CN102387885A - 用于确保预设的加工深度的加工装置和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于加工工件(W)的加工装置，其中安装为可旋转的加工工具(2a)保持在加工单元(2)中，所述加工单元(2)能够通过进给装置(10)沿加工工具(2a)的旋转轴线(X)轴向地移动。所述加工装置包括通过轴承装置(4)可自由移动地安装的压板(6)以及用于位置探测的测量装置(8)。根据本发明，压板(6)和轴承装置(4)是压紧单元(12)的组成元件，压紧单元(12)可通过配设给其的驱动装置(14)相对于加工单元(2)在旋转轴线(X)的方向上并且独立于加工单元(2)轴向地移动。

Description

用于确保预设的加工深度的加工装置和方法
技术领域
本发明涉及一种用于加工工件(特别是在加工期间固定在支撑装置例如夹紧框架或类似装置中的工件)的加工装置。该加工装置有利地被设计成可设置在机器人臂上的至少部分自动化的钻孔装置，且能够以其钻孔工具(自动地)正交地对准被加工的工件表面上的表面点，以便例如能够钻出其孔轴线与表面法线在加工表面上的钻孔中心点重合的孔(钻出正交的孔)。为此所述加工装置在头部具有通过轴承装置可自由移动(在全部倾翻点围绕加工工具的旋转轴线360°)地安装的压紧板(压板)。测量装置探测在将压板压紧到被加工的工件表面上时出现的压板(从中心位置出发，在该中心位置中所述压板的通孔的作为压板的表面法线延伸的中心轴线和加工工具的旋转轴线重合)的任何对准/位置偏差。
背景技术
此类设备已经在专利文献US5,848,859中公开。在该专利文献中描述了一种钻孔工具，其同样具有安装在钻孔机壳体中的钻孔机，在钻孔机的顶侧端设计有可自由移动的压紧支脚，在支承侧具有在横截面上看成圆弧段形状的(球形的)支承面，该支承面与钻孔机壳体中的与此对应的(球形的)表面配合。这里压紧支脚通过各个保持弹簧相对于钻孔机壳体被保持偏压并且保持在定义的起始位置中。压紧支脚的(例如由于将钻孔支脚放置在相对于钻孔轴线非正交定位的工件表面上而引起的)倾翻通过多个在侧部设置的线性路程测量传感器进行探测，从而在压紧支脚倾翻时用于支撑钻孔装置的机器人臂的控制装置促使机器人臂的控制/移动，从而实现钻孔工具相对于需钻孔的表面正交地对准。一旦钻孔机到达工件的钻孔点中的所需正交钻孔位置，钻孔机通过配设给其的进给装置移动以进行相应的钻孔。
发明内容
本发明的目的在于提出一种此类的加工装置，其在维持在被加工的工件中的预设加工深度方面有所改进。特别是改进了压紧力(利用该压紧力应压板被压紧到被加工的工件表面)的测量。由此特别是实现了对这样一种被加工工件的改进的加工，该工件由其背面间接支撑在工作面上。如果例如要以如下方式加工一种支撑面板(由其背面支撑在内部支撑面框架的支撑面肋上)，即不仅将支撑面板而且将位于其后面的支撑面肋在预设的加工点中钻穿且随后必要时应利用铆接相互连接，则通过定义的压紧力确保两个需钻穿的工件部件的相互贴靠是有益的。
本发明该目的通过权利要求1的总体特征实现。本发明的有利改进在从属权利要求中描述。根据本发明，提出了除了用于沿钻孔轴线驱动加工单元的进给装置之外，还将压板连同其轴承单元一起组合成一个结构单元(压紧单元)并且将该单元设计成可通过另一个线性驱动装置沿钻孔轴线移动。此外将该压紧单元的驱动装置实施为可相对于且独立于进给装置或者独立于可通过进给装置移动的加工单元轴向地移动。由于两个相互脱离的驱动装置，还可以更加准确地实施钻孔工具的轴向定位。液压或气动地驱动的精密驱动器被特别提供作为用于加工单元和/或用于压紧单元的驱动装置。为了在进给方面或者在通过进给实现的在工件中的加工深度方面矫正加工单元(其特别被设计成钻孔机)，设置相应的位置探测装置。通过该位置探测装置(其有利地设计成光栅)可以在每个钻孔进程之前、特别是至少在每次更换工具之后确定钻孔工具的准确的轴向位置(特别是处于钻孔单元或者加工单元的静止状态中的位置)。为此加工单元从预设的空闲位置出发(在该空闲位置进给装置和压紧单元的驱动装置位于定义的起始位置中)行驶到校正位置中，其中，通过相对于进给装置位置固定地设置的位置探测装置确定校正位置的到达。由于位置固定地设置的位置探测装置和接触被加工的工件的压板的表面之间的轴向距离是根据设计预设的且因此是已知的，可以确定(测得)空闲位置和校正位置之间的经过的移动路程，从而根据位置探测装置和压板的接触表面之间的已知距离，以及根据空闲位置和校正位置之间的经过的移动路程，以及考虑所需的加工深度，可以确定在被加工工件的方向上用于加工单元的所需的总移动路程(总进给)。此外，总移动路程、特别是用于加工单元的行驶路程理解为，从定义的空闲位置触发直至端部位置，在端部位置所述加工工具已经以所需的加工深度加工了工件。本发明的其它的优点、特点和有益的改进在下面的附图说明中阐述。
附图说明
下面参照附图详细描述本发明。其中：
图1示出了根据本发明的具有被设计成钻孔单元的加工单元的加工装置的示意图，
图2示出了根据图1的加工装置，其中，加工单元位于可能的第一空闲位置，
图3示出了根据图1的加工装置，其中，加工单元位于可能的第二空闲位置，
图4示出了根据图1的加工装置，其中，加工装置相对于被加工的工件以一定距离预定位，以及
图5示出了由加工单元支撑的加工工具的截面图。
具体实施方式
借助于根据本发明的加工装置或者借助于根据本发明的用于自动化地确定加工单元的总移动路程以确保预设加工深度的方法，应将特别是大的(如在飞机构造中使用的)构件利用机器人引导的钻头进行加工，从而使埋头钻孔能够以+/-5μm的精确度置入被加工的工件中。为此必须自动补偿在定位机器人时的不准确度以及在定位被加工的构件中的不准确度和构件本身的公差。此外必须平衡采用的铆钉或类似物的定位波动。
在图1中示出了根据本发明的用于加工工件的加工装置，其中，采用钻孔机形式的加工单元2。此外，钻孔机2通过进给装置10沿加工工具2a的旋转轴线X(或者进给轴线)轴向可移动地设置/安装。这里加工单元2可以通过进给装置10相对于位置固定地设置的基板18(基板是加工装置2的位置固定的组成元件)线性地往复移动。此外，位置固定的基板18可以实施为单独的(垂直于进给轴线定位的)板，其可固定在机械人臂的连接平面上。与加工单元2同轴地设置压紧单元12，压紧单元12在其面向被加工的工件的一侧支撑通过轴承装置4(球性接头)安装的压板6，并且在其远离被加工的工件的一侧与另一个驱动装置14配合，配合的方式为，压紧单元12能够通过配设给其的驱动装置14相对于加工单元2在旋转轴线X的方向上并且独立于加工单元2或者进给装置10轴向移动。此外，在球支承的压板6和压紧单元12之间设置测量装置8的多个测量传感器，用以探测压板6在被压到被加工的工件表面上时的对准/倾翻(或者倾翻/对准的程度和方向)。此外，测量传感器不是机械地与压板6连接，而是仅以预设的小的弹簧力压靠到压板6的背面。此外，以如下方式测量弹簧力(与压板的质量成比例)，虽然测量传感器靠在压板6上，但它们无法移动压板(因此压板6无法通过弹簧加载的测量传感器移动或甚至无法对准到预设的位置)。为了实现压板6的尽可能不受影响的、无干扰的准确的对准和位置探测，压板基本上不受力地安装以便(除了弹簧加载的测量传感器以小的力作用之外)丝毫没有蓄积的力施加在压板6上-以使压板在不受载的状态下对准到预设的位置、例如中心位置或保持在该位置上。为了安装压板6，压紧单元12具有基本上空心圆柱形的支撑框架16，支撑框架16在其远离工件的一测(或者面向基板18的一侧)具有帽檐状的凸起，从而从横截面看形成双L形状(其中L形结构的较长肢相互平行地相对并且L形结构的较短肢以相互相反的方向指向外)。测量传感器8被支撑框架16容纳或至少在某些区域集成在其中。由此一方面实现了特别紧凑的构造方式且另一方面防止了测量传感器8受到机械上或其它方面的影响。作为其它的用于测量传感器8的保护措施，设置(未示出的)压板6的防旋转装置。该防旋转装置主要由球构成，该球在压板6的侧面的凹槽中运行并且连接到较小直径的销钉上并且通过该销钉或通过另一个相对于压板6位置固定的构件支撑在支撑框架16上。
此外，在压紧单元12的支撑框架16的空心圆柱体形区域上相对地设置两个对应的光栅元件S1、S2，借助于光栅元件将探测加工工具2a的位置。该位置例如通过探测加工工具2a的尖部确定并且特别用于确定在被加工的工件中的需实施的钻孔深度或者锥形扩孔深度。该位置确定至少在起动开始时每次更换工具之后实施一次。为此加工单元2连同尤其支撑的加工工具2a从图1中所示的空闲位置出发向后移动，直到加工工具2a的尖部(例如螺纹钻头的十字刀)离开光栅元件S1、S2的区域(光栅不再被阻断)且随后缓慢地向前移动，直到通过加工工具2a的尖部刚好又将光栅元件S1、S2的光栅阻断。由于光栅元件S1、S2相对于球支承的压板6的定义的位置(光栅到压板6的端面或到压紧单元22的端面的已知距离，下文中称作自由行程(Leerweg))，可以以简单的方式确定相应的钻孔深度或者锥形扩孔深度(钻孔深度或者加工深度＝总进给路程-自由行程；或用于所需的加工深度的进给路程＝自由行程+所需的加工深度)。
为了能够在被加工工件表面的点精确地确定加工工具2a(通过其旋转轴线X规定)相对于表面法线N的位置确定或相对位置，将压板6设计成，压板6的规定安置尽可能靠近被加工的表面位置。为此将压板6的通孔6a适应于需穿过通孔6a的加工工具2a来进行尺寸设计(例如压板6或压紧单元22的通孔的直径仅略大于加工工具的直径)。有利的是，压板6在其面向被加工的工件的一侧在通孔6a的区域中具有压力元件22。压力元件22优选可更换地连接凹压板6上并且例如由如特氟龙、金属、塑料或陶瓷材料构成。对于压力元件22的材料的选择根据被加工的工件的材料和/或根据其表面光洁度进行。压力元件22可以在其面向工件的表面上相应地具有一定结构，从而与被加工的工件的接触仅在预设的突起的范围中实现。此外，压力元件22也可以由各个分段构成、特别是由圆环的分段构成。
为了确保能够尽可能方便地更换加工工具2a(例如将钻头更换成锥形扩孔钻头或具有另一种直径的钻头)，相应地设计压紧单元12。为此可以例如使支撑框架16相对于其驱动装置14或连同其驱动装置14横交于加工工具2a的旋转轴线X通过导轨20移动。可替换的是，这里也可以考虑支撑框架16通过未示出的铰链或相应的铰接件横交于加工工具2a的旋转轴线X可枢转地支承。
在图2中示出了在空闲位置PR的根据本发明的加工装置，在该空闲位置不仅用于驱动加工装置2的进给装置10而且用于驱动压紧单元12的驱动装置14位于定义的起始位置。在该预设的空闲位置PR中压紧单元12以定义的轴向参考点(这里通过支撑框架装置16的圆环形表面或从横截面上看双L形的空心圆柱体形的支撑框架装置16的较短肢形成)距离加工装置的位置固定的基板18预设的静止距离y0。同时加工单元2以定义的轴向参考点(这里通过加工装置2的端侧表面形成)相对于加工装置的基板18具有预设的静止距离z0。从定义的空闲位置PR出发，加工单元2连同由其支撑的加工工具2a通过配设给其的驱动装置(进给装置10)移动到校正位置PK中。此外校正位置PK通过被实施为光栅并且集成在支撑框架16中的位置探测装置S1、S2定义，其中，通过位置探测装置S1、S2监控和探测加工装置2和/或加工工具2a的预设特征。为此在所示的实施例中通过两个光栅元件S1、S2探测被设计成钻头的加工工具2a的十字刀。为此将加工单元2(在压紧单元12保持静止或处于其空闲位置中的情况下)从其空闲位置(在空闲位置加工工具2a的尖部从进给方向上看轴向地设置在光栅元件S1、S2的下游)出发向后移动，直到在加工单元2的静止状态中被阻断的光栅刚闭合。为此在一种优选的实施方式中，将加工单元2以第一移动速度v1向后移动直到越过由位置探测装置S1、S2限定的校正位置PK且随后以相比于第一移动速度v1小的第二移动速度v2向前移动，直到根据位置探测装置S1、S2的信息到达(光栅刚好被阻断的)校正位置PK(在位置z0-z1虚的非实线示出的加工工具2)。根据位置深测装置S1、S2和压板6的接触表面之间的已知距离I1以及根据空闲位置PR和校正位置PK之间经过的移动路程并且考虑预设的所被加工深度BT，可以确定在被加工的工件方向上用于加工单元2的所需的总移动路程(总进给)且因此确保了在工件中需建立的加工深度BT方面很大程度的精确度。
在图3中示出了本发明的不同于图2所示实施例的实施方式，其中，加工单元2处于其空闲位置PR□且其加工工具2a的尖部从进给方向上看位于位置探测装置S1、S2上游。从该空闲位置PR□出发，可以以类似于根据图2描述的位置探测装置的方式实现位置探测，其中，加工装置2以第一移动速度v1首先向前移动越过校正位置PK且随后以相比于第一移动速度v1小的第二移动速度v2向后移动，直到到达根据位置探测装置S1、S1的信息的校正位置PK(光栅刚闭合)。总移动路程的确定也类似于已经根据图2描述的方法获得。
借助于图4(其中示出了根据本发明的加工装置与被加工的工件W间隔地位于所述空闲位置PR)概括地描述根据本发明的方法。在所示的加工位置，根据本发明的加工装置(其通过形成在基板18上的固定机构18保持在未示出的工业机器人的机械臂上)被示出在轴向距离Y1(压板6的接触表面和被加工的工件W的表面之间的距离)。被加工的工件W例如由较大表面的构件、例如飞机支撑面或类似构件的两个预定位的相互永久连接的板状的工件部分构成。从所示的加工位置出发(在该加工位置中，根据本发明的加工装置通过机器人已经被引导到关于被加工的工件W的预设位置中)压紧单元12通过配设给其的驱动装置14在进给方向V上向前移动，直到压板6以其接触表面通过预设的压力靠在被加工的工件W的表面上。为了确定相应的压紧力，加工装置设有未示出的力传感器。由于压紧单元12的驱动装置14以及因此压紧单元12本身不再位于由空闲位置PR限定的起始位置中，而是已经改变了距离y1(压板表面和工件表面之间的距离)，设置在压紧单元12内的加工单元2的相对位置也相应地改变。但由于由前面描述的校正过程中已知了压紧单元12内的加工工具2a的起始位置，对于需移动的总路程仅需考虑额外的进给路程y1，从而钻孔单元2以等于z0+z2+y1+的所需钻孔深度(BT)的总和的总移动路程z移动。此外，z0被确定为在空闲位置加工单元2到基板18的已知距离；y1被确定为压紧单元12在进给方向上移动直到压板6靠在工件W的表面上的移动路程；以及z2被确定为加工工具2a的尖部至压板6的接触表面的已知距离；以及BT被确定为用于所需的加工深度(例如钻孔深度和/或锥形扩孔深度)的预设值)。
在图5中示出了被设计成锥形扩孔钻头的加工工具2a的截面图。其中可见加工工具2a的加工路程为具有长度z3的钻孔加工路程以及具有长度z4的锥形扩孔加工路程。通过根据本发明的加工装置或根据本发明的方法可以在已知加工工具2a的尺寸设计以及通过根据本发明确定的所需的加工单元2的总移动路程的情况下实现工件中的非常精确的钻孔或埋头钻孔。

Claims (13)

1.一种用于加工工件(W)的加工装置，其中安装为能够旋转的加工工具(2a)保持在加工单元(2)中，所述加工单元(2)能够通过进给装置(10)沿所述加工工具(2a)的旋转轴线(X)轴向地移动，所述加工装置包括：
-压板(6)，所述压板(6)可自由移动地安装在轴承装置(4)中，其中所述轴承装置(4)以及所述压板(6)均具有用于所述加工工具(2a)的通孔(4a；6a)，以及
-测量装置(8)，所述测量装置(8)用于探测通过压紧到工件表面上而对准的压板(6)的位置，
其特征在于，
-所述压板(6)和所述轴承装置(4)是压紧单元(12)的组成元件，
-所述压紧单元(12)能够通过配设给它的驱动装置(14)相对于所述加工单元(2)并且取决于所述加工单元(2)沿所述旋转轴线(X)轴向地移动。
2.根据权利要求1所述的加工装置，其特征在于，所述测量装置(8)设计成确定相对于中心位置的所述压板(6)的位置偏差，在所述中心位置作为所述压板(6)的表面法线(N)延伸的通孔(6a)的中心轴线与所述加工工具(2a)的旋转轴线(X)重合。
3.根据前述权利要求中任一项所述的加工装置，其特征在于，所述压紧单元(2)具有用于探测所述加工工具(2a)的轴向位置的位置探测装置(S1、S2)。
4.根据权利要求3所述的加工装置，其特征在于，所述位置探测装置(S1、S2)被设计成光栅。
5.根据权利要求3或4所述的加工装置，其特征在于，所述位置探测装置(S1、S2)设计成能够位置准确地探测所述加工工具(2a)的尖部和/或所述加工工具(2a)上的预设标记。
6.根据前述权利要求中任一项所述的加工装置，其特征在于，所述轴承装置(4)被设计为球节轴承，所述球节轴承包括具有至少一个球表面区域的轴承体(40b)和将轴承体(40b)型面锁合地包围在所述球表面区域的轴承容纳部分(40a)。
7.一种用于自动化地确定加工单元(2)的总移动路程以确保工件中的预设加工深度的方法，所述工件借助于根据前述权利要求中任一项所设计的加工装置进行加工，所述方法包括以下步骤：
i)从预设的空闲位置(PR)出发，在所述空闲位置进给装置(10)和压紧单元(12)的驱动装置(14)位于定义的起始位置，
-所述加工单元(2)与加工工具(2a)一起通过进给装置(10)移动到校正位置(PK)，其中距离压板(6)的接触表面已知轴向距离(I1)的位置固定的位置探测装置(S1、S2)确定校正位置(PK)什么时间到达，
-确定所述空闲位置(PR)和所述校正位置(PK)之间的经过的移动路程(z1；z1□)，以及
ii)根据所述已知距离(I1)以及根据所述经过的移动路程(z1；z1□)以及考虑所需的加工深度(BT)确定在被加工工件(W)的方向上的用于所述加工单元(2)的总移动路程。
8.根据权利要求7所述的方法，其特征在于，所述位置探测装置(S1、S2)被设计成光栅并且通过评价光栅信号探测位置。
9.根据权利要求7或8所述的方法，其特征在于，所述校正位置(PK)的到达通过探测所述加工工具(2a)的预设特征实现。
10.根据权利要求9所述的方法，其特征在于，所述校正位置(PK)的到达通过探测所述加工工具(2a)的尖部、特别是通过探测被设计成钻孔工具的所述加工工具(2a)的十字刀实现。
11.根据权利要求7-10中任一项所述的方法，其特征在于，所述加工装置(2)的空闲位置(PR)从进给方向(V)上看位于所述位置探测装置(S1、S2)的上游并且所述加工装置(2)从空闲位置(PR)出发在进给方向(V)上移动，以到达所述校正位置(PK)。
12.根据权利要求7-10中任一项所述的方法，其特征在于，所述加工装置(2)的空闲位置(PR)从进给方向(V)上看位于所述位置探测装置(S1、S2)的下游并且所述加工装置(2)从所述空闲位置(PR)出发向进给方向(V)的反方向移动，以到达所述校正位置(PK)。
13.根据权利要求12所述的方法，其特征在于，在到达校正位置(PK)方面实施所述位置探测，其中，所述加工装置(2)以第一移动速度(v1)在进给方向(V)的反方向上首先移动越过所述校正位置(PK)，且随后以相比于第一移动速度(v1)小的第二移动速度(v2)在进给方向(V)上移动，直至根据来自于所述位置探测装置(S1、S2)的信息到达所述校正位置(PK)。
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