專利名稱：深孔鉆削在線檢測與糾偏系統的制作方法
技術領域：
本發明屬于內排屑深孔加工的技術領域，特別涉及一種深孔鉆削在線檢測與糾偏系統。
背景技術：
深孔加工主要包括鉆孔和鏜孔，鏜孔使原有的底孔擴大，鉆孔通常指在實體上加工孔，鉆前，沒有底孔。深孔鉆頭，按排屑方式分主要為內排屑深孔鉆和外排屑深孔鉆。深孔加工主要方式有第一，刀具旋轉，工件進給；第二，工件旋轉，刀具進給。深孔加工是機械加工的難點，加工過程中難以觀察加工部位和刀具狀況，因此，實時檢測深孔和刀具誤差，發現偏斜，及時糾正，是需要解決的重大課題，也是遠未得到解決的技術難題。

發明內容
本發明的發明目的為了解決現有深孔加工過程中難以觀察加工部位和刀具狀況的問題，為工件旋轉、鉆頭進給、內排屑深孔鉆削加工過程，提供一種利用激光實時檢測內排屑深孔鉆頭位置和姿態(即角度)，并根據需要自動調整鉆頭姿態，使其恢復到初始值的檢測和糾偏系統。本發明采用如下的技術方案實現
深孔鉆削在線檢測與糾偏系統，其特征在于包括檢測部分以及糾偏部分，所述的檢測部分包括一號光源、二號光源、鉆桿上平行于鉆桿軸線開設的過光孔以及鉆頭背部設置的與鉆頭固定連接的光束接收區，一號光源、二號光源設置于鉆桿的后方對應過光孔的位置，光束接收區包括立方體角錐棱鏡以及反射鏡，一號光源和鉆頭位置傳感器的位置對應于立方體角錐棱鏡的高度范圍內，二號光源的前方設置鉆頭姿態傳感器，鉆頭姿態傳感器上對應二號光源的位置開設微孔，鉆頭姿態傳感器的位置對應于反射鏡的高度范圍內，
所述的糾偏部分包括拉桿結構的加力機構以及鉆桿上平行于鉆桿軸線開設的若干加力孔，加力孔的孔數大于等于三，加力機構包括電動機，電動機通過齒輪傳動副連接拉桿，拉桿穿過加力孔，拉桿頭部伸入鉆頭背部開設的連接孔內，拉桿頭部作用于球面墊圈，球面墊圈作用于蓋，蓋固定于鉆頭背部。拉桿上安裝有力傳感器。—號光源、二號光源、鉆頭位置傳感器、鉆頭姿態傳感器都固定安裝于外架上，所述的反射鏡、立方體角錐棱鏡都固定安裝于內架，內架安裝于鉆頭背部。所述的鉆頭包括鉆頭體、小直徑段、擋環、以及與鉆桿連接的螺紋段，小直徑段的直徑小于鉆頭體、鉆桿的直徑，也小于擋環的直徑，擋環的后側面緊靠在鉆桿的前端面，光束接收區設置于小直徑段外圍的空間內。所述的鉆頭背部和鉆桿的前端面上分別開有相互對應的環槽，兩個環槽上安裝有擋油環套，擋油環套配套有Y形密封圈，光束接收區和加力機構的前端設置于擋油環套和小直徑段之間的空間內。
本發明充分利用激光或強光及反射鏡、棱鏡等光學鏡的特殊屬性工作，在線檢測鉆頭在加工過程中的位置和姿態(即角度)，分別用坐標值和歐拉角表示，由計算機實時顯示。另外從內排屑深孔鉆頭背面的幾個加力孔加力，調整鉆頭姿態，在不停機的情況下，糾偏。所加的力通過力傳感器，由計算機實時顯示、監控。本發明相關主要零部件有內排屑深孔鉆頭(簡稱鉆頭)、鉆桿、光源、反射鏡、立方體角錐棱鏡、拉桿、糾正鉆頭用的電動機、運算控制器、計算機。鉆頭固定于鉆桿，鉆桿固定于進給箱上，只作進給運動。輸油器為深孔加工提供高壓油，油從輸油器孔流入，經過鉆桿與工件的間隙和鉆頭相鄰刀片間的間隙，從鉆桿內孔將 鐵屑沖出。鉆桿內孔與外圓之間鉆有一個通孔，用于通過發射光束和返回光束，簡稱過光孔。鉆頭包括刀片、鉆頭體、鉆頭背部、小直徑段、擋環、螺紋段幾部分。螺紋段固連于鉆桿，靠近螺紋段設置了擋環，螺紋擰緊后，擋環的后側面緊靠在鉆桿的端面，實現鉆頭在鉆桿上的軸向定位。小直徑段直徑較小，小于擋環的直徑，所對應的空間較大，固定于鉆頭背部的內架，位于該空間，內架內設置光束接收區。鉆頭有小直徑段是本發明的特點，小直徑段不僅提供了安裝光學鏡的空間，更重要的是，小直徑段的存在，使得調整鉆頭姿態(即角度)變成可能。光源固定于外架中，外架固定于機床上，固定不動。外架設有觀察孔，便于操作者觀察其內部元件和光束情況。本發明采用兩個激光源或兩個普通強光源，發出兩束光。一號光源、二號光源發出的一號入射光束、二號入射光束平行于鉆桿初始軸線，一號入射光束、二號入射光束穿過過光孔進入光束接收區經過光束接收區處理形成一號返回光束、二號返回光束，兩路返回光束穿過過光孔返回，一號返回光束到達鉆頭位置傳感器，二號返回光束到達鉆頭姿態傳感器。一號返回光束用于檢測鉆頭位置的變化，它平行于鉆頭初始軸線，射向相對于鉆頭固定的立方體角錐棱鏡，由于該棱鏡的特點，光束通過立方體角錐棱鏡后，以平行于入射前的方向返回到鉆頭位置傳感器，用于檢測鉆頭位置的變化，亦即鉆頭在其軸線法面內的位置變化。二號返回光束用于檢測鉆頭姿態的變化，它平行于鉆頭初始軸線，穿過傾斜設置的鉆頭姿態傳感器上開設的微孔，射向反射鏡，由反射鏡返回到鉆頭姿態傳感器。在加工工程中，當鉆頭不在原來正確的位置，鉆頭位置傳感器和姿態傳感器上的光斑將發生變化。采用現有技術能夠檢測光斑變化，比如，位置傳感器工作表面按一定規律分布著很多微小的光敏電阻，光束照射到的光敏電阻阻值將變小，由此不難求出光斑的變化。立方體角錐棱鏡不同于一般的光學棱鏡，通過它能夠反映鉆頭在垂直于光源線平面內的二維位置變化。不難理解，通過光斑的變化，也能夠反求出鉆頭姿態的變化，并可將其變化反映在計算機上。所測得的鉆頭位置、姿態數值，間接反映了孔的精度，實現了對孔的間接的在線檢測。本發明鉆頭位置傳感器和鉆頭姿態傳感器通常與計算機、運算控制器相連，計算機、運算控制器又與加力機構的驅動連接。一旦發現鉆頭不在正確位置，通過與鉆頭背部相連的拉桿，連續向鉆頭施加力，使得鉆頭姿態恢復到初始的姿態。工作原理如下在鉆桿內孔與外圓之間加工有幾個孔一加力孔，用于向鉆頭施加力的拉桿穿過加力孔中。拉桿在鉆頭背部幾個點處與鉆頭相連，便于施加力。這些點大于三，不共線，所形成的三角形或多邊形應該包容鉆桿內孔，以便于適應鉆頭不同方位調整需要。在鉆桿內孔與外圓之間加工的幾個孔，它們與鉆頭背部的連接孔分別正對。拉桿施加力的動力來源為電動機，也可以是人力。由力傳感器測量拉力的大小，顯示在計算機上。以便進一步監控。在充分考慮鉆頭強度、剛度、扭轉剛度的前提下，本發明中鉆頭過渡段(也即小直徑段)直徑較小，使得調整鉆頭姿態容易實現。包括拉桿、電動機在內的加力機構與進給箱固連，隨鉆頭、鉆桿移動。本發明所述的拉桿式加力機構，拉桿頭位于鉆頭背部的連接孔內，拉桿頭作用于球面墊圈，球面墊圈作用于蓋，蓋固定于鉆頭背部的螺紋孔內。電動機通過聯軸器驅動輸出軸，帶動兩只齒輪(或帶輪)轉動，安裝于拉桿上的齒輪(或帶輪)的軸向運動被固定于進給箱體的零件所限制，齒輪(或帶輪)內孔有螺紋，與拉桿后端的螺紋相配合，可驅動拉桿。決定加力大小，應該考慮的因素包括鉆頭的偏差、加力點的布局。 為便于計算機運算，拉桿只承受拉力，不產生壓力，且讓其中一根拉桿的拉力為零。當采用三個點時，由于三個點決定一個平面，所以在三處連續施加力，經過一定時間后，最終可以使鉆頭的姿態得到糾正。當采用多個點時，將力合成，得到三個當量力。由于各力基本平行，可以作為平行力合成，以簡化計算機的運算。運算控制器，用以接受鉆頭位置信息和姿態信息，并將其傳輸到計算機上顯示。還根據鉆頭姿態信息，向電動機發出旋轉、停轉、反轉指令，從而通過拉桿逐步調整鉆頭姿態，直至恢復到初始位置為止。三點能決定一個平面的姿態，不能決定一個具體平面的位置。因此，本發明雖然能測量與顯示鉆頭的位置參數，但其數值只能作為參考。本發明施加的三個或多個力基本上垂直于鉆頭背部，它們不能在鉆頭軸線法面，或光源線法面內直接調整鉆頭。因在鉆頭軸線法面內直接調整深孔鉆頭位置難度大，目前本行業內尚未有成熟的調整方案。但本發明糾正鉆頭姿態偏差，在一定程度上，能起到糾正鉆頭位置偏差的作用，而且，本發明是實時檢測，實時控制，迅速糾正鉆頭姿態偏差，顯然有利于保證深孔的直線度及深孔相對于其設計基準的平行度、垂直度、同軸度，可防止深孔偏斜。為了防止從輸油器進入的高壓油影響光學元件的工作，本發明設有擋油環套，擋油環套兩端分別放置于鉆頭背部的環槽和鉆桿端面的環槽中，擋油環套安裝時，配有Y形密封圈，油液的壓力作用于密封圈，具有油壓越大，密封效果越好的特點。本發明的有益效果第一，利用激光和光學鏡的特性，在線檢測內排屑深孔鉆頭的位置和姿態變化，及時掌握工件旋轉、鉆頭進給深孔加工的工作狀態，是技術上的重要突破。鉆頭的變化間接反映了孔的質量，所以，本發明可以作為深孔加工檢具使用。第二，提出了及時糾正鉆頭姿態偏差的技術方案。本發明鉆頭特點是有“小直徑段”，“小直徑段”不僅提供了安裝光學鏡的空間，更重要的是，“小直徑段”的存在，使得調整鉆頭姿態(即角度)變成可能。本發明促進了深孔加工糾偏難題的解決，將提高深孔直線度及深孔相對于設計基準的平行度、垂直度、同軸度。


圖I為本發明實施例I的結構示意圖，
圖2為鉆桿端面視圖，
圖3為鉆頭結構簡圖，
圖4為鉆頭后端視圖，
圖中1-工件，2-鉆頭，3-球面墊圈，4-蓋，5-擋油環套，6-Y型密封圈，7-輸油器，8_鉆桿，9-進給箱,10-拉桿，11-一號齒輪,12-二號齒輪,13-輸出軸，14-聯軸器，15-電動機，16- 一號光源，17-二號光源，18-鉆頭位置傳感器,19-鉆頭姿態傳感器,20- 一號入射光束，21- 二號入射光束，22- 一號返回光束，23- 二號返回光束，24-螺紋段，25-擋環，26-小 直徑段，27-連接孔，28-鉆頭排屑孔，29-反射鏡，30-立方體角錐棱鏡，31-內架，32-外架，33-過光孔，34-螺紋連接孔，35-加力孔，36-鉆桿排屑孔，37-鉆頭體，38-刀片，39-環槽，40-螺釘孔，41-鉆頭背部。
具體實施例方式 結合附圖對本發明的具體實施方式
作進一步說明。如圖I所示，本發明工件I旋轉、鉆頭2進給。工件上沒有底孔，需要鉆軸線水平的深孔。本發明包括鉆頭2、鉆桿8、輸油器7、進給箱9、一號光源16, 二號光源17,鉆頭位置傳感器18，鉆頭姿態傳感器19，反射鏡29，立方體角錐棱鏡30、糾正鉆頭用的電動機15、運算控制器、計算機(圖中未示出)。鉆頭2通過其螺紋段24固定于鉆桿8，鉆桿8固定于進給箱9上，只作進給運動。輸油器7為深孔加工提供高壓油，油從輸油器7的孔流入，經過鉆桿8與工件I的間隙和鉆頭2的刀片38之間的間隙，從鉆桿排屑孔36將鐵屑沖出。鉆桿排屑孔36與外圓之間鉆有過光孔33。鉆頭包括刀片38、鉆頭體37、鉆頭背部41、小直徑段26、擋環25、螺紋24幾部分。本發明中鉆頭，靠近螺紋部分設置了擋環25，螺紋擰緊后，擋環后側面緊靠在鉆桿的端面。小直徑段26直徑較小，所對應的空間較大，固定于鉆頭背部的內架31位于該空間，內架內固定有光束接收區的反射鏡29，立方體角錐棱鏡30。所述的一號、二號光源為激光光源或者強光光源，一號光源16、二號光源17、鉆頭位置傳感器18、鉆頭姿態傳感器19都固定安裝于外架32中，外架32固定于機床上，固定不動。一號光源16發出的一號入射光束20，平行于鉆頭、鉆桿初始軸線，穿過鉆桿上的過光孔32，到達立方體角錐棱鏡30，經過立方體角錐棱鏡30返回到鉆頭位置傳感器24，用于檢測鉆頭位置，鉆頭位置的變化以坐標值的形式反映。二號光源17發出的二號入射光束21，穿過鉆頭姿態傳感器19上開設的微孔，穿過鉆桿上的過光孔，到達反射鏡29，由反射鏡29返回到鉆頭姿態傳感器19，用于檢測鉆頭姿態，鉆頭姿態的變化以角度的形式反映。微孔可采用電子束、離子束、激光方法等特種方法加工。在加工工程中，當鉆頭不在原來正確的位置，鉆頭位置傳感器和姿態傳感器上的光斑將發生變化，反映鉆頭位置和姿態的變化。所測得的鉆頭位置、姿態數值，間接反映了孔的精度，實現了對孔的間接的在線檢測。一旦發現鉆頭不在正確位置，通過與鉆頭背部41相連的拉桿，連續向鉆頭施加力，使得鉆頭姿態恢復到初始的姿態。在鉆桿內孔與外圓之間加工有3個加力孔35，用于向鉆頭施加力的拉桿穿過孔中。拉桿頭位于鉆頭背部的連接孔27內，拉桿頭作用于球面墊圈3，球面墊圈作用于蓋4，蓋固定于鉆頭背部的連接孔27內。3個連接孔不共線，所形成的三角形包容鉆桿內孔，以便于適應鉆頭不同方位調整需要。3個加力孔35，與鉆頭背部3個連接孔27正對。拉桿施加力的動力來源為電動機。電動機15通過聯軸器14驅動輸出軸13，帶動兩只齒輪(或帶輪)轉動，齒輪11的軸向運動被固定于進給箱體的零件所限制，齒輪11內孔有螺紋，與拉桿后端的螺紋相配合，可驅動拉桿10。力傳感器(圖中未示出)測量拉力的大小，顯示在計算機上。本發明中鉆頭“過渡段”直徑較小，使得調整鉆頭姿態容易實現。在鉆頭背部三處連續施加力，最終使鉆頭的姿態得到糾正。本發明有運算控制器，用以接受鉆頭位置信息和姿態信息，并將其傳輸到計算機上顯示。還根據鉆頭姿態信息，向電動機發出正轉、停轉、反轉指令，從而通過拉桿逐步調 整鉆頭姿態，直至恢復到初始位置為止。本發明設有擋油環套5，擋油環套兩端分別放置于鉆頭背部的環槽39和鉆桿端面的環槽33中，擋油環套安裝時，配有Y形密封圈。
權利要求
1.一種深孔鉆削在線檢測與糾偏系統，其特征在于包括檢測部分以及糾偏部分，所述的檢測部分包括一號光源(16)、二號光源(17)、鉆桿(8)上平行于鉆桿軸線開設的過光孔(33)以及鉆頭背部(41)設置的與鉆頭(2)固定連接的光束接收區，一號光源(16)、二號光源(17)設置于鉆桿(8)的后方對應過光孔(33)的位置，光束接收區包括立方體角錐棱鏡(30)以及反射鏡(29)，一號光源(16)和鉆頭位置傳感器(18)的位置對應于立方體角錐棱鏡(30)的高度范圍內，二號光源(17)的前方設置鉆頭姿態傳感器(19)，鉆頭姿態傳感器(19)上對應二號光源(17)的位置開設微孔，鉆頭姿態傳感器(19)的位置對應于反射鏡(29)的高度范圍內， 所述的糾偏部分包括拉桿結構的加力機構以及鉆桿(8)上平行于鉆桿軸線開設的若干加力孔(35)，加力孔(35)的孔數大于等于三，加力機構包括電動機(15)，電動機(15)通過齒輪傳動副連接拉桿(10)，拉桿(10)穿過加力孔(35)，拉桿(10)頭部伸入鉆頭背部(41)開設的連接孔(27)內，拉桿頭部作用于球面墊圈(3)，球面墊圈(3)作用于蓋(4)，蓋(4)固定于鉆頭背部(41)。
2.根據權利要求I所述的深孔鉆削在線檢測與糾偏系統，其特征在于所述的一號光源(16)、二號光源(17)、鉆頭位置傳感器(18)、鉆頭姿態傳感器(19)都固定安裝于外架(32)上，所述的反射鏡(29)、立方體角錐棱鏡(30)都固定安裝于內架(31)，內架(31)安裝于鉆頭背部(41)。
3.根據權利要求I所述的深孔鉆削在線檢測與糾偏系統，其特征在于所述的鉆頭包括鉆頭體(37)、小直徑段(26)、擋環(25)、以及與鉆桿(8)連接的螺紋段(24)，小直徑段(26)的直徑小于鉆頭體(37)、鉆桿(8)的直徑，也小于擋環(25)的直徑，擋環(25)的后側面緊靠在鉆桿(8)的前端面，光束接收區設置于小直徑段(26)外圍的空間內。
4.根據權利要求I所述的深孔鉆削在線檢測與糾偏系統，其特征在于所述的鉆頭背部(41)和鉆桿(8)的前端面上分別開有相互對應的環槽(39)，兩個環槽(39)上安裝有擋油環套(5)，擋油環套(5)配套有Y形密封圈(6)，光束接收區和加力機構的前端設置于擋油環套(5 )和小直徑段(2 6 )之間的空間內。
5.根據權利要求I或2或3或4所述的深孔鉆削在線檢測與糾偏系統，其特征在于拉桿(10)上安裝有力傳感器。
全文摘要
本發明屬于內排屑深孔加工的技術領域，特別是一種深孔鉆削在線檢測與糾偏系統，解決了現有深孔加工過程中難以觀察加工部位和刀具狀況的問題。其包括檢測部分、糾偏部分，檢測部分包括光源、過光孔、光束接收區，光束接收區包括立方體角錐棱鏡、反射鏡，一號光源和鉆頭位置傳感器的位置對應于立方體角錐棱鏡的高度范圍內，鉆頭姿態傳感器的位置對應于反射鏡的高度范圍內，糾偏部分包括拉桿結構的加力機構以及鉆桿上平行于鉆桿軸線開設的若干加力孔。本發明的有益效果能及時掌握工件旋轉、鉆頭進給深孔加工的工作狀態，能及時糾正鉆頭姿態偏差，促進了深孔加工糾偏難題的解決，將提高深孔直線度及深孔相對于設計基準的平行度、垂直度、同軸度。
文檔編號B23B49/00GK102642040SQ20121011134
公開日2012年8月22日 申請日期2012年4月17日 優先權日2012年4月17日
發明者于大國, 龐俊忠, 李艷蘭, 沈興全, 黃曉斌 申請人:中北大學