DE60206979T2

DE60206979T2 - Mehrachsige Handwerkzeugmaschine

Info

Publication number: DE60206979T2
Application number: DE60206979T
Authority: DE
Inventors: Shawn Frehner Brown; George Eric Bible
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2001-02-12
Filing date: 2002-02-12
Publication date: 2006-07-27
Anticipated expiration: 2022-02-13
Also published as: US6382889B1; CA2369784A1; EP1231018A3; CA2369784C; DE60206979T3; EP1231018A2; DE60206979D1; EP1231018B1; EP1231018B2

Description

Umfeld der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf Mehrachsen-Maschinen zum Positionieren eines Maschinenwerkzeugs, zum Beispiel eines Bohrers, einer Nietmaschine oder dergleichen relativ zu einer Anordnung oder einem Werkstück, an dem Arbeitsverfahren von dem Werkzeug durchgeführt werden. Die Erfindung bezieht sich besonders auf eine tragbare Mehrachsen-Positioniermaschine, die an einer Anordnung oder einem Werkstück, welches bearbeitet wird, befestigt ist, so dass Positionierung und Ausrichtung der Maschine durch physikalisches Indizieren der Maschine gegenüber Merkmalen des Werkstücks bestimmt sind (siehe zum Beispiel US-5,468,099-A).
Hintergrund der Erfindung
Der augenblickliche Stand der Technik bedingt bei numerisch gesteuertem Bohren oder Bearbeiten von größeren Strukturen wie zum Beispiel Flugwerkkomponenten die Benutzung von großen fest installierten Mehrachsen-Maschinen, die auf einem Fundament montiert sind und typischerweise einen großen Arbeitsbereich, um auf alle Teile der größten Anordnungen, deren Bearbeitung zu erwarten ist, zugreifen zu können, besitzen. Diese Maschinen sind ziemlich teuer und haben außerdem eine Reihe von Limitierungen im Betrieb. Zum Beispiel haben diese Maschinen nur eine Welle und können daher zu einem Zeitpunkt Arbeitsvorgänge nur an einer Stelle der Anordnung durchführen. Wegen des großen Arbeitsbereiches ist es für die Maschinen schwierig, die engen Toleranzen über den gesamten Bereich der Bewegungsmöglichkeiten in allen Achsen der Maschine einzuhalten. Weiterhin benötigen die Maschinen permanent Stellfläche, und es ist erforderlich, dass die zu bearbeitenden Anordnungen zu der Maschine gebracht werden. Die Maschine muss dann die Struktur durch Untersuchen bekannter Merkmale der Struktur „erfassen", so dass die Steuereinheit der Maschine weiß, wo sich die Anordnung relativ zu der Maschine befindet. Typischerweise wird eine „Beste-Anpassung"-Berechnung auf Basis der Untersuchungsdaten gemacht, um eine möglichst enge Übereinstimmung zwischen der numerischen Nominaldefinition der Struktur und den Untersuchungsdaten zu erreichen. Sobald dieser Prozess fertig gestellt ist, kann der Arbeitsvorgang beginnen. Während der Bearbeitung ist es häufig notwendig, weitere Hilfsmittel wie zum Beispiel Laserausrichtungssysteme oder dergleichen einzusetzen, um die Maschine relativ zu der Struktur richtig auszurichten. Es ist weiterhin üblich, dass eine Rekalibrierung der Maschine relativ zu der Anordnung während des Arbeitsvorgangs notwendig ist.
Die Notwendigkeit, dass die Maschine ein oder mehrere Male während des Arbeitsablaufs an das Werkstück kalibriert werden muss, hat einen signifikant negativen Einfluss auf die gesamte Effizienz und die Kosten des Prozesses. Weiterhin bedeutet die Notwendigkeit, dass das Werkstück zu der Maschine gebracht wird, dass nichtproduktive Übertragungszeit in den Prozess eingebracht wird.
Zusammenfassung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung versucht die oben beschriebene Situation durch Bereitstellen einer tragbaren Mehrachsen-Maschine zu verbessern. Die Untersuchung des zu bearbeitenden Werkstücks und „Beste-Anpassung"-Kalibrierung der numerischen Steuereinheit an das Werkstück werden durch physikalisches Indizieren der Maschine gegenüber dem Werkstück durch Eingreifen der Maschine mittels Fittings oder anderen Merkmalen an bekannten Stellen des Werkstücks eliminiert. Sobald die Maschine mit den Fittings oder Merkmalen in Eingriff gebracht ist, ist ein Koordinatensystem in einer bekannten Position und Ausrichtung relativ zu dem Werkstück in der Maschine automatisch begründet. Außerdem kann das Werkstück an einem festen Ort bleiben, weil die Maschine tragbar ist. Die Maschine ist relativ klein in Größe und Gewicht, so dass mehr als eine Maschine an verschiedenen Abschnitten des Werkstücks zur selben Zeit arbeiten kann, wodurch die Produktivität verbessert wird.
Zu diesem Zweck ist einer Mehrachsen-Maschine gemäß der Erfindung nach Anspruch 1 definiert.
Vorzugsweise hat der Rahmen eine Werkstückeingriffseite, die so strukturiert und angeordnet ist, um mit einem Dreipunktkontakt an einer Oberfläche des Werkstücks anzukoppeln, so dass der Rahmen an Oberflächen mit unterschiedlicher und komplexer Kontur stabil ankoppelt und der Dreipunktkontakt ungefähr Normalität zwischen einer Z-Achse der Maschine und der Oberfläche des Werkstücks einrichtet. Zudem umfassen die Positionierungsvorrichtungen vorzugsweise XY-Positionierungsvorrichtungen, die betreibbar sind, das jeweilige Ende des Bearbeitungsmoduls unabhängig entlang jeder der zwei Translationsachsen X und Y, die eine XY-Ebene parallel zu der XY-Ebene der anderen XY-Positionierungsvorrichtung definieren und beabstandet zu dieser entlang der Z-Achse ist, zu verstellen. Die XY-Positioniervorrichtungen sind zum unabhängigen Verstellen entlang der X- und Y-Achsen in ihrer entsprechenden XY-Ebene betätigbar. Entsprechend kann die Maschine für viele verschiedene Werkstückoberflächenkonturen Normalität zwischen der Achse des Werkzeughalters und der Werkstückoberfläche an jedem Punkt innerhalb des Arbeitsbereichs der Maschine erreichen.
In bevorzugten Ausführungsformen der Erfindung indiziert die Maschine gegenüber dem Werkstück durch ein Paar von Indexzylindern, die an dem Rahmen mit ihren Achsen parallel zur Z-Achse der Maschine montiert sind. Ein Paar von Werkzeugkugeln oder ähnliche sphärische Fittings sind starr an dem Werkstück in bekannten Positionen befestigt, um als Referenzpunkte zu dienen. Die Werkzeugkugeln werden von den Indexzylindern der Maschine aufgenommen, wodurch die Maschine sich gegenüber dem Werkstück indiziert. Einer der Indexzylinder ist an einer festen Stelle an dem Rahmen montiert, und der andere Zylinder ist verschiebbar, um den Abstand zwischen den Indexzylindern einzustellen.
Das Bearbeitungsmodul ist mit den Positioniervorrichtungen über drehbare Verbindungen wie z.B. Kugellager oder dergleichen gekoppelt. In einer Ausführungsform ist das Bearbeitungsmodul an der ersten Positioniervorrichtung über eine Kardananordnung, die es dem Bearbeitungsmodul ermöglicht, um erste und zweite Rotationsachsen, die senkrecht zu der Wellenachse des Bearbeitungsmoduls sind, zu schwenken, befestigt, und die zweite Positioniervorrichtung ist mit dem Arbeitsmodul über ein Kugellager gekoppelt, um die Schwenkbewegungen des Bearbeitungsmoduls aufzunehmen. Die Schwenkbewegungen des Bearbeitungsmoduls werden durch entsprechende Steuerung der Positioniervorrichtungen erzeugt, die Differenzbewegungen zwischen den beiden Positioniervorrichtungen entlang der X- und/oder Y-Achsen liefern. Weil der Arbeitsbereich der Maschine relativ klein ist, ist der geforderte Bereich der Schwenkbewegungen, um Normalität der Wellenachse zu der Werkstückoberfläche an jedem Punkt in dem Arbeitsbereich zu erreichen, relativ klein (z.B. circa 30 Grad oder weniger) für Werkstücke, die relativ große Krümmungsradien besitzen, was auf Teile von Flugwerken wie z.B. Flügel und Rumpfabschnitte zutrifft. Entsprechend gibt es keine Notwendigkeit, den weiten Bereich von Drehbewegung entlang der Rotationsachsen bereitzustellen, was üblicherweise in großen fest installierten Mehrachsen-Maschinen vorgesehen ist.
Die erste XY-Positioniervorrichtung umfasst vorzugsweise ein erstes Paar von beabstandeten X-Achsenschienen, die nahe der werkstück-eingreifenden Seite des Rahmens montiert sind. Eine erste X-Achsenantriebanordnung führt das Bearbeitungsmodul entlang der X-Achsenschienen der ersten Positioniervorrichtung. Die zweite Positioniervorrichtung umfasst mindestens eine X-Achsenschiene, die an der Seite des Rahmens gegenüber der werkstück-eingreifenden Seite montiert ist. Ein entferntes Ende des Bearbeitungsmoduls ist entlang der Schiene von der zweiten Positioniervorrichtung von einer zweiten X-Achsenantriebanordnung, die unabhängig steuerbar von der ersten X-Achsenantriebanordnung ist, geführt. Das Bearbeitungsmodul ist entlang einem ersten Paar von Y-Achsenschienen, die sich zwischen dem ersten Paar von X-Achsenschienen erstrecken und verschiebbar mit diesen verbunden sind, verschiebbar und ist in Y-Richtung durch eine erste Y-Achsenantriebsanordnung angetrieben. Das entfernte Ende des Bearbeitungsmoduls ist entlang mindestens einer zweiten Y-Achsenschiene, die verschiebbar mit einer zweiten X-Achsenschiene verbunden ist, verschiebbar und ist in Y-Richtung von einer zweiten Y-Achsenantriebsanordnung angetrieben, die unabhängig von der ersten Y-Achsenantriebsanordnung steuerbar ist.
In einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst die Maschine mehrere Vakuumvorrichtungen, die an der werkstückeingreifenden Seite des Rahmens montiert sind, um das Werkstück in Eingriff zu bringen und die Maschine gegen das Werkstück durch das Vakuum zu drücken, um die Maschine so zu stabilisieren.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Die obigen und weitere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden durch die folgende Beschreibung bestimmter bevorzugter Ausführungsformen ersichtlicher werden, wenn sie im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen betrachtet werden, in denen:
1 eine perspektivische Ansicht einer tragbaren Mehrachsen-Bohrmaschine entsprechend einer Ausführungsform der Erfindung ist;
2 eine perspektivische Ansicht eines Rahmens einer Bohrmaschine in allgemeiner Draufsicht ist;
3A eine Querschnittsansicht durch den verschiebbaren Indexzylinder der Maschine ist, die eine Werkzeugkugel zeigt, die an dem Werkstück montiert ist und in dem verschiebbaren Indexzylinder aufgenommen ist;
3B eine Querschnittsansicht durch den befestigten Indexzylinder der Maschine ist, die eine Werkzeugkugel zeigt, die an dem Werkstück montiert ist und in dem festen Indexzylinder aufgenommen ist;
4 eine perspektivische Ansicht des Rahmens der Maschine in einer allgemeinen Unteransicht ist;
5 eine Seitenansicht der Kardananordnung ist, die in der Maschine montiert ist; und
6 eine perspektivische Ansicht von der einzelnen Kardananordnung ist.
Detaillierte Beschreibung der Erfindung
Die vorliegende Erfindung wird nun im Folgenden unter Bezugnahme auf die beigefügten Zeichnungen, in denen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung gezeigt sind, vollständiger beschrieben. Diese Erfindung kann, wie auch immer, in vielen verschiedenen Ausgestaltungen ausgeführt sein und sollte nicht begrenzt gemäß der hierin dargelegten Ausführungsformen ausgelegt sein; vielmehr werden diese Ausführungsformen zur Verfügung gestellt, so dass diese Offenbarung genau und vollständig sein wird und den Umfang dieser Erfindung gemäß den angehängten Ansprüchen an Fachleute vollständig übermitteln wird. Ähnliche Nummern verweisen durchwegs zu ähnlichen Elementen.
In Bezug auf die Zeichnungen ist eine tragbare Mehrachsen-Bohrmaschine 20 gemäß einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung gezeigt. Die Maschine 20 umfasst einen Rahmen 30, der durch eine erste Endplatte 32, eine zweite Endplatte 34 parallel zu der ersten Endplatte und davon beabstandet entlang einer X-Achse der Maschine, einer ersten X-Achsenantriebsschiene 36 gekoppelt zwischen den Endplatten parallel zu der X-Achse, einer ersten X-Achsenmitläuferwalzenschiene 38 gekoppelt zwischen den Endplatten parallel zu dem Schienenantrieb 36 und beabstandet davon entlang einer Y-Achse der Maschine, und eine zweite X-Achsenantriebsschiene 40 gekoppelt zwischen den Endplatten parallel zu der ersten X-Achsenantriebsschiene 36 und benachbart davon entlang einer Z-Achse der Maschine, gebildet wird. Der Antrieb und die Mitläuferwalzenschienen 36, 38 sind benachbart zu einer werkstück-eingreifenden Seite des Rahmens 30 angeordnet, und die zweite Antriebsschiene 40 ist benachbart an einer gegenüberliegenden oder entfernten Seite des Rahmens angeordnet.
Jede der X-Achsenantriebsschienen 36, 40 umfasst eine lineare Antriebsvorrichtung. Die erste X-Achsenantriebsschiene 36 umfasst einen Schiebeblock 42, der entlang der Schiene verschiebbar ist und mit einer internen Antriebsanordnung (nicht gezeigt), die in der Schiene angeordnet ist und mit einem ersten X-Achsenantriebsmotor 44 gekoppelt ist, um die interne Antriebsanordnung zu betätigen, verbunden ist, so dass der Schiebeblock 42 entlang der Schiene angetrieben wird. Vergleichbar weist die zweite X-Achsenantriebsschiene 40 einen Schiebeblock 46 auf, der an eine interne Antriebsanordnung (nicht gezeigt), die innerhalb der Schiene und mit einem zweiten X-Achsenantriebsmotor 48 gekoppelt ist, gekoppelt ist, um den Schiebeblock 46 entlang der Schiene anzutreiben. Vorteilhafterweise können die X-Achsenantriebsschienen ERS 80 Lineareantriebe umfassen, die bei der Daedal Abteilung von Parker Hannifan of Harrison City, Pennsylvania, erhältlich sind. Die beiden X-Achsenantriebsmotoren 44, 48 sind unabhängig voneinander steuerbar. Die X-Achsenmitläuferwalzenschiene 38 umfasst ein lineares Lager (nicht gezeigt), welches intern innerhalb der Schiene angeordnet ist und mit einem Schiebeblock 50 verbunden ist. Vorteilhafterweise kann die Schiene 38 eine ELS8080 mit ESR45W Schiene umfassen, die ebenfalls bei der Daedal Abteilung von Parker Hannifan erhältlich ist. Aber es ist klar, dass die Antriebsschienen alternativ verschiedene andere Typen von linearen Antriebsvorrichtungen aufweisen können, dies umfasst Schraubenantriebsvorrichtungen, pneumatische oder hydraulische Zylinder, lineare Magnetantriebsvorrichtungen oder dergleichen. Vergleichbar kann die Mitläuferwalzenschiene andere Typen von linearen Lagerungsvorrichtungen aufweisen.
Der Schiebeblock 42 auf der ersten X-Achsenantriebsschiene 36 und der Schiebeblock 50 auf der X-Achsenmitläuferwalzenschiene 38 sind miteinander in Richtung der X-Achse ausgerichtet. Eine Kardananordnungsstützplatte 52 ist an ihren gegenüberliegenden Enden an den Schiebeblöcken 42 und 50 befestigt. Entsprechend verursacht ein Betätigen des ersten X-Achsenmotors 44, dass die Stützplatte 52 entlang der Schienen 36, 38 in X-Richtung angetrieben wird.
Ein Bearbeitungsmodul in Form eines Bohrers 54 ist an einer Kardananordnung 56 angebracht, die wiederum auf einer Kardananordnungsstützplatte 52 angebracht ist. Insbesondere in Bezug auf 6 umfasst die Kardananordnung 56 einen äußeren Kardanring 58, der unter einer Öffnung 60 in der Stützplatte 52 angeordnet ist und von einem Paar von Schwenkachsen 62 an diametral gegenüberliegenden Seiten des äußeren Kardanrings 58 drehbar unterstützt ist. Die Schwenkachsen 62 bestimmen eine erste Rotationsachse R1, die im Allgemeinen parallel zur X-Achse ist. Ein innerer Kardanring 64 ist im Inneren der mittleren Öffnung des äußeren Kardanrings 58 angeordnet und ist daran über ein Paar Schwenkachsen 66, die diametral an gegenüberliegenden Seiten des inneren Kardanrings 64 angeordnet sind, drehbar befestigt. Die Schwenkachsen 66 bestimmen eine zweite Rotationsachse R2, die senkrecht zu der ersten Rotationsachse R1 und im Allgemeinen parallel zur Y-Achse ist. Der Bohrer 54 ist verschiebbar in der mittleren Öffnung des inneren Kardanrings 64 eingepasst, so dass er entlang einer Achse, die mit der Achse des inneren Kardanrings übereinstimmt, verschoben werden kann. Somit ermöglicht die Kardananordnung 56, dass die Ausrichtung der Achse des Bohrers 54 über einer oder beider der Rotationsachsen R1 und R2 verändert werden kann.
Diese Änderung in der Ausrichtung des Bohrers wird durch unterschiedliche Translationsbewegungen der beiden XY-Positioniervorrichtungen, die in die Maschine eingebaut sind, hervorgerufen. Eine erste XY-Positioniervorrichtung umfasst die erste X-Achsenantriebsschiene 36 und Mitläuferwalzenschiene 38 mit dem zugeordneten ersten X-Achsenantriebsmotor 44 und einem Paar von Y-Achsenschienen 70 und 72, die an der Kardananordnungsstützplatte 52 so montiert sind, dass sie senkrecht zu der X-Achsenantriebsschiene 36 und Mitläuferwalzenschiene 38 sind. Die Y-Achsenschienen 70, 72 sind beabstandet entlang der X-Achse an gegenüberliegenden Seiten der mittleren Öffnung 60 der Stützplatte 52 angeordnet. Die erste XY-Positioniervorrichtung umfasst ein Paar von Y-Achsenantriebsmotoren 74, 76, die jeweils an Schraubantriebanordnungen 78, 80 gekoppelt sind, die jeweils den Y-Achsenschienen 70, 72 zugeordnet sind. Die Schraubantriebanordnungen 78, 80 sind in Antriebseingriff mit einem Paar von Schiebern 82, 84, die jeweils auf den Y-Achsenschienen 70, 72 montiert sind, um darauf entlang verschoben zu werden. Die Schieber 82, 84 stützen die Drehachsen 62 für den äußeren Kardanring 58. Daher verursacht ein Betätigen der Y-Achsenantriebsmotoren 74, 76 eine Translation der gesamten Kardananordnung 56 in Y-Richtung innerhalb der Öffnung 60 der Kardanstützplatte 52. Entsprechend kann die erste XY-Positioniervorrichtung den Bohrer 54 an jede Position innerhalb des XY-Arbeitsbereichs der Maschine durch entsprechendes Betätigen der X-Achsen- und Y-Achsenantriebsmotoren positionieren. Vorteilhafterweise umfassen all diese Antriebsmotoren Schrittmotoren mit Encodern, so dass diese von einem geeigneten numerischen Steuersystem gesteuert werden können.
Die Maschine weist weiterhin eine zweite XY-Positioniervorrichtung auf, die eine zweite X-Achsenantriebsschiene 40 und zugeordneten X-Achsenantriebsmotor 48 und eine Y-Achsenschiene 88, die auf einer Stützplatte 90 montiert ist, die an einem Schiebeblock 46 der X-Achsenantriebsschiene 40 befestigt ist, umfasst. Ein Y-Achsenantriebsmotor 92 ist mit einer Schraubantriebanordnung 94, die in Antriebseingriff mit einem Schieber 96, der entlang der Y-Achsenschiene 88 verschiebbar ist, gekoppelt. Somit führt eine Betätigung des Y-Achsenantriebsmotors 92 den Schieber 96 entlang der Y-Achsenschiene 88. Der Schieber 96 hat einen Steuerarm 98, der daran befestigt ist, und sich im Allgemeinen parallel zur X-Achse ausbreitet. Ein Steuerarmende 100 ist drehbar an dem Steuerarm 98 befestigt, so dass er um die Achse des Steuerarms 98 drehbar ist. Ein fernes Ende des Steuerarmendes 100 definiert eine Öffnung darin, welche sich senkrecht zu der Achse des Steuerarms erstreckt und in welcher ein Pin 102 verschiebbar aufgenommen ist. An dem Pin 102 ist an einem von dem Steuerarmende 100 entfernten Ende des Pins ein Kugellager 104 angebracht. Das Kugellager 104 ist in einer zylindrischen Öffnung aufgenommen, die in einem Winkelprofilteil 106 ausgebildet ist, welches starr an einer Platte 108, die sich im Allgemeinen parallel zu der Z-Achse der Maschine erstreckt, befestigt ist. Ein Ende der Platte 108, welches entfernt von dem Winkelprofilteil 106 angeordnet ist, ist an einer Platte (nicht sichtbar in den Zeichnungen) befestigt, die wiederum an dem inneren Kardanring 64 befestigt ist.
Differentielle Translationsbewegungen, die dem Steuerarm 98 von der zweiten XY-Positionierungsvorrichtung erteilt werden, werden über das Steuerarmende 100, Pin 102, Kugellager 104, Winkelprofilteil 106 und Platte 108 zu dem inneren Kardanring 64 und infolgedessen zu dem Bohrer 54 übertragen. Daher wird der Bohrer 54 über einer oder beider der Rotationsachsen R1 und R2 in Übereinstimmung mit den differentiellen Translationsbewegungen zwischen der ersten und der zweiten XY-Positioniervorrichtung gedreht. Die verschiebbare Verbindung zwischen dem Pin 102 und dem Steuerarmende 100 stellt eine verlängerbare Verbindung zur Aufnahme der Drehbewegungen des Bohrers dar. Weil der Arbeitsbereich der Maschine klein ist und die Werkstücke relativ kleine Krümmungen aufweisen, kann der benötigte Bereich der Drehbewegungen von jeder der Rotationsachsen R1 und R2 relativ klein sein. Beispielsweise würde ein Bereich von ca. 30 Grad entlang jeder Achse im Allgemeinen hinreichend für Rumpf und Flügelabschnitte sein, und in der Tat würde sogar ein wesentlich kleinerer Bereich, wie z.B. ca. 10 Grad, ausreichend für die erhebliche Mehrheit solcher Abschnitten sein.
Wie zuvor bemerkt, wird durch die Maschine 20 die Notwendigkeit, das zu bearbeitende Werkstück zu untersuchen, um die Lage und Orientierung der Maschine relativ zu dem Werkstück zu ermitteln, beseitigt. Mit Bezug auf die 3A, 3B und 4 wird dies in der dargestellten bevorzugten Ausführungsform durch einen festen Indexzylinder 110 und einen verschiebbaren Indexzylinder 112 erreicht, welche an der werkstück-eingreifenden Seite des Rahmens der Maschine montiert sind. Eine Stützstange 114 für den festen Indexzylinder 110 ist zwischen der X-Achsenantriebsschiene 36 und der Mitläuferwalzenschiene 38, benachbart zur zweiten Endplatte 34 liegend, eingefügt. Weiterhin sind an der Stützstange 114 ein Paar von ausschwenkbaren Stützfüßen 116 beabstandet an der gegenüberliegenden Seite von dem festen Indexzylinder 110 montiert. Der feste Indexzylinder 110 definiert eine zylindrische Öffnung darin, deren Achse parallel zu der Z-Achse der Maschine ist und welche planparallel mit jeder Achse ist, um welche die schwenkbaren Stützfüße 116 drehbar sind. Der verschiebbare Indexzylinder 112 ist an einer verschiebbaren Stützstange 120 montiert, die mit der ersten X- Achsenantriebsschiene 36 und der Mitläuferwalzenschiene 38 verschiebbar verbunden ist, so dass der verschiebbare Indexzylinder 112 in X-Richtung verschoben werden kann, um den Abstand zwischen dem festen und dem verschiebbaren Indexzylinder einzustellen. Ein dritter schwenkbarer Stützfuß 122 ist an der Stützstange 120 montiert. Der verschiebbare Indexzylinder 112 definiert eine zylindrische Öffnung darin, deren Achse parallel zu der Z-Achse der Maschine ist und welche planparallel mit der Achse von der zylindrischen Öffnung in dem festen Indexzylinder 110 ist. Weiterhin ist die Schwenkachse des dritten schwenkbaren Fußes 122 planparallel mit den Achsen der Öffnungen in dem festen und verschiebbaren Indexzylindern. Diese gemeinsame Ebene, welche die Achsen der Indexzylinder 110, 112 und des Stützfußes 122 enthält, ist parallel zu der X-Achse der Maschine in der dargestellten Ausführungsform.
Gemäß der Erfindung wird das zu bohrende Werkstück W zum Bohren vorbereitet, indem ein Paar von sphärischen Werkzeugkugeln B (3A und 3B) an bekannten Positionen und Ausrichtungen relativ zu dem Werkstück angebracht werden, so dass die Kugeln B über die Oberfläche S des Werkstücks herausragen. Der Abstand zwischen den zwei Werkzeugkugeln B ist innerhalb des Bereichs des Abstands, der zwischen dem festen und dem verschiebbaren Indexzylinder der Maschine 20 erreicht werden kann. Die Maschine 20 ist gegenüber der Oberfläche S des Werkstücks W derart platziert, dass die Werkzeugkugeln B in den zylindrischen Öffnungen in den festen und verschiebbaren Indexzylindern 110, 112 aufgenommen werden und, dass die drei schwenkbaren Stützfüße 116, 122 an die Werkstückoberfläche ankoppeln. Das Gewicht der Maschine kann von einem geeigneten Stützmechanismus (nicht gezeigt), wie z.B. eine Gegengewichtvorrichtung oder dergleichen, gestützt werden. Die Stützfüße werden abhängig von der Kontur der Oberfläche wie benötigt geschwenkt. Die Werkzeugkugeln B passen genau in die zylindrischen Öffnungen von den festen und verschiebbaren Indexzylindern. Infolgedessen ist die Position und Ausrichtung der Maschine 20 relativ zu dem Werkstück W vollständig durch das Eingreifen der Werkzeugkugeln B in die Indexzylinder 110, 112 und durch das Ankoppeln der Stützfüße 116, 120 an die Oberfläche des Werkstücks bestimmt. Die numerische Steuerung der Maschine hat, wenn sie mit der numerischen Definition der Kontur der Oberfläche S des Werkstücks und den Positionen der Werkzeugkugeln programmiert ist, alle Informationen, die sie braucht, um in der Lage zu sein, die verschiedenen Antriebsmotoren der Maschine zu steuern, um so die Achse des Bohrers 54 zur Achse eines zu bohrenden Lochs irgendwo innerhalb des XY-Arbeitsbereichs der Maschine auszurichten. Obwohl die dargestellte bevorzugte Ausführungsform Indexzylinder und sphärische Werkzeugkugeln einsetzt, ist klar, dass andere Ausführungen von Indexvorrichtungen an der Maschine bereitgestellt werden können, um an entsprechend angeordnete Indexfittings, die an dem Werkstück befestigt sind, anzukoppeln.
Gemäß 5 und 6 wird der Bohrer 54 entlang seiner Achse durch mehrere flüssigkeitsbetätigte Zylinder 124, die an dem inneren Kardanring 64 befestigt sind und deren Gestänge 126 an einer Schubplatte 128 befestigt sind, welche wiederum an einem Nasenteil 130 des Bohrers 54 befestigt ist, ausgefahren und zurückgefahren. Eine Verlängerung der Zylinderstangen bewegt den Bohrer vorwärts in Richtung der Werkstückoberfläche und ein Zurückfahren der Stangen zieht den Bohrer von der Werkstückoberfläche weg. Die Zylinder 124 pressen das Nasenstück 130 gegen die Werkstückoberfläche bevor ein Loch gebohrt wird, so dass eine Vorlastkraft zwischen der Maschine und dem Werkstück angewendet wird. Diese Vorlastkraft hilft, die Maschine zu stabilisieren. Der Bohrer 54 wird dann betätigt, um ein rotierendes Bohrwerkzeug (nicht gezeigt), welches an einer Spindel des Bohrers montiert ist, vorwärts zu bewegen, um ein Loch zu bohren, und um dann das Bohrwerkzeug zurückzufahren. Sobald das Loch fertig ist, werden die Zylinder 124 betätigt, um den Bohrer 54 von der Werkstückoberfläche zurückzufahren, so dass das Nasenstück 130 von der Werkstückoberfläche beabstandet ist; die Maschine kann dann betätigt werden, um den Bohrer zu einer neuen Position entlang der Werkstückoberfläche zum Bohren eines anderen Lochs zu bewegen. Die Zylinder 124 können einfach wirkende Zylinder sein, die durch Flüssigkeitsdruck ausgefahren werden und durch interne Spiralfedern zurückgefahren werden, wenn der Flüssigkeitsdruck aufhört. Anstatt von Flüssigkeitszylindern 124 können andere Typen von Vorrichtungen zum Ausfahren und Zurückfahren des Bohrers benutzt werden, wie z.B. Kugelumflaufspindelmechanismen oder dergleichen. Einfach wirkende Zylinder werden in erster Linie wegen ihrer Einfachheit, Zuverlässigkeit, relativ geringen Kosten und Betätigungsgeschwindigkeit verglichen mit anderen Typen von Vorrichtungen, die verwendet werden könnten, bevorzugt.
Die Maschine 20 in der dargestellten bevorzugten Ausführungsform der Erfindung umfasst mehrere Vakuumvorrichtungen 140 (1), die an dem Rahmen benachbart zu der werkstück-eingreifenden Seite befestigt sind. Die Vakuumvorrichtungen 140 umfassen Vakuumfüße 142, die an die Oberfläche des Werkstücks ankoppelbar sind und die mit Vakuumleitungen 144 mit einer geeigneten Vakuumpumpe (nicht gezeigt) verbunden sind. Wenn die Vakuumfüße an die Werkstückoberfläche ankoppeln und die Vakuumquelle betätigt wird, erzeugt das Vakuum, welches von den Vakkumfüßen an der Werkstückoberfläche produziert wird, eine Kraft, welche die Maschine 20 gegen das Werkstück presst. Diese Kraft stabilisiert die Maschine.
Fachleuten, die von dieser Erfindung betroffen sind, werden viele Änderungen und andere Ausführungsformen dieser Erfindung einfallen, welche die Vorteile der dargestellten Lehre in den vorangegangenen Beschreibungen und zugeordneten Zeichnungen besitzen. Zum Beispiel ist verständlich, dass, obwohl die Erfindung anhand einer Bohrmaschine erklärt wurde, die Maschine zum Positionieren anderer Werkzeuge als Bohrern benutzt werden kann. Darüber hinaus kann, obwohl die bevorzugte Ausführungsform wie hierin beschrieben die Fähigkeit der Rotation in zwei unterschiedlichen Achsen besitzt, das Prinzip der Erfindung auch auf Maschinen, die nur eine Rotationsachse besitzen, angewendet werden (z.B. indem die zwei Positionierer für synchrone Bewegungen entlang der X-Achse miteinander verbunden werden, während eine unabhängige Bewegung der Positionierer in Y-Richtung erlaubt ist, oder umgekehrt). Daher ist verständlich, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten bestimmten Ausführungsformen beschränkt ist und dass Änderungen und weitere Ausführungsformen auch von dem Umfang der beigefügten Ansprüche mit umfasst sein sollen. Obwohl hier spezifische Begriffe verwendet werden, werden sie nur in einem allgemeinen und beschreibenden Sinn benutzt und nicht zum Zweck der Beschränkung.

Claims

Tragbare Mehrachsen-Maschine (20) zum Positionieren eines Werkzeugs (54) gegenüber einem Werkstück, mit: einem Rahmen (30), welcher derart aufgebaut und angeordnet ist, dass er eine Oberfläche des Werkstücks und Bezugsmerkmale auf dem Werkstück greift, um den Rahmen gegenüber dem Werkstück zu positionieren und auszurichten; und einem Bearbeitungsmodul zum Halten eines Werkzeugs in einem Werkzeughalter und zum Betätigen des Werkzeugs zur Durchführung eines Bearbeitungsvorgangs an dem Werkstück; und einer ersten Zweiachsen-Positioniervorrichtung, welche an dem Rahmen angebracht ist und zur unabhängigen Verstellung entlang von zwei ersten Translationsachsen X₁Y₁ dient, dadurch gekennzeichnet, dass beabstandet von der ersten Zweiachsen-Positioniervorrichtung eine zweite Zweiachsen-Positioniervorrichtung an dem Rahmen angebracht ist, wobei die zweite Zweiachsen-Positioniervorrichtung zur unabhängigen Verstellung entlang von zwei zweiten Translationsachsen X₂Y₂ dient, welche im Wesentlichen parallel zu den ersten Achsen und davon entlang einer Z-Achse, welche im Wesentlichen parallel zu den X- und Y-Achsen und zu dem durch den Eingriff des Rahmens mit den Oberflächen S des Werkstücks W ausgerichteten Werkstück ist, beabstandet angeordnet sind; und dass das Bearbeitungsmodul zwischen den Zweiachsen-Positioniervorrichtungen derart angebracht ist, dass das Bearbeitungsmodul durch synchrone Translationsbewegungen der Zweiachsen-Positioniervorrichtungen verstellt und durch differenzielle Translationsbewegungen der Zweiachsen-Positioniervorrichtungen um mindestens eine Achse gedreht wird.
Maschine (20) nach Anspruch 1, wobei der Rahmen (30) eine feste Indexvorrichtung, welche gegenüber dem Rahmen in einer festen Position angebracht ist, und eine bewegbare Indexvorrichtung, welche gegenüber dem Rahmen verstellbar angebracht ist, um einen Abstand zwischen der festen Indexvorrichtung und der bewegbaren Indexvorrichtung zu verändern, aufweist, wobei die beiden Indexvorrichtungen benachbart zu einer das Werkstück greifenden Seite des Rahmens angebracht sind, um ein Paar von Indexfittings, welche fest an dem Werkstück an voneinander auf vorbestimmte Art und Weise beabstandeten Stellen davon befestigt sind, aufzunehmen, wobei die Indexvorrichtungen dadurch die Maschine gegenüber dem Werkstück W indizieren.
Maschine (20) nach einem der Ansprüche 1–2, wobei die das Werkstück greifende Seite des Rahmens (30) drei Schwenkfüße (116, 122) aufweist, welche einen Dreifuss zum Greifen des Werkstücks bilden.
Maschine (20) nach einem der Ansprüche 1–3, wobei die das Werkstück greifende Seite des Rahmens (30) eine Vielzahl von Vakuumvorrichtungen (140) aufweist, um die Maschine gegen das Werkstück mit Hilfe von Vakuum zu pressen.
Maschine (20) nach Anspruch 1, wobei jede Zweiachsen-Positioniervorrichtung zum Verstellen entlang jeder der entsprechenden Translationsachsen unabhängig von der anderen Zweiachsen-Positioniervorrichtung derart ausgestaltet ist, dass das Bearbeitungsmodul unabhängig um jede der beiden Rotationsachsen gedreht werden kann.
Maschine (20) nach einem der Ansprüche 1–5, wobei die erste Zweiachsen-Positioniervorrichtung mindestens eine erste X-Achsenschiene aufweist, entlang welcher das Bearbeitungsmodul verstellt werden kann, und wobei die zweite Zweiachsen-Positioniervorrichtung mindestens eine zweite X-Achsenschiene aufweist, entlang welcher das Bearbeitungsmodul verstellt werden kann.
Maschine (20) nach Anspruch 6, wobei jede Zweiachsen-Positioniervorrichtung mindestens eine Y-Achsenschiene, welche entlang der entsprechenden X-Achsenschiene verstellbar ist, aufweist.
Maschine (20) nach Anspruch 6 oder 7, wobei die Zweiachsen-Positioniervorrichtungen über Kugellageranordnungen mit dem Bearbeitungsmodul gekoppelt sind.
Maschine (20) nach Anspruch 8, wobei eine der Kugellageranordnungen eine Kardananordnung umfasst.
Maschine (20) nach Anspruch 8 oder 9, wobei eine der Kugellageranordnungen eine verlängerbare Verbindung aufweist, die in eine im Allgemeinen zu der Z-Achse parallele Richtung verlängerbar ist, um eine Drehbewegung des Bearbeitungsmoduls aufzunehmen.
Maschine (20) nach einem der Ansprüche 1–10, wobei das Bearbeitungsmodul zum Ausfahren und Zurückfahren des Werkzeughalters entlang einer Achse, die im Allgemeinen normal zu der Oberfläche S des Werkstücks W ist, ausgestaltet ist.
Maschine (20) nach Anspruch 11, wobei das Bearbeitungsmodul einen Bohrer (54) umfasst.