專利名稱：自動螺旋銑孔裝置及方法
技術領域：
本發明公開了一種用于大型工件多孔系的自動螺旋銑孔裝置及方法，屬于柔性切削加工技術領域。
背景技術：
隨著國產支線飛機ARJ21成功投產以及大客C919研制不斷推進，如何提高大型骨架件裝配制孔的質量與效率成為了整機總裝階段的研究熱點。機器人化自動制孔系統，是今后飛機大型、超大型工件智能化制孔的發展主流。但該類制孔系統由于多采用傳統的鉆孔技術，導致制孔時軸向力過大，目前僅適用于小孔徑的加工場合，而且鉆孔工藝往往需要 采用多道組合工序，需要設置大量的換刀環節。為了滿足不同航空材料的大孔徑制孔要求，尤其是鈦合金、碳纖增強復合材料、高強度航空鋁合金等難加工材料，迫切需要開發一些面向大型工件的新型高效精密制孔裝置。螺旋銑孔，也稱為軌道式銑孔，是一項以銑削方式對實體工件直接制孔的新技術，它不是鉆削與銑削兩種加工方法的簡單組合，而是利用刀具相對工件的三維螺旋進給完成孔的加工。制孔時，刀具相對待制孔軸線的偏置，使該項技術具有了一刀加工多種孔徑的功能，同時能通過較少工序使孔在位置精度、形狀精度、表面粗糙度等方面達到規定的使用要求。因此，基于螺旋銑孔技術的機器人化制孔系統在航空、航天、造船等領域的大型工件高效精密制孔中具有廣闊的應用前景。至今，國內外航空領域相繼出現一些基于螺旋銑孔技術的制孔裝置專利報導。如，美國專利PCT/SE2008 /050719、US2003/0143049、PCT/SE03/00467 公開了幾種螺旋銑孔裝置，這些裝置都包括刀具公轉半徑調節系統、刀具自轉系統、刀具公轉系統、刀具軸向進給系統。四個子系統均采取獨立控制，使整個裝置集成度不高，導致整機質量偏重，這對與之配套的工作平臺的性能要求很高，尤其是關節型機械手。又如，中國專利CN101633060A公開的一種自動螺旋銑孔單元，該銑孔單元主要包括由刀具自轉系統、徑向偏移系統、公轉系統三部分，但此螺旋銑孔單元因缺少軸向進給系統，使其工程應用受到了一定限制。再如，中國專利CN101664821A公開的一種銑孔裝置，該裝置具有公轉半徑調節功能，但公轉半徑的大小因受到傳動齒輪尺寸的制約，使部分小孔徑的加工難以完成，而且其軸向進給系統沒有給出相關實施詳案。另外，中國專利CN101786180A、CN102145405 A公開了兩種螺旋銑孔裝置，這兩種螺旋銑孔裝置都不具備公轉半徑自動調節功能，因而使孔的加工效率受到了一定影響。

發明內容
本發明要解決的技術問題是現有螺旋銑孔裝置設計方案存在自動化程度不高、組成結構復雜、整機重量偏大。為解決上述技術問題，本發明采用的技術方案是一種用于大型工件多孔系的自動螺旋銑孔裝置，包括L型的組合支架、設置在組合支架上的螺旋進給機構，以及裝于螺旋進給機構內部的公轉半徑調節機構、刀具自轉調速機構；組合支架包括水平方向的底板、垂直方向的背板；螺旋進給機構包括軸向進給殼體、絲桿、支撐筒，以及位于支撐筒內的軸向滑塊；軸向進給殼體的底部通過滑塊與組合支架底板上導軌滑動相連；支撐筒位于背板的后部，其內壁上沿軸向設有導向條，導向條與軸向滑塊的外側面之間以滑軌副連接；軸向進給驅動輸出軸上設有主動齒輪，與主動齒輪相嚙合的從動齒輪套接在絲桿的輸入端；絲桿從后向前依次貫穿裝于軸向滑塊上軸承一、背板以及過渡端蓋一的組合軸承后，其輸出端插入過渡端蓋二內孔；與過渡端蓋一相連的軸向進給殼體通過兩端內孔的軸承與公轉殼體相連，軸向進給殼體公轉殼體小端設有一個偏心內孔；公轉半徑調節機構包括與公轉殼體內孔端面相連的支撐端蓋、裝于支撐端蓋上的公轉半徑調節驅動，以及內嚙合的小齒輪和大齒輪；公轉半徑調節驅動輸出軸連接小齒輪，大齒輪連接刀具自轉調速機構；支撐端蓋也設有一個偏心內孔；刀具自轉調速機構包括自轉殼體、自轉殼體端蓋、刀桿、刀具、設置在自轉殼體內的自轉驅動；自轉殼體安裝于公轉殼體的偏心孔內，其與偏心孔內壁之間還設有連接軸承一，其輸入端穿過軸承二，并套接有前述大齒輪；自轉驅動裝于自轉殼體端蓋的偏心孔內，其輸出軸連接刀桿；刀桿前端裝有刀具，采用螺母夾緊。為提高組合支架的支撐效果，支架還包括兩個直角三角形的加強板，加強板的兩條直角邊分別貼合連接底板和背板。為保證絲桿的旋轉運動能實現刀具的螺旋進給，上述絲桿與公轉殼體的過渡端蓋二采用花鍵連接，并用防松螺母軸向并緊，同時絲桿與軸向進給殼體的過渡端蓋一的組合軸承過盈相配。為保證銑孔裝置具備多種制孔功能，公轉殼體與支撐端蓋裝配后，兩者的偏心孔同軸；公轉殼體與自轉殼體端蓋兩者的偏心內孔的偏心量大小相等，且位于初始狀態時兩者偏向相反，從而實現當公轉半徑為零時，制孔方式為傳統鉆孔；當公轉半徑不等于零時，制孔方式為螺旋銑孔。作為本發明的一種改進方案，自轉驅動采用氣動馬達或電主軸。一種采用所述自動螺旋銑孔裝置實現的螺旋銑孔方法，包括以下過程
A)螺旋銑孔前，根據待制孔徑和刀具直徑，公轉半徑調節驅動通過內嚙合的小齒輪和大齒輪帶動自轉殼體繞著進給公轉殼體偏心孔的軸心線進行旋轉，從而實現刀具公轉半徑的調整；
B)螺旋銑孔時，軸向進給驅動通過內嚙合的主動齒輪和從動齒輪帶動絲桿產生旋轉，在組合軸承、絲杠輸出端花鍵連接部和導軌副的共同約束下，絲桿的輸出端在帶動螺旋進給機構、刀具自轉調速機構和公轉半徑調節機構完成前后移動的同時，也帶動刀具自轉調速機構和公轉半徑調節機構發生公轉；自轉驅動調節控制刀具的自轉速度，最終完成螺旋銑孔。本發明具有如下效果1、刀具公轉半徑調整采取驅動裝置自動控制，既實現了一刀多孔的功能，也使公轉半徑的調節精度得到很好保證，這大大提高了制孔的效率與質量；
2、通過一根多功能絲桿和一個驅動裝置實現刀具螺旋進給，簡化了結構組成，降低了整機、重量；3、傳動方式均采用內嚙合的齒輪組件，保證了裝置的驅動能力，縮小了裝置的徑向尺寸；4、裝置的各運動部件之間均采用精密軸承或高精度直線導軌副進行互配連接，能有效保證螺旋銑孔的加工精度。


圖I為本發明自動螺旋銑孔裝置的立體圖。圖2為本發明自動螺旋銑孔裝置的結構示意圖。圖3為圖2俯視圖。圖I、圖2、圖3中標號名稱
100、螺旋進給機構，101、支撐筒，102、軸向進給驅動，103、軸向滑塊，104、主動齒輪 105、從動齒輪，106、軸承一，107、軸承端蓋一，108、絲桿，109、組合軸承端蓋，110、過渡端蓋一，111、組合軸承，112、防松螺母，114、軸承二，115、過渡端蓋二，116、公轉殼體，117、軸向進給殼體，118、滑塊，119、軸承五，120、軸承端蓋五，121、導向條；
200、公轉半徑調節機構，201、支撐端蓋，202、公轉調節驅動，203、小齒輪，204、大齒輪，205、軸承三，206、軸承端蓋三，207、軸承四；
300、刀具自轉調速機構，301、自轉驅動，302、自轉殼體，303、自轉殼體端蓋，304、螺釘，305、刀桿，306、螺母，307、刀具；
400、組合支架，401、底板，402、背板，403、加強板，404、滑軌。
具體實施例方式下面結合附圖和具體實施實例對本發明的自動螺旋制孔裝置及方法進行詳細闡述。圖I和圖2所示為本發明公開的一種用于大型工件多孔系的自動螺旋銑孔裝置，該裝置主要包括L型的組合支架400、設置在組合支架400上的螺旋進給機構100，以及裝于螺旋進給機構100內部的公轉半徑調節機構200、刀具自轉調速機構300 ；
組合支架400包括水平方向的底板401、垂直方向的背板402、兩個直角三角形的加強板403，加強板403的兩條直角邊分別貼合連接底板401和背板402，并設置在支架400軸向的兩側；
螺旋進給機構100包括軸向進給殼體117、支撐筒101，以及位于支撐筒101內的軸向滑塊103和絲桿108 ;支撐筒101設置在背板402的后部；軸向滑塊103外側面與支撐筒101內孔壁上導向條121以滑軌副連接，其端面裝有軸向進給驅動102 ;軸向進給驅動102輸出軸上裝有主動齒輪104，與主動齒輪104相嚙合的從動齒輪105連接絲桿108的輸入端；絲桿108從后向前依次貫穿裝于軸向滑塊上軸承一 106、背板402的螺紋孔以及過渡端蓋一 110的組合軸承108后，其輸出端插入過渡端蓋二 115花鍵孔，并用防松螺母112軸向并緊；與過渡端蓋一 110相連的軸向進給殼體117通過兩端內孔的軸承114/119與公轉殼體116相連，軸向進給殼體117底部通過滑塊118與組合支架400底板上導軌404滑動相連；公轉殼體116小端設有一個偏心內孔；公轉半徑調節機構200 :包括與公轉殼體116內孔端面相連的支撐端蓋201、裝于支撐端蓋201上的公轉半徑調節驅動202，以及內嚙合的小齒輪203和大齒輪204 ;公轉半徑調節驅動202輸出軸連接小齒輪203，大齒輪204連接刀具自轉調速機構300 ;支撐端蓋201也設有一個偏心內孔。
刀具自轉調速機構300 :包括自轉殼體302、自轉殼體端蓋303、刀桿305、刀具307、設置在自轉殼體302內的自轉驅動301 ;自轉殼體302安裝于公轉殼體116的偏心孔內，其與偏心孔內壁之間還設有連接軸承一 207，其輸入端穿過軸承二 205，并套接有前述大齒輪204 ;自轉驅動301裝于自轉殼體端蓋303的偏心孔內，其輸出軸連接刀桿305 ;刀桿305前端裝有刀具307，采用螺母306夾緊；
公轉殼體116與支撐端蓋201裝配后,兩者的偏心孔同軸；公轉殼體116與自轉殼體端蓋303兩者的偏心內孔的偏心量大小相等，且位于初始狀態時兩者偏向相反；
前述的自轉驅動301采用氣動馬達或電主軸。本發明裝置的工作原理如下
螺旋銑孔前，根據待制孔徑和刀具直徑，公轉半徑調節驅動202通過內嚙合的小齒輪203和大齒輪204帶動自轉殼體301繞著進給公轉殼體116偏心孔的軸心線進行旋轉，從而實現刀具公轉半徑的調整。螺旋銑孔時，軸向進給驅動102通過內嚙合的主動齒輪104和從動齒輪105帶動絲桿108產生旋轉，在組合軸承111、絲杠108輸出端花鍵連接部和導軌副121/404的共同約束下，絲桿102的輸出端在帶動螺旋進給機構100、刀具自轉調速機構200和公轉半徑調節機構300完成前后移動的同時，也帶動刀具自轉調速機構200和公轉半徑調節機構300發生公轉；自轉驅動301調節控制刀具307的自轉速度，最終完成螺旋銑孔。以上所述僅為本發明涉及的自動螺旋銑孔裝置及方法的一個較佳實施案例，但本發明的實施范圍并不局限于此例。
權利要求
1.一種用于大型工件多孔系的自動螺旋銑孔裝置，其特征在于包括L型的組合支架(400)、設置在組合支架(400)上的螺旋進給機構(100)，以及裝于螺旋進給機構(100)內部的公轉半徑調節機構(200)、刀具自轉調速機構(300); 組合支架(400):包括水平 方向的底板(401)、垂直方向的背板(402)； 螺旋進給機構(100):包括軸向進給殼體(117)、絲桿(108)、支撐筒(101)，以及位于支撐筒(101)內的軸向滑塊(103);軸向進給殼體(117)的底部通過滑塊(118)與組合支架(400)底板上導軌(404)滑動相連；支撐筒(101)位于背板(402)的后部，其內壁上沿軸向設有導向條(121)，導向條(121)與軸向滑塊(103)的外側面之間以滑軌副連接；軸向進給驅動(102)輸出軸上設有主動齒輪(104)，與主動齒輪(104)相嚙合的從動齒輪(105)套接在絲桿(108)的輸入端；絲桿(108)從后向前依次貫穿裝于軸向滑塊上軸承一(106)、背板(402)以及過渡端蓋一(110)的組合軸承(111)后，其輸出端插入過渡端蓋二(115)內孔；與過渡端蓋一(110 )相連的軸向進給殼體(117 )通過兩端內孔的軸承(114/119 )與公轉殼體(116)相連，軸向進給殼體(117)公轉殼體(116)小端設有一個偏心內孔； 公轉半徑調節機構(200):包括與公轉殼體(116)內孔端面相連的支撐端蓋(201)、裝于支撐端蓋(201)上的公轉半徑調節驅動(202)，以及內嚙合的小齒輪(203)和大齒輪(204);公轉半徑調節驅動(202)輸出軸連接小齒輪(203)，大齒輪(204)連接刀具自轉調速機構(300);支撐端蓋(201)也設有一個偏心內孔； 刀具自轉調速機構(300):包括自轉殼體(302)、自轉殼體端蓋(303)、刀桿(305)、刀具(307),設置在自轉殼體(302)內的自轉驅動(301);自轉殼體(302)安裝于公轉殼體(116)的偏心孔內，其與偏心孔內壁之間還設有連接軸承一(207)，其輸入端穿過軸承二(205)，并套接有前述大齒輪(204);自轉驅動(301)裝于自轉殼體端蓋(303)的偏心孔內，其輸出軸連接刀桿(305);刀桿(305)前端裝有刀具(307)，采用螺母(306)夾緊。
2.根據權利要求I所述的用于大型工件多孔系的自動螺旋銑孔裝置，其特征在于組合支架(400)還包括兩個直角三角形的加強板(403)，加強板(403)的兩條直角邊分別貼合連接底板(401)和背板(402)。
3.根據權利要求I或2所述的用于大型工件多孔系的自動螺旋銑孔裝置，其特征在于上述絲桿(108)與背板(402)以螺紋副相連；絲桿(108)與過渡端蓋二(115)采用花鍵連接，并用防松螺母(112 )軸向并緊。
4.根據權利要求I或2所述的用于大型工件多孔系的自動螺旋銑孔裝置，其特征在于公轉殼體(116)與支撐端蓋(201)裝配后，兩者的偏心孔同軸；公轉殼體(116)與自轉殼體端蓋(303)兩者的偏心內孔的偏心量大小相等，且位于初始狀態時兩者偏向相反。
5.根據權利要求I或2所述的用于大型工件多孔系的自動螺旋銑孔裝置，其特征在于自轉驅動(301)采用氣動馬達或電主軸。
6.一種采用權利要求1-5中任意一項所述自動螺旋銑孔裝置實現的螺旋銑孔方法，其特征在于包括以下過程 A)螺旋銑孔前，根據待制孔徑和刀具直徑，公轉半徑調節驅動(202)通過內嚙合的小齒輪(203)和大齒輪(204)帶動自轉殼體(301)繞著進給公轉殼體(116)偏心孔的軸心線進行旋轉，從而實現刀具公轉半徑的調整； B)螺旋銑孔時，軸向進給驅動(102)通過內嚙合的主動齒輪(104)和從動齒輪(105)帶動絲桿(108)產生旋轉，在組合軸承(111)、絲杠(108)輸出端花鍵連接部和導軌副(121/404)的共同約束下，絲桿(102)的輸出端在帶動螺旋進給機構(100)、刀具自轉調速機構(200)和公轉半徑調節機構(300)完成前后移動的同時，也帶動刀具自轉調速機構(200)和公轉半徑調節機構(300)發生公轉；自轉驅動(301)調節控制刀具(3 07)的自轉速度，最終完成螺旋銑孔。
全文摘要
本發明公開了一種用于大型工件多孔系的自動螺旋銑孔裝置及方法，所述裝置包括L型的支架，以及設置在支架上的公轉半徑調節機構、刀具自轉調速機構、螺旋進給機構。本發明既能用作手持式螺旋制孔工具，也可作為機器人自動制孔系統的末端執行單元，且能大大提高大型工件多孔系加工的質量與效率。
文檔編號B23Q5/40GK102717135SQ20121019610
公開日2012年10月10日 申請日期2012年6月14日 優先權日2012年6月14日
發明者任長春, 單以才, 李一民, 章婷, 聶睿瑞, 舒平生 申請人:南京信息職業技術學院