JP2017511754A - 小さな孔を穿孔するシステム、孔を穿孔する方法、穿孔するための製品、およびさらなる穿孔の方法 - Google Patents

Abstract

本願は、小さな孔を対象とする小スケールかつ高精度のドリル動作を行う工作機械に向けられる。工作機械が設計される小さな孔の用途は、１つ又は複数の直径を有する孔を含む。部品は、大きな直径の孔と小さな直径の孔とを有し、大きな直径の孔は、部品の厚みの一部を貫通し、小さな直径の孔は、大きな直径の孔の底部から部品の厚みの残りの部分を貫通する。さらに、工作機械は、以下の任意のカテゴリのパーツとともに構成される；カテゴリ（ｉ）ステップホールとフローホールの両方が工作機械を用いて生成される：カテゴリ（ｉｉ）ステップホールは上流プロセスにより生成され、工作機械は部品を受け入れ、ステップホールを測定し、フローホールを生成する：カテゴリ（ｉｉｉ）ステップホールは使用されておらず、工作機械は部品を受け入れ、原表面を測定し、フローホールを生成する。

Description

関連出願の参照

本願は、２０１３年１２月４日に出願された「デュアルステーションレーザ機」と題する米国仮出願第６１／９１１、６７０号を参照して当該出願に基づく優先権を主張するものであり、当該出願は参照することによりその全体が本明細書に組み込まれる。

本明細書において指示がない限り、このセクションに記載した内容は本願の特許請求の範囲に対する先行技術ではなく、このセクションに含めることによって先行技術であるとは認められない。

様々なアイテムの製造中において、プロセスの一部を自動化又は支援するために機械が使用される。正確な測定又は操作を実行するために、機械は例えばコンピュータ制御される。さらに、繰り返し一貫した方法でタスクを実行するために、機械が使用される。

燃料噴射ノズルを無事に製造する過程で、厳格なプロセス特性に応じた孔の作成が含まれる場合がある。燃料噴射器の許容可能なパフォーマンスを実現するには、１つのピース部品から次のピース部品へのノズル流の変化を厳密に制御する必要がある。ノズルの各種パラメータは通常、非常に厳しい公差で制御される。プロセスは、孔の直径および位置並びに孔の作成に関する幾何学的精度（例えば円筒度）を制御する。さらにプロセスは、ノズル孔の異なる径の部分（ステップホールとフローホール）における同心度の公差を有することができる。プロセスはまた、ノズル孔（フローホール）の小径部の長さ並びに表面仕上げおよびエッジ品質の両方を厳密に制御する場合がある。さらに、システム操作の経済性を厳密に制御することが望ましい場合もある。システムの経済性の観点からは、システムは高い効率性および利用性を有してサイクル時間が短いことが望ましい場合がある。１つのピース部品モデルから次のモデルに切り替えるための切り替え時間が短いシステムが望ましい場合もある。さらに、開示されるシステムにおいて、ピース部品の設計変更に対する柔軟性並びに上流プロセスおよび下流プロセスの変更に対する柔軟性を高めることが望ましい場合もある。

従来の既存の生産設備設計によれば、上述した特徴の全てではないがいくつかを達成することができる。設計によっては例えば、生産の経済性を犠牲にして良好なノズル流変化を達成する。その他の設計においては、切替時間と柔軟性を犠牲にして短いサイクル時間と高い効率性を達成する。

本明細書には工作機械の実施形態が開示されている。通常の場合、工作機械は、小スケールかつ高精度のドリル作業を実行するように構成されている。本開示は、小さな孔を作成するための新規な工作機械システムを含む。本開示システムは燃料噴射ノズル用の孔あけ加工を行うために使用することができるが、その他の小孔用途にも適用することができる。当該システムが設計される小孔用途の特性には、２つ以上の直径を有する孔が含まれる。部品は例えば、大きな直径の孔と小さな直径の孔とを有し、大きな直径の孔は、部品の厚みの一部を貫通し、小さな直径の孔は、大きな直径の孔の底部から部品の厚みの残りの部分を貫通する。燃料噴射ノズルの場合には、大きな孔は「ステップホール」と呼ばれ、小さい孔は「フローホール」である。さらに本開示は、以下の任意のカテゴリの部品とともに使用することができる；カテゴリ（ｉ）ステップホールとフローホールの両方を本開示装置を用いて生成する必要がある：カテゴリ（ｉｉ）ステップホールは上流プロセスにより生成され、本開示装置は部品を受け入れ、ステップホールを測定し、フローホールを生成する：カテゴリ（ｉｉｉ）ステップホールは使用されておらず、本開示装置は部品を受け入れ、原部品の表面を測定し、フローホールを生成する。

開示される装置は、小さな孔を作成するための複数のステップを実行する単一の統合された機械である。開示される装置は、小さな孔を作成するに際して高い生産性および高精度の性能を発揮する。システムは以下の機能を兼ね備えている。まず、開示される装置は、複数の処理ステーションを含む。複数の処理ステーションは、流入（インフロー）および流出（アウトフロー）の材料（ピース部品）と、１つ又は複数のセンサ（ステップホール又は原部品の測定）ステーションと、１つ又は複数の切断（ステップホールの作成）ステーションと、１つ又は複数のレーザ穿孔（フローホールの作成）ステーションとを備える。開示される装置は、１つ又は複数のセンサ（ステップホール又は原部品の測定）ステーション若しくは切断（ステップホールの作成）ステーションと、１つ又は複数のレーザ穿孔（フローホールの作成）ステーションとの組み合わせと相互作用可能な１つ又は複数の部品保持・位置決めシステムを備える。さらに、開示される装置は、流入および流出の材料（ピース部品）および１つ又は複数の部品保持位置決めシステムと相互作用可能な１つ又は複数のロボット部品搬送システムを備える。さらに、開示される装置は、必要な電気的・制御用ハードウェアを備えてもよい。

開示されるシステムはさらに、第１ステーションを備える。第１ステーションは、（ｉ）原部品の表面又は孔の深さを測定するように構成された測定ユニット、（ｉｉ）第１の幅を有する孔を穿孔するように構成されたドリルユニット、のうちの少なくとも１つを有する。システムはまた、第２穿孔ユニットを有する第２ステーションを備える。システムはまた、第１ステーションと第２ステーションを操作するように構成されたコンピュータシステムを含む。第１ステーションの制御には、（ｉ）原部品又は孔の深さの測定、（ｉｉ）孔の穿孔、のうちの少なくとも１つを第１ステーションに実行させることが含まれる。第２ステーションの制御には、スルーホールの作成を第２ステーションに実行させることが含まれる。スルーホールは第２の幅を有し、第２の幅は第１の幅よりも小さい。

穿孔する方法も開示される。本方法は、深さ測定により既存の特徴の深さを測定するステップと、レーザドリルツールにより原表面にステップホールの幅内のスルーホールを穿孔するステップとを含む。

製品も開示される。本製品は、コンピューティングデバイスによって実行されるとコンピューティングデバイスに動作を実行させるプログラム命令が記憶された非一時的コンピュータ読み取り可能媒体を含む。動作には、深さ測定により既存の特徴の深さを測定するステップ、および／又は、ドリルツールによりステップホールを穿孔するステップ、レーザドリルツールにより原表面にステップホールの幅内のスルーホールを穿孔するステップが含まれる。

穿孔する別の方法も開示される。本方法は、ドリルツールによりステップホールを穿孔するステップと、レーザドリルツールによりステップホールの幅内のスルーホールを穿孔するステップとを含む。

本開示に基づく例示的な装置を示す図 本開示に基づく例示的な装置を示す図 本開示に基づく例示的な装置を示す図 本開示に基づく例示的な装置を示す図 本開示に基づく例示的な装置を示す図 本開示装置とともに使用される例示的な部品ピックアップユニットを示す図 本開示装置とともに使用される例示的なコンピューティングデバイスを示す図

本明細書には、小スケールかつ高精度のドリル（穿孔）作業を実行するように構成された工作機械の実施形態が開示される。前述したように、本開示のシステムは、燃料噴射ノズル用の孔あけドリルを行うために使用することができるが、その他の小孔用途にも適用することができる。当該システムが設計されるいくつかの特定の小孔用途には、少なくとも２つの直径を有する孔が含まれる。いくつかの実施形態では、大きな孔は「ステップホール（step-hole）」と呼ばれ、小さい孔は「フローホール（flow-hole）」と呼ばれる。

図１Ａは、本開示に基づく例示的なデバイス１００を示す。開示されるマルチステーションレーザ機械は、複数の特徴を組み合わせた完結式生産システムである。いくつかの実施形態では、システムは、流入・流出システム１１０を特徴とする。流入・流出システム１１０は、システムに対する原材料（未処理のピース部品）の出入りを行う１つ又は複数の処理ステーションと、原材料を部品保持・位置決めシステムにロード又はアンロードするためのロボットシステム１５０とを備える。原材料には、その他の様々な機械で処理されたいくつかのピース部品が含まれてもよい。「原」材料とは、本開示の装置および／又は方法によって未だ処理されていないことを意味する。

様々な実施形態では、システム１００はさらに、原部品／ステップホール測定ステーションおよび／又はステップホール作成ステーションである第１ステーション１２０を備える。ステーション１２０が原部品／ステップホール測定ステーションである場合には、システムは少なくとも１つの移動ステージ１３６を備え、当該移動ステージ１３６はセンサの位置決めを提供するとともに、原部品又はステップホールの深さおよび／又は位置を測定する１つ又は複数のセンサ（図１Ａでは図示を省略）を提供する。ステップホールは、様々な方法で測定することができる。いくつかの実施形態では、原部品又はステップホールを測定するために光学系が使用される。その他の実施形態では、物理的な測定デバイスを用いて原部品又はステップホールを測定する。さらに別の実施形態では、その他の原部品／ステップホール測定デバイスが使用される。原部品又はステップホールを測定する具体的な方法は特定の実施形態に応じて、変更することができる。本明細書で言及されていないものを含めて本開示の範囲内で任意の種類の測定システムを使用することができる。

ステーション１２０がステップホール作成ステーションである場合、システムは少なくとも１つの移動ステージ１３６を備え、当該移動ステージ１３６はスピンドルの位置決めを行うものであって、ステップホールを作成するための１つ又は複数のスピンドル（例えばスピンドル１３２）あるいはその他のデバイスと、ステップホールを測定するための付加的なセンサとを提供する。ステップホールは、ピース部品の物理的な穿孔によって作成することができる。回転ベースのドリルツールにより物理的な穿孔を行ってもよい。その他の実施形態においては、孔を作成するためのレーザ又は他の手段によりステップホールが作成される。

システム１００はさらに、少なくとも１つのフローホール（flow-hole）作成ステーション１３０を備える。フローホール作成ステーション１３０は、少なくとも１つの移動ステージ１３６を備え、当該移動ステージ１３６はレーザの位置決めを行うものであって、フローホールを作成するための１つ又は複数のレーザ１２２と、フローホールを測定するための付加的なセンサ（図示せず）とを提供する。ピース部品に孔をあけるレーザ穿孔によりフローホールを作成することができる。「穿孔（ドリル）」という用語は、「レーザ」との対比で用いられるが、フローホールが作成される際の実際の現象はピース部品にレーザが当たることによる融解、蒸発および／又は冷却アブレーションの組み合わせである。その他の実施形態では、フローホールを作成するために回転ドリルなどの別の手段が使用される。

システム１００はさらに、部品の保持および位置決めを行うように構成された少なくとも１つのアセンブリ１７０を備える。いくつかの実施形態では、システムは、部品の保持および位置決めを行うように構成された２つ以上のアセンブリ１７０（第２アセンブリ１８０として示される）を備える。それぞれの部品保持・位置決めアセンブリ１７０は、部品の位置決めと部品の保持を行う少なくとも１つの移動ステージ１３６を備える。部品保持・位置決めアセンブリはさらに、部品保持・位置決めシステムへの材料のロード・アンロードを行うためのロボットシステムと、少なくとも１つのフローホール作成ステーションと、１つ又は複数の測定／ステップホール作成ステーションとしてリストされている複数のシステムのうちの少なくとも１つと、インタフェースする能力を有してもよい。いくつかの実施形態では、システムは、共線的かつ重複した移動部分を有する２つ以上の部品固定・位置決めアセンブリを含む設計を備える。

システム１００はさらに、第２ホール測定ステーション１４０を備える。第２ホール測定ステーション１４０は、ステップホールとスルーホール又はその他の特徴の両方を測定するように構成される。第２ホール測定ステーション１４０は、ピース部品が必要な大きさおよび許容範囲を有することを確保するための確認測定を実行するように構成される。第２ステーション１４０は、システム１２０およびシステム１３０と並列に動作するように構成されてもよい。

システムは、プリズム状のモノリシックベース１６０を備える。モノリシックベース１６０は、少なくとも２つの直交する面を有し、当該面には、１つ又は複数の測定／ステップホール作成ステーション、および／又は、部品保持・位置決めアセンブリに対して垂直な１つのフローホール作成ステーションが据え付けられる。ステップホール作成システムの場合には、開示されるシステムは、スピンドル内において切削ツールを自動的に置換することを可能にするツール交換システム１３４を備えてもよい。システムはまた、破片（廃材）管理システム（図示せず）を備えてもよい。システムはさらに、囲い／カバーを備えてもよい。システムはさらに、必要な電気的・制御用ハードウェアを含んでもよい。

図１Ｂ、１Ｃは、本開示に基づく例示的な装置である。図１Ｂ、２Ｂは、図１Ａに関連して説明したものと同様の構成要素の異なる外観および配置を示す。同様に、図２Ａ、２Ｂは、本開示に基づく例示的な装置である。図２Ａは、処理ステーション１３０の下方に配置される部品保持・位置決めシステム１９０（あるいは部品保持・位置決めシステム１７０又は１８０）の拡大図を示す。図２Ａは、レーザドリルヘッド１２２を示す。図２Ｂは、処理ステーション１２０又は１４０の下方に配置される部品保持・位置決めシステム１７０／１８０／１９０の拡大図を示す。図２Ｂの場合には、処理ステーションには、２つの測定デバイス、すなわち共焦点測定センサ１２８および光学カメラ測定センサ１２６が含まれている。図２Ｂはさらに、移動ステージ１２４を示す。

図３は、開示されるデバイスで使用するための例示的な部品ピック（pick）ユニットである。図３に示されるように、部品ピックユニット１５０は、原部品が１５０から１７０／１８０／１９０に移動されているときに、部品保持・位置決めシステム１７０／１８０／１９０の上に配置されている。部品ピックユニットは、本開示システムにおいて各種ピース部品を移動させるために、本開示デバイスと共に使用することができる。

個々のピース部品を処理するための操作方法の一例は以下の通りである。これは本開示の内容の中で使用可能な方法の一例に過ぎない。第１に、ピース部品は、流入・流出システムにロードされる。その後、ロボットアームなどのロボットが材料を取り出すとともに、取り出した材料をパーツ保持・位置決めシステム１７０などの部品保持・位置決めシステムのうちの１つに搬送する。その他の実施形態では、ピース部品は位置決めシステムに直接的にロードされる。材料が部品保持・位置決めシステムにロードされると、直接的に又はロボットを使用することにより、（ピース部品を含んでいる）部品保持・位置決めシステムはステーション１２０などの第１ステーションに移動される。第１ステーションは、測定ステーション又はステップホール作成ステーションのいずれか又は両方を含む。第１ステーションはその後、ピース部品を処理する。この処理には、原部品又はステップホールの測定並びにステップホールの作成（ドリル）のうちの少なくとも１つが含まれる。第１ステーションでの処理が完了した後、（未だにピース部品を含む）部品保持・位置決めシステムは、ステーション１３０などの第２処理ステーション（例えばフローホール作成ステーション）に移動する。第２処理ステーションはその後、ピース部品を処理する。第２処理ステーションは例えば、レーザを使用してピース部品にスルーホールを穿孔する。スルーホールは、ステップホールが存在する場合にはステップホールの直径よりも小さい直径を有するように穿孔されてもよい。第２処理ステーションがピース部品の処理を完了すると、完成したピース部品は、部品保持・位置決めシステムから流入・流出ロボットにアンロードされる。最後に、完成したピース部品は流入・流出システムからアンロードされる。

別の例では、上記の開示ステップは、連動して動作し必要に応じて複数の処理ステーションと相互作用する複数のパーツ保持・位置決めシステムによって実行される。システムは例えば、複数の第１処理ステーションおよび複数の第２処理ステーションを備える。ピース部品はシステムに入力されると、ステップホールを測定又は穿孔するために複数の第１ステーションのうちの１つに移動される。第１ステーションが完了すると、ピース部品は、複数の第２処理ステーションのうちの１つに移動される。本実施形態では、それぞれの第１処理ステーションは、複数の第２処理ステーションのいずれかと共に使用することができる。しかしながら、他の実施形態では、それぞれの第１処理ステーションは、第１処理ステーションで処理されたピース部品が移動される特定の第２処理ステーションを有する。

例示的なシーケンスチャートを以下の表１に示す。当該シーケンスチャートでは、２つのピース部品が同時に処理される。

本開示は、測定／ステップホールステーションおよびフローホールステーションにおける負荷割合を均等化することによって、レーザシステムの利用率を最大化する複合システムを含む。システム設計は、ステップホールを有さない材料が流入する場合には、ステップホールとフローホールの両方の生成を組み合わせることができる。いくつかの実施形態では、開示のシステム設計は、ステップホール測定センサをステップホール穿孔スピンドルに交換するだけで、流入する材料をステップホールの有無にかかわらず収容することができる。実施形態はさらに、材料のロードおよびアンロード、並びに、（ステップホール作成システムの場合には）ステップホールステーションのためのツールの変更の両方を扱うシステムを含む。

図４はさらに、例示的な実施形態によるコンピューティングデバイス４００のブロック図である。コンピューティングデバイス４００は例えば、開示されるシステムに入力および／又は制御を提供するように構成されたユーザインターフェースを含む。コンピューティングデバイス４００はまた、ユーザインターフェースモジュール４０１と、通信インタフェースモジュール４０２と、１つ又は複数のプロセッサ４０３と、データストレージ４０４とを備えることができ、これらの全ては、システムバス、ネットワーク又はその他の接続機構４０５を通じてリンクさせることができる。さらに、データストレージ４０４内のコンピュータ読み取り可能命令４１０は、本明細書に開示された機能をシステムに実行させるように、１つ又は複数のプロセッサ４０３によって実行されてもよい。

コンピューティングデバイスは例えば、本明細書に開示された機能を実行するように機械加工ハードウェアを制御する命令で構成されてもよい。命令は例えば、ロボットアームに対して、材料を取るとともに、取った材料を部品保持・位置決めシステムのうちの１つに搬送するように制御する命令を含む。材料が部品保持・位置決めシステムにロードされると、命令により、システムは第１ステーションにピース部品を移動させる。命令は、第１ステーションにおけるステップホールの測定および穿孔のうちの少なくとも１つを含む。命令は、第１ステーションの処理が完了した後における第２処理ステーションへのピース部品の移動を含む。第２処理ステーションにおいて、命令により、レーザによってピース部品にスルーホールが穿孔される。第２処理ステーションがピース部品の処理を完了すると、命令により、完成したピース部品はパーツ保持・位置決めシステムから流入・流出ロボットへアンロードされる。

本明細書に一般に記載されそして図面に示されるように、本開示の態様は幅広い範囲の異なる構成に配置、置換、組合せ、分離および設計されてもよく、これらの全てが本明細書で明示的に対象とされる。様々な態様および実施形態が本明細書に開示されているが、当業者にとってその他の態様および実施形態が明らかである。

例示的な方法およびシステムが上記に記載されている。本明細書では、「例」および「例示的」という用語は「例、事例又は例示として機能する」ことを意味するものとして使用される。「例」又は「例示的」として本明細書に記載されている任意の実施形態又は特徴は、必ずしも他の実施形態や機能に対して優先される又は有利であるとは限らない。図面には参照符号が付されており、参照符号は図面の一部を構成する。図面において特段の記載がない限り、同様の符号は通常、同様の構成要素を特定するものである。本明細書に提示される内容の精神又は範囲から逸脱することなく他の実施形態が利用されてもよいし、他の変更がなされてもよい。本明細書に開示される様々な態様および実施形態は例示のためのものであり、限定を意図するものではなく、真の範囲および精神は、特許請求の範囲によって示される。

Claims (21)

1. 小さな孔を穿孔するためのシステムであって、
   （ｉ）原部品を測定する測定ユニット、（ｉｉ）第１の幅の孔を穿孔するドリルユニット、のうちの少なくとも１つを備える第１ステーションと、
   第２ドリルユニットを備える第２ステーションと、
   第１ステーションと第２ステーションを操作するコンピュータシステムと、を備え、
   制御は、
   第１ステーションに、（ｉ）原部品の表面の測定および（ｉｉ）孔の穿孔、のうちの少なくとも１つを実行させるステップと、
   第２ステーションに、スルーホールを作成させるステップと、
   を含む、システム。
2. 少なくとも１つの部品保持・位置決めシステムをさらに備え、
   部品保持・位置決めシステムは、
   加工対象の部品を受け取るステップと、
   部品を第１ステーションに提供するステップと、
   部品を第２ステーションに提供するステップと、
   部品を加工後に解放するステップと、
   を実行する、請求項１に記載のシステム。
3. 部品保持・位置決めシステムはさらに、第２ステーションの後かつ解放される前に部品を少なくとも１つの他のステーションに提供する、請求項２に記載のシステム。
4. １つ又は複数の部品保持・位置決めシステムのそれぞれは、複数の処理ステーションと相互作用可能に構成されている、請求項２に記載のシステム。
5. 少なくとも２つの部品保持・位置決めシステムをさらに備え、
   当該部品保持・位置決めシステムは共線的であり重複した移動部分を有する、請求項２に記載のシステム。
6. それぞれのステーションは、他のステーションとは独立して動作する、請求項１に記載のシステム。
7. 少なくとも２つの部品保持・位置決めシステムをさらに備え、
   当該部品保持・位置決めシステムは、少なくとも１つの共通の処理ステーションと相互作用する、請求項２に記載のシステム。
8. 少なくとも２つの部品保持・位置決めシステムをさらに備え、
   当該部品保持・位置決めシステムは互いに独立して動作する、請求項２に記載のシステム。
9. 第１の孔を穿孔するステップは、回転ドリル処理を含む、請求項１に記載のシステム。
10. スルーホールを作成するステップは、レーザドリル処理を含む、請求項１に記載のシステム。
11. 第１ステーションは、ドリルツールと測定ツールの両方を備える、請求項１に記載のシステム。
12. システムはさらに事前決定ステーションを備え、
    事前決定ステーションは、第１ステーションがドリルツールとともに動作するかどうか、あるいは、第１ステーションが測定ツールとともに動作するかどうかを決定する、請求項１１に記載のシステム。
13. 深さ測定ツールにより既存の特徴の深さを測定するステップと、
    レーザドリルツールによりスルーホールを穿孔するステップと、
    を含む、穿孔方法。
14. ステップホールは第１の直径を有し、スルーホールは第２の直径を有する、請求項１３に記載の方法。
15. ドリルツールによりステップホールを穿孔するステップは、回転ベースのドリル動作を含む、請求項１３に記載の方法。
16. ステップホールとスルーホールは同心であり、ステップホールとスルーホールの同心度は許容範囲内にある、請求項１３に記載の方法。
17. コンピューティングデバイスによって実行されるとコンピューティングデバイスにステップを実行させるプログラム命令を記憶した非一時的コンピュータ読み取り可能媒体を含む製品であって、当該ステップは、
    （ｉ）深さ測定ツールによる既存の特徴の深さの測定、（ｉｉ）ドリルツールによるステップホールの穿孔、のうちの１つを実行するステップと、
    レーザドリルツールによりスルーホールを穿孔するステップと、
    を含む、製品。
18. ステップホールは第１の直径を有し、スルーホールは第２の直径を有する、請求項１７に記載の製品。
19. ドリルツールによりステップホールを穿孔するステップは、回転ベースのドリル動作を含む、請求項１７に記載の製品。
20. ステップホールとスルーホールは同心であり、ステップホールとスルーホールの同心度は許容範囲内にある、請求項１７に記載の製品。
21. ドリルツールによりステップホールを穿孔するステップと、
    レーザドリルツールによりスルーホールを穿孔するステップと、
    を含む、穿孔方法。

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