CN100457388C - 挠性轨道钻孔机 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种挠性轨道钻孔机，它采用一对轨道，该轨道在一个方向上是挠性的以适应于非平坦的工件表面，并且在平行于工件表面的方向上基本上是刚性的。所述轨道通过沿每个轨道间隔开来的真空杯座装接于工件。X轴向托架通过装在固接于托架的挠性簧板上的滚轮可滑动地安装在轨道上。待定位的钻具或其他装置安装在可滑动连接到X轴向托架的Y轴向托架上。三维的工件表面以数学方式转换成为二维平展图型，并且托架的定位是基于平展图型予以控制的。

Description

挠性轨道钻孔机

技术领域

本发明涉及在大型工件上钻孔或执行其他加工作业的机器，这些工件为构作成简单或组合轮廓的面板或类似构件，诸如飞机的机翼和机身部分。本发明更为具体地涉及一种挠性轨道机器和方法，该方法通过沿安装在工件上并定位于工件的轨道往复移动加工模块，来相对于工件来定位诸如钻机、压印机或类似装置的加工模块。

背景技术

在诸如飞机机翼和机身面板或其他类型结构的大型工件上精确钻孔的问题一直是对飞机工业和其他工业的一项挑战，并且因此直到目前为止尚未提供一种完全令人满意的、适用于大范围工件构造的解决办法。诸如五轴钻机等大型固定桩式机器可以用于某些类型的工件，但是这些机器的购买和使用都相当昂贵。相反的是，由本申请和其他申请的受让人研发的上述问题的相对低成本的解决办法是，在安装于工件的轨道上安装自动钻具或其他加工模块。钻具或模块支承在沿轨道运行的托架上，该轨道由安装在工件上的一对平行轨道构成。作为这种装置的实例，请参见转让给本申请受让人并且在此引入作为参考的美国专利第4850763号，以及美国专利第3575364号。

但是在上述专利中，图示和描述的实施例被应用到不具有复合轮廓表面的工件。在此所用的“复合轮廓”一词，其用来表示在多于一个方向上具有曲率的表面。在这样一种复合轮廓的表面上，一般不可能安放一对平直的挠性轨道，使得该轨道顺从该表面轮廓并且在沿两轨道的所有点处间隔开相同的距离。因为在一般情况下安放在球形表面上的一对挠性轨道之间的间距会发生改变，所以该球形表面是复合轮廓表面的一个例子。相反的是，一个圆柱不具有复合轮廓表面，因为两轨道可以沿周向、轴向或螺旋方向上放置而它们之间的间距可以是恒定的。在上述美国专利第3575364号中，一对挠性轨道沿圆周方向围绕一个圆柱形工件安装。可意识到的是，轨道在这种配置中可以是完全平行的，因为该圆柱表面是简单的轮廓表面。在′364专利中的轨道被制成挠性的，使得它们可以适应于多种表面，但是即使这种挠性轨道在它们安装在复合轮廓表面上时，也不能在沿着两轨道的所有点处精确地使它们等距离隔开。另外，沿复合轮廓表面上的两条不同路径安装的轨道会因沿着两条路径的表面法线的不同方向彼此不同地扭曲。这将难以沿着轨道来回移动托架并且保持托架定位的良好精度。

可以在一个复合轮廓表面上安装一对间隔开的轨道使得轨道在沿着轨道的所有点处等距离隔开，但仅只是通过针对特定的工件表面定制设计轨道。如果这种定制设计的轨道用在不同轮廓的表面上，它们就不会在所有点处等距离隔开。虽然非常希望能够在安装在复合轮廓表面上的一对轨道上来回移动钻具或其他机器部件，但是也希望能够在包括简单和复合轮廓表面的多种表面轮廓上采用相同的装置。

发明内容

本发明针对上述要求并且获得其他优点，提供了一种挠性轨道机器，用来精确地定位那些可用于各种构造的简单和复合轮廓表面上的钻具或其它机器部件。该机器不具有刚性底座或基座；而是工件本身支承着该机器。更具体地讲，一对轨道被安装在工件上，并且钻具或其他机器部件沿着轨道往返移动。与在复合轮廓表面上铺放两轨道相关的上述困难似乎昭示着将两轨道在所有弯曲方向上做成挠性的使得它们起到板条的作用，并在沿着轨道的多个间隔开来的坚硬点处固定每个轨道的位置，以使两轨道精确地平行。但是，本发明并没有采取这种作法。

按照本发明，一对间隔开的挠性轨道安装在工件上使得轨道沿着钻具或其他机器部件沿之往返移动的X轴向延伸。各轨道大致上平行安放，但是如所指出的，当表面具有复合曲率时轨道不是精确平行的。一X轴向托架可滑动地安装在轨道上并支承着钻具或其他机器部件。该X轴向托架只利用两轨道之一作为参照轨道予以驱动以设定托架的X轴位置。另一轨道不用作参照，而只用于在Z轴方向(亦即正交于工件表面)上，反作用于作用在托架上的诸如来自于钻进推进的力。各轨道在绕第一弯曲轴线的弯曲方面相对刚硬而绕正交于第一弯曲轴线的第二弯曲轴线的弯曲方面呈相对揉性。在本发明的优选实施例中，这一点是以如下方式实现的，即将各轨道设计成为细长的板状结构，其具有的宽度比厚度大很多。各轨道以板状轨道的主要表面基本上平行于工件表面的方式安装在工件上，使得第一弯曲轴线基本上正交于工件表面(平行于Z轴)并使第二弯曲轴线基本上平行于工件表面(平行于Y轴)。因而各轨道能够弯曲和扭曲，以基本上顺从工件表面的表面法线。以这种方式，各轨道能够定位X轴向托架，使得它在沿着轨道任意给定位置处反映工件的表面法线。

如上所述，机器部件可以是一部钻具，但也可以是其他类型的装置，包括但不限于用来在工件上施加印记的压印装置，或者焊接装置。在任何情况下，优选的是将机器部件通过安装在X轴向托架上的Y轴向托架安装在X轴向托架上，以便可沿着Y轴移动，该Y轴横交于X轴向托架沿着轨道运行的方向。因而，机器部件在每条轴线上可独立地移动。

由于当钻具适当地装在X轴向托架上时，各轨道和X轴向托架发挥作用从而自动地正交于工件表面定位钻具，因此本发明使得钻具或类似装置相对于工件的三维定位能够通过仅只在两条轴线，即X和Y两条轴线上进行数控编程来予以实现。根据本发明一优选实施例，工件三维表面的数学定义被转换成为二维平展图型(flat pattern)，用于X轴和Y轴托架驱动系统的控制器的数控编程在平展图型的两条轴线上进行。因而，与需要在三轴或更多轴上编程的传统多轴机器相比，这种编程得到了极大的简化。

各轨道可以用多种方式安装到工件上。在一实施例中，许多间隔开来的装接装置被安装在工件上并且两轨道可拆卸地安装到装接装置。装接装置可以借助真空安装到工件上。

X轴向托架优选地通过挠性安装架装在轨道上，这些安装架当装在复合轮廓表面上时，可以适应从一端到另一端沿着每一轨道所产生的不断变化的弯曲和/或扭曲。该挠性安装架可以包括板状弹簧，其固接于X轴向托架并具有装在其上的轨道接合滚轮，或者通过球形轴承配装到X轴向托架并具有安装在它上面的滚轮的承载车(bearing cars)。

在优选实施例中，挠性安装架包括板状弹簧，在其中部附近被刚性地固接于X轴向托架，使得每个弹簧的相对端以悬伸方式从X轴向托架处得到支承。轨道接合滚轮安装在该弹簧的悬臂端上。弹簧优选地在中间部分宽度最小而在两端处较大，使得弹簧优选地在中间处而不是在两端处发生扭曲。

X轴向驱动装置优选地采用小齿轮，其安装在设置于两轨道之一(即参照轨道)上方的板状弹簧的一个悬伸端部。小齿轮与安装在参照轨道上的齿条啮合。为了控制小齿轮相对于齿条的高度，使得高度在X轴向托架沿着参照轨道被驱动时基本上是恒定的，该小齿轮的旋转轴线优选地位于与装在弹簧一端上的一对滚轮的转动轴线相同的平面里。滚轮优选地是V形槽滚轮，形成有轨道相对边缘接合其中的V形沟槽，从而防止滚轮在大致上正交于工件表面的方向上相对于轨道运动。

在根据本发明的一种挠性轨道钻孔机的优选实施例中，在钻孔之前，在X轴向托架与工件表面之间施加一预载力，此预载力的法向分量具有的大小大于在钻削期间因钻具推压所产生的作用在X轴向托架上的反作用力的法向分量。该预载力有助于稳定机器并消除可能存在于装接装置、轨道、托架等之间的沿Z方向上的任何游隙。优选地，该预载力通过装接于钻具的加压座来施加。该加压座优选地与钻具相连，使得因钻进推压产生的反作用力通过加压座予以反作用，以减小加压座与工件之间的预载力。

附图说明

本发明的上述和其他目的、特点和优势将通过结合附图对优选实施例所作的说明而变得更加显而易见，其中：

图1是根据本发明一优选实施例的一种挠性轨道钻机的透视图；

图2是钻进主轴卸掉后的钻机的透视图；

图3是类似于图2的透视图，但是没有真空杯座和没有用于钻进主轴的安装元件；

图4是透视图，基本上从上方示出与轨道相配合的X轴向托架和Y轴向托架的总成；

图5是基本从下方观察到的类似于图4的透视图；

图6是通过钻机钻具组件的剖面图；以及

图7是本发明另一实施例的透视图。

具体实施方式

下面将参照附图对本发明作出更完整的说明，附图中示出本发明的优选实施例。但是，本发明可以用多种不同的形式予以实施并且不应当认为局限于在此所述的实施例；而是，这些实施例提供用来使得公开内容将是透彻和完整的，并将本发明的范畴完全传达给本领域的技术人员。相同的附图标记贯穿始终指示相同的元件。

参照图1，该图示出根据本发明优选实施例的机器20。此机器包括一对轨道22、24，多个装接装置，优选地呈现真空杯座组件26的形式，沿着每个轨道的长度以隔开的间距可拆卸地固定于该对轨道。该轨道22、24优选地具有显著大于其厚度的宽度，使得它们围绕延伸在厚度方向上的轴线比它们围绕延伸在宽度方向上的轴线具有显著大的弯曲刚度。两个轨道的取向大致上彼此平行，虽然轨道之间的侧向间隔在轨道安装在复合外形的工件表面上时会发生改变。优选地，两轨道只是在一端处通过连接件28彼此牢固地连接，此连接件在该端固定两轨道之间的间隔。正如所述的那样，在沿着轨道的其他部位，轨道之间的间隔可以改变。在轨道的相反端可以有另一连接件28′，但是此连接件28′形成一种“浮动”连接，使得可以随需要根据工件表面的外形来调节两轨道之间的间隔。

当真空杯座装接于工件表面时，轨道的宽度基本上平行于工件表面延伸。由于轨道能够容易地围绕宽度方向弯曲和围绕其纵向轴扭曲，所以轨道会随需要挠曲和扭曲从而可基本上顺随工件表面并且真空杯座组件将每个轨道保持在距工件表面基本上不变的距离上。这样，轨道的主表面在沿每个轨道任何点处基本上垂直于工件的表面法线。

安装在轨道上的是X轴向托架30(图2-5)，其借助于装在托架30上并和轨道配合的滚轮32沿着轨道滑动。图示实施例中的X-轴向托架30包括一板状构件。滚轮32沿着托架的每一相对的侧面边缘安装。更为具体地说，簧板34和36(如图5所示)在托架的每一相对的侧面边缘靠近其下部表面装接于托架30。该簧板在从簧板相对的两端向内间隔开的位置37处(图5)被固定到X轴向托架，使得每个簧板具有从托架悬伸出来的两个相对的端部。滚轮32安装在簧板34、36的这些悬伸端部上。有两个相对的滚轮32安装在每个簧板34、36的每个悬伸端部上。每个轨道22、24夹置在相对的滚轮32之间。轨道22、24优选地具有由滚轮接合的V形边缘，而滚轮是具有容纳轨道的V形边缘的V形槽沟的V形槽滚轮。因而滚轮可防止沿滚轮转动轴线方向的滚轮与轨道之间的相对运动，这些轴线基本上正交于工件表面。

上面装有滚轮的簧板34、36随需要(即在X轴向托架沿轨道往复移动时由工件表面的外形支配)挠曲和扭曲，以允许有限程度的相对运动发生在X轴向托架30与滚轮32之间。这通过使两板簧在其中部较窄和在其两端处较宽，使得簧板优选地在中部而不是在安装滚轮所在的两端处挠曲和扭曲而得以容易地产生。因而，有限程度的相对运动可以发生在X轴向托架与轨道22、24之间。最后结果是，即使轨道可能以某些不同的方式相对于彼此弯曲和扭曲，挠性轨道机器20能够使X轴向托架沿着X轴(亦即平行于轨道长度方向的轴线)沿导轨来回移动。实际上，轨道22、24适应于工件表面的轮廓并且因而在沿着由两轨道所限定的路径的任何一点处接近垂直于所述表面。因此，托架的参照轴线(在示出的实施例中，一正交于托架平面的轴线)在沿着轨道的托架的任意位置处保持基本上正交于工件表面。

用于齿条和小齿轮装置的齿条38(图2和3)沿着面对簧板36的轨道24的表面安装。马达40和相关的齿轮箱42安装在簧板36上。齿轮箱42的输出轴具有装在其上的小齿轮44，并且簧板36包含窗孔46(图4)，小齿轮穿过它而和轨道24上的齿条38相啮合。因而小齿轮44的转动沿轨道驱动X轴向托架30。应会认识到，具有齿条38的轨道24包括一参照轨道，相对于该参照轨道来进行X轴向托架的X轴线定位。没有尝试相对于另一轨道22来确定或控制托架的X轴线定位。

小齿轮44在沿着参照轨道24的任何一点处相对于齿条38具有恒定的高度对于精确控制X轴向托架的X轴线位置来说是重要的。为实现这种高度控制，小齿轮44的转动轴线优选地处在与由安装在簧板36端部的两个滚轮32的转动轴线所形成的平面相同的平面之内。更为具体地说，滚轮32的轴线彼此平行并基本上正交于工件表面，而小齿轮44的轴线基本上平行于工件表面并处在滚轮轴线的平面中。

Y轴向托架50可滑动地安装在X轴向托架30的上面，使得Y轴向托架可以沿着垂直于X轴方向的Y轴方向前后滑动。更为具体地说，一对轨道52、54固定到X轴向托架30的相对边缘，并且滚轮56装在Y轴向托架上用于与轨道52、54接合。用于齿条和小齿轮装置的齿条58沿着X轴向托架的靠近轨道54的边缘固定于X轴向托架(见图5)。马达60和相关的齿轮箱62装在板64上，后者靠近齿条58配装于Y轴向托架。该板64包含贯穿它的窗孔，齿轮箱62的输出轴穿过该窗孔并驱动与齿条58啮合的小齿轮66。因而，小齿轮66的转动在Y轴方向上沿着轨道52、54驱动Y轴向托架。

安装在Y轴向托架顶部上的是夹紧环组件70，在图2中看得最为清楚。夹紧环组件如图1所示支承和紧固钻具组件80。钻具组件80包括钻进主轴90。图6以剖面图示出钻具组件的一部分，图中左侧示出钻进主轴90处在回缩位置上而图中右侧示出钻进主轴90处在前置位置上。该钻进主轴延伸穿过Y轴向托架50上的窗孔(在图3和图4中可以看到)，并穿过在Y轴方向上拉长的、X轴向托架30上的窗孔(可在图5中看到)。钻进主轴通过一对液压缸92(图1)回缩和前进，其缸体部分固接于钻进主轴。更为具体地说，液压缸92连接在固接于主轴的一对板元件94、96之间。液压缸的杆延伸穿过下部板元件96上的孔并装接于板元件98，后者固接于Y轴向托架上的夹紧组件70。因而，杆回缩入液压缸部分中导致钻进主轴朝向工件前进，而杆的伸出导致钻进主轴远离工件回缩。以这种方式，可利用装在钻进主轴上的旋转钻头(未示出)在工件上钻出孔洞。主轴沿之前进和回缩的钻具轴线平行于X轴向托架50的参照轴线，即正交于托架的平面，并因此基本上正交于工件表面。

该机器还优选地包括示出在图1中的液压控制缸100，用于控制钻进主轴的前进速度。控制缸连接在板元件98与板元件94、96和液压缸92的组件之间，并起到阻尼装置的作用以限制主轴的前进速度。

参照图6，钻具组件包括加压座102，其可延伸以便在基本上正交于工件表面的方向上抵靠工件表面，从而在工件与钻具之间施加预载荷。活塞104围绕并固接到钻具主体106。活塞104被容纳在形成于缸体108上的环形空间里，此缸体围绕并固接到Y轴向托架上的夹紧环组件70。加压座102也固接到钻具的主体106。活塞104和缸体108包括如图所示的密封，从而一工作室形成在活塞-缸体单元中，它可以经由入口110加压以使活塞104在图6中被向下推动，从而推动钻具向下并且推动加压座102顶靠工件表面。由加压座顶靠工件而施加的预载荷的大小优选地要比钻孔期间由钻具推进所产生的最大预期反作用力大。钻具推进反作用力以趋于减小加压座与工件之间的预载荷的方式发挥作用，换一种说法，所有钻具推进都通过加压座受到反作用。通过以比预期的最大钻具推力大的力进行预加载荷，可在钻进期间中将不希望有的主轴运动减至最小。

本发明的另一实施例以部分组件示出在图7之中。该实施例类似于前述的实施例，例外的是滚轮32不是安装在簧板34、36上，而是安装在承载车37上。两个承载车37安装在X轴向托架30的每个相对侧面边缘上。每个承载车37具有两对相对的滚轮32，在其间夹置相应的轨道22或24。承载车37通过球形轴承39装接于X轴向托架30，允许承载车相对于X轴向托架作旋转运动。因此，承载车37和球形轴承39提供了前述实施例中簧板34、36提供的相对运动。

按照本发明，工件的复合轮廓三维表面被转换或变换为平面或平展图型，使得工件表面上两点之间的曲线距离等于平展图型上相应两点之间的直线距离。更为具体地说，工件表面的三维表征被转换，从而使工件表面上的每一点(x，y，z)被转换为平展图型上的相应点(X，Y)。钻具然后沿着工件表面予以定位，使得通过将钻具定位以选中平展图型上的对应于点(x₁，y₁，z₁)的点(X₁，Y₁)，从而在希望的点(x₁，y₁，z₁)进行钻削。对用于X轴向和Y轴向驱动马达的数字控制器在平展图型的二维轴系中进行编程。在平展图型中的X和Y座标通常对应于托架沿之运行的X和Y轴线，但一般说来这种对应是不精确的，因而需要一参照点以将机器座标相对于平展图型的座标校准。

为了建立平展图型与机器轴线之间的关系，在工件中的已知部位处钻两个定位孔，工件待加工区域的每个端处各有一个定位孔。将设备安装到工件上，使得连接两定位孔的直线基本上平行于由两轨道确定的X轴，而且使得定位孔处在该设备的X-Y方向上的工作轨迹之内。钻具主轴从设备上折下，而在其位置上装设一激光寻边器(未示出)。操作X和Y轴向驱动马达来定位托架，直至激光寻边器检测出其中一个定位孔为止，并把对应于此孔的X和Y座标存在存储器之中，并且对于另一定位孔重复此过程。工件参照系中的定位孔的座标(在转换为平展图型时)是已知的。因而，进行座标转换以建立机器X、Y座标与平展图型中工件座标的关系，从而可以通过控制X和Y驱动马达把机器定位在相应的X，Y点，将机器定位在工件任何预期位置。

本方面所属技术领域的技术人员会想到本发明的许多改型和其它的实施例，这些改型和其它的实施例具有上述说明和所属附图中所给出的教益。例如，虽然图示实施例中的轨道22、24因它们的宽度比它们的厚度大很多从而实现了围绕一条轴线的相对挠性和围绕一条垂直轴线的相对刚度，但应该认识到的是，还有其它方法来获得这种特征。作为实例，轨道可由在不同方向上具有不同弹性模量的材料制成，诸如复合材料，或者轨道的截面形状可被设计成给予不同的挠性。另外，虽然示出采用滚轮32与轨道接合，但其他类型的构件也可用来代替滚轮来与轨道接合，从而促进托架30沿着轨道的滑动，例如滑块或类似构件。因此，应当理解本发明并不局限于所公开的特定实施例，并且各种修改和其他实施例也被包括在各项权利要求的范围内。虽然在此采用了一些特定的词语，但是它们只是用于一般意义上的说明而不是用于限制目的。

Claims (15)

1.一种用于相对于工件表面导引和定位机器部件的设备，此设备包括：

第一和第二细长挠性轨道，两轨道彼此间隔开并基本上彼此平行；

多个真空装接装置，连接到每个轨道并沿轨道间隔开设置，用于借助真空可拆卸地将每个轨道装设于工件表面，各轨道的宽度平行于工件表面延伸，所述轨道按需要弯曲和扭曲以顺随工件表面；

构作并配置用来支承机器部件的X轴向托架，该X轴向托架可滑动地与轨道接合并可沿着轨道移动以便相对于工件定位机器部件；以及

连接件，其在沿着轨道的某一位置处连接在两轨道之间以在所述位置处固定轨道之间的间隔距离，所述轨道在远离所述位置的其他各位置处具有彼此相向和彼此背离移动的自由度。

2.按照权利要求1所述的设备，其特征在于，每个轨道在围绕第一弯曲轴线的弯曲方面相对刚硬而在围绕正交于第一弯曲轴线的第二弯曲轴线的弯曲方面呈相对揉性，以及每个轨道安装在工件上使得第一弯曲轴线正交于工件表面而第二弯曲轴线平行于工件表面。

3.按照权利要求1所述的设备，其特征在于，装接装置包括真空杯座。

4.按照权利要求1所述的设备，其特征在于，X轴向托架通过挠性安装架连接到轨道。

5.按照权利要求4所述的设备，其特征在于，挠性安装架包括板状弹簧。

6.按照权利要求5所述的设备，其特征在于，还包括用于沿轨道驱动X轴向托架的X轴向驱动装置，该X轴向驱动装置安装在板状弹簧之一上。

7.按照权利要求6所述的设备，其特征在于，X轴向驱动装置包括驱动元件，其啮合于轨道之一上的协同操作元件。

8.按照权利要求7所述的设备，其特征在于，该驱动元件延伸穿过所述板状弹簧上的孔眼。

9.按照权利要求1所述的设备，其特征在于，X轴向托架通过旋转元件可滑动地连接到轨道，所述旋转元件与轨道滚动接合。

10.按照权利要求9所述的设备，其特征在于，所述旋转元件安装在挠性安装架上，后者固接于X轴向托架并可以相对于X轴向托架挠曲以适应轨道变化的弯曲和扭曲。

11.按照权利要求1所述的设备，其特征在于，还包括安装在X轴向托架上的钻具。

12.按照权利要求11所述的设备，其特征在于，还包括连接于X轴向托架的致动器以及与该致动器相联接的加压座，该致动器可用以与工件表面正交地将加压座压靠于工件表面，以便在工件与X轴向托架之间施加预载力。

13.按照权利要求12所述的设备，其特征在于，加压座连接于钻具，使得在钻削工件期间钻具推力造成的反作用力通过加压座给与反作用以便减小加压座和工件之间的预载力。

14.按照权利要求13所述的设备，其特征在于，钻具安装在Y轴向托架上，后者可沿着Y轴在X轴向托架上滑动，并且其中致动器连接在Y轴向托架与钻具之间。

15.按照权利要求14所述的设备，其特征在于，所述致动器包括多个流体操作缸。

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