CN115255439A - 一种便携式自动钻削装置及其方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于加工设备领域，提出了一种便携式自动钻削装置及其方法。该自动钻削单元包括主轴单元，包括主轴电机、主轴传动装置以及钻孔主轴，主轴电机通过主轴传动装置驱使钻孔主轴转动，钻孔主轴的一端设有钻头连接部；进给单元与主轴单元连接，用于驱使主轴单元以使钻孔主轴在其轴线方向移动；控制单元用于控制、监测主轴电机和进给单元的运行参数，控制单元包括控制装置和人机交互装置；钻体框架，用于安装所述主轴单元和所述进给单元。使用这种半自动钻孔设备可以对金属与复合材料组成的叠层部件进行加工且具有良好的加工效果。
Description
技术领域
本发明涉及加工设备领域，尤其涉及一种便携式自动钻削装置及其方法。
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。
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便携式自动钻削单元
发明内容
本发明为克服现有技术的不足，提出了一种便携式自动钻削装置及其方法。
为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案如下：
一种便携式自动钻削装置，包括主轴单元1、进给单元2、钻体框架3和控制单元；
钻体框架3为一侧面开口的箱体；钻体框架3一侧外设有两个第一电机支架108分别用于安装主轴电机101和进给电机201，该侧设有两通槽，用于实现同步带于钻体框架3内外联通；防护罩404安装于钻体框架3的侧面开口侧，用于遮挡主轴单元1和进给单元2；
主轴单元1包括主轴电机101、主轴传动装置以及钻孔主轴106；主轴电机101通过主轴传动装置驱使钻孔主轴106转动，钻孔主轴106的一端设有钻头连接部107，另一端枢接有主轴尾端轴承206；
主轴传动装置包括花键螺母102、花键同步轮103、主轴同步轮104和第一同步带105；花键螺母102安装于钻体框架3内一端，其转动部分连接花键同步轮103；第一同步带105套于花键同步轮103和主轴同步轮104外；主轴同步轮104安装于主轴电机101的输出轴上；钻孔主轴106的外周设有与花键螺母102匹配的花键槽；钻孔主轴106在进给单元2的驱使下基于花键螺母102进行轴向移动；
进给单元2包括进给电机201、进给丝杠202、进给螺母203和两对丝杠座204；两对丝杠座204位于钻体框架3内，位于主轴单元1上方；进给丝杠202分别通过丝杠轴承212枢接于两丝杠座204上，进给螺母203套于进给丝杠202上；进给输出板205两侧分别连接两个进给螺母203，其中间开有通孔用于安装主轴尾端轴承206；进给电机201的输出轴上通过第一涨紧套210安装进给同步轮208，丝杠同步轮207通过第二涨紧套211安装于进给丝杠202端部；第二同步带209套于进给同步轮208与两丝杠同步轮207外；
控制单元控制装置和人机交互装置，用于控制、监测主轴电机101和进给单元2的运行参数。
所述钻孔主轴106另一端与主轴尾端轴承206间连接有低频振动部件405。
所述低频振动部件405外连接有保持支架406，保持支架406与进给输出板205固定，保证低频振动部件405的外圈不会随着低频振动部件405的内圈一起转动。
便携式自动钻削装置还包括钻头套301；钻头套301连接于钻体框架3一端外侧，其为一具有上端开口304和下端开口305的钻套容腔303；钻头连接部107穿出下端开口305；钻套容腔303侧面连接有抽吸开口302，用于匹配抽吸装置。
便携式自动钻削装置还包括钻体固定单元；钻体固定单元包括钻套定位凸台306、钻套卡接部307、钻模板308和底模板309；钻套定位凸台306固定于钻头套301的下端，钻套卡接部307设置于钻头套301下端边缘处；钻模板308与钻头套301端部连接；钻模板308上设有与钻套定位凸台306匹配的模板孔310、与钻套卡接部307匹配的模板卡接部311；钻模板308与底模板309连接，二者间夹持待制孔零件。
一种便携式自动钻削装置的制孔方法，在由复合材料层与金属材料层组成的叠层部件上制孔，包括步骤如下；
步骤1，选定加工刀具，使用通用机床匹配该加工刀具在由复合材料层401构成的单层部件进行钻削，测得该加工刀具在对该单层部件钻削过程中的最大扭矩值T1；
步骤2，利用人机交互装置，设置钻削复合材料层401的钻削参数1，设置钻削金属材料层402的钻削参数2，设置钻削力矩阈值T1，根据该叠层部件的总厚度设置进给单元2的总进给距离；
步骤3，装夹叠层部件，将复合材料层401朝向钻模板308侧，将钻套定位凸台306卡入模板孔310，将钻套卡接部307卡接于模板卡接部311；操作人使用人机交互装置启动钻孔，控制装置调用钻削参数1实施钻孔，钻孔过程中控制单元监测进给单元2设有的钻孔主轴力矩变化，当钻孔主轴力矩超过T1，调用钻削参数2钻孔；
步骤4，进给单元2完成总进给距离，进给单元2驱使主轴单元1退回至初始位置。
所述步骤2与步骤3之间增加步骤2A，将抽吸装置的抽吸输入侧连接抽吸开口302并开启抽吸装置。
本发明的有益效果是，提供一种便携式自动钻削装置，主轴电机通过主轴传动装置驱使钻孔主轴转动，钻孔主轴的一端设有钻头连接部；进给单元与主轴单元连接，进给动力装于驱使主轴单元以使钻孔主轴在其轴线方向移动；用于控制、监测所述主轴电机和所述进给动力装置的运行参数。使用这种便携式自动钻削装置，实现半自动钻孔要求，可以在钻削过程中改变加工参数为该材料的最优加工参数，可以对金属与复合材料组成的叠层部件进行加工且具有良好的加工效果。
附图说明
图1是本发明实施例1整体结构示意图1。
图2是本发明实施例1整体结构示意图2。
图3是本发明实施例1整体结构隐藏部分零部件后示意图1。
图4是本发明实施例1整体结构隐藏部分零部件后示意图2。
图5是本发明实施例1待加工零部件装夹示意图。
图6是本发明实施例1剖面示意图。
图7是本发明实施例1爆炸示意图。
其中：1-主轴单元；101-主轴电机；102-花键螺母；103-花键同步轮；104-主轴同步轮；105-第一同步带；106-钻孔主轴；107-钻头连接部；108-第一电机支架；2-进给单元；201-进给电机；202-进给丝杠；203-进给螺母；204-丝杠座；205-进给输出板；206-主轴尾端轴承；207-丝杠同步轮；208-进给同步轮；209-第二同步带；210-第一涨紧套；211-第二涨紧套；212-丝杠轴承；3-钻体框架；301-钻头套；302-抽吸开口；303-钻套容腔；304-上端开口；305-下端开口；306-钻套定位凸台；307-钻套卡接部；308-钻模板；309-底模板；310-模板孔；311-模板卡接部；401-复合材料层；402-金属材料层；403-型材支架；404-防护罩；405-低频振动部件；406-保持支架；1061-前段主轴；1062-后段主轴。
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。
实施例1参考图1至图7所示，一种便携式自动钻削装置，包括：
主轴单元1，包括主轴电机101、主轴传动装置以及钻孔主轴106，所述主轴电机101通过所述主轴传动装置驱使所述钻孔主轴106转动，所述钻孔主轴106的一端设有钻头连接部107；
进给单元2，包括进给动力装置，所述进给动力装置设有进给输出部，所述进给输出部与所述主轴单元1连接，所述进给动力装置用于驱使所述主轴单元1以使所述钻孔主轴106在其轴线方向移动，所述进给动力装置位于所述主轴电机101的下方；上述布局的好处在于充分利用主轴电机101下方的空间，使这种设备的外形趋于小型化，便于携带存放。控制单元用于控制、监测主轴电机101和进给动力装置的运行参数，所述控制单元包括控制装置和人机交互装置；作为一实施例，采用触摸屏作为人机交互装置，采用PLC作为控制装置，采用伺服电机作为主轴电机101；
钻体框架3，用于安装所述主轴单元1和所述进给单元2。
本实施例中，所述主轴传动装置包括安装于所述钻体框架3的花键螺母102、与所述花键螺母102的转动部分连接的花键同步轮103、安装于所述主轴电机101的输出轴的主轴同步轮104和与所述花键同步轮103和主轴同步轮104匹配的第一同步带105。所述钻孔主轴106的外周设有与所述花键螺母102匹配的花键槽，所述钻孔主轴106能够在所述进给单元2的驱使下基于所述花键螺母102在其轴向移动。主轴电机101通过第一电机支架108固定在钻体框架3，主轴电机101的输出轴通过键与主轴同步轮104之间传递扭矩，主轴同步轮104通过第一同步带105驱使花键同步轮103转动，花键同步轮103驱使花键螺母102转动，花键螺母102驱使钻孔主轴106转动。
本实施例中，所述进给动力装置包括进给电机201、进给丝杠202、进给螺母203和用于安装所述进给丝杠202的丝杠座204，所述进给输出部包括进给输出板205、安装于所述进给输出板205的主轴尾端轴承206，所述进给输出板205与所述进给螺母203连接，所述钻孔主轴106的一端设有钻头连接部107，另一端枢接有主轴尾端轴承206。进给丝杠202设有两根，相应地进给螺母203设有两个，进给输出部与两个所述进给螺母203连接，所述进给动力装置还包括安装于所述进给丝杠202的丝杠同步轮207、安装于所述进给电机201的输出轴的进给同步轮208和与所述丝杠同步轮207/进给同步轮208匹配的第二同步带209；进给电机201通过第一电机支架108安装于钻体框架3，进给电机201的输出轴通过第一涨紧套210与进给同步轮208连接，进给同步轮208通过第二同步带209将动力传输到两个丝杠同步轮207，丝杠同步轮207通过第二涨紧套211与进给丝杠202连接，进给丝杠202安装于丝杠座204，通过丝杠轴承212与丝杠座204枢接。
本实施例中，所述钻孔主轴106包括前段主轴1061和后段主轴1062，所述钻孔主轴106还设有低频振动部件405，低频振动部件405为MITIS低频振动块，MITIS低频振动模块安装于前段主轴1061和后段主轴1062之间；低频振动部件405设有保持支架406，以使低频振动部件405的外圈不会随着低频振动部件405的内圈一起转动；使用低频振动部件405的优点在于使钻削金属的过程中利于断屑。
本实施例中，还包括钻头套301，所述钻头套301包括一具有上端开口304和下端开口305的钻套容腔303，所述钻头连接部107能够穿出下端开口305，所述钻套容腔303还设有抽吸开口302，所述抽吸开口302用于匹配抽吸装置，可以将切屑在切削过程中及时排除，同时起到流动的空气对切削区域起到冷却的作用；抽吸开口302还可以设置与钻头套301的外壁连接的横梁和/或纵梁，将抽吸开口302分为两个或两个以上的较小开口，以减小抽吸开口302设置对钻头套301刚性的影响。
本实施例中，还包括钻体固定单元，所述钻体固定单元包括设置于所述钻头套301的：钻套定位凸台306、钻套卡接部307、钻模板308和底模板309，所述钻模板308安装于所述底模板309将待制孔零部件夹持于所述钻模板308与所述底模板309之间，所述钻模板308包括与所述钻套定位凸台306匹配的模板孔310、与所述钻套卡接部307匹配的模板卡接部311。
本实施例中，底模板309还设有底模安装孔，底模安装孔匹配与之相适应的螺栓可以将底模板309固定在型材支架403；底模板309还可以根据需要开设安装孔，本实施例中仅示出其与型材支架403安装的一种实施方式。
本实施例中，还设有防护罩404，防护罩404安装于钻体框架3，用于遮挡主轴单元1和进给单元2，以防止其设有的旋转部件对使用者造成伤害。
一种便携式自动钻削装置的制孔方法，上述便携式自动钻削装置在由复合材料层401与金属材料层402组成的叠层部件上制孔，包括以下步骤：
步骤1，选定加工刀具，使用通用机床匹配该加工刀具在由复合材料层401构成的单层部件进行钻削，测得该加工刀具在对该单层部件钻削过程中的最大扭矩值T1；
步骤2，利用所述人机交互装置，设置钻削复合材料层401的钻削参数1，设置钻削金属材料层402的钻削参数2，设置钻削力矩阈值T1，根据该叠层部件的总厚度设置所述进给单元的总进给距离；
步骤3，装夹叠层部件，将复合材料层401朝向所述钻模板侧，将所述钻套定位凸台卡入所述模板孔310，将所述钻套卡接部卡接于所述模板卡接部，操作人使用人机交互装置启动钻孔，控制装置调用钻削参数1实施钻孔，钻孔过程中所述控制单元监测所述进给单元设有的钻孔主轴力矩变化，当钻孔主轴力矩超过T1，调用钻削参数2钻孔；
步骤4，进给单元完成总进给距离，进给单元驱使主轴单元退回至初始位置。
本实施例中，步骤2与步骤3之间还有步骤2A，将抽吸装置的抽吸输入侧连接所述抽吸开口并开启抽吸装置。
在实施例1中，所述进给动力装置包括进给电机、进给丝杠、进给螺母和用于安装所述进给丝杠的丝杠座，这只是其中一种实施方式，进给动力装置还可以采用步进电机、气动马达、直流电机等多种形式的驱动动力源；进给动力装置还可以采用直线电机，直线电机的输出滑台直接驱使钻孔主轴在其轴线方向移动以实现进给。
在实施例1中，使用同步带和同步轮传递扭矩，这只是其中一种实施方式，还可以使用带传动、齿轮传动、链条传动等多种传动方式将电机的扭矩传递至丝杠。
在实施例1中，采用PLC作为控制装置，这只是其中一种实施方式，还可以采用DCS、FCS等本领域常见的技术手段。
Claims (7)
1.一种便携式自动钻削装置，其特征在于，该便携式自动钻削装置包括主轴单元(1)、进给单元(2)、钻体框架(3)和控制单元；
钻体框架(3)为一侧面开口的箱体；钻体框架(3)一侧外设有两个第一电机支架(108)分别用于安装主轴电机(101)和进给电机(201)，该侧设有两通槽，用于实现同步带于钻体框架(3)内外联通；防护罩(404)安装于钻体框架(3)的侧面开口侧，用于遮挡主轴单元(1)和进给单元(2)；
主轴单元(1)包括主轴电机(101)、主轴传动装置以及钻孔主轴(106)；主轴电机(101)通过主轴传动装置驱使钻孔主轴(106)转动，钻孔主轴(106)的一端设有钻头连接部(107)，另一端枢接有主轴尾端轴承(206)；
主轴传动装置包括花键螺母(102)、花键同步轮(103)、主轴同步轮(104)和第一同步带(105)；花键螺母(102)安装于钻体框架(3)内一端，其转动部分连接花键同步轮(103)；第一同步带(105)套于花键同步轮(103)和主轴同步轮(104)外；主轴同步轮(104)安装于主轴电机(101)的输出轴上；钻孔主轴(106)的外周设有与花键螺母(102)匹配的花键槽；钻孔主轴(106)在进给单元(2)的驱使下基于花键螺母(102)进行轴向移动；
进给单元(2)包括进给电机(201)、进给丝杠(202)、进给螺母(203)和两对丝杠座(204)；两对丝杠座(204)位于钻体框架(3)内，位于主轴单元(1)上方；进给丝杠(202)分别通过丝杠轴承(212)枢接于两对丝杠座(204)上，进给螺母(203)套于进给丝杠(202)上；进给输出板(205)两侧分别连接两个进给螺母(203)，其中间开有通孔用于安装主轴尾端轴承(206)；进给电机(201)的输出轴上通过第一涨紧套(210)安装进给同步轮(208)，丝杠同步轮(207)通过第二涨紧套(211)安装于进给丝杠(202)端部；第二同步带(209)套于进给同步轮(208)与两丝杠同步轮(207)外；
控制单元控制装置和人机交互装置，用于控制、监测主轴电机(101)和进给单元(2)的运行参数。
2.根据权利要求1所述的一种便携式自动钻削装置，其特征在于，所述钻孔主轴(106)另一端与主轴尾端轴承(206)间连接有低频振动部件(405)。
3.根据权利要求2所述的一种便携式自动钻削装置，其特征在于，所述低频振动部件(405)外连接有保持支架(406)，保持支架(406)与进给输出板(205)固定，保证低频振动部件(405)的外圈不会随着低频振动部件(405)的内圈一起转动。
4.根据权利要求1或2所述的一种便携式自动钻削装置，其特征在于，还包括钻头套(301)；钻头套(301)连接于钻体框架(3)一端外侧，其为一具有上端开口(304)和下端开口(305)的钻套容腔(303)；钻头连接部(107)穿出下端开口(305)；钻套容腔(303)侧面连接有抽吸开口(302)，用于匹配抽吸装置。
5.根据权利要求4所述的一种便携式自动钻削装置，其特征在于，还包括钻体固定单元；钻体固定单元包括钻套定位凸台(306)、钻套卡接部(307)、钻模板(308)和底模板(309)；钻套定位凸台(306)固定于钻头套(301)的下端，钻套卡接部(307)设置于钻头套(301)下端边缘处；钻模板(308)与钻头套(301)端部连接；钻模板(308)上设有与钻套定位凸台(306)匹配的模板孔(310)、与钻套卡接部(307)匹配的模板卡接部(311)；钻模板(308)与底模板(309)连接，二者间夹持待制孔零件。
6.一种便携式自动钻削装置的制孔方法，其特征在于，包括步骤如下；
步骤1，选定加工刀具，使用通用机床匹配该加工刀具在由复合材料层(401)构成的单层部件进行钻削，测得该加工刀具在对该单层部件钻削过程中的最大扭矩值T1；
步骤2，利用人机交互装置，设置钻削复合材料层(401)的钻削参数1，设置钻削金属材料层(402)的钻削参数2，设置钻削力矩阈值T1，根据该叠层部件的总厚度设置进给单元(2)的总进给距离；
步骤3，装夹叠层部件，将复合材料层(401)朝向钻模板(308)侧，将钻套定位凸台(306)卡入模板孔(310)，将钻套卡接部(307)卡接于模板卡接部(311)；操作人使用人机交互装置启动钻孔，控制装置调用钻削参数1实施钻孔，钻孔过程中控制单元监测进给单元(2)设有的钻孔主轴力矩变化，当钻孔主轴力矩超过T1，调用钻削参数2钻孔；
步骤4，进给单元(2)完成总进给距离，进给单元(2)驱使主轴单元(1)退回至初始位置。
7.根据权利要求6所述的便携式自动钻削装置的制孔方法，其特征在于，所述步骤2与步骤3之间增加步骤2A，将抽吸装置的抽吸输入侧连接抽吸开口(302)并开启抽吸装置。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210919648.3A CN115255439A (zh) | 2022-08-02 | 2022-08-02 | 一种便携式自动钻削装置及其方法 |
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|---|---|---|---|
| CN202210919648.3A CN115255439A (zh) | 2022-08-02 | 2022-08-02 | 一种便携式自动钻削装置及其方法 |
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| CN (1) | CN115255439A (zh) |
Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| TWI822541B (zh) * | 2022-12-30 | 2023-11-11 | 國立虎尾科技大學 | 單動力源小波低頻軸向波動銑削刀座複合機構 |
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2022
- 2022-08-02 CN CN202210919648.3A patent/CN115255439A/zh not_active Withdrawn
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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| TWI822541B (zh) * | 2022-12-30 | 2023-11-11 | 國立虎尾科技大學 | 單動力源小波低頻軸向波動銑削刀座複合機構 |
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