浅析螺旋铣末端执行器研制

蔡清华，王静，杨红涛

摘 要：本文在分析复合材料螺旋铣制孔存在较多优点的情况下，指出突破超薄偏心筒状零件及其滚动部件研制技术是本装置研制的重点，给出了一种螺旋铣末端执行器研制方法，并对螺旋铣末端执行器通讯接口与集成控制的方法进行了说明。

关键词：复合材料；螺旋銑；超薄偏心筒状；集成控制

1 概述

针对复合材料传统制孔工艺存在较多问题，包括制孔工艺流程长、使用刀具多、生产成本高、加工效率很低、劳动强度大、粉尘污染严重；制孔精度和质量差，分层、撕裂和毛刺等加工缺陷严重；刀具磨损严重、刀具成本高；不同材料制孔工艺参数的匹配困难；钻孔排屑不畅，热影响严重，造成复材的划伤和热损伤等，而复合材料螺旋铣制孔存在较多优点，包括加工复合材料时轴向力小，抑制分层缺陷的产生，出入口完整，不会出现撕裂；加工钛合金时没有烧伤，出入口无毛刺；对于直径10mm以上的孔也可以一次加工达到质量要求，无需钻、扩、铰多种步骤，实现单工序短流程高效制孔。

2 螺旋铣末端执行器研制

末端执行器是在每分钟数万转的高速回转和自动调整精密偏心的复合运动条件下工作的移动设备，其功能和运动的复杂性等同一台数控机床，末端执行器由电主轴、回转伺服电机、偏心齿轮、同步带、导向轴及外壳组成，除伺服电机为标准件外，大部分零件需自行研制或定制。多层精密配合嵌套结构零部件需实现相互独立转动或定位功能。现有的滚动轴承部件的径向尺寸过大，安装和调整困难，而超薄滚动部件的关键零件要求薄壁不均匀、高硬度淬火、大直径长筒同心回转，嵌套结构间要求间隙最小，因此突破超薄偏心筒状零件及其滚动部件研制技术是本装置研制的重点。回转单元是螺旋铣末端执行器核心部分，其由通过伺服电机带动一副齿轮组来调节偏心，采用高性能的耐磨件进行加工制造，具有高精度、高稳定性、良好的可靠性、可长时间运行等特点。回转单元的工作方式：首先外部发指令，公转机构自动回到初始原点，伺服电机停止，拨叉气缸收回，使小齿轮与内偏心套上的大齿轮啮合；通过偏心距及与基准孔比较，伺服电机可自动转动，调整到所需的偏心位置；调整到位后，伺服电机停转，拨叉气缸重新推出，使小齿轮与内偏心套上的大齿轮脱开，再与公转主动带轮啮合，回到待命铣孔的命令状态。

3 螺旋铣末端执行器通讯接口与集成控制

本系统利用C/S结构，采用上位机控制螺旋铣末端执行器动作。上位机作为总控系统功能包括集成了五轴数控机床进给轴、旋转轴运动控制，水冷系统开关、吸屑系统开关等控制；利用控制板卡控制螺旋铣的公转运动；规划螺旋铣加工路径，并将数控代码输出给数控机床；按照螺旋铣工艺流程以及加工路径规划协调各部件运动等。其功能模块包括人机交互模块、螺旋铣工艺数据库、螺旋铣运动协调模块、路径规划和数控代码输出模块。人机交互模块定制人性化人机交互界面，便于模型导入，设备状态监测等；螺旋铣工艺数据库采用SQLite数据库，记录螺旋铣状态信息以及质量信息，可追溯可查找；螺旋铣运动协调模块可驱动和协调各功能系统的运行；路径规划模块可根据计算机图形学相关理论和算法，自动规划螺旋铣加工路径，并自动把数控代码输出给五轴数控机床。

4 结束语

本文在分析复合材料螺旋铣制孔存在较多优点的情况下，指出突破超薄偏心筒状零件及其滚动部件研制技术是本装置研制的重点，给出了一种螺旋铣末端执行器研制方法，并对螺旋铣末端执行器通讯接口与集成控制的方法进行了说明。