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Die Erfindung betrifft eine Bearbeitungsanlage für Flugzeugstrukturbauteile nach dem Oberbegriff des Anspruchs 1 sowie ein Verfahren zur Bearbeitung eines Flugzeugstrukturbauteils mit einer erfindungsgemäßen Bearbeitungsanlage.
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US 8,220,134 B2 beschreibt eine Bearbeitungsanlage für Flugzeugstrukturbauteile, bei der eine Nieteinheit mit einem Oberwerkzeug und einem Unterwerkzeug in einem C-förmigen Rahmen angeordnet ist. Dabei ist ein Aufspannrahmen zur Festlegung eines Flugzeugstrukturbauteils vorgesehen und an zwei Enden an jeweils einem Turm aufgenommen. Der Aufspannrahmen ist hierdurch an jedem Ende separat in der Höhe verfahrbar sowie um eine Längsachse verdrehbar. Die Nieteinheit in dem C-förmigen Rahmen ist insgesamt in einer waagerechten X-Achse verfahrbar, und die Türme sind jeweils in einer waagerechten, zu der X-Achse senkrechten Y-Achse verfahrbar.
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Aus der Praxis sind zudem Bearbeitungsanlagen bekannt, bei denen die Nieteinheit in einem geschlossenen, rechteckigen Rahmen aufgenommen ist, der von dem Aufspannrahmen durchgriffen wird. Die Nieteinheit ist innerhalb dieses Rahmens in der Y-Richtung verfahrbar, und der gesamte Rahmen ist in der X-Richtung verfahrbar. Die sind Türme sind dabei ortsfest angeordnet und nicht gegenüber einem Untergrund verfahrbar.
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Des Weiteren ist es bekannt, zur Bearbeitung von Flugzeugstrukturbauteilen ein Nietwerkzeug mit Ober- und Unterwerkzeug am Ende eines vielachsigen Roboterarms vorzusehen. Eine solche Anordnung ist nur für Bauteile von begrenzter Breite geeignet.
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Es ist die Aufgabe der Erfindung, eine Bearbeitungsanlage für Flugzeugstrukturbauteile anzugeben, die eine raumsparende Bearbeitung erlaubt.
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Diese Aufgabe wird für eine eingangs genannte Bearbeitungsanlage mit den Merkmalen des Anspruchs 1 gelöst. Durch das Vorsehen eines Schwenklagers an dem zweiten Rahmen kann auf einfache Weise eine Ausrichtung des Winkels von Ober- und Unterwerkzeugs zu einer Oberfläche des Werkstücks erzielt werden. Hierdurch kann insbesondere die notwendige Bewegung des Werkstücks mittels des zweiten Rahmens reduziert werden. Zudem wird für besonders stark bombierte Werkstücke oder für Werkstücke mit gegenüber der Oberfläche geneigten Strukturen eine Bearbeitung ermöglicht, die mit herkömmlichen Bearbeitungsanlagen nicht erzielbar ist.
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Unter einem Rahmen wird im Sinne der Erfindung jede tragende und in sich formsteife Struktur verstanden, an der eine Komponente gehalten ist. Ein Rahmen kann mehrere, voneinander separate Teilkomponenten umfassen.
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Im Sinne der vorliegenden Erfindung werden eine Längsrichtung, eine Querrichtung und gegebenenfalls eine Hochrichtung definiert, die jeweils zueinander gewinkelt sind. Hierdurch kann durch Bewegung entlang der gewinkelten Richtungen ein Punkt im Raum angefahren werden. Im Sinne der Erfindung handelt es sich bei Richtungen bevorzugt um raumfeste, unveränderliche Richtungen bzw. Achsen. Bei konkreten Realisierungen der Erfindung handelt es sich bei diesen Richtungen häufig, aber nicht notwendig, um raumfeste Achsen eines kartesischen Systems, wobei die Achsen die rechtwinklig zueinander orientiert sind. Für diesen konkreten Fall wird die Längsrichtung auch als X-Achse, die Querrichtung als Y-Achse und die Hochrichtung als Z-Achse bezeichnet.
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Unter einem Werkstück wird eine von der Bearbeitungsanlage zu bearbeitende Komponente einer Flugzeugstruktur verstanden. Im bevorzugten Sinn handelt es sich dabei um zu vernietende Leichtmetallbauteile des Flugzeugs, zum Beispiel Rumpf-, Flügel oder Leitwerkteile.
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Unter einem Werkzeugpaar mit einem Oberwerkzeug und einem Unterwerkzeug wird dabei insbesondere jedes Werkzeug verstanden, bei dem Oberwerkzeug und Unterwerkzeug zum Erreichen einer Bearbeitung gleichzeitig mit dem Werkstück zusammenwirken müssen. Hierdurch ergeben sich entsprechende Anforderungen an Verfahrwege, Halterung und Präzision der Positionierung des Werkzeugpaares.
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Allgemein handelt es sich bei einer erfindungsgemäßen Bearbeitungsanlage um eine rechnergesteuerte Anlage, bei der die Positionierungs- und Bearbeitungsvorgänge automatisiert mittels elektrischen, hydraulischen oder sonstigen Motoren und/oder Aktuatoren erfolgen.
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Bei einer allgemein bevorzugten Ausgestaltung der Erfindung umfasst das Werkzeugpaar ein Nietwerkzeug oder ein kombiniertes Werkzeug zum Bohren und Nieten. Dabei ist eines von beiden, insbesondere das Oberwerkzeug, zum Zuführen eines Niets ausgebildet, wobei das jeweils andere, insbesondere das Unterwerkzeug, bei einer Deformation des Niets als Gegenlager fungiert. Hierdurch werden entsprechende Anforderungen an die Krafteinleitung in den zweiten Rahmen gestellt. Bevorzugt liegt eine Kombination eines Bohr- und Nietwerkzeugs vor, wie sie allgemein und aus den eingangs genannten Bearbeitungsanlagen bekannt ist. Dabei kann nach Anfahren einer Bearbeitungsposition zunächst mittels eines Bohrwerkzeugs ein Loch in das Werkstück eingebracht werden, wonach mittels des kombiniert vorgesehenen Nietwerkzeugs ein Niet in das Loch eingebracht und verformt wird.
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Unter einem Schwenklager bzw. einer Verschwenkung des zweiten Rahmens wird allgemein eine Bewegung um die Schwenkachse verstanden, bei der auch eine zu der Achse senkrechte, lineare Bewegungskomponente überlagert sein kann. Eine solche überlagerte Bewegung wäre zum Beispiel realisierbar, wenn der zweite Rahmen über eine Lagerung in einer nicht kreisförmig gekrümmten Führungsbahn bewegt würde. In einem bevorzugten und einfach realisierbaren Spezialfall der Erfindung erfolgt die Verschwenkung jedoch als einfache Verdrehung, wobei die Schwenkachse als Drehachse ausgebildet ist. Eine solche Verdrehung kann besonders bevorzugt über ein einfaches Drehlager als Schwenklager erfolgen.
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Allgemein vorteilhaft ist der zweite Rahmen über das Schwenklager an einem Untergestell aufgenommen, wobei das Untergestell auf einer Führung in der Längsrichtung verfahrbar ist. Dies erlaubt eine einfache und zugleich genaue Positionierung des Werkzeugpaares in der Längsrichtung. Bei anderen Ausführungsformen könnte aber auch das Werkstück bzw. der erste Rahmen als in der Längsrichtung verfahrbar ausgebildet sein.
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Bei einer besonders stabilen Ausgestaltung der Halterung des Werkzeugpaares hat der zweite Rahmen eine geschlossen um das Werkzeugpaar umlaufende Tragstruktur, wobei das Werkstück eine von der Tragstruktur umfangene Öffnung durchgreift. Zum Beispiel kann es sich um einen rechteckigen Rahmen handeln, in dem das Oberwerkzeug und das Unterwerkzeug an jeweils gegenüberliegenden Seiten des Rahmens aufgenommen sind.
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Allgemein vorteilhaft ist zumindest eines von beiden, Oberwerkzeug oder Unterwerkzeug, relativ zu dem zweiten Rahmen in einer zu der Querrichtung gewinkelten Werkzeugrichtung einstellbar verfahrbar. Dies erlaubt eine besonders schnelle und genaue Positionierung in der Querrichtung. Bei anderen Ausführungsformen kann zusätzlichen oder alternativ das Werkstück bzw. der erste Rahmen in der Querrichtung verfahrbar ausgebildet sein.
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Bei einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst der erste Rahmen zwei Positioniertürme. Besonders bevorzugt sind die Positioniertürme separat voneinander ortsfest positionierbar. Zwischen den Positioniertürmen kann das Werkstück gehalten sein, wobei es gegebenenfalls mittels der Positioniertürme bewegbar ist. Eine separate Positionierung der Positioniertürme erlaubt eine Anpassung der Anlage an verschiedenen Größen von Werkstücken. Besonders bevorzugt sind die Positioniertürme ortsfest in dem Sinne, dass sie während der Bearbeitung eines Werkstücks nicht beweglich sind.
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Allgemein vorteilhaft hat der erste Rahmen zumindest eine erste Aufnahme und eine zweite Aufnahme, die an zwei gegenüberliegenden Endbereichen des Werkstücks angeordnet sind, wobei die erste Aufnahme in einer zu der Längsrichtung als auch der Querrichtung gewinkelten Hochrichtung einstellbar verfahrbar ist. Hierdurch lässt sich das Werkstück seinem Winkel zu dem Werkzeugpaar positionieren. Zur weiteren Ausrichtung ist bei einer bevorzugten Weiterbildung die erste Aufnahme einstellbar verdrehbar ausgebildet, wobei das Werkstück durch die Drehung der ersten Aufnahme um eine Werkstückachse verdrehbar ist. Die Werkstückachse kann insbesondere in etwa entlang einer größten Länge des Werkstücks verlaufen, wodurch die Verdrehung um die Werkstückachse besonders raumsparend wird.
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Weiter bevorzugt ist auch die zweite Aufnahme in der Hochrichtung einstellbar verfahrbar. Auf diese Weise können sowohl ein erstes Ende als auch ein zweites Ende des Werkstücks unabhängig voneinander in der Höhe verfahren werden, so dass sowohl eine Gesamthöhe als auch eine Neigung des Werkstücks um die Querrichtung einstellbar sind. Um eine bei der Höhenverstellung auftretende Abstandsänderung der Aufnahmen auszugleichen, kann an einer der Aufnahmen auf bekannte Weise ein Längenausgleich, zum Beispiel nach Art einer Teleskopführung, ausgebildet sein.
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Besonders bevorzugt ist ein Aufspannrahmen mit der ersten Aufnahme und mit der zweiten Aufnahme verbunden, wobei das Werkstück an dem Aufspannrahmen lösbar festlegbar ist und der Aufspannrahmen mittels der Aufnahmen bewegbar ist. Dies erlaubt ein präzises Einspannen und Positionieren auch großer und weitgehend beliebig geformter Werkstücke. Bei alternativen Ausgestaltungen kann das Werkstück aber auch selbsttragend zwischen den Aufnahmen angeordnet sein.
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Die Aufgabe der Erfindung wird zudem gelöst durch ein Verfahren zum Bearbeiten eines Flugzeugstrukturbauteils mittels einer erfindungsgemäßen Bearbeitungsanlage, umfassend die Schritte:
- a. Einspannen eines Werkstücks mit einer in der Längsrichtung nicht ebenen, insbesondere eine Bombierung aufweisenden Oberfläche in den ersten Rahmen und Kalibrieren einer Werkzeugposition relativ zu dem Werkstück;
- b. Anfahren einer ersten Bearbeitungsposition und Bearbeiten des Werkstücks;
- c. Anfahren einer zweiten, zumindest in der Längsrichtung verschiedenen Bearbeitungsposition, wobei der zweite Rahmen in Abhängigkeit von der Oberfläche des Werkstücks um die Schwenkachse verschwenkt wird, um die Werkzeugrichtung in ihrer Orientierung zu der Oberfläche des Werkstücks auszurichten;
- d. Bearbeiten des Werkstücks in der zweiten Bearbeitungsposition.
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Durch das Vorsehen der Schwenkachse an dem zweiten Rahmen kann die Anpassung der Werkzeugrichtung bzw. einer Bearbeitungsrichtung beim Anfahren der zweiten Bearbeitungsposition schnell und einfach erfolgen. Insbesondere bevorzugt wird dabei die Werkzeugrichtung senkrecht zu der Oberfläche an der Bearbeitungsposition ausgerichtet. Unter der Werkzeugrichtung wird bei Ausbildung des Werkzeugpaares als Nietwerkzeug insbesondere die Nietrichtung verstanden.
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Weitere Vorteile und Merkmale der Erfindung ergeben sich aus dem nachfolgend beschriebenen Ausführungsbeispiel sowie aus den abhängigen Ansprüchen. Nachfolgend wird ein bevorzugtes Ausführungsbeispiele der Erfindung beschrieben und anhand der anliegenden Zeichnungen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
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1 eine räumliche Gesamtansicht einer erfindungsgemäßen Bearbeitungsanlage,
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2 eine schematische Darstellung von Achsen, Richtungen und Ebenen der Bearbeitungsanlage aus 1 in der in 1 gezeigten Bearbeitungsposition,
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3 die schematische Darstellung aus 2 in einer zweiten Bearbeitungsposition und
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4 die schematische Darstellung aus 2 in einer dritten Bearbeitungsposition.
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Die in 1 gezeigte Bearbeitungsanlage umfasst einen ersten Rahmen 1, welcher einen ersten Positionierturm 2 und einen zweiten Positionierturm 3 umfasst. An jedem der Positioniertürme 2, 3 ist jeweils eine Aufnahme 4, 5 angeordnet, die jeweils mittels eines gesteuerten Antriebs in vorliegend senkrechten und parallelen Hochrichtungen H1, H2 verfahrbar sind.
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Jede der Aufnahmen 4, 5 ist um eine Werkstückachse A drehbar, wobei die Orientierung der Werkstückachse A von der jeweiligen Position der Aufnahmen 4, 5 in den Hochrichtungen H1, H2 abhängt.
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Ein Aufspannrahmen 6 ist zwischen den Aufnahmen 4, 5 festgelegt, so dass der Aufspannrahmen 6 mittels der Bewegungen der Aufnahmen 4, 5 in seiner räumlichen Orientierung veränderbar ist. Um dabei die separate Höhenverstellung der Aufnahmen 4, 5 zu ermöglichen, ist an einer der Aufnahmen 4, 5 auf bekannte Weise ein Längenausgleich vorgesehen.
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Ein Werkstück (nicht dargestellt) kann durch Halteglieder an dem Aufspannrahmen 6 ortsfest festgelegt werden, so dass das Werkstück gemeinsam mit dem Aufspannrahmen 6 im Raum verstellbar ist.
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Durch die einzelne Höhenverstellbarkeit der Aufnahmen 4, 5 und die Drehbarkeit um die Werkstückachse A ist insgesamt eine Verstellbarkeit des Werkstücks in drei Richtungen bzw. Achsen A, H1, H2 mittels des ersten Rahmens 1 bereitgestellt.
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Ein zweiter Rahmen 7 trägt ein Werkzeugpaar 8, das ein Oberwerkzeug 9 und ein Unterwerkzeug 10 umfasst. Das Werkzeugpaar 8 ist insgesamt als kombiniertes Werkzeug zum Bohren und Nieten ausgebildet. Dabei kann mittels des Oberwerkzeugs 9 zunächst eine Bohrung in das Werkstück eingebracht werden. Mittels gemeinsamer Interaktion des Oberwerkzeugs 9 und des Unterwerkzeugs 10 wird dann ein Niet in die Bohrung eingesetzt und deformiert.
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Das Oberwerkzeug 9 und das Unterwerkzeug 10 sind jeweils in dem zweiten Rahmen 7 in einer Querrichtung Q bewegbar, so dass eine Einstellung eines Bearbeitungspunktes im Wesentlichen über eine Breite des zweiten Rahmens 7 einstellbar sind.
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Der zweite Rahmen 7 hat eine geschlossen um das Werkzeugpaar umlaufende Tragstruktur, wobei das Werkstück bzw. der Aufspannrahmen 6 eine von der Tragstruktur umfangene Öffnung 11 durchgreift. Die Tragstruktur ist vorliegend als Rechteck aus zwei waagerechten Trägern 12, 13 und zwei dazu senkrecht stehenden Trägern 14, 15 ausgebildet. In den waagerechten Trägern 12, 13 befinden sich Antriebe zum jeweiligen Verfahren von Oberwerkzeug 9 und Unterwerkzeug 10 in der Querrichtung Q.
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Das Oberwerkzeug 9 und das Unterwerkzeug 10 sind jeweils relativ zu dem zweiten Rahmen 7 in einer zu der Querrichtung Q gewinkelten Werkzeugrichtung W einstellbar verfahrbar. Zur Vernietung sind dabei das Oberwerkzeug 9 und das Unterwerkzeug 10 auf derselben, in Werkzeugrichtung W erstreckten Achse ausgerichtet.
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Der zweite Rahmen 7 ist an einem Schwenklager 16 aufgenommen, so dass er um eine Schwenkachse B verschwenkbar ist. Vorliegend ist das Schwenklager 16 als Drehlager ausgebildet, so dass die Schwenkachse B eine zentrale Drehachse des Drehlagers 16 ist. Die Verschwenkung des zweiten Rahmens 7 erfolgt entsprechend gemeinsam mit dem an dem zweiten Rahmen 7 aufgenommenen Werkzeugpaar 8.
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Die Verschwenkung des zweiten Rahmens 7 ist über einen Drehantrieb 17 rechnergesteuert antreibbar. Insgesamt sind sämtliche vorstehend und nachfolgend beschriebenen Bewegungen der Bearbeitungsanlage rechnergesteuert angetrieben.
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Das Schwenklager 16 ist an einem Untergestell 18 abgestützt, sodass der zweite Rahmen 7 über das Schwenklager 16 an dem Untergestell 18 aufgenommen ist. Hierdurch ist der zweite Rahmen 7 ausreichend hoch positioniert, um frei verschwenken zu können.
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Das Untergestell 18 ist auf einer zwei Schienen umfassenden Führung 19 aufgesetzt, die sich in einer zu der Querrichtung Q gewinkelten Längsrichtung L erstreckt. Hierdurch ist das Untergestell gemeinsam mit dem zweiten Rahmen 2 auf der Führung 19 in der Längsrichtung L antreibbar verfahrbar.
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Auf diese Weise kann mittels des zweiten Rahmens 7 und seiner Aufnahme an dem verfahrbaren Untergestell 18 eine Einstellung des Bearbeitungspunktes des Werkzeugpaares 8 in drei Richtungen bzw. Achsen erfolgen, nämlich die Querrichtung Q, die Längsrichtung L und die Schwenkachse B.
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Die Ausdehnung des Ausspannrahmens 6 ist in der Längsrichtung L mehr als doppelt so groß wie in der Querrichtung Q. Entsprechend bedeutet die Einstellung einer Neigung des Aufspannrahmens 6 um die Querrichtung Q einen großen Hub der Aufnahmen 4, 5 in der Hochrichtung. Dies kann durch entsprechende Einstellung des Schwenkwinkels des zweiten Rahmens 7 begrenzt werden.
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Die Erfindung funktioniert nun wie folgt:
Zunächst wird ein Werkstück (nicht dargestellt) auf dem leeren Aufspannrahmen 6 festgelegt. Das Werkstück hat dabei bevorzugt eine Bombierung, die zumindest teilweise eine Krümmung um die Querrichtung aufweist, so dass es in der Längsrichtung nicht eben ist. Nachfolgend wird die Position des Werkzeugpaares 8 relativ zu dem Werkstück kalibriert.
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Sodann wird eine erste Bearbeitungsposition angefahren und das Werkstück wird in dieser Position bearbeitet. Hierzu wird mittels des Oberwerkzeugs 9 ein Loch in das Werkstück gebohrt und ein Niet eingesteckt. Der Niet wird dann durch Zusammenwirken von Oberwerkzeug 9 und Unterwerkzeug 10 deformiert bzw. geschlossen.
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Nachfolgend wird eine zweite Bearbeitungsposition angefahren, die zumindest in der Längsrichtung L von der ersten Bearbeitungsposition verschieden ist. Aufgrund der Nicht-Ebenheit des Werkstücks in der Längsrichtung L wird dabei der zweite Rahmen 7 in Abhängigkeit von der Oberfläche des Werkstücks um die Schwenkachse B verschwenkt. Hierdurch wird die Werkzeugrichtung W in ihrer Orientierung zu der Oberfläche des Werkstücks und im Raum neu ausgerichtet. Insbesondere ist es beim Vernieten im Regelfall gewünscht, dass die Werkzeugrichtung W senkrecht zu der Oberfläche des Werkstücks im Bearbeitungspunkt ausgerichtet ist.
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Nachfolgend wird das Werkstück in der zweiten Bearbeitungsposition und gegebenenfalls in weiteren Bearbeitungspositionen bearbeitet.
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Die Bewegungen des Aufspannrahmens 6 bzw. des Werkstücks und es Werkzeugpaares 8 werden auch durch die Zeichnungen 2 bis 4 erläutert. In 2 ist schematisiert dieselbe Position der Bearbeitungsanlage wie in 1 dargestellt.
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In 3 wurden die Aufnahmen 4, 5 entlang der Hochrichtungen H1, H2 unterschiedlich verfahren, so dass der Aufspannrahmen 6 und somit die Werkstückachse A um die Querrichtung Q gekippt sind. Der zweite Rahmen 7 wurde um die Schwenkachse B geschwenkt, so dass die Werkzeugrichtung W wiederum senkrecht auf dem Aufspannrahmen 6 steht.
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In 4 wurde der Aufspannrahmen 6 zusätzlich um die Werkstückachse A gedreht, wobei die Werkzeugrichtung W nicht senkrecht auf dem Aufspannrahmen 6 steht. Dies entspricht einer Situation, in der die Oberfläche des Werkstücks in dem Bearbeitungspunkt eine entsprechende Neigung gegenüber dem Aufspannrahmen 6 aufweist, so dass die Werkzeugrichtung W entsprechend angepasst wird.
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Allgemein wird zu der Erfindung angemerkt, dass die Winkelstellung der Richtungen L, Q, und H1 bzw. H2 zueinander nicht notwendig, aber bevorzugt rechtwinklig ist. In einem solchen Fall entsprechen die Richtungen einem ortsfesten kartesischen System aus X,- Y- und Z-Richtung (siehe auch 2).
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Bezüglich der Werkzeugrichtung W kann diese bei einer einfachen Ausführungsform als nicht vollständig einstellbare Richtung vorliegen. So kann zum Beispiel nur ein gegebenenfalls geringer Hub des Oberwerkzeugs 9 vorgesehen sein, um zwischen zwei Bearbeitungspunkten zu wechseln. Das Unterwerkzeug kann dabei keine oder nur einen geringen Hub aufweisen, wobei eine Höhenverstellung des Werkstücks während des Wechsels des Bearbeitungspunktes durch die Hochrichtungen H1, H2 erfolgt. Bei einer solchen Ausführungsform umfasst die Bearbeitungsanlage insgesamt sechs frei bewegbare Achsen: H1, H2, A, Q, L und B.
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Bei einer ebenso möglichen Ausführungsform der Erfindung können sowohl das Oberwerkzeug 9 als auch das Unterwerkzeug 10 um einen größeren Hub entlang der Werkzeugrichtung W verfahrbar sein, so dass die Werkzeugrichtung W als vollwertige Einstellachse zur Einstellung des Bearbeitungspunktes ausgebildet ist. Dies ermöglicht es, einen Hub der Hochrichtungen H1 und H2 klein zu halten. Je nach Länge des Werkstücks bzw. des Aufspannrahmens 6 kann hierdurch auch die Gesamtbauhöhe der Bearbeitungsanlage gering gehalten werden.
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Bei einer denkbaren Weiterentwicklung kann bei entsprechender Auslegung der Verstellbarkeit des Werkzeugpaares 8 entlang der Werkzeugrichtung W auch auf die Verstellung entlang einer, insbesondere beider, der Hochrichtungen H1, H2 verzichtet werden.
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ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNG
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Zitierte Patentliteratur
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