CN101132873B - 用于制造过程的方法和设备 - Google Patents

Abstract

公开了用于制造过程的方法和设备。在一个实施例中，用于相对于工件表面支撑工具的设备包括适于附着到工件的基座，连接到基座的工具架，以及连接到基座和工具架二者的偏置装置。工具架可沿平移轴相对于基座移动，偏置装置可沿至少部分沿平移轴的偏置轴偏置。偏置装置适于至少部分地平衡沿平移轴作用在工具架上的力(例如，重力)。

Description

用于制造过程的方法和设备

技术领域

本发明涉及用于改进的制造过程的方法和设备，更明确地，涉及用于执行平衡辅助的制造过程、反作用力支撑系统、中性轴齿条系统、非接触位置感应系统、以及伺服控制制造过程的方法和设备。

背景技术

大型结构的制造可能涉及大量制造过程(manufacturing operations)的执行，例如在结构的构件上钻大量的孔。需要大量钻孔操作的常规结构包括，例如，航空器、导弹、船、有轨车、金属板建筑物、以及其它类似结构。具体地，常规航空器制造过程典型地涉及在航空器的机翼部件上钻大量的孔，以通过紧固件(例如，铆钉)使这些部件彼此连接并且连接到机身。在结构的建造中可能涉及的其它类型的制造过程包括铆接、切割、焊接、砂磨、测量和检查操作。

已经开发了多种装置来便利包括大量钻孔的钻孔操作。例如，授权于Jack等人的美国专利No.4,850,763公开了包括临时附着于航空器机身的一对轨道的钻孔系统。支撑架可滑动地连接到轨道并且支撑钻机组件。附着于航空器机身的模板提供了要在航空器机身形成的孔的预期位置的索引。当支架沿轨道移动时，锁定机构(或触发器)与模板相合以为后来的钻孔操作可靠地定位支架。

尽管使用现有技术的钻孔系统，已经获得了预期结果，但还应注意一些缺点。通常用于这种操作的钻机组件典型地重大约20磅，而且可能相对庞大且难以操作。这些特征可能导致操作者疲劳，并且可能降低制作过程的效率。另外，钻机组件的重量和体积可引起轨道和支架的支撑组件下垂、扭曲或弯曲，这取决于被加工的机身部件的取向，这可能导致成品孔的不精确或未对准。

另外，当在相对较轻、更柔性的结构上操作时，现有技术的钻机组件的性能会降低。在这种情况下，钻削力可能变得太高并且可能导致工件发生不合要求的弯曲或结构变形，这可能依次导致孔质量的降低。另外，在这种相对较轻、柔性的结构上，由钻孔系统施加在结构上的力可能需要仔细的控制以避免对结构用力过度。这可能减慢制作过程以及减小生产能力。

另外，当结构外形为异形时，可能损害在工件上精确定位制造工具的能力。当结构是在多个弯曲面中弯曲的复杂异形结构时，这种情况特别明显。因为定位精度可能降低，所以在这种结构上的制造过程由于需要增加制造工具定位的检查及调节可能需要增加延迟，由于制造过程中的不精确也可能需要额外的工件修理和再加工。

现有技术的制造组件在执行制造过程之前通常需要仔细地在工件上确定方向，以确保制造过程在合适的位置执行。在工件上确定现有技术组件的方向可能需要支撑架或组件其它部分以及工件上的一个或多个接触点之间的物理接触。这种物理接触可能受到老化，特别是通过重复使用，并且还可能不利地影响某些类型的工件表面的质量。

另外，现有技术的制造组件典型地包括远离在工件上支撑工具组件的支撑架定位的控制器，如例如授权于Buttrick的美国专利No.6,550,129B1或授权于Banks等人的美国专利No.6,073,326B1所公开的组件。在这种系统中，用来命令支撑架移动和利用工具组件来控制制造过程的控制信号通过在远处定位的控制器和支撑架及工具组件的构件之间延伸的控制电缆系统传送。尽管使用这种制造组件已经达到预期效果，但支撑架的移动和工具组件的操作的范围由于控制电缆的长度或制造环境边界内的控制器的机动性可能受到限制。

另外，现有技术的制造工具可能令人讨厌的重，特别是气动工具以及其它来自具有单独壳体和支撑轴承的常规部件的工具组件。至少某些常规气动工具不提供执行制造过程的精确控制能力。某些风钻组件，例如，不允许钻孔进给速率或旋转速度的精确控制。

由于上述原因，对于用来执行制造过程的改进的设备和方法，仍然存在未能满足的需求。

发明内容

本发明涉及用于改进的制造过程的方法和设备。

在一个实施例中，用于相对于工件表面支撑工具的设备包括适于附着到所述工件的基座，连接到所述基座的工具架，以及连接到所述基座和所述工具架二者的偏置装置。所述工具架可沿平移轴相对于所述基座移动，所述偏置装置可沿至少部分沿所述平移轴的偏置轴偏置。所述偏置装置适于至少部分地平衡沿所述平移轴作用在所述工具架上的力(例如，重力)。如下文更全面描述的那样，根据本发明的设备和方法可有利地减小制造工具的操作者承受的疲劳量，并且可改善由所述制造工具执行的制造过程的效率和精度。

在另一实施例中，用来相对于工件支撑制造工具的设备包括适于附着到所述工件的轨道组件，和可移动地连接到所述轨道组件的支架。所述支架包括适于接收和支撑制造工具的工具架。反作用力支撑组件可操作地连接到所述支架并且适于固定到所述工件。所述反作用力支撑组件至少部分平衡了由所述制造工具作用在所述工件上的制造力。可减小制造过程期间工件的偏斜，从而改善了制造过程的精度、一致性、效率和生产量。

在本发明的进一步实施例中，用来相对于工件支撑制造工具的设备包括适于附着到所述工件并且包括至少一条导轨的轨道组件，所述导轨具有纵向延伸的中性轴和沿至少大致于所述纵向延伸的中性轴重合的节线延伸的齿条。在备选实施例中，所述齿条包括多个楔形孔或多个圆锥形孔。可实现制造工具定位控制的改进，从而提高了制造过程的精度、一致性、效率和生产量。

在又一实施例中，用于在工件上执行制造过程的设备包括适于附着到所述工件的轨道组件，可移动地连接到所述轨道组件并可相对于所述工件移动的支架组件，和位置传感器。所述位置传感器可操作地连接到所述支架组件并且包括适于可操作相对于所述工件定位的传感器元件。所述传感器元件还适于从远离指标特征的距离探测所述工件上的指标特征的至少一个边缘。因为传感器元件从远离指标特征的距离探测指标特征的边缘，所以所述传感器元件有利地与所述指标特征实际接触，并且因此与现有技术的系统相比，可提供改进的可靠性和可维护性。

在另一实施例中，用于在工件上执行制造过程的设备包括适于附着到所述工件的轨道组件，可移动地连接到所述轨道组件并且可相对于所述工件移动的支架组件，以及可操作地连接到所述支架组件的位置传感器。所述位置传感器包括适于可操作地相对于所述工件定位的传感器元件，和具有连接到所述感应元件的第一部分的读出电路，所述第一部分适于接收模拟输入信号并在第一输出电极提供条件模拟输出信号。所述读出电路还包括连接到所述第一部分并且适于接收所述条件模拟输出信号并在第二输出电极提供数字输出信号的第二部分。因此，所述传感器元件可有利地为所述相关的控制器设备提供模拟的和数字的输出信号二者，从而改进了制造系统的多功能性和精度。

在进一步的实施例中，用于在工件上执行制造过程的设备包括适于附着到所述工件的轨道组件，可移动地连接到所述轨道组件并且包括可被操作以沿所述轨道组件平移所述支架组件的驱动组件的支架组件，和安置在所述支架组件上并可操作地连接到所述驱动组件的控制器。所述控制器适于将控制信号传送到所述驱动组件，以控制所述支架组件在所述工件上的移动。由于所述控制器安置在所述支架组件上，所以所述支架组件可自动操作以在所述工件上执行制造过程，并且可减少支撑设备的数量。

在另一实施例中，用于在工件上执行制造过程的设备包括基座部件，以一定间距与所述基座部件隔开的驱动平台，在所述驱动平台和所述基座部件之间延伸的多个导引部件。所述驱动平台和所述基座中的至少其中一个可沿所述导引部件移动以增加或减少所述间距。所述设备还包括可操作地连接在所述驱动平台和所述基座部件之间的驱动部件，和可操作地连接到所述驱动部件的伺服马达。当所述伺服马达驱动所述驱动部件时，所述间距被改变。在备选实施例中，制造工具可连接到所述驱动平台和所述基座部件中的至少其中之一，并且当所述马达驱动所述驱动部件时，所述制造工具啮合所述工件。此外，如下文更全面描述的那样，根据本发明的设备和方法可有利地改善工件上的制造过程的精度、效率和生产量。

附图说明

下面将参考以下附图详细描述本发明的优选及备选实施例。

图1是按照发明的实施例在工件上执行制造过程的支撑组件的等距视图；

图2是按照本发明的实施例连接有钻机组件的图1支撑组件的等距视图：

图3是图2支撑组件和钻机组件的侧视图；

图4是与图1的轨道组件啮合的支架组件的等距视图；

图5是紧固到图1轨道组件的支架组件的等距视图；

图6是处于第一偏置位置的图1平衡组件的等距视图；

图7是处于第二偏置位置的图1平衡组件的等距视图；

图8是连接有图1平衡组件的钻机组件的等距视图；

图9是按照本发明另一实施例和支撑组件一起使用的支架组件和轨道组件的备选实施例的等距视图；

图10是图9的轨道组件和部分支架组件的放大局部等距俯视图；

图11是图9的轨道组件和部分支架组件的放大局部等距仰视图；

图12是按照本发明又一实施例在工件上执行制造过程的制造组件的等距视图；

图13是按照本发明备选实施例与异形工件啮合的图12制造组件的等距视图；

图14是按照本发明实施例用于在工件上执行制造过程的具有反作用力支撑组件的制造组件的正面等距视图；

图15是图14制造组件的背面等距视图；

图16是图14制造组件的仰视等距视图；

图17是图14制造组件的反作用力支撑组件的放大正面等距视图；

图18是图14制造组件的反作用力支撑组件的放大背面等距视图；

图19是与图14的导轨整体形成的齿条啮合的第一传动齿轮的放大俯视等距视图；

图20是图14轨道组件的导轨的放大局部等距视图；

图21是图14的导轨的放大局部正视图；

图22是沿图21的A-A线的部分导轨的放大侧视剖视图；

图23是按照本发明实施例具有位置传感器组件的制造组件的前视图；

图24是图23制造组件的轨道组件和支架组件的俯视等距视图；

图25是图23制造组件的传感器组件和控制组件的放大局部等距视图；

图26是图25传感器组件的传感器的侧面等距视图；

图27是图26的传感器的仰视等距视图；

图28是按照本发明实施例的位置确定方法的流程图；

图29是图28的位置确定方法的示意性表达；

图30是按照本发明实施例用于探测指标特征位置的传感器扫描的代表性的信号电平图；

图31是按照本发明另一备选实施例执行位置确定的控制电路；

图32是按照本发明又一实施例的制造组件的示意性表达；

图33是图24制造组件的伺服控制的工具组件的放大前视图；

图34是图33的伺服控制的工具组件的局部剖视的俯视图；以及

图35是图33的伺服控制的工具组件的侧视图。

具体实施方式

本发明涉及用于改进的制造过程的方法和设备，更具体地，涉及用于在航空器机身部件上执行平衡钻孔操作的方法和设备。本发明某些实施例的许多特有细节将在以下说明书和图1-35中阐明，以提供对这些实施例的全面理解。然而，本领域的技术人员应该理解，本发明可具有另外的实施例，或者没有以下说明书中描述的若干细节也可实施本发明。

平衡辅助的制造过程

图1是按照本发明实施例在工件102上执行制造过程的支撑组件100的等距视图。在这个实施例中，支撑组件100包括可附着于工件102的细长的轨道组件110、可移动地连接到轨道组件110的支架组件120、以及连接到支架组件120的平衡组件130。如下文更全面描述的那样，因为具有平衡组件130的支撑组件100可有利地减少在制造过程中操作者104(局部可见)承受的负荷，所以支撑组件100可减少操作者的疲劳，并且可以提高制造过程的效率和质量。

如图1所示，轨道组件110包括配备有多个真空杯组件114的横梁112。真空杯组件114流体连通到真空管道116，该真空管道116通向真空源118，诸如真空泵等。真空控制阀115连接在真空管道116和真空杯组件114之间，并且在例如轨道组件110安装到工件102上以及从工件102上卸除期间允许真空可控制地施加到真空杯组件114或从其中消除。真空杯组件114是公知结构并且可为例如授权于Buttrick等人的美国专利No.6,467,385B1或授权于Banks等人的美国专利No.6,210,084B1中公开的类型。在备选实施例中，真空杯组件114可由其他类型的连接组件代替，包括磁性连接组件、螺栓或其他螺纹连接部件、或任何其他合适的连接组件。在某些实施例中，轨道组件110的横梁112可相对刚性且不易弯曲，并且在其他实施例中，横梁112可为柔性的或局部柔性的可被弯曲及扭曲以顺应工件102表面轮廓的横梁，如下文更全面描述的那样。

图1所示的支架组件120包括基座部件122，该基座部件122具有可滚动啮合横梁112上下边缘113a、113b的多个支架轴承124。因而，支架组件120可沿x轴沿横梁112的长度来回平移。在备选实施例中，支架轴承124可由辊子、齿轮、滑动部件、橡胶轮、或者其他合适的连接装置代替。在某一实施例中，支架轴承124可用与横梁112的锯齿状齿条部分(例如，位于上边缘113a)啮合的小齿轮替换。支架组件120另外包括一对连接到基座部件122并且可与轨道组件110的横梁112啮合的锁定机构126。在这个实施例中，锁定机构126可铰接地连接到基座部件122，并且可贯穿基座部件126与横梁112可靠啮合，使得支架组件120可沿横梁112的x轴自由移动，然而另一方面可防止支架组件120脱离轨道组件110。支架锁137(图3)连接到基座部件122并且可与轨道组件110啮合以将支架组件120固定在轨道组件110上的预定位置。

继续参考图1，平衡组件130包括可移动地连接到支架组件120的细长导轨132，导轨132可相对于支架组件120沿y轴移动。在这个实施例中，通过多个导轨轴承133，导轨132可移动地与支架组件120的基座部件122啮合。在图1所示的实施例中，y轴(或工具平移轴)垂直于x轴，并且y轴和x轴均垂直于工件102表面的局部法线。在备选实施例中，y轴(以及x轴)可相对于工件102表面的局部法线以不同的角度确定方向，例如，当工件102具有异形表面(contoured surface)，特别是工件102具有复合异形表面(也即在多个曲率面中具有弯曲的表面)时。然而，可以理解，支撑组件100的y轴可这样定位，使得y轴具有至少一个垂直于工件102表面局部法线的分量，这样y轴至少部分垂直于局部法线。换句话说，优选地，y轴不与工件102表面的局部法线对齐。

如图1进一步所示，工具架134连接到导轨132并由此向外凸出。偏置气缸(或平衡装置)136具有连接到支架组件120的第一部分以及连接到导轨132(或者工具架134)的第二部分。偏置气缸136的第一部分和第二部分可相对于彼此移动。在备选实施例中，偏置气缸136可包括气压缸、液压缸、一个或多个弹簧部件、或者任何其他合适的平衡装置。优选地，平衡装置136通过控制机构可控制地偏置，该控制机构容许操作者啮合或脱离由平衡装置136施加的偏置力，并且还控制偏置力的量级。如图1进一步所示，通向承压流体(比如空气或液压流体)源的补给管道138连接到控制偏置气缸136中压力的平衡控制阀140。在一个实施例中，通过平衡控制阀140施加到偏置气缸136中的压力，偏置气缸136可沿单一方向(例如，沿y轴或向上或向下)偏置。或者，依靠平衡控制阀140，偏置气缸136可选择地同时沿第一和第二方向(例如沿y轴的向上和向下)偏置。在优选实施例中，平衡控制阀140可被调节以控制偏置方向和偏置气缸136内的偏置压力的大小，这又依次控制了由偏置气缸136施加在工具架134上的偏置力的大小。

在一个特定实施例中，在钻孔操作中可采用按照本发明实施例的支撑组件100。例如，图2和3分别是按照本发明一个实施例的连接有钻机组件160的图1支撑组件100的等距视图和侧视图。在这个实施例中，钻机组件160包括连接到托架164的钻孔装置162，该托架164又依次连接到平衡组件130的工具架134。钻孔装置162包括可靠地啮合在工件102的孔中的夹具夹头166。钻孔装置162可为任何已知的适合在工件上执行钻孔操作的钻孔装置，包括，例如，那些可从Cooper Tools、South Carolina的Lexington公司、WestCoast Industries、Washington的Seattle公司、法国S.A.of Ozoir-la-Ferriere的Recoules、以及从Global Industrial Technologies、Texas州Dallas公司商业化得到的钻孔装置。

在运行过程中，可开动真空控制阀115(图1)以使真空源118与真空组件114断开，允许轨道组件110定位在工件102上的预期位置。然后，可再次开动真空控制阀115以使真空源118和真空组件114接通，可靠地使轨道组件110啮合到工件102。接下来，支架组件120可连接到轨道组件110。图4是与轨道组件110啮合的支架组件120的等距视图。如图4所示，最上方的支架轴承124被定位得在倾倒或倾斜的位置与轨道组件110的横梁112的上边缘113a接触，并且然后支架组件120可向下旋转，直到最下面的支架轴承124啮合横梁112的下边缘113b。

通过定位在轨道组件110上的支架组件120，支架组件120可被固定在轨道组件110上，这样使得支架组件120可沿轨道组件110的x轴来回移动，但另一方面不会与轨道组件110分离。图5是支架组件120的等距视图，该支架组件120通过操作者104按压支架组件120的锁定机构126使之与轨道组件110的横梁112啮合而固定到轨道组件110。

其次，通过连接到平衡控制阀140的补给管道138，操作者104可通过开动平衡控制阀140来调节偏置气缸136中的偏置压力，从而沿y轴提供了预期量的偏置力。例如，图6是位于第一偏置位置170的平衡组件130的等距视图，图7是位于第二偏置位置172的平衡组件130的等距视图。在第一偏置位置170(图6)，平衡控制阀140被关闭，因此偏置气缸136中无偏置压力，从而允许重力来驱使导轨136和工具架134相对于轨道组件110向下移动。相反，在第二偏置位置172(图7)，平衡控制阀140被开动以在偏置气缸136内提供有助于驱使导轨136和工具架134相对于轨道组件110向上移动的偏置压力。

应当理解，偏置气缸136可用于平衡安装在平衡组件130上的工具组件160的重量。在某些实施例中，工具组件160可安装在轨道组件110下面，这样使得平衡组件130有助于向着轨道组件110牵引工具组件160。在备选实施例中，工具组件160可安装在轨道组件110上面，这样使得平衡组件130有助于推动工具组件160远离轨道组件110。

然后，制造工具可连接到平衡组件130以在工件102上执行制造过程。例如，图8是与平衡组件130连接的钻机组件160(图3)的等距视图。具体地，与钻孔装置162连接的托架164可由操作者104可滑动地啮合在工具架134上，并且可通过例如一个或多个制动螺钉168(图3)固定到位。在一个实施例中，孔模板160(图2)可固定在工件102上以提供引导，此处，多个孔107将利用钻机组件160钻入工件102。

通过固定到平衡组件130的钻机组件160(或其它制造工具)，操作者可调节平衡控制阀140，以致工具架134沿y轴(图7)向上偏置，并且使得偏置气缸136中的压力平衡(或抵消)了钻机组件160上的重力。在优选的操作方法中，由偏置气缸136施加在工具架134上的偏置力近似地平衡了钻机组件160的重量，这样使得钻机组件160“浮”在支撑组件100上并可通过操作者104施加的相对小的力沿y轴移动。因此，使用相对小的力，通过沿轨道组件110平移支架组件120，操作者104可将钻机组件160沿x轴定位于预期位置，通过相对于支架组件120向上或向下滑动导轨136，操作者104可将钻机组件160沿y轴定位于预期位置。当然，在备选的操作方法中，由偏置气缸136施加的偏置力可根据期望被调节得小于或大于钻机组件160的重量。

在备选的操作方法中，支撑组件100可被固定到工件102，并且制造工具(例如钻机组件160)可被附着于支撑组件100的支架组件120。其次，钻机组件160可与工件102可靠地啮合，诸如，例如通过将钻机组件160的夹具夹头166穿过孔107啮合到工件102中。通过固定到工件102的钻机组件160，支撑组件100可然后脱离工件102，这样使得支撑组件100由附着于工件102的钻机组件160支撑。然后，支撑组件100可相对于钻机组件160移动(平移)到工件102的不同位置，在该过程的该部分期间，支撑组件100保持可移动地连接到钻机组件160。通过定位在工件102上的新位置处的支撑组件100，支撑组件100可重新与工件啮合，并且可沿工件102新的部分继续使用制造工具实施制造过程。

在一个特定实施例中，在钻机组件160(或其它制造工具)被固定于工件102后，并通过连接到平衡组件130的钻机组件160，平衡组件130的平衡控制阀140可被调节以沿可平衡支撑组件100上的重力的方向提供偏置力。这样，平衡组件130可用于辅助操作者104在工件102上重新定位支撑组件100。在优选实施例中，平衡组件130被调节到近似等于支撑组件100上的重力，这样，当支撑组件100脱离工件102并且由固定于工件102的钻机组件160支撑时，支撑组件100可通过类似于相对老式的打字机托架的支架组件120轻易地平移(滚动或滑动)。

相对于现有技术的在工件102上执行制造过程的设备和方法，该支撑组件100可提供显著的优点。由于平衡组件可被调节以平衡制造工具的重量，所以操作者在执行制造过程时不需要承受制造工具的重量。因此，在制造过程期间，操作者不大可能变疲劳，这在制造过程执行期间可提高操作者的满意度和舒适感。减少操作者的疲劳也可在制造过程执行期间产生改进的效率和改进的精度。另外，减少操作者的疲劳对那些需要在工件上使用制造工具进行大量操作的制造过程可能特别有利。

通过确保制造工具相对于工件精确、一致定位，支撑组件100可有利地改进制造过程的质量。因为支撑组件100相对工件表面支撑和控制制造工具的方向，制造过程可被更精确和一致地引导。操作者在制造过程期间不需要支撑制造工具的重量，而是更合适地保持参与了将制造工具移动到预期位置以及执行制造工具的控制以执行预期的操作。因此，制造工具相对于工件表面的方向不受疲劳或操作者技能水平的影响。

另外，因为按照本发明的支撑组件可沿工件表面容易地移动，所以执行制造过程的速度可增加。如上面指出的那样，通过与工件可靠啮合的制造工具，支撑组件100可从工件分离，并且可相对于制造工具可移动地平移到工件上的新位置。在新位置，支撑组件可与工件重新啮合，并且允许继续进行制造过程。通过提供可平衡支撑组件重量的偏置力，平衡组件可用于便利该过程，从而辅助了操作者将支撑组件平移到新位置。从而，按照本发明的设备和方法还可提供在制造过程效率方面的又一改进。

可以理解，按照本发明的支撑组件，包括上述支撑组件100的特定实施例，可用于为很多种制造工具提供平衡支撑，并且本发明的教导不限于涉及钻孔的制造过程。例如，按照本发明的支撑组件可用于支撑打铆机、机械的和电磁的凹式拔具(dent puller)、焊接机、扳手、夹具、磨沙机、自动敲钉机、机械螺丝刀或实际上任何其它想要类型的制造工具或制造器具。

也可以理解，可以按照本发明构思设备和方法的多种备选实施例，并且本发明不限于上述和附图所示的特定设备和方法。例如，应该注意到，轨道组件110和支架组件120可被排除，平衡组件130可通过一个或多个连接组件(例如真空杯组件114)简单地直接固定在工件102上，以允许在工件102上的单个点处或沿可能平行于y轴的工件102上各点的单一线条执行平衡制造过程。另外，平衡组件130可相对于支架组件120被改变或被倒装，这样工具架134被定位在轨道组件110之上而不是轨道组件110之下。

此外，支架组件120和轨道组件110可设想很多种备选实施例。例如，在一个实施例中，平衡组件130可连接到授权于Jack等人的美国专利No.4,850,763公开的轨道和支架组件。在又一实施例中，平衡组件130可与同时待决、共同所有的美国专利申请No.10/016,524中公开的任何支架组件和轨道组件结合使用，该申请通过引用整合在此。

明确地，图9是按照本发明另一实施例在支撑组件200中使用的轨道组件210和支架组件220的备选实施例的等距视图，如美国专利申请No.10/016,524中公开的那样。图10和11分别为图9的轨道组件210和支架组件220的放大局部俯视和仰视等距视图。

如图9-11所示，轨道组件210包括一对导轨22、24，其中，多个连接装置，优选地以真空杯组件114(图1)的形式，可释放地沿每条导轨的长度以隔开的间隔连接到导轨22、24上。导轨22、24优选地具有基本上大于它们厚度的宽度，这样使得它们在围绕沿厚度方向延伸的轴的弯曲比它们围绕沿宽度方向延伸的轴的弯曲更难。导轨22、24大致彼此平行地确定方向，尽管当导轨22、24安装到复合异形的工件表面时，导轨22、24之间的侧向间距可以变化。优选地，导轨22、24仅在一端通过连接部件28a刚性地彼此连接，其中连接部件28a固定了该端处的导轨间的侧向间距。在沿导轨22、24的其它位置处，导轨22、24间的间距可如指出的那样改变。在导轨22、24的相反端，可有另外的连接部件28b，但该连接部件28b可提供“浮动”连接，这允许导轨22、24的间距依据工件102表面的轮廓按需要调节。

当真空杯组件114附着于工件表面102时，导轨22、24的宽度基本上平行于工件102的表面延伸。因为导轨22、24可相对轻易地围绕横向方向弯曲，并围绕其纵向轴扭曲，所以导轨22、24可根据需要弯曲和扭曲以基本跟随工件102的表面，并且真空杯组件114将各导轨保持在离工件102表面基本恒定的距离。如此，在沿各导轨的任何点处，导轨22、24的主表面可基本垂直于工件102的表面法线。

继续参考图9-11，安装在导轨22、24上的是支架组件220，该支架组件220可通过安装在支架220的第一基座部件30上并啮合导轨22、24的辊子32沿导轨22、24平移。在示出的实施例中，支架组件220的第一基座部件30包括板状部件。辊子32沿第一基座部件30的各相反侧边缘安装。更具体地，弹簧板34和36(在图11中最佳示出)在第一基座部件各相反侧边缘处连接到临近其下表面的第一基座部件30。在从弹簧板34、36相反端向内隔开的位置37(图11)处，弹簧板34、36固定到第一基座部件30，这样使得各弹簧板具有两个从第一基座部件30悬臂而出的相反的端部。辊子32安装在弹簧板34、36的这些悬臂端部。在各弹簧板34、36的各悬臂端部安装有两个相对的辊子32。各导轨22、24接收在相对的辊子32之间。导轨22、24优选地具有被辊子32啮合的V形边缘，并且辊子32是具有接收导轨22、24V形边缘的V形凹槽的V形槽辊子。辊子32因此防止了在辊子32及导轨22、24之间的沿辊子32旋转轴方向的相对移动，其中辊子32的旋转轴基本上正交于工件表面102。

辊子32安装在其上的弹簧板34、36可根据需要(即，当支架组件220横过导轨22、24时，由工件表面102的轮廓所要求的)弯曲和扭曲，以允许第一基座部件30和辊子32之间发生限定程度的相对运动。通过使弹簧板34、36在其中间相对窄而在其末端相对更宽，使其易于发生，所以板34、36在大致中间处而不是在安置辊子32的末端处优先弯曲和扭曲。因此，在第一基座部件30和导轨22、24之间可以发生有限程度的相对运动。最终结果是支撑组件200使得支架组件220沿X轴(即，平行于导轨22、24长度方向的轴)在导轨22、24上来回移动，即使导轨22、24可以以稍微不同的方式相对于彼此弯曲和扭曲。实际上，导轨22、24顺从工件表面102的轮廓并且因此在沿着由导轨22、24定义的路径的任意点处接近表面的法线。结果，支架组件220的参考轴(在示出的实施例中，正交于第一基座部件30的平面的轴)沿导轨22、24在支架组件220的任意点处基本保持正交于工件表面102。

如图9最佳示出的那样，用于齿条和小齿轮配置的齿条38沿面对弹簧板36的导轨24的表面安装，以及支架组件220包括第一马达40和安装在弹簧板36上的相关齿轮箱42。齿轮箱42的输出轴具有安装在其上的小齿轮44，并且弹簧板36包括窗口46(图10)，小齿轮44穿过该窗口延伸以啮合导轨24上的齿条38。因此，通过第一马达40，小齿轮44的旋转沿导轨22、24驱动支架组件220。可以理解，具有齿条38的导轨24包括参考导轨，相对该参考导轨，可施行支架组件220的X轴定位。没有必要试图确定或控制支架组件220相对于其它导轨22的X轴定位。

为了提高支架组件220的X轴定位精度，小齿轮44在沿着参考导轨24的任意点处相对于齿条38可具有恒定的高度。为了实现该高度控制，小齿轮44的旋转轴可优选地位于与安装在弹簧板36末端的两个辊子32的旋转轴定义的平面相同的平面中。更具体地，辊子32的轴可基本上平行于彼此并且基本上正交于工件表面102，并且小齿轮44的轴可基本上平行于工件表面102并位于辊子轴的平面内。

如图9-11进一步所示，支架组件220还包括可滑动地安装在第一基座部件30顶上的第二基座部件50，这样第二基座部件50可沿垂直于X轴方向的Y轴方向来回滑动。更具体地，导轨52、54固定在第一基座部件30的对边，辊子56安装在第二基座部件50上以啮合导轨52、54。用于齿条和小齿轮配置的齿条58沿其邻近导轨54(见图10)的边连接到第一基座部件30。第二马达60和相关的第二齿轮箱62安置在板64上，该板64连接到邻近齿条58的第二基座部件50。板64包括穿透其的窗口，第二齿轮箱62的输出轴延伸穿过该窗口并驱动啮合齿条58的小齿轮66。因此，通过第二马达60，小齿轮66的旋转在Y轴方向沿导轨52、54驱动第二基座部件。

在运行过程中，通过与Y轴对齐的导轨132，上述参考图1-8描述的平衡组件130可连接到图9所示的支架组件220的第二基座部件50，并且制造工具可连接到平衡组件130。然后，可按照上述的过程和方法基本实施平衡辅助的制造过程。支架组件220沿x轴的移动可通过操作者104和/或通过第一马达40施加的力的组合来提供。类似地，制造工具沿y轴的定位可通过操作者104和/或第二马达60施加的力的组合来提供。在进一步的实施例中，制造工具的粗略定位可通过第一和第二马达40、60提供，精细定位可通过操作者104提供，或者反之亦然。因此，利用具有一个或多个为制造工具的定位提供驱动力的马达的支架组件，可实现按照本发明的设备和方法的上述优点。

图12和13是按照发明又一实施例的在异形工件302上实施制造过程的制造组件300的等距视图。在这个实施例中，制造组件300包括轨道组件310、可移动地连接到轨道组件310的支架组件320、以及连接到支架组件320的平衡组件330。制造组件300的许多细节类似或等同于前述实施例。因此，为了简短，下面将仅讨论制造组件300间的显著不同。

如图12最佳示出的那样，平衡组件330包括驱动连结构件334的马达332，该连结构件334依次啮合轨道组件310。更明确地，在图12所示的实施例中，连结构件334是啮合形成在轨道组件310横梁312中的齿条314的齿轮。工具组件360连接到支架组件320，并且用于在工件302上实施制造过程。在备选实施例中，马达332可为恒定扭矩马达、恒力马达、可变扭距马达、恒定电流马达、或者任何其它合适的马达。在一个特定实施例中，马达332是电动伺服马达。

如图13所示，在运行过程中，轨道组件310可附着在异形的工件302上，这样，重力趋向于以通常向下的方向370沿轨道组件310的长度拖拉支架组件320和工具组件360。然而，平衡组件330通过致动连结构件334(齿轮)以沿通常向上的方向372施加抵抗重力的平衡力来抵消重力，因此将支架组件320和工具组件360保持在工件302的预期位置处。优选地，平衡组件330可抵抗施加在支架组件320和工具组件360上的重力，然而，当工具组件360定位在实施制造过程的预期位置时，通过操作者在制造组件300上手动施加的力，平衡组件330允许支架组件320移动。

利用基于马达的平衡组件330，图12和13所示的制造组件300可提供减少操作者疲劳和改进制造生产量的上述优点。由于马达332平衡了沿向下方向370作用的重力，所以操作者不需要在制造组件上施加人力以在定位期间或制造过程的实施期间防止支架组件320从轨道组件310向下滚动。同样，因为平衡组件330使用马达332，所以平衡气缸和相关的气动管路和泵可被排除。

应当理解，在上述参照图1-8描述的支撑组件100中，偏置气缸可用与图12和13所示的制造组件300的实施例相似的马达和连接装置代替。因此，可执行基于马达的平衡组件以平衡沿轨道组件(图12和13)的纵轴或横断轨道组件(图1-8)的纵轴施加的力。这样，制造组件300示范了按照本发明的平衡组件可利用各种平衡装置来执行，并且可被用于平衡沿着或横断轨道组件纵轴作用的重力。实际上，本发明的实施例可被执行以平衡沿相对于轨道组件的基本任何方向上作用的力，以辅助操作者的制造过程和改善在具有基本平坦或复杂异形表面的工件上执行的各种不同的制造过程。

使用反作用力支撑系统的制造过程

图14是按照发明实施例在工件402上实施制造过程的具反作用力支撑组件460的制造组件400的正面等距视图。在这个实施例中，制造组件400包括可附着于工件402的轨道组件410、可移动地连接到轨道组件410的支架组件420。工具组件450(例如钻机组件)可操作地连接到支架组件420，这样使得工具组件450可啮合工件402。如图14所示，反作用力支撑组件460连接到支架组件420并且可拆卸地固定到工件402。因为反作用力支撑组件460在制造过程期间可支撑工件402，所以制造组件400可有利地减小或消除工件402的偏斜，并且可提高制造过程的效率和质量，如下文更全面的描述。

图15和16分别为图14的制造组件400的背面和下方等距视图。在这个实施例中，轨道组件410包括一对横梁412，每个横梁412配备有多个真空杯组件414。真空杯组件414流体连通到一个或多个真空管道416，该真空管道416通向真空源418(未示出)，诸如真空泵等，这样在例如轨道组件410在工件402上安装、重新定位、以及去除期间，真空可控制地施加到真空杯组件414(或从其上消除)。真空杯组件414为已知结构并可为例如，授权于Buttrick等人的美国专利No.6,467,385B1或授权于Banks等人的美国专利No.6,210,084B1中公开的类型。在备选实施例中，真空杯组件414可由其它类型的连接组件代替，磁性连接组件、螺栓或其他螺纹连接部件、或任何其他合适的连接组件。

继续参考图14-16，支架组件420包括x轴(或第一)支架422和y轴(或第二)支架424。X轴支架422包括具有多个可滚动地啮合横梁412边缘的辊子428的基座部件426。因此，x轴支架422可沿与横梁412纵轴对齐的x轴沿横梁412的长度来回平移。在备选实施例中，辊子428可由支架轴承、齿轮、滑动部件、橡胶轮、或其它合适的连结装置代替。在一个特定实施例中，辊子428可由啮合其中一个或两个横梁412的有齿的或锯齿状齿条部分的小齿轮代替。如图15所示，x轴支架422还包括可操作地连接到第一齿轮432的第一驱动马达430。在这个实施例中，第一齿轮432穿过基座部件426凸出并与布置在其中一个横梁412中的驱动孔413啮合。控制器434位于x轴支架422上，并可操作地连接到第一驱动马达430。

类似地，y轴支架424包括可滑动地连接到槽438的支撑部件436，其中该槽438布置在x轴支架422(图14)的基座部件426中。第二驱动马达440连接到x轴支架422以及支撑组件436，并还可操作地连接到控制器434。如图14所示，在这个实施例中，第二驱动马达440驱动轴(或螺杆)442，该轴442啮合与支撑部件436相连的球状螺母444。因此，第二驱动马达440可沿横过x轴取向的y轴驱动y轴支架424的支撑部件436。

如图14最佳示出的那样，工具组件450连接到y轴支架424的支撑部件436，并可操作地连接到控制器434。在这个实施例中，工具组件450包括钻轴模块452和在钻孔操作期间可控制地与工件402啮合的压脚454(图16)。钻轴模块452可控制地沿大致与工件402的局部法线对齐的z轴与工件402啮合。钻轴模块452可为任何已知的适合于实施钻孔操作的钻孔装置，包括，例如，那些可从Cooper Tools、South Carolina的Lexington公司、WestCoast Industries、Washington的Seattle公司、法国S.A.of Ozoir-la-Ferriere的Recoules、以及从Global Industrial Technologies、Texas州Dallas公司商业化得到的钻孔装置。

图17和18分别为图14制造组件400的反作用力支撑组件460的放大的正面和背面等距视图。在这个实施例中，反作用力支撑组件460包括上夹(clamp-up)致动器462，该上夹致动器462具有与工件402啮合的上夹销464。第一(或y轴)致动器466连接到上夹致动器462以及第一基板468，并可沿y轴延展。第一基板468可滑动地连接到一对安置在第二基板472上的第一辅助导轨470。类似地，第二基板470可滑动地连接到安置在x轴支架422上的第二辅助导轨474。如图18最佳示出的那样，第一辅助导轨470大致平行于x轴，第二辅助导轨474大致平行于z轴。第二(或x轴)致动器476连结在第一基板468和第二基板472之间，并且可沿x轴延展。第三(或z轴)致动器478连结在第二基板472和x轴支架422之间，并且可沿z轴延展。第一、第二和第三致动器466、476、478可操作地连接到控制器434。因此，第一、第二和第三致动器466、476、478可分别用于将反作用力支撑组件460的上夹销464可控制地定位在y轴、x轴和z轴的预期位置处。

应当理解，上夹致动器462可为任何类型的合适致动器，包括液压、气动、或电动驱动的致动器。类似地，第一、第二、以及第三致动器466、476、478可为液压、气动、电动、或任何其它合适类型的致动器。在一个特定实施例中，第一、第二、以及第三致动器466、476、478为所谓的“回家型(returnto home)”气动致动器，该气动致动器通过一条或多条气动供应管道479(图17和18)连接到压缩空气源(未示出)。

在运行过程中，制造组件400可安置在工件402上，并且真空可被提供给真空组件414，从而将轨道组件410固定在预期位置。可以任何想要的方式在工件402上形成孔403，诸如在工件402制造期间，或使用工具组件450或其它钻孔装置。其次，上夹销464可定位于孔403中。上夹销464在孔403中的定位可通过多种途径完成。例如，上夹销464沿x轴的定位可通过使用第一驱动马达430可控制地定位x轴支架422、或使用第二致动器476沿第一辅助导轨470可控制地定位第一基板468、或通过这些方法二者的结合来完成。类似地，上夹销464沿y轴的定位可通过使用第二驱动马达440可控制地定位y轴支架424、或通过可控制地致动第一致动器466、或二者来完成。最后，上夹销464沿z轴的定位可通过使用第三致动器478沿第二辅助导轨470可控制地定位第二基板472来完成。在一个特定实施例中，分别地，可采用x轴和y轴支架422、424用于执行粗略的、相对大尺度的定位，使用第二和第一致动器476、466为上夹销464提供沿x和y轴的更精细的、相对小尺度的定位。

反作用力支撑组件460的上述定位可使用配备有常规的、计算机化的数字控制(CNC)方法和算法的控制器434以自动的或半自动的方式来完成。备选地，定位可由操作者手动执行，诸如，例如，通过暂时中止或无效上述支架组件420和上夹组件460的马达和致动器以允许手动定位反作用力支撑组件460。

进一步参考图14-18，在上夹销464定位于孔403中之后，可致动上夹致动器462以可靠地将上夹销464啮合在孔403中，从而相对于工件402固定反作用力支撑组件460的位置。在上夹组件460可靠地啮合工件402之后，工具组件450可被用于在工件402上执行制造过程。具体地，在图14-16所示的实施例中，可操作钻轴模块452以在工件402中钻一个或多个另外的孔403。例如，可使用控制器434和常规的CNC方法和算法以自动的或半自动的方式，通过利用支撑组件420可控制地定位工具组件450来生成另外的孔403。因为反作用力支撑组件460可移动地固定到支架组件420，所以支架组件420可用来重新定位工具组件450而不用使反作用力支撑组件460脱离工件402。因此，通过固定于工件402的反作用力支撑组件460，工具组件450可连续地和重复地重新定位在工件402的多个预期位置处以执行制造过程。

在工件402上执行一个或多个制造过程后，通过停用上夹致动器462和从孔403中取出上夹销464，反作用力支撑组件460可从工件402上分离。若需要，反作用力支撑组件460然后可重新定位到新位置并且通过将上夹销464插入到不同的孔403(诸如其中一个新形成的孔)中以及以上述方式致动反作用力支撑组件460从而再次固定到工件402上。通过在新位置固定于工件402的反作用力支撑组件460，可根据需要在工件402上执行另外的制造过程。

根据本发明教导的具有反作用支撑系统的制造组件可有利地改善工件上的制造过程的质量。因为在通过工具组件450在工件上施力期间，反作用力支撑组件460反向支撑(或平衡)工件，所以工件402在制造过程期间不大可能弯曲或偏斜，特别是对于相对薄或相对柔性的工件。由于工件402的偏斜可被减小或消除，所以工具组件450相对于工件402的取向通过支架组件420可更容易地保持。因此，使用制造组件400，可更加精确和一致地实行制造过程。因为制造过程可更加精确和一致地执行，所以在制造过程期间，与工件402的检查和再加工有关的成本可减小。

具有反作用力支撑组件460的制造组件400还可提高制造过程执行的速度。因为在制造过程期间，反作用力支撑组件460提供了对工件402的反向支撑，所以工具组件450可更有力地施加到工件402上。这样，制造过程执行的速度可以增加，并且制造过程的效率和生产量可提高。

应当理解，根据本发明的教导可设想反作用力支撑组件460的各种合适的实施例。例如，多种上夹销464和上夹致动器462是公知的，可采用它们将反作用力支撑组件460固定到工件402上，包括，例如，授权于Jensen等人的美国专利No.4,396,318、授权于Slesinski等人的美国专利No.5,395,187、以及授权于Rissler的美国专利No.6,036,409中一般公开类型的夹头装置，或授权于McGlasson的美国专利No.5,482,411和授权于Jarvis的美国专利No.6,283,684B1中一般公开类型的夹紧装置。在一个备选实施例中，孔403可为螺纹孔403，上夹销464可为螺纹啮合该螺纹孔403的螺纹部件。在另外的实施例中，上夹销464和上夹致动器462可由任何其它合适的固定装置代替，包括其中一个或多个所述的真空杯组件414、磁铁、或其它电磁设备，诸如，例如，以类似于可从Electroimpact，Inc.of Everett，Washington商业化可得的电磁凹痕消除设备的方式在工件上施力的设备。

也可理解，根据本发明的制造组件，包括上述制造组件400的特定实施例，可用于为各种制造工具提供反向支撑，并且本发明的教导不简单地限于涉及钻孔的制造过程。例如，据本发明的具反向支撑组件的制造组件可用于支撑打铆机、机械的和电磁的凹式拔具、焊接机、扳手、夹具、磨沙机、自动敲钉机、机械螺丝刀、或实际上任何其它期望类型的制造工具或制造器具。

还应该理解，根据本发明可设想设备和方法的各种备选实施例，并且本发明不限于上述和附图中示出的特定设备和方法。例如，可注意到，可设想支架组件420和轨道组件410的很多种备选实施例。例如，在一个实施例中，反作用力支撑组件460可连接到授权于Jack等人的美国专利No.4,850,763教导的导轨和支架组件。在又一实施例中，反作用力支撑组件460可与同时待决、共同所有的美国专利申请No.10/016,524中公开的任何支架组件和轨道组件结合使用，该申请通过引用整合在此。

具体地，在一个备选实施例中，反作用力支撑系统可与参考图9-11的上述轨道组件210和支架组件220结合使用。更具体地，如图9所示，安置在y轴支架顶部的是锁紧圈组件70。锁紧圈组件70可用于支撑和固定工具组件450，诸如上述的钻轴模块452。工具组件450可穿过y轴支架50(在图10中可见)中的窗口和沿y轴方向被拉长的x轴支架30(在图11中可见)中的窗口延伸。工具组件450的轴可近似平行于z轴，并因此基本上正交于工件402。

在运行过程中，参考图14-18的上述反作用力支撑组件460可以任何合适的方式连接到图9-11所示的支架组件220，并且制造工具组件450可连接到支架组件220(例如，连接到锁紧圈组件70)。然后，制造过程可基本上根据上述过程和方法执行。支架组件220沿x轴的运动可通过操作者404和/或通过第一马达40施加的力的组合来提供。类似地，制造工具沿y轴的定位可通过操作者404和/或第二马达60施加的力的组合来提供。在另外的实施例中，制造工具的粗略定位可通过第一和第二马达40、60来提供，而精细定位由操作者404来提供，或反之亦然。因此使用轨道组件和支架组件的备选实施例产生根据本发明教导的制造组件的另外实施例，可获得上述优点。

使用具有中性轴齿条的轨道部件的制造过程

再次参考图14和15，在这个实施例中，轨道组件410包括一对柔性横梁412，每一横梁412具有整体形成的齿条480。如下文更全面描述的那样，整体形成的齿条480可为支架组件420提供的改进的位置控制，从而，提高了在工件402上实施的制造过程的质量。

如图19-21进一步所示，齿条480包括沿导轨412a的中性轴486整体形成在导轨412a中的多个孔488。换句话说，齿条480的节线沿导轨412的中性轴486延伸并且至少大致与其重合。桥490形成在每对连续的孔488之间。如图19最佳示出的那样，第一传动齿轮432的齿435至少部分地啮合入孔488中并且与导轨480的桥490相抵。

图22是沿图21的线A-A的部分导轨412a的放大侧视剖视图。如图22所示，在这个实施例中，孔488沿刚性轴482逐渐变细，这样孔488在导轨412a的顶面487处较宽而在导轨412a的底面489处较窄。一方面，孔488以楔形(或二维)方式逐渐变细。在备选方面，孔488是局部成圆锥形(或三维)的形状。如图22进一步所示，孔488可逐渐变细以紧密地匹配传动齿轮432的齿435的外形。在一个特定实施例中，导轨412的厚度等于传动齿轮432(图22)的齿435的长度。因为齿条480的节线至少大致与中性轴486重合，所以在导轨412a在工件402上弯曲和折曲期间，齿条480保持沿中性轴486对齐。因此，当在轨道组件410上驱动支架组件420时，传动齿轮432的齿435可保持更彻底地与齿条480啮合，甚至当导轨412在异形表面上扭曲和折曲时也是如此。

应当理解，齿条480可利用任何想要的制造技术与导轨412整体形成。例如，齿条480可在导轨412形成之后形成在导轨412中，诸如通过磨制、钻孔、弯拱、或使用任何其它的合适方法。备选地，齿条480可与导轨412的形成同时形成，诸如通过铸造、冲压、或压制。

在运行过程中，制造组件400可安置在工件402上，并且真空可被提供给真空组件414，从而将轨道组件410固定在预期位置。然后，支架组件420可沿轨道组件410移动到预期位置，这样工具组件450可用于在工件402上执行制造过程。控制器434可将控制信号传递到第一驱动马达430，转动与导轨412a中整体形成的齿条480啮合的第一传动齿轮432。如图22最佳示出的那样，第一传动齿轮432的齿435可部分地或完全地啮合在孔488中并且可抵着齿条480的桥490施加驱动力，从而沿导轨412驱动了支架组件420，直到支架组件420到达预期位置。

应该理解，支架组件420在轨道组件410上的定位、以及反作用力支撑组件460和工具组件450相对于工件402的定位和啮合可使用配备有常规的、计算机化的数字控制(CNC)方法和算法的控制器434以自动或半自动的方式完成。备选地，定位可由操作者手动或部分手动地执行，诸如，例如，通过操作者将手动控制输入提供到控制器434，或者通过暂时中止或无效上述支架组件420和上夹组件460的马达和致动器以允许手动移动。

其次，上夹销464可定位在孔403中，而且可致动上夹致动器462以可靠地将上夹销464啮合在孔403中，从而相对于工件402固定了反作用力支撑组件460的位置。然后，可采用工具组件450在工件402上执行制造过程。具体地，在图14和图15所示的实施例中，可操作钻轴模块452以在工件402中钻一个或多个另外的孔403。像支架组件420一样，工具组件450可利用控制器434和常规的CNC方法和算法以自动或半自动方式控制和操作。

根据本发明教导的具有整体形成的齿条的制造组件可有利地提高工件上的制造过程的质量。因为齿条480与导轨412整体形成且齿条480的节线至少大致与导轨412的中性轴486对齐，所以当导轨412在异形表面上折曲和扭曲时，传动齿轮432的齿435保持与齿条480完全啮合。整体形成的齿条480可有利地容许支架组件420在轨道组件410上更加精确的定位，并且因此在工件402上更加精确的定位工具组件450。因此，制造组件400与现有技术的制造组件相比可提供改善的制造过程的精度和一致性。因为制造过程可更精确和一致地实施，所以制造过程期间与工件402的检查和再加工相关的成本可减小。

根据发明的具有轨道组件410的制造组件400还提高了制造过程执行的速度。因为轨道组件410的整体形成的齿条480在制造过程期间可为工具组件450提供改进的定位控制，所以工具组件450可以相对更少的由于位置检查和位置调节引起延迟来定位和操作，并且可减小制造过程(例如，孔的再加工等)的修理和再加工的需要。这样，实施制造过程的速度可增加，制造过程的效率和生产量可提高。

应当理解，根据本发明的制造组件，包括上述的制造组件400的特定实施例，可用于为很多种制造工具提供反向支撑，并且本发明的教导不简单地限于涉及钻孔的制造过程。例如，根据本发明的具有反向支撑组件的制造组件可用于支撑打铆机、机械的和电磁的凹式拔具、焊接机、扳手、夹具、磨沙机、自动敲钉机、机械螺丝刀、刳刨机、除油器、洗涤器、蚀刻器、修边工具、激光器、带式涂抹器、或实际上任何其它想要类型的制造工具或测量器具。

也可理解，可根据本发明设想设备和方法的多种备选实施例，并且本发明不限于上述和附图所示的特定设备和方法。例如，应该注意到，可设想支架组件420和轨道组件410的很多种备选实施例。例如，在备选实施例中，根据本公开的整体形成的齿条480可与同时待决、共同所有的美国专利申请No.10/016,524中公开的任何支架组件和轨道组件结合使用，该申请在前面已经通过引用整合在此。

使用非接触位置感应的制造过程

图23是根据发明实施例的具有位置传感器组件540的制造组件500的前视图。在这个实施例中，制造组件500包括附着于工件20的轨道组件510、以及可移动地连接到轨道组件510的支架组件520。控制器530可操作地连接到位置传感器组件540和支架组件520。如下文更全面描述的那样，具有位置传感器组件540的制造组件500可有利地改善工件24上实施的制造过程的精度和效率。

图24是图23的支架组件520和轨道组件510的上视等距视图，其中去除了位置传感器组件540。在这个实施例中，轨道组件510和支架组件520基本上类似于关于图9-11的上述轨道和支架组件实施例。因此，为了简短，将仅描述图23和24所示的显著不同。

图25是图23的制造组件500的位置传感器组件540和控制器530的放大局部等距视图。如图25所示，位置传感器组件540包括连接到支架组件520(例如，锁紧圈组件70)的固定架542、和可操作地连接到固定架542的传感器544。传感器链路546连结在传感器544和控制器530之间以传递和接收信号。

图26和27分别是图25的传感器544的侧视和底视等距视图。如图27最佳示出的那样，传感器544包括用于向工件20传递信号并且用于从工件20接收反射信号的感应元件548，如下文更全面的描述。应当理解，传感器544可为任何合适的数字或模拟感应元件，包括，例如，那些可从Sunx，Inc.of Des Moines，Iowa或从Keyence，Inc.ofAmerican，New Jersey商业化可得传感器。在一个实施例中，感应元件548可为光导纤维感应元件，在一个特定实施例中，感应元件可为同轴光导纤维回反射(retro-reflective)感应元件。在其它备选实施例中，例如，传感器元件548可包括照相机(例如，DVT照相机视觉系统)，磁感应(magnetic proximity)传感器、或任何其它合适的传感器元件。应当理解，从传感器544传递到工件20并且从工件20反射回传感器544的信号可为可见光、红外线或紫外线信号、声信号、或任何其它想要类型的信号。

参考图23-25，轨道组件510可固定于工件20，支架组件520可用于支撑位置传感器组件540，这样使得感应元件548指向工件20。然后，位置传感器组件540可用来定位位于工件20上的一个或多个指标特征(或参考点)的坐标。如下文更全面描述的那样，位置传感器组件540为制造组件500提供了基于一个或多个已知的指标特征(例如，孔、紧固件、轴衬或其它特征)来确定制造组件500位置取向的能力，而在传感器组件540和工件20之间没有实际接触。

一方面，感应元件548包括使用透镜系统将入射或照射光聚焦到工件20上的发光LED同轴光导纤维电缆。简言之，入射光可通过透镜穿过同轴光导纤维电缆的中心纤维传递，并且可被工件20的表面反射。然后，反射光可通过透镜收集并通过同轴光导纤维电缆的外部部分返回到传感器放大器。然后，传感器放大器将光的亮度转换为模拟电信号。通过从标准白色反射表面读取反射光，传感器放大器的输出可被校准到透镜焦点。当扫描道遇到表面的不同特征时，反射光可被分析，并且当收集的数据匹配一组规定参数时，已知的指标特征(例如紧固件、孔等)可被识别。通过使用定位系统的反馈，信号可被读取并且与表面的位置相关。然后，该位置信息可用于在工件20的表面上定位其它设备，使得工具或过程的控制系统成为可能，如下文更全面的描述。

图28是流程图，示出了根据本发明实施例的使用传感器组件540的位置测定方法600。图29是图28的位置测定方法600的示意性表达。方法600的步骤可使用已知的可编程或半可编程元件和软件程序实施。如图28和29所示，方法600可在初始步骤602处开始，在该步骤中，位置传感器组件540被初始定位得接近于将被探测的指标特征21，例如通过操作者手动地将支架组件520定位在轨道组件510上的合适位置处，并且位置传感器组件540开始将一个或多个探测信号601传递到工件20并且接收从工件20回来的相应反射信号603。其次，在步骤604，传感器544沿第一方向(在图29中示为的y方向)沿第一路径605或者增量地或者连续地前进。

继续参考图28和29，当传感器544沿第一路径605前进时，方法600继续传递探测信号601和监测接收的反射信号603以确定是否已经探测到指标特征21的第一边缘607(步骤606)。如果传感器144是数字传感器，则通过提供传感器输出，传感器144可指示已经到达该边缘，其中该传感器输出为从指示传感器144正在接收从工件20反射的反射信号603的第一意义明确的状态到指示传感器144正在接收从指标特征21反射的反射信号603的第二意义明确的状态的转变。备选地，如果传感器144是模拟传感器，则传感器输出可与来自工件20和来自指标特征21的反射信号603成比例，从而分别在传感器144越过各部件时提供指示。

最后，基于反射信号603，可探测指标特征21的第一边缘607(图29)(步骤606)。其次，在步骤608，传感器544的位置可被重新调节和局部化，可执行慢速(或小增量)重新扫描以测定第一边缘607的坐标，并且存储第一边缘607的坐标。在步骤610，方法600确定刚刚被探测到的边缘是否为指标特征21的第二边缘609(见图29)，并且如果不是，则方法600重复步骤604到608以确定和储存第二边缘609的坐标。

其次，在步骤612，方法600使用第一和第二边缘607、609的坐标沿第一路径605计算第一中心611，并且将传感器544重新定位到某一位置，该位置以对应于第一中心611值的沿第一方向(例如y坐标)的值与指标特征21隔开。然后在步骤614，沿第二路径613(图29中的x方向)推进传感器544，并且监测传感器544的输出以确定是否沿第二路径613探测到指标特征21的第一边缘615(步骤616)。在沿第二路径613探测到第一边缘615后，如上所述，传感器544的位置可被重新调节和局部化，可沿第二路径613执行慢速(或小增量)重新扫描以确定第一边缘615的坐标，并且储存沿第二路径613的第一边缘615的坐标(步骤618)。在储存坐标后，在步骤620，方法600接下来确定刚刚探测到的边缘是否为沿第二路径613的指标特征21的第二边缘617(见图29)，如果不是，则方法600重复步骤614到618以确定和储存沿第二路径613的第二边缘617的坐标。在步骤622，方法600使用沿第二路径613的第一和第二边缘615、617的坐标计算第二中心619(图29)。

参考图28，步骤604到612通常称为传感器544的第一扫描624，步骤614到步骤622可称为传感器544的第二扫描626。当使用第一和第二扫描624、626确定第一和第二中心611、619的坐标后，方法600可简单假设，指标特征21的指标中心坐标和第二中心619的坐标相同。如果在步骤628中认为该方法满足条件，那么，方法600在步骤630进行指标特征21中心坐标的输出。然而如果想要另外的精度或证实，则方法600可包括一个或多个另外的传感器544的扫描632。

如图28所示，在期望的另外扫描632中，传感器544在步骤634重新定位到与指标特征21隔开的位置，但是沿第二方向(图29中的x坐标)具有与第二中心619相同的值。其次，在步骤636，沿第三路径613(图29中的y方向)推进传感器544，并且监测传感器544的输出以确定是否沿第三路径621已探测到指标特征21的第一边缘623(步骤636)。在沿第三路径621的第一边缘623已被探测到之后，传感器544的位置可被重新调节和局部化，可沿第三路径621执行慢速(或小增量)重新扫描以确定第一边缘623的坐标，并且储存沿第三路径621的第一边缘623的坐标(步骤640)。储存坐标后，方法600接下来确定刚刚探测到的边缘是否为沿第三路径621的指标特征21的第二边缘625(步骤642)。如果不是，则方法600重复步骤636到640以确定和储存沿第三路径621的第二边缘625的坐标。在步骤646，方法600使用沿第三路径621的第一和第二边缘623、625的坐标计算第三(或另外的)中心627。

当另外的扫描632实施后，方法600可再次在步骤628确定是否已达到预期程度的精度。如果没有，则可沿例如不同的路径实施类似于第三扫描632的额外扫描。如果不想进行额外的扫描，那么方法600进行到步骤630，并且输出指标中心的坐标。第三扫描632(或更多扫描)的结果可提供指标特征21的指标中心的改进的指示。例如，指标中心可确定为第二和第三中心619、627坐标的平均值。在输出指标特征21的指标中心后(步骤630)，方法600可在步骤648中继续到制造过程的下一阶段。

可以理解，方法600的第一、第二和第三路径605、613、621的特定位置和方向可和图29所示特定实施例不同，而且本发明不限于上述和附图所示的特定细节。例如，第一路径的第一方向可沿x轴，第二路径的第二方向可沿y轴，或备选地，第一和第二路径可沿穿越指标特征21的任何预期方向。然而，优选地，第一和第二路径是正交取向的。还可以理解，方法600更适合于定位具有圆(或近似圆)形指标特征的指标中心，尽管使用根据本发明的设备和方法可采用和探测指标特征的其它形状。

图30是根据本发明实施例的用于探测指标特征21位置的传感器扫描704的典型传感器输出信号电平702的图表700。在这个实施例中，指标特征21是高出周围工件20的表面的紧固件头。图30的信号电平702可通过模拟型传感器544提供。如图30所示，在传感器扫描704的第一部分A期间，当传感器144接收到来自工件20表面的反射信号时，信号电平702以一般恒定的电平为特征。在第二部分B，当探测信号开始冲击紧固件头21的前缘706并从其反射时，信号电平702以传感器544接收的反射信号的下降电平为特征。

如图30进一步所示，当传感器扫描704继续时，信号电平702到达位置C处的第一最小反射值，然后当传感器544接收到增加电平的反射信号时，进入以上升信号电平为特征的部分D。其次，当传感器544开始接收来自紧固件头21顶部的相对恒定电平的反射信号时，在传感器扫描704的下一部分E期间，信号电平通常稳定。传感器扫描704继续穿越紧固件头21顶部到达紧固件头21的后缘708，信号电平702最后以相对基本下降到位置F处的第二最小反射电平为特征，然后再次上升到来自工件20表面的反射的环境反射电平特征。在一个实施例中，通过将对应于第一和第二最小反射电平(位置C和F)位置的传感器544坐标指定为各路径605、613、621中的第一和第二边缘的坐标位置，参考图28和29的上述方法600可执行上述的边缘确定(步骤606、608、616、618、638和640)。

更具体地，可通过首先计算环境反射电平(A部分)，例如，通过计算传感器电平702的移动平均，从信号电平702计算前缘和后缘706、708。在传感器扫描704期间，当传感器电平702下降到预定阈值之下时，例如，环境反射电平的预定百分比，可调用边缘探测程序。边缘探测程序可储存对应于前缘706的最小传感器值(位置C)及其坐标位置，并且还可储存来自对应于后缘708(位置F)的最小传感器值的相同信息。然后，可从两个最小传感器值(位置C和F)的位置数学地计算出中心。

应当理解，传感器电平的特征可以变化，并且不同的指标特征可提供与图30的图表700所示的不同形状、倾向和特征的传感器电平。类似地，想要监测与最小传感器值位置不同的传感器电平的不同方面，诸如，例如传感器电平的导数(或斜率)。在一个备选实施例中，例如，指标特征可为具有凹面轧制边的轴衬。对于这样的轴衬，在传感器扫描越过轴衬期间，通过监测传感器电平(例如，相对于传感器144经过的距离)的导数，可更容易地确定轴衬边缘。在那种情况下，导数值的顶峰或最大值可为传感器114扫描过的表面轮廓变化率的代表，通过微分常数(constant of differentiation)及时有效地转换该模式。

在运行过程中，可采用位置传感器组件540确定工件20上的一个或多个指标特征21的位置，从而精确地确定工件20上的制造组件500的位置。然后，该信息可储存在控制器530的储存器中。在采用位置传感器组件540用于该目的后，位置传感器组件540可从支架组件520移除，并且工具组件550可安装在支架组件520上。使用储存在其储存器中的指令和控制信息，然后，控制器530可自主控制支架组件520和工具组件550以在工件20的预期位置处执行预期的制造过程。不同的工具组件可与支架组件520进行交换以根据需要执行不同的制造过程。

根据本发明教导的具有位置传感器组件的制造组件可有利地改善工件上的制造过程的质量和效率。使用已经成为工件或结构一部分的指标特征，位置传感器组件可提供在工件上精确定位制造组件的相对快的、自动方法。从而减小或消除了其精度可能变低的实际接触指标点的需要。在制造过程的开始，在工件上精确定位轨道组件的需求也被减小或消除。位置传感器可精确确定工件上制造组件的位置，并且对应于储存在内存中的制造过程(例如，用于多个钻孔操作的孔模式)预期位置的资料可在机器空间内使用标准的变换矩阵算法根据轨道组件在工件上的实际位置被简单地旋转或转换成合适的队列和方向。这样，可改善制造过程在工件上的精度、一致性和效率，并且和执行、检查、以及再加工工件相关的成本可减小。

具有位置传感器组件540的制造组件500另外提供了无需在接触传感器、测隙规、或支架组件520上的其它实际接触装置以及工件20上相应的接触特征之间实际接触就可探测工件20上指标特征的能力。传感器元件可离指标特征一定距离探测指标特征，因此消除了传感器元件和指标特征间实际接触的任何需求。因为没有实际接触，相对于需要实际接触并且在运输、储存期间、或制造过程执行期间可被弯曲、损坏、或在其他方面退化的备选传感器系统，位置传感器组件可提供改进的性能。这样，位置传感器组件可改进制造过程的精度，并且可减小与在工件上确定制造组件方向的过程有关的工作。另外，位置传感器组件可有利地减小或消除工件表面损环的可能性，工件表面的损坏可能在其他方面由表面的实际接触引起，减小了修理和再加工工件的需求。因此，制造过程的总的效率和生产量可被增加。

可以理解，可根据本发明设想设备和方法的各种备选实施例，并且本发明不限于上述和附图所示的特定设备和方法。例如，可以注意到，可假设支架组件520和轨道组件510的很多种备选实施例，包括，例如，授权于Jack等人的美国专利No.4,850,763教导的导轨和支架组件，以及同时待决、共同所有的美国专利申请No.10/016,524中公开的任何支架组件和轨道组件，该申请通过引用整合在此。

另一方面，可采用控制电路800接收和增强位置传感器组件540的模拟传感器的输出信号。例如，图31是根据本发明另一备选实施例用于执行位置测定的读出电路(sensing circuit)800。在这个实施例中，读出电路800包括比较仪级，从而模拟传感器806的输出信号804可发挥数字近程传感器的功能，同时它的使用可发挥模拟传感器的功能。如图31所示，输出信号804馈送到用于提供增益和电平移动级的第一电路部分808。第一电路部分808对不同类型的工件表面可提供最佳响应。由第一电路部分808输出的条件模拟信号810提供给模拟输出电极812上的控制器530。类似地，由第一电路部分808输出的条件模拟信号810提供为第二电路部分814的输入。第二电路部分814用作阈值比较仪级，其在给定的信号电压上下跳动，为数字输出电极818提供合适的数字信号816。读出电路800的增益、偏移和阈值可为预定常数，或根据不同操作条件，由控制器530编程。

包括读出电路800的制造组件可提供比备选系统改进的位置精确度。因为读出电路800可从感应元件接收模拟信号并且既可提供条件模拟输出又可提供数字输出，所以通过使得控制器能够比较和使用模拟和数字输出信号，读出电路可提供对指标特征位置探测结果相互校验的能力。通过使得位置传感器组件能够与模拟或数字控制器或其它想要的电子部件一起使用，读出电路800还可提供改进的多功能性。

可以理解，制造组件500的不同操作可由控制器530控制，包括支架组件520在轨道组件510上的定位、位置传感器组件540的操作、工具组件550相对于工件20的定位和啮合。这些操作利用配备有计算机化的数字控制(CNC)方法和算法的控制器534可以自动或半自动的方式完成。备选地，定位可由操作者手动或部分手动地执行，诸如，例如，通过操作者为控制器534提供手动控制输入，或通过临时中止或无效上述支架和上夹组件520、560的马达和致动器以容许手动移动。

典型地，为了对执行制造过程提供预期程度的定位精度，可使用上述方法和设备确定两个指标特征21的指标中心。在指标特征21的一个或多个指标中心确定后，可使用制造组件500的控制算法将储存在控制系统内存(例如在控制器530中)的数据模式转换到用于控制由制造组件500在工件20上执行制造过程的机器空间中。可使用标准的、已知的通常在现有CNC加工处理中运用的数学算法执行这些转换。

再次参考图23到25，在又一方面，控制器530可包括整个CNC控制系统。例如，在一个特定实施例中，控制器530包括8轴伺服控制器、多个伺服放大器、伺服马达以及空气螺线管。因为控制器530直接连接到支架组件520(例如，连接到y轴支架50)，所以在执行制造过程期间，控制器530和支架组件520一起移动。因此，大大减小或消除了控制器530和制造组件500的其它部件之间的用于将控制信号传送到支架组件520的驱动马达40、60(以及从其接收反馈信号)、位置传感器组件540、工具组件550、以及制造组件的任何其它部件的链路或电缆。控制器的控制管缆532(图23)可提供控制空气、电力、以及从供给装置534到控制器530的通讯电缆。备选地，控制器的控制管缆532也可提供高容量的流体(例如空气或液压)以为工具组件550提供动力。

具有安置在支架组件520上的控制器530的制造组件500可进一步改善制造过程的效率和生产量。因为控制器530安置在支架组件520上，与现有技术的制造组件相比，延伸在控制器530和支架组件(例如驱动组件、位置传感器组件等)以及工具组件550各部分之间的电缆量可减少。因此，制造组件可为轨道组件上的支架组件提供改进的机动性，因为支架组件的运动不受限于在支架组件和远处定位的控制器之间延伸的控制电缆的长度，或受限于制造环境界线内的远处定位的控制器的机动性。支架组件520和控制器530的联合正好允许单个操作者移动不同位置间的这些部件以在不同位置或不同工件上实施制造过程，从而进一步改进了制造过程的效率和生产量。

图32是根据本发明又一实施例的造组件900的示意性表达。在这个实施例中，制造组件900包括传感器单元902和在连接到异形工件920的轨道组件510(不可见)上操作的一对工具单元904。传感器和工具单元902、904各包括上述支架组件。传感器单元902还包括位置传感器组件540，而工具单元904包括工具组件550。传感器和工具单元902、904可操作地连接到主控制器906，例如，通过无线或硬件通讯链路908。传感器和工具单元902、904还包括上述控制器530。

在运行过程中，每一传感器和工具单元902、904可在它们各自的控制器530的控制下自动操作，或在控制器530和主控制器906二者的控制下半自动操作，或由主控制器906完全控制。在一个实施例中，传感器单元902可以上述方式执行对分布在工件920上的各种指标特征定位的功能，其信息可被传送到主控制器906。然后，主控制器906将指令和控制信号提供到一个或多个工具单元904以精确定位工具单元904并且在工件920上执行预期的制造过程。备选地，指标特征的位置可从传感器单元902直接传送到一个或多个工具单元904，并且工具单元904可自动操作以在工件920的合适位置处执行预期的制造过程。当定位在工件920第一部分的指标特征后，传感器单元902可自动移动到下一部分，或通过主控制器906的指令进行到工件920的下一部分以为工具单元904腾出空间或定位额外的指标特征。

制造组件900可进一步改进制造过程的效率和生产量。如以上指出的那样，因为各单元902、904的控制器530安置在支架组件520上，所以与各单元902、904相连的电缆和电线的数量可减少，从而改进了各单元在工件920上的机动性。因为在各单元902、904和远处定位的控制器之间延伸的电缆需求可减少，所以可增加在单个轨道组件上以相对紧密邻近的方式定位和操作的不同单元902、904的数目。因此，改善了制造过程的效率和生产量。

伺服控制的制造过程

再次参考图24，在一个特定实施例中，根据本发明的制造组件500包括可控制地附着于工件20的轨道组件510，和可移动地连接到轨道组件510的支架组件520。控制器530安置在支架组件上并且可操作地连接到伺服控制的工具组件550和支架组件520。此外，应当理解，轨道组件510和支架组件520基本上与参考图9-11的上述轨道和支架组件实施例相似。如下文更全面描述的那样，具有伺服控制的工具组件550的制造组件500可有利地改善工件20上执行的制造过程的精度和效率。

图33是图24的制造组件500的伺服控制的工具组件550的放大前视图。图34和35分别是图33的伺服控制的工具组件550的剖开的顶视图和底视图。在这个实施例中，工具组件550包括钻轴模块552和驱动单元(或进给单元)554。钻轴模块552包括中心定位的马达轴556，该马达轴556具有布置在其上的电枢绕组558(图34)。马达轴556包括钻机固定夹562，该钻机固定夹562可固定与工件20啮合的钻机部件560。

马达轴556另外包括位于马达轴556上端的润滑油槽555和穿过马达轴556的长度从润滑油槽555纵向延伸到钻机部件560以使润滑剂能够通过轴556施加到钻机部件560的润滑油通道557(图33)。引导轴衬563向下延展围绕钻机部件560并且在制造过程期间可靠地抵着工件20啮合。具有多个空气冷却口565的主轴马达壳564围绕马达轴556布置，现场组件(fieldassembly)566(图34)位于马达壳564内并且接近马达轴556的电枢绕组558。现场组件566包括一个或多个与电枢绕组558结合的提供轻型无电刷发动机的永久磁铁。顶盖569(在图34中部分暴露的视图中被移除)覆盖了主轴马达壳564的上部。如图34进一步所示，钻机速度编码器568安置在马达轴556上。

继续参考图33-35，工具组件550的驱动单元554包括通过四个轴向隔开的导杆574可滑动地连接到驱动平台572的基座部件570。在这个实施例中，驱动平台572连接到转轴模块552，而基座部件570连接到支架组件520。转轴模块552的马达轴556由旋转轴承571穿过基座部件570和驱动平台572可旋转地安置。尽管在附图中马达壳564(以及现场组件566)示出为连接到驱动平台572，但在备选实施例中，马达壳564可连接到基座部件570，或连接到基座部件和驱动平台572二者。

如图33最佳示出的那样，驱动单元(或进给单元)554包括两个延伸在基座部件570和驱动平台572之间的滚珠螺杆576。伺服马达578安置在驱动平台572上，并且通过传动皮带580(图35)连接到每个滚珠螺杆576。如图34所示，传动皮带580啮合在帮助保持滚珠螺杆576和传动皮带580积极啮合的多个皮带伸张器582上。伺服马达578和转轴模块552，包括钻机速度编码器568，可操作地连接到控制器530。

在运行过程中，支架组件520以上述方式定位在工件20的预期位置。然后，工具组件550的驱动单元554由控制器530开动，使得伺服马达578驱动滚珠螺杆576，向着基座部件570推进驱动平台572，并且因此，向着工件20驱动转轴模块552并且使引导轴衬563啮合工件20。类似地，可开动转轴模块552以准备用于啮合工件20的钻机部件560。当驱动单元554继续向着基座部件570驱动驱动平台572时，钻机部件560被驱入工件20，在工件20上执行预期的制造过程。在制造过程执行后，控制器530可将合适的控制信号传送到伺服马达578以沿相反方向旋转滚珠螺杆576，从而拉动驱动平台572离开基座部件570并且使转轴模块552从工件20撤回。然后，支架组件520可重新定位到新位置，根据需要重复该过程。

根据本发明教导的具有伺服控制的工具组件的制造组件可有利地提高工件上制造过程的质量和效率。例如，根据本发明的伺服控制的工具组件550提供极轻的制造设备。具体来说，因为工具组件550可结合现场组件566，其中该现场组件566可包括一个或多个与马达轴556上的电枢绕组558一起以提供无电刷马达的稀土永久磁铁，所以工具组件550比现有技术的气动工具组件要轻很多。节省的额外重量通过提供整合有钻机固定夹562并包括内部润滑剂通道557的马达轴556来实现。另外，转轴模块552的所有部件，包括无框架马达，设置在一个轴上并且共享一组旋转轴承。因此，根据本发明教导的伺服控制的工具组件基本上比现有技术的工具组件要轻，在制造过程期间提供了改进的控制能力和精度。同样，因为工具组件重量更轻，制造组件500的安装和拆卸可被简化，并且制造过程的效率和生产量可被提高。

另外，因为驱动单元554的进给速率可通过伺服马达578精确控制，所以伺服控制的工具组件550可提供比现有技术的工具组件改进的性能。例如，通过速度编码器568监测的马达轴556的转速，控制器530可将合适的控制信号传送到伺服马达578(或传送到转轴模块552)，以在轴的转速和转轴模块552的进给速率之间提供预期关系。在一个实施例中，例如，控制器530可谨慎地控制转轴模块552的进给速率和/或转速，以提供进入工件的最大钻进速率。备选地，控制器530可控制工具组件以在转轴模块552上保持预期的工作负荷，或提供最高质量的钻孔操作。伺服控制工具组件550的增强的可控制能力在工件20的物理特征可变，例如，对于包括多层不同硬度值的不同材料的工件20，的情况下特别有效。在这种情况下，控制器530可快速有效地调节由伺服马达578提供的进给速率，以保持转轴模块552的预期钻孔速率。因此，使用根据本发明的伺服控制的工具组件，钻孔速率和进给速率都可精确控制，以提供最佳性能和提高制造生产量。

可以理解，根据本发明可设想设备和方法的多种备选实施例，并且本发明不限于上述和附图所示的特定设备和方法。例如，可以注意到，可假设支架组件520和轨道组件510的很多种备选实施例，包括，例如，授权于Jack等人的美国专利No.4,850,763教导的导轨和支架组件以及在同时待决、共同所有的美国专利申请No.10/016,524中公开的任何支架组件和轨道组件，该申请已经在前面通过参考整合在此。

还可以注意到，在备选实施例中，转轴模块552可由很多种制造工具代替以在工件20上执行任何预期的制造过程。在备选实施例中，例如，转轴模块552可由一个或多个打铆机、机械的和电磁的凹式拔具、焊接机、扳手、夹具、磨沙机、自动敲钉机、机械螺丝刀、刳刨机、除油器、洗涤器、蚀刻器、修边工具、激光器、带式涂抹器、或实际上任何其它想要类型的制造工具或测量器具代替。

结论

虽然如上文指出的那样，在这里图示和描述了本发明的特定实施例，但是在不脱离本发明的实质和范围内可进行许多改变。因此，本发明的范围不局限于上述特定实施例的公开。相反，本发明应该完全由所附的权利要求确定。

Claims (35)

1.一种用来相对于工件表面支撑工具的设备，所述设备包括：

适于附着到所述工件的基座；

连接到所述基座并可相对于所述工件沿平移轴移动的工具架；以及

可操作地连接到所述基座和所述工具架至少其中之一的偏置装置，所述偏置装置适于至少部分平衡沿所述平移轴作用在所述工具架上的力；

其中所述基座包括：

第一和第二细长的柔性导轨，所述导轨彼此隔开并且大致平行；

连接到各导轨并且沿其以一定间隔隔开从而通过真空将各导轨可释放地连接到所述工件表面的多个真空连接装置；以及

连接到所述工具架并且可移动地啮合所述导轨的支架，所述支架可沿所述导轨移动以将所述工具架相对于所述工件定位到不同位置。

2.如权利要求1所述的设备，其中所述平移轴具有至少一个垂直于所述工件表面局部法线的分量。

3.如权利要求1所述的设备，其中所述工具架沿着导轨可滑动地连接到所述基座。

4.如权利要求1所述的设备，其中所述工具架可沿所述平移轴在第一和第二方向移动。

5.如权利要求1所述的设备，其中所述偏置装置包括气动致动器。

6.如权利要求1所述的设备，其中所述偏置装置包括马达。

7.如权利要求1所述的设备，其中所述偏置装置包括恒定扭距马达。

8.如权利要求1所述的设备，其中所述偏置装置的轴与所述平移轴对齐。

9.如权利要求1所述的设备，其中所述偏置装置沿所述偏置装置的轴在偏置方向上可控制地偏置。

10.如权利要求1所述的设备，其中所述基座包括：

可连接到所述工件表面的至少一个细长的导轨部件；以及

可移动地连接到所述至少一个导轨部件的支架组件，所述工具架连接到所述支架组件。

11.如权利要求10所述的设备，其中沿所述平移轴移动的方向至少局部横断所述至少一个细长的导轨部件。

12.如权利要求10所述的设备，其中所述支架组件包括驱动组件，所述驱动组件具有可操作地啮合所述至少一个导轨部件并适于沿所述至少一个导轨部件驱动所述支架组件的驱动马达。

13.一种用于在工件表面执行制造过程的组件，所述组件包括：

适于附着到所述工件的基座；

连接到所述基座并可沿平移轴相对于所述工件移动的工具架；

连接到所述工具架并适于啮合所述工件表面以在所述工件表面执行制造过程的制造工具；以及

可操作地连接到所述基座和所述工具架至少其中之一的偏置装置，所述偏置装置适于至少部分平衡沿所述平移轴作用在所述工具架上的力；

其中所述基座包括：

第一和第二细长的柔性导轨，所述导轨彼此隔开并且大致平行；

连接到各导轨并且沿其以一定间隔隔开从而通过真空将各导轨可释放地连接到所述工件表面的多个真空连接装置；以及

连接到所述工具架并且可移动地啮合所述导轨的支架，所述支架可沿所述导轨移动以将所述工具架相对于所述工件定位到不同位置。

14.如权利要求13所述的组件，其中所述平移轴具有至少一个垂直于所述工件表面局部法线的分量。

15.如权利要求13所述的组件，其中所述工具架沿导轨可滑动地连接到所述基座。

16.如权利要求13所述的组件，其中所述工具架可沿所述平移轴在第一和第二方向移动。

17.如权利要求13所述的组件，其中所述偏置装置包括气动致动器。

18.如权利要求13所述的组件，其中所述偏置装置包括马达。

19.如权利要求13所述的组件，其中所述偏置装置包括恒定扭距马达。

20.如权利要求13所述的组件，其中所述偏置装置的轴与所述平移轴对齐。

21.如权利要求13所述的组件，其中所述偏置装置沿所述偏置装置的轴在偏置方向上可控制地偏置。

22.如权利要求13所述的组件，其中所述基座包括：

可连接到所述工件表面的至少一个细长的导轨部件；以及

可移动地连接到所述至少一个导轨部件的支架组件，所述工具架连接到所述支架组件。

23.如权利要求22所述的组件，其中沿所述平移轴移动的方向至少局部横断所述至少一个细长的导轨部件。

24.如权利要求22所述的组件，其中所述支架组件包括驱动组件，所述驱动组件具有可操作地啮合所述至少一个导轨部件并适于沿所述至少一个导轨部件驱动所述支架组件的驱动马达。

25.如权利要求13所述的组件，其中所述制造工具包括钻机，并且所述制造过程包括钻孔操作。

26.一种在工件表面执行制造过程的方法，所述方法包括：

可移动地支撑邻近所述工件表面的制造工具，所述制造工具可在所述工件表面上沿平移方向移动；以及

使用偏置装置沿偏置方向提供偏置力，所述偏置方向基本上平行于所述平移方向；

所述制造工具包括：

适于附着到所述工件的基座；

连接到所述基座并可沿平移轴相对于所述工件移动的工具架；

其中所述基座包括：

第一和第二细长的柔性导轨，所述导轨彼此隔开并且大致平行；

连接到各导轨并且沿其以一定间隔隔开从而通过真空将各导轨可释放地连接到所述工件表面的多个真空连接装置；以及

连接到所述工具架并且可移动地啮合所述导轨的支架，所述支架可沿所述导轨移动以将所述工具架相对于所述工件定位到不同位置。

27.如权利要求26所述的方法，其中可移动地支撑邻近所述工件表面的制造工具包括在临近所述工件表面定位的导轨上可滑动地支撑所述制造工具，所述制造工具可沿所述导轨在第一平移方向移动，还可以沿与所述第一平移方向方向相反的第二平移方向移动。

28.如权利要求26所述的方法，其中使用偏置装置沿偏置方向提供偏置力包括提供偏置力，所述偏置力适于平衡沿所述平移方向作用在所述制造工具上的力。

29.如权利要求28所述的方法，其中提供适于平衡作用在所述制造工具上的力的偏置力包括提供适于平衡作用在所述制造工具上的重力的偏置力。

30.如权利要求26所述的方法，其中使用偏置装置沿偏置方向提供偏置力包括提供与所述平移方向方向相反的偏置力。

31.如权利要求26所述的方法，其中使用偏置装置沿偏置方向提供偏置力包括使用偏置气缸沿偏置方向提供偏置力。

32.如权利要求26所述的方法，其中使用偏置装置沿偏置方向提供偏置力包括使用马达沿偏置方向提供偏置力。

33.如权利要求26所述的方法，另外包括沿所述平移方向移动所述制造工具。

34.如权利要求26所述的方法，另外包括使用所述制造工具在所述工件表面上执行所述制造过程。

35.如权利要求34所述的方法，其中所述制造工具包括钻机，并且所述制造过程包括钻孔操作。

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