转动的转动台312，其中固定台311与连接件42连接，转动台312上设置有通孔，钻杆32与该通孔连接，用于进行钻孔动作。由转动台312可相对于固定台311转动可以看出，当机械手钻孔装置坐落X-Y面上时，钻孔机构30不仅可以在X-Y面上进行钻孔，而且只要将转动台312旋转一定的角度则可以在Y-Z面和X-Z面上进行钻孔，从而进一步增加了钻孔机构30的钻孔作业范围。

在上述实施方式中，实现转动台312相对于固定台311转动的结构可以包括多种，本实施方式中，可以通过在固定台311的端部设置齿圈311a，在转动台312的端部设置齿轮312a，并将齿轮312a与齿圈311a接合以实现相对转动；同时，在齿圈311a上可以设置拧紧螺丝（未标示）等锁紧器，以锁定齿圈311a和齿轮312a，限制其相对转动。可以理解，上述齿圈311a和齿轮312a的位置可以互换，即齿圈311a设置在转动台312的端部且齿轮312a设置在固定台311的端部，同样可以实现相对转动。此外，转动台312与固定台311之间相对转动的结构不限于以上所述。

参见图2和图4，钻孔机构30的钻台31固定在连接件42的中部，连接件42的两端设置有贯穿孔，两个支腿41分别穿过两个贯穿孔，并且通过调节螺母（未标示）进行调节和固定。因此，连接件42可调节垂直位置的连接在两个支腿41之间，从而可以对钻孔机构30的高度进行调节。需要说明的是，该连接件42对钻孔机构30的高度调节主要是指在装配机械手钻孔装置的过程中对钻孔机构30的高度调节，一旦装配完成，钻孔结构30的高度将固定。当然，在对不同零部件进行钻孔操作时，可以通过调节连接件42的高度来调节钻孔机构30的高度。参见图4和图5B所示的实施方式，其中支腿41通过球铰的方式与磁性件43连接，使得支腿41可以根据定位情况，实现一定角度的旋转，从而将磁性座体11和支腿41与定位接触面最大程度的贴合。

进一步地，在所需钻孔的部件的表面呈多种形状的情况下，为了稳固地放置上述磁力支座10和支腿组40，可以对磁性座体11和支腿41的磁性件43的末端进行变型，以与所需钻孔的部件的表面相匹配。例如，所需钻孔的部件的表面为向上突出，磁性座体11和支腿41的磁性件的底面可以向内凹陷。在另一种可选择的实施方式中，磁性座体11和支腿41的磁性件43的末端还可以与所需钻孔的部件的表面附近形成点接触，以形成稳定的附着效果，更有利于适应于起伏程度不同的部件的表面。因此，在这种情况下，磁性件43的末端和/或所述磁性座体11的末端可以为球面体或倒圆锥体，例如如“▽”状，再如图图4和图5B所示的实施方式，支腿41下方的磁性件43的末端（或底面）设置成半球面状，在定位接触面十分不整的情况可以提高定位效果。

参见图3A和图3B，例如在采用本发明的机械手钻孔装置在料斗上进行钻孔，以测量料斗的角焊接位置的残余应力的实施方式中，对机械手钻孔装置的调节过程如下：

首先，在料斗上做出连接待测点A与料斗的角焊接交点（搅拌轴承座的直角点）的直线，并将磁力支座10的中心定位于该直线上；接着旋转滑轴12上的垂直滑块21，使得钻孔机构30的钻杆32的投影点也定位在该直线上，从而完成机械手钻孔装置在一个方向的直线定位。然后，通过调节位置调节机构20的连杆组23，使得钻杆32大致位于应变片的应变圆中点的上方，此后借助放大镜（未显示）观察钻杆32的位置，并通过水平滑块22与钻台31之间的相对滑动来对钻杆32在上述直线的位置进行微调。完成上述粗调和微调过程后，紧固支腿41、连杆组23上的所有螺栓以及第一锁紧器13和第二锁紧器35，最后安装钻头33实现精准有效并且稳定地实现的打孔工作。

以上结合附图详细描述了本发明的优选实施方式，但是，本发明并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的技术构思范围内，可以对本发明的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的保护范围。

另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。

Claims (13)

1.一种机械手钻孔装置，其特征在于，该机械手钻孔装置包括磁力支座（10）、位置调节机构（20）、钻孔机构（30）和支腿组（40），所述位置调节机构（20）安装在所述磁力支座（10）和所述钻孔机构（30）之间，以调节所述钻孔机构（30）的空间位置，所述支腿组（40）与所述钻孔机构（30）连接，用以支撑所述钻孔机构（30）。

2.根据权利要求1所述的机械手钻孔装置，其特征在于，所述钻孔机构（30）包括钻台（31）、钻杆（32）和钻头（33），所述钻台（31）上设置有通孔，所述钻杆（32）与该通孔连接，所述钻头（33）固定在所述钻杆（32）上。

3.根据权利要求2所述的机械手钻孔装置，其特征在于，所述磁力支座（10）包括磁性座体（11）和安装在该磁性座体（11）上的滑轴（12），所述位置调节机构（20）可转动地安装在所述滑轴（12）上，以调节所述钻孔机构（30）的角度。

4.根据权利要求3所述的机械手钻孔装置，其特征在于，所述位置调节机构（20）包括垂直滑块（21）、水平滑块（22）和连杆组（23），该连杆组（23）分别与所述垂直滑块（21）和所述水平滑块（22）铰接，所述垂直滑块（21）可滑动地安装在所述滑轴（12）上，所述水平滑块（22）可滑动地安装在所述钻台（31）上。

5.根据权利要求4所述的机械手钻孔装置，其特征在于，所述垂直滑块（21）上设置有第一锁紧器（13），该第一锁紧器（13）用于固定所述垂直滑块（21）。

6.根据权利要求4所述的机械手钻孔装置，其特征在于，所述钻台（31）上设置有第二锁紧器（35），该第二锁紧器（35）用于限制所述水平滑块（22）的滑动。

7.根据权利要求4至6中任一项所述的机械手钻孔装置，其特征在于，所述连杆组（23）包括第一连杆（231）、第二连杆（232）和连接耳板（233），所述第一连杆（231）的一端铰接在所述垂直滑块（21）上，所述第二连杆（232）的一端铰接在所述水平滑块（22）上，所述第一连杆（231）和所述第二连杆（232）分别与所述连接耳板（233）铰接。

8.根据权利要求7所述的机械手钻孔装置，其特征在于，所述支腿组（40）包括至少两个支腿（41）和连接件（42），该连接件（42）位于所述至少两个支腿（41）之间，用于调节所述至少两个所述支腿（41）之间的展开距离，所述钻台（31）与所述连接件（42）连接。

9.根据权利要求2所述的机械手钻孔装置，其特征在于，所述钻台（31）包括固定台（311）和相对于该固定台（311）可转动的转动台（312），所述固定台（311）与所述连接件（42）连接，所述转动台（312）上设置有所述通孔。

10.根据权利要求9所述的机械手钻孔装置，其特征在于，所述固定台（311）和所述转动台（312）中一者的端部设置有齿圈（311a），另一者的端部设置有齿轮（312a），该齿轮（312a）与所述齿圈（311a）以可相对转动且可锁紧的方式接合。

11.根据权利要求8所述的机械手钻孔装置，其特征在于，所述支腿（41）的下端固定有磁性件（43）。

12.根据权利要求11所述的机械手钻孔装置，其特征在于，所述支腿（41）球铰于所述磁性件（43）。

13.根据权利要求11或12所述的机械手钻孔装置，其特征在于，所述磁性件（43）的末端和/或所述磁性座体（11）的末端为球面体或倒圆锥体。

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