CN107214775B - 一种木质工程材点阵夹芯结构制备的自动定位、钻孔装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种木质工程材点阵夹芯结构制备的自动定位、钻孔装置，属于木质工程材料加工领域，包括铝型材主体框架、自动定位系统、自动钻孔系统。加工面板置于自动定位系统的加工平台上，在伺服电机的驱动下，自动定位系统可沿水平X轴、Y轴方向移动加工平台，并可水平旋转加工平台，实现最大1平方米加工面板上任意位置的定位，自动钻孔系统可实现在加工面板上任意位置钻孔，且钻孔速度可调。本发明装置使面板上钻孔位置的高精度定位、旋转与自动打孔有机结合在一起，提高了木质工程材点阵夹芯结构制备的精度与点阵夹芯结构的力学性能，实现了木质工程材点阵夹芯结构制备加工自动化。

Description

一种木质工程材点阵夹芯结构制备的自动定位、钻孔装置

技术领域

本发明装置属于木质工程材料加工领域，更具体地说，涉及一种木质工程材点阵夹芯结构制备的自动定位、钻孔装置。

背景技术

1木质点阵夹芯结构

木材具有较高的强重比、突出的隔热吸音、自然美观的纹理等优点，是人们生活中广泛使用的建筑和室内装饰材料。点阵夹芯结构主要通过上、下面板和面板间有序周期性排列的杆件组成，与常用的其它轻质材料相比，具有比强度和比刚度更高等优点。将点阵夹芯结构应用于木质工程材料的设计中，可以大大改善传统木质工程材的结构与性能的不足，广泛应用于木建筑、家具、运动场馆等行业，具有重要的生态效益、经济效益和社会效益。

2木质点阵夹芯结构制备过程的难点

木质材料的点阵夹芯结构制备采用插入-胶合法，即对上、下面板进行钻孔后，将芯子粘胶并插入上、下面板中，实现点阵结构的制备。精准的定位与钻孔质量是决定木质点阵夹芯结构力学性能的关键。由于木质面板的强度较弱，受力易变形，要求钻头进给速度可调。进钻过程中，初始阶段要求慢速进钻，防止钻头偏移，钻孔过程中，要求进给速度与电钻的功率相适应，使电钻输出功率全部用于木材切削钻孔。如果进给速度过高，会使面板受力过大，损伤钻孔，如果速度过低，会使钻头摩擦生热，使孔碳化。并且，退钻时，需要加快退钻速度，从而减少面板与钻孔摩擦。

目前有两种钻孔制备方式，一种方式是利用台钻进行手工钻孔，另一种是采用数控机床进行钻孔。台钻手工钻孔的制作方法是根据面板大小、芯子直径、芯子角度等参数，在面板上手工标记钻孔位置，然后使用台钻对上、下面板的标记处进行钻孔。手动钻孔存在以下缺陷：手工标记钻孔位置会造成人为误差，加大芯子安装难度，使数学分析模型与实际结构偏差较大，从而影响力学性能分析结果。并且，手动钻孔时，钻头的进给速度不均匀，易造成面板的顺纹劈裂，影响结构力学性能。数控机床钻孔时，虽然可以高精度进行定位，但一般数控机床加工台面较小，钻头角度控制不灵活，对于金字塔点阵结构，要求在上、下面板上钻四个方向的斜孔，且要求钻头进给速度可调，数控机床不适合金字塔等倾斜支撑三维点阵夹芯结构的制备。

综上所述，采用手动方式或数控机床制备金字塔等三维点阵夹层结构时，会造成钻孔位置偏差、钻孔内部损坏、钻头角度控制不灵活等缺陷，从而影响木质金字塔点阵夹芯结构的力学性能，使实验结果与理论分析产生人为偏差，钻孔效率低，为解决这些问题，根据木质材料的特点，设计此自动定位、钻孔装置。

发明内容

1.本发明要解决的技术问题

本发明为解决上述存在的技术问题，设计一种木质工程材点阵夹芯结构制备的自动定位、钻孔装置。本发明根据直线运动模组高精度定位特性，特制直线运动模组，用于钻孔位置的定位。采用两套直线模组相互垂直放置，组成“十字”滑台，实现在最大1平方米的面板范围内，钻孔位置的精确定位，定位精度可达到0.01mm。

为实现金字塔等倾斜支撑三维点阵夹芯结构不同方向的钻孔需要，将加工面板放置于电动转台上，采用伺服电机控制电动转台，电动转台采用涡轮与蜗杆驱动模式，使面板旋转，改变钻孔方向，转台角度范围可达360°，实现任意角度定位，绝对定位精度可达到0.01°。

为保证钻孔内部质量，将钻孔设备固定在直线模组上，采用伺服电机控制直线模组的运动，进而控制电钻进给速度，保证电钻进给精度。

由于钻头与面板有一定倾斜角度，容易发生钻头滑移，从而降低了定位精度。为解决这个问题，钻孔时，根据钻头高度，先快速定位至面板表面，然后慢速进给一定距离，使钻头嵌入面板内，再切换到设定的进给速度钻孔。钻孔完成后，钻头快速回退至初始位置，从而提高钻孔效率。

本装置使面板上钻孔位置的高精度定位、旋转与自动打孔有机结合在一起，提高了木质工程材点阵夹芯结构制备的精度与点阵夹芯结构的力学性能。

2.技术方案

本发明装置包括铝型材主体框架、自动定位系统、自动钻孔系统。加工面板置于自动定位系统的加工平台上，所述自动定位系统可沿水平X轴、Y轴方向移动加工平台，并可水平旋转加工平台，实现加工面板上任意位置的定位，所述自动钻孔系统可实现在加工面板上任意位置钻孔。

所述铝型材主体框架包括自动定位系统支撑架、电钻进给装置支撑架，自动定位系统支撑架用于支撑自动定位系统各部分，电钻进给装置支撑架用于固定、安装自动钻孔系统。

所述自动定位系统由X轴运动直线模组，X轴运动滑块导轨、X轴驱动伺服电机、Y轴运动直线模组、Y轴运动滑块导轨、Y轴驱动伺服电机、电动转台、加工平台构成。二条X轴运动滑块导轨平行放置于一条X轴直线模组两侧，并通过螺栓及铝型材专用连接件与自动定位系统支撑架连接、固定，X轴滑块导轨和X轴直线模组高度相同，实现加工平台的水平X轴方向运动。二条Y轴运动滑块导轨平行放置于一条Y轴直线模组两侧，并通过滑块及铝型材专用连接件与X轴模组及滑块导轨连接、固定，Y轴滑块导轨和Y轴直线模组高度相同，实现加工平台的水平Y轴方向运动。电动转台通过铝型材专用连接件固定在Y轴滑块导轨和Y轴直线模组上，加工平台通过螺栓固定在电动转台上，通过电动转台转动，实现加工平台的水平360度任意旋转，绝对定位精度可达到0.01°。

所述X轴运动直线模组、Y轴运动直线模组、电动转台的动作均通过伺服电机控制，本装置采用的直线模组定位精度能达到0.01mm。

所述X轴运动直线模组、Y轴运动直线模组的两侧均设有接近开关，用于限定直线模组的运动界限，保护系统安全。

所述自动钻孔系统包括电钻、电钻进给直线模组、电钻进给接近开关，进给伺服电机。电钻通过螺栓固定在直线模组上，进给伺服电机驱动直线模组运动，实现电钻的钻孔进给与后退。电钻的运动位移精度可达到0.01mm，电钻运行速度可变，保证钻孔的内部质量。

所述电钻功率为280W，转速为3600转/分，钻头刚接触面板时，要求进给速度为0.7mm/s，进给距离3mm，使钻头嵌入面板，接着改变进给速度为2.5mm/s进行钻孔，进钻结束后，以12mm/s进行退钻。

所述电钻进给直线模组的两侧均设有接近开关，用于限定电钻的进给距离，保障安全。

由于金字塔型三维点阵结构每个单元的正交对称性，所述自动定位系统的加工平台与钻头支架横梁成45°角放置，使钻头进给方向在加工平台的投影与X轴运动直线模组运动方向平行，使定位过程中二轴运动变为一轴运动，起到消元作用，减化定位控制程序，提高定位精度。

3.本发明装置的有益效果

采用本发明提供的技术方案，与已有的公知技术相比，具有如下显著效果：

(1)本发明适用于各种结构、各种角度点阵夹芯结构上、下面板的制备工艺，实现钻孔位置的自动定位并钻孔，定位精度能达到0.01mm。

(2)本发明装置通过设置自动钻孔时钻头的不同进给速度，避免了钻斜孔时钻头的滑移，提高钻孔定位精度，缩短了钻孔时间，提高了钻孔效率。

(3)本发明装置保证了钻孔时进钻角度和退钻角度的严格一致，避免了钻孔内部的损坏，保证了钻孔精度。

本发明装置除用于木质工程材点阵夹芯结构制备，也可以将自动打孔电钻改为其它工具，进行其它自动定位操作，便于推广应用。

附图说明

图1—本发明装置主视图

图2—本发明装置俯视图

图3—本发明装置侧视图

图4—本发明装置控制系统结构框图

图5—本发明装置PLC电气控制图

示意图中的标号说明：

1、主体框架：11、加工平台支撑架；12、电钻进给装置支撑架；2、自动定位系统：21、X轴运动直线模组；211、X轴运动接近开关；22、X轴运动滑块导轨；23、X轴伺服电机；24、Y轴运动直线模组；241、Y轴运动接近开关；25、Y轴运动滑块导轨；26、Y轴伺服电机；27、电动转台；271、转台伺服电机；28、加工平台；3、自动钻孔系统：31、电钻进给直线模组；311、电钻进给接近开关；32、进给伺服电机；33、电钻。

具体实施方式

为进一步了解本发明的内容,结合附图和实施例对本发明作详细描述。

实施例1

结合图1、图2、图3，本实施例的一种木质工程材点阵夹芯结构制备装置包括铝型材主体框架、自动定位系统、自动钻孔系统。

所述的主体框架包括加工平台支撑架11和电钻进给装置支撑架12，加工平台支撑架11用于支撑并固定X轴运动直线模组21、X轴运动滑块导轨22；电钻进给装置支撑架12用于支撑并固定电钻进给直线模组31、进给伺服电机32。

所述的自动定位系统包括：X轴运动直线模组21、X轴运动接近开关211、X轴运动滑块导轨22、X轴伺服电机23；Y轴运动直线模组24、Y轴运动接近开关241、Y轴运动滑块导轨25、Y轴伺服电机26、电动转台27、转台伺服电机271、加工平台28。

通过X轴伺服电机23控制Y轴运动直线模组24、Y轴运动滑块导轨25、Y轴伺服电机26在X轴方向上运动；Y轴运动直线模组24和Y轴运动滑块导轨25用于支撑并固定电动转台27；通过Y轴伺服电机26控制电动转台27在Y轴方向上运动；电动转台27用于支撑并固定加工平台28；通过电动转台27实现加工平台28的360度旋转；加工平台28用于支撑并固定被加工的木板。X轴运动接近开关211和Y轴运动接近开关241分别固定在X轴运动直线模组21和Y轴运动直线模组24上，用于限制模组行进范围，保障系统运行安全。

所述的自动钻孔系统包括：电钻进给直线模组31、电钻进给接近开关311、进给伺服电机32、电钻33。电钻进给直线模组31用于支撑并固定进给伺服电机32，进给伺服电机32控制电钻进给直线模组31前进和后退，带动电钻33的前进和后退，实行钻孔操作。通过软件编程实现电钻进给直线模组31运行速度可变。电钻功率为280W，转速为3600转/分，钻头刚接触面板时，要求进给速度为0.7mm/s，进给距离3mm，使钻头嵌入面板，接着改变进给速度为2.5mm/s进行钻孔，钻孔完成后，以12mm/s进行退钻，从而提高钻孔效率。

所述电钻进给接近开关311固定在电钻进给直线模组31上，用于电钻进给过程中，限制电钻移动范围，保障系统运行安全。

通过手动调节电钻进给运动直线模组31与加工平台28平面的角度，可控制钻孔的角度。

实施例2

本实施例的控制系统框图和PLC电气控制图如图4、图5所示，用户通过上位计算机软件监控系统，将钻孔参数的信息设置给PLC控制器，并实时监视钻孔状态，PLC控制器通过各种伺服驱动器控制各种伺服电机的启停、正反转、转速及转数，实现加工面板的自动定位及自动钻孔。其进行自动定位和钻孔的过程为：

步骤一、将待加工木板固定在加工平台28上，要求待加工木板中心与加工平台28中心重合。

步骤二、手动调节电钻进给直线模组31与加工平台28平面的角度，角度范围为：20～90°。

步骤三、调节加工平台28位置，将电钻33的钻头中心与加工平台28中心重合。

步骤四、以金字塔型点阵结构为例，每个单元需要在面板上钻4个不同方向的孔。X轴伺服电机23、Y轴伺服电机26控制加工平台沿水平X轴、Y轴运动，进行第一个单元第一个孔位置的定位，进给伺服电机32控制电钻进给直线模组31前进和后退，电钻33进行钻孔。

步骤五、重复步骤四，进行其它单元第一个孔的钻孔操作，全部打完后，加工平台28回到原位置，保证钻头中心与加工平台28中心重合。

步骤六、转台伺服电机控制电动转台旋转，使加工平台28旋转90°；

步骤七、重复步骤四、五、六，完成第二、三、四个孔的钻孔操作。所有单元的孔全部钻完后，系统停止运行。

本实施例用于各种形式、各种角度点阵夹芯结构上、下面板的制备，实现钻孔位置自动定位，并自动钻孔，对于制备多单元点阵夹层结构而言，具有定位准确，操作简便、效率高等优点。

Claims (3)

1.一种木质工程材点阵夹芯结构的自动定位、钻孔装置，其特征在于：该装置包括铝型材主体框架、自动定位系统、自动钻孔系统；铝型材主体框架包括自动定位系统支撑架、电钻进给装置支撑架，自动定位系统支撑架用于支撑自动定位系统各部分，电钻进给装置支撑架用于固定、安装自动钻孔系统；自动定位系统由X轴运动直线模组、X轴运动滑块导轨、X轴驱动伺服电机、Y轴运动直线模组、Y轴运动滑块导轨、Y轴驱动伺服电机、电动转台、加工平台构成；二条X轴运动滑块导轨平行放置于一条X轴直线模组两侧，并通过螺栓及铝型材专用连接件与自动定位系统支撑架连接、固定，X轴滑块导轨和X轴直线模组高度相同，实现加工平台的水平X轴方向运动；二条Y轴运动滑块导轨平行放置于一条Y轴直线模组两侧，并通过滑块及铝型材专用连接件与X轴模组及滑块导轨连接、固定，Y轴滑块导轨和Y轴直线模组高度相同，实现加工平台的水平Y轴方向运动；电动转台通过铝型材专用连接件固定在Y轴滑块导轨和Y轴直线模组上，加工平台通过螺栓固定在电动转台上，通过电动转台转动，实现加工平台的水平360°任意旋转，绝对定位精度可达到0.01°，两套直线模组相互垂直放置，组成“十字”滑台，实现在最大1平方米的面板范围内钻孔位置的精确定位，定位精度可达到0.01mm；自动钻孔系统包括电钻、电钻进给直线模组、电钻进给接近开关，进给伺服电机；电钻通过螺栓固定在直线模组上，进给伺服电机驱动直线模组运动，实现电钻的钻孔进给与后退；自动定位系统的加工平台与钻头支架横梁成45°角放置，使钻头进给方向在加工平台的投影与X轴运动直线模组运动方向平行，使定位过程中二轴运动变为一轴运动，起到消元作用，减化定位控制程序，提高定位精度；电钻的运动位移精度可达到0.01mm，电钻运行速度可变，保证钻孔的内部质量；用于木质材料时，具体运行参数为：电钻功率为280W，转速为3600转/分，钻头刚接触面板时，进给速度为0.7mm/s，进给距离3mm，使钻头嵌入面板，接着改变进给速度为2.5mm/s进行钻孔，进钻结束后，以12mm/s进行退钻。

2.根据权利要求1所述的一种木质工程材点阵夹芯结构的自动定位、钻孔装置，其特征在于：所述X轴运动直线模组、Y轴运动直线模组、电动转台的动作均通过伺服电机控制，所述X轴运动直线模组、Y轴运动直线模组的两侧均设有接近开关，用于限定直线模组的运动界限，保护系统安全。

3.根据权利要求1所述的一种木质工程材点阵夹芯结构的自动定位、钻孔装置，其特征在于：所述电钻进给直线模组的两侧均设有接近开关，用于限定电钻的进给距离，保障安全。

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