CN105033768B - 一种螺旋铣孔装置的偏心量检测与控制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种螺旋铣孔装置的偏心量检测与控制方法，属于螺旋铣孔加工技术领域。本发明包括以下步骤：安装激光检测装置，形成检测区域；启动螺旋铣孔装置，使刀具的切削刃部分位于检测区域内；刀具自转，检测刀具实际直径d；根据刀具的实际直径d和待加工孔的名义直径D确定理论偏心量，同时根据待加工孔的公差带设定允许的最大偏心误差；将螺旋铣孔装置的偏心量值调整为理论偏心量e0；刀具公转，检测实际偏心量e；将检测到的实际偏心量e与理论偏心量e0比较，合格则进行螺旋铣孔加工；不合格则进行调节，直至合格。本发明排除了刀具尺寸误差对加工孔径的影响，提高了加工孔的加工精度，降低废品率，提高经济效益和生产效率。
Description
技术领域
本发明涉及螺旋铣孔加工技术领域，具体涉及一种螺旋铣孔装置的偏心量检测与控制方法。
背景技术
螺旋铣孔是航空制造业出现的新技术，指采用特制立铣刀，刀具自身高速旋转的同时绕被加工孔轴线公转，并在加工孔轴线方向进给，最终在工件上铣削出一个直径大于刀具自身的圆孔的加工方式，因刀具进给轨迹呈螺旋线状，得名螺旋铣孔。因为在复合材料、钛合金等新型材料的制孔中表现出很多优于传统钻孔的特点，螺旋铣孔被应用到飞行器装配中，替代传统钻孔来加工一些高质量要求的螺栓孔和铆钉孔，且应用范围呈现不断扩大的趋势。
将螺旋铣孔技术应用于飞行器装配制孔，关键在于开发专用的螺旋铣孔装置替代传统钻孔设备，并做为末端执行器安装于机械手或多轴机床端部，构成新型自动柔性制孔系统。
螺旋铣孔装置的设计难点在于保证偏心量的调整精度。区别于传统钻孔，螺旋铣孔的加工孔径不仅取决于刀具直径，还与刀具偏心量直接相关，螺旋铣孔加工孔径等于刀具直径加上偏心量的二倍。因此如果刀具制造误差较大或者偏心量控制不准确，将直接导致加工孔径不合格。为了加工出尺寸合格的孔，螺旋铣孔装置应该根据刀具的实际尺寸和设定的加工孔径来确定偏心量的理论值，并通过偏心调节机构将偏心量调整到与理论值的误差足够小，以保证实际加工孔径尺寸合格。
现已公开的螺旋铣孔装置专利有很多，如中国专利CN200910068518公开的螺旋铣孔方法及其装置，中国专利CN201010138419公开的螺旋铣孔装置及方法，中国专利CN201310105521公开的一种便携式螺旋铣孔装置及加工方法，中国专利CN200910306026公开的自动螺旋铣孔装置，中国专利CN201210208170公开的自动螺旋铣孔装置，中国专利CN201210300281公开的一种自动化螺旋铣孔装置及其方法等。其共同缺点在于没有提供任何方法来对刀具实际尺寸和偏心量的实际输出值进行准确测量。
刀具制造本身存在一定误差，同时加工过程中由于磨损也会使实际尺寸发生变化，不能检测刀具实际尺寸，就只能按照刀具理论尺寸去计算偏心量，从而将刀具误差引入到加工中，影响最终的制孔精度。但是由于刀具需要加工出切削刃和排屑槽，使得自身形状不规则，直径的测量在实际工程中具有一定难度；不能检测偏心量的实际值，将进一步影响加工精度。现已公开螺旋铣孔装置的偏心调节原理可分为两类：一类采用双偏心套筒原理，通过改变内外偏心套筒相对转角实现偏心量调整；一类将主轴通过垂直轴线的直线运动装置布置在公转机构上，通过直线运动装置调整偏心量。无论哪种机构，调整偏心量时，都是通过控制电机旋转，并经过带轮、齿轮、蜗轮蜗杆、丝杠等一级或多级传动副驱动偏心调整机构改变偏心量。虽然电机的转角可以通过电机自身编码器准确控制，但传动机构的引入和零部件的弹性变形、制造误差等，都会使得偏心量的实际输出值与理论输出值产生一定的偏差。由于不能检测偏心量的实际输出值并反馈给控制机构进行误差补偿，从而无法实现偏心量的闭环控制，导致偏心量调整精度难以保证。
发明内容
本发明针对以上问题的提出，而研究设计一种螺旋铣孔装置的偏心量检测与控制方法，针对现有技术不能检测偏心量的实际值而难以保证精度的缺点。本发明采用的技术手段如下：
一种螺旋铣孔装置的偏心量检测与控制方法，包括以下步骤：
a.安装激光检测装置，形成检测区域；
b.启动螺旋铣孔装置，使刀具的切削刃部分位于检测区域内；
c.刀具自转，检测刀具实际直径d；
d.根据刀具的实际直径d和待加工孔的名义直径D确定理论偏心量e0＝(D－d)/2，同时根据待加工孔的公差带设定偏心量允许的公差，其中上偏差为δ1，下偏差为δ2；
e.将螺旋铣孔装置的偏心量值调整为理论偏心量e0；
f.刀具公转，检测实际偏心量e；
g.将检测到的实际偏心量e与理论偏心量e0比较，当δ2≤e－e0≤δ1时，进行螺旋铣孔加工；当e－e0＞δ1或e－e0＜δ2时，再次对螺旋铣孔装置的偏心量进行调节，重复步骤f和步骤g，直至δ2≤e－e0≤δ1。
进一步地，所述激光检测装置包括相向设置的激光发射极和激光接收极，激光发射极和激光接收极之间为检测区域。
进一步地，检测过程中，检测区域激光的方向与刀具垂直。
进一步地，步骤c的检测方法为：刀具自转状态下，检测刀具切削刃部分的上边缘与检测区域上边缘的垂直距离H1及刀具切削刃部分的下边缘与检测区域上边缘的垂直距离H2，选取H1的最小值H1min和H2的最大值H2max，则d＝H2max－H1min。
进一步地，步骤f的检测方法为：刀具公转状态下，检测刀具上边缘与检测区域上边缘的垂直距离H3及刀具下边缘与检测区域上边缘的垂直距离H4，选取H3的最小值H3min和最大值H3max以及H4的最小值H4min和最大值H4max，则实际偏心量e＝(H3max－H3min)/2＝(H4max－H4min)/2。
进一步地，步骤f的检测过程中，刀具只公转不自转。
与现有技术比较，本发明所述的一种螺旋铣孔装置的偏心量检测与控制方法具有以下有益效果：
1、由于本发明采用激光检测装置对刀具直径进行检测，排除了刀具尺寸误差对加工孔径的影响，提高了加工孔的加工精度。
2、由于本发明采用激光检测装置检测刀具实际尺寸，并据此确定偏心量来保证加工精度，因此对刀具自身尺寸的加工精度要求降低，节约了刀具制造成本。
3、由于本发明采用激光检测装置实现了螺旋铣孔装置偏心量的在线检测，填补了现有螺旋铣孔装置无偏心检测功能的空白，进一步的提高螺旋铣孔加工精度，降低废品率，提高经济效益。
4、由于本发明将刀具直径和偏心量的实际值直接反馈给螺旋铣孔装置控制系统进行闭环控制，自动化程度高，提高生产效率。
附图说明
图1是本发明实施例所述的激光检测装置与螺旋铣孔装置安装示意图。
图2是本发明所述的螺旋铣孔装置的偏心量检测与控制方法流程图。
图3是本发明所述的刀具实际直径检测示意图。
图4是本发明所述的实际偏心量检测示意图。
其中，1、螺旋铣孔装置，2、刀具，3、激光发射极，4、激光接收极，5、支架，6、底座，7、检测区域，8、激光检测装置。
具体实施方式
一种螺旋铣孔装置的偏心量检测与控制方法，适用于现有的或未来研制的各型螺旋铣孔装置，因为其虽然实现方法各异，但最终运动形式都是完全相同的，都包含自转、公转、轴向进给三个运动。本发明所提到的方向用语，例如「上」、「下」、「前」、「后」、「左」、「右」等，仅是参考附加图式的方向。因此，使用的方向用语是用来说明，而非用来限制本发明。
本发明采用激光检测的方式，如图1所示，激光检测装置8包括激光发射极3及激光接收极4，两极之间为检测区域7，激光发射极3发射具有一定宽度的光带照射激光接收极4，当有物体处于检测区域7时，由于遮光作用，使得接收极4的接收光有所不同，可以测出在垂直于光带方向此物体上边缘及下边缘与检测区域7上边缘的垂直距离H1及H2。该激光检测装置8可以自行研制或购买现有设备，如欧姆龙公司生产的ZX-GT系列传感器，米铱公司生产的optoCONTROL系列传感器等。该类激光检测装置具有足够高的检测精度，如米铱公司生产的optoCONTROL 2600型激光检测装置，测量精度0.003毫米，从而可以保证偏心量的调整精度远高于飞行器装配制孔的精度要求。
现有的激光检测装置虽然可直接检测遮光物体在光带宽度方向上的尺寸，但是由于切削刃和排屑槽的存在刀具不再是完整圆柱体，当刀具在检测区域摆放位置不同时，遮光宽度并不等于刀具直径，不能直接用于刀具直径的检测。现有的激光检测装置也不能直接检测出本发明中提到的偏心量。如图2所示，本实施例所述的螺旋铣孔装置的偏心量检测与控制方法，包括以下步骤：
a.将激光检测装置8安装在螺旋铣孔装置1的前方的两侧，形成检测区域7；
b.启动螺旋铣孔装置1的轴向进给装置，使刀具2的切削刃部分位于检测区域7内。
c.刀具2自转，检测刀具2实际直径d，刀具2自转状态下，检测刀具2切削刃部分的上边缘与检测区域7上边缘的垂直距离H1及刀具切削刃部分的下边缘与检测区域7上边缘的垂直距离H2，如图3所示，考虑到刀具2刀刃的影响，静止状态不能直接测量出刀具2的直径，因此使刀具2低速自转，但不公转，此时分别选取H1的最小值H1min及H2的最大值H2max，则通过数学计算可得：d＝H2max-H1min。
d.根据刀具2的实际直径d和待加工孔的名义直径D确定理论偏心量e0＝(D－d)/2，同时根据待加工孔的公差带设定偏心量允许的最大误差，其中上偏差为δ1，下偏差为δ2。为保证加工精度，δ1至少应不大于加工孔径上偏差的二分之一，δ2至少应不小于加工孔径下偏差的二分之一。
e.将螺旋铣孔装置1的偏心量值调整为理论偏心量e0。
f.刀具2公转一周，检测实际偏心量e。
检测过程中，理论上刀具2可以自转也可以不自转，但由于刀刃及排屑槽的影响，刀具2不是一个完整的圆柱体，且刀具2自转时转速较高，在偏心量检测时使刀具2的自转可能对检测结果有影响，因此在偏心检测时刀具2只公转不自转。
如图4所示，刀具2公转状态下，检测刀具2上边缘与检测区域7上边缘的垂直距离H3及刀具2下边缘与检测区域7上边缘的垂直距离H4，选取H3的最小值H3min和最大值H3max以及H4的最小值H4min和最大值H4max，则实际偏心量e＝(H3max－H3min)/2＝(H4max－H4min)/2。为了保证测量的准确可靠，检测偏心量时，刀具2应不自转而只随着公转做平移运动。为了保证测量的准确可靠，检测偏心量时，也可通过移动螺旋铣孔装置1，使刀具2切削刃部分离开激光检测装置检测区域7，而使刀具2具有完整圆柱面的部分落在检测区域7内。
g.将检测到的实际偏心量e与理论偏心量e0比较，当δ2≤e－e0≤δ1时，进行螺旋铣孔加工；当e－e0＞δ1或e－e0＜δ2时，再次对螺旋铣孔装置的偏心量进行调节，重复步骤f和步骤g，直至δ2≤e－e0≤δ1。
实际操作中，当e－e0＞δ1时，应适当调小偏心量；e－e0＜δ2时，应适当调大偏心量。
实际操作过程中，可以以检测区域7的上边缘为基准，也可以以检测区域7的下边缘或其他参考线为基准进行计算，原理相同，不局限于以上边缘为基准。
如果激光检测装置8采样频率足够高，高于刀具2自转频率，也可以不单独检测刀具2直径，一次性测量出刀具2直径和偏心量二倍的和，从而确定加工孔孔径。具体方法是：启动螺旋铣孔装置1的轴向进给装置，使刀具2的切削刃部分位于检测区域7内；刀具2自转并公转，检测出H1或H2的最大及最小值；加工孔径的计算方法为D＝d+2e＝H2max－H1min；判断加工孔径是否符合要求，如符合要求即可进行加工，不符合要求做进一步调整。
激光检测装置8可以通过支架5固定在螺旋铣孔装置1的底座6上，随螺旋铣孔装置1一起移动；激光检测装置8可以始终安装在螺旋铣孔装置1上，也可以只在测量时安装，测量之后即卸下；激光检测装置8也可以通过支架5固定在地面上，需要检测刀具直径和偏心量时，通过机械手等设备移动螺旋铣孔装置1使刀具落在激光测量装置检测区域7内，调整好偏心量之后再将螺旋铣孔装置1移走进行加工。
若激光检测装置8通过支架5固定在底座6上，还可以用于检测刀具2轴向位置。刀具2安装到螺旋铣孔装置1上时，由于刀具2自身长度的误差和安装误差，使得每次安装下刀具2伸出长度都不完全一致。通过螺旋铣孔装置1的进给装置使刀具2进入或退出激光检测装置检测区域7，刀具2进入或退出的瞬间记录下螺旋铣孔装置1进给装置的位置，以此来确定刀具2的轴向位置。
激光检测装置8将检测信号以模拟量或数字量形式传输给螺旋铣孔装置1的控制系统，实现偏心量调整的完全自动化。
对于采用手动方式进行偏心量调整的螺旋铣孔装置1，该发明也可进行刀具直径和偏心量的检测，将检测结果通过激光测量装置8自带控制器上的显示屏直接显示出来，供操作人员进行判断。
实施例一
如图1所示，激光检测装置8包括发射极3及接收极4，发射极3及接收极4通过支架5与自动螺旋铣孔装置1的底座6连接，该自动螺旋铣孔装置可以实现刀具自转、刀具公转、轴向进给及自动调偏心功能。加工孔名义直径D＝10mm，公差范围为0～+0.05mm，刀具名义直径d0＝6mm。具体步骤如下：
a.将激光检测装置8通过支架5安装在螺旋铣孔装置1的前方的两侧，形成检测区域7，使检测区域7内的激光方向垂直于刀具2；
b.启动螺旋铣孔装置1的进给装置，使刀具2的切削刃部分位于检测区域7内；
c.刀具2自转，检测刀具实际直径d；
d.根据刀具2的实际直径d和待加工孔的名义直径D确定理论偏心量e0＝(D－d)/2，同时根据待加工孔的公差带设定偏心量允许的上偏差δ1为0.025mm，下偏差δ2为0；
e.将螺旋铣孔装置1的偏心量值调整为理论偏心量e0；
f.刀具2公转一周，检测实际偏心量e；
g.将检测到的实际偏心量e与理论偏心量e0比较，当0≤e－e0≤0.025时，进行螺旋铣孔加工；当e－e0＞0.025或e－e0＜0时，再次对螺旋铣孔装置的偏心量进行调节，重复步骤f和步骤g，直至0≤e－e0≤0.025，进行螺旋铣孔加工。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，根据本发明的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (3)
1.一种螺旋铣孔装置的偏心量检测与控制方法，其特征在于：包括以下步骤：
a.安装激光检测装置，形成检测区域，所述激光检测装置包括相向设置的激光发射极和激光接收极，激光发射极和激光接收极之间为检测区域；
b.启动螺旋铣孔装置，使刀具的切削刃部分位于检测区域内；
c.刀具自转，检测刀具实际直径d，检测方法为：刀具自转状态下，检测刀具切削刃部分的上边缘与检测区域上边缘的垂直距离H1及刀具切削刃部分的下边缘与检测区域上边缘的垂直距离H2，选取H1的最小值H1min和H2的最大值H2max，则d＝H2max－H1min；
d.根据刀具的实际直径d和待加工孔的名义直径D确定理论偏心量e0＝(D－d)/2，同时根据待加工孔的公差带设定偏心量允许的最大误差，其中上偏差为δ1，下偏差为δ2；
e.将螺旋铣孔装置的偏心量值调整为理论偏心量e0；
f.刀具公转，检测实际偏心量e，检测方法为：刀具公转状态下，检测刀具上边缘与检测区域上边缘的垂直距离H3及刀具下边缘与检测区域上边缘的垂直距离H4，选取H3的最小值H3min和最大值H3max以及H4的最小值H4min和最大值H4max，则实际偏心量e＝(H3max－H3min)/2＝(H4max－H4min)/2；
g.将检测到的实际偏心量e与理论偏心量e0比较，当δ2≤e－e0≤δ1时，进行螺旋铣孔加工；当e－e0＞δ1或e－e0＜δ2时，再次对螺旋铣孔装置的偏心量进行调节，重复步骤f和步骤g，直至δ2≤e－e0≤δ1。
2.根据权利要求1所述的螺旋铣孔装置的偏心量检测与控制方法，其特征在于：检测过程中，检测区域激光的方向与刀具垂直。
3.根据权利要求1所述的螺旋铣孔装置的偏心量检测与控制方法，其特征在于：检测过程中，刀具只公转不自转。
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