CN104511784B - 包括纵向导轨和横向臂的机床 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种适于在大尺寸部件(P)的表面上实施操作——特别是加工——的机床。该机床包括纵向导轨(1)和与纵向导轨(1)正交的横向臂(3)，该横向臂(3)在第一端(31)处滑动地紧固至纵向导轨(1)。横向臂(3)的第二端(32)设置有单元(5)，该单元(5)包括能够在操作过程中将单元(5)在部件(P)上保持就位的保持装置。由此，承载工具(4)的横向臂(3)被精确地定位于在其上进行操作的部件(P)上。

Description

包括纵向导轨和横向臂的机床

技术领域

本发明涉及用于在部件上执行表面操作的机床，特别是大尺寸的、例如用于在飞行器机身的构件上生产孔的机床。

本发明更广泛地涉及机床领域，该机床用于在大尺寸的部件或结构上实施自动或半自动的操作，通常是加工或安装操作。

背景技术

飞行器机身或诸如机翼之类的其他航空结构的制造是通过以已知的方式将刚性板组装到结构上来完成的，其中，刚性板一般是金属的。为此，板——该板是平坦的或弯曲的——在结构上被放置就位并且通过例如铆接的方式组装至该结构上。这需要在一旦板就位时就能够对该组件进行加工，通常是为了生产铆接所需的孔。

这些操作可以由操作人员来完成。能够在整个机身上生产孔的大尺寸机器人的研制是昂贵的。

为了在大尺寸组件上快速而精确地制造这些孔或者执行其他简单的加工操作，仍然需要研制设备以便使这些操作部分地自动化。

例如，文献EP1761360介绍了一种机床，该机床包括两个平行的柔性导轨，该两个柔性导轨被紧固至待加工的结构上。将导轨紧固到结构上是通过使用吸杯(suction cups)来实现的。加工装置——通常是钻头——沿着横向模块在两个导轨之间行进。

然而，这样的设备的实施是复杂的，因为其包括必须完全平行的两个导轨。此外，通过构造，两个导轨之间的宽度以及通过机床能够达到的区域是有限的。由于将两个导轨平行地定位在具有强的双曲率(strong double curvature)的表面上的难度，最终，这样的设备不适于这种具有强的双曲率的表面。在航空结构、特别是某些机身的某些区域中存在有显著的双曲率。

发明内容

本发明的目的在于解决前述缺点中的至少一个缺陷。

为此，本发明涉及用于在部件上实施操作的机床，其包括：

·纵向导轨，该纵向导轨被构造成与部件相对地定位；

·横向臂，该横向臂正交于纵向导轨，其包括用于在纵向导轨上进行的平移运动而安装的第一端；

·工具，该工具由横向臂承载；

其中，该横向臂的第二端设置有单元，该单元包括使单元能够在部件上保持就位的保持装置并且其中，该单元是机动化的而且包括用于在部件上平行于纵向导轨进行爬行的行进系统。

-在这种情况下，该单元被保持为与部件持续地接触

机床包括单个的纵向导轨。该导轨可以与部件相对地固定地定位。这样的机床是易于实现的，因为其需要将单个导轨放置就位。其可以适于在具有双曲率的表面的部件上实施操作，因为其不需要将两个平行导轨放置就位。其适于大尺寸结构，并且能够实现在大面积上进行的操作。确切地讲，可以实现具有长的长度(例如大约1200m)的横向臂。当在部件上实施操作时，通过借助吸杯将横向臂的两个端部分别紧固在纵向导轨和部件上，或在纵向导轨和部件上对这两个端部进行持续的位置控制，确保了适当地保持横向臂。

根据一种实施方式，该保持装置包括吸杯。

根据另一实施方式，该保持装置包括从以下选择的设备：磁设备、自粘带以及产生范德华力的设备。

根据第一变体，该单元可以包括履带。该履带可以包括含有多个吸杯的胎面。

根据第二变体，该单元可以包括机动化的滚子。

在该实施方式中，机床可以包括控制设备，该控制设备设置用于使单元的运动与横向臂的第一端沿纵向导轨的运动同步。机床还可以包括用于判定横向臂在纵向导轨上的所产生的力的装置，所述力判定装置功能上地联接至控制设备，该控制设备被构造成使所述力最小化。

该工具可以被构造成能够沿横向臂平移移动。特别地，该工具可以选自以下设备：钻头、砂轮机、摩擦学探针、铆钉插入设备、铆接设备、胶枪(mastic gun)、喷涂枪。

用于横向臂在纵向导轨上的平移运动的安装有利地由刚性地联接至横向臂以及安装成用于在纵向导轨上的平移运动的模块实现。

纵向导轨可以是柔性的，以便能够适应部件的曲率半径。

有利地通过使用紧固吸杯而将纵向导轨紧固到部件上。为此，纵向导轨有利地包括紧固吸杯。

本发明的其他特征和优势还将会出现在下面的描述中。

附图说明

在附图中，以非限制性示例的方式给出了：

-图1概略地示出了根据本发明的实施方式的机床，以及其直接环境；

-图2根据三维示意图示出了在本发明的实施方式中实施的横向臂的单元的详细视图。

具体实施方式

图1所示出的根据本发明的实施方式的机床包括纵向导轨1。在该实施方式中，纵向导轨1包括紧固吸杯11，使得能够将纵向导轨1紧固到部件P上，例如加工的操作将要在部件P上进行。在此，纵向导轨1是柔性的，并且因此可以跟随部件P的曲率。模块2被安装于纵向导轨1上并且可以在其上平移移动。模块2可以配备有一个或更多个马达，所述一个或更多个马达驱动其在纵向导轨1上的平移。

横向臂3在横向臂3的第一端31的位置处被紧固至模块2。横向臂3基本上正交于纵向导轨1并且保持为基本上正交于纵向导轨1。横向臂3可以沿纵向导轨1平移移动。在此处所示示例中，该平移直接联接到模块2沿纵向导轨1的平移。模块2可以被构造成用于容纳动力单元(未图示)，该动力单元包括用于包含在机床中的设备的动力电子设备。在航空应用中，横向臂可以具有使得能够实现在大约1200mm上进行的加工操作的长度。

工具4——通常是机床——被联接至横向臂3。工具4在实践中可以包括经由接口连接至横向臂3的模块，该模块包括工作工具。因此，包含该工作工具的模块用来确保至臂的机械联接、提供工作工具的操作所必需的能量，以及借助各种外围设备——例如千斤顶、传感器等——提供其功能。该工具被构造成沿着横向臂3平移移动。因此，工具4具有与横向臂3的滑动联接。特别地，工具4可以是用于实际加工的装置或紧固至支承件的用于加工的装置，支承件自身联接至横向臂3。

特别地，工具4可以是被称为“自动钻孔单元”的钻头或者钻孔工具。通过示例的方式而非详尽地，工具4还可以是用于切割、磨削、尺寸验证、例如采用超声波的非破坏性试验、盲孔检测、粘胶剂涂覆、粘合剂涂覆、涂料涂覆的工具。

工具4沿着横向臂4的平移可以是机动化的。

用于驱动模块2沿着纵向导轨的运动和/或工具4沿着横向臂3的运动的马达可以是“步进”型的。其有利地与能够实现提供其位置控制的电子控制系统(未图示)相关联。

因此，工具的位置可以在参考的正交框架中精确地被控制，其中，该参考的正交框架具有平行于纵向导轨的轴线(所谓的“x”位置)和平行于横向臂的轴线(所谓的“y”位置)。

还可以使用在现有技术状态中已知的能够基于这两条轴实现工具的位置的导向和控制的任意其他设备。

根据本发明的不同变体，还可以基于三条正交旋转轴或者根据这三条轴中的一者或两者来对该工具进行定向上的控制。

机床的横向臂3包括单元5。单元5被固定至横向臂4的第二端32。图2作为三维的图解视图示出了单元5的具体实施方式。在该实施方式中，单元5包括吸杯51。在可能会在横向臂3中产生力的在部件P上的操作过程中，吸杯51能够使单元5与部件P相对地保持就位。在图2中，承载吸杯51的单元5的可视表面因此为被构造成面向部件P的面。吸杯51由真空生成装置或真空生成单元以及真空供应线(未示出)供应真空。真空生成装置可以共用于吸杯51的供应和紧固吸杯11。

吸杯51可以是固定的，或者是可以能够整体地或部分地缩回到单元5中的，以便在其运动过程中远离部件P。在这种情况下，吸杯51被放置为与部件P相接触，于是，减压被施加于吸杯的内侧，以使其固定在部件P上。

单元5可以包括数个吸杯51。

在此所示的实施方式中，单元5是机动化的。单元5的机动化使得其在部件P上的行进能够平行于纵向导轨1被引导。单元5包括作为行进系统的履带52。如此机动化的单元5适于在部件P上平行于纵向导轨1爬行。

这样被构造成在表面上缓慢移动或爬行的设备通常以术语“履带牵引装置(crawler)”定名。

履带52包括在部件上提供良好摩擦系数的橡胶胎面。

在单元5是机动化的并且被构造成在部件上平行于纵向导轨爬行的实施方式中，如在此处所示出的实施方式中那样，单元5的运动有利地由控制单元6控制。在此处所示出的本发明的变体中，控制单元被联接至单元5。

控制设备6的目的在于使单元5的运动与模块2沿纵向导轨1的运动同步。

在平坦的表面上，单元5的运动必须时刻与模块2沿纵向导轨1的运动相同，以确保这些元件的相同的且同时的行进。相反地，当在具有双曲率的表面上(例如，在飞行器的机身的前部处)使用机床时，单元5的速度必定不同于模块2的速度以确保单元5和模块2以同步的方式行进——即使单元5和模块2将要走过的距离是不同的。控制设备6使得对单元5和模块2的行进的这种管理得以实现。

此外，令单元5的运动与模块2沿纵向导轨1的运动同步使得横向臂3能够更精确地定位。确切地讲，与将横向臂3紧固至纵向导轨1有关的横向臂3的悬臂式安装以及工具4的重量及其在横向臂3上的定位会导致横向臂3的轻微的弯曲。

最后，横向臂3的悬臂式安装、工具4的重量和定位在横向臂4与纵向导轨1之间的联接中产生潜在地高的力，该力应当通过使单元5的运动与模块2的运动的良好的同步而被限制。为此，该机床可以设置有用于判定在横向臂与纵向导轨相联接的位置处横向臂产生的力的装置。该装置通常可以是应变仪或传感器，从而能够判定与横向臂3的悬臂式安装有联系的纵向导轨1与横向臂3之间的联接中的力偶。

用于判定力的装置功能地联接至控制设备。因此，控制设备从传感器接收测量结果，并且根据这些测量结果和/或其数据的整理分析而通过单元5的机动化来控制单元5的运动，以便使横向臂在其与纵向导轨联接的位置处产生的力最小化。

一般地，机床可以包括一组几何控制装置(未图示)，从而使其能够识别能够影响工具4的定位精确性的变形(弯曲，扭转)，以及使得能够通过校正回路校正该定位。

在包括非机动化的单元5的机床的情况下，允许确保模块2沿着纵向轨道1的就位控制和/或工具4沿着横向臂3的就位控制的控制设备构造成考虑了由于横向臂3的悬伸承载和安装、工具4的质量和位置而产生的机床的变形。在包括非机动化的单元5的机床的情况下，单元5变为在所述横向臂3运动期间距离部件P的表面一段小的距离。

当然，在不偏离本发明的范围的情况下可以预想到该机床的其他实施方式或变体。

特别地，可以采用用于将纵向导轨1紧固至部件P上的其他装置，例如磁装置。

在本发明的另一变体中，纵向导轨1不包括用于直接紧固至待加工部件上的装置。在该变体中，纵向导轨1未被置于部件P上或者与部件P相接触，而是形成周边设备或“工作站”的一部分。然后，通过使部件P相对于工作站固定，而将纵向导轨1与部件相对地固定地定位。

单元5的保持装置可以包括一个吸杯或多个吸杯，无论该吸杯是否被施加减压。替代吸杯地或除了吸杯以外，单元5的保持装置可以包括选自以下的设备：磁设备、自粘带和产生范德华力的设备。

替代已描述的具有橡胶胎面的履带，机动化的单元5的行进系统还可以包括吸杯式履带，即由包括吸杯的胎面构成的履带，从而在单元5的运动以及横向臂3的运动过程中在单元5与部件P之间提供良好的接触。在该变体中，胎面的吸杯可以是被动式的，其通过在单元5压在部件P上的力的唯一影响下的运动渐进地粘着于部件P的表面。胎面的吸杯可以替代性地为主动式的，当其与部件P相接触时，由真空生成装置对其供应真空。在对部件P进行加工上这种吸杯可以被用作单元5的保持装置，而不再需要为此功能所需的额外的吸杯。

替代性地，可以采用其他行进系统。例如，在一种变体中，利用一个或更多个机动化的滚子。优选地，该一个或多个滚子包括橡胶材料的胎面。根据变体的其他示例，行进系统包括气垫、磁设备或者自粘带。

在其单元5是机动化的机床的情况下，控制设备6可以具有各种位置和特征。作为位于联接至单元5的某一位置的替代方案，控制设备6可以由模块2承载，或者由机床的任意其他构件承载。控制设备6可以位于机床的外部。控制设备6还可以采用与控制模块2在纵向导轨1上的行进的装置相同的物理装置(计算机等)。最后，由控制设备所产生的控制数据可以通过有线或无线装置传送至单元5。

如上所述的机床可以用于例如钻凿飞行器的机身部件的铆孔。钻孔方法可以根据下述步骤实现。首先，基于预定的定位将纵向导轨1定位在机身部件上。根据预定的第一位置，模块2按照“x”定位，即沿着纵向导轨1。在本发明的单元5为机动化的实施方式中，单元5沿着机身部件平行于纵向导轨1以与模块2同步的方式爬行。一旦模块2和单元5已经定位，则启用用于单元5的保持装置以便使单元5相对于机身部件固定。通常，当所采用的机床的自身的保持装置包括吸杯51时，吸杯51放置为与机身部件相接触，并且在吸杯51中建立减压以便使单元5固定。然后，单元5通过吸杯51中产生的减压保持就位。单元5进而被连接至横向臂3的第二端32，构成横向臂3的第二端32在部件P上的稳定的锚固座。至于横向臂的第一端31，其在纵向导轨1上固定。因此，当在部件P上进行操作时，横向臂3完全地固定，并且为工具4提供稳定的承载结构。

工具4——在本文所描述的情况工具4是自主的钻孔单元——沿着横向臂3按照“y”定位，以便在机身部件上的预定的精确的点处生产第一孔。

然后放松保持装置，例如，释放吸杯51中的减压，使得单元5再次能够相对于机身部件移动。

然后将工具定位成在机身部件的第二点处生产第二孔。可以使得工具通过模块2沿着纵向导轨1行进而按照“x”行进或移位而同时机动化的单元5以同步行进的方式在机身部件的表面上缓慢行进，并且可以使得工具按照“y”沿着横向臂3行进。

如前文所述，实施保持装置并且使横向臂3固定，从而生产第二孔。

使模块2沿着纵向导轨1行进至第二预定位置。一旦模块2和单元5已经正确定位，则采用吸杯51使单元5相对于机身部件固定。于是完成第二排孔。

因此，在机床能够够到的区域中提供的孔可以在机床为制造另一区域中的孔而行进之前制造而成。

使用根据本发明的机床可以进行其他操作。某些操作，例如截切或研磨可能会需要工具沿着“x”和“y”轴做恒定的运动。这通过模块2沿着纵向导轨1的和工具4沿着横向臂3的同时运动以及——在该情况发生时——单元5的运动来实现，如果单元5是机动化的话是这样。

如此研制的机床能够实现将在大尺寸部件的表面——通常是飞行器机身的构件——上进行的操作的自动化或半自动化，特别是简单的加工操作的自动化或半自动化。由于只有一个导轨被定位为部件上的纵向参考，因此，根据所考虑的实施方式，所研制的机床可以适于具有双曲率的结构。另外，还易于进行安装，使得在通常情况下一个操作人员就足以实现该安装。借助于长的臂长能够在大尺寸表面上进行操作，例如进行加工。这可以通过在部件上进行操作的时候对臂的两端进行固定或者对臂的两端进行持续的位置控制来实现。此外，所研制的机床还可以容易地进行重新构造，并且可以采用能够实现许多类型的加工、组装或控制操作的许多类型的工具。

Claims (13)

1.一种用于在部件上进行操作的机床，包括：

纵向导轨(1)，所述纵向导轨(1)构造成与所述部件相对地定位；

横向臂(3)，所述横向臂(3)与所述纵向导轨(1)正交，所述横向臂(3)包括用于安装成在所述纵向导轨(1)上进行平移运动的第一端(31)；

由所述横向臂承载的工具；

其中，所述横向臂(3)的第二端(32)设置有单元(5)，所述单元(5)包括使得所述单元(5)能够在所述部件上保持就位的保持装置，

其特征在于，所述单元(5)是机动化的并且包括用于在所述部件上平行于所述纵向导轨(1)而爬行的行进系统。

2.根据权利要求1所述的机床，其中，所述保持装置包括吸杯(51)。

3.根据权利要求1所述的机床，其中，所述保持装置包括从以下选择的设备：磁设备、自粘带以及产生范德华力的设备。

4.根据权利要求1-3中的任一项所述的机床，其中，所述行进系统包括履带(52)。

5.根据权利要求4所述的机床，其中，所述履带包括具有多个吸杯的胎面。

6.根据权利要求1-3中的任一项所述的机床，其中，所述行进系统包括机动化的滚子。

7.根据权利要求1-3中的任一项所述的机床，还包括控制设备(6)，所述控制设备(6)设置用于使所述单元(5)的运动与所述横向臂(3)的所述第一端的沿所述纵向导轨(1)的运动同步。

8.根据权利要求7所述的机床，还包括用于判断在所述纵向导轨(1)上由所述横向臂(3)所产生的力的力判定装置，所述力判定装置功能性地联接至所述控制设备(6)，并且所述控制设备(6)构造成使所述力最小化。

9.根据权利要求1-3中的任一项所述的机床，其中，所述工具构造成能够沿所述横向臂(3)平移移动。

10.根据权利要求1-3中的任一项所述的机床，其中，用于在所述横向臂(3)与所述纵向导轨(1)之间的平移运动的安装由刚性地联接至所述横向臂(3)并且被安装成用于在所述纵向导轨(1)上进行平移运动的模块(2)实现。

11.根据权利要求1所述的机床，其中，所述纵向导轨(1)构造成紧固至所述部件(P)。

12.根据权利要求11所述的机床，其中，所述纵向导轨(1)是柔性的，以便能够适应所述部件的曲率半径。

13.根据权利要求11或12所述的机床，其中，所述纵向导轨(1)包括紧固吸杯(11)。