一种适用于陶瓷及复合材料部段的自动制孔机构及制孔方法与流程

1.本发明涉及一种适用于陶瓷基改性c/c复合材料部段的自动制孔机构及制孔方法，属于复合材料自动化加工装备设计技术领域，具体公开了一种适用于陶瓷及复合材料部段的自动制孔机构，该机构安装于机械臂，可实现陶瓷基高硬度复合材料部段的自动制孔。


背景技术：

2.陶瓷基改性c/c复合材料部段由骨架和蒙皮装配而成，蒙皮粘接铺覆在骨架结构上，胶液固化后，配加工蒙皮和骨架连接孔。由于陶瓷基改性c/c复合材料硬度极高，采用传统的机械臂协同钻削模式，切削力过大，机械臂刚性不足影响制孔孔位精度。除此之外，陶瓷基改性c/c复合材料部段为骨架-蒙皮弱刚性结构，装配后型面变形误差较大，加之该材料采用编织工艺制成，表面纤维纵横交错，变曲率部段的实际产品法向与理论法向偏差较大。
3.陶瓷基改性c/c复合材料为高硬度材料，为了适应其较高的钻孔切削力，采用五轴数控机床制孔。然而，由于蒙皮-骨架结构装配后易发生变形，采用五轴数控机床制孔，无法适应型面变化，导致制孔法向方向存在偏差。为了实现变曲率异形部段外形面精确制孔，对于金属材料部段，采用机械臂挂接钻孔末端执行器来执行制孔，然而，对于高硬度复合材料，钻孔的切削力较大，机械臂的自身刚度难以满足切削力需求。因此，针对陶瓷基复合材料高硬度特性，尚缺少具有变曲率法向适应性制孔的加工设备和加工方法。


技术实现要素：

4.本发明的技术解决问题：克服现有自动制孔机构采用钻削加工带来的切削震动明显，以及无法适应编制复合材料弱刚性易变性结构精确制孔需求的不足，提出一种适用于陶瓷基改性c/c复合材料蒙皮-骨架结构部段的自动制孔机构和制孔方法，提升了制孔精度。
5.本发明的技术解决方案是：一种适用于陶瓷基复合材料变曲率异形部段自适应制孔装置，包括动力头、动力头电机、刀具库、寻法相机、承载框架、第一～第五导轨基座、第一～第五伺服电机；
6.承载框架作为末端执行器，固定在机器人上；固定多个刀架的刀具库固定在所述承载框架一内侧，由第二伺服电机驱动刀具库沿自身主轴转动，用于将空刀架或待换刀具移动至最外侧，由第一伺服电机带动刀具库旋转，使得最外侧的空刀架或待换刀具与动力头上的刀具位置对正，由动力头完成取刀/换刀；
7.第一导轨基座固定在承载框架内底面，导轨方向记为x轴方向；第二导轨基座悬浮在第一导轨基座上方，导轨方向记为z轴方向，第三导轨基座悬浮在第二导轨基座上方，导轨方向记为y轴方向，第四导轨基座悬浮在第三导轨基座一侧，动力头固连在第四导轨基座上，动力头伺服电机固定在动力头尾部；第五导轨基座悬浮在动力头一侧，导轨方向为z轴
方向，寻法相机安装在所述第五导轨基座上；由第三伺服电机、第四伺服电机、第五伺服电机实现动力头沿x、y、z轴方向平移，由第六伺服电机实现使寻法相机相对动力头沿z轴方向平移。
8.优选的，所述寻法相机对被加工部段表面进行拍照，分析被制孔区域的曲率，确定表面的正确法向，将正确法向作为反馈信息发送至机器人控制器，由机器人控制器控制末端执行器协同第三伺服电机、第四伺服电机、第五伺服电机分别控制第二导轨基座、第三导轨基座、第四导轨基座运动，最终使动力头移动至打孔位置。
9.优选的，所述动力头采用螺旋铣削动力头。
10.优选的，所述刀具库为气动式自动换刀结构；包括由气动源控制的刀具座；刀具座尾部接气动源；通过通气使得刀具座伸张涨开，可取出刀具；断气，刀具座收紧，夹紧刀具。
11.优选的，动力头电机驱动动力头旋转并向孔深方向进给，采用螺旋铣削方式实现指定孔位处的特定孔径孔深加工。
12.一种利用自适应制孔装置进行制孔的方法，包括：
13.(1)寻法相机在第六伺服电机的带动下，相对动力头沿z轴正方向伸出，对被加工部段表面进行拍照，分析被制孔区域的曲率，确定表面的正确法向；
14.(2)以寻找的正确法向作为反馈信号，控制机器人沿x轴、y轴、z轴、绕x轴、绕y轴、绕z轴进行移动，同时协同第三伺服电机、第四伺服电机、第五伺服电机分别控制第二导轨基座、第三导轨基座、第四导轨基座运动，最终使动力头移动至打孔位置；
15.(3)动力头电机驱动动力头旋转并向孔深方向进给，实现指定孔位处的特定孔径孔深加工；
16.(4)当制孔孔径变化时，更换刀具；
17.(5)重复(1)-(3)完成其余孔制备。
18.优选的，所述更换刀具步骤如下：
19.第二伺服电机驱动刀具库主轴旋转，使空刀座移至最外侧；
20.第一伺服电机驱动刀具库绕y轴旋转，使空刀座与动力头上的刀具对正，第四伺服电机驱动动力头沿z向滑轨向刀头移动，刀具进入空刀具座，空刀具座断气，刀具座收紧刀具，动力头刀座通气涨开，第四伺服电机驱动动力头沿z向滑轨向刀尾移动，拔出刀具；
21.第二伺服电机驱动刀具库主轴旋转，使待安装刀具与动力头刀座对正，第四伺服电机驱动动力头沿z向滑轨向刀头移动，刀具进入动力头刀座，动力头刀座断气，刀座收紧刀具，刀具库刀具座通气涨开，第四伺服电机驱动动力头沿z向滑轨向刀尾移动，刀具与刀具库刀座分离；
22.第一伺服电机驱动刀具库绕y轴旋转，刀具库归位，至此，刀具更换完毕。
23.本发明与现有技术相比的优点在于：
24.(1)本发明实现了螺旋磨削代替钻削的制孔方式，有效地降低了切削力，减少了动力头切削过程的震动，显著提升了制孔精确度，对陶瓷基改性c/c高硬度材料效果尤为明显；
25.(2)本发明提出将视觉相机集成在末端执行器上，通过其准确寻找变曲率部段法向，确保制孔方向准确，尤其针对编制成型的复合材料，部段变形与表面凸起叠加，理论法向与实际法向偏离严重，本发明提出的寻法方案可显著提升制孔方向准确性；
26.(3)本发明提出将刀具库集成在末端执行器上，可一次性完成同轴台阶孔的制备，可有效避免远距离换刀带来的效率低和重复定位精度差的问题。
附图说明
27.图1为自动制孔机构前面结构示意图；
28.图2为自动制孔机构背面左侧结构示意图；
29.图3为自动制孔机构背面右侧结构示意图；
具体实施方式
30.本发明提出的自动制孔动力头与机器人结合，可实现部段表面法向连接孔制备，对于变曲率异形面上的法向连接孔，具有较强的柔性制备能力，可实现不同曲率变化部段表面的连接孔制备。本发明通过螺旋铣削的动力头设计，可实现陶瓷基类高硬度难加工材料的自动精准加工。本发明提出的动力头上集成了双目视觉相机，通过拍照可提取轮廓表面的曲率变化，进而便于寻找不同曲率变化下的型面法向，实现变曲率型面的法向孔加工。经实际运用验证表明，应用本发明对陶瓷基复合材料异形部段表面法向孔进行加工，完全满足复杂表面的自适应加工。
31.下面结合附图和实施例对本发明做进一步说明。
32.实施例
33.如图1、图2和图3所示，一种适用于陶瓷基复合材料变曲率异形部段自适应制孔装置，制孔装置包括刀具库1、刀座2、第三导轨基座3、第四导轨基座4、第五导轨基座5、承载框架6、寻法相机7、动力头8、第二导轨基座9、第一导轨基座10、第一伺服电机11、第四伺服电机12、动力头伺服电机13、第五伺服电机14、第三伺服电机15、第六伺服电机16、第二伺服电机17；
34.承载框架6作为末端执行器，固定在机器人上；
35.刀具库1与承载框架6连接并具备可移动可旋转自由度，刀具库1上固定六个刀座2，通过第二伺服电机17带动刀具库1绕轴线旋转，使待换刀座2移动至最外侧。通过第一伺服电机11带动刀具库1沿y轴转动，使待换刀座2正对动力头，以便动力头8执行换刀动作；
36.第一导轨基座10固定在承载框架6上；
37.第二导轨基座9悬浮在第一导轨基座10上方，在第三伺服电机15的带动下可使动力头沿x方向平移；
38.第三导轨基座3悬浮在第二导轨基座9上方，在第四伺服电机12的带动下可使动力头沿z方向平移；
39.第四导轨基座4悬浮在第三导轨基座4右侧，在第五伺服电机14的带动下可使动力头沿y方向平移；
40.动力头8与第四导轨基座4固连在一起；
41.动力头伺服电机13固定在动力头8尾部；
42.第五导轨基座5悬浮在动力头8左侧，在第六伺服电机16的带头下可使寻法相机7相对动力头8沿z方向平移；
43.一种利用自适应制孔装置进行制孔的方法，其特征在于该方法的步骤包括：
44.(1)寻法相机7在第六伺服电机16的带动下，相对动力头8沿z轴正方向伸出，对被加工部段表面进行拍照，分析被制孔区域的曲率，确定表面的正确法向；
45.(2)以寻找的法向作为反馈信号，控制机器人沿x轴、y轴、z轴、绕x轴、绕y轴、绕z轴进行移动，同时协同第三伺服电机15、第四伺服电机12、第五伺服电机14分别控制第二导轨基座9、第三导轨基座3、第四导轨基座4运动，最终使动力头移动至打孔位置；
46.(3)动力头伺服电机13驱动动力头8旋转并向孔深方向进给，实现指定孔位处的特定孔径孔深加工；
47.(4)当制孔孔径变化时，需要更换刀具。此时，第二伺服电机17驱动刀具库1主轴旋转，使空刀座移至最外侧；第一伺服电机11驱动刀具库1绕y轴旋转，使空刀座2与动力头8上的刀具对正，拔出刀具；第二伺服电机17驱动刀具库1主轴旋转，使待更换刀具转至动力头刀柄夹持处并将刀具卡紧固定在动力头8上，至此完成换刀动作；
48.(5)重复(1)-(3)完成其余孔制备。
49.本发明未详细说明部分属于本领域技术人员的公知常识。

技术特征：
1.一种适用于陶瓷基复合材料变曲率异形部段自适应制孔装置，其特征在于：包括动力头、动力头电机、刀具库、寻法相机、承载框架、第一～第五导轨基座、第一～第五伺服电机；承载框架作为末端执行器，固定在机器人上；固定多个刀架的刀具库固定在所述承载框架一内侧，由第二伺服电机驱动刀具库沿自身主轴转动，用于将空刀架或待换刀具移动至最外侧，由第一伺服电机带动刀具库旋转，使得最外侧的空刀架或待换刀具与动力头上的刀具位置对正，由动力头完成取刀/换刀；第一导轨基座固定在承载框架内底面，导轨方向记为x轴方向；第二导轨基座悬浮在第一导轨基座上方，导轨方向记为z轴方向，第三导轨基座悬浮在第二导轨基座上方，导轨方向记为y轴方向，第四导轨基座悬浮在第三导轨基座一侧，动力头固连在第四导轨基座上，动力头伺服电机固定在动力头尾部；第五导轨基座悬浮在动力头一侧，导轨方向为z轴方向，寻法相机安装在所述第五导轨基座上；由第三伺服电机、第四伺服电机、第五伺服电机实现动力头沿x、y、z轴方向平移，由第六伺服电机实现使寻法相机相对动力头沿z轴方向平移。2.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述寻法相机对被加工部段表面进行拍照，分析被制孔区域的曲率，确定表面的正确法向，将正确法向作为反馈信息发送至机器人控制器，由机器人控制器控制末端执行器协同第三伺服电机、第四伺服电机、第五伺服电机分别控制第二导轨基座、第三导轨基座、第四导轨基座运动，最终使动力头移动至打孔位置。3.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述动力头采用螺旋铣削动力头。4.根据权利要求1所述的装置，其特征在于：所述刀具库为气动式自动换刀结构；包括由气动源控制的刀具座；刀具座尾部接气动源；通过通气使得刀具座伸张涨开，可取出刀具；断气，刀具座收紧，夹紧刀具。5.一种利用自适应制孔装置进行制孔的方法，其特征在于包括：(1)寻法相机在第六伺服电机的带动下，相对动力头沿z轴正方向伸出，对被加工部段表面进行拍照，分析被制孔区域的曲率，确定表面的正确法向；(2)以寻找的正确法向作为反馈信号，控制机器人沿x轴、y轴、z轴、绕x轴、绕y轴、绕z轴进行移动，同时协同第三伺服电机、第四伺服电机、第五伺服电机分别控制第二导轨基座、第三导轨基座、第四导轨基座运动，最终使动力头移动至打孔位置；(3)动力头电机驱动动力头旋转并向孔深方向进给，实现指定孔位处的特定孔径孔深加工；(4)当制孔孔径变化时，更换刀具；(5)重复(1)-(3)完成其余孔制备。6.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：所述更换刀具步骤如下：第二伺服电机驱动刀具库主轴旋转，使空刀座移至最外侧；第一伺服电机驱动刀具库绕y轴旋转，使空刀座与动力头上的刀具对正，第四伺服电机驱动动力头沿z向滑轨向刀头移动，刀具进入空刀具座，空刀具座断气，刀具座收紧刀具，动力头刀座通气涨开，第四伺服电机驱动动力头沿z向滑轨向刀尾移动，拔出刀具；第二伺服电机驱动刀具库主轴旋转，使待安装刀具与动力头刀座对正，第四伺服电机
驱动动力头沿z向滑轨向刀头移动，刀具进入动力头刀座，动力头刀座断气，刀座收紧刀具，刀具库刀具座通气涨开，第四伺服电机驱动动力头沿z向滑轨向刀尾移动，刀具与刀具库刀座分离；第一伺服电机驱动刀具库绕y轴旋转，刀具库归位，至此，刀具更换完毕。7.根据权利要求5所述的方法，其特征在于：动力头电机驱动动力头旋转并向孔深方向进给，采用螺旋铣削方式实现指定孔位处的特定孔径孔深加工。

技术总结
本发明涉及一种适应于陶瓷基改性C/C复合材料部段自动制孔机构及制孔方法，属于复合材料自动化加工装备设计技术领域。本发明提出的自动制孔动力头与机器人结合，可实现部段表面法向连接孔制备，对于变曲率异形面上的法向连接孔，具有较强的柔性制备能力，可实现不同曲率变化部段表面的连接孔制备。本发明通过螺旋铣削的动力头设计，可实现陶瓷基类高硬度难加工材料的自动精准加工。本发明提出的动力头上集成了双目视觉相机，通过拍照可提取轮廓表面的曲率变化，进而便于寻找不同曲率变化下的型面法向，实现变曲率型面的法向孔加工。经实际运用验证表明，应用本发明对陶瓷基复合材料异形部段表面法向孔进行加工，完全满足复杂表面的自适应加工。的自适应加工。的自适应加工。


技术研发人员：张婷玉 魏金花 赵一搏 王洁 王亚辉
受保护的技术使用者：航天材料及工艺研究所
技术研发日：2023.04.28
技术公布日：2023/9/20