CN111604527B - 一种用于螺旋铣孔的末端执行装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适用于螺旋铣孔的末端执行装置，该装置的伺服电机和螺旋铣单元组件通过离合转换机构组件连接，螺旋铣单元组件上设置有压脚单元组件；本发明中的单个伺服电机同时控制偏心调节和公转。通过控制气缸来控制齿轮的啮合状态，实现调节偏心距与螺旋铣孔状态的切换，最终实现单个伺服电机同时控制偏心调节和公转，同时也降低了装置的自重。

Description

一种用于螺旋铣孔的末端执行装置

技术领域

本发明涉及产品机械加工制造领域，尤其涉及一种用于螺旋铣孔的末端执行装置。

背景技术

随着制造技术的高速发展，切削加工作为制造技术的基础工艺，取得了巨大的进步，尤其在航空航天领域。在航空航天产品制造过程中，许多零部件需要加工大量孔用于后期的定位和连接等。传统的制孔过程需要经过钻孔、铰孔、锪孔、去毛刺等工序，虽然能够满足制孔的技术指标要求，但一般存在效率低、制孔质量不稳定、加工成本高等缺点，而且当制孔的规格比较多时，需要频繁更换刀具，使得制造精度和效率进一步下降。对于飞机的大型零部件，因其对制孔质量的技术要求比较高，一般只能在大型机床上加工，加工设备成本普遍高。此外，随着大型客机研制工作的的推进，大厚度复合材料-钛合金等可加工性能差的材料在飞机上的大量使用，更是增加了制孔的难度。传统制孔方式是一个连续切削的过程，散热较差，加工过程中产生的热量会加剧刀具的磨损，进而影响刀具的寿命和孔的加工精度。螺旋铣孔技术出现后，对于这些传统的制孔技术的难题，提供了新的解决方案。螺旋铣孔技术克服了传统钻孔技术的一些局限，即可以满足非连续加工，降低温升，又可以实现一把刀具加工一系列直径孔。螺旋铣孔工艺不仅适用于一般材料制孔，而且对于加工钛合金和航空复合材料等制孔，也具有效率高、制孔质量好，成本低等显著优点。

中国专利CN102689040B公开了一种螺旋铣孔装置，通过手动调节偏心距实现了对工件的螺旋铣孔孔功能，但是偏心距不能自动调节，需要人工辅助，存在偏心误差问题。

中国专利CN108515216B公开了一种螺旋铣孔装置，实现了电机驱动公转机构和偏心调节机构，保证了加工孔的精度，但是该装置需要多个电机作为动力源。

发明内容

发明目的：

本发明提供一种用于螺旋铣孔的末端执行装置，目的在于解决上述问题，提供一种单个电机调节不同偏心距的螺旋制孔的螺旋铣孔的末端执行装置，可实现不同偏心距的螺旋制孔。

技术方案：

一种适用于螺旋铣孔的末端执行装置，该装置的伺服电机和螺旋铣单元组件通过离合转换机构组件连接，螺旋铣单元组件上设置有压脚单元组件；

螺旋铣单元组件包括基座、装备外壳、内套筒、外套筒和水冷电主轴，装备外壳固定在基座上，外套筒设置在外壳内部，外套筒内部设置有内套筒，内套筒与外套筒活动连接，内套筒端部外周设置有从动齿轮，内套筒的中心轴与外套筒的中心轴存在一个偏心距e1，内套筒中固定有水冷电主轴，水冷电主轴与内套筒存在一个偏心距e2；

离合转换机构组件包括齿轮拨动件、传动轴、一级传动同步带轮、滑动齿轮、气缸、二级传动同步带；一级传动同步带轮与二级传动同步带通过传动轴连接，传动轴固定在基座上，一级传动同步带轮与伺服电机输出轴上设置的同步带驱动轮传动连接，二级传动同步带与外套筒传动连接，滑动齿轮设置在伺服电机的输出轴端部，滑动齿轮能与同步带驱动轮啮合或者分离，滑动齿轮与内套筒齿轮啮合，齿轮拨动件的一端与滑动齿轮接触连接，齿轮拨动件的另一端与气缸连接；

压脚单元组件包括夹头和铣刀，夹头固定在水冷电主轴上，铣刀装夹在夹头上。

外套筒与外壳通过预调轴承组活动连接，内套筒与外套筒也通过预调轴承组活动连接。

偏心距e1和偏心距e2的矢量和大于等于零，偏心距e1和偏心距e2的矢量和小于铣刀的半径。

滑动齿轮为两端齿轮设置有齿，中间为凹槽的结构，滑动齿轮的一端能与同步带驱动轮啮合，滑动齿轮的另一端与内套筒齿轮啮合，滑动齿轮中间的凹槽与齿轮拨动件接触。

传动轴的一端连接有电磁制动器。

优点和效果：

1）本发明中的单个伺服电机同时控制偏心调节和公转。通过控制气缸来控制齿轮的啮合状态，实现调节偏心距与螺旋铣孔状态的切换，最终实现单个伺服电机同时控制偏心调节和公转，同时也降低了装置的自重。

2）本发明一刀制多孔。通过调节刀具的偏移量可实现单一直径尺寸的刀具加工不同直径的孔，对孔径进行偏差补偿。

3）本发明提高了刀具寿命。螺旋铣是一种断续的切削加工过程，减少热量的聚集，减轻了加工难加工材料时的刀具磨损现象，提高了刀具寿命。

4）本发明降低了制孔时的轴向力。采用螺旋铣孔工艺，轴向切削力比传统钻削方法降低10%-20%左右。

5）本发明一机多用。该装置可以单独使用，也可以安装在机器人或其他数控设备的末端，可实现不同偏心距的螺旋制孔。

6）本发明提高制孔质量。偏心加工方式保证了切屑有足够的排出空间，避免切屑划伤孔壁表面，有利于改善孔壁的表面加工质量，制孔精度为H8。

7）本发明具有结构紧凑，体积小，节能，便携，操作方便等优点。

附图说明

图1为螺旋铣孔的末端执行装置的立体图；

图2为螺旋铣孔末端执行装置螺旋机构示意图；

图3为螺旋铣孔末端执行装置螺旋机构偏心原理示意图；

图4为螺旋铣孔末端执行装置离合转换机构组件结构图；

图中编号：1、伺服电机；2、电磁制动器；3、一级传动同步带；4、齿轮拨动件；5、传动轴；6、一级传动同步带轮；7、滑动齿轮；8、拉杆；9、气缸；10、二级传动同步带；11、同步带轮；12、底座；13、水冷电主轴；14、从动齿轮；15、装备外壳；16、夹头；17、铣刀；18、外套筒；19、内套筒；20、同步带驱动轮；21、固定板。

具体实施方式

下面结合附图及具体实例对螺旋铣孔的末端执行装置作用进一步说明。

如图1-4所示，一种适用于螺旋铣孔的末端执行装置，该装置包括螺旋铣单元组件、压脚单元组件、离合转换机构组件和伺服电机；伺服电机和螺旋铣单元组件通过离合转换机构组件连接，螺旋铣单元组件上设置有压脚单元组件；

螺旋铣单元组件包括基座12、装备外壳15、内套筒19、外套筒18和水冷电主轴13，装备外壳15固定在基座12上，外套筒18设置在外壳15内部，外套筒18与外壳15活动连接，外套筒18能够单独旋转，外套筒18内部设置有内套筒19，内套筒19与外套筒18活动连接，内套筒19端部外周设置有从动齿轮14，内套筒19的中心轴与外套筒18的中心轴存在一个偏心距e1，内套筒19中固定有水冷电主轴13，水冷电主轴13与内套筒19也存在一个偏心距e2；通过调节偏心距e1和e2，能够实现单一直径尺寸的刀具加工出不同直径的孔，偏心距e1和e2的矢量和实现对制孔直径的补偿，并最终决定制孔直径。偏心加工方式保证了切屑有足够的排出空间，避免切屑划伤孔壁表面，有利于改善孔壁的表面加工质量。

图2为当偏心距e1与偏心距e2矢量和等于零时的螺旋铣孔末端执行装置螺旋机构示意图。此状态偏心距为零，仅能实现与刀具等尺寸的制孔功能。

外套筒18与外壳15通过预调轴承组活动连接，内套筒19与外套筒18也通过预调轴承组活动连接，预调轴承组为滚针轴承，即在外套筒18与内套筒19之间加入满装小滚针，外套筒18与装备外壳15之间加入满装小滚针，能够提高接触刚度，减小安装间隙。使用的预调轴承组，在零间隙条件下减少温度波动的影响。可制孔的最大直径为20mm，制孔精度为H8，主轴转速40-20000rpm。本装置结构紧凑，具有体积小，节能，便携，操作方便等特点。

如图1和图4所示，离合转换机构组件包括齿轮拨动件4、传动轴5、一级传动同步带轮6、滑动齿轮7、气缸9、二级传动同步带10；一级传动同步带轮6与二级传动同步带10通过传动轴5连接，传动轴5的一端与基座12如图1所示的下方轴承连接，传动轴5的另一端穿过设置在基座12上的固定板22与电磁制动器2连接，电磁制动器2用于制动传动轴5，传动轴5与固定板22轴承连接，一级传动同步带轮6通过一级传动同步带3与伺服电机1输出轴上设置的同步带驱动轮20传动连接，二级传动同步带10通过二级传动同步带轮11与外套筒18传动连接，即二级传动同步带10能带动驱动外套筒18转动；伺服电机1的输出轴上依次设置有同步带驱动轮20和滑动齿轮7，同步带驱动轮20可以套接在输出轴上也可以通过轴承连接在输出轴上，伺服电机1的输出轴末端为花键轴，齿轮滑动花键21套在花键轴上，滑动齿轮7套在齿轮滑动花键21上，方便滑动齿轮7在花键轴上来回滑动，滑动齿轮7为结构较长的齿轮，滑动齿轮7为两端齿轮设置有齿，中间设置为凹槽的结构，滑动齿轮7的一端能与同步带驱动轮20啮合，滑动齿轮7的另一端始终与内套筒齿轮14啮合，滑动齿轮7中间的凹槽与齿轮拨动件4接触。齿轮拨动件4卡在滑动齿轮7中间的凹槽内，齿轮拨动件4通过拉杆8与气缸9连接，通过气缸9驱动齿轮拨动件4能够实现滑动齿轮7沿着花键轴移动，当齿轮拨动件4拨动滑动齿轮7向如图4所示的右边移动时，此时滑动齿轮7与同步带驱动轮20分开，滑动齿轮7只与内套筒齿轮14啮合，即滑动齿轮7转动能够带动内套筒齿轮14转动，内套筒齿轮14转动能够带动内套筒19转动；当齿轮拨动件4拨动滑动齿轮7向如图4所示的左边移动时，此时滑动齿轮7同时与同步带驱动轮20和内套筒齿轮14啮合，从而实现螺旋铣孔状态的切换，最终实现单个伺服电机同时控制偏心调节和公转，同时也降低了装置的自重。

即气缸9驱动齿轮拨动件4在齿轮滑动花键21上拨动，当齿轮拨动件4滑动齿轮7拨动到与同步带驱动轮20不啮合的状态，同时电磁制动器2将传动轴5制动，传动轴5制动相当于一级传动同步带轮6和二级传动同步带10制动，即外套筒18也被制动；伺服电机1工作仅带动滑动齿轮7旋转，滑动齿轮7旋转带动从动齿轮14旋转，即内套筒19旋转，由于水冷电主轴13与内套筒19存在一个偏心距e2，即此状态能够实现水冷电主轴13的偏心与公转。此时能够实现单一直径尺寸的刀具加工出不同直径的孔，偏心距e2对孔径进行偏差补偿。

当齿轮拨动件4将滑动齿轮7拨动到与同步带驱动轮20啮合的状态，此时滑动齿轮7与同步带轮和从动齿轮14同时啮合，同时电磁制动器2不制动传动轴5，伺服电机1工作带动滑动齿轮7旋转，滑动齿轮7旋转同时带动同步带驱动轮20和从动齿轮14旋转，从动齿轮14转动带动内套筒19旋转，同步带驱动轮20旋转通过一级传动同步带3带动一级传动同步带轮6旋动，一级传动同步带轮6旋动带动传动轴5旋转，传动轴5旋转带动二级传动同步带10旋转，二级传动同步带10旋转通过二级传动同步带轮11带动驱动外套筒18旋转，由于内套筒19旋转和外套筒18旋转由同一个伺服电机1驱动，所以内套筒19与外套筒18同步旋转，内套筒19与外套筒18的相对转速为0，内套筒19实现偏心旋转，由于内套筒19与外套筒18存在一个偏心距e1，且内套筒19与水冷电主轴13存在一个偏心距e2，即此状态通过设定伺服电机1的电机频率调节能调整内套筒19和外套筒18的相对转角，可以改变外套筒18与水冷电主轴13的偏心距（数值为偏心距e1与偏心距e2的矢量和），当偏心距调整完毕后，外套筒18和内套筒19同步旋转，带动水冷电主轴13实现偏心公转。结合水冷电主轴13 的自转，此时能够实现单一直径尺寸的刀具加工出不同直径孔的功能，通过调整偏心距e2可以对制孔直径进行补偿。最后水冷电主轴13带动压脚单元组件转动，通过机器人带动螺旋铣孔末端执行装置工作，实现螺旋铣孔。

偏心距e1和偏心距e2的矢量和大于等于零，偏心距e1和偏心距e2的矢量和小于铣刀17的半径。本装置中偏心距e1=3.5mm；偏心距e2=3.5mm。当偏心距e1与偏心距e2矢量和为零时，即本装置仅能实现与刀具等直径的制孔功能；偏心距e1和偏心距e2的矢量和不为零时，可以实现螺旋铣削制孔功能。

压脚单元组件包括夹头16和铣刀17，夹头16固定在水冷电主轴13上，铣刀17装夹在夹头16上。通过更换夹头16以便装夹不同直径的铣刀17。

根据铣孔大小要求选择合适的铣刀和偏心距，可通过伺服电机1的转动量电机频率来实现调节偏心距的大小；伺服电机1是动力源，通过离合转换机构组件调节，离合转换机构组件通过控制气缸9来控制滑动齿轮7不同的啮合状态，实现调节偏心距与螺旋铣孔状态的切换，最终实现单个伺服电机实现控制偏心调节和公转。

本装置工作过程，首先，将末端执行装置安装在机器人末端，在控制程序中输入偏心值、公转转速，以及水冷电主轴的转速。然后，离合转换机构中的气缸9工作拉动齿轮拨动件4，将滑动齿轮7拨动到与同步带轮不啮合的状态，同时电磁制动器2工作，将传动轴5制动，由于外套筒18通过二级传动同步带10与传动轴5连接，因此外套筒18也被制动。接着，公转和偏心调节伺服电机1工作带动滑动齿轮7旋转，从而带动从动齿轮14和内套筒旋转，实现水冷电主轴的偏心。其次，离合转换机构中的气缸9工作推动齿轮拨动件4，将滑动齿轮7拨动到与同步带轮和从动齿轮14同时啮合的状态，公转和偏心调节伺服电机1工作带动滑动齿轮7旋转，带动内套筒19和外套筒18共同旋转，内套筒19与外套筒18的相对转速为0，这就实现了单个伺服电机同时控制偏心调节和公转。最后水冷电主轴13转动，机器人带动螺旋铣孔末端执行装置工作，实现螺旋铣孔。

实施例1

本实施例中，所加工的工件飞机蒙皮材料，材质为2024铝合金。外形尺寸：直径120mm，宽100mm，厚2mm。铣刀直径为4mm，铣刀转速为3000r/min，进给量为24mm/min，孔的直径为φ5mm，偏心距（e1与e2矢量和）为0.5mm。

结论：完成了全部的制孔，操作方便，易于操作。各孔的制孔精度均能达到H8。大大降低了工人的工作强度，还提高了工作效率。

实施例2

本实施例中，所加工的工件飞机常用难加工材料，材质为碳纤维复合材料（CFRP）。外形尺寸：直径120mm，宽100mm，厚2mm。铣刀直径为φ6mm，铣刀转速为6000r/min，进给量为48mm/min，孔的直径为φ8mm，偏心距（e1与e2矢量和）为1mm。

结论：完成了全部的制孔，操作方便，易于操作。各孔的制孔精度均能达到H8。大大降低了工人的工作强度，还提高了工作效率。

Claims (5)

1.一种适用于螺旋铣孔的末端执行装置，其特征在于：该装置的伺服电机和螺旋铣单元组件通过离合转换机构组件连接，螺旋铣单元组件上设置有压脚单元组件；

螺旋铣单元组件包括基座（12）、装备外壳（15）、内套筒（19）、外套筒（18）和水冷电主轴（13），装备外壳（15）固定在基座（12）上，外套筒（18）设置在外壳（15）内部，外套筒（18）内部设置有内套筒（19），内套筒（19）与外套筒（18）活动连接，内套筒（19）端部外周设置有从动齿轮（14），内套筒（19）的中心轴与外套筒（18）的中心轴存在一个偏心距e1，内套筒（19）中固定有水冷电主轴（13），水冷电主轴（13）与内套筒（19）存在一个偏心距e2；

离合转换机构组件包括齿轮拨动件（4）、传动轴（5）、一级传动同步带轮（6）、滑动齿轮（7）、气缸（9）、二级传动同步带（10），一级传动同步带轮（6）与二级传动同步带（10）通过传动轴（5）连接，传动轴（5）固定在基座（12）上，一级传动同步带轮（6）与伺服电机（1）输出轴上设置的同步带驱动轮（20）传动连接，二级传动同步带（10）与外套筒（18）传动连接，滑动齿轮（7）设置在伺服电机（1）的输出轴端部，滑动齿轮（7）能与同步带驱动轮（20）啮合或者分离，滑动齿轮（7）与内套筒齿轮（14）啮合，齿轮拨动件（4）的一端与滑动齿轮（7）接触连接，齿轮拨动件（4）的另一端与气缸（9）连接；

压脚单元组件包括夹头（16）和铣刀（17），夹头（16）固定在水冷电主轴（13）上，铣刀（17）装夹在夹头（16）上。

2.根据权利要求1所述的适用于螺旋铣孔的末端执行装置，其特征在于：外套筒（18）与外壳（15）通过预调轴承组活动连接，内套筒（19）与外套筒（18）也通过预调轴承组活动连接。

3.根据权利要求1所述的适用于螺旋铣孔的末端执行装置，其特征在于：偏心距e1和偏心距e2的矢量和大于等于零，偏心距e1和偏心距e2的矢量和小于铣刀（17）的半径。

4.根据权利要求1所述的适用于螺旋铣孔的末端执行装置，其特征在于：滑动齿轮（7）为两端齿轮设置有齿，中间为凹槽的结构，滑动齿轮（7）的一端能与同步带驱动轮（20）啮合，滑动齿轮（7）的另一端与内套筒齿轮（14）啮合，滑动齿轮（7）中间的凹槽与齿轮拨动件（4）接触。

5.根据权利要求1所述的适用于螺旋铣孔的末端执行装置，其特征在于：传动轴（5）的一端连接有电磁制动器（2）。

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