CN106354090A - 机床控制和测量系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种计算机数控机床，其包括具有一个或更多个加工工具的机头。机头能够相对于工件移动。位置传感器系统检测机头相对于工件的位置。联接至位置传感器系统的控制器提供机头相对于工件的位置的闭环控制。位置传感器系统包括超声波探头。本发明还提供了一种对计算机数控机床的位置进行控制的方法。

Description

机床控制和测量系统
技术领域
本发明涉及用于机床(比如计算机数控机床)的控制和测量系统，以及用于机床的控制和测量方法。
背景技术
计算机数字控制(CNC)机床在制造行业中广泛用于执行自动化生产任务。数控机床通常具有机头，机头可以携带用于各种加工——比如钻孔，切割等——的加工工具，并且这些加工工具可以是可互换的。一旦安装好工件，就可以对数控机床进行编程以对工件执行一系列步骤，从而在高度自动化加工中以高精度生产部件。
在飞行器制造业中，已知在飞行器机翼的制造中使用数控机床。典型的飞行器机翼构造包括将翼罩(或蒙皮)接合至纵向翼梁和横向翼肋。翼罩可以具有纵向加强件(称作桁条)，在翼罩与翼肋和翼梁组装形成“翼盒”之前，纵向加强件附接至翼罩或与翼罩一体地形成。
在组装翼盒的过程中，通常将形成完整翼盒所需的所有翼肋和翼梁布置在型架中以确保尺寸精度。然后，将翼罩放到位于型架中的翼肋和翼梁上并且接着在安装最终紧固件以将翼罩固定至翼肋和翼梁之前进行钻孔。为了避免不希望的预应力并且为了确保完成的翼盒与设计形状相符，在组装之前不对翼罩、翼肋和翼梁进行预钻孔。此外，由于机床可达性限制以及在翼罩包括层压复合材料的情况下为确保在外空气动力学表面上不发生任何钻孔出口脱层，必须从将形成空气动力学表面的一侧对翼罩进行钻孔。
热膨胀和制造公差使得难以将用于执行钻孔操作的数控机床定位成与隐藏在翼罩后面的肋脚和翼梁凸缘对准。特别地，肋脚可以仅在预定紧固件位置周围具有小平台，因此，精确定位紧固件是至关重要的。
当前用于翼盒组装的数控机床使用磁场传感器来将机床与手动安装在盲孔中的磁体对准，所述盲孔形成在翼罩的内表面——即，与将形成空气动力学表面的外表面相反的一侧——上的期望的紧固件位置处。这种解决方案提供了所需的定位精度，但该解决方案具有下述缺点：很多磁体在翼罩上的安装以及随后的移除使得数控机床的使用以两人操作。
本发明旨在解决这个问题以便于机床的单人操作。
发明内容
本发明涉及一种计算机数控机床，其包括机头以及超声波探头，机头具有一个或更多个加工工具并且机头能够相对于工件移动。超声波探头可以用以测量工件的材料厚度从而将机头相对于工件定位和/或测量由机床形成的孔的出口脱层。
本发明的第一方面提供了一种计算机数控机床，其包括机头、位置传感器系统以及控制器，其中，机头具有一个或更多个加工工具并且机头能够相对于工件移动，位置传感器系统用于检测机头相对于工件的位置，控制器联接至位置传感器系统，用于机头相对于工件的位置的闭环控制，其中，位置传感器系统包括超声波探头。
本发明的另一方面提供了一种对计算机数控机床的位置进行控制的方法，机床包括机头、位置传感器系统以及控制器，其中，机头具有一个或更多个加工工具并且机头能够相对于工件移动，位置传感器系统包括超声波探头，控制器联接至位置传感器，并且所述方法包括通过位置传感器系统对机头相对于工件的位置进行检测，以及通过控制器对机头相对于工件的位置进行闭环控制。
本发明的优点在于，超声波位置传感器系统可以检测工件的特征在工件的与机床所处的侧相反的一侧上的位置而不需要由第二个操作者安装的定位装置，比如磁体或机器可读传感器。以这种方式，机床便于单个操作者操作。没有定位磁体——比如当前在本领域中使用的那些定位磁体——可以实现对已知会扭曲所述磁体的磁场并且迄今为止需要替代的加工技术的材料(比如钛)的机械加工。
位置传感器系统可以配置成使用超声波探头来测量工件的材料厚度。
位置传感器系统可以配置成测量工件上的预定位置附近的材料厚度。
位置传感器系统可以配置成通过沿着至少一个轴线进行扫描来测量工件的材料厚度。
所述扫描可以沿着两个正交的轴线执行。
位置传感器系统可以配置成确定下述工件特征的几何中心，所述工件特征的材料厚度与工件特征周围的材料厚度不同。例如，位置传感器系统可以用于确定形成于工件中的盲孔的中心。替代性地，位置传感器可以用于确定预定紧固件位置周围的平台的中心。
位置传感器系统可以配置成确定工件特征的材料厚度轮廓。例如，在工件特征为盲孔的情况下，与周围材料厚度相比，盲孔处的材料厚度将减小。
机床能够被操作成一旦已经使用位置传感器系统使机头与工件自动地对准，就自动地对工件执行机械加工操作。
机床可以是在飞行器翼盒组装型架中的飞行器翼盒部件中全自动化地钻制用于最终紧固件的孔的多轴机床。
附图说明
现将参照附图描述本发明的实施方式，在附图中：
图1示出了安装有翼肋和翼梁、准备接纳翼罩的飞行器翼盒型架的示意图；
图2示出了用于为将翼罩附接至型架中的翼肋和翼梁的紧固件自动钻孔和锪孔的数控机床；
图3示出了具有在其内表面中形成的定位盲孔的翼罩的局部视图；
图4示出了邻近肋脚安装在型架中且邻近数控机床的翼罩的局部细节图，其中，机床的位置传感器系统接近定位盲孔；
图5示出了翼罩、肋脚和数控机床的局部细节图，其中，机头对准以用于钻孔加工；
图6示出了翼罩、肋脚和数控机床的局部细节图，其中，机头在钻孔加工期间前进；
图7示出了翼罩、肋脚和数控机床的局部细节图，其中，机头在钻孔加工之后缩回；以及
图8示出了紧固至肋脚的翼罩的局部细节图。
具体实施方式
图1示出了飞行器翼盒型架1的侧视图，其中，联接至前翼梁和后翼梁3的多个翼肋2(在图1中仅一个翼肋2是可见的)安装在夹具1中并且准备接纳翼盖4。翼罩4通过使用图2中所示的计算机数字控制(CNC)机床5的自动化加工而附接至翼肋2的肋脚2a。
机床5为5轴机床，5轴机床构造成用于将翼罩4组装至肋脚2a的全自动化钻孔以及从动螺栓的插入。机床被设计成生产用于将翼罩4紧固至翼肋2的最终紧固件的孔。机床可以执行附加操作，比如钻出用于发动机吊架加强件的孔等。机床实质上为具有五轴机头6的移动立柱式铣床。机头被构造成在机械加工期间提供间隙闭合压力，以便例如将翼罩4按压在肋脚2a上，并且还具有将各种加工工具中的一个加工工具运送至用于钻孔操作和紧固操作的工具点的能力。
机床5安装在导轨(未示出)上用于沿X轴运动，使得机床5能够行进经过机翼组装型架1的全部长度。机床5包括机床立柱7，机床立柱7具有用于使机头6沿着Y轴竖直运动的导轨8。安装至Y轴导轨8的是具有回转台轴承的Y轴滑动件9，该回转台轴承具有平行于X轴的轴线并且提供沿A的旋转以适应翼罩4的翼弦方向的曲率。类似的布置提供了沿B轴的旋转，即，围绕平行于Y轴的轴线旋转。机头6座置在A-B枢轴的下方并且包括位于往复移动工作台上的多个可互换的加工工具。机头具有推力轴U，当A为零时推力轴U平行于z轴。沿着所有轴线的运动都是伺服控制的。
机头包括压脚10和穿蒙皮传感器(TSS)11。TSS 11由数控机床5自动地调用。TSS11形成位置传感器系统的一部分并且允许操作者根据需要将机床局部回零。TSS 11还可以形成用于测量工件特征的轮廓的测量系统的一部分。机头6的加工工具可以根据需要包括钻轴、从动螺栓检测工具、孔径探针、螺栓插入工具、或者各种加工工具中的任一加工工具。最后，该机床5包括具有界面控制台13的操作者平台12。
图3示出了其中一个翼罩4的局部视图，其中，翼罩4具有形成于其内表面15上的预钻的定位盲孔14，翼罩4的内表面15与翼罩4的将形成完成的飞行器机翼的外空气动力学表面的外表面16相反。图4示出了具有定位盲孔14的、邻近肋脚2a安装在型架1(图4中不可见)中的翼罩4，其中，机头6紧密靠近翼罩4以使得TSS 11在X方向和Y方向上与定位盲孔14的位置大致对准。
TSS 11包括超声波探头17，超声波探头17从最靠近翼罩4的外表面16的一侧朝向翼罩4发射超声波。超声波行进穿过翼罩4的厚度，并且由于翼罩在定位盲孔14处的材料厚度与周围材料厚度相比不同，因此翼罩4反射回被定位盲孔14扭曲的反射超声波。反射超声波在超声波探头17处被接收。
TSS 11的输出端联接至机床位置传感器系统的控制器，该控制器通过闭环控制对反射超声波进行分析以计算定位盲孔14在X-Y-Z坐标系中的精确位置。在优选实施方式中，位置传感器系统使用TSS 11沿X轴和Y轴进行扫描来测量翼罩的材料厚度，从而确定定位盲孔14的几何中心。由于在翼罩4被组装在型架1中之前在翼罩4中预钻定位盲孔14，因此机床5可以离开定位盲孔14精确地局部回零。
接下来转至图5，已经局部回零的机床5被对准，使得加工工具中的一个加工工具——在此情况下为钻轴18——与用于将翼罩4紧固至肋脚2a的期望紧固件的孔位置精确地对准。如在图6中所示，机头6前进成使得压脚10接触翼罩4的外表面16以对翼罩4施加间隙闭合压力。这导致翼罩4的内表面15抵靠在肋脚2a上。接着，钻轴18沿着U形前进，以穿过翼罩4和肋脚2a钻孔。
在图7中示出了在钻轴18和机头6缩回之后的完成的通孔19。在如图8中所示的那样安装最终紧固件20以将翼罩4紧固至肋脚2a之前，可以通过机床执行一个或更多个另外的加工，比如锪孔、去毛刺等。去毛刺可以在移除翼罩4之后并且在安装紧固件之前手动地执行。
机床还可以在肋脚2a、翼罩4、或其他工件部件为例如包括纤维增强复合材料的层压部件的情况下使用TSS 11来测量由钻轴18钻出的孔的出口脱层。机床可以将TSS11定位成邻近所钻的孔19，测量所钻的孔的轮廓，并且输出孔外周附近的任何出口脱层程度的测量值。在安装最终紧固件之前，可以通过机床5或手动地执行另外的加工以处理任何过度的出口脱层。
作为采集预钻盲孔的位置的替代方案，位置传感器系统可以使用TSS 11来采集肋脚2a的边缘轮廓或其他工件特征。这可以消除对预钻盲孔的任何需要。
机床5可以使用TSS 11在正交方向上进行扫描，或者可以仅在一个方向进行扫描，或者可以在多个方向上进行扫描。位置传感器系统可以使用TSS 11来定位工件的最薄部分的中心或工件特征边缘。
尽管已经在上面参照一个或多个优选实施方式对本发明进行了描述，然而，应当理解的是，可以在不脱离如所附权利要求中限定的本发明的范围的情况下进行各种改变和修改。

Claims (19)

1.一种计算机数控机床，包括机头、位置传感器系统以及控制器，其中，所述机头具有一个或更多个加工工具并且所述机头能够相对于工件移动，所述位置传感器系统用于检测所述机头相对于所述工件的位置，所述控制器联接至所述位置传感器系统，用于所述机头相对于所述工件的所述位置的闭环控制，其中，所述位置传感器系统包括超声波探头。
2.根据权利要求1所述的机床，其中，所述位置传感器系统配置成使用所述超声波探头来测量所述工件的材料厚度。
3.根据权利要求2所述的机床，其中，所述位置传感器系统配置成测量所述工件上的预定位置附近的材料厚度。
4.根据权利要求2或权利要求3所述的机床，其中，所述位置传感器系统配置成通过沿着至少一个轴线进行扫描来测量所述工件的所述材料厚度。
5.根据权利要求4所述的机床，其中，所述扫描沿着两个正交的轴线执行。
6.根据权利要求2至5中的任一项所述的机床，其中，所述位置传感器系统配置成确定下述工件特征的几何中心，所述工件特征具有的材料厚度与所述工件特征周围的材料厚度不同。
7.根据权利要求2至5中的任一项所述的机床，其中，所述位置传感器系统配置成确定工件特征的材料厚度轮廓。
8.根据任一前述权利要求所述的机床，其中，所述机床能够被操作成一旦已经使用所述位置传感器系统将所述机头与所述工件自动地对准，就自动地对所述工件执行机械加工操作。
9.根据任一前述权利要求所述的机床，其中，所述机床是在飞行器翼盒组状型架中的飞行器翼盒部件中全自动化地钻制用于最终紧固件的孔的多轴机床。
10.一种对计算机数控机床的位置进行控制的方法，所述机床包括机头、位置传感器系统以及控制器，其中，所述机头具有一个或更多个加工工具并且所述机头能够相对于工件移动，所述位置传感器系统包括超声波探头，所述控制器联接至所述位置传感器，并且所述方法包括利用所述位置传感器系统对所述机头相对于所述工件的位置进行检测，以及利用所述控制器对所述机头相对于所述工件的所述位置进行闭环控制。
11.根据权利要求10所述的方法，还包括使用所述超声波探头来测量所述工件的材料厚度。
12.根据权利要求11所述的方法，其中，所述材料厚度测量步骤包括测量所述工件上的预定位置附近的材料厚度。
13.根据权利要求11或权利要求12所述的方法，其中，所述材料厚度测量步骤通过沿着所述机床的至少一个轴线进行扫描来执行。
14.根据权利要求13所述的方法，其中，所述扫描沿着所述机床的两个正交的轴线执行。
15.根据权利要求11至14中的任一项所述的方法，还包括使用所述位置传感器系统确定下述工件特征的几何中心，所述工件特征具有的材料厚度与所述工件特征周围的材料厚度不同。
16.根据权利要求11至14中的任一项所述的方法，还包括使用所述位置传感器系统确定工件特征的材料厚度轮廓。
17.根据权利要求10至16中的任一项所述的方法，还包括一旦已经使用所述位置传感器系统将所述机头与所述工件自动地对准，就自动地对所述工件执行机械加工操作。
18.根据权利要求17所述的方法，还包括使用所述机床在飞行器翼盒组装型架中的飞行器翼盒部件中全自动化地钻制用于最终紧固件的孔。
19.一种计算机数控机床，包括机头和超声波探头，所述机头具有一个或更多个加工工具并且所述机头能够相对于工件移动。
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