JP4627436B2 - 高精度ドリル穴あけ用磁気インデクサ - Google Patents

Description

この発明は、精密に穴を形成するためのシステムに関し、より特定的には、装置を位置決めし、かつ穴を形成する場所を示すシステムに関する。

加工表面の見えない区域中の場所を高い精度および特定性を持って位置決めするのが望ましいことがしばしばある。特に、作業担当者からは外側表面しか見えない構造の２つの部分をともに付けることが望まれる場合、２つの部分間に固定具を精密にかつ再現可能に配置することは、不可能でなくても困難なことがしばしばある。これは、航空機の外板が内部フレーム構造の上に配置されており、かつ外板をフレーム構造に付ける必要がある航空機に特に関連する。一旦外板を定位置に置くと、固定具を適切に位置決めすることはしばしば非常に困難である。固定具は、航空機の内部構造に付けるべき外板をまず貫通しなければならないからである。こうした状況は、他の建造および製造例でも発生する。

構造の内部から後ろからドリル穴あけする試みが１つの解決策であった。すなわち、作業担当者に物理的に構造の中に入ってもらい、次に下部構造を貫通して外板を通す試みである。しかしながら、これは穴の作製の非精密さをしばしば引起す。たとえば、後ろからドリルで穴あけされたパイロット穴の後に航空機の外板に対して垂直に形成される標準サイズの穴に角度が付いてしまうことがある。これは、外板の内側から形成される穴を航空機の外板に対して正確に垂直に容易に形成できないからである。特に、部品の内部構造は外板に対して垂直でないことがあるが、外板の外側を貫通する穴は外板に対して垂直でなければならない。さらに、穴を作製するには通常は狭い区域に潜り込まなければならない作業担当者にとっては非常に困難である。

下部構造から外側表面に穴を転写するのに、航空機業界では裏側マーカを広く用いている。裏側マーカは薄い金属の長い剥片（split piece）からなり、一方側にはピンが他方側には穴が互いに整列されている。下部構造においてパイロット穴と整列するようにピン側を外板の下に滑り込ませ、外側外板にドリルでパイロット穴を開ける。この方法は大きな部品および厚い部品ではうまくいかない。剥がしたプレートの撓みと、装置を分厚い部品の上に設置する困難さとにより、外板の端縁近くの薄いシート状の金属区域に対する使用が限定されてしまう。

別の方法は、外板上の精密な位置を定めるためにプローブまたは位置決め装置を用いることである。特に、この装置は、まず３次元空間中の場所をプログラムされる。したがって、表面がプローブの到達範囲内に配置されると、プローブはプローブが触れる点の場所を定めることができる。しかしながら、これは、プローブで探るべき表面の精密な配置および広範な事前プログラミングを必要とする。そのような特別な向きのプローブの使用は、多くの適用例において時間および製造コストを増大させる。また、ドリル穴あけ前の下部構造のプローブ探査にはいくつかの欠点がある。組立て構造の上に外板を配置する場合、外板の重みのために構造およびツーリングが変形してしまう。プローブ探査された穴は、測定とドリル穴あけの間に移動し得る。また、プローブ探査とドリル穴あけとの間の温度変化により、部品の膨張または収縮および上側表面と下側表面との間の膨張差のために穴が整列しなくなり得る。航空機構造中の穴の冷間加工および固定具による膨張（fastener induced growth）によっても、プローブ探査とドリル穴あけとの間に穴の位置がずれる可能性がある。

航空機建造においては、機体のある部分を別の部分に固定するための穴を１００分の数インチ内で作製することがしばしば極めて重要である。内部機体構造の建造の１つの特定的な方法は、航空機の内部構造またはビーム上の正弦波トポグラフィの使用を含む。航空機が遭遇する極度の応力に耐える十分に強い接続を確実にするため、固定具を正弦波のピークに配置しなければならない。したがって、固定具の配置は、谷間またはピークに隣接する部分というよりはむしろ、確実にピークに当たるように極めて精密でなければならない。隠れた構造片の端縁を精密に位置決めすることも望ましい。このおよびその他の多くの適用例において、固定具の精密な位置決めが極めて重要になる。

この発明は、見えないまたはアクセス不可能な位置に磁界を発生する永久磁石を位置決めする磁気インデクサに向けられている。まず、磁石が発生する磁界が加工表面を通って延び、かつ磁界の軸が加工表面に対して実質的に垂直となるように、加工表面の一方側に磁石を配置する。磁界の影響を受ける複数のプローブを含む装置は、加工表面の反対側に位置される。次にプローブは加工表面の上を移動して、磁石の場所を定める。磁界軸の位置が一旦定められると、加工表面は、プローブが位置するプラットフォームを通してマーキングまたは加工される。特に、被加工物の下側が見えない場合ですら、磁石のすぐ上に再現可能に穴を配置し得る。さらに、この発明では、加工表面の下側を見なくても、加工表面の上に加工具を非常に正確に位置し得る。

この発明の第１の実施例は、永久磁石からの横方向距離に依存して強度が異なる磁界を発生するその磁石の場所を定めるためのシステムを含む。このシステムは、磁石が発生する磁界の異なる強度の影響を受けるように適合され、かつ磁石を位置決めするのを補助するプローブを含む。プローブが移動すると、プロセッサは、プローブに影響を及ぼす磁界の強度を定める。確認システムは、プロセッサがプローブを用いて磁石の場所を定めたかの物理的確認を与える。

この発明の第２の実施例は、表面を通して永久磁石の場所を定めるシステムを含む。このシステムは、表面の第１の側に位置され、磁界を発生する磁石を含む。プローブは、磁界が影響を及ぼす表面の第２の側に位置される。プロセッサは、磁界がプローブに生じる影響を定める。プロセッサは、プローブに対する磁界の影響に基づいて磁石の位置を定めるように適合される。

この発明のさらなる適用可能分野が以下に与えられる詳細な説明から明らかになるであろう。詳細な説明および具体例がこの発明の好ましい実施例を示すが、これらは図示の目的のみを意図するものであり、この発明の範囲を限定することを意図するものではないことを理解されたい。

この発明は、詳細な説明および添付の図面からより十分に理解されるであろう。

以下の好ましい実施例の説明は本質的に単に例示的であり、この発明、その適用例、ま
たはその使用を限定することをいかなる態様でも意図するものではない。

図１および図２を参照して、この発明の好ましい実施例に従う磁気インデクサ１０を示す。磁気インデクサ１０は、真空取付部材１２、被加工物プラットフォーム１４、プローブプラットフォーム１６、ならびに複数のプローブ１８、２０および２２を含む。真空取付部材１２は、被加工物プラットフォーム１４を被加工物（以下にさらに説明する）に付けるためにその中に真空が発生され得る部材を一般的に含む。しかしながら、被加工物プラットフォーム１４を被加工物に取付けるのに好適ないかなる適切なシステムを用いてもよいことが理解される。被加工物プラットフォーム１４が被加工物に実質的に平行になるのを確実にするように被加工物を係合する安定化部材２４（図２）が、被加工物プラットフォーム１４からほぼ垂直に延在する。磁石２６は、被加工物プラットフォーム１４から被加工物の反対側に位置する。磁石２６は、中心磁軸２６ａを有する磁界を発生する。プローブプラットフォーム１６は、被加工物プラットフォーム１４から延在する。プローブプラットフォーム１６は、被加工物プラットフォーム１４に対して可動である。第１の組の調節ねじ２８は、第１の軸Ａへのプローブプラットフォーム１６の移動を許す。第２の組の調節ねじ３０は、第２の軸Ｂに沿ったプローブプラットフォーム１６の調節を許す。したがって、第１の組の調節ねじ２８および第２の組の調節ねじ３０を用いて、２次元に被加工物プラットフォーム１４に対してプローブプラットフォーム１６を移動し得る。

プローブ１８、２０および２２がプローブプラットフォーム１６に付けられる。プローブ１８、２０および２２は、これらが中心軸Ｃを規定するように間隔をあけられる。中心軸Ｃは、プローブ１８、２０および２２の各々が沿って延びる軸から等距離の、しかしこの軸に平行な軸である。

プローブ１８、２０、２２は、プローブプラットフォーム１６に付けられる第２のプローブプラットフォーム３２に固定具３３で付けられる。これにより、第２のプローブプラットフォーム３２は、被加工物プラットフォーム１４を動かさなくてもプローブプラットフォーム１６から取外し可能である。

図３および図４を参照して、プロセッサ３４は、各プローブ１８、２０、２２の作用（effect）を判定する。プロセッサ３４はいずれの適切なプロセッサであってもよいが、マイクロプロセッサは、プローブ１８、２０、２２の各々に対する磁界の作用を定め、かつ磁界に対するプローブ１８、２０および２２の各々の相対的な向きを定めることができるものである。プロセッサ３４の判定は、ディスプレイ装置３５に表示される。特に、ＣＲＴまたはＬＣＤ画面をディスプレイ装置３５として用い得る。プロセッサ３４は、ディスプレイ装置３５に、中心軸Ｃが磁軸２６ａと同一線上にあるかの確認を表示し得る。

磁気インデクサ１０は、真空取付部材１２を用いて表面または被加工物３６に付けられる。上述のように、真空取付部材１２は、いずれの適切な手段によって被加工物プラットフォーム１４を被加工物３６に付けてもよい。たとえば、被加工物プラットフォーム１４が定位置に保持されるようにする真空取付部材１２内に真空を発生し得る。被加工物プラットフォーム１４のサイズに依存して、２つよりも多くの真空取付部材１２を用いてもよいことも理解されたい。

被加工物３６の下には下部構造または支持ビーム３８が存在する。穴を作製すべき位置に磁石２６が配置された。磁石２６は、被加工物プラットフォーム１４が被加工物３６に固定される前に予備製造工程でビーム３８上に配置される。これにより、被加工物３６とビーム３８との間の取付けのために穴を作製すべき正確な位置に容易に磁石２６を配置することができる。磁気インデクサ１０は、穴を作製すべき場所に比較的近い位置の上に配置される。次に、調節ねじ２８、３０を用いて、中心軸Ｃが磁軸２６ａのすぐ上または同
一線上に来るまで（本明細書中により十分に説明されるプロセスを通して）、プローブプラットフォーム１６を調節する。

中心軸Ｃが磁軸２６ａのすぐ上に一旦整列されると、第２のプローブプラットフォーム３２は取外され、これにより、ドリルビット４０がプローブプラットフォーム１６および被加工物プラットフォーム１４をドリルで貫通して、被加工物３６の中に穴を作製し得る。第２のプローブプラットフォーム３２の代わりにさらなるドリルガイド部材を設けて、ドリルビットが磁気インデクサ１０を進んでいく際にドリルビット４０が実行するドリル穴あけステップの精密さを向上し得ることが理解される。

被加工物３６およびビーム３８を通って一旦穴が作製されると、磁石２６は内部区域の清掃プロセスの間に取外される。さらに、磁気インデクサ１０は、被加工物３６から磁気インデクサ１０を取外すために真空取付部材１２を加圧することにより、被加工物３６から取外される。次に、被加工物３６を永久的にビーム３８に付けるのにいずれの適切な固定具も用いる。

磁石２６の正確な場所は、磁石２６のＮ極−Ｓ極（Ｎ−Ｓ）軸である磁軸２６ａを位置決めすることによって定められる。中心または磁界の軸とも称される磁石２６の磁軸２６ａは、磁界の中心および磁界が最も強い区域のことである。磁石２６は、磁軸２６ａがビーム３８の表面に実質的に垂直となるように、ビーム３８上に配置される。したがって、被加工物３６が一旦ビーム３８に付けられると、磁軸２６ａも被加工物３６の表面に対して垂直になる。さらに、被加工物３６は磁石２６が発生する磁界と干渉してはならない。しかしながら、磁石２６が発生する磁界をプローブ１８、２０、２２が検知するのに十分なほど磁石２６の磁界が強力である限りは、被加工物３６は事実上どの非磁性材料から形成されてもよいことが理解される。

以下の説明での単一のプローブ１８への参照は、プローブ１８、２０、２２の各々の例示であり、単一のプローブとしての説明は単に明確化のためであることを理解されたい。プローブ１８は、磁石２６が発生する磁界の影響を受ける。すなわち、プローブ１８は磁石２６が発生する磁界を検知する。１つの例示的なプローブの種類はホール効果プローブ
である。ホール効果プローブ１８では、磁石２６が発生する磁界は、ホール効果プローブ１８内で磁界に対して垂直に電流が流れる際には電圧を生成する。ホール効果プローブ１８は、磁石２６の磁界によって発生する誘導電圧を測定する。誘導電圧および電流がわかると、磁界の強度は、数式Ｖ_Hｎｅｄ／Ｉ＝Ｂを用いて定められる。この式によると、Ｖ_Hはホール電圧に等しく、ｎは電荷担体密度に等しく、ｅは電子の電荷に等しく、ｄはストリップ幅に等しく、かつＩは電流に等しい。この数式の結果、Ｂが得られるが、これは磁界の強度である。ホール効果プローブ１８の使用によって一旦磁界の強度がわかると、磁軸２６ａの場所を定め得る。ホール効果プローブ１８が磁軸２６ａに近いほど、ホール効果プローブ１８における応答がより大きくなる。第１の実施例に従うと、プローブ１８、２０および２２の各々による応答が実質的に等しいとき、磁軸２６ａはプローブ１８、２０および２２の中心軸Ｃと同一線上に位置決めされる。

プロセッサ３４は、プローブ１８、２０および２２の各々に対して生じる影響を定めかつ処理する。ディスプレイ装置３５は、プロセッサ３４が定めた影響を表示する。プロセッサ３４は、磁軸２６ａの上に中心軸Ｃを正しく位置するため、調節ねじ２８、３０を用いてプローブプラットフォーム１６をどの方向に移動させるべきかも示し得る。次に、プローブ１８、２０、２２の各々が一旦同等の応答を示すと、中心軸Ｃが磁軸２６ａのすぐ上に位置することがわかる。この時点で、ディスプレイは、中心軸Ｃが磁軸２６ａの上にあり、かつオペレータがさらなる調節を行なう必要がないことを示す。特に、中心軸Ｃは磁石２６の磁軸２６ａと同一線上にある。中心軸Ｃが磁軸２６ａの上にあることが一旦表
示されると、第２のプローブプラットフォーム３２は取外され、ドリルポイントまたはビット４０を導入して所望の穴を作製し得る。

図５を参照して、磁気インデクサシステム５０の第２の実施例は、指向性ＬＥＤまたはシグナリングＬＥＤ５４、５６、５８および６０が上部に取付けられた可動センサキャニスタ５２を含む。各々のＬＥＤ５４、５６、５８および６０は、特定の方向の応答の強度を示し得るように、ＬＥＤのアレイを含み得る。可動キャニスタ５２を通って延在して被加工品３６に選択的に係合するマーカ６２は、中心軸Ｄに沿って中心に配置される。中心軸Ｄはプローブ６４、６６および６８に関し、一方、中心軸Ｃは第１の実施例に従うプローブ１８、２０、２２に関する。

プローブ６４、６６および６８の各々はプロセッサ７０に接続される。プローブ６４、６６および６８は、第１の実施例を参照して説明されたプローブ１８、２０および２２と実質的に同様に働く。プロセッサ７０も上述のプロセッサ３４と同様に働く。しかしながら、磁気インデクサ５０においては、プロセッサ７０は、磁軸２６ａに対する中心軸Ｄの場所を定め、かつ中心軸Ｄが磁軸２６ａと適切に整列するように可動キャニスタ５２を動かすべき方向を示す適切なＬＥＤ５４、５６、５８および６０を点灯させる。中心軸Ｄが磁石２６の磁軸２６ａと実質的に同一線上に一旦配置されると、すべての４つのＬＥＤアレイ５４、５６、５８および６０は、中心軸Ｄが磁軸２６ａ上に適切に整列されていることを示すように点灯する。すなわち、すべての４つのＬＥＤ５４、５６、５８、６０が点灯すると、それらは、磁軸２６ａが中心軸Ｄと実質的に同一線上に位置しているかの視覚的確認を与える。この時点で、マーカ６２を押し下げて被加工物３６上の位置にマークを形成し得る。

一旦マークがなされると、可動キャニスタ５２は単に被加工物３６から取外され、適切なチャックを被加工物３６に付けて、適切に整列した穴を確実に被加工物３６中に作製するようにし得る。ここでも、被加工物３６およびビーム３８を通って一旦穴が形成されると、磁石２６およびいずれの破片も内部空間から除去され得る。

図６を参照して、磁気インデクサ８０の第３の実施例を図示する。磁気インデクサ８０は、ロボット８６のアーム８４に付けられる単一のプローブ８２を含む。ロボット８６とともに複数のプローブも用い得ることが理解される。しかしながら、１つの場所で表面８８の隣に配置し、次に第１の場所の正確な知識を備えて表面８８に沿って別の場所に移動させる場合、プローブ８２は１つしか必要でない。したがって、単一のプローブ８２を単に配置しかつ移動させて、以前の配置および以前の配置ごとの磁界の測定値を正確に思い出すことで、実質的な複数のプローブがシミュレーションされる。

中心磁軸９０ａを有する磁界を発生する磁石９０は、磁気インデクサ８０と反対の表面８８の近くに配置される。プロセッサ９４はプローブ８２の応答を定め、ロボット８６を制御する。これにより、ロボット８６は、支持シート９２に付けられた磁石９０の磁軸９０ａを迅速に位置決めすることができる。しかしながら、別個のプロセッサを用いて磁軸９０ａの場所を定め、かつロボット８６を制御してもよいことを理解されたい。さらに、一旦プロセッサ９４が磁軸９０ａの正確な場所を定めると、工具をロボットアーム８４の上に配置して必要な穴を作製してもよい。複数のアームがロボット８６から延び、これにより一旦磁軸９０ａの位置が位置決めされると、工具アームは単に定位置で回転して、工具が工具アームから延びて表面８８の中に穴を作製するようにしてもよいことも理解される。ロボット８６を用いる場合、穴の作製は、磁石９０が適切に位置決めされたことを確認するのに役立つ。

この発明の各々の実施例はホール効果プローブを要件としないことを理解されたい。磁石２６、９０が発生する磁界を検知または検出することができるいかなるプローブをこの発明で用いてもよい。１つの代替的なプローブは、ハネウェル社（Honeywell）の一部門であるソリッドステートエレクトロニクスセンター（Solid State Electronics Center）が作製する３軸磁気センサハイブリッドＨＭＣ２００３である。磁気インデクサ１０のその他の部分は、ホール効果プローブ１８を代替的なプローブと単に置き換える間に再現される。ＨＭＣ２００３などの代替的なプローブが１つよりも多くの相対軸の中の磁軸を定めることができる場合、磁気インデクサ１０ではプローブは１つしか必要でないであろう。しかしながら、単一の代替プローブが依然として中心プローブ軸を規定し、磁軸２６ａ、９０ａを定めることが依然として理解される。代替プローブは、磁石２６、９０が発生する磁界を依然として検出することができ、磁軸２６ａ、９０ａを示すことができる。

本発明で用いる磁石の磁軸２６ａ、９０ａを適切にかつ精密に整列させなければならないことも理解される。したがって、まず磁気インデクサ１０を用いて磁石２６、９０をテストして、磁軸２６ａ、９０ａが適切に整列されるのを確実にし、これにより、磁石２６、９０がビーム３８または支持シート９２に付けられた場合に磁軸２６ａ、９０ａが被加工物３６、８８の表面に実質的に垂直となることが望ましいであろう。その理由は、磁軸２６ａ、９０ａが表面に対して実質的に垂直に発生される場合にのみ、磁軸２６ａ、９０ａから離れるにつれて磁界の強度が順次弱まるからである。プローブに作用する磁界は、磁石２６、９０がどこに位置するかを定めるのに用いられるプローブ１８、２０、２２；６４、６６、６８；および８２によって検知される。磁軸２６ａ、９０ａが表面に対して角度をなす（すなわち、垂直でない）場合は磁界も垂直ではなく、磁軸２６ａ、９０ａの精密な場所を正しく定めることができないであろう。

さらに、磁気インデクサ自体を較正するまたは０に合わせることができる。このことは、インデクサを用いたいずれの作業を行なう前にも磁気インデクサの中心軸を精密に定め得ることを意味する。一般的に、公知の磁軸を有する磁気源は、磁気インデクサに対して０合わせ位置に配置することができ、これにより磁気インデクサをその磁軸に向けて０に合わせ得る。この後、磁気インデクサの精密な０合わせ位置がわかり、磁軸を位置決めするのにさらに高い精密度を磁気インデクサによって達成することができる。

このようにこの発明の好ましい実施例は、オペレータまたは光検知機がさもなければ見ることができない、以前に作られた穴の場所の判定に基づいて、被加工物の中にドリルで穴を開けるべき場所を迅速かつ精密に検出する手段を提供する。好ましい実施例はいずれの見えない目標物の精密な検出も可能にする。すなわち、隠れた片の端縁を定めるのにもこの発明を用い得る。この発明は航空機製造の適用例に特に適しているが、幅広いその他の製造適用例にもこの発明の有用性が見出されることが認められるであろう。

この発明の説明は本質的に単に例示的であり、したがって、この発明の要旨から逸脱しない変形がこの発明の範囲内に入ることが意図される。そのような変形はこの発明の精神および範囲からの逸脱と見なされてはならない。

この発明に従うデジタル磁化器の好ましい実施例の斜視図である。 この発明に従う磁気インデクサの側面立面図である。 使用中の磁気インデクサの斜視図である。 位置決め後の磁気インデクサのプラットフォームの斜視図である。 この発明の第２の実施例に従う磁気インデクサの斜視図である。 ロボットに付けられた磁気インデクサの第３の実施例の斜視図である。

Claims (4)

1. 被加工物の表面を通して永久磁石の位置を定めるためのシステムであって、
   被加工物の第１の面に関して選択的に装着された前記永久磁石と、
   前記磁石によって発生されかつ磁軸を含む磁界とを含み、前記磁軸は被加工物の第１の面に対して実質的に垂直であり、さらに
   プラットフォームと、
   互いに隔てられかつ前記プラットフォームに取付けられた複数のプローブとを含み、前記プローブと前記プラットフォームは被加工物へ真空取付部材によって固定可能な装着構造に関して移動可能であり、前記プローブは被加工物の前記第１の面に対向する第２の面上に配置可能であり、前記複数のプローブはそれらの中心に位置する中心軸の周りに配置されて前記磁界に影響され、さらに
   前記磁界によって前記プローブの各々に発生する影響を判断するプロセッサを含み、前記プローブに対する前記影響は、前記中心軸が前記磁軸と実質的に同一線上にあるときに最大であり、
   前記プロセッサは、前記プローブに対する前記磁界の影響を検知することにより前記磁石の位置を定めるように適合され、前記プロセッサは、前記中心軸が前記磁軸と実質的に同一線上にあるときに信号を発生し、
   前記装着構造は、前記装着構造が実質的に固定されている間に、前記装着構造に対して相対的に前記プラットフォームを移動させるために第１調整軸と第２調整軸を含み、
   前記装着構造は、前記プラットフォームが取り付けられる前記装着構造の面を、前記被加工物の前記第２の面に対して平行に維持するための、安定化部材を含んでいる、システム。
2. 前記複数のプローブに対する前記影響は、前記中心軸が前記磁軸と実質的に同一線上にあるときに実質的に同等である、請求項１に記載のシステム。
3. ディスプレイ装置をさらに含み、前記信号は前記信号の物理的確認を生じる、請求項１に記載のシステム。
4. 前記磁軸の場所の物理的確認を生じる確認システムをさらに含む、請求項１に記載のシステム。

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