雷射制導深孔鑽削在線檢測與糾偏系統的製作方法

2023-04-25 08:26:01

專利名稱：雷射制導深孔鑽削在線檢測與糾偏系統的製作方法
技術領域：
本發明屬於內排屑深孔加工的技術領域，特別涉及一種雷射制導深孔鑽削在線檢測與糾偏系統。
背景技術：
深孔加工主要包括鑽孔和鏜孔，鏜孔使原有的底孔擴大，鑽孔通常指在實體上加工孔，鑽前，沒有底孔。深孔鑽頭，按排屑方式分主要為內排屑深孔鑽和外排屑深孔鑽。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、鑽頭進給、內排屑深孔鑽削加工過程，提供一種利用雷射實時檢測內排屑深孔鑽頭位置和姿態(即角度)，並根據需要自動調整鑽頭姿態，使其恢復到初始值的檢測和糾偏系統。本發明採用如下的技術方案實現
雷射制導深孔鑽削在線檢測與糾偏系統，其特徵在於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，鑽杆上平行於鑽杆軸線開設的過光孔以及鑽頭背部上設置的與鑽頭固定連接的光束接收區，所述的一號光源、二號光源設置於鑽杆的後方對應過光孔的位置，一號光源、二號光源發出的一號入射光束、二號入射光束平行於鑽杆初始軸線，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，一號返回光束到達鑽頭位置傳感器，二號返回光束到達鑽頭姿態傳感器；
所述的糾偏部分包括加力機構以及鑽杆上平行於鑽杆軸線開設的若干加力孔，加力孔的孔數大於等於三，加力機構穿過加力孔，與鑽頭背面連接。所述的一號光源和二號光源為雷射源或者強光源，光束接收區包括立方體角錐稜鏡以及反射鏡，一號光源和鑽頭位置傳感器的位置對應於立方體角錐稜鏡的高度範圍內，二號光源的前方設置相對於返回光束傾斜的鑽頭姿態傳感器，鑽頭姿態傳感器上對應二號光源的位置開設微孔，鑽頭姿態傳感器的位置對應於反射鏡的高度範圍內。所述的一號光源、二號光源、鑽頭位置傳感器、鑽頭姿態傳感器都固定安裝於外架上，所述的反射鏡鏡、立方體角錐稜鏡都固定安裝於內架，內架安裝於鑽頭背部上。所述的鑽頭包括鑽頭體、小直徑段、擋環、以及與鑽杆連接的螺紋段，小直徑段的直徑小於鑽頭體、鑽杆的直徑，也小於擋環的直徑，擋環的後側面緊靠在鑽杆的前端面，光束接收區設置於小直徑段外圍的空間內。
所述的鑽頭背部和鑽杆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於擋油環套和小直徑段之間的空間內。所述的加力機構可以為拉杆結構，其包括電動機，電動機通過齒輪傳動副連接拉杆，拉杆穿過加力孔，拉桿頭部伸入鑽頭背部開設的連接孔內，拉桿頭部作用於球面墊圈，球面墊圈作用於蓋，蓋固定 於鑽頭背部。拉杆上安裝有力傳感器。所述的加力機構也可以為拉繩結構，其包括拉繩，拉繩一端與鑽頭背部連接，拉繩的另一端繞經定滑輪後與螺套連接，與螺套形成螺紋配合的螺杆與電動機的輸出軸固連。拉繩上安裝有力傳感器。所述的加力機構也可以為其他滿足要求的形式。所述的鑽頭位置傳感器和鑽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。本發明充分利用雷射或強光及反射鏡、稜鏡等光學鏡的特殊屬性工作，在線檢測鑽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。另外從內排屑深孔鑽頭背面的幾個加力孔加力，調整鑽頭姿態，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鑽頭(簡稱鑽頭)、鑽杆、光源、反射鏡、立方體角錐稜鏡、拉杆或拉繩、糾正鑽頭用的電動機、運算控制器、計算機。鑽頭固定於鑽杆，鑽杆固定於進給箱上，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，經過鑽杆與工件的間隙和鑽頭相鄰刀片間的間隙，從鑽杆內孔將鐵屑衝出。鑽杆內孔與外圓之間鑽有一個通孔，用於通過發射光束和返回光束，簡稱過光孔。鑽頭包括刀片、鑽頭體、鑽頭背部、小直徑段、擋環、螺紋段幾部分。螺紋段固連於鑽杆，靠近螺紋段設置了擋環，螺紋擰緊後，擋環的後側面緊靠在鑽杆的端面，實現鑽頭在鑽杆上的軸向定位。小直徑段直徑較小，小於擋環的直徑，所對應的空間較大，固定於鑽頭背部的內架，位於該空間，內架內設置光束接收區。鑽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，使得調整鑽頭姿態(即角度)變成可能。光源固定於外架中，外架固定於工具機上，固定不動。外架設有觀察孔，便於操作者觀察其內部元件和光束情況。本發明採用兩個雷射源或兩個普通強光源，發出兩束光。一束用於檢測鑽頭位置的變化，它平行於鑽頭初始軸線，射向相對於鑽頭固定的立方體角錐稜鏡，由於該稜鏡的特點，光束通過立方體角錐稜鏡後，以平行於入射前的方向返回到鑽頭位置傳感器，用於檢測鑽頭位置的變化，亦即鑽頭在其軸線法面內的位置變化。另一束用於檢測鑽頭姿態的變化，它平行於鑽頭初始軸線，穿過傾斜設置的鑽頭姿態傳感器上開設的微孔，射向反射鏡，由反射鏡返回到鑽頭姿態傳感器。在加工工程中，當鑽頭不在原來正確的位置，鑽頭位置傳感器和姿態傳感器上的光斑將發生變化。採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。立方體角錐稜鏡不同於一般的光學稜鏡，通過它能夠反映鑽頭在垂直於光源線平面內的二維位置變化。不難理解，通過光斑的變化，也能夠反求出鑽頭姿態的變化，並可將其變化反映在計算機上。
所測得的鑽頭位置、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。一旦發現鑽頭不在正確位置，通過與鑽頭背部相連的拉杆或拉繩，連續向鑽頭施加力，使得鑽頭姿態恢復到初始的姿態。加工直徑大的深孔，可選用拉杆，加工直徑小的深孔，可選用拉繩。工作原理如下
在鑽杆內孔與外圓之間加工有幾個孔——加力孔，用於向鑽頭施加力的拉杆或拉繩穿過加力孔中。拉杆或拉繩在鑽頭背部幾個點處與鑽頭相連，便於施加力。這些點大於三，不共線，所形成的三角形或多邊形應該包容鑽杆內孔，以便於適應鑽頭不同方位調整需要。在鑽杆內孔與外圓之間加工的幾個孔，它們與鑽頭背部的連接孔分別正對。拉杆或拉繩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。在充分考慮鑽頭強度、剛度、扭轉剛度的前提下，本發明中鑽頭過渡段(也即小直徑段)直徑較小，使得調整鑽頭姿態容易實現。包括拉杆或拉繩、電動機在內的加力機構與進給箱固連，隨鑽頭、鑽杆移動。拉杆式加力機構，拉桿頭位於鑽頭背部的連接孔內，拉桿頭作用於球面墊圈，球面墊圈作用於蓋，蓋固定於鑽頭背部的螺紋孔內。電動機通過聯軸器驅動輸出軸，帶動兩隻齒輪(或帶輪)轉動，安裝於拉杆上的齒輪(或帶輪)的軸向運動被固定於進給箱體的零件所限制，齒輪(或帶輪)內孔有螺紋，與拉杆後端的螺紋相配合，可驅動拉杆。拉繩式加力機構，繩的一段與鑽頭背部相連，另一端通過滑輪後與螺套相連。電動機旋轉，使與之固連的螺杆旋轉，從而驅動螺套作直線移動。決定加力大小，應該考慮的因素包括鑽頭的偏差、加力點的布局。為便於計算機運算，拉杆或拉繩只承受拉力，不產生壓力，且讓其中一根拉杆或拉繩的拉力為零。當採用三個點時，由於三個點決定一個平面，所以在三處連續施加力，經過一定時間後，最終可以使鑽頭的姿態得到糾正。當採用多個點時，將力合成，得到三個當量力。由於各力基本平行，可以作為平行力合成，以簡化計算機的運算。本發明有運算與控制器，用以接受鑽頭位置信息和姿態信息，並將其傳輸到計算機上顯示。還根據鑽頭姿態信息，向電動機發出旋轉、停轉、反轉指令，從而通過拉杆或拉繩逐步調整鑽頭姿態，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鑽頭的位置參數，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於鑽頭背部，它們不能在鑽頭軸線法面，或光源線法面內直接調整鑽頭。因在鑽頭軸線法面內直接調整深孔鑽頭位置難度大，目前本行業內尚未有成熟的調整方案。但本發明糾正鑽頭姿態偏差，在一定程度上，能起到糾正鑽頭位置偏差的作用，而且，本發明是實時檢測，實時控制，迅速糾正鑽頭姿態偏差，顯然有利於保證深孔的直線度及深孔相對於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於鑽頭背部的環槽和鑽杆端面的環槽中，擋油環套安裝時，配有Y形密封圈，油液的壓力作用於密封圈，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，利用雷射和光學鏡的特性，在線檢測內排屑深孔鑽頭的位置和姿態變化，及時掌握工件旋轉、鑽頭進給深孔加工的工作狀態，是技術上的重要突破。鑽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，提出了及時糾正鑽頭姿態偏差的技術方案。本發明鑽頭特點是有「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，使得調整鑽頭姿態(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於設計基準的平行度、垂直度、同軸度。


圖I為本發明實施例I的結構示意圖，
圖2為本發明實施例2的結構示意圖，
圖3為鑽杆端面視圖，
圖4為鑽頭結構簡圖，
圖5為鑽頭後端視圖，
圖中1-工件，2-鑽頭，3-球面墊圈，4-蓋，5-擋油環套，6-Y型密封圈，7-輸油器，8-鑽杆，9-進給箱,10-拉杆，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-鑽頭位置傳感器,19-鑽頭姿態傳感器,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-鑽頭排屑孔，25-拉繩，26-螺杆，27-螺套，28-定滑輪，29-反射鏡，30-立方體角錐稜鏡，31-內架，32-外架，33-過光孔，34-螺紋連接孔，35-加力孔，36-鑽杆排屑孔，37-鑽頭體，38-刀片，39-環槽，40-螺釘孔，41-鑽頭背部，42-螺紋段，43-擋環，44-小直徑段，45-連接孔。
具體實施例方式 以下為本發明的一些具體實施方式
，這些具體實施方式
是用來說明本發明的，不對本發明做任何限制。實施例I :如圖I所示，本發明工件I旋轉、鑽頭2進給。工件上沒有底孔，需要鑽軸線水平的深孔。本發明包括工件I、鑽頭2、鑽杆8、輸油器7、進給箱9、一號光源16, 二號光源17,鑽頭位置傳感器18，鑽頭姿態傳感器19，反射鏡29，立方體角錐稜鏡30、拉繩25、糾正鑽頭用的電動機15、運算控制器、計算機。鑽頭2通過其螺紋段42固定於鑽杆8，鑽杆8固定於進給箱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，經過鑽杆8與工件I的間隙和鑽頭2的刀片38之間的間隙，從鑽杆排屑孔36將鐵屑衝出。鑽杆排屑孔36與外圓之間鑽有過光孔33。鑽頭包括刀片38、鑽頭體37、鑽頭背部41、小直徑段44、擋環43、螺紋段42幾部分。本發明中鑽頭，靠近螺紋部分設置了擋環43，螺紋擰緊後，擋環後側面緊靠在鑽杆的端面。小直徑段44直徑較小，所對應的空間較大，固定於鑽頭背部的內架31位於該空間，內架內固定有光束接收區的反射鏡29，立方體角錐稜鏡30。
所述的一號、二號光源為雷射光源或者強光光源，一號光源16、二號光源17、鑽頭位置傳感器18、鑽頭姿態傳感器19都固定安裝於外架32中，外架32固定於工具機上，固定不動。一號光源16發出的一號入射光束20，平行於鑽頭、鑽杆初始軸線，穿過鑽杆上的過光孔32，到達立方體角 錐稜鏡30，經過立方體角錐稜鏡30返回到鑽頭位置傳感器24，用於檢測鑽頭位置，鑽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，穿過鑽頭姿態傳感器19上開設的微孔，穿過鑽杆上的過光孔，到達反射鏡29，由反射鏡29返回到鑽頭姿態傳感器19，用於檢測鑽頭姿態，鑽頭姿態的變化以角度的形式反映。微孔可採用電子束、離子束、雷射方法等特種方法加工。在加工工程中，當鑽頭不在原來正確的位置，鑽頭位置傳感器和姿態傳感器上的光斑將發生變化，反映鑽頭位置和姿態的變化。所測得的鑽頭位置、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。一旦發現鑽頭不在正確位置，通過與鑽頭背部41相連的拉繩25，連續向鑽頭施加力，使得鑽頭姿態恢復到初始的姿態。加工直徑大的深孔，可選用拉杆，加工直徑小的深孔，可選用拉繩。在鑽杆內孔與外圓之間加工有3個加力孔35，用於向鑽頭施加力的拉繩穿過孔中。拉繩在鑽頭背部3個連接孔45與鑽頭相連，便於施加力。3個連接孔不共線，所形成的三角形包容鑽杆內孔，以便於適應鑽頭不同方位調整需要。3個加力孔35，與鑽頭背部3個連接孔45正對。拉繩施加力的動力來源為電動機,也可以是人力。有力傳感器(圖中未示出)測量拉力的大小，顯示在計算機上。本發明中鑽頭「過渡段」直徑較小，使得調整鑽頭姿態容易實現。包括拉繩25、電動機15在內的加力機構與進給箱9固連，隨鑽頭2、鑽杆8移動。所述的拉繩式加力機構，拉繩25的一端與鑽頭背部相連，另一端通過定滑輪28後與螺套27相連。電動機旋轉，使與之固連的螺杆旋轉，從而驅動螺套作直線移動。在鑽頭背部三處連續施加力，最終使鑽頭的姿態得到糾正。本發明有運算與控制器(圖中未示出)，用以接受鑽頭位置信息和姿態信息，並將其傳輸到計算機上顯示。還根據鑽頭姿態信息，向電動機發出正轉、停轉、反轉指令，從而通過拉杆或拉繩逐步調整鑽頭姿態，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於鑽頭背部的環槽39和鑽杆端面的環槽33中，擋油環套安裝時，配有Y形密封圈。實施例2 :如圖2所示，加力機構採用拉杆形式。拉杆式加力機構，拉桿頭位於鑽頭背部的連接孔45內，拉桿頭作用於球面墊圈3，球面墊圈作用於蓋4,蓋固定於鑽頭背部的連接孔45內。電動機15通過聯軸器14驅動輸出軸13，帶動兩隻齒輪(或帶輪)轉動，齒輪11的軸向運動被固定於進給箱體的零件所限制，齒輪11內孔有螺紋，與拉杆後端的螺紋相配合，可驅動拉杆10。其他結構同實施例I。
權利要求
1.一種雷射制導深孔鑽削在線檢測與糾偏系統，其特徵在於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)，鑽杆(8)上平行於鑽杆軸線開設的過光孔(33)以及鑽頭背部(41)上設置的與鑽頭(2)固定連接的光束接收區，所述的一號光源(16)、二號光源(17)設置於鑽杆(8)的後方對應過光孔(33)的位置,一號光源(16)、二號光源(17)發出的一號入射光束(20)、二號入射光束(21)平行於鑽杆初始軸線，一號入射光束(20)、二號入射光束(21)穿過過光孔(33)進入光束接收區經過光束接收區處理形成一號返回光束(22)、二號返回光束(23),兩路返回光束穿過過光孔(33)返回，一號返回光束(22)到達鑽頭位置傳感器(18)，二號返回光束(23)到達鑽頭姿態傳感器(19)； 所述的糾偏部分包括加力機構以及鑽杆(8)上平行於鑽杆軸線開設的若干加力孔(35)，加力孔(35)的孔數大於等於三，加力機構穿過加力孔(35)，與鑽頭背面(41)連接。
2.根據權利要求I所述的雷射制導深孔鑽削在線檢測與糾偏系統，其特徵在於所述的一號光源和二號光源為雷射源或者強光源，光束接收區包括立方體角錐稜鏡(30)以及反射鏡(29), —號光源(16)和鑽頭位置傳感器(18)的位置對應於立方體角錐稜鏡(30)的高度範圍內，二號光源(17)的前方設置相對於返回光束傾斜的鑽頭姿態傳感器(19)，鑽頭姿態傳感器(19)上對應二號光源(17)的位置開設微孔，鑽頭姿態傳感器(19)的位置對應於反射鏡(29)的高度範圍內。
3.根據權利要求I所述的雷射制導深孔鑽削在線檢測與糾偏系統，其特徵在於所述的一號光源(16)、二號光源(17)、鑽頭位置傳感器(18)、鑽頭姿態傳感器(19)都固定安裝於外架(32)上，所述的反射鏡(29)、立方體角錐稜鏡(30)都固定安裝於內架(31)，內架(31)安裝於鑽頭背部(41)上。
4.根據權利要求I所述的雷射制導深孔鑽削在線檢測與糾偏系統，其特徵在於所述的鑽頭包括鑽頭體(37)、小直徑段(44)、擋環(43)、以及與鑽杆(8)連接的螺紋段(42)，小直徑段(44)的直徑小於鑽頭體(37)、鑽杆(8)的直徑，也小於擋環(43)的直徑，擋環(43)的後側面緊靠在鑽杆(8)的前端面，光束接收區設置於小直徑段(44)外圍的空間內。
5.根據權利要求I所述的雷射制導深孔鑽削在線檢測與糾偏系統，其特徵在於所述的鑽頭背部(41)和鑽杆(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於擋油環套(5 )和小直徑段(44 )之間的空間內。
全文摘要
本發明屬於內排屑深孔加工的技術領域，特別是一種雷射制導深孔鑽削在線檢測與糾偏系統，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。其包括檢測部分以及糾偏部分，檢測部分包括光源，鑽杆上開設的過光孔、光束接收區，光源發出的兩束入射光束形成兩路返回光束到達鑽頭位置傳感器和鑽頭姿態傳感器；糾偏部分包括加力機構、鑽杆上開設的若干加力孔，加力機構穿過加力孔，與鑽頭背面連接。本發明的有益效果能及時掌握工件旋轉、鑽頭進給深孔加工的工作狀態，能及時糾正鑽頭姿態偏差，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於設計基準的平行度、垂直度、同軸度。
文檔編號B23B49/00GK102632275SQ201210111370
公開日2012年8月15日 申請日期2012年4月17日 優先權日2012年4月17日
發明者於大國, 龐俊忠, 李豔蘭, 沈興全, 黃曉斌 申請人:中北大學