CN103517783B - 具有孔测量能力的钻孔机 - Google Patents

Abstract

一种系统包括钻孔机；电容性探针；和安装到钻孔机上的探针部署系统，其用于在由钻孔机钻的孔内移动探针以在不同深度测量钻孔。

Description

具有孔测量能力的钻孔机

背景技术

在商用飞机的制造期间，成千上万的精确定位的直孔可以被钻孔。这些孔由包括钻孔末端受动器的自动系统被钻取。

在一组孔被钻完之后，被钻的孔被检查以确保其在公差范围内。该检查不是简单地包含核对单一的孔的直径。更确切的说，该检查包含核对每个孔在不同深度的直径和圆度以确保每个孔是直的（而不是圆锥或者沙漏状）。通常，该检查由品质保证（QA）员执行，他同时检查一大批孔。

考虑钻头在钻孔时变得有缺口的情况。由于有缺口的钻头，钻孔超出公差范围。随后由有缺口的钻头钻出的孔也是超出公差范围的。不幸的是，那些随后超出公差的孔直到QA检查才能被识别。

使由损坏的钻头钻的孔的数量最小化是期望的。更加通常地，使超出公差的孔的数量最小化是期望的。

发明内容

根据本公开的一个方面，提供了一种系统，其包括钻孔机；电容性探针；和安装到该机器的探针部署系统，其用于在被该机器钻的孔内移动电容性探针以在不同的深度测量孔。

有利地，探针部署系统包括用于在钻孔内逐渐移动探针的压电电机。有利地，探针部署系统进一步包括用于从初始位置移动探针到在钻孔上的部署位置的执行器被附接到臂上。有利地，该探针部署系统进一步包括减震器和限位开关，该减震器减少由停止臂带来的突然震动，该减震器和限位开关准确地定位探针。有利地，该钻孔机包括钻孔末端受动器；并且其中该系统进一步包括用于移动该末端受动器的自动机械或者起重机架；和被安装到钻孔末端受动器的控制盒，其用于控制探针部署系统、处理探针数据以及将处理的数据与自动机械或者起重机架通信。有利地，该系统进一步包括被安装到钻孔机上的环规，该环规具有用于校准探针的校准开口。

根据本公开的另一方面，一种方法被提供，其包括使用文中描述的系统，以在工件内钻孔并在钻孔后立即测量钻孔。有利地，该方法进一步包括报告孔测量数据用于后处理，其中后处理包括执行钻头寿命估计。有利地，测量钻孔包括使用在探针与钻孔壁之间的间隙尺寸用于调整探针与钻孔二者的同心度。

根据本公开的另一方面，一种系统被提供，其包括钻孔末端受动器；包括杆和多个围绕该杆的电容传感器的电容性探针；和安装到末端受动器的探针部署系统，其为了在由末端受动器钻的孔内移动电容性探针以在不同深度测量孔。所述探针部署系统包括用于在钻的孔上移动探针的执行器和用于逐渐地移动探针到钻孔内的不同深度的压电电机。该系统进一步包括安装到钻孔末端受动器的控制盒，其用于控制执行器和电机并且用于处理探针数据以确定钻孔是否在公差范围内。

有利地，该装置进一步包括被安装到钻孔末端受动器的校准环规，该环规具有用于校准探针的校准开口。有利地，该钻孔末端受动器包括具有钻孔通道的压力脚；并且其中该探针部署系统包括用于从压力脚外侧的初始位置摇摆探针到钻孔通道内的部署位置的臂，该臂由执行器移动。有利地，该探针通过活动支架被附接到臂上。有利地，该探针部署系统进一步包括用于减少由停止臂带来的突然震动并且还准确定位探针的减震器。

根据本公开的另一个方面，一种孔测量装置被提供，其包括电容性探针，其包括杆和多个围绕杆的电容传感器；和压电电机，其用于在孔内移动该传感器以测量孔的轮廓。

有利地，该装置进一步包括具有用于校准探针的校准开口的环规。有利地，该装置进一步包括被安装到末端受动器的臂，该末端受动器具有压力脚，所述臂用于从压力脚外侧的初始位置摇摆探针到压力脚内的部署位置。有利地，该探针通过活动支架被附接到臂上。

附图说明

图1是包括钻孔机和孔测量装置的系统的图示。

图2是电容性探针的图示。

图3A和3B是钻孔末端受动器和孔测量装置的图示。

图4A和4B是探针部署系统的实施例的图示。

图5是控制盒的实施例的图示。

图6A-6D是使用钻取末端受动器和孔测量装置的方法的图示。

具体实施方式

参照图1，其示出了一种系统110，其包括用于在工件上制造精确孔的钻孔机120。该系统110还包括用于移动钻孔机120的自动机械或者起重机架130。

该系统110进一步包括孔测量装置140，其包括探针150、探针部署系统160和控制器170。在控制器170的控制下，该探针部署系统160在钻孔上移动孔探针150并随后进入被钻取的孔。一旦探针150在钻孔内，部署系统160可以移动探针150到钻孔的不同深度。在每个深度，该探针150可以测量钻孔的直径和圆度。通过在钻孔的不同深度采取这些测量，钻孔的轮廓被获得。

除了控制部署系统160，控制器170还处理来自探针150的数据。该处理包括将探针的数据转换成有意义的尺寸数据。该处理还可以包括确定钻孔是否在公差范围内。在一些实施例中，控制器170可以发送报告至机器人或者起重机架130，该报告指示钻孔是否在公差范围内。在其他实施例中，控制器170可以报告孔的测量（例如在各个深度的直径和圆度）到机器人或者起重机架130。报告孔的测量提供一定的好处，其将在下面结合图5被讨论。

额外参照图2，其示出了孔探针150的实施例。图2的实施例是电容性探针，其具有径向安装到非导电的汽缸230的电容传感器220。尽管四个传感器220被阐述，但是其他数量的电容传感器220可以被使用。

在一些实施例中，探针部署系统160可以包括压电电机（未示出），用于在钻孔内逐渐地移动探针210到不同深度。压电电机可以精确到0.1微米。探针部署系统160可以进一步包括微型执行器（例如，气缸、直线电动机、液压缸）以在钻孔上移动探针210。

电容性探针210和压电电机的组合导致非常小尺寸的孔测量装置140。在一些实施例中，电容性探针210具有接近一英寸的高度和接近一英寸的直径。压电电机可以具有小于两英寸的高度。

小的尺寸允许孔测量装置140在允许每个孔在被钻取后立刻被测量的位置被安装到钻孔机120上。在钻孔后检查每个孔是很有利的。其允许比如磨损的和有缺口的钻头问题被立即确认，并防止随后的孔由这种钻头钻取。

参照图3A和3B，其图示说明了一种类型的钻孔机：一种钻孔末端受动器310。该钻孔末端受动器310包括用于托住工件或者将两个或者更多工件夹在一起的压力脚312。该钻孔末端受动器310进一步包括用于在工件上钻孔的钻头314。在钻孔期间，钻头314被移动通过在压力脚312内的通道并对工件施加压力。

图3A和图3B还图示说明了包括电容性探针320和探针部署系统330的孔测量装置。在一个具体的实施例中，钻头314钻取0.190到0.192英寸之间的孔。探针320具有0.175英寸的直径。如果探针320接触孔的内侧，将会有最小大约0.015英寸的间隙。

图4A和图4B示出探针部署系统330的全貌图。具体地，图4A和图4B示出探针320怎样从压力脚312外侧的起始位置被移动到压力脚312内侧并在钻孔上面的部署位置。

图4A示出了探针在初始位置。探针320通过活动支架410被附接到探针臂412。校准环支架414保持被校准的环规416。该校准环规416具有带有准确直径的开口，其被用于校准探针320。当臂412被定位时第一限位开关418指示以便探针320完全在压力脚312以外并在校准环规416下面。

探针320通过打开电磁阀（未示出）以驱动气缸420被部署，致使探针臂412摇摆并移动探针320通过入孔门422并进入压力脚312。减震器424在短距离上降低停止探针臂412的突然震动。该减震器424还作用为准确放置探针320的挡块。第二限位开关426指示探针320在压力脚内的臂位置。

图4A还示出压电线性电动机428，其在不同的钻孔深度移动探针320。压电线性电动机428可以使用高频脉冲被操作。这些高频脉冲被转到压电晶体频率，其导致最大线性位移。

图4B示出在部署位置的探针320。一旦在部署位置，控制器170控制压电线性电动机428和其平台450以在钻孔内定位探针320。探针挡圈452可以被用于调整探针320进入钻孔的深度。

支架412的柔性在探针320接触孔的内壁的情况下是有利的。如果接触发生，探针320将会朝着孔的中心移动，但是将会仍然接触孔壁。在这种情况下，准确的孔直径信息仍然能够被获得。

再次参照图3A。孔测量装置进一步包括控制盒340。该控制盒340包括控制器170。

额外的参照图5，其图示说明了控制盒340的实施例。控制盒340包括第一电路板510，其能够影响电容性探针并将由电容传感器220的电容信号转换为电压信号（其中电压与孔探针半径和孔半径之间的距离成比例）。第一电路板510还计算孔在不同深度的直径和圆度，并确定孔是否在公差范围内。

第一电路板510监测所有限位开关418和426以确保探针320在已知的位置。第一电路板510还通过驱动气缸螺线管的产生信号并且还通过提供信号到在第二电路板上的压电电机驱动器(未示出)来控制探针部署系统。压电电机驱动器产生驱动压电直线电动机428的高频脉冲。

控制盒340还连续监测间隙尺寸以调整探针与钻孔和环规孔的同心性。

控制盒340具有输入和输出端口以与自动系统或者起重机架130通信。控制盒340可以具有数据端（比如串行端口）以接收用户输入以及输出诊断和其他的信息。例如，控制盒340能够输出用于后处理的孔测量数据。

后处理可以被用于执行钻头寿命估计。通常地，钻头是根据固定的计划（例如，在钻取一定数量的孔之后）被自动替换。通过监测孔直径并替代地在其寿命末尾（例如，当磨损或损坏是明显的时）替换钻头，更少的钻头被替换。因此，时间和钱被节省。

如图3A所示，控制盒340和其他的孔测量装置被安装到钻孔末端受动器310。这形成独立的单元。所有的功能在单元内被包含并被控制。所有需要的是用于运行钻孔测量的能量以及信号。机器人技术员不必知道如何操作该单元。该单元差不多是一个“黑盒”。

而且，如果该单元被从一个机器人移动到另一个，所有的功能伴随着它。每次单元被移动时部署控制盒探针信号处理不必被改变。

图6A-6D图示说明钻孔末端受动器310和孔测量装置的运行。首先参照图6A，钻孔末端受动器310被命令在工件钻孔（块610）。在孔被钻并且钻头314已经从孔和压力脚中取出后，孔测量装置被命令确定钻孔是否在公差范围内（块612）。

参照图6B，控制盒340命令气缸在钻孔上移动探针320（块620），并且其随后命令压电电机428部署探针320到钻孔内（块622）。通过推探针直到探针挡块452接触工件的上表面，探针320被置于孔的底部。这里第一直径测量被做出。在探针320与钻孔壁之间的间隙由每个电容传感器220测量（块624）。控制盒340随后命令压电电机从孔取出探针320（块626）。

调整被进行以使得所有的间隙相等（块628）。两个同心调整和两个角度调整可以对探针320做出以便探针320与孔同心并与孔对齐。

现在参照图6C，探针320测量孔。压电电机428被命令移动探针320到钻孔的底部（块630）。控制盒340使用孔探针数据以计算在那个水平上的孔直径和圆度（块632）。例如，控制盒340存储电压关于间隙距离的校准因素的表。当间隙电压被测量时，校准表被搜索以定位包括被测量的电压的两个电压。关联的间隙距离由两个电压之间进行插值而被确定。所有的四个间隙用这种方式被计算。随后，考虑每个传感器（弧长和宽度）和插入的探针和孔内壁的偏心率，直径被计算。

探针被逐渐地移动到另一个深度，其中直径和圆度再次被计算（块632）。在探针被移动到最后的深度之后，并且在对于最后深度的孔直径和圆度被计算之后，孔测量可以被重复（块634）。在所有的测量已经被做出之后，控制盒340确定钻孔是否在规格内（块636）。报告可以被发送至机器人（块638）。

在不同的时刻，探针320可以被校准。探针320可以在钻孔被测量之前被校准，并且它可以在孔测量期间被校准。例如，在每三组测量被进行之后，探针320可以被校准。

参照图6D，其图示说明校准探针320的方法。探针部署机构被命令移动探针320到其初始位置并部署探针到环规416内（块640）。环规416的直径和圆度被测量（块642）。如果测量的直径不在公差范围内，校准因子递增或者递减（块644）。块642和块644的功能被重复直到校准规的测量的直径落在公差范围内。

在一些实施例中，可以只执行埋头孔的单一的深度测量。例如，探针可以被设计为有圆锥形的底部。当圆锥形的底部被插入到埋头孔时，埋头直径被测量。

Claims (7)

1.一种钻孔系统，其包括：

钻孔机；

电容性探针；和

被安装到所述钻孔机的探针部署系统，用于在被所述钻孔机钻取的孔内移动所述电容性探针以在不同深度测量钻孔，

其中所述探针部署系统包括用于在钻孔内逐渐地移动所述电容性探针的压电电机，并且其中所述探针部署系统进一步包括用于将所述电容性探针从钻孔上的初始位置移动到在所述钻孔上的部署位置的执行器，并且

其中所述钻孔机包括具有钻孔通道的压力脚；并且其中所述探针部署系统包括用于将所述电容性探针从所述压力脚外侧的初始位置摇摆到所述压力脚内侧的部署位置的臂，所述电容性探针通过活动支架被附接到所述臂。

2.根据权利要求1所述的钻孔系统，其中所述探针部署系统进一步包括减震器和限位开关，所述减震器减少由停止所述臂带来的突然震动，所述减震器和所述限位开关准确地定位所述电容性探针。

3.根据权利要求1所述的钻孔系统，其中所述钻孔机包括钻孔末端受动器；并且其中所述钻孔系统进一步包括用于移动所述末端受动器的自动机械或者起重机架；和安装到所述钻孔末端受动器上的控制盒，用于控制所述探针部署系统、处理探针数据和与所述自动机械或者起重机架通信处理的数据。

4.根据权利要求1所述的钻孔系统，所述钻孔系统进一步包括被安装到所述钻孔机的环规，该环规具有用于校准所述电容性探针的校准开口。

5.一种用于钻孔的方法，包括使用前面任一权利要求的钻孔系统在工件上钻孔并在钻孔后立即测量所述钻孔。

6.根据权利要求5所述的方法，其进一步包括报告孔测量数据用于后处理，其中所述后处理包括执行钻头寿命估计。

7.根据权利要求5或6所述的方法，其中测量所述钻孔包括使用在所述电容性探针与所述钻孔的壁之间的间隙尺寸，以调整探针与所述钻孔二者的同心度。