CN108927557A - 一种螺旋铣孔装置和方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于自动化制孔技术领域，具体涉及一种螺旋铣孔装置和铣孔方法；本发明的技术解决方案是：一种螺旋铣孔装置包括：自转轴、偏心调整轴、公转轴、公转带轮、调整带轮、控制系统等，还包括调整轴检测光栅尺和公转轴检测光栅尺，对偏心调整轴旋转角度和公转轴与偏心轴的同步性进行全闭环检测；本装置的公转轴、偏心调整轴、自转轴上设有滚道，滚道内卡装滚动体，用自身滚道及滚动体代替了标准轴承；解决了现有螺旋铣孔装置调整偏心轴转动角度调整精度低、偏心调整轴和公转轴转动一致性差，同时整套装置体积大、质量大，造成在关节臂机器人和机床末端使用负载过大，且多层标准轴承嵌套导致误差累积的问题。
Description
技术领域
本发明涉及自动化制孔技术领域，具体涉及一种螺旋铣孔装置和方法。
背景技术
一代材料一代装备，随着复合材料、钛合金等高端材料在航空、航天、交通等高端装备制造领域使用量的不断增大，随之而来的是复合材料、难加工材料及其构成的叠层材料在高端装备制造应用中出现的高精度装配孔的高效、高精度加工需求，螺旋铣孔作为新兴的孔加工工艺正在替代传统的钻孔工艺，以满足高端装备中高效、高精的孔加工需求。
螺旋铣孔工艺应用的重点在于开发专用的螺旋铣孔装置替代原有钻孔设备，同时集成在关节臂机器人或者机床末端，形成复合材料、钛合金等高端材料螺旋铣孔设备。螺旋铣孔装置集成在关节臂机器人或者机床末端进行铣孔加工，该装置的核心包含：
1、必须轻量化设计，保证在关节臂机器人或者机床末端使用。
2、必须保证制孔精度，制孔精度主要由偏心量的调整精度和加工过程中调整轴与公转轴的同步运转精度保证。
3、螺旋铣孔装置大都采用多层主轴嵌套装配，则需要多层标准轴承嵌套，此结构带入轴承误差累计，导致刀具在公转过程中径向跳动过大，制孔稳定性差、尺寸精度差。
美国专利《数字化轨道钻孔装备》(公告号：US6663327B2)公开了一种数字化轨道钻孔装备，中国专利《在线调整制孔孔径的制孔装置》(申请号：201310604032.8)，公开了一种在线调整制孔孔径的制孔装置，这两个专利都是通过调整伺服电机带动行星减速机直接驱动十字滑块偏转，来调整偏心调整轴的角度，改变切削半径，没有对偏心调整轴旋转角度进行全闭环反馈，调节精度低；调整伺服电机和公转伺服电机都通过行星减速机驱动公转轴和偏心轴同步运转，电机与行星减速机的传动误差进入系统，两个轴的同步运转缺少检测设备，两轴的一致性运动缺少反馈检测及控制，影响铣孔过程中的孔加工精度。
中国专利《自动螺旋铣孔装置》(申请号：201210208170.X)公开了一种自动螺旋铣孔装置，中国专利《一种自动化螺旋铣孔装置及方法》(申请号：201210300281.3)公开了一种自动化螺旋铣孔装置及方法，这两个专利均采用偏心轴系的轴承嵌套安装，一则增加铣孔装置的整体尺寸，增大铣孔装置的质量，二则通过嵌套的轴承带入累积误差，增大铣削加工刀具的径向跳动，造成制孔精度差。
现有的螺旋铣孔装置过于笨重，导致关节臂机器人和机床末端负载加重，制孔稳定性差；偏心调整轴调整角度精度低，造成调整的刀具切削半径有误差；偏心调整轴和公转轴转动过程中不同步，铣孔过程中，铣削半径不断发生变化，造成加工孔径误差加大；多层标准轴承嵌套带入轴承累积误差，导致刀具在公转过程中径向跳动过大，制孔稳定性差、尺寸精度低。
发明内容
为了能够有效解决现有螺旋铣孔装置体积大、质量大，造成在关节臂机器人和机床末端使用负载过大，同时偏心调整轴旋转角度调整精度低、偏心调整轴和公转轴转动一致性差，多层标准轴承嵌套导致误差累积的问题，本发明提供了一种制螺旋铣孔装置和方法。
本发明的技术方案是：一种螺旋铣孔装置，包括：自转轴、偏心调整轴、公转轴、调整带轮、公转带轮和控制系统，其特殊之处在于：还包括调整轴检测光栅尺、公转轴检测光栅尺、第一固定件和第二固定件。所述调整轴检测光栅尺包括调整轴检测光栅主尺和调整轴检测光栅尺读数头；所述调整轴检测光栅主尺设置在调整带轮上，所述调整轴检测光栅尺读数头设置在第一固定件上，所述第一固定件连接在公转轴上。所述公转轴检测光栅尺包括公转轴检测光栅主尺和公转轴检测光栅尺读数头；所述公转轴检测光栅主尺设置在公转带轮上，所述公转轴检测光栅尺读数头设置在第二固定件上，所述第二固定件连接在支撑壳体上。
所述自转轴左端外表面设置自转轴左端外滚道，所述偏心调整轴左端内外表面分别设置调整轴左端内滚道和调整轴左端外滚道，所述公转轴左端内表面设置公转轴内滚道，所述自转轴左端外滚道与调整轴左端内滚道之间形成左端第一层轴承滚道，所述调整轴左端外滚道和公转轴内滚道形成左端第二层轴承滚道。
所述自转轴右端外表面设置自转轴右端外滚道；所述偏心调整轴右端连接第一端盖，所述第一端盖内表面设置第一端盖内滚道，所述第一端盖内滚道与所述自转轴右端外滚道形成右端第一层轴承滚道。
所述偏心调整轴右端外表面设置调整轴右端外滚道；所述公转轴右端连接第二端盖，所述第二端盖内表面设置第二端盖内滚道，所述第二端盖内滚道与调整轴右端外滚道形成右端第二层轴承滚道。
所述左端第一层轴承滚道、左端第二层轴承滚道、右端第一层轴承滚道、右端第二层轴承滚道内均沿圆周方向均匀卡装滚动体。
进一步地，所述左端第一层轴承滚道、左端第二层轴承滚道、右端第一层轴承滚道、右端第二层轴承滚道均与深沟球轴承的轴承滚道的形状或角接触球轴承的轴承滚道形状相适配。
进一步地，本发明还提供了一种具有螺旋铣孔装置的关节臂机器人，其特殊之处在于：包括设置在关节臂机器人末端的上述螺旋铣孔装置。
进一步地，本发明还提供了一种具有螺旋铣孔装置的数控加工中心，其特殊之处在于：包括设置在加工中心的主轴末端，或者螺旋铣孔装置的底座可以连接在加工中心的Z轴位置的上述螺旋铣孔装置。
同时，本发明还提供了一种使用上述螺旋铣孔装置的铣孔方法，其具体步骤如下：
【1】启动装置，根据预先设计的孔径大小，预设偏心调整轴(2)转动角度为θ；调整电机(14)通过十字滑块组(26)驱动偏心调整轴(2)开始转动，调整轴检测光栅尺(6)检测到偏心调整轴(2)实际转动角度为θ1，调整轴检测光栅尺(6)反馈转动角度信号给控制系统；
当θ1＝θ时，则进入步骤2；当θ1>θ时，控制系统收到调整轴检测光栅尺(6)反馈转动角度信号，经过计算θ1与θ的差值，依据差值指令驱动调整电机(14)正转，通过十字滑块组(26)驱动偏心调整轴(2)转动角度差值△θ，其中△θ＝θ1-θ；
当θ1<θ时，控制系统收到调整轴检测光栅尺(6)反馈转动角度信号，经过计算θ1与θ的差值，依据差值指令驱动调整电机(14)反转，通过十字滑块组(26)驱动偏心调整轴(2)转动角度差值△θ，其中△θ＝θ1-θ；
【2】调整完毕，本装置依据程序继续运行，公转电机(15)驱动公转轴(3)转动，调整电机(14)通过十字滑块组(26)驱动偏心调整轴(2)转动；
【3】公转轴检测光栅尺(7)检测到公转轴(3)的角速度为ω1，调整轴检测光栅尺(6)检测到偏心调整轴(2)的角速度为ω2，公转轴检测光栅尺(7)和调整轴检测光栅尺(6)同步反馈偏心调整轴(2)和公转轴(3)的角速度信号给控制系统；
当ω1＝ω2时，直接进入步骤4；
当ω1≠ω2时，为了保证偏心调整轴(2)已经调整好的转动角度θ不变，只对公转轴(3)的角速度ω1进行调整；控制系统重新输出指令至公转电机(15)驱动公转轴(3)进行修正，直至ω1＝ω2；
【4】开始铣削工序。
本发明相比现有技术的有益效果是：
1、本装置对调整带轮的分度进行全闭环控制，有效降低调整电机、第二行星减速机的传动误差对孔径精度的影响。
2、本装置对公转轴和偏心调整轴的旋转同时采用光栅尺进行反馈控制，通过控制系统对两个光栅尺信号的检测，驱动公转电机、第一行星减速机驱动公转轴和偏心调整轴同步旋转，提高铣孔加工的一致性和稳定性。
3、本装置的公转轴、偏心调整轴、自转轴上设置滚道，有效减小选用标准轴承设计带来的旋转精度误差，提高刀具径向跳动精度，有助于提高铣孔精度。
4、本装置公转轴、偏心调整轴、自转轴通过使用自身的滚动体进行旋转，避免使用标准的滚动轴承，可以有效减小该装置的径向尺寸，减轻重量，满足本装置轻量化设计的要求。
附图说明
图1是本发明较佳实施例沿公转轴轴线剖开的结构示意图；
图2是本发明较佳实施例沿偏心调整轴轴线剖开的结构示意图；
图3是该实施例中公转轴检测光栅尺的安装示意图；
图4是该实施例中偏心调整轴检测光栅尺的结构示意图；
图5是该实施例中公转轴、偏心调整轴和自转轴之间的轴承滚道和滚动体的结构图；
图6是在线控制螺旋铣孔精度方法的流程图；
图中附图标记为：1-自转轴，101-自转轴左端外滚道，102-自转轴右端外滚道，2-偏心调整轴，201-调整轴左端内滚道，202-调整轴左端外滚道，203-调整轴右端外滚道，3-公转轴，301-公转轴内滚道，4-调整带轮，5-公转带轮，6-调整轴检测光栅尺，601-调整轴检测光栅主尺，602-调整轴检测光栅尺读数头，7-公转轴检测光栅尺，701-公转轴检测光栅主尺，702-公转轴检测光栅尺读数头，8-第一固定件，9第二固定件，10-支撑壳体，11-第一端盖，1101-第一端盖内滚道，12-第二端盖，1201-第二端盖内滚道，13-滚动体，14-调整电机，15-公转电机，16-刀具，17-压脚，18-电主轴，19-第一行星减速机，20-第二行星减速机，21-进给系统，22-公转轴连接件，23-连接法兰，24-调整带轮支承，25-偏心调整轴连接件，26-十字滑块组。
具体实施方式
以下结合附图及具体实施例对本发明做进一步的描述。
参照图1和图2，一种螺旋铣孔装置包括：刀具16、压脚17、电主轴18、自转轴1、偏心调整轴2，公转轴3、公转电机15、第一行星减速机19、公转带轮5、调整电机14、第二行星减速机20、调整带轮4、支撑壳体10、进给系统21和控制系统，还包括调整轴检测光栅尺6和公转轴检测光栅尺7。
压脚17压紧工件，电主轴18前端安装刀具16，电主轴18外部由内向外依次套装自转轴1、偏心调整轴2、公转轴3，其中自转轴1与电主轴18固定，偏心调整轴2、公转轴3内均设有偏心孔，偏心调整轴2可在公转轴3的偏心孔内转动。压脚17连接在进给系统21上，进给系统21底部设置连接法兰23，可将铣孔装置安装在关节臂机器人或者机床主轴末端。
偏心调整轴2通过调整电机14驱动第二行星减速机20、调整带轮4减速传动，最后驱动十字滑块组26带动偏心调整轴连接件25，驱动偏心调整轴2进行分度和旋转。
公转轴3通过标准轴承固定在支撑壳体10的轴承孔内，并可在轴承孔内自由转动，公转轴3通过安装在支撑壳体10上的公转电机15驱动第一行星减速机19、公转带轮5减速传动，带动公转轴连接件22，驱动公转轴3转动。
参照图3，公转轴检测光栅尺7包括设置在公转带轮5上的公转轴检测光栅主尺701和设置在第二固定件9上的公转轴检测光栅尺读数头702，第二固定件9连接在支撑壳体10上。公转轴检测光栅主尺701随公转轴3旋转，公转轴检测光栅尺读数头702固定连接在支撑壳体10上，当公转轴3旋转时，即可测出其角速度。
参照图4，调整轴检测光栅尺6包括设置在调整带轮4上的调整轴检测光栅主尺601和设置在第一固定件8上的调整轴检测光栅尺读数头602，第一固定件8连接在公转轴3上。调整轴检测光栅主尺601随偏心调整轴2旋转，调整轴检测光栅尺读数头602固定连接在公转轴3上，当偏心调整轴2旋转时，即可测出其相对于公转轴3的旋转角度或旋转角速度。
参照图1、图2和图5，以下所述“左端”指靠近刀具一端，所述“右端”指远离刀具一端。
自转轴1左端设置自转轴左端外滚道101；偏心调整轴2左端分别设置调整轴左端内滚道201和调整轴左端外滚道202；公转轴3左端内表面设置公转轴内滚道301；自转轴左端外滚道101与调整轴左端内滚道201之间形成左端第一层轴承滚道；调整轴左端外滚道202和公转轴内滚道301形成左端第二层轴承滚道。
自转轴1右端设置自转轴右端外滚道102；偏心调整轴2右端连接第一端盖11，第一端盖11开设第一端盖内滚道1101，第一端盖内滚道1101与自转轴右端外滚道102形成右端第一层轴承滚道。
偏心调整轴2右端外表面设置调整轴右端外滚道203，公转轴3右端连接第二端盖12，第二端盖12内表面开设第二端盖内滚道1201，第二端盖内滚道1201与调整轴右端外滚道203形成右端第二层轴承滚道。
上述所有轴承滚道内均沿圆周方向均匀卡装滚动体。
自转轴1通过滚动体13旋转，可以防止电主轴18上的线缆在公转轴3旋转过程中缠绕。
上述所有轴承滚道均与深沟球轴承的轴承滚道的形状或角接触球轴承的轴承滚道的形状相适配。
通过表1的误差对比即可发现，本发明的滚动设计可提高刀具径向跳动精度，有助于提高螺旋铣孔精度。
表1
通过表2的有效尺寸参数对比可发现，本发明的滚动设计可以有效减小该装置的径向尺寸，减轻重量，达到螺旋铣孔装置的轻量化设计要求。
表2
另外，参照图6，本发明还提供了使用本装置铣孔的方法，其步骤如下：
【1】启动本装置，根据预先设计的孔径大小，预设偏心调整轴2转动角度为θ；调整电机14依次通过第二行星减速机20、调整带轮4、十字滑块组26驱动偏心调整轴连接件25、偏心调整轴2转动一定的角度，当调整轴检测光栅尺6检测到偏心调整轴2实际转动角度为θ1，调整轴检测光栅尺反馈转动角度信号给控制系统，当θ1＝θ时，则进入步骤2；
如果由于传动系统实际误差导致偏心调整轴2实际转动角度为θ1>θ时，控制系统收到调整轴检测光栅尺6反馈转动角度信号，经过计算θ1与θ的差值，依据差值指令驱动调整电机14正转，通过十字滑块组26驱动偏心调整轴2转动角度差值△θ，其中△θ＝θ1-θ；
当θ1<θ时，控制系统收到调整轴检测光栅尺6反馈转动角度信号，经过计算θ1与θ的差值，依据差值指令驱动调整电机14反转，通过十字滑块组26驱动偏心调整轴2转动角度差值△θ，其中△θ＝θ1-θ；
【2】调整完毕，本装置依据程序运行，公转电机15通过第一行星减速机19，调整电机14通过第二行星减速机20后，十字滑块组26通过公转带轮5驱动公转轴3转动、调整带轮4驱动偏心调整轴2转动；
【3】公转轴检测光栅尺7检测到公转轴3的角速度为ω1，调整轴检测光栅尺6检测到偏心调整轴2的角速度为ω2，公转轴检测光栅尺7和调整轴检测光栅尺6同步反馈偏心调整轴2和公转轴3的角速度信号给控制系统，当ω1＝ω2时，直接进入下一道工序；如果实际运行过程中由于传动系统误差，导致ω1≠ω2时，为保证在切削过程中已经调整完毕的切削半径不发生变化，公转轴3和偏心调整轴2能够以同样的角速度进行运动，装在公转带轮5上的公转轴检测光栅尺7、装在调整带轮4上的调整轴检测光栅尺6同步反馈公转轴3和偏心调整轴2的角速度信号给控制系统，控制系统重新输出指令，公转电机15驱动公转轴3进行修正，使ω1＝ω2。
【4】开始铣削工序。
以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围。
Claims (5)
1.一种螺旋铣孔装置，包括：自转轴(1)、偏心调整轴(2)、公转轴(3)、调整带轮(4)、公转带轮(5)和控制系统，其特征在于：
还包括调整轴检测光栅尺(6)、公转轴检测光栅尺(7)、第一固定件(8)和第二固定件(9)；所述调整轴检测光栅尺(6)包括调整轴检测光栅主尺(601)和调整轴检测光栅尺读数头(602)；所述调整轴检测光栅主尺(601)设置在调整带轮(4)上，所述调整轴检测光栅尺读数头(602)设置在第一固定件(8)上，所述第一固定件(8)连接在公转轴(3)上；所述公转轴检测光栅尺(7)包括公转轴检测光栅主尺(701)和公转轴检测光栅尺读数头(702)；所述公转轴检测光栅主尺(701)设置在公转带轮(5)上，所述公转轴检测光栅尺读数头(702)设置在第二固定件(9)上，所述第二固定件(9)连接在支撑壳体(10)上；
所述自转轴(1)左端外表面设置自转轴左端外滚道(101)；所述偏心调整轴(2)左端内外表面分别设置调整轴左端内滚道(201)和调整轴左端外滚道(202)；所述公转轴(3)左端内表面设置公转轴内滚道(301)；所述自转轴左端外滚道(101)与调整轴左端内滚道(201)之间形成左端第一层轴承滚道；所述调整轴左端外滚道(202)和公转轴内滚道(301)形成左端第二层轴承滚道；
所述自转轴(1)右端外表面设置自转轴右端外滚道(102)；所述偏心调整轴(2)右端连接第一端盖(11)，所述第一端盖(11)内表面设置第一端盖内滚道(1101)，所述第一端盖内滚道(1101)与所述自转轴右端外滚道(102)形成右端第一层轴承滚道；
所述偏心调整轴(2)右端外表面设置调整轴右端外滚道(203)；所述公转轴(3)右端连接第二端盖(12)，所述第二端盖(12)内表面设置第二端盖内滚道(1201)，所述第二端盖内滚道(1201)与调整轴右端外滚道(203)形成右端第二层轴承滚道；
所述左端第一层轴承滚道、左端第二层轴承滚道、右端第一层轴承滚道、右端第二层轴承滚道内均沿圆周方向均匀卡装滚动体(13)。
2.根据权利要求1所述的一种螺旋铣孔装置，其特征在于：所述左端第一层轴承滚道、左端第二层轴承滚道、右端第一层轴承滚道、右端第二层轴承滚道均与深沟球轴承的轴承滚道的形状或角接触球轴承的轴承滚道形状相适配。
3.一种具有螺旋铣孔装置的关节臂机器人，其特征在于：包括设置在关节臂机器人末端的如权利要求1或2任一所述的螺旋铣孔装置。
4.一种具有螺旋铣孔装置的数控加工中心，其特征在于：包括设置在加工中心的主轴末端，或者螺旋铣孔装置的底座可以连接在加工中心的Z轴位置的如权利要求1或2任一所述的螺旋铣孔装置。
5.一种使用权利要求1所述螺旋铣孔装置的铣孔方法，其特征在于：其步骤如下：
【1】启动装置，根据预先设计的孔径大小，预设偏心调整轴(2)转动角度为θ；调整电机(14)通过十字滑块组(26)驱动偏心调整轴(2)开始转动，调整轴检测光栅尺(6)检测到偏心调整轴(2)实际转动角度为θ1，调整轴检测光栅尺(6)反馈转动角度信号给控制系统；
当θ1＝θ时，则进入步骤2；当θ1>θ时，控制系统收到调整轴检测光栅尺(6)反馈转动角度信号，经过计算θ1与θ的差值，依据差值指令驱动调整电机(14)正转，通过十字滑块组(26)驱动偏心调整轴(2)转动角度差值△θ，其中△θ＝θ1-θ；
当θ1<θ时，控制系统收到调整轴检测光栅尺(6)反馈转动角度信号，经过计算θ1与θ的差值，依据差值指令驱动调整电机(14)反转，通过十字滑块组(26)驱动偏心调整轴(2)转动角度差值△θ，其中△θ＝θ1-θ；
【2】调整完毕，本装置依据程序继续运行，公转电机(15)驱动公转轴(3)转动，调整电机(14)通过十字滑块组(26)驱动偏心调整轴(2)转动；
【3】公转轴检测光栅尺(7)检测到公转轴(3)的角速度为ω1，调整轴检测光栅尺(6)检测到偏心调整轴(2)的角速度为ω2，公转轴检测光栅尺(7)和调整轴检测光栅尺(6)同步反馈偏心调整轴(2)和公转轴(3)的角速度信号给控制系统；
当ω1＝ω2时，直接进入步骤4；
当ω1≠ω2时，为了保证偏心调整轴(2)已经调整好的转动角度θ不变，只对公转轴(3)的角速度ω1进行调整；控制系统重新输出指令至公转电机(15)驱动公转轴(3)进行修正，直至ω1＝ω2；
【4】开始铣削工序。
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