CN104175364B - 一种复合材料筒体端框自动钻孔装置 - Google Patents
一种复合材料筒体端框自动钻孔装置 Download PDFInfo
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Abstract
本发明提供一种复合材料筒体端框自动钻孔装置，其包括若干个放置在同一水平面上的转动托架，复合材料筒体放置在若干个转动托架上；在复合材料筒体两端分别连接前端框钻孔装置和后端框钻孔装置；所述的前端框钻孔装置和后端框钻孔装置结构一致，分别用于复合材料筒体的前端框打孔和后端框打孔。本发明装置实现了复合材料前后端框孔的自动化加工，其自动化水平高，加工效率高，大大提高了复合材料制孔的尺寸精度及位置精度，且缩短了加工周期。
Description
技术领域
[0001] 本发明属于复合材料领域，涉及了一种复合材料筒体端框自动钻孔装置及方法， 可适用于复合材料筒体直径在f 2~φ 2.5m，长度在3~IOm的端框轴向连接孔和径向连 接孔加工，这些孔直径在Φ IO~Φ 24之间，孔加工深度在1~IOOmm之间。
背景技术
[0002] 碳纤维复合材料及玻璃钢复合材料是典型的航天材料。加工过程中经产产生分层 等各种各样的缺陷，大大降低了材料的性能。有一种筒体结构的复合材料前后端框需加工 径向或轴向连接孔，根据筒体长度和筒体直径，孔径及孔深往往较大，数量多达几百个。
[0003] 现阶段，筒体端框孔加工，往往通过钻模定位，手电钻或摇臂钻利用钻模导向加工 复合材料筒体端框孔。手电钻加工一般只能用于直径小于Φ 12的孔加工，且轴向进给力不 稳定，在孔出口处经常产生分层及其他缺陷。摇臂钻加工为保证加工孔径垂直于轴线（径 向孔）或平行于轴线（轴向孔）需采用钻床固定，筒体旋转的方式进行。往往配合旋转托架 等工装联合使用。每个孔的加工均需与钻模孔对刀，每次对刀均需微调筒体的位置。对于 长度较长，直径较大的复合材料筒体旋转费时费力。而加工几百个端框孔，筒体就要旋转几 百次，对刀微调几百上千次。即使有旋转托架等工装辅助设备也大大降低了生产效率。采 用钻床制孔利用托架旋转筒体的方式，筒体一般不固定，在制孔时复合材料筒体容易发生 振动，不仅影响孔径圆度和孔的位置还会产生分层缺陷。此外利用钻模定位的方式，钻套容 易磨损，钻模一般通过刻线与筒体刻线重合的方式定位，本身定位就有偏差，在加上筒体的 多次旋转就更容易使钻模发生位移。
[0004] 在文献资料及专利检索中尚未发现成熟的复合材料筒体端框孔的自动钻孔装置 及方法，大连理工大学设计了一种大型复合材料筒的径向自动钻孔装置，授权公告号（CN 102205433 Β),描述了一种大型复合筒的径向钻孔部分及方法，但其依旧依靠钻模导向，手 动分度，虽然部分解决了对刀问题，加工效率也有所提高，但筒体振动问题依然存在，且加 工方式属于手动或半自动钻孔方式，只能用于端框径向孔的加工，不能用于轴向孔加工。再 加上钻模的固定其加工筒体径向孔的尺寸及位置也就固定了。通用程度很低。
[0005] 在减少复合材料钻孔缺陷方面，手电钻钻孔因轴向力不稳定和刀具转速较低，往 往在孔出口处采用加垫板顶紧的方式使分层直径小于或等于孔径，操作繁琐。用摇臂钻制 孔可采用先制小孔，逐渐将孔扩大至公称尺寸，但由于复合材料筒体振动无法避免，常常产 生各种各样的缺陷。
发明内容
[0006] 本发明的目的在于提出一种加工效率尚、有效提尚复合材料制孔的尺寸精度及位 置精度、且缩短加工周期的复合材料筒体端框径向孔和轴向孔的自动钻孔装置及方法。
[0007] 实现本发明目的的技术方案；一种复合材料筒体端框自动钻孔装置，其包括若干 个放置在同一水平面上的转动托架，复合材料筒体放置在若干个转动托架上；在复合材料 筒体两端分别连接前端框钻孔装置和后端框钻孔装置；所述的前端框钻孔装置和后端框钻 孔装置结构一致，分别用于复合材料筒体的前端框打孔和后端框打孔；
[0008] 所述的前端框钻孔装置和后端框钻孔装置结构一致、均固定分为上半部分和下半 部分；所述的下半部分包括固定在水平面上的固定平台，交流伺服电机一通过螺栓固定在 固定平台上，交流伺服电机一通过丝杠一将动力传递到移动平台上；为保证移动平台运动 的精确性固定平台上还安放有2跟直线导轨一用于给移动平台导向；所述的上半部分整体 固定在移动平台上，包括交流伺服电机二，交流伺服电机二的轴穿过刀架一端与装卡圆盘 连接；交流伺服电机二通过轴将动力传递到装卡圆盘上，刀架与移动平台固定，不与装卡圆 盘发生联动；径向打孔部分和轴向钻孔部分通过螺栓固定在刀架上，分别用于加工复合材 料筒体的径向孔和轴向孔。
[0009] 如上所述的一种复合材料筒体端框自动钻孔装置，其所述的径向打孔部分与轴向 打孔部分结构一致、均包括一个用于刀具旋转的电机和一个用于刀具移动的电机；用于刀 具旋转的电机位于用于刀具移动的电机的上方，激光传感器安装在用于刀具旋转的电机 上；用于刀具旋转的电机前端连接刀具，用于刀具移动的电机通过丝杠二将动力传递给用 于刀具旋转的电机，使用于刀具旋转的电机可沿直线导轨二前后移动。
[0010] 如上所述的一种复合材料筒体端框自动钻孔装置，其所述的控制系统安装在移动 平台上，控制系统包括人机交互触摸屏和数控系统；用于刀具旋转的电机和用于刀具移动 的电机均通过控制系统进行控制；通过径向打孔部分的激光传感器测量筒体与装卡圆盘的 径向偏差，通过轴向打孔部分的激光传感器测量筒体与装卡圆盘的轴向偏差，并将该数据 传递给控制系统。
[0011] 如上所述的一种复合材料筒体端框自动钻孔装置，其所述的转动托架通过地角螺 栓与地面固定，转动托架数量根据复合材料筒体的长度以及允许的扰度适当调整，最少为2 个。
[0012] 如上所述的一种复合材料筒体端框自动钻孔装置，其所述的每个转动托架的两端 安装有两个滚轮，每个滚轮分别通过连接板安装在直线滑轨上，每个滚轮附带独立的交流 伺服电机三，交流伺服电机三上附带丝杠和导轨，用于实现每个滚轮的独立的X方向运动， 从而使得复合材料筒体X、Z方向移动，且在XY平面内旋转；以复合材料筒体为坐标系，X轴 水平方向且垂直于筒体轴线的轴，Y轴为筒体轴线，Z轴为高度方向垂直于Y轴。
[0013] 如上所述的一种复合材料筒体端框自动钻孔装置，其激光传感器测量的数据经过 A/D转换和数据处理传递到转动托架的交流伺服电机三上，实现复合材料筒体结构的找正， 并再次用激光传感器测量，直到找正为止。
[0014] 如上所述的一种复合材料筒体端框自动钻孔装置，其所述的装卡圆盘带有涨圆顶 块一和涨圆顶块二，其分别通过螺栓一和螺栓二拧紧可使涨圆顶块一和涨圆顶块二向外顶 紧并涨圆复合材料筒体。
[0015] 本发明的有益效果是：本发明所述的一种复合材料端框孔自动钻孔装置及方法实 现了复合材料前后端框孔的自动化加工，其自动化水平高，加工效率高，大大提高了复合材 料制孔的尺寸精度及位置精度，且缩短了加工周期。通过涨圆顶块顶紧解决了大型复合材 料筒段结构打孔易振动的缺点，通过数控系统在打孔工艺中采用先用较大转速和较快的进 给速度在快到达孔出口处降低进给速度并适当调整转速的方式解决了复合材料打孔分层、 撕裂等问题。操作简单，通用程度较高可适用于不同尺寸的筒体加工，且即可应用于径向孔 的加工也可应用于轴向孔的加工。脱离了传统应用钻模对刀或手工划线打孔的方式，避免 了钻模对刀困难和划线误差等缺点。
附图说明
[0016] 图1是本发明所述的一种复合材料端框孔自动钻孔装置示意图；
[0017] 图2是后端框钻孔装置示意图；
[0018] 图3是装卡装置上半部分及径向和轴向打孔装置示意图；
[0019] 图4是轴向打孔装置示意图；
[0020] 图5是转动托架示意图；
[0021] 图6是装卡圆盘及顶块示意图；
[0022] 图中：1.复合材料筒体；2.前端框钻孔装置；3.后端框钻孔装置；4.转动托架； 5.固定平台；6.直线导轨一；7.交流伺服电机一；8.丝杜一；9.交流伺服电机二；10.移 动平台；11.控制系统；12.刀架；13.径向打孔部分；14.轴向钻孔部分；15.装卡圆盘； 16.刀具；17.用于刀具旋转的电机；18.激光传感器；19.用于刀具移动的电机；20.丝杠 二；21.直线导轨二；22.滚轮；23.电机；24.直线滑轨；25.螺栓一；26.螺栓二；27.涨圆 顶块一；28.涨圆顶块二。
具体实施方式
[0023] 下面结合附图和具体实施例对本发明所述的一种复合材料端框孔自动钻孔装置 作进一步详细说明。
[0024] 如图1所示，本发明所述的一种复合材料筒体端框自动钻孔装置，其包括若干个 放置在同一水平面上的转动托架4,复合材料筒体1放置在4个转动托架4上；在复合材料 筒体1两端分别连接前端框钻孔装置2和后端框钻孔装置3 ;所述的前端框钻孔装置2和 后端框钻孔装置3结构一致，分别用于复合材料筒体1的前端框打孔和后端框打孔。
[0025] 如图2和图3所示，所述的前端框钻孔装置2和后端框钻孔装置3结构一致、均固 定分为上半部分和下半部分；所述的下半部分包括固定在水平面上的固定平台5,交流伺 服电机一 7通过螺栓固定在固定平台5上，交流伺服电机一 7通过丝杠一 8将动力传递到 移动平台10上；为保证移动平台10运动的精确性固定平台5上还安放有2跟直线导轨一 6用于给移动平台10导向；所述的上半部分整体固定在移动平台10上，包括交流伺服电机 二9,交流伺服电机二9的轴穿过刀架12 -端与装卡圆盘15连接；交流伺服电机二9通过 轴将动力传递到装卡圆盘15上，刀架12与移动平台10固定，不与装卡圆盘发生联动；径向 打孔部分13和轴向钻孔部分14通过螺栓固定在刀架12上，分别用于加工复合材料筒体1 的径向孔和轴向孔。
[0026] 如图4所示，所述的径向打孔部分与轴向打孔部分结构一致、均包括一个用于刀 具旋转的电机17和一个用于刀具移动的电机19 ;用于刀具旋转的电机17位于用于刀具移 动的电机19的上方，激光传感器18安装在用于刀具旋转的电机17上；用于刀具旋转的电 机17前端连接刀具16,用于刀具移动的电机19通过丝杠二20将动力传递给用于刀具旋转 的电机17,使用于刀具旋转的电机17可沿直线导轨二21前后移动。
[0027] 如图2所示，所述的控制系统11安装在移动平台10上，控制系统11包括人机交 互触摸屏和数控系统；用于刀具旋转的电机17和用于刀具移动的电机19均通过控制系统 11进行控制；通过径向打孔部分的激光传感器测量筒体与装卡圆盘15的径向偏差，通过轴 向打孔部分的激光传感器测量筒体与装卡圆盘15的轴向偏差，并将该数据传递给控制系 统11。
[0028] 如图5所示，所述的每个转动托架4的两端安装有两个滚轮22,每个滚轮22分别 通过连接板安装在直线滑轨24上，每个滚轮22附带独立的交流伺服电机三23,交流伺服电 机三23上附带丝杠和导轨，用于实现每个滚轮的独立的X方向运动，从而使得复合材料筒 体X、Z方向移动，且在XY平面内旋转；以复合材料筒体为坐标系，X轴水平方向且垂直于筒 体轴线的轴，Y轴为筒体轴线，Z轴为高度方向垂直于Y轴。
[0029] 激光传感器18测量的数据经过A/D转换和数据处理传递到转动托架4的交流伺 服电机三23上，实现复合材料筒体结构的找正，并再次用激光传感器测量，直到找正为止。
[0030] 如图6所示，所述的装卡圆盘15带有涨圆顶块一 27和涨圆顶块二28,其分别通过 螺栓一 25和螺栓二26拧紧可使涨圆顶块一 27和涨圆顶块二28向外顶紧并涨圆复合材料 筒体1。
[0031] 采用上述复合材料筒体端框自动钻孔装置的具体实例如下：
[0032] (a)将直径为2. 8m，长度为IOm的碳纤维复合材料筒体吊放在转动托架4上。转 动托架4共使用4个。每个间距为3m。
[0033] (b)将两个直径为2. 6m的装卡圆盘15分别固定在前端框钻孔装置2上半部分的 交流伺服电机二轴顶端和后端框钻孔装置3上半部分的交流伺服电机二轴顶端。
[0034] (c)在控制系统11中控制前端框钻孔装置2和后端框钻孔装置3向复合材料筒体 方向移动，使2个装卡圆盘前进至复合材料筒体内径IOOmm处。
[0035] (d)先手动控制转动托架4上的交流伺服电机三23移动，进行手动找正，待目测已 基本找正后，将涨圆顶块一 27和涨圆顶块二28顶紧复合材料筒体；
[0036] (e)控制复合材料筒体旋转，并利用激光传感器测量复合材料筒体位置与理论找 正位置的偏差，松开涨圆顶块，若偏差较大，可在次执行步骤（d)，若偏差较小，进行自动找 正。
[0037] (f)找正后再次将涨圆顶块顶紧，使复合材料筒体固定；本实例中因复合材料筒 体结构尺寸较大，最终找正至径向跳动0. 3mm以内，轴向偏角在±3 ^以内即认为完全找 正。
[0038] (g)在控制系统中输入孔的尺寸信息，位置信息，及加工的工艺参数数据等。根据 复合材料加工经验，在孔出口处应设定较慢的进给速度以减小轴向力。检查所有准备工作 完毕，开始钻孔。若即有轴向孔又有径向孔，打孔规则为先制轴向孔，后制径向孔。前后端 框孔若能够同时加工可同时加工，若不能同时加工可分开加工。本实例为前端框轴向打孔 深度50mm，径向孔为通孔，轴向孔360°均布72个，径向孔360°均布48个。后端框孔与前 端框孔位置及尺寸一样。本实例终设定开始阶段转速为l〇〇〇r/min，打孔至距离出口处还有 5mm时，将转速调整为800r/min，同时降低进给速度。
[0039] 本实例打孔后经无损检测未发现碳纤维复合材料产生分层等缺陷，打孔过程中筒 体无振动情况。整个加工过程为2个小时。
Claims (7)
1. 一种复合材料筒体端框自动钻孔装置，其特征在于：该装置包括若干个放置在同一 水平面上的转动托架（4)，复合材料筒体（1)放置在若干个转动托架（4)上；在复合材料筒 体（1)两端分别连接前端框钻孔装置（2)和后端框钻孔装置（3);所述的前端框钻孔装置 (2)和后端框钻孔装置（3)结构一致，分别用于复合材料筒体⑴的前端框打孔和后端框打 孔； 所述的前端框钻孔装置（2)和后端框钻孔装置（3)结构一致、均固定分为上半部分和 下半部分；所述的下半部分包括固定在水平面上的固定平台（5)，交流伺服电机一（7)通过 螺栓固定在固定平台（5)上，交流伺服电机一（7)通过丝杠一（8)将动力传递到移动平台 (10)上；为保证移动平台（10)运动的精确性固定平台（5)上还安放有2跟直线导轨一（6) 用于给移动平台（10)导向；所述的上半部分整体固定在移动平台（10)上，包括交流伺服电 机二（9)，交流伺服电机二（9)的轴穿过刀架（12) -端与装卡圆盘（15)连接；交流伺服电 机二（9)通过轴将动力传递到装卡圆盘（15)上，刀架（12)与移动平台（10)固定，不与装 卡圆盘发生联动；径向打孔部分（13)和轴向钻孔部分（14)通过螺栓固定在刀架（12)上， 分别用于加工复合材料筒体（1)的径向孔和轴向孔。
2. 根据权利要求1所述的一种复合材料筒体端框自动钻孔装置，其特征在于：所述的 径向打孔部分与轴向打孔部分结构一致、均包括一个用于刀具旋转的电机（17)和一个用 于刀具移动的电机（19);用于刀具旋转的电机（17)位于用于刀具移动的电机（19)的上 方，激光传感器（18)安装在用于刀具旋转的电机（17)上；用于刀具旋转的电机（17)前端 连接刀具（16)，用于刀具移动的电机（19)通过丝杠二（20)将动力传递给用于刀具旋转的 电机（17)，使用于刀具旋转的电机（17)可沿直线导轨二（21)前后移动。
3. 根据权利要求2所述的一种复合材料筒体端框自动钻孔装置，其特征在于：该装置 还包括控制系统（11)，控制系统（11)安装在移动平台（10)上，控制系统（11)包括人机交 互触摸屏和数控系统；用于刀具旋转的电机（17)和用于刀具移动的电机（19)均通过控制 系统（11)进行控制；通过径向打孔部分的激光传感器测量筒体与装卡圆盘（15)的径向偏 差，通过轴向打孔部分的激光传感器测量筒体与装卡圆盘（15)的轴向偏差，并将径向偏差 和轴向偏差数据传递给控制系统（11)。
4. 根据权利要求2所述的一种复合材料筒体端框自动钻孔装置，其特征在于：所述的 转动托架（4)通过地角螺栓与地面固定，转动托架（4)数量根据复合材料筒体（1)的长度 以及允许的扰度适当调整，最少为2个。
5. 根据权利要求4所述的一种复合材料筒体端框自动钻孔装置，其特征在于：每个转 动托架（4)的两端安装有两个滚轮（22)，每个滚轮（22)分别通过连接板安装在直线滑轨 (24)上，每个滚轮（22)附带独立的交流伺服电机三（23)，交流伺服电机三（23)上附带丝 杠和导轨，用于实现每个滚轮的独立的X方向运动，从而使得复合材料筒体X、Z方向移动， 且在XY平面内旋转；以复合材料筒体为坐标系，X轴水平方向且垂直于筒体轴线的轴，Y轴 为筒体轴线，Z轴为高度方向垂直于Y轴。
6. 根据权利要求5所述的一种复合材料筒体端框自动钻孔装置，其特征在于：激光传 感器（18)测量的数据经过A/D转换和数据处理传递到转动托架（4)的交流伺服电机三 (23)上，实现复合材料筒体结构的找正，并再次用激光传感器测量，直到找正为止。
7. 根据权利要求1所述的一种复合材料筒体端框自动钻孔装置，其特征在于：所述的
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