CN111085703A - 一种用于金属壳体结构的高精度快速制孔装备及制孔方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于金属壳体结构的高精度快速制孔装备及制孔方法，制孔装备包括底座、立柱、滑座、钻孔执行装置、滑枕、回转工作台、自动换刀装置、控制柜及操控台、安装踏台、工装夹具等；立柱相对于底座可沿X轴水平方向运动，滑座相对于立柱可沿Y轴竖直方向运动，钻铣执行装置的滑枕相对于滑座可沿Z轴水平方向运动，滑枕上固定连接有回转装置，回转装置上安装有钻铣部件，钻铣部件可绕A轴旋转摆动；钻铣部件包括主轴，主轴可沿W轴做进给运动；回转工作台可绕C轴旋转。本发明通过各部件的X、Y、Z、A、C、W等多轴运动自由度的相互配合，可对锥型和圆柱型金属壳体工件的端面和侧壁进行高精度自动钻孔和铣孔操作，极大提高工作效率。

Description

一种用于金属壳体结构的高精度快速制孔装备及制孔方法
技术领域
本发明属于数控加工装备及工艺方法领域，具体涉及一种适用于金属壳体结构的高精度快速制孔的数字化装备及其制孔工艺方法。
背景技术
航天器中某类舱段产品具有工艺复杂、任务量大、经济价值高等特点，同时其内部空间狭小、结构复杂、需装配的支架种类多、数量大。现有产品部段装配对人员的依赖性大，内部零件的定位主要依靠手工划线，安装孔的加工主要采用人工手持气动风枪制孔的方式。
基于以上加工现状，产品制孔方式主要存在着以下问题：
(1)制孔精度低、质量一致性差：人工定位、手工划线，与操作者技能水平、使用工具、现场环境和工作状态等方面密切相关；
(2)制孔效率低、生产周期长：手工划线、制孔和装配，装配效率低、生产周期长；
(3)制造成本高、劳动强度大：现有制孔方式需大量使用高水平技能人员，人工成本高，制孔数量多，劳动强度大。
发明内容
针对现有技术存在的问题，本发明提供一种用于金属壳体结构的高精度快速制孔装备及制孔方法，目的旨在解决手工制孔过程中制孔效率低、质量一致性差、工人劳动强度大等问题，提高航天产品装配制孔过程的数字化水平。
本发明的技术方案为：一种用于金属壳体结构的高精度快速制孔装备，包括底座，在底座上设置有立柱，立柱相对于底座可沿X轴水平方向运动；在所述立柱的第一侧面上设置有滑座，滑座相对于立柱可沿Y轴竖直方向运动；在所述滑座上设置有钻铣执行装置。
进一步的，所述钻铣执行装置包括滑枕，滑枕相对于滑座可沿Z轴水平方向运动，滑枕上固定连接有回转装置，回转装置上安装有钻铣部件，钻铣部件可绕A轴旋转摆动；所述钻铣部件包括主轴，主轴上安装有刀具，主轴可沿W轴做进给运动。
进一步的，在所述立柱的第二侧面上安装有自动换刀装置，所述自动换刀装置包括基座，基座上固定连接有气缸，气缸的活塞杆连接有平移滑台，平移滑台可沿V轴水平方向运动，平移滑台上设置有刀库刀夹，刀库刀夹上安装有多把刀具。
进一步的，所述基座和立柱旁变还设置有回转工作台，回转工作台上通过工装夹具安装有工件，所述回转工作台可绕C轴旋转做回转运动。
进一步的，所述回转工作台的绕C轴回转运动是通过采用零背隙齿轮驱动固定在回转工作台下方的外齿圈而实现的。
进一步的，所述回转装置的绕A轴旋转摆动是通过采用蜗轮蜗杆的箱体结构来实现的。
进一步的，所述立柱的X轴运动、滑座的Y轴运动、滑枕的Z轴运动均是通过丝杠的旋转带动丝杠螺母做直线运动来实现的。
进一步的，所述工装夹具包括过渡工装板、轴向导杆、轴向固定压杆、锁紧螺母等。
进一步的，所述快速制孔装备还包括控制柜及操控台、安装踏台。
一种用于金属壳体结构的快速制孔方法，采用上述快速制孔装备，包括如下步骤：
a.一键回零，使主轴中心和回转工作台中心线重合；
b.将工装过渡板安装到回转工作台，通过销钉定位；
c.通过工件上事先加工好的销钉孔将工件安装定位到过渡工装板的销钉上，用工装夹具固定工件；
d.在主轴位置放置磁性底座百分表，旋转回转工作台，通过测量工件上端面上的事先插入的两个销钉，检验工件轴心是否和工作台轴心重合，若重合则以销钉孔圆心位置为基准，加工工件上端面上的其它位置孔；
e.将上端面加工完后调头，并以上端面上的两个销钉孔定位将工件安装到工装过渡板上，并装夹固定工件；
f.重复步骤d，加工下端面上的其它位置孔。
本发明通过各部件的X、Y、Z、A、C、W等多轴运动自由度的相互配合，可满足锥型和圆柱型金属壳体工件端面和侧壁的高精度自动钻孔和铣孔要求，设备配备专用工装，可用于加工的工件的直径范围Φ300mm～Φ1200mm，高度范围1200mm及以下，设备支持最大制孔孔径Φ30mm。本装备实现了金属壳段产品的自动化加工、降低了对工人数量和技术水平的依赖程度、提高了产品加工效率和质量，保证了产品交付进度，降低了工人劳动强度。
附图说明
图1本发明高精度快速制孔装备的组成机构示意图。
图2为钻铣执行装置结构示意图。
图3为侧壁孔制孔示意图(3a为圆柱面制孔，3b为锥面制孔)。
图4为端面制孔示意图(4a为端面直孔制孔，4b为端面斜孔制孔)。
图5为回转工作台剖面图。
图6为自动换刀装置安装位置示意图。
图7为自动换刀装置的结构组成示意图。
图8为工装夹具结构示意图。
图9为工件装夹操作示意图。
图10为制孔加工工艺流程图(10a回零状态，10b定位过渡工装板，10c装夹工件，10d制小端孔，10e翻转工件，10f制大端孔)。
图中标记：1底座，2立柱，3滑座，4钻铣执行装置，5回转工作台，6工件，7安装踏台，8控制柜及操作台，9自动换刀装置，10过渡工装板，11轴向导杆，12轴向固定压杆，13锁紧螺母，14磁性底座百分表，41滑枕，42回转装置，43钻铣部件，44Z向传动部件，51回转工作台面，52圆弧导轨组件，53伺服电机及减速机，54零背隙齿轮，91基座，92气缸，93平移滑台，94刀库刀夹。
具体实施方式
下面结和附图，对本发明做更详细的说明。
通过认真分析金属壳体产品工件的结构形式、尺寸、孔径、孔位及各精度指标，确定金属壳体结构高精度快速制孔装备的技术方案。
1、制孔装备结构组成
依据制孔技术需求，设计数控制孔装备，装备的机械部分如图1、图2、图6所示，主要由底座1、立柱2、滑座3、钻孔执行装置4、滑枕41、回转工作台5、自动换刀装置9、控制柜及操控台8、安装踏台7、工装夹具等几大部件组成。
如图1所示，装备包括6个运动自由度，分别为：
(1)立柱的水平移动(X轴)；
(2)滑枕的竖直进给运动(Y轴)；
(3)滑枕的水平方向运动(Z轴)；
(4)钻孔主轴的摆动(A轴)；
(5)回转工作台转动(C轴)；
(6)主轴的进给运动(W轴)。
2、钻铣执行装置
为满足工件侧壁径向孔、法向孔和端面直孔、斜孔的加工需求，钻铣执行装置集成了钻铣部件43、回转装置42、滑枕41、Z向传动部件44等零部件，如图2所示，电主轴通过以铣带钻的方式支持最大制孔孔径Φ30mm。
通过对各运动部件的协调控制，实现工件外表面通孔和盲孔的钻孔工作。其中，钻孔位置由X/Y/Z/C轴实现，孔的轴线方向由A轴实现，钻孔动作由X/Y/Z轴的联动控制实现。侧壁孔的制孔如图3所示，端面孔的制孔如图4所示。
为满足制孔孔径范围要求，选用数格电主轴，该主轴可直接钻削直径15mm以下的铝合金孔，直径15mm-30mm铝合金孔可通过X/Y轴的联动控制以“以铣代钻”的形式实现制孔需求。主轴功率7.5KW，转速24000rpm，扭矩为6.1Nm，BT30刀柄，含编码器。
主轴的摆动通过高精度伺服回转装置实现，该回转装置采用了蜗轮蜗杆的箱体结构设计，主要由蜗轮蜗杆、传动芯轴、交叉滚柱轴承、伺服电机、齿轮副等零部件组成，该回转装置结构紧凑、自动化程度高，具有高精度、高刚度、高效率的特点。
3、运动轴传动方式
立柱2固定在底座1上方，立柱部件相对于底座部件水平运动(X轴)的传动方式为：伺服电机经减速机带动丝杠旋转，丝杠螺母将丝杠旋转运动转换成直线运动，驱动立柱部件沿X方向水平移动；导向采用并行布置的两根直线滚动导轨。
滑枕在滑座上水平进给(Z轴)运动的传动方式为：采用伺服电机经减速机带动丝杠旋转，丝杠螺母将丝杠旋转运动转换成直线运动，驱动滑枕沿Z方向水平直线进给；导向采用并行布置的两根直线滚动导轨。
滑座在立柱部件上垂直升降(Y轴)运动的传动方式为：伺服电机经减速机带动丝杠旋转，丝杠螺母将丝杠旋转运动转换成直线运动，驱动滑座垂直方向升降；导向采用并行布置的两根直线滚动导轨。
4、回转工作台
工作台的结构如图5所示，其传动方式为：伺服电机及减速机53驱动主齿轮带动固定在回转工作台下方的外齿圈转动，从而实现工作台的回转运动。通过THK环形导轨52来支撑工作台面51并保证工作台的平稳回转。此处齿轮传动采用由日本加茂精工生产的零背隙齿轮54，该零背隙齿轮的齿(滚销)有2～3处常时保持接触，正反方向上不会产生背隙，具有高精度、低噪音、低磨损且更耐久的特点，特别适用于需高精度定位的回转运动中。
5、自动换刀装置
为实现加工自动化，减少人工换刀时间，设备上设置专用自动换刀装置9，其安装于立柱前侧面上，如图6所示。自动换刀装置的机械部分主要由基座91、气缸92、平移滑台93、刀库刀夹94和气动控制等零部件组成，如图7所示。
换刀装置可满足8把BT30刀柄的自动换刀，主要运动自由度为刀库平移滑台的水平移动(V轴)，其工作原理为气缸推送刀库至换刀点，主轴移到换刀位置，主轴进给换刀，如图6所示。
6、工装夹具设计
回转工作台的工装夹具如图8所示，主要由过渡工装板10、轴向导杆11、轴向固定压杆12和锁紧螺母13等组成。轴向导杆11可进行高低手动调节。安装踏台7便于工人安装、拆卸工件和加工前的工件位置校正等用途。
7、制孔工艺方法
(1)工件装夹工艺流程：
a.放置工件：通过工件上事先加工好的销钉孔将工件定位到过渡工装板的销钉上；
b.检测定位：在主轴位置放置磁性底座百分表14，如图9所示，回转工作台旋转，测量工件端面上的两个销钉(事先在加工好的销钉孔内插上销钉)，检验工件轴心与工作台中心是否重合，如果重合可进行后续加工，如不重合需检查原因微调至重合；
c.固定：锁紧轴向固定压板，完成工件的固定。
(2)制孔加工工艺流程(如图10所示)，以锥形壳体工件为例：
a.一键回零，让主轴中心和工作台中心线重合。
b.将工装过渡板安装到回转工作台，通过销钉定位。
c.将工件安装到工装过渡板上，通过工件大端面上事先加工好的两个销钉孔来定位。
d.通过测量小端面上的两个销钉(事先在加工好的销钉孔内插上销钉)，以此检验工件轴心是否和工作台轴心重合，如果重合即以销钉孔圆心位置为基准，加工小端面上的其它位置孔。
e.将小端加工完后调头，并以小端面上的两个销钉孔定位将工件安装到工装过渡板上。
f.通过测量大端面上的两个销钉(事先在加工好的销钉孔内插上销钉)，以此检验工件轴心是否和工作台轴心重合，如果重合即以销钉孔圆心位置为基准，加工大端面上的其它位置孔。
8、制孔装备的主要技术指标和特点：
设备包括X、Y、Z、A、C、W六个运动轴，可满足对直径300mm～1200mm、高度1200mm以下范围内的圆柱、圆锥形金属壳体工件的侧壁法向孔和径向孔、端面直孔和斜孔的钻、铣加工。
设备主要参数为：
(1)X轴行程：550mm,运动速度5000mm/min，最大速度10000mm/min；
(2)Y轴行程：1600mm，运动速度5000mm/min，最大速度10000mm/min；
(3)Z轴行程：850mm，运动速度5000mm/min，最大速度10000mm/min；
(4)A轴行程：±100°；
(5)C轴行程：±360°，工作台回转速度2.5rpm；
(6)X轴定位精度：0.03mm，重复定位精度0.015mm；
(7)Y轴定位精度：0.05mm，重复定位精度0.025mm；
(8)Z轴定位精度：0.03mm，重复定位精度0.015mm；
(9)A轴定位精度：25”，重复定位精度20”；
(10)C轴定位精度：25”，重复定位精度15”；
(11)电主轴转速24000rpm，最大功率7.5kW；
(12)回转工作台平面度不超过0.1mm。
目前，本发明的制孔装备及方法已成功应用与某型号伺服控制舱、某型号姿控舱上、中、下壳体、尾段壳体、以及某型号级间段壳体、尾段壳体等多个型号产品中，克服了装配制孔过程对人员的依赖性大，手工制孔方式存在的制孔精度低、质量一致性差、制孔效率低、生产周期长、制造成本高、生产资源利用率低等问题，实现了金属壳段产品的自动化加工、降低了对工人数量和技术水平的依赖程度、提高了产品加工效率和质量，保证了产品交付进度，降低了工人劳动强度。
另外，本发明推广应用前景广阔，其设备及方法通过局部调整，可应用于结构尺寸范围更加广泛的产品中，对于提升航天制造业的数字化水平具有示范意义。

Claims (10)

1.一种用于金属壳体结构的高精度快速制孔装备，其特征在于：包括底座，在底座上设置有立柱，立柱相对于底座可沿X轴水平方向运动；在所述立柱的第一侧面上设置有滑座，滑座相对于立柱可沿Y轴竖直方向运动；在所述滑座上设置有钻铣执行装置，所述钻铣执行装置包括滑枕，滑枕相对于滑座可沿Z轴水平方向运动，滑枕上固定连接有回转装置，回转装置上安装有钻铣部件，钻铣部件可绕A轴旋转摆动；所述钻铣部件包括主轴，主轴上安装有刀具，主轴可沿W轴做进给运动。
2.根据权利要求1所述的一种用于金属壳体结构的高精度快速制孔装备，其特征在于：在所述基座和立柱旁边还设置有回转工作台，回转工作台上通过工装夹具安装有工件，所述回转工作台可绕C轴旋转做回转运动。
3.根据权利要求2所述的一种用于金属壳体结构的高精度快速制孔装备，其特征在于：所述工装夹具包括过渡工装板、轴向导杆、轴向固定压杆、锁紧螺母等。
4.根据权利要求2所述的一种用于金属壳体结构的高精度快速制孔装备，其特征在于：所述回转工作台的绕C轴回转运动是通过采用零背隙齿轮驱动固定在回转工作台下方的外齿圈而实现的。
5.根据权利要求1所述的一种用于金属壳体结构的高精度快速制孔装备，其特征在于：在所述立柱的第二侧面上安装有自动换刀装置，所述自动换刀装置包括基座，基座上固定连接有气缸，气缸的活塞杆连接有平移滑台，平移滑台可沿V轴水平方向运动，平移滑台上设置有刀库刀夹，刀库刀夹上安装有多把刀具。
6.根据权利要求1所述的一种用于金属壳体结构的高精度快速制孔装备，其特征在于：所述回转装置的绕A轴旋转摆动是通过采用蜗轮蜗杆的箱体结构来实现的。
7.根据权利要求1所述的一种用于金属壳体结构的高精度快速制孔装备，其特征在于：所述立柱的X轴运动、滑座的Y轴运动、滑枕的Z轴运动均是通过丝杠的旋转带动丝杠螺母做直线运动来实现的。
8.根据权利要求1所述的一种用于金属壳体结构的高精度快速制孔装备，其特征在于：所述快速制孔装备还包括控制柜及操控台、安装踏台。
9.根据权利要求2所述的一种用于金属壳体结构的高精度快速制孔装备，其特征在于：所述装备的最大制孔孔径Φ30mm，可用于加工的工件的直径范围Φ300mm～Φ1200mm，高度范围1200mm及以下。
10.一种用于金属壳体结构的高精度快速制孔方法，采用上述快速制孔装备，包括如下步骤：
a.一键回零，使主轴中心和回转工作台中心线重合；
b.将工装过渡板安装到回转工作台，通过销钉定位；
c.通过工件上事先加工好的销钉孔将工件安装定位到过渡工装板的销钉上，用工装夹具固定工件；
d.在主轴位置放置磁性底座百分表，旋转回转工作台，通过测量工件上端面上的事先插入的两个销钉，检验工件轴心是否和工作台轴心重合，若重合则以销钉孔圆心位置为基准，加工工件上端面上的其它位置孔；
e.将上端面加工完后调头，并以上端面上的两个销钉孔定位将工件安装到工装过渡板上，并装夹固定工件；
f.重复步骤d，加工下端面上的其它位置孔。
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