[0001] 本发明是关于数字化装配的自动化制孔技术，尤其涉及一种在线调整制孔孔径的制孔装置。

[0002] 随着航空产业迅猛发展，为了有效提高飞机的结构强度，减轻飞机结构重量，降低飞机能耗，飞机上大量使用由铝合金、钛合金、碳纤维复合材料等构成的叠层结构。目前，我国的飞机装配制造业基本上还是普遍采用传统的手工制孔工艺，即采用普通电钻（或气钻）配以硬质合金刀具进行制孔。这种现有的制孔方式存在诸多缺陷：（1）一把刀具只能制一种直径的孔，针对不同的加工孔径，需要选用相应直径的刀具进行加工；当在一个加工区域有多个加工孔径的要求时，就要求操作者频繁更换刀具，势必会影响到加工效率；（2）操作工人在加工过程中完全依靠钻机向下的推力将工件的中心区域材料挤出来去除，钻头所承受的Z向力很大，当加工钛合金、碳纤维复合材料等难加工材料时，刀具会快速磨损失效；（3）切屑为卷曲麻花状，在加工钛合金、碳纤维复合材料等难加工材料时，需要经过钻、扩、铰多道组合工序加工和设置多个换刀环节，不仅制孔效率低、劳动强度大，而且经济效益差；（4）传统钻孔加工过程是一个连续的切削过程，刀刃始终与工件相接触，接触面温度很高，同时连续的切削过程使温度不断累积，不仅加速了刀具的磨损失效，也导致加工表面质量下降；（5）传统钻孔加工时切屑从钻头狭槽中排出，切屑与已加工孔的表面有直接接触时，加工表面会被划伤，另外，排屑速度慢，又影响了孔的表面质量。由于传统钻孔工艺制孔精度差，无法保证孔的表面质量，制孔效率低，生产成本高，因此已不再适用于飞机制造业。

[0003] 偏心制孔技术采用了完全不同的加工方式，是由刀具的自转和刀具绕孔中心的公转两个运动复合而成，其特点是刀具直径小于孔直径，刀具在高速旋转的同时绕孔的中心作螺旋线进给运动，刀具切削刃间歇地切削材料完成孔的加工；这种特殊的运动方式和特点决定了偏心制孔的优势：（1）刀具中心的轨迹是偏心螺旋线而非直线，即刀具中心不再与所加工孔的中心重合，且刀具的直径与孔的直径不一样，这突破了传统钻孔技术中一把刀具加工同一直径孔的限制，实现了用单一刀具加工出系列直径的孔，这不仅减少了更换刀具所需要的辅助时间，提高了加工效率，同时也大大减少了存刀数量和种类，降低了加工成本；（2）偏心制孔的铣削过程中，由于刀具直径小于孔的直径，刀具自转的同时又绕孔的中心公转，刀具与孔壁之间有一定的空间，且刀刃并不是始终与工件相接触，有利于刀具的散热、断屑及排屑，从而降低了刀具切削力、降低了因温度累积而造成刀具磨损失效，延长了刀具使用寿命；（3）与传统钻孔相比，在制孔过程中对刀具的冷却方式有了很大的改进，整个制孔过程可以采用微量润滑甚至空冷方式来实现冷却，是一个绿色环保的过程；（4）偏心加工的方式使得切屑不再是卷曲麻花状，而是粉末状，有足够的空间从孔槽由真空吸屑管排出，排屑方式不再是影响孔质量的主要因素；（5）偏心制孔具有较小的制孔轴向力，可减少金属材料毛刺形成，在加工复合材料时，可以抑制复合材料的分层现象。鉴于偏心制孔良好的制孔特性，尤其针对航空制造业大量使用的钛合金、碳纤维复合材料等轻质难加工材料以及叠层结构，偏心制孔在飞机制造行业得到了推广和应用，由此，出现了许多自动化的偏心制孔（螺旋铣孔）设备。

[0004] 但是，现有的偏心制孔设备也存在缺点和不足，例如：不具备在线调整制孔孔径的能力；在加工过程中需要调整制孔孔径时必须停止加工（停车），然后调整偏心距并固定该偏心距，之后才能继续进行加工，影响生产效率。现有偏心制孔设备无法加工锥形孔。现有偏心制孔设备没有主轴线缆防缠绕措施，这使整个制孔设备和生产降低了稳定性和安全性。

[0005] 由此，本发明人凭借多年从事相关行业的经验与实践，提出一种在线调整制孔孔径的制孔装置，以克服现有技术的缺陷。

[0036] 为了对本发明的技术特征、目的和效果有更加清楚的理解，现对照附图说明本发明的具体实施方式。

[0037] 如图1、图2所示，本发明提出一种在线调整制孔孔径的制孔装置1000；所述制孔装置1000由偏心制孔机头组件100、偏心头进给平台组件400、孔径调整驱动组件200、主轴线缆防缠绕组件300和压脚组件500构成；

[0038] 如图2、图6A、图6B和图6C所示，所述偏心头进给平台组件400包括有进给滑台底座401和底座401上设置的进给驱动电机402，进给驱动电机402通过联轴器连接于一进给丝杠403，进给丝杠403通过螺母座404连接一进给滑台405，该进给滑台405滑设于与丝杠403平行设置的直线滑轨406上；进给滑台底座401的后部设有一连接法兰407，可以通过连接法兰407将所述制孔装置1000安装在工业机器人、并联机床或五座标数控机床上作为末端执行器；

[0039] 如图2、图3所示，所述偏心制孔机头组件100包括有固定设置在进给滑台405上的机壳101，机壳101内转动地设有一外偏心套102；外偏心套102中转动地设有一内偏心套103；一电主轴104转动地设置在所述内偏心套103中；所述电主轴104前端由弹簧卡套105固定连接一刀具106；所述内偏心套103的外轮廓轴线与外偏心套102的内轮廓轴线重合，内偏心套103的内、外轮廓轴线具有间距；在本实施方式中，所述内偏心套的内、外轮廓轴线间的距离为3mm；内偏心套103的前端安装有轴承压盖107，用以保护轴承，避免其暴露在外；

[0040] 如图2、图4和图5A、图5B、图5C所示，所述孔径调整驱动组件200包括有驱动内偏心套103转动的偏心距调整伺服电机201和驱动外偏心套102转动的公转伺服电机202；所述偏心距调整伺服电机201和公转伺服电机202均固定安装于机壳101上；偏心距调整伺服电机201通过一偏心旋转传动机构连接于内偏心套103；

[0041] 在本实施方式中，所述内偏心套103的后端同轴固定连接一尾管1031；在所述外偏心套102的后端固定连接一与该外偏心套同轴的驱动带轮206，该驱动带轮206的轮毂上同轴转动地设有一偏心调整带轮205；所述尾管1031穿过驱动带轮206和偏心调整带轮205向后延伸设置；偏心距调整伺服电机201和公转伺服电机202分别连接有内减速器203和外减速器204（两个减速器均通过减速器座固定在机壳上），内、外减速器203、204上的带轮分别通过同步带驱动偏心调整带轮205和驱动带轮206旋转；所述偏心调整带轮206通过所述偏心旋转传动机构与所述尾管1031后端连接，由此驱动所述内偏心套旋转；

[0042] 如图5A、图5B、图5C所示，所述偏心旋转传动机构由顺序套设在所述尾管1031上的第一一字滑环207、十字滑环208和第二一字滑环209构成；所述第一一字滑环207与十字滑环208之间设有第一一字滑轨2081，所述十字滑环208与第二一字滑环209之间设有第二一字滑轨2082；所述十字滑环208两侧的第一一字滑轨2081与第二一字滑轨2082呈十字交叉设置；所述第一一字滑环207与偏心调整带轮205同轴固定连接，所述第一一字滑环207和十字滑环208的孔径与尾管1031的外径之间应有足够间隙，所述第二一字滑环209的孔径与尾管1031外径相同并与尾管1031键连接。在本实施方式中，所述第一一字滑轨2081和第二一字滑轨2082均由LM导轨构成。

[0043] 如图2、图5A、图5B、图5C所示，所述主轴线缆防缠绕组件300设置在机壳101的后端，并通过一走线管303连接于电主轴104的外壳；所述主轴线缆防缠绕组件包括有固定在机壳101后端的竖直滑道301和一端滑设于所述竖直滑道301上的摆动连杆302，该摆动连杆302另一端设有一连接孔3021；所述走线管303穿过所述尾管1031固定连接于所述连接孔3021中；所述走线管303的外壁与尾管1031内壁之间具有足够间隙。在本实施方式中，所述竖直滑道301为一开口向上的U形叉架，所述摆动连杆302的一端连接一转轴304，所述转轴304设置在U形叉架的U形槽中。

[0044] 如图2、图7所示，所述压脚组件500位于进给滑台底座401的前端，该压脚组件500由设置在该进给滑台底座401上的驱动气缸507驱动并滑设于所述直线滑轨406上。
所述压脚组件500包括压脚进给滑台501和设置在压脚进给滑台501上的压脚502，所述压脚502上设有法向测量装置503、照相测量装置504、刀具破损检测装置505和真空吸屑管506，真空吸屑管506一端安装于压脚进刀口，另一端连通吸屑泵（图中未示出）的管道；
所述法向测量装置503设置四个。

[0045] 由上所述，本发明在线调整制孔孔径的制孔装置利用内外两个偏心套来实现制孔过程中刀具高速的自转和刀具绕可变中心的公转，进而提供刀具偏心制孔所需要的复合运动；内偏心套承担按制孔孔径要求调整偏心距的任务，内偏心套的转动由偏心距调整伺服电机驱动，外偏心套的转动由公转伺服电机驱动；偏心距调整伺服电机带动内偏心套相对外偏心套旋转时，即可调整偏心距，通过调整偏心距达到调整预制孔的孔径的目的；调整完毕后，偏心距调整伺服电机与公转伺服电机以同样的转速驱动内、外偏心套转动（无需其他方式锁紧），完成刀具的公转任务；刀具自转转速则通过外部变频器控制电主轴的频率来实现；偏心制孔机头组件安装在偏心头进给滑台上，制孔深度则由偏心头进给滑台底座上的进给驱动电机带动滚珠丝杠旋转，推动偏心头进给滑台沿直线导轨运动来实现。由此，孔径调整、刀具公转转速、刀具轴向进给速度都可通过各伺服控制电机由程序精确控制；因此，本发明在线调整制孔孔径的制孔装置能够实现在线调整制孔孔径，提高制孔效率；同时能够实现锥形孔的加工；通过主轴线缆防缠绕机构避免了主轴高速旋转时的线缆缠绕问题，以提高了整个制孔装置的稳定性和安全性。

[0046] 本发明在线调整制孔孔径的制孔装置自动化制孔的步骤如下所述：

[0047] 1）将通过连接法兰将本制孔装置安装在工业机器人、并联机床或五座标数控机床等自动化设备上作为末端执行器；

[0048] 2）加工时，自动化设备携带末端执行器以一定姿态到达指定的理论定位孔位置，进行照相测量并修正预制孔位置；

[0049] 3）自动化设备按照修正位置移动到位后，通过四个法向测量装置在线测量并修正预制孔的法矢，自动化设备重新调整姿态，使压脚轴线与工件预制孔实测法矢重合；

[0050] 4）压脚组件由压脚滑台驱动气缸驱动沿直线导轨运动，压紧工件；

[0051] 5）依据刀位文件中预制孔要求的孔径，由偏心距调整伺服电机和公转伺服电机调整内偏心套与外偏心套之间的相对旋转角度，达到在线调整制孔孔径的目的；

[0052] 6）启动电主轴(其转速可通过变频器调整控制)；启动公转伺服电机和偏心距调整伺服电机(转速与公转伺服电机一致)；启动进给驱动电机,偏心头进给滑台沿直线导轨移动，使得刀具既有自转又有公转沿螺旋线轨迹进给，完成制孔；

[0053] 7）偏心头进给滑台退回，压脚组件退回，关闭公转伺服电机，关闭偏心距调整伺服电机，关闭电主轴，自动化设备移至下一制孔位或停止。

[0054] 本发明具有如下有益效果：

[0055] 1.可在线调整制孔孔径，减少更换刀具所需的辅助时间，提高生产效率，降低加工成本；

[0056] 制孔孔径调整、刀具公转转速、刀具轴向进给速度都可通过各伺服控制电机由程序精确控制，刀具自转转速则通过外部变频器控制电主轴频率来实现；通过在线调整偏心距，实现了用单一刀具加工出系列直径的孔，突破了传统钻孔技术中一把刀具加工同一直径孔的限制。

[0057] 2.提高制孔的精度，减少废品率；

[0058] 由于刀具的直径小于孔的直径，刀具中心的轨迹是螺旋线而非直线，因此，增加了排屑和散热的空间，加上内藏风冷通道和真空吸屑装置，不仅可以有效排屑，又可以降低切削力，提高了制孔的精度，特别是针对碳纤维复合材料、钛合金等难加工材料或复钛叠层材料的制孔，不仅可以避免废屑划伤孔壁，又非常有利于避免复合材料出口分层和撕裂的发生，因此，可以很好地解决航空制造业目前面临的难加工材料的制孔难题。

[0059] 3.延长刀具的使用寿命；

[0060] 偏心制孔过程中，刀具自转的同时又绕孔的中心公转，刀具与孔壁之间有一定的空间，且刀刃并不是始终与工件相接触，有利于刀具的散热，加上内藏风冷通道从而降低了因温度累积而造成刀具磨损失效。

[0061] 4.有效提高孔的光洁度；

[0062] 整个制孔过程中产生的切屑，适时地通过真空吸屑管道排除，避免了孔内表面的划伤，有利于提高孔内的光洁。

[0063] 5.易于实现自动化制孔作业；

[0064] 由于偏心制孔工艺切削力比较小，因此该装置可直接安装在工业机器人、并联机床或五座标数控机床上作为末端执行器，实现自动化制孔作业。

[0065] 6.避免电主轴线缆发生缠绕；

[0066] 通过主轴线缆防缠绕机构避免了主轴高速旋转时的线缆缠绕问题，提高了整个制孔装置的稳定性和安全性。

[0067] 进一步，如图2所示，内偏心套通过轴承安装在外偏心套的内部，可与外偏心套发生相对转动；内偏心套的末端与尾套连接在一起，一呈圆环形的内偏心隔套108安装在内偏心套的尾部和轴承之间，起到消除内偏心套与尾套的轴向间隙的作用；外偏心套通过轴承安装在机壳的内部，可与机壳发生相对转动，一呈L形阶梯圆环的隔套109安装在外偏心套尾部轴承与驱动带轮之间，起到消除外偏心套与驱动带轮间的轴向间隙的作用。

[0068] 一外同步带2061将外减速机带轮与驱动带轮连接起来，并通过外胀紧轮胀紧，外偏心套的末端通过螺钉与驱动带轮连接在一起，工作时，公转伺服电机驱动外减速器，通过外同步带2061带动驱动带轮转动，同时带动与之固定在一起的外偏心套转动；

[0069] 一内同步带2051将内减速机带轮与偏心调整带轮连接起来，并通过内胀紧轮胀紧，偏心调整带轮通过螺钉与第一一字滑环同轴固定连接，所述第二一字滑环与尾管末端连接，尾管前端又与内偏心套末端通过螺钉同轴固定连接在一起，工作时，偏心距调整伺服电机驱动内减速器，通过内同步带2051带动偏心调整带轮转动，同时与偏心调整带轮相连的第一一字滑环、十字滑环和第二一字滑环转动，带动尾管转动，继而带动与尾管连接在一起的内偏心套转动；当需要调整孔径时，通过偏心距调整伺服电机和公转伺服电机调整内偏心套与外偏心套之间的相对旋转角度，达到在线调整制孔孔径的目的，从而实现孔径的在线调整。孔径调整完毕后，由偏心距调整伺服电机和公转伺服电机以同样的转速驱动进行公转加工，保证内、外偏心套的同步运动，从而保证偏心距不变。

[0070] 如图2、图5A、图5B和图5C所示，由主轴线缆防缠绕组件保证主轴线缆不做旋转运动；电主轴线缆由走线管保护与外部电源相连，主轴线缆通过走线管导出，走线管的尾部安装在摆动连杆的连接孔内，摆动连杆底端装有一个转轴（类似凸轮）U型叉架固定在机壳的后下部，转轴的直径与U型叉架的U型槽宽度一直，转轴限制在U型叉架的U型槽内做上下直线往复运动；当走线管随尾管(与内偏心套连接在一起)做自转和公转运动或者做偏心距调整时，由于摆动连杆的转轴限制在U型叉架的U型槽内做上下直线运动，摆动连杆绕连接孔中心旋转的力通过十字滑环的LM导轨内部的滑块移动分解掉，因此，当刀具既自转又公转进行加工时，走线管随着连杆只做轻微的往复摆动，有效地防止了主轴线缆防缠绕，实现了主轴线缆防缠绕功能。

[0071] 压脚组件安装在压脚滑台上，与偏心头进给滑台共用同一直线导轨，工作时由气缸驱动，使压脚压紧工件，通过压脚组件上的照相测量（工业用）装置在线测量并修正预制孔位置；通过四个法向测量装置在线测量并修正预制孔的法矢；通过安装在压脚头上的刀具破损检测接近开关在线检测刀具是否折断；通过真空吸屑管将加工产生的金属切屑由真空吸屑系统实时排出；压脚组件与偏心头组件虽然都在同一直线导轨上运动，但它们的进给行程并不相交，不会发生碰撞。

[0072] 本发明在线调整制孔孔径的制孔装置能够实现在线调整制孔孔径，提高制孔效率；同时能够实现锥形孔的加工；通过主轴线缆防缠绕机构避免了主轴高速旋转时的线缆缠绕问题，以提高了整个制孔装置的稳定性和安全性。

[0073] 以上所述仅为本发明示意性的具体实施方式，并非用以限定本发明的范围。任何本领域的技术人员，在不脱离本发明的构思和原则的前提下所作出的等同变化与修改，均应属于本发明保护的范围。