CN103192107A - 高精度钻孔设备 - Google Patents
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Abstract
本发明属于精密机械及控制技术领域，具体涉及一种钻孔装置。一种高精度钻孔设备，它安装在残余应力沿深度分布测试仪的实验架台上，其技术方案是，本发明采用高精度的滚珠丝杆使得步进电机的微小角度转动转化成螺母的细微平移；精密导轨可以用有比直线轴承更高的额定载荷，同时可承受一定的扭矩，可以在较高负荷下实现高精度的直线运动，且具有定位时间短的优点，即速度可以很快，加速度也可以较大；采用控制计算机保证人工参与调节和控制，只要设定平移距离和速度，钻孔位置和深度就能精确确定并自动完成钻孔。
Description
技术领域
本发明属于精密机械及控制技术领域，具体涉及一种钻孔装置。
背景技术
申请号为“201210529596.5”的中国专利申请“残余应力沿深度分布测试仪”其中的一项关键技术是残余应力产生及释放的过程中钻孔的深度控制和定位精度控制，这也是残余应力测量准确与否的关键。因此需要研制一套高精度的钻孔装置，使得钻孔的深度精度能够达0.001mm，定位精度达0.001mm，以保证“残余应力沿深度分布测试仪”测量结果的精度要求。
发明内容
本发明的目的是：开发一种可编程控制的、高精度的两轴钻机，使之能在被测试件（例如纤维复合材料）上钻出一定深度的盲孔，该盲孔的深度及定位精度均达到0.001mm级别，并具有很高的重复精度。
本发明的技术方案是：一种高精度钻孔设备，它安装在残余应力沿深度分布测试仪的实验架台上，它包括：控制计算机、垂向移动装置、水平移动装置、柔性轴钻机、钻机头部夹持部和垂向支撑装置；
垂向移动装置包括：步进电机A、丝杆A、滚珠丝杆螺母A、精密导轨A、导轨滑块A、限位器A和支撑框架A；精密导轨A共有两条，分别与支撑框架A固定连接，其中，一条精密导轨A的两端沿滚珠丝杆螺母A的运动方向上下分别设有限位器A；步进电机A安装在支撑框架A的顶部，其输出轴与丝杆A连接，滚珠丝杆螺母A套接在丝杆A上，丝杆A通过水平支撑结构与支撑框架A连接；导轨滑块A有两块，分别设置在精密导轨A上，并与滚珠丝杆螺母A通过连接件固定连接；
水平移动装置包括：步进电机B、丝杆B、滚珠丝杆螺母B、精密导轨B、导轨滑块B、限位器B和支撑框架B；精密导轨B共有两条，分别与支撑框架B固定连接，其中，一条精密导轨B的两端沿滚珠丝杆螺母B的运动方向设有限位器B；步进电机B安装在支撑框架B的一侧，其输出轴与丝杆B连接，滚珠丝杆螺母B套接在丝杆B上，丝杆B通过垂直支撑结构与支撑框架B连接；导轨滑块B有两块，分别设置在精密导轨B上，并与滚珠丝杆螺母B通过连接件固定连接；
垂向支撑装置的底部横跨在水平移动装置的两块导轨滑块上，垂向支撑装置设有燕尾槽机械结构，燕尾槽的开槽方向与丝杆A、丝杆B的轴线方向相互垂直；
柔性轴钻机由钻机头部夹持部固定在垂向移动装置中的滚珠丝杆螺母A上，垂向移动装置通过支撑框架A固定在垂向支撑装置燕尾槽结构的滑槽一侧；控制计算机对步进电机A、步进电机B、以及柔性轴钻机进行控制，并接收来自限位器A、限位器B的反馈信号；
步进电机A与步进电机B的脉冲为128细分，每个脉冲产生1.8°的步距角，丝杆A与丝杆B的导程为2mm。
本发明的有益效果是：1）采用步进电机，并将脉冲进行高倍细分，实现钻头的精确定位和钻孔深度的精确控制；
2）采用高精度滚珠丝杆，可将步进电机的微小角度转动转化成螺母的细微平移；
3）采用双线性精密导轨实现快速且精密的定位，并能承受一定的载荷
4）采用限位器滑块将要到达线性导轨的末端时，会接触到限位器，限位器被触发后发送一个停止信号给控制计算机，此时，将步进电机立即停止转动，任何误操作均无效，以保护该钻机；
5）采用柔性轴钻机实现钻孔设备的小型化，并使仪器具有一定的便携性和通用性。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为本发明垂向移动装置俯视图；
图3为本发明水平移动装置结构示意图；
其中，1-垂向移动装置、2-水平移动装置、3-钻机头部夹持部、4-柔性轴钻机、5-控制计算机、6-垂向支撑装置、1-1-步进电机A、1-2-丝杆A、1-3-滚珠丝杆螺母A、1-4-精密导轨A、1-5-导轨滑块A、1-6-限位器A、1-7-支撑框架A、2-1-步进电机B、2-2-丝杆B、2-3-滚珠丝杆螺母B、2-4-精密导轨B、2-5-导轨滑块B、2-6-限位器B、2-7-支撑框架B。
具体实施方式
参见附图1，一种高精度钻孔设备，它安装在残余应力沿深度分布测试仪的实验架台上，它包括：控制计算机5、垂向移动装置1、水平移动装置2、柔性轴钻机4、钻机头部夹持部3和垂向支撑装置6；
参见附图2，垂向移动装置1包括：步进电机A1-1、丝杆A1-2、滚珠丝杆螺母A1-3、精密导轨A1-4、导轨滑块A1-5、限位器A1-6和支撑框架A1-7；精密导轨A1-4共有两条，分别与支撑框架A1-7固定连接，其中，一条精密导轨A1-4的两端沿滚珠丝杆螺母A1-3的运动方向上下分别设有限位器A1-6；步进电机A1-1安装在支撑框架A1-7的顶部，其输出轴与丝杆A1-2连接，滚珠丝杆螺母A1-3套接在丝杆A1-2上，丝杆A1-2通过水平支撑结构与支撑框架A1-7连接；导轨滑块A1-5有两块，分别设置在精密导轨A1-4上，并与滚珠丝杆螺母A1-3通过连接件固定连接；
参见附图3，水平移动装置2包括：步进电机B2-1、丝杆B2-2、滚珠丝杆螺母B2-3、精密导轨B2-4、导轨滑块B2-5、限位器B2-6和支撑框架B2-7；精密导轨B2-4共有两条，分别与支撑框架B2-7固定连接，其中，一条精密导轨B2-4的两端沿滚珠丝杆螺母B2-3的运动方向设有限位器B2-6；步进电机B2-1安装在支撑框架B2-7的一侧，其输出轴与丝杆B2-2连接，滚珠丝杆螺母B2-3套接在丝杆B2-2上，丝杆B2-2通过垂直支撑结构与支撑框架B2-7连接；导轨滑块B2-5有两块，分别设置在精密导轨B2-4上，并与滚珠丝杆螺母B2-3通过连接件固定连接；
本实施例中，步进电机采用的型号为ST39HS038A-050SL，每个脉冲可以产生1.80的步距角，即200个脉冲下电机轴可转动一周3600，采用的丝杆导程为2mm，故每个脉冲可以使得滚珠丝杆螺母移动0.01mm；对步进电机的脉冲进行了较高的128细分（甚至可以256细分），理论上可以实现0.000083mm的精度，由于机械间隙等，实际可以达到0.001mm的精度；
将步进电机用弹性连轴器连接高精度滚珠丝杆DP1002JS-HDNR-0320B，步进电机的微小角度转动带动丝杆并转化成螺母的细微平移，该高精度滚珠丝杆的螺纹槽即整体的圆柱度都经过研磨，表面还经过强化，以保证寿命以及扭矩很小的情况下仍能敏感的反应，并且噪声极低；
垂向支撑装置6的底部横跨在水平移动装置2的两块导轨滑块B2-5上，垂向支撑装置6设有燕尾槽机械结构，燕尾槽的开槽方向与丝杆A1-2、丝杆A1-2相互垂直；
柔性轴钻机4由钻机头部夹持部3固定在垂向移动装置1中的滚珠丝杆螺母A1-3上，垂向移动装置1通过支撑框架A1-7固定在垂向支撑装置6燕尾槽结构的滑槽一侧；控制计算机5对步进电机A1-1、步进电机B2-1、以及柔性轴钻机4进行控制，并接收来自限位器A1-6、限位器B2-6的反馈信号；
本例中、柔性轴钻机4头部质量轻且体积小巧（长度不足15cm），尾部的驱动轴包在柔性电缆内，可自由弯曲和布置，钻速在0～22000rpm之间可控制调节，钻孔适配Φ0.5～Φ4mm的标准钻头。
更优的，本发明还使用了自动寻原点技术，即在精密导轨2-4上设定导轨滑块2-5的基准位置，并通过所述控制计算机5进行标记，记忆为原点；使得本发明具备自动化和程序化等特点，用户只要编制合理的程序，移位、钻孔、归位等动作可自动精确的完成，大大简化了实验步骤。
Claims (2)
1.一种高精度钻孔设备，它安装在残余应力沿深度分布测试仪的实验架台上，其特征是，它包括：控制计算机（5）、垂向移动装置（1）、水平移动装置（2）、柔性轴钻机（4）、钻机头部夹持部（3）和垂向支撑装置（6）；
所述垂向移动装置（1）包括：步进电机A（1-1）、丝杆A（1-2）、滚珠丝杆螺母A（1-3）、精密导轨A（1-4）、导轨滑块A(1-5)、限位器A（1-6）和支撑框架A（1-7）；所述精密导轨A（1-4）共有两条，分别与所述支撑框架A（1-7）固定连接，其中，一条所述精密导轨A（1-4）的两端沿所述滚珠丝杆螺母A（1-3）的运动方向上下分别设有所述限位器A（1-6）；所述步进电机A（1-1）安装在所述支撑框架A（1-7）的顶部，其输出轴与所述丝杆A（1-2）连接，所述滚珠丝杆螺母A（1-3）套接在所述丝杆A（1-2）上，所述丝杆A（1-2）通过水平支撑结构与所述支撑框架A（1-7）连接；所述导轨滑块A(1-5)有两块，分别设置在所述精密导轨A（1-4）上，并与所述滚珠丝杆螺母A（1-3）通过连接件固定连接；
所述水平移动装置（2）包括：步进电机B（2-1）、丝杆B（2-2）、滚珠丝杆螺母B（2-3）、精密导轨B（2-4）、导轨滑块B(2-5)、限位器B（2-6）和支撑框架B（2-7）；所述精密导轨B（2-4）共有两条，分别与所述支撑框架B（2-7）固定连接，其中，一条所述精密导轨B（2-4）的两端沿所述滚珠丝杆螺母B（2-3）的运动方向设有所述限位器B（2-6）；所述步进电机B（2-1）安装在所述支撑框架B（2-7）的一侧，其输出轴与所述丝杆B（2-2）连接，所述滚珠丝杆螺母B（2-3）套接在所述丝杆B（2-2）上，所述丝杆B（2-2）通过垂直支撑结构与所述支撑框架B（2-7）连接；所述导轨滑块B(2-5)有两块，分别设置在所述精密导轨B（2-4）上，并与所述滚珠丝杆螺母B（2-3）通过连接件固定连接；
所述垂向支撑装置（6）的底部横跨在所述水平移动装置（2）的两块所述导轨滑块B(2-5)上，所述垂向支撑装置（6）设有燕尾槽机械结构，燕尾槽的开槽方向与所述丝杆A（1-2）、丝杆B（2-2）的轴线方向相互垂直；
所述柔性轴钻机（4）由所述钻机头部夹持部（3）固定在所述垂向移动装置（1）中的滚珠丝杆螺母A（1-3）上，所述垂向移动装置（1）通过所述支撑框架A（1-7）固定在所述垂向支撑装置（6）燕尾槽结构的滑槽一侧；所述控制计算机（5）对所述步进电机A（1-1）、步进电机B（2-1）、以及所述柔性轴钻机（4）进行控制，并接收来自所述限位器A（1-6）、所述限位器B（2-6）的反馈信号；
所述步进电机A（1-1）与步进电机B（2-1）的脉冲为128细分，每个脉冲产生1.80的步距角，所述丝杆A（1-2）与丝杆B（2-2）的导程为2mm。
2.如权利要求1所述的一种高精度钻孔设备，其特征是，它还使用了自动寻原点技术，即在所述精密导轨（2-4）上设定所述导轨滑块(2-5)的基准位置，并通过所述控制计算机（5）进行标记，记忆为原点。
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