CN105848818B - 用于钻取小孔的系统；钻取孔的方法；用于执行钻取的制造物品和钻取的进一步方法 - Google Patents

Abstract

本公开涉及一种机床，其被构造成执行用于小孔应用的小规模、高精度的钻孔操作。机床设计所针对的小孔应用包括带有一种或多种直径的孔。零件可以具有穿透零件厚度的一部分的更大直径孔和从更大直径孔的底部穿透零件厚度的其余部分的更小直径孔。另外，机床可以用于属于以下类别中的任意类别的零件：（i）通过使用机床产生阶梯孔和流孔二者；或者（ii）用上游过程产生阶梯孔，并且机床可以接受零件、测量阶梯孔并产生流孔；或者（iii）不使用阶梯孔并且机床可以接受零件、测量未加工表面并且产生流孔。

Description

用于钻取小孔的系统；钻取孔的方法；用于执行钻取的制造物 品和钻取的进一步方法

相关申请的交叉引用

本申请参考2013年12月4日提交的名称为“Dual-Station Laser Machine”的美国临时申请序列号No. 61/911,670并要求其优先权，该文献的全部内容通过引用并入本文。

背景技术

除非在本文中另外地明确表示，否则本部分中描述的内容不属于本申请中的权利要求的现有技术，并且不通过包括在本部分中而被认为是现有技术。

在制造各种物品期间，可以使用机械以或者自动操作或者辅助加工的一部分。例如，一些机械可以是计算机控制的，以执行精确测量或操作。另外，机械可以被用于以一致方式重复地执行任务。

燃料喷射器喷嘴的成功生产可以包括根据严格的加工特性产生孔。对于燃料喷射器的可接受性能，应当严密地控制一个零件到下一个零件的喷嘴流动变化。通常用相当严密的公差控制喷嘴的各种参数。加工可以控制孔产生的孔径、位置和几何准确性（例如，圆柱度）。另外，加工可以具有针对喷嘴孔的不同直径部分（阶梯孔（step hole）和流孔（flowhole））之间的同心度的公差。加工也可以具有对喷嘴孔的更小直径部分（流孔）的长度以及表面精整和边缘品质二者的严密控制。另外，会期望严密地控制系统操作经济性。从系统经济性的观点来看，会期望系统具有低的循环时间且具有高效率和利用率。也会期望系统从一种零件模型转变到下一模型具有低的转换时间。另外，会期望所公开的系统具有高灵活性以适应零件设计改变以及上游和下游加工改变。

传统地，现有的生产设备设计能够实现上文所列出的特性中的一些但并不是全部。例如，一些设计以生产经济性为代价实现了良好的喷嘴流动变化。其它设计以转换时间和灵活性为代价实现低的循环时间和高的效率。

发明内容

本文公开的是机床的实施例。总体地，机床被构造成执行小规模、高准确性的钻孔操作。本公开包括用于产生小孔的新颖机床系统。所公开的系统可以用于执行针对燃料喷射器喷嘴的孔钻取，不过其也能够应用于其它小孔应用。小孔应用（针对该应用设计所述系统）的特性包括可以具有两种或更多种直径的孔。例如，零件可以具有穿透零件厚度的一部分的更大直径孔和从更大直径孔底部穿透零件厚度的其余部分的更小直径孔。在燃料喷射器喷嘴的情况下，更大孔被称为“阶梯孔”，并且更小孔称为“流孔”。另外，本公开可以用于落入下述类别中的任一种内的零件：（i）阶梯孔和流孔二者均需要通过使用所公开的设备产生；或者（ii）用上游加工产生阶梯孔，并且所公开的设备可以接受该零件、测量阶梯孔并产生流孔；或者（iii）不使用阶梯孔并且所公开的设备可以接受零件、测量未加工零件表面并且产生流孔。

所公开的设备是单一、一体式机器，其执行产生小孔的多个步骤。所公开的设备为产生小孔提供了高生产率、高准确性能力。系统结合了下述特征。首先，所公开的设备包括多个加工站。多个加工站可以包括材料（零件）入流和出流；一个或多个传感器（阶梯孔或者未加工零件测量）站；一个或多个切削（阶梯孔产生）站；和一个或多个激光钻孔（流孔产生）站。所公开的设备还包括一个或多个零件保持和定位系统，其能够与所述一个或多个传感器（阶梯孔或者未加工零件测量）站或者切削（阶梯孔产生）站和一个或多个激光钻孔（流孔产生）站的组合相互作用。进一步地，所公开的设备可以包括一个或多个机器人零件转移系统，其能够与所述材料（零件）入流和出流以及所述一个或多个零件保持和定位系统相互作用。另外，所公开的设备可以包括必要的电气和控制硬件。

也公开了一种系统，其具有第一站，所述第一站具有以下项中的至少一项：（i）被构造成测量未加工零件表面或者孔深度的测量单元；以及（ii）被构造成钻取具有第一宽度的孔的钻孔单元。该系统也包括被构造成带有第二钻孔单元的第二站。该系统也包括被构造成操作第一站和第二站的计算机系统。控制第一站包括引起第一站执行以下项中的至少一项：（i）测量未加工零件或者孔深度；以及（ii）钻取孔。控制第二站包括引起第二站产生通孔。通孔具有第二宽度并且第二宽度小于第一宽度。

也公开了用于钻孔的方法。该方法包括经由深度测量来测量预先存在的特征的深度并且经由激光钻孔工具向未加工表面内或者阶梯孔的宽度内钻取通孔。

也公开了制造物品。制造物品包括非瞬时计算机可读介质，其具有储存于其上的程序指令，如果计算装置执行该程序指令，则引起计算装置执行操作。所述操作包括经由深度测量来测量预先存在的特征的深度，和/或经由钻孔工具钻取阶梯孔、经由激光钻孔工具向未加工表面内或者阶梯孔的宽度内钻取通孔。

也公开了用于钻孔的另一方法。该方法包括经由钻孔工具来钻取阶梯孔和经由激光钻孔工具在阶梯孔的宽度内钻取通孔。

附图说明

图1A是基于本公开的示例设备。

图1B是基于本公开的示例设备。

图1C是基于本公开的示例设备。

图2A是基于本公开的示例设备。

图2B是基于本公开的示例设备。

图3是用于所公开的设备的示例零件拾取单元。

图4是用于所公开的设备的示例计算装置。

具体实施方式

本文中所公开的是被构造成执行小规模、高准确性的钻孔操作的机床的实施例。如先前讨论的，所公开的系统可以用于执行燃料喷射器喷嘴的孔钻取，不过它也能够应用于其它小孔应用。该系统设计所针对的一些具体小孔应用包括带有至少两种直径的孔。在一些实施例中，更大的孔可以被称为“阶梯孔”，并且更小的孔可以被称为“流孔”。

图1A是基于本公开的示例设备100。所公开的多站式激光加工机器是结合多个特征的完整生产系统。在一些实施例中，系统特征在于入流和出流系统110。入流和出流系统110可以包括一个或多个加工站以及用于将材料装载到零件保持和定位系统和从零件保持和定位系统卸载材料的机器人系统150，在所述加工站处未加工材料（未被加工的零件）进入和离开系统。未加工材料可以包括已经由其它各种机器加工的一些零件。术语未加工意味着零件尚未由本公开的设备和/或方法加工。

在各种实施例中，系统100也可以包括第一站120，其是未加工零件或阶梯孔测量站和/或阶梯孔产生站。在站120是未加工零件或阶梯孔测量站的情况下，系统可以包括提供传感器定位的至少一个运动台架136和测量未加工零件或阶梯孔深度和/或位置的一个或多个传感器（图1A中未示出）。可以以多种方式测量阶梯孔。在一些实施例中，可以使用光学器件测量未加工零件或者阶梯孔。在其它实施例中，物理测量装置可以测量未加工零件或者阶梯孔。在又一些实施例中，可以使用其它未加工零件或者阶梯孔测量装置。测量未加工零件或阶梯孔的具体方式可以根据具体实施例而变化。在本公开的范围内可以使用任意类型的测量系统，包括本文中未具体讨论的那些测量系统。

在站120是阶梯孔产生站的情况下，系统可以包括提供轴定位的至少一个运动台架136、产生阶梯孔的一个或多个轴（诸如轴132）或其它装置，以及测量阶梯孔的额外传感器。可以通过零件的物理钻孔产生阶梯孔。基于旋转的钻孔工具可以执行该物理钻孔。在其它实施例中，用于孔产生的激光器或其它手段可以产生阶梯孔。

系统100也可以包括至少一个流孔产生站130。流孔产生站130可以包括提供激光定位的至少一个运动台架136、用于产生流孔的一个或多个激光器122和测量流孔的额外传感器（未示出）。激光钻取通过零件的孔可以产生流孔。虽然关于激光器使用术语钻孔，但是产生流孔的实际现象是通过激光撞击零件引起的熔化、蒸发和/或冷消融的组合。在其它实施例中，可以使用诸如旋转钻孔的不同手段产生流孔。

另外，系统100可以包括被构造成用于零件保持和定位的至少一个组件170。在一些实施例中，系统可以包括被构造成用于零件保持和定位的两个或更多个组件170（如示为180的第二组件）。每个零件保持和定位组件170可以包括提供零件定位的至少一个运动台架136和用于零件保持的设施。零件保持和定位组件也可以包括与机器人系统（其用于将材料加载到零件保持和定位系统内和从零件保持和定位系统卸载材料）和至少一个流孔产生站和被列为一个或多个测量或阶梯孔产生站的多个系统中的至少一个对接（即，相对于其定位并执行与其协调的加工过程）的能力。在一些实施例中，系统可以包括带有两个或更多个零件保持和定位组件（如示为180的第二组件）的设计，其中所述组件是共线的并且具有重叠的行程。

另外，系统100可以包括第二孔测量站140。第二孔测量站140可以被构造成测量阶梯孔和通孔二者或者其它特征。第二孔测量站140可以被构造成执行确认测量以便确保零件具有所需的大小和公差。第二站140也可以被构造成与系统120和130并行工作。

系统也可以包括棱柱形整体式底座160，其带有至少两个正交表面，以安装正交于零件保持和定位组件的一个或多个测量或阶梯孔产生站和/或一个流孔产生站。在阶梯孔产生系统的情况下，所公开的系统可以包括工具变换系统134，其允许在轴中自动地更换切削工具。该系统也可以包括碎屑（废料）管理系统（未示出）。此外，系统可以包括封罩/盖。进一步地，系统可以包括必要的电气和控制硬件。

图1B和图1C是基于本公开的示例设备。图1B和图2B示出类似于关于图1A所描述的那些部件的不同视图和设置。类似地，图2A和图2B是基于本公开的示例设备。图2A示出位于加工站130下方的零件保持和定位系统190（或者零件保持和定位系统170或者180）的放大图。图2A也示出了激光钻孔头122。图2B示出位于加工站120或140下方的零件保持和定位系统170/180/190的放大图。在图2B的情况下，加工站包含两个测量装置、128共焦测量传感器和126光学摄像机测量传感器。图2B也示出运动台架124。

图3是用于所公开的设备的示例零件拾取单元。如图3中所示，如当未加工零件正从150向170/180/190传送时的情况那样，零件拾取单元150定位在零件保持和定位系统170/180/190之上。零件拾取单元可以用于所公开的设备以使各种零件贯穿所公开的系统运动。

如下示出用于加工单个零件的操作的一种示例方法。应该注意的是，这仅是能够在本公开的背景内使用的方法的一种示例。首先，零件被装载到入流/出流系统内。然后，机器人（诸如机器人臂）可以取得材料并且将其运输到零件保持和定位系统之一，诸如零件保持和定位系统170。在其它实施例中，可以将零件直接装载到定位系统。一旦将材料或者直接地或者通过使用机器人装载到零件保持和定位系统内，就使零件保持和定位系统（现在包含零件）运动到第一站，诸如站120。第一站可以包括测量站或阶梯孔产生站中的一者或两者。之后第一站加工零件。该加工包括测量未加工零件或阶梯孔和钻取阶梯孔中的至少一者。在第一站的加工完成之后，使零件保持和定位系统（仍然包含零件）运动到第二加工站（例如，流孔产生站），诸如站130。之后第二加工站加工零件。例如，第二加工站可以使用激光在零件中钻取通孔。如果阶梯孔存在，则通孔可以被钻取为具有小于阶梯孔的直径的直径。一旦第二加工站完成其对零件的加工，则完成的零件可以从零件保持和定位系统卸载回到入流/出流机器人。最后，将完成的零件从入流/出流系统卸载。

在另一示例中，可以通过根据需要与多个加工站相互作用的一致操作的多个零件保持和定位系统来执行上文所公开的步骤。例如，系统的特征可以在于多个第一加工站和第二加工站。当零件被输入系统时，可以使其运动到多个第一站中的一个，以测量或钻取阶梯孔。当第一站完成时，可以使零件运动到多个第二加工站中的一个。在这种实施例中，每个第一加工站可以用于多个第二加工站中的任意第二加工站。不过，在其它实施例中，每个第一加工站可以具有特定第二加工站，使已由该第一加工站加工的零件运动到该特定第二加工站。

在下图中示出了示例序列表。在序列表中，正同时加工两个零件。

本公开可以包括通过提供测量或阶梯孔站与流孔站的装载水平之比使激光器系统的利用率最大化的组合系统。在引入材料没有阶梯孔的情况下，该系统设计可以组合阶梯孔和流孔二者的生产。在一些实施例中，所公开的系统设计能够通过仅将阶梯孔测量传感器与阶梯孔钻孔轴交换来适应或者具有或者不具有处于适当位置的阶梯孔的引入材料。实施例也包括系统操纵材料装载和卸载以及（在阶梯孔产生系统的情况下）针对阶梯孔站的工具变换二者。

此外，图4是根据示例实施例的计算装置400的框图。例如，计算装置400可以包括用户接口，其被构造成提供输入和/或控制所公开的系统。计算装置400能够包括用户接口模块401、通信接口模块402、一个或多个处理器403和数据存储器404，全部这些都能够经由系统总线、网络或者其它连接机构405连结在一起。另外，数据存储器404中的计算机可读指令410可以由所述一个或多个处理器403执行，以引起系统执行本文所公开的功能。

例如，计算装置可以被构造成具有指令以控制机加工硬件从而执行本文所描述的功能。例如，指令可以包括控制机器人臂获取材料并将其运输到零件保持和定位系统之一的指令。一旦将材料装载到零件保持和定位系统，指令就可以引起系统使零件运动到第一站。在第一站处，指令包括测量阶梯孔和钻取阶梯孔中的至少一者。在第一站的加工完成之后，指令包括使零件运动到第二加工站。在第二加工站处，指令可以引起激光在零件中钻取通孔。一旦第二加工站完成其对零件的加工，则指令可以引起将完成的零件从零件保持和定位系统卸载回到入流/出流机器人。

将容易地理解，本公开的方面，如本文大体上描述和在附图中图示的那样，能够以各种各样不同构造设置、替换、组合、拆分和设计，所有这些在本文中都已明确地预期到。虽然已经在本文中公开了各种方面和实施例，但是本领域技术人员将显而易见到其它方面和实施例。

上文描述了示例方法和系统。应该理解的是，词语“示例”和“示例性”在本文被用于表明“用作示例、实例或图释”。本文中被描述为"示例"或“示例性”的任意实施例或特征不必要被理解成比其它实施例或特征更为优选或者有利。本文对形成本文的一部分的附图作出参考。在附图中，类似的附图标记通常指代类似部件，除非上下文另外地说明。在不背离本文所呈现的主题的精神或范围的情况下，可以利用其它实施例，并且可以做出其它改变。本文所公开的各种方面和实施例是出于说明的目的并且不旨在是限制性的，并且真实的范围和精神由所附权利要求指明。

Claims (14)

1.一种用于钻取小孔的系统，所述系统包括：

第一站，所述第一站被构造成具有被构造成测量未加工零件的阶梯孔的测量单元、以及被构造成钻取具有第一宽度的阶梯孔的钻孔单元；

第二站，其中所述第二站被构造成具有第二钻孔单元；以及

被构造成控制所述第一站和所述第二站的计算机系统，其中控制包括：

引起所述第一站执行以下项中的至少一项：（i）测量未加工零件表面的阶梯孔；以及（ii）钻取所述阶梯孔；以及

引起所述第二站产生通孔，该通孔具有比阶梯孔的直径更小的直径；

预先确定站，其中，所述预先确定站被构造成确定所述第一站是应当用钻孔工具操作还是所述第一站应当用测量工具操作。

2.根据权利要求1所述的系统，还包括：

至少一个零件保持和定位系统，其被构造成：

接收用于机加工的零件；

向所述第一站提供所述零件；

向所述第二站提供所述零件；以及

在机加工之后释放所述零件。

3.根据权利要求2所述的系统，其中，所述零件保持和定位系统还被构造成在所述第二站之后并且在释放所述零件之前向至少一个其它站提供所述零件。

4.根据权利要求2所述的系统，其中，一个或多个所述零件保持和定位系统被构造成使得每个所述零件保持和定位系统均能够与多于一个的加工站相互作用。

5.根据权利要求2所述的系统，还包括至少两个零件保持和定位系统，其中，所述至少两个零件保持和定位系统是共线的并且具有重叠行程。

6.根据权利要求1所述的系统，其中，每个站均被构造成独立于每个其它站操作。

7.根据权利要求2所述的系统，还包括至少两个零件保持和定位系统，其中，所述至少两个零件保持和定位系统被构造成与至少一个共用加工站相互作用。

8.根据权利要求2所述的系统，还包括至少两个零件保持和定位系统，其中，所述至少两个零件保持和定位系统被构造成独立于彼此操作。

9.根据权利要求1所述的系统，其中，钻取具有第一宽度的阶梯孔包括旋转钻孔过程。

10.根据权利要求1所述的系统，其中，产生所述通孔包括激光钻孔过程。

11.根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一站包括钻孔工具和测量工具二者。

12.一种用于钻孔的方法，包括：

确定第一站是应当用钻孔工具操作还是所述第一站应当用测量工具操作；

执行以下项中的一项：（i）经由深度测量工具测量预先存在的阶梯孔的深度，和（ii）经由钻孔工具钻取阶梯孔；以及

经由激光钻孔工具钻取通孔，其中所述阶梯孔和所述通孔是同心的，处于在同心性公差之内；

其中，阶梯孔具有第一直径并且所述通孔具有第二直径，其中第二直径小于第一直径。

13.根据权利要求12所述的方法，其中，经由所述钻孔工具钻取所述阶梯孔包括基于旋转的钻孔。

14.一种制造物品，包括非瞬时计算机可读介质，其具有存储在其上的程序指令，如果计算装置执行所述程序指令，则引起所述计算装置执行操作，所述操作包括根据权利要求12-13中任一项所述的方法中所限定的步骤。