一种便携式三坐标铣床及其加工方法 |
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| 申请号 | CN201610206369.7 | 申请日 | 2016-04-01 | 公开(公告)号 | CN105728805A | 公开(公告)日 | 2016-07-06 |
| 申请人 | 中航飞机股份有限公司西安飞机分公司; | 发明人 | 巴晓甫; 王忠; 李欢欢; 段崇; 钱丽丽; | ||||
| 摘要 | 本 申请 提供了一种便携式三坐标 铣床 及其加工方法，用于飞机装配生产线上对某些重要部件的高 精度 安装面进行精密加工，以满足安装面的精度要求。一种便携式三坐标铣床及其加工方法，它含有平板组件、立柱组件、滑台组件、铣切头、集成控制系统。使用这种便携式三坐标铣床对飞机零部件进行加工时，可按预紧、对刀、计算切削量、铣切加工等步骤进行。该 气动 铣切头结构紧凑，适应于便携式机床和工业 机器人 的搭载。相比 电机 铣切头具有更高的性价比。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种便携式三坐标铣床及其加工方法，包含平板组件(1)、立柱组件(2)、滑台组件(3)、铣切头(4)、集成控制系统(5)，所述的平板组件(1)包含平板(12)、铰链座(13)、预紧组件(14)、X向导轨(6)、X向传动机构(7)，平板(12)是一个中间开口的回字形矩形板，在平板(12)正面上部和下部对应位置安装有两条平行的X向导轨(6)，在下部其中一根X向导轨(6)下方安装有X向传动机构(7)；在平板(12)的反面，下部对角安装一对平行且同轴的铰链座(13)，上部沿开口边均匀地设有多个预紧组件(14)，用于将便携式三坐标铣床固定在待加工工件表面，实现工件的定位和预紧；所述的立柱组件(2)，包括立柱(22)、安装在立柱(22)右侧面的两条平行的Y向导轨(8)，和安装在两条Y向导轨(8)中间的Y向传动机构(9)，立柱(22)上下两端分别安装在所述平板组件(1)上的两条X向导轨(6)上，并可在X向传动机构(7)的带动下沿着X向导轨(6)滑动；所述的滑台组件(3)含有底座(25)、Z向导向座(26)、Z向传动机构(11)、Z向导向杆(29)，底座(25)安装在立柱组件(2)的Y向导轨(8)上，底座(25)与Z向导向座(26)配合安装在一起，Z向导向座(26)上设有Z向传动机构(11)和Z向导向杆(29)，通过Z向导向座(26)的导向孔对铣切头(4)进行Z向导向；所述的铣切头4安装在Z向传动机构(11)上；所述的集成控制系统(5)通过控制X向传动机构(7)和Y向传动机构(9)带动铣切头(4)到达需要铣切的X、Y坐标位置，手动控制Z向传动机构(11)实现铣切头(4)Z向进给运动。 |
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| 说明书全文 | 一种便携式三坐标铣床及其加工方法技术领域背景技术[0002] Boring 737MAX-IF内襟翼部件是由内主襟翼、内后襟翼2个主要部分构成，长3.6米，宽1.5米，单架份产品零组件数量为718项。该产品的装配特点具有互换要求高，外形要求控制严，施工空间狭窄、内部结构较为复杂等特点。内主襟翼下翼面中部281mm x 307mm的区域内有四个需要精加工的安装面，在安装面上要精确安装滑轨架，这四个安装面的大小分别为：44mm x 85mm、45mm x 87mm、100mm x 43mm、100mm x 43mm，精度要求为：平面度0.12mm，相对基准的轮廓度0.7mm。目前的临时性措施是：试制多种不同厚度的垫片，通过调整内主襟翼和滑轨架间垫片的数量和厚度，来满足安装面的精度要求。这种方法是应急式的临时措施，不是长久之计，原因如下： [0003] ①内主襟翼和滑轨是飞机的重要受力件和运动件，在飞机滑跑、起飞、飞行、降落和着陆全过程中一直承受交变载荷，这种交变载荷要求内主襟翼和滑轨的连接面具有很高的抗疲劳性能，加垫的方式不满足抗疲劳性能要求，仅能作为临时代替方案。 [0004] ②上述方法效率低，满足不了Boring 737MAX-IF内襟翼项目生产周期要求。 [0005] 如果将上述项目中的问题进行类推，那么在所有飞机上，都有一些精度很高的安装面，如果采用加垫调整的方式来满足安装面的精度显然是技术水平低的表现。因此，有必要研制出一种小型的加工机床，对飞机部件上精度要求高的安装面进行直接加工，这样不仅可以满足飞机抗疲劳性能要求，而且满足生产周期要求。发明内容 [0006] 本申请提供了一种便携式三坐标铣床及其加工方法，用于飞机装配生产线上对某些重要部件的高精度安装面进行精密加工，以满足安装面的精度要求。 [0007] 一种便携式三坐标铣床及其加工方法，它含有平板组件、立柱组件、滑台组件、铣切头、集成控制系统，平板组件包含平板、铰链座、预紧组件、X向导轨、X向传动机构，平板是一个中间开口的回字形矩形板，在平板正面上部和下部对应位置安装有两条平行的X向导轨，在下部其中一根X向导轨下方安装有X向传动机构；在平板的反面，下部对角安装一对平行且同轴的铰链座，上部沿开口边均匀地设有多个预紧组件，预紧组件含有球头式定位件、可调节压紧件，球头式定位件顶住工件的内表面，可调节压紧件压紧工件的外表面，通过一顶一压，用于将便携式三坐标铣床固定在待加工工件表面，实现工件的定位和预紧；立柱组件，包括立柱、安装在立柱右侧面的两条平行的Y向导轨，和安装在两条Y向导轨中间的Y向传动机构，立柱上下两端分别安装在所述平板组件上的两条X向导轨上，并可在X向传动机构的带动下沿着X向导轨滑动；滑台组件含有底座、Z向导向座、Z向传动机构、Z向导向杆，底座安装在立柱组件的Y向导轨上，底座带有燕尾槽母头，Z向导向座带有燕尾槽公头，两者通过燕尾槽进行精密配合。Z向导向座上设有Z向传动机构和Z向导向杆，通过Z向导向座的导向孔对铣切头进行Z向导向；铣切头安装在Z向传动机构上；Z向传动机构含有手动旋钮、一对90°相交斜齿轮、丝杠螺母，Z向传动机构通过手动控制旋钮的角度来精确控制斜齿轮啮合带动丝杠螺母运动，从而实现铣切头在Z向的精确进给与后退。集成控制系统通过控制X向传动机构和Y向传动机构带动铣切头到达需要铣切的X、Y坐标位置，手动控制Z向传动机构实现铣切头Z向切削运动。 [0008] 铣切头含有主轴、刀具、测量装置、锁紧装置、冷却装置、导屑装置，主轴是一个带有ER筒夹的高精密圆柱形铣切气马达，刀具为带高精密尾杆的盘型铣刀，将刀具的尾杆插入ER筒夹中，通过旋转ER筒夹实现刀具的定心和夹紧，测量装置对主轴的Z向运动进行精确的测量，锁紧装置对主轴的Z向运动进行锁紧，防止主轴在加工时的窜动，冷却装置对工作中高速旋转的刀具进行冷却，导屑装置对铣切中产生的金属屑进行导流；锁紧装置包括一个带开口的圆环形筒夹、可调节手柄和螺栓，圆环形筒夹安装在Z向导向座的端面上，圆环形筒夹的内圆柱孔与主轴的外圆柱配合形成滑动副，螺栓连接圆环形筒夹开口的两端，通过调节手柄的旋向，实现对主轴的夹紧与松开；测量装置含有带支脚的精密尺、带顶针的数显读数头；精密尺与读数头通过移动副连接，精密尺通过其支脚安装在主轴的外圆柱面上，读数头通过其顶针安装在Z向导向座的端面上；冷却装置含有分气接头、冷却气管和冷却气嘴，按分气接头→冷却气管→冷却气嘴依次相连，构成铣床冷却系统；导屑装置是一个带安装法兰的圆筒型漏斗结构，一端通过法兰安装在主轴的端面上，另一端通过圆筒套在刀具上。 [0009] 集成控制系统含有控制盒、平面自动走刀控制装置、限位控制装置，控制盒安装在平板正面右侧，平面自动走刀控制装置安装在立柱的上、下两个端面，限位控制装置安装在平板正面的左、右两侧；控制盒含有启/停按钮、急停、上移、下移、左移、右移共六个手控按钮，启/停控制铣切头的启/停工作，急停用于切断整体系统的动力，上移、下移、左移和右移按钮控制铣切头模块在X向、Y向所构成的平面运动；平面自动走刀控制装置含有换向阀组、换向销组，当换向阀组中的某个阀接触上了换向销组中的对应销时，触发铣切头模块作相应方向运动的控制信号；换向阀组含有Y上换向阀、Y下换向阀、X右换向阀，Y上换向阀和Y下换向阀安装在立柱的上端部位，在运动过程中与平板上的换向销组进行接触或者断开，从而触发Y上或者Y下或者中断的控制信号，X右换向阀安装在立柱的两个Y向丝杆轴承座处，在运动过程中与滑台组件中的底座进行接触或者断开，从而触发X右或者中断的控制信号；换向销组含有一排均布的Y上换向销和一排均布的Y下换向销，其Y上换向销安装在平板上的X向导轨的上侧导轨的上方，Y下换向销安装在平板上的X向导轨的上侧导轨的下方，Y上换向销与Y下换向销要进行错位布置。 [0010] 使用这种便携式三坐标铣床对飞机零部件进行加工时，可按如下步骤进行： [0011] 1)预紧：通过预紧组件将便携式三坐标铣床与飞机装配生产线的待加工工件进行预紧； [0012] 2)对刀：手动控制铣切头中的铣切刀具的位置，将刀刃与待铣切工件表面刚刚接触时的位置记为0位，然后通过锁紧装置对铣切头进行锁紧； [0013] 3)根据工件的铣切厚度分配切削层数和计算每层切削量； [0014] 4)调整铣切头进给量至每次需铣切量，并启动相应按钮，进行铣切加工； [0015] 5)抬刀，归0位，重复第4步操作，直至完成所有余量的加工； [0016] 6)松开预紧组件和铰接座接头； [0017] 7)将便携式三坐标铣床通过搬运或者吊运方式移出飞机装配生产线。 [0018] 该便携式三坐标铣床优点有： [0020] 2)气动铣切头具有高适应性、高安全性，气动主轴系统的转速可随负载改变，直至超载停机而不会对气动主轴系统产生任何损伤，因此安全性能很高。 [0021] 3)气动铣切头的转速和扭矩的调节都非常方便，可以简单无级调速和简单调节扭力。 [0022] 4)相比电机铣切头具有更高的性价比。 附图说明[0024] 图1便携式三坐标气动铣床整体示意图 [0025] 图2平板组件正面示意图 [0026] 图3平板组件反面示意图 [0027] 图4平板组件在工件上的安装与预紧示意图 [0028] 图5立柱组件右侧面示意图 [0029] 图6立柱组件左侧面示意图 [0030] 图7滑台组件示意图 [0031] 图8铣切头中主轴、ER筒夹、刀具安装示意图 [0032] 图9铣切头中Z向传动机构示意图 [0033] 图10铣切头中锁紧装置示意图 [0034] 图11铣切头中测量装置示意图 [0035] 图12铣切头中冷却装置示意图 [0036] 图13铣切头正面示意图 [0037] 图14铣切头侧面示意图 [0038] 图15集成控制系统元器件布置图 [0039] 图16铣切头走刀路径图 [0040] 图17集成控制系统控制原理图 [0041] 图18集成控制系统气路接线图 [0042] 图中编号说明：1、平板组件；2、立柱组件；3、滑台组件；4、铣切头；5、集成控制系统；6、X向导轨；7、X向传动机构；8、Y向导轨；9、Y向传动机构；10、总进气口；11、Z向传动机构；12、平板；13、铰链座；14、预紧组件；15、球头式定位件；16、可调节压紧件；17、轴承座；18、丝杆丝母；19、联轴器；20、法兰座；21、气马达；22、立柱；23、同步带；24、同步轮；25、底座；26、Z向导向座；27、手动旋钮；28、斜齿轮；29、Z向导向杆；30、丝杠螺母；31、主轴；32、刀具；33、锁紧装置；34、测量装置；35、冷却装置；36、导屑装置；37、ER筒夹；38、铣切气马达； 39、开口；40、圆环形筒夹；41、可调节手柄；42、螺栓；43、支脚；44、精密尺；45、顶针；46、数显读数头；47、分气接头；48、冷却气管；49、冷却气嘴；50、控制盒；51、换向阀组；52、换向销组； 53、Y上换向阀；54、Y下换向阀；55、X右换向阀；56、Y上换向销；57、Y下换向销；58、气管；59、工件；60、把手；61、吊环；62、启/停按钮；63、急停按钮；64、上移按钮；65、下移按钮；66、左移按钮；67、右移按钮；68、右限位阀；69、左限位阀；70、自动走刀控制装置；71、限位控制装置具体实施方式 [0043] 根据图1-图7，一种便携式三坐标铣床，它含有平板组件1、立柱组件2、滑台组件3、铣切头4、集成控制系统5，所述的平板组件1包含平板12、铰链座13、预紧组件14、X向导轨6、X向传动机构7，平板12是一个中间开口的回字形矩形板，在平板12正面上部和下部对应位置安装有两条平行的X向导轨6，在下部其中一根X向导轨6下方安装有X向传动机构7；在平板12的反面，下部对角安装一对平行且同轴的铰链座13，上部沿开口边均匀地设有多个预紧组件14，用于将便携式三坐标铣床固定在待加工工件表面，实现工件的定位和预紧；立柱组件2，包括立柱22、安装在立柱22右侧面的两条平行的Y向导轨8，和安装在两条Y向导轨8中间的Y向传动机构9，立柱22上下两端分别安装在所述平板组件1上的两条X向导轨6上，并可在X向传动机构7的带动下沿着X向导轨6滑动；滑台组件3含有底座25、Z向导向座26、Z向传动机构11、Z向导向杆29，底座25安装在立柱组件2的Y向导轨8上，底座25与Z向导向座26配合安装在一起，Z向导向座26上设有Z向传动机构11和Z向导向杆29，通过Z向导向座26的导向孔对铣切头4进行Z向导向；所述的铣切头4安装在Z向传动机构11上；所述的集成控制系统5通过控制X向传动机构7和Y向传动机构9带动铣切头4到达需要铣切的X、Y坐标位置，手动控制Z向传动机构11实现铣切头4的Z向切削运动。 [0044] 制造时，将一对X向导轨6、X向传动机构7安装在平板12的正面，其中X向传动机构7由轴承座17、丝杆丝母18、联轴器19、法兰座20和气马达21依次连接而成，在安装过程中，要确保X向导轨6的轴线与X向传动机构7的轴线平行。在平板12的两侧适当位置安装把手60，在上方适当位置安装吊环61。 [0045] 根据图3，将一对铰链座13、预紧组件14安装在平板12的反面，预紧组件14安装在平板12的开口型三边的边框上，在安装过程中，要确保两个铰链座13平行和同轴。 [0046] 按图4所示，将平板组件1中预紧组件14的球头式定位件15顶住工件59的内侧面，将可调节压紧件16穿过工件59上的工艺孔，压紧面压在工件59的外表面，实现便携式铣床在工件59上的预紧。 [0047] 根据图5和图6，将一对Y向导轨8、Y向传动机构9安装在立柱22的右侧面，其中Y向传动机构9由轴承座17、同步带23、同步轮24、气马达21依次连接而成，在安装过程中，要确保Y向导轨8的轴线与Y向传动机构9轴线平行。 [0048] 按照图7，底座25带有燕尾槽母头，Z向导向座26带有燕尾槽公头，将底座25和Z向导向座26通过燕尾槽配合连接，并将丝杆螺母30、斜齿轮28、手动旋钮27按顺序依次连接起来，同时，将Z向导向杆29安装在Z向导向座25上，在安装过程中，要确保Z向导向杆29的轴线与丝杆螺母30的轴线平行。Z向传动机构11含有手动旋钮27、一对90°相交斜齿轮28、丝杠螺母30，Z向传动机构11通过手动控制旋钮27的角度来精确控制斜齿轮28啮合带动丝杠螺母30运动，从而实现铣切头4在Z向的精确进给与后退。 [0049] 铣切头4的详细结构见图8-12，铣切头4含有主轴31、刀具32、锁紧装置33、测量装置34、冷却装置35、导屑装置36，主轴31是一个带有ER筒夹37的高精密圆柱形铣切气马达38，刀具32为带高精密尾杆的盘型铣刀，将刀具32的尾杆插入ER筒夹37中，通过旋转ER筒夹 37实现刀具32的定心和夹紧，测量装置34对主轴31的Z向运动进行精确的测量，锁紧装置33对主轴31的Z向运动进行锁紧，防止主轴31在加工时的窜动，冷却装置35对工作中高速旋转的刀具32进行冷却，导屑装置36对铣切中产生的金属屑进行导流；锁紧装置33包括一个带开口的圆环形筒夹40、可调节手柄41和螺栓42，圆环形筒夹40安装在Z向导向座26的端面上，圆环形筒夹40的内圆柱孔与主轴31的外圆柱配合形成滑动副，螺栓42连接圆环形筒夹开口39的两端，通过调节手柄41的旋向，实现对主轴31的夹紧与松开；测量装置34含有带支脚43的精密尺44、带顶针45的数显读数头46；精密尺44与读数头46通过移动副连接，精密尺 44通过其支脚43安装在主轴31的外圆柱面上，读数头46通过其顶针45安装在Z向导向座26的端面上；冷却装置35含有分气接头47、冷却气管48和冷却气嘴49，按分气接头47→冷却气管48→冷却气嘴49依次相连，构成铣床冷却系统；导屑装置36是一个带安装法兰的圆筒型漏斗结构，一端通过法兰安装在主轴31的端面上，另一端通过圆筒套在刀具32上。 [0050] 具体来说，图8中，在铣切气马达38的输出轴端安装ER筒夹37，将刀具32的尾杆插入ER筒夹37中，通过旋紧ER筒夹37，使刀具32的旋转轴线与铣切气马达38的轴线重合。图9所示，将一对直角相交斜齿轮28的输出端固定安装在法兰座20和丝杆螺母30上，并在斜齿轮28的输入端上安装手动旋钮27。 [0051] 图10所示，将螺栓42拧入带开口39的圆环形筒夹40的螺纹中，在螺栓42的末端安装可调节手柄41，通过旋转可调节手柄41的正反，控制开口39的大小，进而控制圆环形筒夹40的内环直径大小。 [0052] 如图11所示，带顶针45的数显读数头46可以在带支脚43的精度尺44上自由滑动。 [0053] 按图12所示，将分气接头47的入口安装在铣切气马达38的进气口处，冷却气管48的入口和出口分别连接分气接头47的出口和冷却气嘴49的入口。 [0054] 按图13和图14所示，将Z向导向座26的内圆柱孔与主轴31的外圆柱面进行滑动配合，形成Z轴直线导向。将Z向传动机构11通过法兰座20和丝杠螺母30分别安装在主轴31的外圆柱面上和Z向导向座26的端面上，通过Z向传动机构的作用，实现主轴在Z轴的进给与后退。将锁紧装置33通过圆环形筒夹40夹在主轴31的外圆柱面上，实现对主轴的锁紧。测量装置34通过支脚43将精密尺44安装在主轴31上，通过顶针45将数显读数头安装在Z向导向座上。 [0055] 集成控制系统5按图15所示，含有控制盒50、平面自动走刀控制装置70、限位控制装置71，控制盒50安装在平板12正面右侧，平面自动走刀控制装置70安装在立柱22的上、下两个端面，限位控制装置71安装在平板12外表面的左、右两侧；控制盒50含有启/停按钮62、急停按钮63、上移按钮64、下移按钮65、左移按钮66、右移按钮67共六个手控按钮，启/停按钮62控制铣切头的启/停工作，急停按钮63用于切断整体系统的动力，上移按钮64、下移按钮65、左移按钮66和右移按钮67控制铣切头模块4在X向、Y向所构成的平面运动；平面自动走刀控制装置70含有换向阀组51、换向销组52，当换向阀组51中的某个阀接触上了换向销组52中的对应销时，触发铣切头模块4作相应方向运动的控制信号；换向阀组51含有Y上换向阀53、Y下换向阀54、X右换向阀55，Y上换向阀53和Y下换向阀54安装在立柱22的上端部位，在运动过程中与平板12上的换向销组52进行接触或者断开，从而触发Y上或者Y下或者中断的控制信号，X右换向阀55安装在立柱22的两个Y向丝杆轴承座17处，在运动过程中与滑台组件3中的底座25进行接触或者断开，从而触发X右或者中断的控制信号；换向销组52含有一排均布的Y上换向销56和一排均布的Y下换向销57，其Y上换向销56安装在平板12上的X向导轨6的上侧导轨的上方，Y下换向销57安装在平板12上的X向导轨6的上侧导轨的下方，Y上换向销56与Y下换向销57要进行错位布置。就像站着的前后两排照相的人，后面一排照相的人要站在前排两个人之间一样，即前后错位布置。 [0056] 便携式三坐标铣床安装到位后，按图16规划的铣切加工路径进行加工，图17是实现图16加工路径的控制原理图，图18是依据图17控制原理图设计的气路接线图。 [0057] 便携式三坐标铣床安装到位后，下面就是铣切加工的过程： [0058] 1)预紧：通过预紧组件14将便携式三坐标铣床与飞机装配生产线的待加工工件进行预紧； [0059] 2)对刀：手动控制铣切头4中的铣切刀具32的位置，将刀刃与待铣切工件表面刚刚接触时的位置记为0位，然后通过锁紧装置33对铣切头4进行锁紧； [0060] 3)根据工件的铣切厚度分配切削层数和计算每层切削量； [0061] 4)调整铣切头4进给量至每次需铣切量，并启动相应按钮，进行铣切加工； [0062] 5)抬刀，归0位，重复第4步操作，直至完成所有余量的加工； [0063] 6)松开预紧组件14和铰接座13的接头； [0064] 7)将便携式三坐标铣床通过搬运或者吊运方式移出飞机装配生产线。 [0065] 该便携式三坐标铣床有以下特点： [0066] 1)便携式三坐标铣床长约600mm，高约760mm，宽约260mm，重约36kg，易于便携，平面上两坐标为自动控制，进深方向为手工控制旋钮控制。 [0067] 2)便携式三坐标铣床的加工范围为400mm x 400mm，加工深度为10mm，适合一些小型平板的加工需要。 [0068] 3)便携式三坐标铣床的加工精度指标为：轮廓度达0.7mm,平面度达0.12mm，加工精确高。 [0069] 4)在相同的体积下，相比电机铣切头和液压铣切模块，具有明显的功率大、扭矩大和转速高的综合性能优势，如直径Ф40mm、长200mm气主轴系统在6bar气压下的输出功率达1300w，扭矩达2.5Nm，转速达5000rpm。 [0070] 便携式三坐标铣床具有高适应性、高安全性，气动主轴系统的转速可随负载改变，直至超载停机而不会对气动主轴系统产生任何损伤，因此安全性能很高。气动铣切头的转速和扭矩的调节都非常方便，可以简单无级调速和简单调节扭力。相比电机铣切头具有更高的性价比。 |
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