CN116673516A - 一种可自调位姿的磁吸钻机 - Google Patents

Abstract

本发明属于钻削设备技术领域，公开了一种可自调位姿的磁吸钻机，包括依次连接的钻削组件、位姿调节组件、钻机固定组件；其中，钻削组件包括钻削机构和钻削进给机构，位姿调节组件包括3R1P四轴串联机构，钻机固定组件包括三个支撑杆和三组带牵拉磁吸足，三个支撑杆和三组带牵拉磁吸足均关于钻机中心轴中心对称安装，且交替均匀布置。该钻机不但能在复杂表面上吸附固定、实施钻削作业，还能自动调节钻机主轴位姿以定位钻孔位置和钻孔方向，不但节省了夹具制造、装夹、调试所需的时间和人工成本，而且结构紧凑，控制简单，钻削精度高。

Description

一种可自调位姿的磁吸钻机

技术领域

本发明属于钻削设备技术领域，具体涉及一种可自调位姿的磁吸钻机。

背景技术

钻床是指用钻头在工件上加工孔的机床，在金属加工有着广泛应用。通常，在加工工件时，除了需要保证孔的位置精度，还需要保证加工面与钻头的角度(一般为垂直角度)。对于只有一个加工面的简单工件，只需要装夹一次便可以加工完毕；但是对于复杂的工件，可能需要在很多不平行的面上钻孔，也有可能在曲面上钻孔，此时需要多次装夹才能保证每次钻孔时钻头垂直于被加工面，这种情况下，不仅装夹工序繁多，效率低下，而且由于夹具本身精度不高，钻头和被加工表面也很难保证垂直，装夹质量的好坏往往取决于操作人员的技能和经验，随机性大，工作效率低。此外，夹具设计制造也带来的大量工作和成本。因此，开发一种能实现多种平面或曲面上的打孔作业，降低钻削作业中工件的移动和装夹频率，并能够自动调节、固定钻头位置和位姿，保证打孔位置精度和打孔方向的自动化钻机，对于提高钻孔精度、提高加工效率以及减少人力资源成本都有着非常积极的现实意义。

现有技术中也有一些解决上述问题的方案：专利CN108098784A公开了一种飞机机翼钻铣加工机器人，用于飞机机翼表面加工，能够在曲面上实现主轴自动对中、自动法向找正，提高所钻孔的精度，降低加工成本。该发明通过XY位移平台和3轴并联机构实现了精确定位的功能，但是其不足也较为明显：3轴并联机构的工作空间较小，只能在小范围内调节位姿，吸附固定精度误差大；使用激光跟踪仪来调整位姿需要一个复杂的算法求解，而且每一次钻削都需要单独计算求解，提高了成本。专利CN104308839A公开了一种结构解耦的六足钻、铣削加工机器人,包括：装有钻、铣削电主轴的机器人躯干、六条机械腿、六个装有吸附装置的足；通过六条机械腿在被加工对象表面行走、定位，实现钻、铣削加工。该方案每条机械腿是一种支链含闭环的三自由度解耦机构，因此控制钻头定位时，解耦算法复杂且计算精度难以保证，因此导致控制效率低，定位精度低。

综上所述，现有技术中的方案或应用受限、定位效果差，或结构复杂、控制效率低、控制精度差，用于复杂表面上钻削作业且具有自定位功能的钻削设备的研究依然意义重大。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明提供一种可自调位姿的磁吸钻机，该钻机不但能在复杂表面上吸附固定、实施钻削作业，还能自动调节钻机主轴位姿以定位钻孔位置和钻孔方向，不但节省了夹具制造和装夹调试所需的时间和人工成本，而且结构紧凑，控制简单，钻削精度高。

为实现上述目的，本发明提供了如下技术方案：

一种可自调位姿的磁吸钻机，其特征在于，包括钻削组件、位姿调节组件、钻机固定组件；其中，钻削组件包括钻削机构和钻削进给机构，布置于位姿调节组件中心，并与位姿调节组件通过传动机构连接；位姿调节组件包括3R1P四轴串联机构，用于自动调节钻削组件位姿以定位钻孔位置和钻孔方向；钻机固定组件固定在位姿调节组件外侧，用于钻机的固定；钻机固定组件包括三个支撑杆和三组带牵拉磁吸足，三个支撑杆和三组带牵拉磁吸足均关于钻机中心轴中心对称安装，且交替均匀布置；所述带牵拉磁吸足包括缠绕机构、缠绕伺服电机、拉带和磁性足，缠绕伺服电机连接并驱动缠绕机构，拉带上端固定在缠绕机构上，下端连接磁性足；磁性足包括三杆连接件，三杆连接件中的上部杆固定连接拉带下端，两根下部杆分别通过连接件可转动地连接有两个磁铁；支撑杆上安装有压力传感器，且其末端安装有橡胶球形垫。

优选地，所述钻削组件由棱柱筒形外壳支承；所述钻削机构包括依次固定连接的钻削主轴、钻头夹具、钻头，钻削主轴外表面固定有沿其中心轴方向布置的燕尾块，燕尾块与开设在外壳内侧的燕尾槽嵌套，使钻削主轴与外壳轴向滑动连接；所述钻削进给机构包括进给电机、齿轮、齿条，进给电机通过连接件固定在外壳外表面，齿轮固定在进给电机的输出轴上，齿条竖直固定在钻削主轴上，齿轮与齿条啮合。

优选地，所述钻削组件下端关于钻削主轴中心对称布置固定有四个激光投线仪和六个红外测距传感器。

进一步优选地，所述钻削组件顶部还安装有陀螺仪传感器。

优选地，所述3R1P四轴串联机构包括四个串联的传动机构，其中，第一至第四传动机构分别实现钻削组件竖直面内旋转、水平面内移动、水平面内转动、竖直面内旋转；第一传动机构与钻削组件连接，第四传动机构与钻机固定组件连接。

进一步优选地，所述第一传动机构包括第一电机、传动箱、涡轮、第一蜗杆；传动箱一端与钻削组件上的第一横销销连接，对应的另一端固定在第一电机外壳上，涡轮、第一蜗杆安装在传动箱内，涡轮固定在横销上，第一蜗杆固定在第一电机输出轴上，涡轮、第一蜗杆啮合；第一电机与第二传动机构连接。

进一步优选地，所述第二传动机构包括第二电机、第一齿轮箱、丝杠滑轨架，丝杠滑轨架包括平行安装的丝杠和滑轨，第二电机通过第一齿轮箱与丝杠固定，丝杠与第一传动机构上的螺母滑环旋合；丝杠滑轨架、第二电机均与第三传动机构固定。

进一步优选地，所述第三传动机构包括依次固定连接的第三电机、第二齿轮箱、第一锥齿轮以及锥齿圈，第三电机、第二齿轮箱通过圆台与第二传动机构固定，第一锥齿轮与锥齿圈啮合；锥齿圈与第四传动机构固定。

进一步优选地，第四传动机构包括第四电机、第三齿轮箱、第二蜗杆、弧形齿条、内球壳；第四电机、第三齿轮箱、第二蜗杆依次固定连接，并固定在外球壳上；弧形齿条固定在内球壳外侧，内球壳与第三传动机构固定；第二蜗杆、弧形齿条啮合。

再进一步优选地，所述外球壳上至少布置有一组楔形滑槽，所述楔形滑槽与所述内球壳上对应布置的楔形滑块相互嵌套滑动。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

1.因为本发明采用均匀分布在球壳上的三个刚性支撑足(支撑杆)和三个磁吸式自适应支撑足(带牵拉磁吸足)装夹固定钻机，而且三个刚性支撑足上设置压力传感器，用于精确控制三个方向上的装夹力，不但使得钻机固定更加可靠、稳定，还能在钻削过程中自动调节钻削力，有利于提高钻削精度。

2.因为本发明采用3R1P四轴串联机构调节钻机主轴位姿，位姿调节算法简单、可靠；而且为固定钻削主轴的圆台上设置两转一移三个自由度，在圆台与钻机固定组件之间设置球壳，球壳上设置控制圆台相对球壳转动的机构，不但补偿了圆台上三个电机控制钻机主轴位姿的奇异点，还使得电机位姿调控和钻机固定调控相互独立，位姿调控也更加灵活、可靠。

附图说明

图1为本发明实施例的一种可自调位姿的磁吸钻机主视图；

图2为本发明实施例的一种可自调位姿的磁吸钻机左视图；

图3为本发明实施例的一种可自调位姿的磁吸钻机俯视图；

图4为本发明实施例的一种可自调位姿的磁吸钻机仰视图；

图5为本发明实施例的钻削组件结构示意图；

图6为本发明实施例的第一传动机构结构示意图；

图7为本发明实施例的第二传动机构结构示意图；

图8为本发明实施例的第三传动机构结构示意图；

图9为本发明实施例的第四传动机构结构示意图；

图10为本发明实施例的钻机固定组件结构示意图。

图中：1、钻削组件，2、位姿调节组件，3、钻机固定组件，101、陀螺仪传感器，102、棱柱筒形外壳，103、进给电机，104、钻削主轴，105、齿条，106、激光投线仪，107、钻头，108、齿轮，109、燕尾块，110、红外测距传感器，111、第一横销，112、第二横销，113、钻头夹具，201、第一电机，202、第一蜗杆，203、涡轮，204、传动箱，2041、螺母滑环，205、丝杠，206、滑轨，207、滑块，2072、滑环，208、上圆台，209、下圆台，210、第一齿轮箱，211、第二电机，212、第三电机，213、第一锥齿轮，214、第二齿轮箱，215、锥齿圈，216、第二锥齿轮，217、内球壳，2171、楔形滑块，218、弧形齿条，219、第四电机，220、第三齿轮箱，221、第二蜗杆，222、外球壳，2221、楔形滑槽，301、缠绕伺服电机，302、缠绕机构，303、拉带，304、三杆连接件，305、磁铁，306、压力传感器，307、支撑杆，308、橡胶球形垫。

具体实施方式

为了使本发明实现的技术手段、创作特征、达成目的与功效易于明白了解，以下实施例结合附图对本发明作具体阐述，需要说明的是，对于这些实施方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制；术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性，此外，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。当两个元件“固定连接”或“回转连接”时，两个元件可以直接连接或者也可以存在居中的元件。相反，当元件被称作“直接在”另一元件“上”时，不存在中间元件。固接或固定连接方式可以为螺接或焊接或铆接或插接或通过第三个部件进行连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在限制本发明。

如图1，2,3,4所示，本实施例中的一种可自调位姿的磁吸钻机，用于吸附固定于加工表面或工作台上实施钻削作业，包括钻削组件1、位姿调节组件2、钻机固定组件3以及传感系统、控制系统。钻削机构1用于执行钻削旋转运动和钻削主轴进给运动，布置于位姿调节组件2中心，并与位姿调节组件2通过传动机构连接；位姿调节组件2包括3R1P四轴串联机构(3个转动副、1个移动副串联形成的机构)，用于自动调节钻削组件1位姿以定位钻孔位置和钻孔方向；钻机固定组件3固定在位姿调节组件2外侧，用于钻机的固定。

如图5所示，钻削组件1由棱柱筒形外壳102支承，包括钻削机构和钻削进给机构。其中，钻削机构包括依次固定连接的钻削主轴104(含切削电机)、钻头夹具113、钻头107，钻削主轴104外表面固定有沿其中心轴方向布置的燕尾块109，燕尾块109与开设在外壳102内侧的燕尾槽嵌套，使钻削主轴与外壳102轴向滑动连接(即沿Z轴方向,竖直方向的滑动)；钻削进给机构包括进给电机103、齿轮108、齿条105，进给电机103通过连接件固定在外壳102外表面，齿轮108固定在进给电机103的输出轴上，齿条105竖直固定在钻削主轴104上，齿轮108与齿条105啮合，从而实现进给电机103旋转驱动钻削主轴的轴向进给运动(即沿Z轴方向,竖直方向的运动)。钻削机构下端固定有四个激光投线仪106，四个激光投线仪106中心对称地固定在钻头夹具113与钻削主轴104之间的套筒件上，用于钻孔位置检测与反馈；外壳102下端面固定有六个红外测距传感器110，六个红外测距传感器110围绕钻削主轴104中心对称布置，如图4所示，用于钻孔平面和方向的检测和反馈；外壳102顶部安装有陀螺仪传感器101，用于钻孔方向的检测和反馈。

钻削组件外壳102上同轴固定安装有第一横销111、第二横销112，用于与位姿调节组件2连接。位姿调节组件2包括四个串联的传动机构，即3R1P四轴串联机构，实现钻削组件1在三维空间内姿态的任意改变。

如图6所示，第一传动机构包括第一电机201、传动箱204、涡轮203、第一蜗杆202；传动箱204一端与钻削组件外壳102上的第一横销111销连接(转动连接)，对应的另一端固定在第一电机201外壳上，涡轮203、第一蜗杆202安装在传动箱204内，涡轮203固定在横销111上，第一蜗杆202固定在第一电机201输出轴上，涡轮203、第一蜗杆202啮合，实现第一电机201驱动钻削组件1绕Y轴旋转(竖直旋转)。

如图7所示，第二传动机构包括第二电机211、第一齿轮箱210、丝杠滑轨架，丝杠滑轨架包括平行安装的丝杠205和滑轨206，第二电机211通过第一齿轮箱210与丝杠205固定，丝杠205与传动箱204上的螺母滑环2041旋合，从而实现第二电机211旋转驱动固定在传动箱204上的第一传动机构沿X轴移动(水平移动)。为平衡钻削组件1受力，还设置通过滑轨206和与之滑动连接的滑块207，将钻削组件1另一侧与第二传动机构连接，具体结构为滑块207下端的滑环2072与滑轨206嵌套滑动连接，滑块207上端的孔2071与钻削组件外壳102上的第二横销112销连接。丝杠滑轨架和第二电机211均固定在圆台上，圆台包括相互固定连接的上圆台208和下圆台209。

如图8所示，第三传动机构包括依次固定连接的第三电机212、第二齿轮箱214、第一锥齿轮213，以及锥齿圈215，第三电机212、第二齿轮箱214分别固定在上圆台208、下圆台209上，第一锥齿轮213与锥齿圈215啮合，因而第三电机212旋转可驱动锥齿圈215与固定在圆台上的第二传动机构绕Z轴旋转(水平转动)。为增强钻机承载能力，使用轴向承载能力更大的锥齿轮；为提高传动精度，还设置在圆台上固定同样与锥齿圈215啮合的第二锥齿轮216，第一锥齿轮213与第二锥齿轮216对称布置。

如图9所示，第四传动机构包括第四电机219、第三齿轮箱220、第二蜗杆221、弧形齿条218(与第二蜗杆221配合加工，可看做涡轮的一部分)、内球壳217；第四电机219、第三齿轮箱220、第二蜗杆221依次固定连接，并固定在外球壳222上；弧形齿条218固定在内球壳217外侧，锥齿圈215固定在内球壳217内侧，第二蜗杆221、弧形齿条218啮合，实现第四电机旋转驱动与锥齿圈215连接的第三传动机构绕Y轴旋转(竖直旋转)。为提到运动稳定性，在外球壳222、内球壳217上设计至少一组楔形滑槽2221和楔形滑块2171，楔形滑槽2221和楔形滑块2171相互嵌套滑动，实现导向作用。

本发明采用3R1P四轴串联机构调节钻机主轴位姿，位姿调节算法简单、可靠；而且为固定钻削主轴的圆台上设置两转一移三个自由度，在圆台与钻机固定组件之间设置球壳，球壳上设置控制圆台相对球壳转动的机构，不但补偿了圆台上三个电机控制钻机主轴位姿的奇异点，还使得电机位姿调控和钻机固定调控相互独立，位姿调控也更加灵活、可靠。

如图10所示，钻机固定组件3固定在外球壳222上，包括三个支撑杆307和三组带牵拉磁吸足，三个支撑杆和三组带牵拉磁吸足均关于钻机中心轴中心对称安装，且交替均匀布置。带牵拉磁吸足包括缠绕机构302、缠绕伺服电机301、拉带303和磁性足，缠绕伺服电机301与缠绕机构302连接，两者一起固定在外球壳222的下方。拉带303尽量选用钢度较大的材料制造，如工业扁平吊装带，其上端固定在缠绕机构302上，下端连接磁性足；其中，磁性足包括三杆连接件304，三杆连接件304中的上部杆固定连接拉带303下端，两根下部杆分别通过连接件可转动地连接有两个磁铁305。支撑杆307上安装有压力传感器306，其末端安装有橡胶球形垫308。使用时，先使三个支撑杆307支撑在加工表面或工作台上，调整三个磁性足位置，使其吸附在加工表面或工作台上，缠绕伺服电机301根据支撑杆307上压力传感器306反馈的力信号旋转驱动缠绕机构302拉紧拉带303，实现钻机固定。该结构适应性强，可实现钻机在任何表面上的固定，而且可精确控制三个方向上的装夹力，不但使得钻机安装更加可靠、稳定，还能在钻削过程中自动调节钻削力，有利于提高钻削精度。

本发明的一种可自调位姿的磁吸钻机的工作原理及使用流程如下：

先开启4个激光投线仪106，在工件表面形成“十”字准星，再启动第三电机212(水平转动)和第二电机211(水平移动)使电机主体移动直至“十”字准星移动至需要钻削的位置附近，之后开启6个红外测距传感器110，将中心对称的2个红外测距传感器110的数据作为一组进行对比并将反馈信号至第一电机201、第二电机211、第四电机219，令钻机主体完成自动法向找平功能，即：通过将中心对称的两个红外测距传感器110的数据做差值，驱动各电机改变钻削组件位姿，使每组红外测距传感器110所测数据差值减小至设定范围即完成自动找平；之后再微调位置至“十”字准星完全对准需要钻削位置；同时找平功能也会进行实时找平。准星瞄准之后，锁死之前所有电机，启动钻削主轴104、进给电机103进行钻削。若要钻削斜孔，则可以通过陀螺仪传感器101的反馈信号进行精确角度的调整再进行钻削。该反馈调节过程无需复杂的计算求解，控制效率高，而且定位精度高。

上述实施方式为本发明的优选案例，并不用来限制本发明的保护范围，本领域普通技术人员在所附权利要求范围内不需要创造性劳动就能做出的各种变形或修改仍属本专利的保护范围。

Claims (10)

1.一种可自调位姿的磁吸钻机，其特征在于，包括钻削组件(1)、位姿调节组件(2)、钻机固定组件(3)；

其中，钻削组件(1)包括钻削机构和钻削进给机构，布置于位姿调节组件(2)中心，并与位姿调节组件(2)通过传动机构连接；位姿调节组件(2)包括3R1P四轴串联机构，用于自动调节钻削组件(1)位姿以定位钻孔位置和钻孔方向；钻机固定组件(3)固定在位姿调节组件(2)外侧，用于钻机的固定；

钻机固定组件(3)包括三个支撑杆(307)和三组带牵拉磁吸足，三个支撑杆和三组带牵拉磁吸足均关于钻机中心轴中心对称安装，且交替均匀布置；所述带牵拉磁吸足包括缠绕机构(302)、缠绕伺服电机(301)、拉带(303)和磁性足，缠绕伺服电机(301)连接并驱动缠绕机构(302)，拉带(303)上端固定在缠绕机构(302)上，下端连接磁性足；磁性足包括三杆连接件(304)，三杆连接件(304)中的上部杆固定连接拉带(303)下端，两根下部杆分别通过连接件可转动地连接有两个磁铁(305)；支撑杆(307)上安装有压力传感器(306)，且其末端安装有橡胶球形垫(308)。

2.根据权利要求1所述的一种可自调位姿的磁吸钻机，其特征在于，所述钻削组件(1)由棱柱筒形外壳(102)支承；

所述钻削机构包括依次固定连接的钻削主轴(104)、钻头夹具(113)、钻头(107)，钻削主轴(104)外表面固定有沿其中心轴方向布置的燕尾块(109)，燕尾块(109)与开设在外壳(102)内侧的燕尾槽嵌套，使钻削主轴(104)与外壳(102)轴向滑动连接；

所述钻削进给机构包括进给电机(103)、齿轮(108)、齿条(105)，进给电机(103)通过连接件固定在外壳(102)外表面，齿轮(108)固定在进给电机(103)的输出轴上，齿条(105)竖直固定在钻削主轴(104)上，齿轮(108)与齿条(105)啮合。

3.根据权利要求1所述的一种可自调位姿的磁吸钻机，其特征在于，

所述钻削组件(1)下端关于钻削主轴(104)中心对称布置固定有四个激光投线仪(106)和六个红外测距传感器(110)。

4.根据权利要求3所述的一种可自调位姿的磁吸钻机，其特征在于，所述钻削组件(1)顶部还安装有陀螺仪传感器(101)。

5.根据权利要求1所述的一种可自调位姿的磁吸钻机，其特征在于，所述3R1P四轴串联机构包括四个串联的传动机构，其中，第一至第四传动机构分别实现钻削组件(1)竖直面内旋转、水平面内移动、水平面内转动、竖直面内旋转；第一传动机构与钻削组件(1)连接，第四传动机构与钻机固定组件(3)连接。

6.根据权利要求5所述的一种可自调位姿的磁吸钻机，其特征在于，所述第一传动机构包括第一电机(201)、传动箱(204)、涡轮(203)、第一蜗杆(202)；传动箱(204)一端与钻削组件(1)上的第一横销(111)销连接，对应的另一端固定在第一电机(201)外壳上，涡轮(203)、第一蜗杆(202)安装在传动箱(204)内，涡轮(203)固定在横销(111)上，第一蜗杆(202)固定在第一电机(201)输出轴上，涡轮(203)、第一蜗杆(202)啮合；第一电机(201)与第二传动机构连接。

7.根据权利要求5所述的一种可自调位姿的磁吸钻机，其特征在于，所述第二传动机构包括第二电机(211)、第一齿轮箱(210)、丝杠滑轨架，丝杠滑轨架包括平行安装的丝杠(205)和滑轨(206)，第二电机(211)通过第一齿轮箱(210)与丝杠(205)固定，丝杠(205)与第一传动机构上的螺母滑环(2041)旋合；丝杠滑轨架、第二电机(211)均与第三传动机构固定。

8.根据权利要求5所述的一种可自调位姿的磁吸钻机，其特征在于，所述第三传动机构包括依次固定连接的第三电机(212)、第二齿轮箱(214)、第一锥齿轮(213)以及锥齿圈(215)，第三电机(212)、第二齿轮箱(214)通过圆台与第二传动机构固定，第一锥齿轮(213)与锥齿圈(215)啮合；锥齿圈(215)与第四传动机构固定。

9.根据权利要求5所述的一种可自调位姿的磁吸钻机，其特征在于，所述第四传动机构包括第四电机(219)、第三齿轮箱(220)、第二蜗杆(221)、弧形齿条(218)、内球壳(217)；第四电机(219)、第三齿轮箱(220)、第二蜗杆(221)依次固定连接，并固定在外球壳(222)上；弧形齿条(218)固定在内球壳(217)外侧，内球壳(217)与第三传动机构固定；第二蜗杆(221)、弧形齿条(218)啮合。

10.根据权利要求9所述的一种可自调位姿的磁吸钻机，其特征在于，所述外球壳(222)上至少布置有一组楔形滑槽(2221)，所述楔形滑槽(2221)与所述内球壳(217)上对应布置的楔形滑块(2171)相互嵌套滑动。