KR101244061B1

KR101244061B1 - 유연한 레일식 다축 공작기계 및 방법

Info

Publication number: KR101244061B1
Application number: KR1020067026778A
Authority: KR
Inventors: 시오도어 엠. 보일-데이비스; 제임스 엔. 쥬니어. 버트릭; 로저 에이. 게이지; 데럴 디. 존스; 데이비드 피. 뱅크스; 로날드 더블유. 오토어스; 폴 알. 아른스톤; 제임스 씨. 머피; 알렌 알. 머클리
Original assignee: 더 보잉 컴파니
Priority date: 2004-05-27
Filing date: 2005-05-06
Publication date: 2013-03-18
Also published as: US20050265798A1; KR20070015464A; CN1993204B; EP1761360A1; JP2008500197A; JP4871863B2; WO2005118218A1; EP1761360B1; CN1993204A; US7216408B2; CA2568066C; ES2308495T3; CA2568066A1; ATE400398T1; DE602005008060D1

Abstract

유연한 레일식 공작기계는 진공컵들에 의해 구조물에 일시적으로 결합되고, 소정 영역에 걸쳐 바람직한 지점에 공구헤드를 위치시킨다. 공구헤드는 드릴링, 볼트 삽입, 치수 데이터의 획득과 같은 작업을 수행할 수 있다. 유연한 레일은 하나 이상의 축으로 표면곡률에 부합될 수 있다. 구조물에 수직인 공구헤드는 감지될 수 있고 필요에 따라 조정될 수 있다. 레일의 부착된 위치는 좌표변환을 통해 보정될 수 있으며, 예컨대 구멍들이 상당한 정밀도로 형성될 수 있다.

Description

유연한 레일식 다축 공작기계 및 방법{FLEXIBLE RAIL MULTIAXIS MACHINE TOOL AND MHTHOD}

본 발명은 일반적으로 공작기계와 자동화에 관한 것으로, 특히 본 발명은 레일에 장착된 공작기계와 자동화된 위치선정시스템에 관한 것이다.

두꺼운 피복의 항공기 구조물의 역사에서 일찌기, 전통적인 항공기 생산은 형판(template)을 만들고, 동체와 항공기 표면 피복(skin)에 이를 정렬하며, 수동드릴을 사용하여 리벳과 나사를 설치하기 위한 비행기 구조물을 준비하기 위하여 형판에 구멍을 내는 작업을 포함한다. 상기 구조물에 구멍을 배치하는 것은 일반적으로 사람의 작업속도로 제한되며, 광범위한 검사가 요구된다.

이론적으로, 큰 로봇 장치가 개발되어 비행기 구조물과 같은 피가공물의 임의의 위치에 자동으로 구멍을 뚫을 수 있는데, 예를 들어 로봇 장치는 피가공물(workpiece)로부터 분리된 단상(monument base)에 위치되어 있고, 각 구멍은 로봇 장치의 위치센서에 의해 제한된 정확도로 뚫어지게 된다. 그러나, 상기 장치는 일반적인 사용면에서 경제적으로 적합하게 개발되지 못했다. 다만, 제작중인 피가공물의 일부에 직접 부착되며 어느 정도 자동화된 공작기계가 효과적으로 실용화될 수 있는데, 실용성의 바람직한 기준에는 정밀성, 적용성, 속도, 낮은 생산비용 및, 위치선정에 용이한 소형 경량화가 포함된다.

몇몇 경우에, 동체의 길이방향 축을 따라 생길 수 있는 대체로 편평하거나 및/또는 곧은 면에 대해서는 다양한 로봇공구가 효율적일 수 있다. 예를 들어, 초기버전에서는, 대체로 단단한 레일이 나사와 같은 일반적 체결부재를 사용하여 피가공물에 일시적으로 부착되었다. 드릴은, 손이나 모터가 달린 위치선정기구를 사용함으로써 레일에 인접한 연속된 위치들로 레일을 따라 움직일 수 있으며, 그 위치에서 드릴은 깨끗하고 곧은 구멍을 뚫을 수 있게 된다. 그 후, 드릴은 직선을 따라 필요한 모든 구멍이 뚫릴 때까지 전진한다.

상기 언급한 공정과 장치는 장점, 즉 일련의 구멍들이 아주 우수한 정밀도 및 상당한 속도로 뚫릴 수 있는 장점이 있으나 몇가지 단점이 있다. 예를 들어, 레일을 부착하는 장착구멍들이 정확하게 위치되어야 한다. 게다가, 레일의 설치와 제거는 피가공물를 쉽게 손상시킬 수 있다. 또한, 정렬은 중요하며, 시간이 많이 소요된다. 또한, 수 %의 필요한 구멍들만이 임의의 라인에 위치하게 되어, 드릴링 패턴을 고안하고 장착구멍을 준비하며 반복적으로 레일을 위치시키는 작업이 번거롭게 될 수 있다. 더욱이, 언급한 바와 같이, 단단한 레일은 곡선들을 가로지를 수 없으므로, 상기 언급한 공구는 예컨대 동체 상에 원주방향으로 위치될 수 없으며, 예컨대 대체로 날개의 스팬방향과 다른 임의의 방향으로 위치될 수 없다.

상기 언급된 장치뿐 아니라 기존의 다른 장치들의 추가 단점은, 장치의 드릴부품에 대한 제한된 운동범위를 갖는다는 것이다. 전형적인 공구는 고정 베이스를 제공하는 두개의 레일을 사용하고, 피가공물을 가로질러 공구헤드를 이동시킨다. 공구헤드가 레일을 따라서 뿐만 아니라 레일 사이로 움직일 수 있어도, 두개의 레일에 의해 형성되는 운동범위 밖에서는 작업이 이루어질 수 없다.

따라서, 상당한 곡률을 가진 피가공물 표면에 부합하는 유연한 레일식 공작기계와 방법을 제공하는 것이 바람직한 바, 이 유연한 레일식 공작기계는 피가공물의 작업영역 내에 구멍을 뚫을 수 있다. 또한, 그러한 공구는, 수동으로 재위치시키지 않고 적어도 하나의 축을 따라 표면을 이동할 수 있으며, 수동적인 간섭없이 표면에 직각으로 구멍을 뚫을 수 있는 것이 바람직하다. 더욱이, 그러한 공구는, 레일 시스템 부착영역에 의해 형성된 운동범위 밖에서 구멍을 뚫는 것이 가능한 것이 바람직하다. 또한, 그러한 공구는, 바람직한 구멍위치를 기준(reference)좌표계에서 설치(as-affixed)좌표계로 이동시킬 수 있는 것이 바람직하다. 또,그러한 공구는 피가공물로 쉽게 장착되고 그로부터 쉽게 분리되는 것이 바람직하다.

상기 요구사항들이 본 발명에 의해 대부분 만족되는 바, 일 실시예에서, 유연한 레일식 공작기계 및 방법은, 상당한 곡률을 가지는 피가공물표면에 부합할 수 있고, 피가공물의 작업영역 내에 구멍을 뚫는 것과 같은 절삭작동이 수행될 수 있다. 다른 관점에서, 유연한 레일식 공작기계 및 방법은, 수동으로 재위치시키지 않고 적어도 하나의 축을 따라 표면을 가로질러 이동할 수 있으며, 표면에 직각으로 구멍을 뚫는 것 같은 절삭작동을 수행할 수 있다. 또 다른 관점에서, 유연한 레일식 공작기계 및 방법은 그 부착장치의 경계 밖에서 구멍을 뚫는 것과 같은 절삭작동을 수행할 수 있다. 또 다른 관점에서, 유연한 레일식 공작기계 및 방법은 바람직한 구멍위치를 기준좌표계에서 설치좌표계로 이동시킬 수 있다. 다른 관점에서, 유연한 레일식 공작기계 및 방법은 피가공물로 쉽게 장착되고 그로부터 쉽게 분리될 수 있다.

본 발명의 일 실시예에 따르면, 피가공물에 작동을 수행하는 유연한 레일식 공작기계는, 피가공물에 결합된 주(primary) 레일과, 공구헤드, 이 공구헤드에 설치되어 공작기계의 기능을 수행하는 기구인 엔드이펙터(end effector), 주 레일에 대해 공구헤드를 부착하고 지지하면서 공구헤드의 측방향 이동범위 사이에 위치되는 지지기구를 포함한다.

본 발명의 다른 실시예에 따르면, 피가공물에 작동을 수행하는 유연한 레일식 공작기계는, 피가공물에 주 레일을 분리가능하게 결합하는 수단과, 피가공물에서 절단, 보유지지, 측정, 가열 및 다른 처리를 수행하는 수단 및, 피가공물에 대해 처리를 수행하는 수단을 위치시키는 수단을 포함한다.

본 발명의 또 다른 실시예에 따르면, 피가공물에서 공작기계작동을 수행하는 방법은, 피가공물에 대해 주 레일을 위치시키는 단계와, 피가공물에 대해 일정한 거리로 주 레일을 이격시키는 단계, 피가공물에 주 레일을 분리가능하게 결합시키는 단계, 주 레일에 대해 공작기계를 고정하는 단계 및, 절삭공구를 사용하여 피가공물에 절단, 보유지지, 측정, 가열 및 다른 처리를 수행하는 단계들을 포함한다.

상세한 설명이 더욱 잘 이해되고, 당해분야에서의 기여가 더 잘 이해될 수 있도록, 본 발명의 실시예가 개략적으로 서술되어 있다. 물론, 본 발명에 따른 추가적인 실시예가 아래에 설명되고 청구항의 요지를 형성한다.

이에 대하여, 본 발명의 최소한 한 실시예를 자세히 설명하기 전에, 본 발명이 아래의 설명이나 도면에서 나타난 부품의 배열 및 구성의 상세한 설명에 국한되지 않는다. 본 발명은 상기 언급된 부분에 덧붙여 실시될 수 있고, 다양한 방법으로 적용될 수 있다. 또한, 여기에 사용된 어구와 술어는 설명하기 위한 것이지 한정하는 것으로 간주되지 않아야 한다.

당해분야의 숙련자들은, 본 발명의 목적을 수행하는 다른 구조물, 방법, 시스템의 설계 기초로서 이 명세서에 설명된 개념을 사용할 수 있다. 그러므로, 이들이 본 발명의 정신과 범주로부터 벗어나지 않는 한 그러한 동등한 구성을 포함하는 것으로 간주된다.

도1은 외부 커버가 있고 레일들 사이에서 드릴링하도록 된 본 발명의 바람직한 실시예에 따른 유연한 레일식 공작기계를 도시한 제1사시도이다.

도2는 도1의 유연한 레일식 공작기계의 확대도이다.

도3은 몇몇 커버가 제거된 것으로 도시된, 외팔보 가공을 위하여 구성된 도1에 따른 유연한 레일식 공작기계의 제2사시도이다.

도4는 커버, 프레임, 몇몇 추가적인 하드웨어 부재가 생략되었지만 3개의 레일은 도시된, 유연한 레일식 공작기계의 측면도이다.

도5는 추가적인 프레임이 생략되고 모든 레일은 포함된, 도3의 관점에서 도시된 유연한 레일식 공작기계의 사시도이다.

도6은 구조적인 장치와 하우징이 생략된, 도1의 유연한 레일식 공작기계의 사시도이다.

도7은 도1의 유연한 레일식 공작기계 아래에서 본 사시도이다.

도8은 본 발명의 변형예에 따른 제2레일의 위치에 사용된 반동풋을 나타내는 사시도이다.

본 발명에 따른 실시예는 하나 이상의 축에서 상당한 곡률을 가지는 피가공물 위에 공구헤드를 위치시키기 위한 레일시스템을 제공한다. 레일시스템에서 공구헤드의 원활한 움직임은, 공구헤드에서 롤러와 같은 지지장치를 일치시킴으로써 접촉되는 V자모양의 레일 모서리면이 있는 하나 이상의 비교적 길고, 넓고, 평평하고, 유연한 레일을 구비하는 주(main) 레일시스템을 사용하는 실시예에서 이루어진다. 실시예에서 레일 모서리면에 평행한 레일시스템축(이하 길이방향 축)을 따르는 공구헤드의 구동은, 공구헤드 상의 피니언기어와 주 레일에 형성된 랙을 이용하여 이루어진다.

공구헤드는 다축(multiple axes)을 따라 그리고 그를 중심으로 자가구동할 수 있다. 주 레일의 길이방향 범위를 가로지를 수 있게 모터와 롤러를 구비하는 것 외에도, 상기 공구헤드는 크로스(cross) 레일을 구비하는데, 이는 바람직하기로 주 레일에 직각으로 형성되어 있고, 또 길이방향 모터구동과 별개인 모터 구동은 자동적인 횡단위치선정을 허용한다. 또한, 가공용 척 또는 맨드릴의 모터구동된 회전은 바람직한 능력이다. 마찬가지로, 드릴과 같은 절삭공구를 갖춘 공구헤드는, 일반적으로 다른 모터구동을 사용하여 공구를 피가공물에 밀어넣거나 밖으로 빼내는 데에 필요하다. 게다가, 공구헤드에 대해 삽입 각도를 맞추기 위해 공구헤드를 기울이는 것이 바람직하고, 또 다른 모터 구동을 요구한다. 추가적으로 바람직한 특성은, 한타입의 절삭공구를 다른 타입으로 교체하거나, 또는 위치를 측정하고, 디스펜서로부터 미리 준비된 구멍으로 고정구를 끼워 고정시키거나, 다양한 다른 유용한 작동을 위하여 다수의 공구들 및 부속장치를 추가하는 것을 포함한다.

본 발명의 설명을 위하여, "엔드이펙터"란 용어는, 예컨대 "연마기", "삽입기", "측정 탐침" 및 유연한 레일식 공작기계에 채택될 수 있는 다른 적합한 기구뿐만 아니라 "드릴"를 통칭하여 요약한 용어로 사용된다.

본 발명의 설명을 위해, 주 레일의 길이방향을 따르는 이동은 X축 운동이라 한다. 피가공물의 표면에 대체로 평행한 주 레일에 대한 횡단운동은 Y축운동이라 한다. 피가공물를 관통하는 엔드이펙터의 행정(stroke) 운동은 Z축 운동이라 한다. 공구헤드 X축에 대해 엔드이펙터를 기울여서 엔드이펙터가 공구헤드에 대하여 소정의 각도로 피가공물에 진입하게 되는 것을 A축 운동이라 한다. 실시예는 Y축을 중심으로 엔드이펙터가 기울어지지 않는데, 이를 B축 운동이라 한다. Z축을 중심으로한 엔드이펙터의 축 회전은 C축 운동이라 한다. 이들 운동에 더하여, 피가공물에 압력을 미리 가하는 것이 있다. 또한, A축을 중심으로 전체 공구헤드의 방위를 미세하게 조정하는 보정기가 구비된다.

주 레일을 피가공물에 부착하는 작업은, 바람직하기에는 이격핀들을 갖춘 진공컵들을 사용한다. 비교적 길고, 넓고, 얇은 레일은, 피가공물에 부합하도록 굽혀지고 비틀리는 한편, 측방향 만곡에 대해 비교적 단단하다. 피가공물의 윤곽에 대한 전체적인 부합은, 레일에 부착되고 피가공물에 대해 돌출하는, 바람직하기에는 균일한 높이로 된 다수의 단단한 이격핀들로 이루어질 수 있다. 그러한 높이의 균일성은, 레일 대 피가공물의 일관성있는 간격유지를 향상시키고, 이는 또한 X축 위치선정의 정확성을 극대화시킨다. 보유지지력은 다양한 동력원들로부터 나올 수 있는데, 그것들 중 하나는 각 이격핀 또는 이격핀들의 그룹을 둘러싸는 탄성컵에 공급되는 외부 진공원으로부터의 진공이다. 충분히 큰 전체 진공컵의 표면적을 사용함으로써 유연한 레일식 공작기계가 효율적으로 임의의 방위로 피가공물에 부착될 수 있다.

공구헤드는 하나 이상의 운동을 위한 자동화된 위치검출을 포함하므로, 피가공물에 대한 공구의 위치를 정확하게 알 수 있다. 이 특성은 전산화된 위치수정을 포함하도록 확장될 수 있는바, 예를 들어 공구헤드 상의 감지기는, 피가공물의 기준위치를 인식하여 이를 공구헤드로의 위치결정명령을 조정할 수 있는 프로세서에 전달하고, 좌표변환을 효과적으로 수행하며, 초기 레일 위치의 부정확성에 상관없이 바람직한 구멍을 자동으로 형성할 수 있다.

이하, 본 발명의 바람직한 실시예가 도면을 참조로 자세히 설명될 것이며, 전체에 걸쳐 유사한 부품은 유사한 참조부호로 표시된다.

도1은 공구헤드(12)를 구비하고서, 공구헤드(12)를 피가공물(14)에 결합하는 주 레일과 제2레일(38)에 안착되는 유연한 레일식 공작기계(10)의 전체적인 사시도이다.

도2는 도1의 유연한 레일식 공작기계(10)의 확대도로서, 공구헤드(12)를 상세히 나타내고, 2개의 레일(22,38)의 짧은 부위에 얹혀진(riding) 공구헤드(12)를 나타낸다. 도2의 장치는 다수의 커버(참조부호16,18,20으로 표시된 것을 포함하는)가 설치된 것으로 도시되어 있다. 공구헤드(12)의 중심근처에 위치된 주 레일(22)은, 기어이빨 랙(24)이 형성되고, 이격핀(26)들과 진공컵(28)들이 아래에 구비된다. 제1사이드프레임 부재(30)는 공구헤드(12)에 대하여 일체로 된 구조를 제공한다. 또한 V롤러(32)와, 제1 주레일 롤러 지지암(34) 및 제2 주레일 피벗(36)도 구비된다.

도2에서 앞부위에는 제2레일(38)이 위치하고, 이는 확장된(spanned) 레일이란 용어로 불려지는데, 왜냐하면 이러한 구성의 2개의 레일을 위치시키는 것이 엔드이펙터(40)의 도달범위를 연장하기 때문이다. 확장된 레일(38)은, 주 레일(22)과 같이, 이격핀(42)들과 진공컵(44)들을 구비하는데, 2개의 진공컵(44)이 도1에서 부분적으로 도시된다. 진공원(128)은 개략적으로 도시되고, 호스(130)들에 의해 진공컵(28,44)들에 연결되어 부착력을 제공한다. 확장된 레일(28)을 위한 확장레일 지지기구(46)가 도시되는 바, 이는 확장된 레일(38)에 직접적인 지지를 제공하는 확장된 레일 V롤러(48)와, 이 확장된 레일 V롤러(48)를 연결하는 짧은 횡단레일(50), 공구헤드(12)가 확장된 레일(38)과는 독립적으로 이동되게 하는 확장된 횡단V롤러(52)및, 확장레일지지 기구(46)를 공구헤드(12)에 부착하기위한 확장된 지지브래킷(54)을 포함한다.

주 레일(22)이 공구헤드(12)에 똑바로(direct) 결합되어, 공구헤드(12)가 A축 만을 중심으로 자유로이 회전할 수 있다. 제2레일(38)이 느슨(looser)하게 공구헤드(12)에 연결되어, 공구헤드(12)가 제2레일(38)에 대해 측방향으로(Y축 방향으로)이동할 수 있을 뿐만 아니라 A축 회전운동과 방해받지않은 X축 운동을 하게 된다. 이는 주 레일(22)이 기준위치로 역할하는 반면에, 제2레일(38)은 안정성과 지지를 제공하도록 한다. 그러므로 제2레일(38)은 결합장치의 구속없이, 완전히 굴곡진 피가공물(14)에 대해 평행하지 않은 경로를 따르는 것을 허용한다.
제2레일을 위한 결합기구 - 즉, 예시적인 실시예에서 도시된 확장된 지지브래킷(54) - 는 장착슬롯(56)들을 갖고 있다. 상기 슬롯(56)을 매개로 볼트는 공구헤드(12)의 위치를 조절할 수 있게 한다. 만일, 작동중에 컴퓨터 제어되는 것과 같은, 역학적으로 그러한 위치 조절이 요구된다면, 모터로 구동되고 센서가 장착된 액츄에이터가 확장된 지지브래킷(54)과 공구헤드(12) 사이에 위치될 수 있다.

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도3은 몇몇의 커버(도2에서의 16,18,20)가 생략된, 유연한 레일식 공작기계(10)의 제3사시도로서, 확장된 레일(38)은 제거되고 외팔보 레일(56)이 추가되며, 이는 이격핀(58)과 진공컵(60)이 장착되고, 외팔보레일지지기구(62)를 이용하여 공구헤드(12)에 부착되는바, 상기 외팔보레일지지기구는 외팔보 레일(56)에 직접적인 지지를 제공하는 외팔부 레일 V롤러(64)와, 이 외팔보레일 V롤러(64)를 연결하는 짧은 횡단레일(66), 공구헤드(12)가 외팔보 레일(56)에 독립적으로 움직이게 하는 외팔보 횡단V롤러(68), 외팔보레일지지기구(62)를 공구헤드(12)에 부착하는 연결기구(전형적인 실시예에서, 외팔보지지브래킷(70))을 구비한다.

확장된 구성에서와 같이, 도시된 외팔보 지지브래킷(70)은 장착슬롯(72)들을 가지고 있다. 상기 슬롯(72)들을 매개로한 볼트의 조정은 공구헤드(12)의 위치를 조절할 수 있게 한다. 만약, 작동동안 컴퓨터로 제어하는 것과 같이 역동적으로 위치를 조절하는 것이 바람직하다면, 모터로 구동되고 센서가 장착된 액츄에이터가 외팔보 지지브래킷(70)과 공구헤드(12) 사이에 위치될 수 있다.

확장된 구성으로부터 외팔보 구성으로 전환함으로써, 엔드이펙터(40)가 피가공물의 모서리 근처, 또는 과도한 곡률영역 또는 보다 약한 하부의 구조적 지지부의 영역에서 작동할 수 있도록 하고, 이에따라 유연한 레일식 공작기계(10)의 능력을 확장시키게 된다. 상기 2개의 구성을 위한 부착된 하드웨어가 상이하여, 하나의 구성으로부터 다른 구성으로의 전환은, 양쪽에 대해 같은 부품을 사용하는 것이 다른 실시예들에서는 바람직할 수 있지만, 몇몇 실시예들에서는 다른 부품을 필요로 한다.

도3은 유연한 레일식 공작기계(10)의 추가적인 특징들을 나타낸다. 엔드이펙터의 축(76)은 몇몇 실시예에서 모터(80)로부터의 벨트이송(78)을 사용하며 구동(C축 운동)된다. 엔드이펙터의 축(76)의 전진(Z축 운동)은, 톱니를 가진 구동풀리(86)에서 한쌍의 톱니를 가진 종동풀리(88)까지 연결된 톱니벨트(84)를 사용하는 회전 액츄에이터(82)에 의해 구동되어, 구동 스크류와 구동 너트(직립부(90) 내에 포위된)에 토크를 인가하며, 횡단축 지지암(92)을 승강 및 하강시킨다.

도4 내지 도7은 확장된 레일(38)과 외팔보 레일(56)을 참조로 나타낸다. 비록 전형적인 실시예들은 어느 하나를 사용할 수 있지만, 몇몇 실시예에서는 2개 모두 사용하는 것이 바람직하다.

도4는 상기 특징들과 구동축(76;A축 운동)의 경사(tilt)를 위한 기구를 나타내는 측면도이다. 경사는 경사 액츄에이터(94)에 의해 실시되는데, 이는 구형 베어링(96)에 의해 엔드이펙터(40)에 연결된다. 아치형 레일(98)은, 축(76)이 피가공물과의 접촉점(100)을 중심으로 회동하게 한다.

도5는 작동 위치에 위치한 주요 요소들을 나타내는 사시도이다. 이 도면에서, 횡단(Y축)액츄에이터(102)와 하나의 횡단레일(104)이 도시되는데, 2개의 아치형 레일(98)의 부위들과 관련된 틸트 액츄에이터(94)도 함께 도시된다. 횡단 레일(104)은, 도면에서 부분적으로 도시된 공구헤드(12)의 프레임과, 엔드유닛(106,108) 및 중간 유닛(110)에 부착되어 있다.

도5는 랙(24)과, 이격핀(76), 진공컵(28을 갖춘 주 레일(22)의 상세를 나타낸다. 모터를 포함하고 실시예에 따라, 기어 감속기, 엔코더, 모터 구동전자부품을 포함하는 구동기구는, 길이방향 구동 하우징(12)에 수용된 것으로 도시된다. 피니언기어는 피니언기어 덮개(114)내에 포함된다. 구동 하우징(112)과 피니언기어 덮개(114)는 제2 주레일롤러 지지암(116)과 일체로 된 조립체를 형성한다.

도6은 보다 많은 장착장치가 생략되어 도5와 대체로 동일한 도면을 나타낸다. 이 도면에서, 제3 주레일롤러 지지암(118)은 물론이고, 제1 주레일롤러 지지암(34)과 제2 주레일롤러 지지암(116)이 주 레일(22)에 대해 공구헤드(12)를 부착하고 지지하는 지지기구를 구성하고, 이들 3개의 암(34,116,118)을 함께 묶어주는 주레일 구동결합 스프링(120)과 함께 도시된다. 언급한 바와 같이, 제1 주레일롤러 지지암(34)은 피벗(36)에 의해 제1 사이드 프레임부재(30)에 결합되며; 동등한 피벗이 제3 주레일 롤러지지암(118)을 지지하는 데에 사용될 수 있다. 이러한 2개의 암들이 공구헤드(12)의 무게를 지탱할 수 있는 반면, 제2 주레일롤러 지지암(116)은 X축 구동기구로부터 주 레일(22)까지 길이방향 축힘을 연결시킬 수 있다.

원형 기어의 평평한 돌출부의 피치라인에 대응하는 랙의 피치평면은, 랙과 피니언의 2개의 구성부품 사이의 결합운동에서 구동피니언이 작용하는 유효평면이다. 두께를 갖는 유연한 물체의 중립평면은, 보통 물체 내에서, 굴곡변형되는 동안에 해당 방향으로 치수를 변경하지않는 표면이다. 예를 들어, 이는 해당 방향으로 대체로 균일한 조성인 재질로 형성된 유연한 슬래브의 중앙평면일 수 있다.

적절한 제작을 통해, 절삭가공된 랙(24)의 피치평면은 바람직하기로 주 레일(22)의 중립평면에 위치한다. 결과적으로, 피가공물(14: 도1참조)의 곡률에 부합하는 주 레일(22)의 굽힘은, 위치연산으로부터 이러한 오류항목들을 실질적으로 제거하면서 변하지 않는 피동축의 길이를 남길수 있다. 따라서, 피니언 기어의 각도위치와 피가공물(14)상에서 공구헤드(12)의 길이방향위치 사이의 상호관계는, 곡률의 수정없이 피가공물(14)의 알려진 표면 길이에 기초를 두게 된다.

결합 스프링(120)의 비틀림 유연성은, 엔드이펙터(40)상에 최소한의 비틀림부하 오류를 갖는 주 레일(22)의 비틀림을 매개하여, 피가공물(14)에서의 비틀림이 수용될 수 있도록 한다. 주 레일(22)은 치수기준으로 사용되기 때문에, 대체로 제2레일(38)의 반응기능이 영향을 받지 않은 채, 제2레일(38)은 방위가 상당히 다른 피가공물 표면의 일부에 부합할 수 있다.

결합 스프링(120)의 변형예들이 가능한 바, 예컨대 인장케이블, 로드, 제2지지암(16)에 결합되는 프레임의 크로스 슬롯을 포함한다. 그러한 각각의 실시예는 피니언으로부터의 X축 힘이 공구헤드(12)에 연결되도록 한다.

도7은 유연한 레일식 공작기계의 바람직한 실시예의 저면도로서, 확장된 레일과 외팔보레일 모두가 도시되어 있다. 이 도면에서, 제1 및 제2 표준화 센서(118,120)는 각각 엔드이펙터 프리로드기구(preload mechnism: 122)와 함께 도시되어 있다. 수직화 센서(118,120)는, 엔드이펙터축(76: 도3참조)이 허용 공차범위내에서 피가공물에 수직하게 위치되는 지를 감지하기 위해 사용될 수 있다. 피가공물(14)의 표면이 2개의 수직화센서(118,120) 사이의 거리(span)와 같은 범위에 대해 대체로 균일하게 굴곡진다고 가정하면, 2개의 센서(118,120)들의 변위를 거의 동일하게 하는 것은, 이 센서들이 엔드이펙터축(76)에 대체로 수직인 지점의 양쪽에서 피가공물(14)의 표면과 만난다는 것을 의미한다. 이러한 가정은 일반적으로 공작기계로 작업하게 될 광범위한 표면영역에 걸쳐 유효하다. 사용시, 프로세서는 2개의 센서(118,120)들로부터의 측정값을 받아들이고, 수정 기능, 즉 틸트(A축)액츄에이터(94: 도4참조)가 수직성(normality), 즉 피가공물에 대한 직각도를 위하여 엔드이펙터(40)를 조정하도록 유도하는 기능을 생성한다. Y축 보정은, 수직성 보정을 포함하여 바람직한 위치에 구멍들이 위치되는 것을 보장하기 위하여 요구되며, 이러한 보정은 위치제어 프로세서 알고리즘에 통합될 수 있다.

수직인 제2축은 B축 오류를 측정하는 또 다른 한쌍의 센서를 추가함으로써 감지될 수 있다. 적절한 변환기를 위치시킴으로써, B축 센서들 중 하나가 센서(118,120)로 될 수 있으며, 그 측정값은 2번째로 사용된다. B축 운동의 추가는 추가적인 베어링 시스템과 액츄에이터를 필요로 한다.

프리로드기구(122)는, 드릴링과 같은 절삭가공 과정중에 적용되는 전체 힘과 대략 동일한 초기 힘을 피가공물에 가할 수 있다. 공구힘이 추후로 가해질 때, 프리로드기구(122)는 공구싸이클에 걸쳐 대체로 일정한 전체 힘을 유지하도록 조정될 수 있다.

도8은 공구가 작동하는 동안 프리로드기구(122)에 의해 가해진 힘에 대항하기 위하여 공압 액츄에이터(126)가 있는 반동 접지부(foot: 124)를 나타내는 다른 실시예의 사시도이다. 적어도 2 세트의 진공컵을 갖춘 레일구성을 이용하여 유연한 레일식 공작기계(10)의 일 실시예가 도1 내지 도7에 도시되어 있지만, 제2레일 대신에 공구헤드(12)에 부착된 반동 접지부(124)를 사용하거나 또는 이동하지 않는 반동요소로 기능하는 진공컵없이 제2레일을 사용할 수 있다.

비록 유연한 레일식 공작기계(10)가 항공기 제조에 유용하지만, 이는 조선이나 토목공학, 다른 산업에서 생산 및 제조에 사용될 수 있다. 마찬가지로, 여기에 개시된 공구의 크기는 항공기 제조에 적당하나, 보다 큰 공구가 더 큰 구조 프로젝트에 적합한 반면에, 비례하는 정밀도와 자동작동을 구현하는 매우 작은 공구는 소형화 프로젝트에 바람직하다. 수중과 같은 열악한 환경에서의 작동은 마찬가지로 본 발명의 다른 실시예들의 바람직한 특징일 수 있다. 진공이 사용되기에 적합하지 않은 다른 환경뿐만 아니라 우주 또는 다른 고진공환경 및 거친 또는 다공성의 표면에 장치를 부착하는 경우에는, 기계적인 클램프나 체결부재 혹은 자석이나 와류전류 연결장치에 의지하는 것이 요구된다.

예시적인 실시예의 공구헤드는 드릴로 도시되어 있다. 다른 기능들에 이러한 공구헤드를 적용하는 것이 가능하다. 예컨대, 다양한 비트(bit)들을 갖는 드릴은, 다양한 크기의 구멍을 뚫거나 특정 갯수의 구멍들 각각을 위한 몇몇 비트를 사용하기 위하여, 다시 날카롭게 연마하거나 버릴 때까지 마모된 비트를 배제하면서 비트를 자동교환하는 것을 포함할 수 있다. 마찬가지로, 공구는 예컨대 게이지, 체결부재 인서트, 연마기, 용접기, 접착제 도포기, 히터, 경화 램프, 압력 패드, 초음파 시험기, 자동 또는 원격으로 제어되기에 적당한 다른 공구들을 포함한다.

본 발명의 특징 및 장점은 상세한 설명에서 잘 나타나있고, 따라서 본 발명의 정신과 범주안에 있는 모든 특징과 장점을 포함하는 청구항에 의해 나타나있다. 게다가, 많은 수정과 응용이 당해분야의 숙련자에 의해 일어날 수 있어서, 본 발명을 도시되고 설명한 정확한 구조와 작동에 국한되는 것은 바람직하지 않으며, 따라서 모든 적당한 수정과 동등한 것은 본 발명의 범주내에 있다.

이상과 같이 본 발명에 의하면, 상당한 곡률을 가진 피가공물 표면에 부합할수 있으며, 적어도 하나의 축을 따라 상기 표면을 이동할 수 있고, 수동적인 간섭없이 표면에 직각으로 구멍을 뚫을 수 있으며, 레일 시스템에 의해 형성된 운동범위 밖에서도 구멍을 뚫을 수 있고, 공구가 쉽게 장착되고 피가공물로부터 쉽게 분리될 수 있는 공작기계를 제공하게 된다.

Claims

피가공물에 결합되고 또 자신과 다수의 진공컵 사이에 구비된 다수의 이격핀들을 추가로 포함하고서, 상기 이격핀들이 피가공물과 접촉하여 다수의 지점에서 자신과 피가공물 사이에 조정가능한 설정거리를 형성하는 주 레일;과

상기 주 레일에 회동가능하게 결합되고 또 다수의 축을 따라 또 다수의 축을 중심으로 자체 구동되면서 이동가능한 공구헤드;

상기 공구헤드에 설치되어 피가공물에 공작기계의 기능을 수행하도록 된 엔드이펙터;

상기 주 레일에 대해 공구헤드를 부착하고 또 지지하면서 공구헤드의 측방향 이동범위 사이에 위치된 지지기구; 및

상기 주 레일과 함께 공구헤드의 측방향 이동범위를 제공하기 위하여 지지기구를 매개로 공구헤드에 부착된 적어도 하나의 제2 레일;을 포함하고서, 상기 제2 레일은 복수의 핀과 진공컵을 매개로 피가공물에 결합되고, 상기 이격핀들은 피가공물과 접촉하여 다수의 지점에서 주 레일과 피가공물 사이에 조정가능한 설정거리를 형성하는 피가공물에서 작업을 수행하기위한 유연한 레일식 공작기계.
제1항에 있어서, 상기 지지기구는, 공구헤드의 측방향 이동범위 사이의 중간에 위치되고, 또 공구헤드는 상기 제2레일에 대하여 측방향으로 이동할 수 있도록 된 것을 특징으로 하는 유연한 레일식 공작기계.
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제1항에 있어서, 상기 피가공물에 부착력을 적용하기 위하여 진공컵들에 연결된 진공원을 추가로 포함하는 것을 특징으로 하는 유연한 레일식 공작기계.
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제1항에 있어서, 상기 피가공물에 대해 작업을 수행하는 수단을 위치시키는 수단의 측방향 위치의 자유도를, 제2레일에 대하여 허용하는 수단과;

상기 위치시키는 수단의 위치 변화량을 감지하는 수단;을 더 포함하는 유연한 레일식 공작기계.
피가공물에 대해 주 레일을 위치시키는 단계와;

피가공물에 대해 일정한 거리로 주 레일을 이격시키는 단계;

피가공물에 주 레일을 분리가능하게 결합시키는 단계;

주 레일에 대해 공작기계를 고정하는 단계;

주 레일과 피가공물에 대하여 그 위치를 변경할 수 있도록 제2 레일을 위치시키는 단계;

피가공물에 대해 일정한 거리로 제2 레일을 이격시키는 단계;

피가공물에 제2 레일을 분리가능하게 결합시키는 단계;및

절삭공구를 사용하여 피가공물에 절단, 보유지지, 측정, 가열 처리들 중의 하나를 수행하는 단계들;을 포함하는 피가공물에서 공작기계작동을 수행하는 방법.
제38항에 있어서, 상기 피가공물에 주 레일과 제2 레일을 결합시키는 단계에, 진공을 가하는 단계를 각각 더 포함하는 피가공물에서 공작기계작동을 수행하는 방법.
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