CN110842242A - 适用于大型构件的镗孔加工设备 - Google Patents

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杨旭静
韩浩博
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Abstract

本发明提供了一种适用于大型构件的镗孔加工设备，包括加工机器人、精度检测单元和末端执行器，末端执行器设置在加工机器人的机械手臂上，包括基座、将基座和机械手臂连接的连接板、压脚机构和切削加工机构，压脚机构包括压脚导轨、压脚本体、压脚气缸以及吸屑装置，切削加工机构包括进给部与切削部，进给部主要由丝杠螺母副和进给伺服电机组成，切削部主要由主轴仓导轨、主轴仓、转切削主轴以及切削伺服电机组成，精度检测单元包括空间定位仪、距离传感器以及光学定位标靶。本发明能实现集定位、加工、除尘和检测的高质高效镗孔加工任务，提高了机器人自动化和柔性化加工的便易性，减少加工时间，降低加工成本。

Description

适用于大型构件的镗孔加工设备
技术领域
本发明涉及工业机器人柔性加工领域，特别涉及一种适用于大型构件的镗孔加工设备。
背景技术
工业机器人作为智能制造的主力军，正逐步应用到大型构件的高精密制造领域，其加工质量和效率可以衡量工业自动化水平。越来越多的发达国家将机器人产业的发展提升为国家战略，期望保持制造业和服务业等的优势实力，目前机器人自动制孔在航空制造等领域已有较多应用。
然而，机器人系统的定位精度及重复定位精度相对较差，从而影响制孔过程中的定位精度。并且由于工业机器人是典型的串联结构，受切削力的影响，系统的刚度不足，尤其是关节部位，导致其容易在外载荷作用下产生系统变形，进而导致振动甚至颤振的发生，极大的限制了工业机器人在制孔加工中的应用。
同时，工业机械人末端执行器的功能通常比较单一，只能完成夹持刀具进行普通切削加工的任务，难以实现高质高效加工航空大型构件的要求。此外，加工精度检测与修正、复合材料除尘等结构都需要另外单独工作，而这些结构的分步设置和工作不仅占用了比较大的空间，还影响了加工精度和效率。
发明内容
本发明的目的是为了克服现有技术的不足，提供一种集定位、加工、吸屑和精度检测的镗孔加工设备，以提高工业机器人自动化和柔性化加工的便易性，同时提高加工效率，降低加工成本。
为了达到上述目的，本发明提供了一种适用于大型构件的镗孔加工设备，包括加工机器人、精度检测单元和末端执行器，所述末端执行器设置在所述加工机器人的机械手臂上，其特征在于，所述末端执行器包括基座、将所述基座和所述机械手臂连接的连接板、压脚机构和切削加工机构；
所述压脚机构包括位于所述基座上表面且沿进给方向设置的压脚导轨、滑动设置在所述压脚导轨上的压脚本体和驱动所述压脚本体滑动的压脚气缸，所述压脚本体沿进给方向的前面板为压脚正前面，所述前面板的中部开设一进刀孔，所述前面板上设置有吸屑装置，所述吸屑装置用于吸除加工产生的切屑；
所述切削加工机构包括进给部与切削部，所述进给部主要由设置在所述基座上的丝杠螺母副和驱动所述丝杠螺母副转动的进给伺服电机组成，所述切削部主要由位于所述基座上表面且沿进给方向设置的主轴仓导轨，滑动设置在所述主轴仓导轨上的主轴仓、转动设置在所述主轴仓内的切削主轴以及驱动所述切削主轴转动的切削伺服电机组成，所述切削主轴的第一端设置刀头，与所述进刀孔位置对应，第二端与所述切削伺服电机连接，所述主轴仓与所述丝杠螺母副连接；
所述精度检测单元包括空间定位仪、设置在所述前面板上且环绕所述进刀孔分布的多个距离传感器、以及设置在所述主轴仓上表面的多个光学定位标靶，所述空间定位仪和所述距离传感器均与一数控单元连接。
进一步地，所述吸屑装置包括吸屑本体、吸屑软管和工业吸尘器，所述吸屑本体为环形且环绕所述进刀孔设置，所述吸屑本体通过螺栓固定在所述前面板上，所述吸屑软管一端与所述吸屑本体连通，另一端与所述工业吸尘器连通，所述吸屑软管通过一固定环贴紧固定在所述前面板上。
进一步地，所述压脚导轨设置有两组，分别位于所述基座的两侧，所述压脚导轨上滑动设置压脚滑块，所述压脚本体固定设置在所述压脚滑块上，所述压脚气缸设置有两个，分别位于两组所述压脚导轨的第二端，所述压脚气缸的伸缩杆与所述压脚本体的后面板相连。
进一步地，所述丝杠螺母副包括丝杠和螺母，所述丝杠转动设置在所述基座的中部沿进给方向成型的安装凹槽内，所述螺母套设在所述丝杠上，所述进给伺服电机固定设置在所述安装凹槽的第二端，与所述丝杠的第二端连接。
进一步地，所述主轴仓导轨设置有两组，分别位于所述安装凹槽的两侧，所述主轴仓导轨上滑动设置主轴仓滑块，所述主轴仓固定设置在所述主轴仓滑块上。
进一步地，所述主轴仓包括仓体、仓顶盖和仓端盖，所述仓顶盖盖合在所述仓体的顶端，所述仓端盖盖合在所述仓体的第一端，所述仓体内设置有一缸体，所述切削主轴穿过所述仓体和缸体，由所述缸体两端设置的轴承支撑，所述切削伺服电机固定设置在所述仓体的第二端，与所述切削主轴的第二端连接，所述缸体的两端分别通过第一缸端盖和第二缸端盖固定，所述缸体的外侧壁上成型有一台阶，与所述仓体内侧壁上的定位块配合进行进给方向的限位。
进一步地，所述仓体的底端固定设置有一连接块，所述连接块上成型有一通孔，所述通孔四周设置多个螺纹孔，所述连接块套设在所述丝杠上，通过所述螺纹孔上的螺丝与所述螺母固定连接。
进一步地，还包括冷却装置，所述冷却装置主要由安装在所述刀头上的喷头、从所述主轴仓外部输送至所述切削主轴内部的输送管以及提供冷却液的冷却设备组成。
进一步地，所述距离传感器设置三个，均位于所述前面板上且环绕所述进刀孔分布，所述光学定位标靶设置两个，分别位于所述主轴仓上表面的两侧，所述空间定位仪主要由两个视觉镜头和激光发射器构成，所述空间定位仪、所述光学定位靶标以及所述距离传感器相配合对被加工件与所述末端执行器空间位置坐标进行检测，并将检测结果反馈至所述数控单元，所述数控单元将检测结果与给定的预设范围进行比较，若检测结果超出预设范围，所述数控单元生成新的加工路径，所述末端执行器对被加工件进行加工修正。
本发明的上述方案有如下的有益效果：
本发明在工业机器人的机械手臂上同时设置有压脚机构、切削加工机构、吸屑装置和精度检测单元，满足了对无法装夹在普通夹具上的大型构件进行加加工的同时，实现集定位、加工、除尘和检测的高质高效镗孔加工任务，提高了机器人自动化和柔性化加工的便易性，减少加工时间，降低加工成本；
本发明的镗孔加工设备，加工时压脚机构的压脚本体始终紧贴在被加工件的加工面上，对被加工件进行压紧，而切削加工机构的刀头从压脚本体的进刀孔伸出，因此，在压脚机构对被加工件压紧时，切削加工机构可以同时进行加工，且运动控制相互独立，保证压紧过程和加工过程互不干涉，提升镗孔加工的可靠性和效率。
附图说明
图1为本发明的整体结构示意图；
图2为本发明的末端执行器结构示意图；
图3为本发明的吸屑装置结构示意图；
图4为本发明的基座底端结构示意图；
图5为本发明的基座底端结构俯视图；
图6为本发明的主轴仓内部结构剖视图；
图7为本发明的仓体结构示意图。
【附图标记说明】
1-加工机器人；2-机械手臂；3-末端执行器；4-基座；5-连接板；6-压脚机构；7-切削加工机构；8-压脚导轨；9-压脚本体；10-压脚气缸；11-前面板；12-进刀孔；13-吸屑装置；14-进给伺服电机；15-主轴仓导轨；16-主轴仓；17-切削主轴；18-切削伺服电机；19-刀头；20-空间定位仪；21-距离传感器；22-光学定位标靶；23-吸屑本体；24-吸屑软管；25-固定环；26-压脚滑块；27-丝杠；28-螺母；29-安装凹槽；30-主轴仓滑块；31-仓体；32-仓顶盖；33-仓端盖；34-缸体；35-轴承；36-第一缸端盖；37-第二缸端盖；38-台阶；39-定位块；40-连接块；41-喷头；42-输送管；43-视觉镜头；44-激光发射器。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
如图1、图2所示所示，本发明的实施例提供了一种适用于大型构件的镗孔加工设备，包括加工机器人1、精度检测单元和末端执行器3，末端执行器3设置在加工机器人1的机械手臂2上，末端执行器3包括基座4、将基座4和机械手臂2连接的连接板5、设置在基座4上的压脚机构6和切削加工机构7。末端执行器3通过加工机器人1的机械手臂2完成整体动作，由压脚机构6对被加工件进行压紧，从而提高整个系统的动态刚度以及加工精度。切削加工机构7具有进给和镗孔的功能，对被加工件镗孔加工。精度检测单元则用于对被加工件和末端执行器3进行定位和加工精度检测。
进一步地，压脚机构6包括位于基座4上表面且沿进给方向设置的压脚导轨8、滑动设置在压脚导轨8上的压脚本体9和驱动压脚本体9滑动的压脚气缸10，压脚本体9沿进给方向的前面板11为压脚正前面，其中部开设一进刀孔12，前面板11上设置有吸屑装置13，用于吸除镗孔产生的切屑。镗孔时，压脚本体9在压脚气缸10的驱动下，其前面板11始终紧贴在被加工件的加工面上，对被加工件进行压紧。同时，压脚本体9底部的压脚导轨8，可确保压脚本体9在压脚气缸10的驱动下以直线路径进给，从而避免压脚本体9偏移、干涉被加工件的加工过程，保证压紧过程和切削加工机构的加工过程互不干涉。
进一步地，切削加工机构7包括进给部与切削部，进给部主要由设置在基座4上的丝杠螺母副和驱动丝杠螺母副转动的进给伺服电机14组成，切削部主要由位于基座4上表面且沿进给方向设置的主轴仓导轨15，滑动设置在主轴仓导轨15上的主轴仓16、转动设置在主轴仓16内的切削主轴17以及驱动切削主轴17转动的切削伺服电机18组成。在切削主轴17的第一端设置刀头19，与进刀孔12位置对应，第二端与切削伺服电机18连接，主轴仓16与丝杠螺母副连接。因而进给部和切削部分别通过不同的伺服电机驱动，独立实现切削部沿丝杠螺母副和主轴仓导轨15的进给、以及切削主轴17的旋转加工过程。其中，压脚机构6安装在切削加工机构7前，切削加工机构7的刀头19从压脚本体9的进刀孔12伸出，在压脚本体9对被加工件压紧时，切削加工机构7可以同时进行加工，而当加工结束时，首先退回刀具再退回压脚本体9。
进一步地，精度检测单元包括空间定位仪20、设置在前面板11上且环绕进刀孔12分布的多个距离传感器21、以及设置在主轴仓16上表面的多个光学定位标靶22，其中空间定位仪20和距离传感器21均与一数控单元连接。空间定位仪20通过对主轴仓16上表面的光学定位标靶22进行定位，获取末端执行器3的空间坐标，从而通过加工机器人1对末端执行器3的进位进行修正。加工过程中压脚本体9贴紧被加工件时，距离传感器21能反馈被加工面以及镗孔的距离信息，进而修正刀头19的加工路径，提升加工精度。
进一步如图3所示，吸屑装置13包括吸屑本体23、吸屑软管24和工业吸尘器，吸屑本体23为环形，紧贴前面板11并环绕进刀孔12设置，吸屑本体23通过螺栓固定在前面板11上，吸屑软管24一端与吸屑本体23连通，另一端与工业吸尘器连通，吸屑软管24通过一固定环25贴紧固定在前面板11上。在刀头19的整个加工过程中，工业吸尘器均处于工作状态将切屑吸出，减少切屑堆积对刀头19加工的干涉，保证末端执行器3的加工效率，减少对环境的污染和对作业人员健康的损害。
由上所述，本发明的镗孔加工设备包括压脚机构6、切削加工机构7、吸屑装置13和精度检测单元，满足在对无法加装在普通夹具上的大型构件进行加工时，实现集定位、加工、吸屑和检测的高精度镗孔加工任务，提高机器人自动化加工的便易性，减少加工时间，降低加工成本。
进一步如图4和图5所示，压脚导轨8设置有两组，分别位于基座4的两侧，在每个压脚导轨8上均滑动设置一压脚滑块26，压脚本体9固定设置在压脚滑块26的上表面。相应地，压脚气缸10也设置有两个，分别位于两组压脚导轨8的第二端，其伸缩杆分别与压脚本体9的后面板对应位置固定连接。压脚本体9对被加工件的压紧和松开通过两个压脚气缸10同步驱动，使得压脚本体9的两侧均沿压脚导轨8同步滑动，确保不会产生角度偏差。
进一步地，丝杠螺母副包括丝杠27和螺母28，丝杠27转动设置在基座4的中部沿进给方向成型的安装凹槽29内，螺母28套设在丝杠27上，进给伺服电机14固定设置在安装凹槽29第二端开设的另一凹槽内，其输出端与丝杠27第二端连接，通过进给伺服电机14驱动丝杠27转动，进而使螺母28沿进给方向或反向移动。
同时如图6所示，主轴仓导轨15设置有两组，分别位于安装凹槽29的两侧，主轴仓导轨15上滑动设置主轴仓滑块30，主轴仓16固定设置在主轴仓滑块30的上表面。主轴仓16包括仓体31、仓顶盖32和仓端盖33，仓顶盖32盖合在仓体31的顶端，仓端盖33盖合在仓体31的第一端，同时仓体31的第一端和第二端以及仓端盖33的对应位置均设置过轴的通孔。仓体31内设置有一缸体34，切削主轴17穿过仓体31和缸体34，由缸体34两端设置的轴承35支撑，使得切削主轴17能相对缸体34旋转。切削伺服电机18固定设置在仓体31的第二端，与穿过仓体31第二端通孔的切削主轴连接，在缸体34的两端分别固定设置第一缸端盖36和第二缸端盖37，在端盖上同样开设过轴通孔，并设置密封圈，使得缸体34内部形成密封空间，对轴承35等部件进行保护。在缸体34的外侧壁上成型有一台阶38，在仓体31内侧壁的对应位置设置定位块39，缸体34在仓端盖33和定位块39的配合作用下在进给方向上被限位，提升传动的稳定性。
同时如图7所示，在仓体31的底端还固定设置一连接块40，连接块40上成型有一通孔，其四周设置多个螺纹孔，仓体31位于丝杠27上方，使得连接块40套设在丝杠27上，并通过螺纹孔上的螺丝与丝杠27上的螺母28固定连接，因此主轴仓16能通过丝杠27的转动带动螺母28沿丝杠27移动，进而驱动主轴仓16沿主轴仓导轨15、即进给方向滑动。
进一步地，本发明的镗孔加工设备还包括冷却装置，主要由安装在刀头19上的喷头41、从主轴仓16外部输送至切削主轴17内部的输送管42以及提供冷却液的冷却设备组成。在整个加工过程中，冷却设备始终通过喷头41向刀头19喷射冷却液，以防止刀具过热，减少使用寿命。
优选地，在本实施例中，精度检测单元的距离传感器21设置三个，均固定安装在前面板11上且环绕进刀孔12分布，光学定位标靶22设置两个，分别位于主轴仓16上表面的两侧，空间定位仪20主要由两个视觉镜头43和激光发射器44构成。空间定位仪20、光学定位靶标22以及距离传感器21相配合对被加工件与末端执行器3的空间位置坐标进行检测，并将检测结果反馈至数控单元。具体地，空间定位仪20上的激光发射器44发射出特定波长的光源，所属光学定位靶标22对上述波长光源敏感，再由两个视觉镜头43分别对两个光学定位靶标22进行定位，从而获取末端执行器3所处空间坐标。加工过程中压脚本体9贴紧被加工件时，距离传感器21全周向地反馈被加工面以及镗孔的距离信息。精度检测单元将检测结果反馈至数控单元，数控单元将检测结果与给定的预设范围进行比较，若检测结果超出预设范围，数控单元控制加工机器人1以及末端执行器3生成新的加工路径，对被加工件进行加工修正。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (9)

1.一种适用于大型构件的镗孔加工设备，包括加工机器人、精度检测单元和末端执行器，所述末端执行器设置在所述加工机器人的机械手臂上，其特征在于，所述末端执行器包括基座、将所述基座和所述机械手臂连接的连接板、压脚机构和切削加工机构；
所述压脚机构包括位于所述基座上表面且沿进给方向设置的压脚导轨、滑动设置在所述压脚导轨上的压脚本体和驱动所述压脚本体滑动的压脚气缸，所述压脚本体沿进给方向的前面板为压脚正前面，所述前面板的中部开设一进刀孔，所述前面板上设置有吸屑装置，所述吸屑装置用于吸除加工产生的切屑；
所述切削加工机构包括进给部与切削部，所述进给部主要由设置在所述基座上的丝杠螺母副和驱动所述丝杠螺母副转动的进给伺服电机组成，所述切削部主要由位于所述基座上表面且沿进给方向设置的主轴仓导轨，滑动设置在所述主轴仓导轨上的主轴仓、转动设置在所述主轴仓内的切削主轴以及驱动所述切削主轴转动的切削伺服电机组成，所述切削主轴的第一端设置刀头，与所述进刀孔位置对应，第二端与所述切削伺服电机连接，所述主轴仓与所述丝杠螺母副连接；
所述精度检测单元包括空间定位仪、设置在所述前面板上且环绕所述进刀孔分布的多个距离传感器、以及设置在所述主轴仓上表面的多个光学定位标靶，所述空间定位仪和所述距离传感器均与一数控单元连接。
2.根据权利要求1所述的适用于大型构件的镗孔加工设备，其特征在于，所述吸屑装置包括吸屑本体、吸屑软管和工业吸尘器，所述吸屑本体为环形且环绕所述进刀孔设置，所述吸屑本体通过螺栓固定在所述前面板上，所述吸屑软管一端与所述吸屑本体连通，另一端与所述工业吸尘器连通，所述吸屑软管通过一固定环贴紧固定在所述前面板上。
3.根据权利要求1所述的适用于大型构件的镗孔加工设备，其特征在于，所述压脚导轨设置有两组，分别位于所述基座的两侧，所述压脚导轨上滑动设置压脚滑块，所述压脚本体固定设置在所述压脚滑块上，所述压脚气缸设置有两个，分别位于两组所述压脚导轨的第二端，所述压脚气缸的伸缩杆与所述压脚本体的后面板相连。
4.根据权利要求1所述的适用于大型构件的镗孔加工设备，其特征在于，所述丝杠螺母副包括丝杠和螺母，所述丝杠转动设置在所述基座的中部沿进给方向成型的安装凹槽内，所述螺母套设在所述丝杠上，所述进给伺服电机固定设置在所述安装凹槽的第二端，与所述丝杠的第二端连接。
5.根据权利要求4所述的适用于大型构件的镗孔加工设备，其特征在于，所述主轴仓导轨设置有两组，分别位于所述安装凹槽的两侧，所述主轴仓导轨上滑动设置主轴仓滑块，所述主轴仓固定设置在所述主轴仓滑块上。
6.根据权利要求5所述的适用于大型构件的镗孔加工设备，其特征在于，所述主轴仓包括仓体、仓顶盖和仓端盖，所述仓顶盖盖合在所述仓体的顶端，所述仓端盖盖合在所述仓体的第一端，所述仓体内设置有一缸体，所述切削主轴穿过所述仓体和缸体，由所述缸体两端设置的轴承支撑，所述切削伺服电机固定设置在所述仓体的第二端，与所述切削主轴的第二端连接，所述缸体的两端分别通过第一缸端盖和第二缸端盖固定，所述缸体的外侧壁上成型有一台阶，与所述仓体内侧壁上的定位块配合进行进给方向的限位。
7.根据权利要求6所述的适用于大型构件的镗孔加工设备，其特征在于，所述仓体的底端固定设置有一连接块，所述连接块上成型有一通孔，所述通孔四周设置多个螺纹孔，所述连接块套设在所述丝杠上，通过所述螺纹孔上的螺丝与所述螺母固定连接。
8.根据权利要求1所述的适用于大型构件的镗孔加工设备，其特征在于，还包括冷却装置，所述冷却装置主要由安装在所述刀头上的喷头、从所述主轴仓外部输送至所述切削主轴内部的输送管以及提供冷却液的冷却设备组成。
9.根据权利要求1所述的适用于大型构件的镗孔加工设备，其特征在于，所述距离传感器设置三个，均位于所述前面板上且环绕所述进刀孔分布，所述光学定位标靶设置两个，分别位于所述主轴仓上表面的两侧，所述空间定位仪主要由两个视觉镜头和激光发射器构成，所述空间定位仪、所述光学定位靶标以及所述距离传感器相配合对被加工件与所述末端执行器空间位置坐标进行检测，并将检测结果反馈至所述数控单元，所述数控单元将检测结果与给定的预设范围进行比较，若检测结果超出预设范围，所述数控单元生成新的加工路径，所述末端执行器对被加工件进行加工修正。
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