DE60209039T2

DE60209039T2 - Positioniermaschine mit flexibler schiene

Info

Publication number: DE60209039T2
Application number: DE60209039T
Authority: DE
Inventors: M. Theodore Snohomish BOYL-DAVIS; N. James Seattle BUTTRICK; A. Roger Marysville GAGE; D. Darrell Mill Creek JONES; D. Kostandinos Southfield PAPANIKOLAOU
Original assignee: Boeing Co
Current assignee: Boeing Co
Priority date: 2001-12-10
Filing date: 2002-11-04
Publication date: 2006-08-24
Anticipated expiration: 2022-11-05
Also published as: DE60209039D1; EP1463605A2; WO2003049899A3; DE60227294D1; EP1563950B8; BR0214844A; JP2006502867A; CA2469617A1; AU2002354002A1; WO2003049899A2; EP1563950B1; JP4381812B2; EP1463605B1; US20030116331A1; US6843328B2; BR0214844B1; CA2469617C; EP1563950B2; CN1617785A; EP1563950A1

Description

BEREICH DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung betrifft Maschinen zum Bohren oder Ausführen von anderen Arbeitsvorgängen auf großen Werkstücken, welche als Platten mit einer einfachen oder komplizierten Kontur oder dergleichen ausgestaltet sind, wie z.B. Tragflächen- und Rumpfabschnitte für ein Flugzeug. Die Erfindung betrifft insbesondere eine Maschine mit einer flexiblen Führung und ein Verfahren zum Positionieren einer Arbeitsfunktionseinheit, wie z.B. einem Bohrer, einer Markierungsvorrichtung oder dergleichen, relativ zu einem Werkstück, indem die Funktionseinheit entlang einer Führung, welche auf dem Werkstück montiert oder an diesem indiziert ist, verläuft.
HINTERGRUND DER ERFINDUNG
Das Problem eines genauen Bohrens von Löchern in großen Werkstücken, wie z.B. Tragflächen- und Rumpfplatten eines Flugzeugs, und anderen Typen von Strukturen ist eine andauernde Herausforderung in der Luftfahrtindustrie wie auch in anderen Industrien, und es ist eine Herausforderung, für welche eine vollständig zufrieden stellende Lösung, welche für einen weiten Bereich von Werkstückkonfigurationen anwendbar ist, bisher nicht zur Verfügung steht. Große Maschinen mit einem festen Monument, wie z.B. fünfachsige Bohrmaschinen, können für einige Typen von Werkstücken eingesetzt werden, aber diese Maschinen sind in der Beschaffung und Arbeit recht teuer. Im Gegensatz dazu ist eine relativ kostengünstige Lösung des vorab stehenden Problems, welches durch den Rechtsnachfolger der vorliegenden Anmeldung und andere entwickelt worden ist, einen automatischen Bohrer oder eine andere Arbeitsfunktionseinheit auf einer Führung, welche an dem Werkstück montiert ist, zu montieren. Der Bohrer oder die Funktionseinheit wird auf einem Schlitten gehalten, welcher sich entlang der Führung bewegt, welche durch ein Paar paralleler Schienen, die auf dem Werkstück montiert sind, ausgebildet ist. Für Beispiele solcher Vorrichtungen siehe das US-Patent Nr. 4,850,763, welches dem Rechtsnachfolger der vorliegenden Anmeldung zugewiesen ist, und das US-Patent Nr. 3,575,364.
Bei den vorab angemerkten Patenten wurden die dargestellten und beschriebenen Ausführungsformen auf Werkstücke angewendet, welche keine Oberflächen mit komplizierten Konturen aufweisen. Die Bezeichnung "mit komplizierter Kontur" bzw. „kompliziert umrissen", wie sie hier verwendet wird, wird verwendet, um eine Oberfläche mit einer Krümmung in mehr als einer Richtung zu bezeichnen. Auf solch einer Oberfläche mit einer komplizierten Kontur ist es im Allgemeinen nicht möglich, ein Paar gerader, flexibler Schienen derart zu legen, dass die Schienen sich an die Oberflächenkontur anpassen und an allen Punkten entlang der Schienen denselben Abstand aufweisen. Daher ist die Oberfläche einer Kugel ein Beispiel einer Oberfläche mit einer komplizierten Kontur, da im allgemeinen Fall der Abstand zwischen einem Paar flexibler Schienen, welche auf der Oberfläche liegen, variieren wird. Im Gegensatz dazu weist ein kreisförmiger Zylinder keine Oberfläche mit einer komplizierten Kontur auf, da die Schienen entweder in einer Umfangsrichtung, axialen Richtung oder spiralförmigen Richtung gelegt werden können und der Abstand zwischen ihnen konstant sein kann. Bei dem vorab angemerkten US-Patent Nr. 3,575,364 sind ein Paar flexibler Schienen in der Umfangsrichtung um ein kreisförmiges zylindrisches Werkstück herum montiert. Es ist einzusehen, dass die Schienen bei solch einer Anordnung perfekt parallel sein können, da die zylindrische Oberfläche eine Oberfläche mit einer einfachen Kontur ist. Die Schienen bei dem '364-Patent sind flexibel ausgebildet, so dass sie sich einer Vielzahl von Oberflächen anpassen können, aber sogar solche flexiblen Schienen können nicht exakt mit demselben Abstand an allen Punkten entlang der Schienen ausgebildet werden, wenn sie auf einer Oberfläche mit einer komplizierten Kontur montiert sind. Darüber hinaus verdrehen sich Schienen, welche entlang von zwei unterschiedlichen Bahnen auf einer Oberfläche mit einer komplizierten Kontur montiert sind, aufgrund der unterschiedlichen Richtungen der Oberflächennormalen entlang der zwei Bahnen unterschiedlich voneinander. Dies macht es schwierig, einen Schlitten entlang der Schienen zu bewegen und eine gute Genauigkeit der Schlittenpositionierung zu erhalten.
Es ist möglich, ein Paar von beabstandeten Schienen auf einer Oberfläche mit einer komplizierten Kontur derart zu montieren, dass die Schienen denselben Abstand an allen Punkten entlang der Schienen aufweisen, aber nur indem die Schienen für die bestimmte Werkstückoberfläche kundenspezifisch entworfen werden. Wenn solche kundenspezifisch entworfenen Schienen auf einer Oberfläche mit anderen Konturen verwendet werden würden, würden sie nicht denselben Abstand an allen Punkten aufweisen. Während es sehr wünschenswert ist, einen Bohrer oder eine andere Maschinenkomponente auf einem Paar von Schienen bewegen zu können, welche auf einer Oberfläche mit einer komplizierten Kontur montiert sind, ist es auch wünschenswert, dieselbe Vorrichtung für eine große Vielzahl von Oberflächenkonturen verwenden zu können, einschließlich Oberflächen mit einer einfachen und mit einer komplizierten Kontur.
ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
Durch die vorliegende Erfindung, wie sie in dem Vorrichtungsanspruch 1 und dem Verfahrensanspruch 22 definiert ist, werden die vorab stehenden Bedürfnisse angegangen und andere Vorteile erzielt, wobei die Erfindung eine Maschine mit flexibler Führung für ein genaues Positionieren eines Bohrers oder einer anderen Maschinenkomponente bereitstellt, die auf Oberflächen mit einer einfachen und einer komplizierten Kontur von verschiedenen Konfigurationen verwendet werden kann. Die Maschine besitzt kein festes Monument oder Fundament; vielmehr hält das Werkstück selbst die Maschine. Insbesondere sind ein Paar Schienen auf dem Werkstück montiert, und der Bohrer oder die andere Maschinenkomponente bewegt sich entlang der Schienen. Für die vorab angemerkten Schwierigkeiten, welche mit einem Verlegen von Schienen auf Oberflächen mit einer komplizierten Kontur verbunden sind, scheint es ratsam zu sein, die Schienen in alle Biegerich tungen flexibel auszubilden, so dass sie als Splines agieren, und die Lage von jeder Schiene an einer Mehrzahl von festen Punkten, welche entlang der Schiene beabstandet sind, zu befestigen, so dass die Schienen genau parallel sind. Die vorliegende Erfindung verfolgt nicht diesen Ansatz.
Erfindungsgemäß wird ein Paar von beabstandeten flexiblen Schienen derart auf dem Werkstück montiert, dass sich die Schienen entlang einer X-Achsen-Richtung, entlang welcher der Bohrer oder eine andere Maschinenkomponente zu bewegen ist, erstrecken. Die Schienen werden näherungsweise parallel angeordnet, aber, wie angemerkt ist, werden sie nicht genau parallel verlaufen, wenn die Oberfläche eine komplizierte Krümmung aufweist. Ein X-Achsen-Schlitten ist gleitbar auf den Schienen montiert und hält den Bohrer oder die andere Maschinenkomponente. Der X-Achsen-Schlitten wird angetrieben, wobei nur eine der Schienen als eine Referenzschiene verwendet wird, um die X-Achsen-Position des Schlittens einzustellen. Die andere Schiene wird nicht als eine Referenz verwendet, sondern wird nur verwendet, um Kräften auf den Schlitten in einer Z-Achsen-Richtung (d.h. senkrecht zu der Werkstückoberfläche), z.B. vom Bohrschub, entgegenzuwirken. Die Schienen sind bezüglich eines Biegens um eine erste Biegeachse relativ steif und bezüglich eines Biegens um eine zweite Biegeachse senkrecht zu der ersten Biegeachse relativ flexibel. Dies wird durch bevorzugte erfindungsgemäße Ausführungsformen bewerkstelligt, indem die Schienen als Strukturen ausgestaltet sind, welche einer länglichen Platte ähnlich sind und eine Breite, welche viel größer als ihrer Dicke ist, aufweisen. Die Schienen werden auf dem Werkstück montiert, wobei der Hauptteil der Oberflächen der Platten ähnlichen Schienen im Wesentlichen parallel zu der Werkstückoberfläche liegt, so dass die erste Biegeachse im Wesentlichen senkrecht zu der Werkstückoberfläche (parallel zu der Z-Achse) steht und die zweite Biegeachse im Wesentlichen parallel zu der Werkstückoberfläche (parallel zu der Y-Achse) liegt. Die Schienen können sich daher biegen und verdrehen, um im Wesentlichen den Oberflächennormalen der Werkstückoberfläche zu folgen. Auf diese Weise können die Schienen den X- Achsen-Schlitten positionieren, so dass er die Oberflächenormale des Werkstücks an irgendeiner gegebenen Position entlang der Schienen widerspiegelt.
Die Maschinenkomponente kann ein Bohrer sein, wie es vorab angemerkt ist, aber es kann auch ein anderer Typ einer Vorrichtung sein, wobei eine Markierungsvorrichtung zum Aufbringen von Markierungen auf das Werkstück oder eine Schweißvorrichtung eingeschlossen ist, aber es nicht auf diese beschränkt ist. In jedem Fall wird die Maschinenkomponente vorzugsweise auf dem X-Achsen-Schlitten mittels eines Y-Achsen-Schlittens montiert, welcher wiederum auf dem X-Achsen-Schlitten montiert ist, um so entlang der Y-Achse bewegbar in der Richtung, entlang welcher sich der X-Achsen-Schlitten entlang der Schienen bewegt, zu bewegen. Daher ist die Maschinenkomponente in jeder der zwei Achsen unabhängig versetzbar.
Die Erfindung ermöglicht dadurch die dreidimensionale Positionierung eines Bohrers oder dergleichen relativ zu dem Werkstück derart, dass sie durch eine numerische Programmierung in nur zwei Achsen, d.h. der X- und der Y-Achse zu bewerkstelligen ist, da die Schienen und der X-Achsen-Schlitten derart funktionieren, dass der Bohrer automatisch senkrecht zu der Werkstückoberfläche positioniert wird, wenn der Bohrer geeignet auf dem X-Achsen-Schlitten montiert ist. Gemäß einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform wird eine mathematische Definition der dreidimensionalen Oberfläche des Werkstücks in ein zweidimensionales flaches Modell transformiert und eine numerische Programmierung einer Steuereinheit für die Antriebssysteme des X-Achsen- und des Y-Achsen-Schlittens wird in den zwei Achsen des flachen Modells ausgeführt. Daher ist die Programmierung verglichen mit herkömmlichen Multi-Achsen-Maschinen, welche eine Programmierung in drei oder mehr Achsen erfordern, deutlich vereinfacht.
Die Schienen können in verschiedenen Weisen an dem Werkstück angebracht werden. Bei einer Ausführungsform wird eine Mehrzahl von beabstandeten Halte rungsvorrichtungen auf dem Werkstück montiert und die Schienen werden lösbar an die Halterungsvorrichtungen angebracht. Die Halterungsvorrichtungen können durch Vakuum an dem Werkstück angebracht werden.
Der X-Achsen-Schlitten ist vorzugsweise durch flexible Halterungen an den Schienen montiert, welche sich verschiedenen Biegungen und/oder Verdrehungen anpassen können, die entlang jeder Schiene von einem Ende bis zu dem anderen auftreten, wenn sie auf einer Oberfläche mit einer komplizierten Kontur montiert sind. Die flexiblen Halterungen können plattenförmige Federn, welche an dem X-Achsen-Schlitten befestigt sind und darauf montierte Rollen zum Eingriff mit der Schiene aufweisen, oder Lagerfahrzeuge, welche durch sphärische Lager mit dem X-Achsen- Schlitten gekoppelt sind und die darauf montierten Rollen aufweisen, umfassen.
Bei der bevorzugten Ausführungsform umfassen die flexiblen Halterungen plattenförmige Federn, welche fest in der Nähe ihrer Mitten an dem X-Achsen-Schlitten befestigt sind, so dass gegenüberliegende Enden jeder Feder in einer freitragenden Weise von dem X-Achsen-Schlitten gehalten werden. Die Rollen zum Eingriff mit der Schiene sind auf den freitragenden Enden der Federn montiert. Die Federn weisen vorzugsweise eine Breite auf, welche in der Mitte am kleinsten und an den Enden am größten ist, so dass sich die Feder vorzugsweise in der Mitte und selten an den Enden verdrillt.
Die X-Achsen-Antriebsvorrichtung setzt vorzugsweise ein Zahnradgetriebe ein, welches auf einem freitragenden Ende der plattenförmigen Feder montiert ist, das sich über einer der Schienen (d.h. der Referenzschiene) befindet. Das Zahnradgetriebe befindet sich mit einer Zahnstange in Eingriff, welche auf der Referenzschiene montiert ist. Um die Höhe des Zahnradgetriebes relativ zu der Zahnstange zu steuern, so dass die Höhe im Wesentlichen konstant bleibt, wenn der X-Achsen-Schlitten entlang der Referenzschiene getrieben wird, liegt die Drehachse des Zahnradgetriebes vorzugsweise in derselben Ebene wie die Drehachse eines Paars von Rollen, welche auf dem Ende der Feder montiert sind. Die Rollen sind vorzugsweise Rollen mit einer V-Vertiefung, welche V-förmige Vertiefungen definieren, mit welchem sich die gegenüberliegenden Kanten der Schiene in Eingriff befinden, wodurch eine Bewegung der Rollen relativ zu der Schiene in der im Allgemeinen senkrecht zu der Werkstückoberfläche liegenden Richtung verhindert wird.
Bei einer bevorzugten Ausführungsform einer Bohrmaschine mit flexibler Führung gemäß der Erfindung wird eine Vorlastkraft zwischen dem X-Achsen-Schlitten und der Oberfläche des Werkstücks vor einem Bohren eines Loches aufgebracht, wobei eine senkrechte Komponente der Vorlastkraft eine größere Größe als eine senkrechte Komponente einer Rückstellkraft auf den X-Achsen-Wagen, welche durch einen Schub des Bohrers während des Bohrens verursacht wird, aufweist. Diese Vorlastkraft hilft die Maschine zu stabilisieren und nimmt jegliches Spiel in der Z-Richtung auf, welches in den Verbindungen zwischen den Halterungsvorrichtungen, den Schienen, dem Schlitten, usw. existieren könnte. Vorzugsweise wird die Vorlastkraft durch einen Druckfuß, welcher an dem Bohrer angebracht ist, aufgebracht. Der Druckfuß ist vorzugsweise derart mit dem Bohrer verbunden, dass der Rückstellkraft, welche durch den Bohrschub verursacht wird, durch den Druckfuß entgegengewirkt wird, so dass die Vorlastkraft zwischen dem Druckfuß und dem Werkstück verringert wird.
KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
Die vorab ausgeführten und andere Aufgaben, Merkmale und Vorteile der Erfindung werden aus der folgenden Beschreibung von bestimmten bevorzugten Ausführungsformen davon verständlicher, wenn es im Zusammenhang mit den beigefügten Zeichnungen gesehen wird, wobei gilt:
1 ist eine Perspektivansicht einer Bohrmaschine mit flexibler Führung gemäß einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform;
2 ist eine Perspektivansicht der Maschine, wobei die Bohrspindel entfernt ist;
3 ist eine der 2 ähnliche Perspektivansicht, aber ohne die Vakuumsaugnäpfe und ohne die Montageelemente für die Bohrspindel;
4 ist eine Perspektivansicht, welche die Anordnung des X-Achsen-Schlittens und des Y-Achsen-Schlittens im Eingriff mit den Schienen, im Allgemeinen von oben, darstellt;
5 ist eine der 4 ähnliche Perspektivansicht, im Allgemeinen von unten;
6 ist eine Querschnittsansicht durch die Bohranordnung der Maschine; und
7 ist eine Perspektivansicht einer alternativen erfindungsgemäßen Ausführungsform.
DETAILLIERTE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
Die vorliegende Erfindung wird nun im Folgenden im Detail mit Bezug auf die beigefügten Zeichnungen, in welchen bevorzugte Ausführungsformen der Erfindung dargestellt sind, beschrieben. Diese Erfindung könnte jedoch in vielen anderen Formen ausgebildet werden und sollte nicht auf die hier dargestellten Ausführungsformen beschränkt angesehen werden; vielmehr sind diese Ausführungsformen vorhanden, damit diese Offenbarung genau und vollständig ist und damit der Umfang der Erfindung dem Fachmann vollständig übermittelt wird. Ähnliche Bezugszeichen betreffen überall ähnliche Elemente.
Mit Bezug auf 1 wird eine Maschine 20 gemäß einer bevorzugten erfindungsgemäßen Ausführungsform dargestellt. Die Maschine umfasst ein Paar Schienen 22, 24, an welchen eine Mehrzahl von Halterungsvorrichtungen, vorzugsweise in der Form von Vakuumsaugnapfanordnungen 26 lösbar in beabstandeten Abständen entlang der Länge jeder Schiene befestigt ist. Die Schienen 22, 24 weisen vorzugsweise eine Breite auf, welche wesentlich größer als ihre Dicke ist, so dass sie bezüglich einer Biegung um eine Achse, welche sich in der Dickenrichtung erstreckt, wesentlich steifer sind, als sie bei einer Biegung um eine Achse sind, welche sich in der Breitenrichtung erstreckt. Die Schienen sind näherungsweise parallel zueinander ausgerichtet, obwohl der seitliche Abstand zwischen den Schienen variieren kann, wenn die Schienen auf einer Werkstückoberfläche mit einer komplizierten Kontur montiert werden. Vorzugsweise sind die Schienen miteinander nur an einem Ende durch ein Verbindungsteil 28 fest befestigt, welches den Abstand zwischen den Schienen an diesem Ende fixiert. An anderen Stellen entlang der Schienen kann der Abstand zwischen den Schienen variieren, wie es angemerkt ist. Es kann an dem gegenüberliegenden Ende der Schienen ein anderes Verbindungsteil 28' geben, aber dieses Verbindungsteil 28' sorgt für eine "gleitende" Verbindung, welche ermöglicht, dass der Abstand zwischen den Schienen derart eingestellt wird, wie er abhängig von der Kontur der Werkstückoberfläche benötigt wird.
Die Breiten der Schienen erstrecken sich im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Werkstücks, wenn die Vakuumsaugnäpfe an der Werkstückoberfläche angebracht sind. Da die Schienen leicht um die Breitenrichtungen gebogen und um ihre Längsachsen verdreht werden können, können die Schienen gebogen und verdreht werden, wie es erforderlich ist, um der Oberfläche des Werkstücks im Wesentlichen zu folgen und die Vakuumsaugnapfanordnungen halten jede Schiene in einem im Wesentlichen konstanten Abstand von der Oberfläche des Werkstücks. Auf diese Weise befinden sich die meisten Oberflächen der Schienen im Wesentlichen senkrecht zu der Oberflächennormalen des Werkstücks bei irgendeinem Punkt entlang jeder Schiene.
Auf den Schienen ist ein X-Achsen-Schlitten 30 (2–5) montiert, welcher aufgrund von Rollen 32, welche an dem Schlitten 30 montiert sind und sich mit den Schienen in Eingriff befinden, entlang der Schienen gleitet. Der X-Achsen-Schlitten 30 bei der dargestellten Ausführungsform umfasst ein plattenförmiges Teil. Die Rollen 32 sind entlang jeder gegenüberliegenden Seitenkante des Wagens montiert. Genauer sind federnde Platten 34 und 36 (am besten in 5 dargestellt) an dem Schlitten 30 neben einer unteren Oberfläche davon an jeder der gegenüberliegenden Seitenkanten des Schlittens angebracht. Die federnden Platten sind an dem X-Achsen-Schlitten an Stellen 37 (5) befestigt, welche von den gegenüberliegenden Enden der federnden Platten nach innen beabstandet sind, so dass jede federnde Platte zwei gegenüberliegende Endabschnitte aufweist, welche von dem Schlitten aus freitragend sind. Die Rollen 32 sind auf diesen freitragenden Endabschnitten der federnden Platten 34, 36 montiert. Es gibt zwei gegenüberliegende Rollen 32, welche an jedem freitragenden Endabschnitt jeder federnden Platte 34, 36 montiert sind. Jede Schiene 22, 24 ist zwischen den gegenüberliegenden Rollen 32 aufgenommen. Die Schienen 22, 24 weisen vorzugsweise V-förmige Kanten auf, welche sich mit den Rollen in Eingriff befinden, und die Rollen sind Rollen mit einer V-Vertiefung, welche V-förmige Vertiefungen aufweisen, die die V-förmigen Kanten der Schienen aufnehmen. Die Rollen verhindern somit eine Relativbewegung zwischen den Rollen und den Schienen in der Richtung entlang der Drehachsen der Rollen, welche im Wesentlichen senkrecht zu der Werkstückoberfläche liegen.
Die federnden Platten 34, 36, auf welchen die Rollen montiert sind, biegen und drehen sich, wie es notwendig ist (d.h. vorgeschrieben durch die Kontur der Werkstückoberfläche, wenn sich der X-Achsen-Schlitten auf den Schienen bewegt), um einen begrenzten Umfang einer Relativbewegung zu ermöglichen, welche zwi schen dem X-Achsen-Schlitten 30 und den Rollen 32 auftritt. Dies wird ermöglicht, indem die federnden Platten an ihren Mitten relativ schmal und an ihren Enden breiter ausgebildet sind, so dass sich die Platten vorzugsweise in der Mitte biegen und verdrehen und selten an den Enden, wo die Rollen montiert sind. Daher kann ein begrenzter Umfang einer Relativbewegung zwischen dem X-Achsen-Schlitten und den Schienen 22, 24 auftreten. Das Endergebnis ist, dass die Maschine 20 mit flexibler Führung ermöglicht, dass sich der X-Achsen-Schlitten entlang der X-Achse (d.h. der Achse parallel zu der Längsrichtung der Schienen) bewegt, auch wenn die Schienen ein wenig in unterschiedlicher Weise relativ zueinander gebogen und verdreht sind. Eigentlich stimmen die Schienen 22, 24 mit der Kontur der Werkstückoberfläche überein und sind daher an eine Normale zu der Oberfläche an irgendeinem Punkt entlang der Bahn, welche durch die Schienen definiert wird, angenährt. Folglich bleibt eine Referenzachse des Schlittens (bei der dargestellten Ausführungsform einer Achse senkrecht zu der Ebene des Schlittens) im Wesentlichen senkrecht zu der Werkstückoberfläche an irgendeiner Position des Schlittens entlang der Schienen.
Eine Zahnstange 38 (2 und 3) für eine Zahnstangen- und Zahnrad-Anordnung ist entlang der Oberfläche der Schiene 24, welche der federnden Platte 36 gegenüberliegt, montiert. Ein Motor 40 und ein zugeordnetes Getriebegehäuse 42 sind auf der federnden Platte 36 montiert. Eine Ausgangswelle von dem Getriebegehäuse 42 weist ein Zahnradgetriebe 44 auf, welches darauf montiert ist, und die federnde Platte 36 umfasst eine Öffnung 46 (4), durch welche sich das Zahnradgetriebe erstreckt, um mit der Zahnstange 38 auf der Schiene 24 in Eingriff zu kommen. Daher treibt eine Drehung des Zahnradgetriebes 44 den X-Achsen-Wagen 30 entlang der Schienen. Es sei angemerkt, dass die Schiene 24 mit der Zahnstange 38 eine Referenzschiene umfasst, bezüglich welcher die X-Achsen-Positionierung des X-Achsen-Schlittens ausgeführt wird. Es wird kein Versuch unternommen, die X-Achsen-Positionierung des Schlittens relativ zu der anderen Schiene 22 zu bestimmen oder zu steuern.
Es ist für eine genaue Steuerung der X-Achsen-Position des X-Achsen-Schlittens wichtig, dass das Zahnradgetriebe 44 eine konstante Höhe relativ zu der Zahnstange 38 an jedem Punkt entlang der Referenzschiene 24 aufweist. Um diese Höhensteuerung zu bewerkstelligen, liegt die Drehachse des Zahnradgetriebes 44 vorzugsweise in derselben Ebene, wie diejenige, welche durch die Drehachsen der zwei Rollen 32 definiert ist, die auf dem Ende der federnden Platte 36 montiert sind. Genauer liegen die Achsen der Rollen 32 parallel zueinander und im Wesentlichen senkrecht zu der Werkstückoberfläche, und die Achse des Zahnradgetriebes 44 liegt im Wesentlichen parallel zu der Werkstückoberfläche und liegt in der Ebene der Rollenachsen.
Ein Y-Achsen-Schlitten 50 ist gleitbar auf dem X-Achsen-Schlitten 30 montiert, so dass der Y-Achsen-Schlitten entlang einer Y-Achsen-Richtung senkrecht zu der X-Achsen-Richtung zurück und vor gleiten kann. Genauer sind ein Paar Schienen 52, 54 an gegenüberliegenden Kanten des X-Achsen-Schlittens 30 befestigt, und Rollen 56 sind auf dem Y-Achsen-Schlitten montiert, um mit den Schienen 52, 54 in Eingriff zu kommen. Eine Zahnstange 58 für eine Zahnstangen- und Zahnrad-Anordnung ist an dem X-Achsen-Schlitten entlang der Kante davon neben der Schiene 54 (siehe 5) befestigt. Ein Motor 60 und ein zugeordnetes Getriebegehäuse 62 sind auf einer Platte 64 montiert, welche an dem Y-Achsen-Schlitten neben der Zahnstange 58 befestigt ist. Die Platte 64 weist eine Öffnung dort hindurch auf, und die Ausgangswelle des Getriebegehäuses 62 erstreckt sich durch die Öffnung und treibt ein Zahnradgetriebe 66 an, welches sich mit der Zahnstange 58 in Eingriff befindet. Daher treibt eine Drehung des Zahnradgetriebes 66 den Y-Achsen-Schlitten entlang der Schienen 52, 54 in der Y-Achsen-Richtung.
Auf dem Y-Achsen-Schlitten ist eine Klemmringanordnung 70, am besten in 2 dargestellt, montiert. Die Klemmringanordnung hält und sichert eine Bohranordnung 80, wie es in 1 dargestellt ist. Die Bohranordnung 80 weist eine Bohr spindel 90 auf. 6 stellt einen Abschnitt der Bohranordnung im Querschnitt dar, wobei die Bohrspindel 90 in einer zurückgezogenen Stellung auf der linken Seite der Figur und in einer vorwärts bewegten Stellung auf der rechten Seite der Figur dargestellt ist. Die Bohrspindel erstreckt sich durch eine Öffnung in dem Y-Achsen-Schlitten 50 (sichtbar in 3 und 4) und durch eine Öffnung in dem X-Achsen-Schlitten 30 (sichtbar in 5), welche in der Y-Achsen-Richtung länglich ist. Die Bohrspindel wird durch einen Paar Fluid-Zylinder 92 (1) zurückgezogen und vorwärts bewegt, wobei die Zylinderabschnitte davon an der Bohrspindel befestigt sind. Genauer sind die Zylinder 92 zwischen einem Paar von Plattenteilen 94, 96 verbunden, welche an der Spindel befestigt sind. Die Stangen der Zylinder erstrecken sich durch Öffnungen in dem unteren Plattenteil 96 und sind an einem Plattenteil 98 angebracht, welches an der Klemmanordnung 70 auf dem Y-Achsen-Schlitten befestigt ist. Daher bewirkt ein Zurückziehen der Stangen in die Zylinderabschnitte, dass sich die Bohrspindel zu dem Werkstück vorwärts bewegt, und ein Ausfahren der Stangen bewirkt, dass die Bohrspindel von dem Werkstück zurückgezogen wird. Auf diese Weise kann mit einer sich drehenden Bohrspitze (nicht dargestellt), welche in der Bohrspindel angebracht ist, ein Loch in das Werkstück gebohrt werden. Die Achse des Bohrers, entlang welcher die Spindel vorwärts bewegt und zurückgezogen wird, liegt parallel zu der Referenzachse des X-Achsen-Schlittens 50, d.h. senkrecht zu der Ebene des Schlittens, und somit im Wesentlichen senkrecht zu der Werkstückoberfläche.
Die Maschine weist vorzugsweise einen hydraulischen Kontrollzylinder 100 (dargestellt in 1) auf, um die Geschwindigkeit einer Vorwärtsbewegung der Bohrspindel zu steuern. Der Kontrollzylinder ist zwischen dem Plattenteil 98 und der Anordnung der Plattenteile 94, 96 und den Fluidzylindern 92 verbunden und arbeitet als eine Dämpfungsvorrichtung, um die Vorwärtsgeschwindigkeit der Spindel zu begrenzen.
Mit Bezug auf 6 weist die Bohranordnung einen Druckfuß 102 auf, welcher ausfahrbar ist, um gegen die Werkstückoberfläche in einer im Wesentlichen senkrechten Richtung dazu zu drücken, um eine Vorlast zwischen dem Werkstück und dem Bohrer auszuüben. Ein Kolben 104 umgibt den Körper 106 des Bohrers und ist an diesem befestigt. Der Kolben 104 ist in einem ringförmigen Raum aufgenommen, welcher in einem Zylinder 108 definiert ist, der die Klemmringanordnung 70 auf dem Y-Achsen-Schlitten umgibt und daran befestigt ist. Der Druckfuß 102 ist auch an dem Körper 106 des Bohrers befestigt. Der Kolben 104 und der Zylinder 108 weisen Dichtungen auf, wie es dargestellt ist, so dass eine Arbeitskammer in der Kolbenzylindereinheit definiert ist, welche über eine Einlassöffnung 110 unter Druck gesetzt werden kann, um zu veranlassen, dass der Kolben 104 in 6 nach unten gedrängt wird, wodurch der Bohrer nach unten gedrängt wird und der Druckfuß 102 gegen die Werkstückoberfläche gedrängt wird. Die Vorlast, welche durch den Druckfuß gegen das Werkstück ausgeübt wird, weist vorzugsweise eine größere Größe auf, als die maximal erwartete Rückstellkraft, welche durch den Bohrschub während eines Bohrens eines Loches verursacht wird. Die Bohrschubrückstellkraft wirkt in einer Weise, welche darauf gerichtet ist, die Vorlast zwischen dem Druckfuß und dem Werkstück zu verringern; um es anders auszudrücken, wird dem gesamten Bohrschub durch den Druckfuß entgegengewirkt. Indem mit einer Kraft, welche größer als der erwartete maximale Bohrschub ist, vorbelastet wird, kann eine unerwünschte Spindelbewegung während des Bohrens minimiert werden.
Eine alternative erfindungsgemäße Ausführungsform ist in einer Teilanordnung in 7 dargestellt. Diese Ausführungsform ist der vorab beschriebenen Ausführungsform ähnlich, außer dass anstelle einer Montage der Rollen 32 auf den federnden Platten 34, 36 die Rollen 32 auf Lagerfahrzeugen 37 montiert sind. Zwei Lagerfahrzeuge 37 sind auf jeder der gegenüberliegenden Seitenkanten des X-Achsen-Schlittens 30 montiert. Jeder Lagerwagen 37 weist zwei Paare von gegenüberliegenden Rollen 32 auf, welche die entsprechende Schiene 22 oder 24 da zwischen aufnehmen. Die Lagerwagen 37 sind durch sphärische Lager 39 an dem X-Achsen-Schlitten 30 angebracht, welche eine Rotationsbewegung der Lagerwagen relativ zu dem X-Achsen-Schlitten ermöglichen. Die Lagerwagen 37 und die sphärischen Lager 39 sorgen dadurch für die Relativbewegung, für welche die federnden Platten 34, 36 bei der vorherigen Ausführungsform sorgen.
Erfindungsgemäß wird die dreidimensionale Oberfläche des Werkstücks mit einer komplizierten Kontur in ein ebenes oder flaches Modell transformiert oder abgebildet, so dass ein krummliniger Abstand zwischen zwei Punkten auf der Werkstückoberfläche gleich einem linearen Abstand zwischen entsprechenden Punkten auf dem flachen Modell ist. Genauer wird die dreidimensionale Darstellung der Werkstückoberfläche derart transformiert, dass jeder Punkt (x, y, z) auf der Werkstückoberfläche in einen entsprechenden Punkt (X, Y) auf dem flachen Modell transformiert wird. Der Bohrer wird dann entlang der Werkstückoberfläche derart positioniert, dass das Bohren an einem erwünschten Punkt (x1, y1, z1) erfolgt, indem der Bohrer derart positioniert wird, dass er den Punkt (X1, Y1) auf dem flachen Modell, welcher dem Punkt (x1, y1, z1) entspricht, schneidet. Eine numerische Steuereinheit für die X-Achsen- und Y-Achsen-Antriebsmotoren ist in dem zweidimensionalen Achsen-System des flachen Modells programmiert. Die X- und Y-Koordinaten in dem flachen Modell entsprechen im Allgemeinen den X- und Y-Achsen, entlang welchen sich die Schlitten bewegen, aber die Übereinstimmung ist im Allgemeinen nicht genau und ein Referenzpunkt wird benötigt, um die Maschinenkoordinaten mit denen des flachen Modells zu kalibrieren.
Um die Beziehung zwischen dem flachen Modell und den Maschinenachsen herzustellen werden zwei Lokalisierungslöcher an bekannten Stellen in das Werkstück gebohrt, eines an jedem Ende eines Bereichs des Werkstücks, auf welchem zu arbeiten ist. Die Vorrichtung wird derart an dem Werkstück angebracht, dass eine Linie, welche die zwei Lokalisierungslöcher verbindet, näherungsweise parallel zu der X-Achse liegt, welche durch die Schienen definiert ist, und dass die Lo kalisierungslöcher in dem X-Y-Arbeitsbereich der Vorrichtung liegen. Die Bohrspindel wird von der Vorrichtung entfernt und an ihrer Stelle wird ein Laserkantenmessgerät (nicht dargestellt) installiert. Die X- und Y-Achsen-Antriebsmotoren werden betrieben, um die Schlitten zu positionieren, bis das Laserkantenmessgerät eines der Lokalisierungslöcher erfasst, und die X- und Y-Koordinaten für das Loch werden im Speicher gespeichert, und das Verfahren wird für das andere Lokalisierungsloch wiederholt. Die Koordinaten der Lokalisierungslöcher in dem Referenzrahmen des Werkstücks (transformiert in das flache Modell) sind bekannt. Daher wird eine Koordinatentransformation durchgeführt, um die X-, Y-Maschinenkoordinaten mit den Werkstückkoordinaten in dem flachen Modell in Bezug zu bringen, so dass die Maschine an irgendeinem gewünschten Punkt des Werkstücks positioniert werden kann, indem die X- und Y-Antriebsmotoren gesteuert werden, um die Maschine an dem entsprechenden Punkt X, Y zu positionieren.
Viele Modifikationen und andere erfindungsgemäße Ausführungsformen fallen einem Fachmann ein, auf welche sich diese Erfindung bezieht, welche die Vorteile der in den voran stehenden Beschreibungen und zugehörigen Zeichnungen dargestellten Lehren aufweisen. Während zum Beispiel die Schienen 22, 24 bei der dargestellten Ausführungsform eine relative Flexibilität um eine Achse und eine relative Steifheit um eine senkrechte Achse erlangen, da ihre Breiten viel größer als ihre Dicken sind, sei angemerkt, dass es andere Möglichkeiten gibt, diese Eigenschaft zu erlangen. Zum Beispiel könnten die Schienen aus einem Material hergestellt sein, welches unterschiedliche Elastizitätsmodule in verschiedenen Richtungen aufweist, wie z.B. ein Verbundstoff, oder die Querschnittsform der Schienen könnte derart entworfen sein, dass die unterschiedliche Flexibilität verliehen wird. Darüber hinaus könnten, während Rollen 32 dargestellt sind, um mit den Schienen in Eingriff zu kommen, andere Typen von Teilen anstelle der Rollen verwendet werden, um mit den Schienen in Eingriff zu kommen, um ein Gleiten des Schlittens 30 dort entlang zu ermöglichen, wie z.B. Gleitklötze oder derglei chen. Daher ist nachzuvollziehen, dass die Erfindung nicht auf die offenbarten speziellen Ausführungsformen beschränkt ist, und dass es beabsichtigt ist, dass Modifikationen und andere Ausführungsformen zu dem Umfang der beigefügten Ansprüche gehören. Obwohl hier spezielle Bezeichnungen verwendet sind, sind sie nur in einem allgemeinen und beschreibenden Sinn und nicht zum Zweck einer Beschränkung verwendet.

Claims

Vorrichtung zum Führen und Positionieren einer Maschinenkomponente relativ zu einer kompliziert umrissenen Oberfläche eines Werkstücks, wobei die Vorrichtung umfasst: eine erste und eine zweite lang gezogene flexible Schiene (22, 24), wobei die Schienen (22, 24) beabstandet und nahezu parallel zueinander sind; eine Mehrzahl von Vakuumhalterungsvorrichtungen (26), welche mit jeder Schiene (22, 24) verbunden und mit Abständen dort entlang beabstandet sind, um jede Schiene (22, 24) durch Vakuum an der Oberfläche des Werkstücks lösbar anzubringen, wobei sich die Breiten der Schienen (22, 24) im Wesentlichen parallel zu der Oberfläche des Werkstücks erstrecken, wobei die Schienen gebogen und verdreht sind, wie es notwendig ist, um im Wesentlichen der Oberfläche des Werkstücks zu folgen; und ein X-Achsen-Schlitten (30), welcher strukturiert und angeordnet ist, um die Maschinenkomponente zu halten, wobei sich der X-Achsen-Schlitten gleitend mit den Schienen (22, 24) in Eingriff befindet und entlang der Schienen (22, 24) derart verschiebbar ist, dass die Maschinenkomponente relativ zu dem Werkstück angeordnet wird.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei jede Schiene (22, 24) beim Biegen um eine erste Biegeachse relativ steif ist und beim Biegen um eine zweite Biegeachse, welche orthogonal zu der ersten Biegeachse ist, relativ flexibel ist, und wobei jede Schiene (22, 24) derart an dem Werkstück montiert ist, dass die erste Biegeachse im Wesentlichen senkrecht zu der Werkstückoberfläche und die zweite Biegeachse im Wesentlichen parallel zu der Werkstückoberfläche ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–2, weiter ein Verbindungsteil (28, 28') umfassend, welches zwischen den Schienen (22, 24) an einer Stelle dort entlang verbunden ist, um eine Abstandsentfernung zwischen den Schienen (22, 24) an der Stelle im Wesentlichen festzulegen, wobei die Schienen (22, 24) eine Freiheit aufweisen, um sich zueinander oder voneinander weg an anderen Stellen, welche von der Stelle entfernt ist, zu bewegen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–3, wobei die Halterungsvorrichtungen Vakuumnäpfe (26) umfassen.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 1–4, wobei der X-Achsen-Schlitten (30) durch flexible Halterungen mit den Schienen (22, 24) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 5, wobei die flexiblen Halterungen plattenförmige Federn (34, 36) umfassen.
Vorrichtung nach Anspruch 6, weiter eine X-Achsen-Antriebsvorrichtung umfassend, um den X-Achsen-Schlitten (30) entlang der Schienen (22, 24) anzutreiben, wobei die X-Achsen-Antriebsvorrichtung auf einer der plattenförmigen Federn (34, 36) montiert ist.
Vorrichtung nach Anspruch 7, wobei die X-Achsen-Antriebsvorrichtung ein Antriebsteil aufweist, welches sich mit einem zusammenwirkenden Teil auf einer der Schienen (22, 24) in Eingriff befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 8, wobei sich das Antriebsteil durch eine Öffnung (46) in der plattenförmigen Feder (36) erstreckt.
Vorrichtung nach Anspruch 1, wobei der X-Achsen-Schlitten (30) durch Drehteile (32), welche einen Rolleingriff mit den Schienen aufweisen, gleitbar mit den Schienen (22, 24) verbunden ist.
Vorrichtung nach Anspruch 10, wobei die Drehteile (32) auf flexiblen Halterungen (34, 36) montiert sind, welche an dem X-Achsen-Schlitten (30) befestigt sind und relativ zu dem X-Achsen-Schlitten (30) gebogen werden können, um sich an ein sich veränderndes Biegen und Verdrehen der Schienen (22, 24) anzupassen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter einen Bohrer umfassend, welcher auf dem X-Achsen-Schlitten (30) montiert ist.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter eine Betätigungsvorrichtung, welche mit dem X-Achsen-Schlitten (30) verbunden ist, und einen Druckfuß, welcher mit der Betätigungsvorrichtung gekoppelt ist, umfassend, wobei die Betätigungsvorrichtung betriebsfähig ist, den Druckfuß (102) gegen die Werkstückoberfläche im Allgemeinen senkrecht dazu zu drücken, um so eine Vorlastkraft zwischen dem Werkstück und dem X-Achsen-Schlitten (30) auszuüben.
Vorrichtung nach Anspruch 13, wobei der Druckfuß mit dem Bohrer (80) derart verbunden ist, dass der Druckfuß (102) auf eine Rückstellkraft, welche durch einen Bohrschub während eines Bohrens des Werkstücks verursacht wird, reagiert, um so die Vorlastkraft zwischen dem Druckfuß (102) und dem Werkstück zu verringern.
Vorrichtung nach Anspruch 14, wobei der Bohrer (80) auf einem Y-Achsen-Schlitten (50) montiert ist, welcher auf dem X-Achsen-Schlitten (30) entlang einer Y-Achse gleitbar ist, und wobei die Betätigungsvorrichtung zwischen dem Y-Achsen-Schlitten (50) und dem Bohrer (80) verbunden ist.
Vorrichtung nach einem der Ansprüche 13–15, wobei die Betätigungsvorrichtung eine Mehrzahl von mit Fluid betriebenen Zylindern (92) umfasst.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halterungen federnde Platten (34, 36) umfassen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die sich mit der Schiene in Eingriff befindlichen Teile (32) Rollen umfassen.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, wobei die Halterungen Lagerwagen umfassen, welche mit sphärischen Lagern an dem Schlitten (30, 50) angebracht sind.
Vorrichtung nach einem der vorhergehenden Ansprüche, weiter einen Antriebsmotor (40) umfassend, welcher auf einer der Halterungen und in Antriebsverbindung mit einem Antriebselement montiert ist, welches sich mit einem zusammenwirkenden angetriebenen Element, das sich entlang einer der Schienen (22, 24) erstreckt, in Eingriff befindet.
Vorrichtung nach Anspruch 20, wobei das Antriebselement ein Drehgetriebeelement und das angetriebene Element ein Lineargetriebeelement ist, wobei die Halterungen nachgiebig sind und Paare von beabstandeten Rollen halten, welche jedes die Schienen (22, 24) dort dazwischen aufnehmen, wobei das Drehgetriebeelement derart angeordnet ist, dass eine Drehachse davon planparallel mit Drehachsen von einem der Paare von Rollen ist, welches auf der Halterung, die den Antriebsmotor (40) hält, montiert ist.
Verfahren zum Positionieren einer Maschinenkomponente (80) relativ zu einer kompliziert umrissenen Oberfläche eines Werkstücks, so dass eine Maschinenachse der Maschinenkomponente (80) im Wesentlichen senkrecht zu der Oberfläche des Werkstücks ist, umfassend: gleitendes Montieren eines ersten Schlittens (30) auf einem Paar von beabstandeten flexiblen Schienen (22, 24), welche beim Biegen um erste Biegeachsen relativ flexibel sind und beim Biegen um zweite Biegeachsen relativ unflexibel sind; Befestigen der Schienen (22, 24) an der Oberfläche des Werkstücks, so dass die ersten Drehachsen im Wesentlichen parallel zu der Werkstückoberfläche und die zweiten Biegeachsen im Wesentlichen senkrecht zu der Werkstückoberfläche sind, wobei die Schienen (22, 24) gebogen und verdreht werden, wie es notwendig ist, um sich im Wesentlichen an die Oberfläche des Werkstücks anzupassen, so dass eine Referenzachse des ersten Schlittens bei irgendeiner Position entlang der Schienen (22, 24) im Wesentlichen senkrecht zu der Werkstückoberfläche ist; und Befestigen der Maschinenkomponente an dem ersten Schlitten (30), so dass die Maschinenachse der Maschinenkomponente entlang der Referenzachse des ersten Schlittens (30) ausgerichtet ist, wobei die Maschinenachse im Wesentlichen senkrecht zu der Werkstückoberfläche angeordnet ist.
Verfahren nach Anspruch 22, weiter ein Bereitstellen eines zweiten Schlittens (50) umfassend, welcher auf dem ersten Schlitten (30) derart montiert wird, dass der zweite Schlitten (50) auf dem ersten Schlitten (30) entlang einer Richtung gleitbar ist, welche durch eine Y-Achse, die parallel zu der Werkstückoberfläche ist, definiert wird, wobei der erste Schlitten (30) entlang der Schienen (22, 24) in einer Richtung gleitbar ist, welche durch eine X-Achse, die senkrecht zu der Y-Achse ist, definiert wird, und wobei die Maschinenkomponente (80) an dem zweiten Schlitten (50) befestigt wird.
Verfahren nach Anspruch 23, weiter umfassend ein Bestimmen einer mathematischen Transformation der kompliziert umrissenen Werkstückoberfläche in ein zweidimensionales flaches Modell und Steuern eines Anordnens des ersten und zweiten Schlittens (30, 50) basierend auf dem flachen Modell.