小直径深孔钻削激光制导在线检测与纠偏系统

摘要

本发明属于内排屑深孔加工的技术领域，具体是一种小直径深孔钻削激光制导在线检测与纠偏系统，解决了现有深孔加工过程中难以观察加工部位和刀具状况的问题。其包括检测部分、纠偏部分，检测部分包括光源、过光孔、光束接收区，光束接收区包括立方体角锥棱镜、反射镜，钻头位置传感器对应于立方体角锥棱镜，钻头姿态传感器对应于反射镜，纠偏部分包括拉绳结构的加力机构以及钻杆上平行于钻杆轴线开设的若干加力孔。本发明的有益效果：能及时掌握工件旋转、钻头进给深孔加工的工作状态，能及时纠正钻头姿态偏差，促进了深孔加工纠偏难题的解决，将提高深孔直线度及深孔相对于设计基准的平行度、垂直度、同轴度。

说明书

技术领域

本发明属于内排屑深孔加工的技术领域，具体涉及一种小直径深孔钻削激光制导在线检测与纠偏系统。

背景技术

深孔加工主要包括钻孔和镗孔，镗孔使原有的底孔扩大，钻孔通常指在实体上加工孔，钻前，没有底孔。深孔钻头，按排屑方式分主要为：内排屑深孔钻和外排屑深孔钻。深孔加工主要方式有：第一，刀具旋转，工件进给；第二，工件旋转，刀具进给。

深孔加工是机械加工的难点，加工过程中难以观察加工部位和刀具状况，因此，实时检测深孔和刀具误差，发现偏斜，及时纠正，是需要解决的重大课题，也是远未得到解决的技术难题。

发明内容

本发明的发明目的：为了解决现有深孔加工过程中难以观察加工部位和刀具状况的问题，为工件旋转、钻头进给、内排屑深孔钻削加工过程，提供一种利用激光实时检测内排屑深孔钻头位置和姿态（即角度），并根据需要自动调整钻头姿态，使其恢复到初始值的检测和纠偏系统。

本发明采用如下的技术方案实现：

小直径深孔钻削激光制导在线检测与纠偏系统，其特征在于包括检测部分以及纠偏部分，

所述的检测部分包括一号光源、二号光源、钻杆上平行于钻杆轴线开设的过光孔以及钻头背部上设置的与钻头固定连接的光束接收区，一号光源、二号光源设置于钻杆的后方对应过光孔的位置，光束接收区包括立方体角锥棱镜以及反射镜，一号光源和钻头位置传感器的位置对应于立方体角锥棱镜的高度范围内，二号光源的前方设置相对于返回光束倾斜的钻头姿态传感器，钻头姿态传感器上对应二号光源的位置开设微孔，钻头姿态传感器的位置对应于反射镜的高度范围内，

所述的纠偏部分包括拉绳结构的加力机构以及钻杆上平行于钻杆轴线开设的若干加力孔，加力孔的孔数大于等于三，加力机构包括拉绳，拉绳一端穿过加力孔与钻头背部连接，拉绳的另一端绕经定滑轮后与螺套连接，与螺套形成螺纹配合的螺杆与电动机的输出轴固连。

所述的一号光源、二号光源、钻头位置传感器、钻头姿态传感器都固定安装于外架上，所述的反射镜镜、立方体角锥棱镜都固定安装于内架，内架安装于钻头背部上。

所述的钻头包括钻头体、小直径段、挡环、以及与钻杆连接的螺纹段，小直径段的直径小于钻头体、钻杆的直径，也小于挡环的直径，挡环的后侧面紧靠在钻杆的前端面，光束接收区设置于小直径段外围的空间内。

所述的钻头背部和钻杆的前端面上分别开有相互对应的环槽，两个环槽上安装有挡油环套，挡油环套配套有Y形密封圈，光束接收区和加力机构的前端设置于挡油环套和小直径段之间的空间内。

本发明充分利用激光或强光及反射镜、棱镜等光学镜的特殊属性工作，在线检测钻头在加工过程中的位置和姿态（即角度），分别用坐标值和欧拉角表示，由计算机实时显示。另外从内排屑深孔钻头背面的几个加力孔加力，调整钻头姿态，在不停机的情况下，纠偏。所加的力通过力传感器，由计算机实时显示、监控。

本发明相关主要零部件有：内排屑深孔钻头（简称钻头）、钻杆、光源、反射镜、立方体角锥棱镜、拉绳、纠正钻头用的电动机、运算控制器、计算机。

钻头固定于钻杆，钻杆固定于进给箱上，只作进给运动。输油器为深孔加工提供高压油，油从输油器孔流入，经过钻杆与工件的间隙和钻头相邻刀片间的间隙，从钻杆内孔将铁屑冲出。钻杆内孔与外圆之间钻有一个通孔，用于通过发射光束和返回光束，简称过光孔。

钻头包括刀片、钻头体、钻头背部、小直径段、挡环、螺纹段几部分。螺纹段固连于钻杆，靠近螺纹段设置了挡环，螺纹拧紧后，挡环的后侧面紧靠在钻杆的端面，实现钻头在钻杆上的轴向定位。小直径段直径较小，小于挡环的直径，所对应的空间较大，固定于钻头背部的内架，位于该空间，内架内设置光束接收区。钻头有小直径段是本发明的特点，小直径段不仅提供了安装光学镜的空间，更重要的是，小直径段的存在，使得调整钻头姿态（即角度）变成可能。

光源固定于外架中，外架固定于机床上，固定不动。外架设有观察孔，便于操作者观察其内部元件和光束情况。

本发明采用两个激光源或两个普通强光源，发出两束光。一号光源、二号光源发出的一号入射光束、二号入射光束平行于钻杆初始轴线，一号入射光束、二号入射光束穿过过光孔进入光束接收区经过光束接收区处理形成一号返回光束、二号返回光束，两路返回光束穿过过光孔返回，一号返回光束到达钻头位置传感器，二号返回光束到达钻头姿态传感器。一号返回光束用于检测钻头位置的变化，它平行于钻头初始轴线，射向相对于钻头固定的立方体角锥棱镜，由于该棱镜的特点，光束通过立方体角锥棱镜后，以平行于入射前的方向返回到钻头位置传感器，用于检测钻头位置的变化，亦即钻头在其轴线法面内的位置变化。二号返回光束用于检测钻头姿态的变化，它平行于钻头初始轴线，穿过倾斜设置的钻头姿态传感器上开设的微孔，射向反射镜，由反射镜返回到钻头姿态传感器。

在加工工程中，当钻头不在原来正确的位置，钻头位置传感器和姿态传感器上的光斑将发生变化。采用现有技术能够检测光斑变化，比如，位置传感器工作表面按一定规律分布着很多微小的光敏电阻，光束照射到的光敏电阻阻值将变小，由此不难求出光斑的变化。立方体角锥棱镜不同于一般的光学棱镜，通过它能够反映钻头在垂直于光源线平面内的二维位置变化。不难理解，通过光斑的变化，也能够反求出钻头姿态的变化，并可将其变化反映在计算机上。

所测得的钻头位置、姿态数值，间接反映了孔的精度，实现了对孔的间接的在线检测。

一旦发现钻头不在正确位置，通过与钻头背部相连的拉绳，连续向钻头施加力，使得钻头姿态恢复到初始的姿态。拉绳结构占用空间小，非常适合加工直径小的深孔，可选用拉绳。工作原理如下：

在钻杆内孔与外圆之间加工有几个孔——加力孔，用于向钻头施加力的拉绳穿过加力孔中。拉绳在钻头背部几个点处与钻头相连，便于施加力。这些点大于三，不共线，所形成的三角形或多边形应该包容钻杆内孔，以便于适应钻头不同方位调整需要。在钻杆内孔与外圆之间加工的几个孔，它们与钻头背部的连接孔分别正对。拉绳施加力的动力来源为电动机，也可以是人力。拉绳的一段与钻头背部相连，另一端通过滑轮后与螺套相连。电动机旋转，使与之固连的螺杆旋转，从而驱动螺套作直线移动。由力传感器测量拉力的大小，显示在计算机上。以便进一步监控。在充分考虑钻头强度、刚度、扭转刚度的前提下，本发明中钻头过渡段（也即小直径段）直径较小，使得调整钻头姿态容易实现。包括拉绳、电动机在内的加力机构与进给箱固连，随钻头、钻杆移动。

决定加力大小，应该考虑的因素包括钻头的偏差、加力点的布局。

为便于计算机运算，拉绳只承受拉力，不产生压力，且让其中一根拉绳的拉力为零。

当采用三个点时，由于三个点决定一个平面，所以在三处连续施加力，经过一定时间后，最终可以使钻头的姿态得到纠正。当采用多个点时，将力合成，得到三个当量力。由于各力基本平行，可以作为平行力合成，以简化计算机的运算。

本发明有运算控制器，用以接受钻头位置信息和姿态信息，并将其传输到计算机上显示。还根据钻头姿态信息，向电动机发出旋转、停转、反转指令，从而通过拉绳逐步调整钻头姿态，直至恢复到初始位置为止。

三点能决定一个平面的姿态，不能决定一个具体平面的位置。因此，本发明虽然能测量与显示钻头的位置参数，但其数值只能作为参考。本发明施加的三个或多个力基本上垂直于钻头背部，它们不能在钻头轴线法面，或光源线法面内直接调整钻头。因在钻头轴线法面内直接调整深孔钻头位置难度大，目前本行业内尚未有成熟的调整方案。但本发明纠正钻头姿态偏差，在一定程度上，能起到纠正钻头位置偏差的作用，而且，本发明是实时检测，实时控制，迅速纠正钻头姿态偏差，显然有利于保证深孔的直线度及深孔相对于其设计基准的平行度、垂直度、同轴度，可防止深孔偏斜。

为了防止从输油器进入的高压油影响光学元件的工作，本发明设有挡油环套，挡油环套两端分别放置于钻头背部的环槽和钻杆端面的环槽中，挡油环套安装时，配有Y形密封圈，油液的压力作用于密封圈，具有油压越大，密封效果越好的特点。

本发明的有益效果：第一，利用激光和光学镜的特性，在线检测内排屑深孔钻头的位置和姿态变化，及时掌握工件旋转、钻头进给深孔加工的工作状态，是技术上的重要突破。钻头的变化间接反映了孔的质量，所以，本发明可以作为深孔加工检具使用。第二，提出了及时纠正钻头姿态偏差的技术方案。本发明钻头特点是有“小直径段”，“小直径段”不仅提供了安装光学镜的空间，更重要的是，“小直径段”的存在，使得调整钻头姿态（即角度）变成可能。本发明促进了深孔加工纠偏难题的解决，将提高深孔直线度及深孔相对于设计基准的平行度、垂直度、同轴度。

附图说明

图1为本发明的结构示意图，

图2为钻杆端面视图，

图3为钻头结构简图，

图4为钻头后端视图，

图中：1-工件，2-钻头，3-挡油环套，4-Y型密封圈，5-输油器，6-钻杆，7-进给箱，8-拉绳，9-螺杆，10-螺套，11-定滑轮，12-小直径段，13-连接孔，14-钻头排屑孔，15-电动机，16-一号光源，17-二号光源，18-钻头位置传感器，19-钻头姿态传感器，20-一号入射光束，21-二号入射光束，22-一号返回光束，23-二号返回光束，24-环槽，25-螺钉孔，26-钻头背部，27-螺纹段，28-挡环，29-反射镜，30-立方体角锥棱镜，31-内架，32-外架，33-过光孔，34-螺纹连接孔，35-加力孔，36-钻杆排屑孔，37-钻头体，38-刀片。

具体实施方式  

结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明。

如图1所示，本发明工件1旋转、钻头2进给。工件上没有底孔，需要钻轴线水平的深孔。

本发明包括钻头2、钻杆8、输油器7、钻头进给箱9、一号光源16，二号光源17，钻头位置传感器18，钻头姿态传感器19，反射镜29，立方体角锥棱镜30、拉绳8、纠正钻头用的电动机15、运算控制器、计算机（图中未示出）。

钻头2通过其螺纹段27固定于钻杆6，钻杆6固定于进给箱7上，只作进给运动。输油器5为深孔加工提供高压油，油从输油器5的孔流入，经过钻杆6与工件1的间隙和钻头2的刀片38之间的间隙，从钻杆排屑孔36将铁屑冲出。

钻杆排屑孔36与外圆之间钻有过光孔33。

钻头包括刀片38、钻头体37、钻头背部26、小直径段12、挡环28、螺纹段27几部分。本发明中钻头，靠近螺纹部分设置了挡环28，螺纹拧紧后，挡环后侧面紧靠在钻杆的端面。小直径段12直径较小，所对应的空间较大，固定于钻头背部的内架31位于该空间，内架内固定有光束接收区的反射镜29，立方体角锥棱镜30。

所述的一号、二号光源为激光光源或者强光光源，一号光源16、二号光源17、钻头位置传感器18、钻头姿态传感器19都固定安装于外架32中，外架32固定于机床上，固定不动。

一号光源16发出的一号入射光束20，平行于钻头、钻杆初始轴线，穿过钻杆上的过光孔33，到达立方体角锥棱镜30，经过立方体角锥棱镜30返回到钻头位置传感器18，用于检测钻头位置，钻头位置的变化以坐标值的形式反映。二号光源17发出的二号入射光束21，穿过钻头姿态传感器19上开设的微孔，穿过钻杆上的过光孔，到达反射镜29，由反射镜29返回到钻头姿态传感器19，用于检测钻头姿态，钻头姿态的变化以角度的形式反映。微孔可采用电子束、离子束、激光方法等特种方法加工。

在加工工程中，当钻头不在原来正确的位置，钻头位置传感器和姿态传感器上的光斑将发生变化，反映钻头位置和姿态的变化。所测得的钻头位置、姿态数值，间接反映了孔的精度，实现了对孔的间接的在线检测。

一旦发现钻头不在正确位置，通过与钻头背部26相连的拉绳8，连续向钻头施加力，使得钻头姿态恢复到初始的姿态。

在钻杆内孔与外圆之间加工有3个加力孔35，用于向钻头施加力的拉绳穿过孔中。拉绳在钻头背部3个连接孔13与钻头相连，便于施加力。3个连接孔不共线，所形成的三角形包容钻杆内孔，以便于适应钻头不同方位调整需要。3个加力孔35，与钻头背部3个连接孔13正对。拉绳施加力的动力来源为电动机，也可以是人力。有力传感器（图中未示出）测量拉力的大小，显示在计算机上。本发明中钻头“过渡段”直径较小，使得调整钻头姿态容易实现。

包括拉绳8、电动机15在内的加力机构与进给箱9固连，随钻头2、钻杆8移动。

所述的拉绳式加力机构，拉绳8的一端与钻头背部相连，另一端通过定滑轮11后与螺套10相连。电动机旋转，使与之固连的螺杆旋转，从而驱动螺套作直线移动。

在钻头背部三处连续施加力，最终使钻头的姿态得到纠正。

本发明有运算控制器，用以接受钻头位置信息和姿态信息，并将其传输到计算机上显示。还根据钻头姿态信息，向电动机发出正转、停转、反转指令，从而通过拉绳逐步调整钻头姿态，直至恢复到初始位置为止。

本发明设有挡油环套3，挡油环套两端分别放置于钻头背部的环槽和钻杆端面的环槽中，挡油环套安装时，配有Y形密封圈。