CN114871823B - 一种自动进给钻削单元的模块化传动装置 - Google Patents

一种自动进给钻削单元的模块化传动装置 Download PDF

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Abstract

本发明属于加工设备领域，提出了一种自动进给钻削单元的模块化传动装置。该模块化传动装置主要包括旋转运动轮系与进给运动轮系，模块化传动装置与动力单元模块对接，动力单元模块中包含旋转电机和进给电机；旋转运动轮系由定轴轮系构成，进给运动轮系由定轴轮系与二自由度行星轮系构成。该模块化传动装置能实现由旋转电机和进给电机分别独立控制主轴转速与进给速度，可实现主轴转速与进给速度无级可调。该模块化传动装置重量轻，体积小，适应狭小空间制孔需求；通用花键接口可以快速与动力单元模块对接，操作快捷方便；模块化设计方便系列化生产，适应多种类制孔工况。

Description

一种自动进给钻削单元的模块化传动装置
技术领域
本发明涉及加工设备领域，尤其涉及一种自动进给钻削单元的模块化传动装置。
背景技术
轻质高强的碳纤维增强树脂基复合材料(CFRP)以及耐交变载荷的金属材料(如钛合金、铝合金等)是航空航天高端装备减重增效的优选。为保障CFRP及叠层结构的高可靠装配、高性能服役，须高效率加工数以万计的多种类连接孔。由于其制孔环节多在装配现场进行，空间限制，传统数控机床、工业机械臂等加工可达性差、难以适用；不得已采用手工加工方式，钻孔步骤繁琐，加工效率很低，难以满足生产需求。因此，需要开发一种能适应狭小空间多种类制孔需求的轻量紧凑便携式制孔设备。
国外对便携式自动制孔设备的研究工作开展较早，目前市场上已有多家公司的自动进给钻产品，如法国APEX公司的Jeremy Dean Watford等人发明了“Feed OscillationVia Variable Pitch Gears”，专利号为ZL 14/990,042，该发明采用气动马达驱动模式，通过齿轮传动将动力输出到主轴，实现固定的旋转速度与进给速度，整个机构采用纯机械方式驱动，可靠性较高，但其传动比固定，无法在钻削过程中改变加工参数，一台设备仅适用于一到两种工况，面对多种类连接孔制孔需求时需要配备多台设备，成本昂贵。大连理工大学的王福吉等人发明了“一种便携式半自动制孔设备及制孔方法”，专利号为ZL202010441887.3，设备采用双电机驱动模式，两电机分别控制设备的旋转运动和进给运动，可实现无级变速和改变工艺参数，但是其采用的双滚珠丝杠推动花键主轴实现进给的方式，传动链体积与重量都较大，在狭小空间内应用仍有一定的局限性；其主轴转速与进给速度虽无级可调但电机与传动链与主轴为一个整体，在工况差异大的情况下仍需要多台设备，便携性低，且一旦有一个零部件损坏将进行整机拆装维修，成本依然昂贵。
综上所述，为满足航空航天装配现场狭小空间多种类制孔对装备轻量化、系列化和同时控制主轴转速与进给速度的要求，需要开发轻量紧凑可以独立控制主轴转速和进给，实现转动和平动同时进行的传动装置。
发明内容
本发明为克服现有技术的不足，提出了一种自动进给钻削单元的模块化传动装置。该模块化传动装置2主要包括主要包括进给运动轮系204与旋转运动轮系205与其他零件，模块化传动装置2与动力单元模块1对接，动力单元模块1中包含旋转电机和进给电机。该模块化传动装置2能实现由旋转电机通过旋转电机输出花键轴102控制主轴转速，由进给电机通过进给电机输出花键轴101控制进给速度。
工作原理
主轴207后端为开有相对称的长键槽的梯形螺纹丝杆，连接旋转输出正齿轮20502，旋转输出正齿轮20502与旋转输入正齿轮20503啮合，传动比为i12；太阳轮轴20417的中间轴段齿轮为行星轮系太阳轮，双联齿轮20407为行星轮轮系齿轮圈，内外圈均有轮齿，外齿圈与电机输入齿轮轴20412中段的齿轮啮合，内齿圈与行星轮20418啮合；行星轮20418，通过传动销20419与行星轮系输出轮20401相连，齿轮圈角速度为0时行星轮系传动比为i37；行星轮系输出轮20401与主轴进给输出轮20403啮合，传动比为i78，主轴进给输出轮20403与主轴207构成螺旋副，将旋转运动转化为直线运动实现进给。方案中的双联齿轮20407并不固定，通过外齿圈被进给电机驱动，行星轮系具有两个自由度，主轴进给输出轮20403转速由两个电机转速共同控制，主轴进给速度由主轴进给输出轮20403与主轴207转速差delta决定；
进给速度可通过进给电机独立控制，满足公式(1)，其中k为常数，ω20412为主轴输入齿轮轴20412转速，ω20502为旋转输出正齿轮20502转速，ω20403为主轴进给输出轮20403转速，ω20417为太阳轮轴20417转速。当ω20412＝0时，delta＝0，即ω20403＝ω20502，当ω20412＝0时，ω20403与ω20502计算公式为(2)与(3)，传动比i78、i37、i12满足i78×i37＝i12；
delta＝k×ω20412(1)
ω20403＝i78×i37×ω20417(2)
ω20502＝i12×ω20417(3)
本发明的技术方案如下：
如图1、图2所示，该模块化传动装置2与动力单元模块1配合使用；动力单元模块1，包括进给电机输出花键轴101和旋转电机输出花键轴102；
如图3所示，传动轮系箱体包含防尘套201、后齿轮箱外壳202、定位销203、前齿轮箱外壳208、普通螺栓209和导向模块210；前齿轮箱外壳208与后齿轮箱外壳202上有销孔，两者通过销进行定位，通过普通螺栓209连接，构成传动轮系箱体；
如图3、图4所示，模块化传动装置2包括进给运动轮系204与旋转运动轮系205；进给运动轮系204包括行星轮系输出轮20401、轴承A20402、主轴进给输出轮20403、推力滚针轴承20404、超薄滚针轴承20405、弹性挡圈20406、双联齿轮20407、轴承B20408、平键20409、轴套A20410、轴承C20411、电机输入齿轮轴20412、轴承D20413、轴承E20414、轴承F20415、轴承G20416、太阳轮轴20417、行星轮20418、传动销20419、轴套B20420和轴套C20421；
主轴进给输出轮20403右端安装在轴承A20402内圈，左侧通过推力滚针轴承20404和超薄滚针轴承20405与旋转输出正齿轮20502连接，主轴进给输出轮20403与主轴207配合，构成螺纹副，将旋转运动转化为进给运动；太阳轮轴20417整体通过轴承B20408和轴承G20416安装在传动轮系箱体上，固定；双联齿轮20407包含外齿圈、内齿圈，双联齿轮20407安装于轴承E20414外圈，并用弹性挡圈20406固定，轴承E20414通过轴套A20410安装于太阳轮轴20417上；行星轮20418通过传动销20419安装到行星轮系输出轮20401上；行星轮系输出轮20401通过轴套B20420、轴套C20421与轴承F20415安装在太阳轮轴20417上；电机输入齿轮轴20412左右两端为阶梯轴，中段有齿轮，右端末端有花键轴，阶梯轴用于安装轴承，对轴承C20411和轴承D20413进行限位，花键轴用于与动力单元模块进行对接，获取动力；
如图5所示，旋转运动轮系205包含轴承H20501、旋转输出正齿轮20502、旋转输入正齿轮20503；轴承H20501安装于旋转输出正齿轮20502左侧，旋转输出正齿轮20502与旋转输入正齿轮20503啮合，旋转输入正齿轮20503有键槽，通过平键20409与太阳轮轴20417连接；
如图6所示，螺纹轴定位环一206与螺纹轴定位环二211结构相同，包含紧定螺钉20601、开口防松环20602和内螺纹定位环20603；紧定螺钉20601与内螺纹定位环20603螺纹配合，开口防松环20602位于二者间，防止紧定螺钉20601脱落；
该装置动力传递关系为，旋转动力由太阳轮轴20417最右端花键轴传入，经过旋转输入正齿轮20503与旋转输出正齿轮20502啮合，传递到主轴207，进给运动动力由两部分构成，一部分是由太阳轮轴20417最右端的花键轴输入，经过行星轮系结构，以行星轮系输出轮20401和主轴进给输出轮20403啮合输出到主轴207；另一部分由电机输入齿轮轴20412最右端输入，经过主轴输入齿轮轴20412上的齿轮与双联齿轮20407啮合，双联齿轮20407与行星轮20418啮合，行星轮20418与啮合行星轮系输出轮20401啮合，进而传递到主轴207，两部分动力满足差速关系可实现进给运动的控制。
本发明的有益效果是，提供一种自动进给钻削单元的模块化传动装置，通过二自由度行星轮系，实现两电机对主轴旋转与直线运动两个自由度的独立控制，并集成化模块化，减小了体积，降低了重量，整体轻量紧凑，更加适应狭小空间制孔需求；模块化传动装置通过花键与动力单元模块快速对接，互换性强，可以一次准备多个传动装置使模块化传动装置，在具有多种类制孔需求的工况里更有优势，加工效率更高；模块化设计有利于降低产品设计生产的时间与成本，从而降低使用成本。
附图说明
图1为自动钻削单元整体视图；
图2为自动进给钻削单元的动力模块视图；
图3为自动进给钻削单元的模块化传动装置部分爆炸图；
图4为自动进给钻削单元的模块化传动装置进给部件爆炸图；
图5为自动进给钻削单元的模块化传动装置旋转部件爆炸图；
图6为螺纹轴定位环爆炸图；
其中：1动力单元模块，101进给电机输出花键轴，102旋转电机输出花键轴；2模块化传动装置，201防尘套，202后齿轮箱外壳，203定位销，204进给运动轮系，205旋转运动轮系，206螺纹轴定位环一，207主轴，208前齿轮箱外壳，209普通螺栓，210导向模块，211螺纹轴定位环二，212普通螺栓；20401行星轮系输出轮，20402轴承A，20403主轴进给输出轮，20404推力滚针轴承，20405超薄滚针轴承，20406弹性挡圈，20407双联齿轮，20408轴承B，20409平键，20410轴套A，20411轴承C，20412电机输入齿轮轴，20413轴承D，20414轴承E，20415轴承F，20416轴承G，20417太阳轮轴，20418行星轮，20419传动销，20420轴套B，20421轴套C；20501轴承H，20502旋转输出正齿轮，20503旋转输入正齿轮，20601紧定螺钉，20602开口防松环，20603内螺纹定位环。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。
参考图1至图6，一种便携式高精度自动进给钻削装备，包括：动力单元模块1、模块化传动装置2；模块化传动装置2主要包括进给运动轮系204与旋转运动轮系205。
本实施例中，前齿轮箱外壳208与后齿轮箱外壳202扣合，用定位销203定位，用普通螺栓212连接，防尘套201安装于主轴207后，用于防止尘土进入。太阳轮轴20417被电机直接驱动，通过键带动旋转输入正齿轮20503转动，旋转输入正齿轮20503与旋转输出正齿轮20502啮合传动，旋转输出正齿轮20502带动主轴207旋转，电机直接驱动的电机输入齿轮轴20412，电机输入齿轮轴20412带动双联齿轮20407，太阳轮轴20417与双联齿轮20407共同驱动行星轮20418，行星轮20418通过传动销20419带动行星轮系输出轮20401，行星轮系输出轮20401与主轴进给输出轮20403啮合使之转动，主轴进给输出轮20403与主轴207螺纹配合实现主轴的进给运动。模块化传动装置2的导向模块210通过凸台与前齿轮箱外壳208定位，通过普通螺栓209与前齿轮箱外壳208连接，导向模块210与主轴207间隙配合，对主轴207起导向作用，螺纹轴定位环二211与螺纹轴定位环一206安装在主轴207上，用于限制其轴向运动距离。
本实施例中，推力滚针轴承20404与超薄滚针轴承20405安装于主轴进给输出轮20403与旋转输出正齿轮20502之间，用于减小摩擦力，轴承G20416、轴承B20408与轴承C20411安装于前齿轮箱外壳208，轴承G20416与轴承A20402用于安装旋转输出正齿轮20502与主轴进给输出轮20403，轴承A20402、轴承G20416与轴承D20413安装于后齿轮箱外壳202，轴承B20408与轴承G20416用于安装太阳轮轴20417，轴承C20411与轴承D20413用于安装电机输入齿轮轴20412，轴套A20410安装与太阳轮轴20417上，轴承E20414安装于轴套A20410与双联齿轮20407之间，弹性挡圈20406安装于双联齿轮一侧，用于限制轴承E20414轴向移动，轴承F20415安装于太阳轮轴20417与行星轮系输出轮20401之间，轴套C20421安装于轴承F20415左侧，轴套B20420安装于轴承F20415右侧。
本实施例中，紧定螺钉20601与内螺纹定位环20603螺纹配合，再用开口防松环20602防止紧定螺钉20601脱落。

Claims (2)

1.一种自动进给钻削单元的模块化传动装置，其特征在于，该模块化传动装置(2)与动力单元模块(1)配合使用；
动力单元模块(1)，包括进给电机输出花键轴(101)和旋转电机输出花键轴(102)；
传动轮系箱体包含防尘套(201)、后齿轮箱外壳(202)、定位销(203)、前齿轮箱外壳(208)、普通螺栓(209)和导向模块(210)；前齿轮箱外壳(208)与后齿轮箱外壳(202)上有销孔，两者通过销(217)进行定位，通过普通螺栓(209)连接，构成传动轮系箱体；
模块化传动装置(2)包括进给运动轮系(204)与旋转运动轮系(205)；进给运动轮系(204)包括行星轮系输出轮(20401)、轴承A(20402)、主轴进给输出轮(20403)、推力滚针轴承(20404)、超薄滚针轴承(20405)、弹性挡圈(20406)、双联齿轮(20407)、轴承B(20408)、平键(20409)、轴套A(20410)、轴承C(20411)、电机输入齿轮轴(20412)、轴承D(20413)、轴承E(20414)、轴承F(20415)、轴承G(20416)、太阳轮轴(20417)、行星轮(20418)、传动销(20419)、轴套B(20420)和轴套C(20421)；
旋转运动轮系(205)包含轴承H(20501)、旋转输出正齿轮(20502)、旋转输入正齿轮(20503)；轴承H(20501)安装于旋转输出正齿轮(20502)左侧，旋转输出正齿轮(20502)与旋转输入正齿轮(20503)啮合，旋转输入正齿轮(20503)有键槽，通过平键(20409)与太阳轮轴(20417)连接；
主轴进给输出轮(20403)右端安装在轴承A(20402)内圈，左端通过推力滚针轴承(20404)和超薄滚针轴承(20405)与旋转输出正齿轮(20502)连接，主轴进给输出轮(20403)与主轴(207)配合，构成螺纹副，将旋转运动转化为进给运动；太阳轮轴(20417)整体通过轴承B(20408)和轴承G(20416)安装在传动轮系箱体上，固定；双联齿轮(20407)包含外齿圈、内齿圈，双联齿轮(20407)安装于轴承E(20414)外圈，并用弹性挡圈(20406)固定，轴承E(20414)通过轴套A(20410)安装于太阳轮轴(20417)上；行星轮(20418)通过传动销(20419)安装到行星轮系输出轮(20401)上；行星轮系输出轮(20401)通过轴套B(20420)、轴套C(20421)与轴承F(20415)安装在太阳轮轴(20417)上；电机输入齿轮轴(20412)左右两端为阶梯轴，中段有齿轮，右端末端有花键轴，阶梯轴用于安装轴承，对轴承C(20411)和轴承D(20413)进行限位，花键轴用于与动力单元模块进行对接，获取动力；
螺纹轴定位环一(206)与螺纹轴定位环二(211)结构相同，包含紧定螺钉(20601)、开口防松环(20602)和内螺纹定位环(20603)；紧定螺钉(20601)与内螺纹定位环(20603)螺纹配合，开口防松环(20602)位于二者间，防止紧定螺钉(20601)脱落；
该装置动力传递关系为，旋转动力由太阳轮轴(20417)最右端花键轴传入，经过旋转输入正齿轮(20503)与旋转输出正齿轮(20502)啮合，传递到主轴(207)，进给运动动力由两部分构成，一部分是由太阳轮轴(20417)最右端的花键轴输入，经过行星轮系结构，以行星轮系输出轮(20401)和主轴进给输出轮(20403)啮合输出到主轴(207)；另一部分由电机输入齿轮轴(20412)最右端输入，经过主轴输入齿轮轴(20412)上的齿轮与双联齿轮(20407)啮合，双联齿轮(20407)与行星轮(20418)啮合，行星轮(20418)与啮合行星轮系输出轮(20401)啮合，进而传递到主轴(207)，两部分动力满足差速关系可实现进给运动的控制。
2.根据权利要求1所述的一种自动进给钻削单元的模块化传动装置，其特征在于，主轴(207)后端为开有相对称的长键槽的梯形螺纹丝杆，连接旋转输出正齿轮(20502)，旋转输出正齿轮(20502)与旋转输入正齿轮(20503)啮合，传动比为i12；太阳轮轴(20417)的中间轴段齿轮为行星轮系太阳轮，双联齿轮(20407)为行星轮轮系齿轮圈，内外圈均有轮齿，外齿圈与电机输入齿轮轴(20412)中段的齿轮啮合，内齿圈与行星轮(20418)啮合；行星轮(20418)，通过传动销(20419)与行星轮系输出轮(20401)相连，齿轮圈角速度为0时行星轮系传动比为i37；行星轮系输出轮(20401)与主轴进给输出轮(20403)啮合，传动比为i78，主轴进给输出轮(20403)与主轴(207)构成螺旋副，将旋转运动转化为直线运动实现进给；双联齿轮(20407)并不固定，通过外齿圈被进给电机驱动，行星轮系具有两个自由度，主轴进给输出轮(20403)转速由两个电机转速共同控制，主轴进给速度由主轴进给输出轮(20403)与主轴(207)转速差delta决定；
进给速度通过进给电机独立控制，满足公式(1)，其中k为常数，ω20412为主轴输入齿轮轴(20412)转速，ω20502为旋转输出正齿轮(20502)转速，ω20403为主轴进给输出轮(20403)转速，ω20417为太阳轮轴(20417)转速；当ω20412＝0时，delta＝0，即ω20403＝ω20502，当ω20412＝0时，ω20403与ω20502计算公式为(2)与(3)，传动比i78、i37、i12满足i78×i37＝i12；
delta＝k×ω20412    (1)
ω20403＝i78×i37×ω20417    (2)
ω20502＝i12×ω20417    (3)。
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