KR20070015464A - 유연한 레일식 다축공작기계 및 방법 - Google Patents

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Abstract

유연한 레일식 공작기계는 진공컵에 의해 구조물에 일시적으로 결합되고, 영역에 걸쳐 바람직한 지점에 공구헤드를 위치시킨다. 상기 공구헤드는 드릴링, 볼트 삽입, 크기 데이터입수와 같은 작업을 수행할 수 있다. 상기 유연한 레일은 하나 이상의 축으로 표면곡률에 합치될 수 있다. 상기 구조물에 수직인 공구헤드는 감지될 수 있고 필요에 따라 조정될 수 있다. 상기 레일의 부착된 위치는 좌표변환을 통해 보정될 수 있으며 예컨대 구멍이 정밀하게 형성될 수 있다.

Description

유연한 레일식 다축공작기계 및 방법{FLEXIBLE RAIL MULTIAXIS MACHINE TOOL AND MHTHOD}
본 발명은 전체적으로 공작기계와 자동화에 관련된 것으로, 특히 본 발명은 레일에 장착된 공작기계와 자동화된 위치선정시스템에 관한 것이다.
두꺼운 재질의 항공기구조물의 초창기 이래로, 전통적인 항공기 생산은 형판을 만들고, 동체와 비행기 표면에 이를 정렬하며, 수동드릴을 사용하여 형판에 구멍을 내어 리벳과 나사를 설치하기 위한 비행기구조물을 준비한다. 상기 구조물에구멍을 배치하는 것은 일반적으로 사람의 속도에 제한되며, 광범위한 검사가 요구된다.
이론적으로, 큰 로봇 장치가 개발되어 비행기구조물과 같은 소재의 임의의 위치에 자동으로 구멍을 뚫을 수 있는데, 예를 들어 로봇 장치는 부품으로부터 분리된 단상에 위치되어 있고, 각 구멍은 로봇 장치의 위치센서에 의해 제한된 정확도로 뚫어지게 된다. 그러나, 상기 장치는 일반적인 사용면에서 경제적으로 적합하게 개발되지 못했다. 다만, 제작중인 소재의 일부에 직접 부착되며 어느 정도 자동화된 공작기계가 효과적으로 될 수 있는데, 실용성의 바람직한 기준에는 정밀성, 적용성, 속도, 낮은 생산비용, 가벼운 무게, 위치선정에 용이한 소형크기가 포함된 다.
몇몇 경우에, 동체의 길이방향 축을 따라 생길 수 있는 전체적으로 편평하거나 곧은 면에 대해서는 다양한 로봇공구가 효율적일 수 있다. 예를 들어, 초기버전에서는, 대체로 단단한 레일이 나사와 같은 일반적 조임부를 사용하여 소재에 일시적으로 부착되었다. 드릴은 레일을 따라 움직일 수 있으며, 손이나 모터가 달린 위치선정기구를 사용함으로써 레일에 인접한 연속된 위치들로 이동하는데, 그 위치에서 상기 드릴은 깨끗하고 곧은 구멍을 뚫을 수 있게 된다. 그 후, 상기 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 장착구멍이 정확하게 위치되어야 한다. 게다가, 레일의 설치와 제거는 소재를 쉽게 손상시킬 수 있다. 또한, 정렬은 중요하며, 시간이 많이 소요된다. 또한, 몇 %의 필요한 구멍이 한 선에서 떨어져 있게 되어서, 드릴링 패턴을 고안하고 장착구멍을 준비하며 반복적으로 레일을 위치시키는 것은 번거롭게 될 수 있다. 더욱이, 언급한 바와 같이, 단단한 레일은 곡선으로 될 수 없어서, 상기 언급한 공구는 예컨대 동체 외주에 위치될 수 없으며, 일반적으로 날개의 스팬방향과 다른 임의의방향으로 위치될 수 없다.
상기 언급된 장치뿐 아니라 현존하는 다른 장치들의 추가 단점은, 장치의 드릴부품에 대한 제한된 운동범위를 갖는다는 것이다. 전형적인 공구는 고정 베이스를 제공하는 두개의 레일을 사용하고, 소재를 가로질러 공구헤드를 이동시킨다. 공 구헤드가 레일을 따라서뿐만 아니라 레일 사이로 움직일 수 있어도, 두개의 레일에 의해 형성되는 운동범위 밖에서는 작업이 이루어질 수 없다.
따라서, 상당한 곡률을 가진 소재표면을 따르는 유연한 레일식 공작기계와 방법을 제공하는 것이 바람직한 바, 이 유연한 레일식 공작기계는 소재의 작업영역내에 구멍을 뚫을 수 있다. 또한, 수동으로 재위치시키지 않고 적어도 하나의 축을 따라 표면을 이동할 수 있으며, 수동적인 간섭없이 표면에 직각으로 구멍을 뚫을 수 있는 공구를 제공하는 것이 바람직하다. 더욱이, 레일 시스템 부착영역에 의해 형성된 운동범위 밖에서 구멍을 뚫는 것을 가능하게 하는 공구를 제공하는 것이 바람직하다. 또한, 바람직한 구멍위치를 기준좌표계에서 설치좌표계로 이동할 수 있는 공구를 제공하는 것이 바람직하다. 또,그러한 공구가 쉽게 장착되고 소재로부터 쉽게 분리되는 것이 바람직하다.
앞서 말한 요구사항이 본 발명에 의해 대부분 만족되는 바, 한 실시예에서 유연한 레일식 공작기계 및 방법은 상당한 곡률을 가지는 소재표면을 따를 수 있고, 소재의 작업영역 내에 구멍을 뚫는 것과 같은 가공작동이 수행될 수 있다. 다른 양상에서, 유연한 레일식 공작기계 및 방법은 수동으로 재위치시키지 않고 적어도 하나의 축을 따라 표면을 이동할 수 있으며, 표면에 직각으로 구멍을 뚫는 것 같은 가공작동을 수행할 수 있다. 또 다른 양상에서, 유연한 레일식 공작기계 및 방법은 그 부착장치의 경계밖에서 구멍을 뚫는 것과 같은 가공작동을 수행할 수 있다. 또 다른 양상에서, 유연한 레일식 공작기계 및 방법은 바람직한 구멍위치를 기준좌표계에서 설치좌표계로 이동시킬 수 있다. 다른 양상에서, 유연한 레일식 공작기계 및 방법은 쉽게 장착되고 소재로부터 쉽게 분리될 수 있다.
본 발명의 한 실시예에 따르면, 소재에서 작동하는 유연한 레일식 공작기계는 소재에 결합된 주 레일과, 공구헤드, 이 공구헤드에 있고서 공작기계의 기능을 수행하는 기구인 엔드이펙터(end effector), 주 레일에 대해 공구헤드를 부착하고 지지하면서 공구헤드의 제1최대축방향범위와 제2최대축방향범위 사이에 위치되는 제1지지기구를 구비한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 소재에서 작동하는 유연한 레일식 공작기계는 소재에 주 레일을 분리가능하게 결합하는 수단과, 소재에서 절단, 보유지지, 측정, 가열, 다른 처리를 수행하는 수단 및, 소재에 대해 처리를 수행하는 수단을 위치시키는 수단을 구비한다.
본 발명의 다른 실시예에 따르면, 소재에서 공작기계작업을 수행하는 방법은, 소재에 대해 주 레일을 위치시키는 단계와, 소재에 대해 일정한 거리로 주 레일을 이격시키는 단계, 소재에 주 레일을 분리가능하게 결합시키는 단계, 주 레일에 대해 공작기계를 고정하는 단계, 공작기게를 사용하여 소재에 절단, 보유지지, 측정, 가열, 다른 처리를 수행하는 단계를 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 커버가 제거된 채로 도시된, 외팔보 가공하도록 된 도1에 따른 유연한 레일식 공작기계의 제2사시도이다.
도4는 커버, 프레임, 추가적인 하드웨어 부재가 생략되고 3개의 레일이 도시된, 유연한 레일식 공작기계의 측면도이다.
도5는 추가적인 프레임이 생략되고 모든 레일이 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 다른 실시예에 따른 제2레일의 위치에 사용된 반동풋을 나타내는 사시도이다.
본 발명에 따른 실시예는 하나 이상의 축에서 상당한 곡률을 가지는 소재 위에 공구헤드를 위치시키는 레일시스템을 제공한다. 레일시스템에서 공구헤드의 부드러운 움직임은, 공구헤드에서 롤러와 같은 지지장치를 일치시킴으로써 접촉되는 V자모양의 레일 모서리면이 있는 하나 이상의 비교적 길고, 넓고, 평평하고, 유연한 레일을 구비하는 주 레일시스템을 사용하는 실시예에서 이루어진다. 실시예에서 레일 모서리면(이하 길이방향 축)에 평행한 레일시스템축을 따르는 공구헤드의 구동은 공구헤드의 피니언기어와 주 레일에 형성된 랙을 이용하여 이루어진다.
공구헤드는 다축을 따라 그 주위로 자가구동할 수 있다. 주 레일의 길이방향 범위를 가로지를 수 있게 모터와 롤러를 구비하는 것 외에도, 상기 공구헤드는 크로스 레일을 구비하는데, 바람직하기로 주 레일에 직각으로 형성되어 있으며, 길이방향 구동과 별개인 모터 구동은 자동적인 횡단위치선정을 허용한다. 더욱이, 가공을 위한 척 또는 맨드럴이 회전할 수 있다. 비슷하게, 드릴과 같은 공구가 있는 공구헤드는 일반적으로 다른 모터구동을 사용하여 공구를 소재에 밀어넣거나 밖으로 빼내는 데에 필요하다. 게다가, 공구헤드에 대해 삽입 각도를 맞추기 위해 공구헤드를 기울이는 것이 바람직하고, 또 다른 모터 구동을 요구한다. 추가적으로 바람직한 특성은, 위치를 측정하고, 디스펜서로부터 미리 준비된 구멍으로 고정구를 끼 워 고정시키거나 다른 유용한 작업을 위한 복합공구 및 부속장치를 추가하거나 다른 공구로 공작기계를 교체하는 것을 포함한다.
설명을 위하여, "엔드이펙터"란 용어는 예를 들어 "숫돌" 뿐아니라 "드릴", "인서터", "측정 탐침" 및 유연한 레일식 공작기계에 사용될 수 있는 다른 적당한 기구를 통칭하여 요약한 용어로 사용된다.
설명을 위해, 주 레일의 길이방향을 따르는 이동은 X축 운동이라 한다. 소재의 표면에 대체로 평행한 주 레일에 대한 횡단운동은 Y축운동이라 한다. 소재를 관통하는 엔드이펙터의 행정 운동은 Z축 운동이라 한다. 공구헤드 X축에 대해 엔드이펙터를 기울여서 엔드이펙터가 공구헤드에 대한 각도로 소재에 들어가게 되는 것을 A축 운동이라 한다. 실시예는 Y축에 대해 엔드이펙터의 기울어짐을 형성하지 않는데, 이를 B축 운동이라 한다. Z축에 대한 엔드이펙터의 축 회전은 C축 운동이라 한다. 이들 운동에 부가적으로, 소재에 압력을 미리 가하는 것이 있다. 또한, A축 주위로 전체 공구헤드의 방위를 미세하게 조정하는 보정기가 있다.
주 레일을 소재에 부착하는 것은 바람직하기로 이격핀이 있는 진공컵을 사용한다. 비교적 길고, 넓고, 얇은 레일은 소재를 따라서 구부러지고 비틀리면서 측부 만곡에 대해 비교적 단단하다. 소재의 외형에 대한 전체적인 일치는, 레일에 부착되고서 소재에 대해 나와 있으며, 균일한 높이로 된 다수의 단단한 이격핀으로 이루어질 수 있다. 그러한 높이의 균일함은 레일 대 소재의 간격을 일정하게 하는데, X축 위치의 정확성을 최대화 시킨다. 보유지지력은 다양한 동력원들로부터 나올 수 있는데, 그것들 중 하나는 이격핀 또는 이격핀의 그룹을 둘러싸는 탄성컵에 공급되 는 외부 진공원으로부터 생기는 진공이다. 충분히 큰 전체 진공컵의 표면적을 사용함으로써 유연한 레일식 공작기계가 효율적인 방위로 소재에 부착될 수 있다.
공구헤드는 하나 이상의 운동을 위한 자동위치검출을 포함하여, 소재에 대한 공구의 위치를 정확하게 알 수 있다. 이 특성은 전산화된 위치수정을 포함하도록 확장될 수 있어서, 예를 들어 공구헤드의 감지기는 소재의 기준위치를 인식하여 프로세서에 전달하는데, 이는 공구헤드로의 위치결정명령을 대응시키고, 좌표변환을 효과적으로 수행하며, 초기 레일 위치의 부정확성에 상관없이 바람직한 구멍을 자동으로 만들 수 있다.
이제, 본 발명의 바람직한 실시예가 도면을 참조로 자세히 설명될 것이며, 전체에 걸쳐 유사한 부품은 유사한 참조부호로 표시된다.
도1은 공구헤드(12)를 구비하고서, 공구헤드(12)를 소재(14)에 결합하는 주 레일과 제2레일(38)에 안착되는 유연한 레일식 공작기계(10)의 전체적인 사시도이다.
도2는 도1의 유연한 레일식 공작기계(10)의 확대도이며, 공구헤드(12)를 자세히 표현하고, 두개의 레일(22,38)의 짧은 분할부를 타고있는 공구헤드(12)를 나타낸다. 도2의 장치는 다수의 커버(참조부호16,18,20으로 표시된 것을 포함하는)가 설치된 채로 도시되어 있다. 주 레일(22)은 공구헤드(12)의 중심근처에 위치하고, 기어 이의 랙(24)이 형성되어 있으며, 이격핀(26)과 진공컵(28)이 아래에 구비된다. 제1사이드프레임부재(30)는 공구헤드(12)에 일체로 된 구조로 될 수 있다. 또한 V롤러(32)와, 제1주 레일롤러 지지암(34) 및 제2주 레일피벗(36)도 보여진다.
도2에는 확장된 레일로 불리는 제2레일(38)이 있는데, 이는 이 형태로 된 두개의 레일의 위치가 엔드이펙터(40)까지 확장되어 도달하기 때문이다. 중앙의 레일(22)과 같이 확장된 레일(38)은 이격핀(42)과 진공컵(44)을 구비하는데, 두개의 진공컵(44)이 도1의 일부에서 보여진다. 진공원(128)은 개략적으로 보여지고, 호스(130)에 의해 진공컵(28,44)에 연결되어 부착력을 제공한다. 확장된 레일(28)을 위한 확장레일지지기구(46)가 도시되는 바, 확장된 레일(38)에 직접적인 지지를 제공하는 확장레일의 V롤러(48)와, 이 확장레일의 V롤러(48)를 연결하는 짧은 횡단레일(50), 공구헤드(12)가 확장된 레일(38)에 독립적으로 이동되게 하는 확장된 횡단V롤러(52), 확장레일지지기구(46)를 공구헤드(12)에 부착하는 확장된 지지브라켓(54)을 구비한다.
주 레일(22)이 공구헤드(12)에 직접적으로 결합됨으로써, A축 주위로 공구헤드(12)가 자유로이 회전할 수 있다. 제2레일(38)의 느슨한 연결은 공구헤드(12)가 제2레일(38)에 대해 옆으로(Y축 방향으로) 떠오르게 할수 있으며, A축 회전과 방해없는 X축 운동을 하게 된다. 이것은 주 레일(22)이 기준으로 작용하는 반면, 제2레일(38)은 안정성과 지지를 제공한다. 그러므로 제2레일(38)은 결합장치의 결합없이 완전히 구부러진 소재(14)에 대해 평행하지 않은 경로를 따를 수 있게 된다.
제2레일의 결합기구(대표적인 실시예에서, 확장된 지지브라켓(54)이 도시됨)는 장착슬롯(56)을 가지고 있다. 상기 슬롯(56)을 통한 볼트는 공구헤드(12)의 자세를 조절할 수 있게 한다. 역동적으로 자세를 조절하는 것이 바람직한바, 센서가 장착되고 모터로 구동되는 액츄에이터는 확장된 지지브라켓(54)과 공구헤드(12) 사 이에 위치될 수 있다.
도3은 몇개의 커버(도2에서의 16,18,20)가 생략된, 유연한 레일식 공작기계(10)의 제3사시도로서, 여기서 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, 외팔보지지브라켓(70))을 구비한다.
확장된 형태에서, 외팔보 지지브라켓(70)은 장착슬롯(72)을 가지고 있다. 상기 슬롯(72)을 통한 볼트의 조정은 공구헤드(12)의 자세를 조절할 수 있게 한다.만약, 작동동안 컴퓨터로 제어하는 것과 같이 역동적으로 자세를 조절하는 것이 바람직하다면, 모터로 구동되고 센서가 장착된 액츄에이터가 외팔보 지지브라켓(70)과 공구헤드(12) 사이에 위치될 수 있다.
확장된 형태로부터 외팔보형태로 전환함으로써 엔드이펙터(40)가 과도한 곡률 또는 약하게 놓여 있는 구조적 지지부의 영역이나 소재의 모서리 근처에서 작동할 수 있게 하여서, 유연한 레일식 공작기계(10)의 성능을 향상시키게 된다. 두개의 형태에 대한 부착 하드웨어가 상이하여서, 다른 형태로의 변환은 몇몇 실시예에서 다른 부품을 필요로 하지만, 양쪽에 대해 같은 부품의 사용이 다른 실시예에서는 바람직하게 될 수도 있다.
도3은 유연한 레일식 공작기계(10)의 추가적인 특징을 나타낸다. 엔드이펙터의 축(76)은 몇몇 실시예에서 모터(80)로부터의 벨트피드(78)를 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 작동되며, 토크를 구동 나사와 구동 너트(직립부(90) 안에 있는)에 가하며, 횡단축 지지암(92)을 승하강시킨다.
도4에서부터 도7은 확장된 레일(38)과 외팔보 레일(56)을 나타낸다. 비록 전형적인 실시예가 어느 하나를 사용할 수 있지만, 몇몇 실시예에서는 두개 모두 사용할 수 있다.
도4는 구동축(76;A축 운동)의 기울어짐을 위한 기구 및 특징을 나타내는 측면도이다. 기울어짐은 틸트 액츄에이터(94)에 의해 실시되는데, 이는 구형 베어링(96)에 의해 엔드이펙터(40)에 연결되어 있다. 아치형 레일(98)은 축(76)이 소재와의 접촉부(100) 주위로 선회하게 한다.
도5는 작동 위치에서 키이부재를 나타내는 사시도이다. 이 도면에서, 횡단(Y축)액츄에이터(102)와 하나의 횡단레일(104)을 볼 수 있는데, 두개의 아치형 레일(98)과 해당 틸트 액츄에이터(94)도 함께 볼 수 있다. 횡단 레일(104)은 공구헤드(12)의 프레임과, 끝유닛(106,108) 및 중간 유닛(110)에 부착되어 있다.
도5는 랙(24), 이격핀(76), 진공컵(28)이 있는 주 레일(22)의 상세도를 나타낸다. 모터를 포함하고 실시예에 따라, 기어 감속기, 엔코더, 모터 구동전자부품을 포함하는 구동기구는 길이방향 구동 하우징(12)에 수용되어 있다. 피니언기어는 피 니언기어측판(114)안에 포함된다. 구동 하우징(112)과 피니언기어측판(114)은 제2주 레일롤러 지지암(116)과 일체로 된 조립체를 형성한다.
도6은 장착장치가 생략된 도5와 동일한 것을 나타낸다. 이 도면에서, 제1주 레일롤러 지지암(34)과, 제2주 레일롤러 지지암(116), 제3주 레일롤러 지지암(118)은 물론이고, 세개의 암(34,116,118)을 함께 묶어주는 주 레일 구동 결합스프링(120)을 함께 볼 수 있다. 언급한 바와 같이, 제1주 레일롤러 지지암(34)은 피벗(36)에 의해 제1사이드 프레임부재(30)에 연결되며; 동등한 피벗이 제3주 레일 롤러지지암(118)을 지지하는 데에 사용될 수 있다. 이러한 두개의 암은 공구헤드(12)의 무게를 이동시킬 수 있는 반면, 제2주 레일롤러 지지암(116)은 X축 구동기구에서 주 레일(22)까지 길이방향 축힘을 연결시킬 수 있다.
원형 기어의 평평한 돌출부의 피치라인에 대응하는 랙의 피치평면은 랙과 피니언 사이에서 구동피니언이 결합운동을 하는 유효평면이다. 두께가 있는 유연한 물체의 중간면은 물체안에 통상적으로 있는 표면으로서, 이는 변형되는 동안 해당 방향으로 크기가 변경되지 않는다. 예를 들어, 이것은 해당방향으로 구성이 균일한 재질로 형성된 유연한 슬래브의 중간면으로 될 수 있다.
적당히 조립하여 가공된 랙(24)의 피치평면은 바람직하기로 주 레일(22)의 중간면에 위치한다. 결과적으로, 소재(14;도1참조)의 곡률을 따르는 주 레일(22)의 만곡은 대체로 변하지 않은 종동축의 길이를 남길수 있는데, 위치연산으로 이 오류를 제거하게 된다. 따라서, 피니언 기어의 각도위치와 소재(14)에서 공구헤드(12)의 길이방향위치 사이의 상호관계는 곡률의 수정없이 소재(14)의 알려진 표면 길이 에 기초를 두게 된다.
결합 스프링(120)의 비틀림 유연성은 소재(14)의 비틀림이 엔드이펙터(40)에 있는 최소한의 비틀림부하 오류에 의해 주 레일(22)의 비틀림을 통해 조절된다. 주 레일(22)이 기준크기로 사용되기 때문에, 제2레일(38)은 방위가 상당히 다른 소재 표면의 일부를 따를 수 있는데, 제2레일(38)의 반작용은 영향을 받지 않는다.
결합 스프링(120)의 다른 실시예가 가능한 바, 예컨대 인장케이블, 로드, 제2지지암(16)에 결합되는 프레임의 크로스슬롯을 포함한다. 그러한 각각의 실시예는 피니언으로부터 나온 X축 힘이 공구헤드(12)에 연결되도록 한다.
도7은 유연한 레일식 공작기계의 바람직한 실시예의 저면도로서, 확장된 레일과 외팔보레일이 나타나 있다. 이 도면에서, 제1과 제2표준화 센서(118,120)는 각각 엔드이펙터의 프리로드기구(122)와 함께 도시되어 있다. 표준화 센서(118,120)는 엔드이펙터축(76:도3참조)이 허용 공차범위안에서 소재에 수직한 방위를 갖는지를 감지하기 위해 사용될 수 있다. 소재(14)의 표면이 두 표준화센서(118,120) 사이의 스팬과 같은 범위에 대해 반드시 균일하게 구부러지고, 대략 동일한 두 센서(118,120)의 변위를 갖는다고 가정하면, 이는 엔드이펙터축(76)에 대략 직각인 지점의 양쪽에서 소재(14)의 표면과 만나게 됨을 의미한다. 이 가정은 일반적으로 공작기계로 작업하게 될 광범위한 표면에서 유효하다. 사용시, 프로세서는 두개의 센서(118,120)로부터의 수치를 받아들이고, 수정 기능, 즉 틸트(A축)액츄에이터(94:도4참조)가 소재에 대해 직각인 각도로 엔드이펙터(40)를 조정하도록 유도하는 기능을 한다. Y축 보정은 직각보정을 포함하여 바람직한 위치에 구멍 을 위치시키는 것을 보장하는 데에 요구되며, 이 보정은 위치제어 프로세서 알고리즘에 병합될 수 있다.
직각의 제2축은 B축 오류를 측정하는 또 다른 한쌍의 센서를 더함으로써 감지될 수 있다. 적당한 변환기를 위치함으로써, B축 센서 중 하나가 센서(118,120)로 될 수 있으며, 측정값은 두번 사용된다. B축 운동의 추가는 추가적인 베어링 시스템과 액츄에이터를 필요로 한다.
프리로드기구(122)는 드릴링과 같은 가공과정중에 가해지는 전체 힘과 대략 동일하게 소재에 초기 힘을 가할 수 있다. 공구힘이 가해질 때, 프리로드기구(122)는 공구싸이클에 걸쳐 일정한 전체힘을 유지하도록 조정될 수 있다.
도8은 도구가 작동하는 동안 프리로드기구(122)에 의해 가해진 힘에 대항하는 공압 액츄에이터(126)가 있는 반동풋(124)을 나타내는 다른 실시예의 사시도이다. 적어도 두 세트의 진공컵을 갖춘 레일형태를 이용하는 유연한 레일식 공작기계(10)의 한 실시예가 도1에서부터 도7까지 도시되어 있지만, 변환되지 않는 반동부재로 작용하는 진공컵없이 제2레일을 사용하거나, 제2레일의 위치에서 공구헤드(12)에 부착된 반동풋(124)을 사용하는 것이 있을 수 있다.
비록 유연한 레일식 공작기계(10)가 항공우주산업에 유용하지만, 이것은 조선이나 토목공학, 다른 산업에서 생산 및 제조에 사용될 수 있다. 마찬가지로. 여기에 나타난 공구의 사이즈는 항공우주산업에 적당하나, 매우 큰 공구가 큰 구조제품에 적합하며, 비례하는 정밀도와 자동작동으로 실현되는 매우 작은 공구는 소형장치에 바람직하다. 물 밑과 같은 부적당한 환경에서의 작동은 본 발명의 다른 실 시에의 바람직한 특징으로 될 수 있다. 우주나 다른 고진공환경 및 거칠기나 다공성의 표면뿐만 아니라 진공이 사용되기에 적당하지 않은 다른 환경에서 장치의 부착은, 기계적인 클램프나 고정구 혹은 자석이나 맴돌이연결장치에 의지하는 것이 요구된다.
전형적인 실시예의 공구헤드는 드릴로 되어 있다. 다른 기능에 이 공구헤드를 적용하는 것이 가능하다. 예를 들어, 다양한 비트를 가진 드릴은 비트의 자동적인 교환을 포함할 수 있으며, 다양한 크기의 구멍을 뚫거나 특정수의 구멍에 대한 비트를 사용하도록 교환하는데, 재형성하거나 버릴 때까지 닳아진 비트는 제외한다. 비슷하게, 공구는 예컨대 계량기, 고정기 삽입기, 분쇄기, 용접기, 접착제 도포기, 히터, 커링 램프, 압력 패드, 초음파 테스터, 자동 또는 원격으로 제어되기에 적당한 다른 공구를 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 소재표면을 따를 수 있으며, 적어도 하나의 축을 따라 상기 표면을 이동할 수 있고, 수동적인 간섭없이 표면에 직각으로 구멍을 뚫을 수 있으며, 레일 시스템에 의해 형성된 운동범위 밖 에서도 구멍을 뚫을 수 있고, 공구가 쉽게 장착되고 소재로부터 쉽게 분리될 수 있는 공작기계를 제공하게 된다.

Claims (40)

  1. 소재에 결합되는 주 레일과, 공구헤드와, 공구헤드에 있으면서 공작기계의 기능을 수행하는 기구인 엔드이펙터와, 주 레일에 대해 공구헤드를 부착하고 지지하며, 공구헤드의 제1최대측면범위와 제2최대측면범위 사이에 위치되는 제1지지기구를 구비하는, 소재에서 작업을 수행하는 유연한 레일식 공작기계.
  2. 제1항에 있어서, 제1지지기구는 공구헤드의 제1측면범위와 공구헤드의 제2측면범위 사이의 중간에 위치한, 유연한 레일식 공작기계.
  3. 제1항에 있어서, 엔드이펙터는 공구헤드의 제1최대측면범위에 가까이 위치되고, 공구헤드의 제2최대측면범위에 멀리 위치한, 유연한 레일식 공작기계.
  4. 제1항에 있어서, 진공원을 추가로 구비하는 유연한 레일식 공작기계.
  5. 제1항에 있어서, 주 레일은 이 주 레일에 부착된 다수의 제1이격핀을 추가로 구비하되, 이들 이격핀은 소재와 접촉하여 다수의 제1지점에서 소재와 주 레일 사이에 설정거리를 형성하는 유연한 레일식 공작기계.
  6. 제5항에 있어서, 주 레일이, 다수의 제1이격핀에 부착되어서, 진공의 적용하 에, 이격핀이 소재와 접촉되어 해제가능하게 당겨지고, 주 레일이 소재에 대해 고정되도록 하는 다수의 제1진공컵과; 진공원과 다수의 제1진공컵 사이의 상호연결경로;를 구비하는 유연한 레일식 공작기계.
  7. 제3항에 있어서, 소재에 결합되는 제2레일과; 제2레일에 대해 공구헤드를 지지하고 부착하는 제2지지기구; 제2레일에 부착되고서 소재와 접촉되어서 다수의 제2지점에서 소재와 제2레일 사이에 설정거리를 형성하는 다수의 제2이격핀;을 구비하는 유연한 레일식 공작기계.
  8. 제7항에 있어서, 제2지지기구는 공구헤드의 제1최대측면범위에서 공구헤드에 연결되어 있는 유연한 레일식 공작기계.
  9. 제7항에 있어서, 제2지지기구는 공구헤드의 제2최대측면범위에서 공구헤드에 연결되어 있는 유연한 레일식 공작기계.
  10. 제7항에 있어서, 제2레일이, 다수의 제2이격핀에 부착되어서, 진공의 작용하여서, 이격핀이 소재와 접촉되어 해제가능하게 당겨지고, 제2레일이 소재에 대해 고정되도록 하는 다수의 제2진공컵과; 진공원과 다수의 제2진공컵 사이의 상호 연결경로;를 구비하는 유연한 레일식 공작기계.
  11. 제1항에 있어서, 주 레일이 주 레일의 제1최대횡단범위를 구비하고서, 주 레일의 이 범위에 걸쳐 곧고 균일한 제1V형홈부와; 주 레일의 제2최대횡단범위를 구비하고, 제2V형홈부에 평행한 제2V형홈부;를 구비하는 유연성한 레일식 공작기계.
  12. 제1항에 있어서, 제1지지기구는, 주 레일의 제1V형홈부에 대해 지지하는 제1외주V형홈부를 가지는 제1지지롤러와; 주 레일의 제2V형홈부에 대해 지지하는 제2외주V형홈부를 가지는 제2지지롤러; 서로 고정된 관계로 제2지지롤러와 제1지지롤러가 보유지지되게 하는 제1지지암;을 구비하는 유연한 레일식 공작기계.
  13. 제12항에 있어서, 제1지지기구는, 제2지지암이 공구헤드에 부착되게 하는 피벗을 구비하는 유연한 레일식 공작기계.
  14. 제1항에 있어서, 주 레일은 이 주 레일에 새겨진 기어이의 랙을 구비하는 유연한 레일식 공작기계.
  15. 제14항에 있어서, 기어이의 랙은 주 레일의 곡률의 중간 평면에 일치하는 피치 평면을 구비하는, 유연한 레일식 공작기계.
  16. 제7항에 있어서, 제2지지기구는, 제2레일의 제1V형홈부에 대해 지지하는 제3외주V형홈부를 가지는 제3지지롤러와; 제2레일의 제2V형홈부에 대해 지지하는 제4 외주V형홈부를 가지는 제4지지롤러; 서로 고정된 관계로 제4지지롤러와 제3지지롤러가 보유지지되게 하는 제2지지암;을 구비하는 유연한 레일식 공작기계.
  17. 제16항에 있어서, 제2지지기구는, 제2지지암에 결합되고 일체로 되되, 횡단제2지지레일의 국부적인 앞 쪽연장부를 구비하는 곧은 제1V형홈부와, 횡단제2지지레일의 국부적인 뒤쪽 연장부를 구비하고 제1V형홈부에 평행한 곧은 제2V형홈부를 구비하는 횡단제2지지레일과; 횡단 제2지지레일의 제1V형홈부에 대해 지지하는 제5외주V형홈부가 형성된 제5지지롤러; 횡단 제2지지레일의 제2V형홈부에 대해 지지하는 제6외주V형홈부가 형성된 제6지지롤러; 제5지지롤러와 제6지지롤러가 서로 고정된 관계로 보유지지되게 하는 장착 브라켓; 장착브라켓이 공구헤드에 부착되게 하는 결합구;를 구비하는 유연한 레일식 공작기계.
  18. 제17항에 있어서, 결합구는, 이 결합구가 다양한 높이에서 공구헤드에 부착될 수 있게 하는 구멍패턴을 구비하는 유연한 레일식 공작기계.
  19. 제17항에 있어서, 결합구는, 공구헤드에 대하여 결합구의 수직위치가 감지될 수 있는 기구를 구비하는 유연한 레일식 공작기계.
  20. 제17항에 있어서, 결합구는, 공구헤드에 대하여 결합구의 수직위치가 조정될 수 있는 기구를 구비하는 유연한 레일식 공작기계.
  21. 제7항에 있어서, 제2지지기구가 공구헤드에 결합되는 위치는 주 레일과 제2레일에 의해 확장된 영역안에서 엔드이펙터가 위치되게 하는 유연한 레일식 공작기계.
  22. 제7항에 있어서, 제2지지기구가 공구헤드에 결합되는 위치는 주 레일과 제2레일에 대해 외팔보에서 엔드이펙터가 위치되게 하는 유연한 레일식 공작기계.
  23. 제1항에 있어서, 공구헤드는, 프레임과; 엔드이펙터가 주 레일의 길이방향축에 대해 횡단으로 체결가능하게 움직일 수 있게 하면서 프레임에 엔드이펙터를 부착하는 엔드이펙터 횡단위치기;를 구비하는 유연한 레일식 공작기계.
  24. 제1항에 있어서, 공구헤드는, 엔드이펙터가 주 레일의 길이방향축에 대해 평행한 축주위로 체결가능하게 회전할 수 있게 하면서 프레임에 엔드이펙터를 부착하는 엔드이펙터 횡단경사각 액츄에이터를 구비하는 유연한 레일식 공작기계.
  25. 제1항에 있어서, 공구헤드는, 엔드이펙터가 소재의 평면에 평행하고 주 레일의 길이방향축에 직각인 축 주위로 체결가능하게 회전할 수 있게 하면서 프레임에 엔드이펙터를 부착하는 엔드이펙터 길이방향 경사기를 구비하는 유연한 레일식 공작기계.
  26. 제1항에 있어서, 공구헤드는, 엔드이펙터가 소재의 주 평면으로 그리고 이로부터 멀리 체결가능하게 이동할 수 있게 하면서 프레임에 엔드에펙터를 부착하는 엔드이펙터 플전저를 구비하는 유연한 레일 장비 도구.
  27. 제24항에 있어서, 공구헤드는 제1표준화 센서와; 제2표준화 센서; 제1과 제2표준화센서에 의해 감지되고 경사제어장치로 전달된 변위는 엔드이펙터 횡단 경사각 액츄에이터를 조정할 수 있는 경사제어장치;를 구비하는 유연한 레일식 공작기계.
  28. 제26항에 있어서, 공구헤드는, 엔드이펙트 플런저에 의해 번갈아 소재에 압력을 가하여서, 엔드이펙터 플런저의 작동동안 그리고 적어도 그 작동전에 소재에 대해 일정한 힘을 유지하는 엔드이펙터 프리로드 기구를 구비하는 유연한 레일식 공작기계.
  29. 제1항에 있어서, 공구헤드는, 엔드이펙트 프리로드 기구와 엔드이펙터에 의해 가해진 반동힘에 힘을 가하는 반동풋을 구비하는 유연한 레일식 공작기계.
  30. 제5항에 있어서, 주 레일은 다수의 제1이격핀에 부착되는 제1전자기 부착시스템을 구비하여서, 전자기력의 적용하에, 상기 이격핀이 소재에 접촉되어 해제가 능하게 당겨지고, 상기 주 레일이 소재에 대해 고정되는 유연한 레일식 공작기계.
  31. 제7항에 있어서, 상기 제2레일은 다수의 제2이격핀에 부착된 제2전자기 부착시스템을 구비하여서, 전자기력의 작용하에, 상기 이격핀이 소재와 접촉되어 해제가능하게 당겨지며, 상기 제2레일이 소재에 대해 고정되는 유연한 레일식 공작기계.
  32. 제5항에 있어서, 상기 주 레일이 다수의 제1이격핀에 부착된 제1기계 부착시스템을 구비하여서, 기계력의 작용하에, 상기 이격핀이 소재와 접촉되어 해제가능하게 당겨지며, 상기 주 레일이 소재에 대하여 고정되는 유연한 레일식 공작기계.
  33. 제7항에 있어서, 상기 제2레일은 다수의 제2이격핀에 부착된 제2기계 부착시스템을 구비하여서, 기계력의 작용하에, 상기 이격핀이 소재와 접촉되어 해제가능하게 당겨지며, 상기 제2레일이 소재에 대해 고정되는 유연한 레일식 공작기계.
  34. 주 레일을 부품에 제거가능하게 결합하는 수단과; 소재에서 절단, 보유지지, 측정, 가열 및 다른 처리 중 하나를 수행하는 수단과; 소재에 대해 처리를 수행하는 수단을 위치시키는 수단;을 구비하고 소재에 작업을 이행하는 유연한 레일식 공작기계.
  35. 제34항에 있어서, 주 레일을 소재에 제거가능하게 결합하는 수단에 진공을 가하는 수단과; 소재에 대해 균일한 거리로 주 레일을 제거가능하게 결합하는 수단을 이격시키는 수단;을 구비하는 유연한 레일식 공작기계.
  36. 제34항에 있어서, 소재에 대한 제2레일을 제거가능하게 결합하는 수단과; 소재에 대해 일정거리로 제2레일을 제거가능하게 결합하는 수단을 이격시키는 수단; 소재에 제2레일을 제거가능하게 결합하는 수단에 진공을 가하는 수단;을 구비하는 유연한 레일식 공작기계.
  37. 제34항에 있어서, 제2레일에 대해 위치시키는 수단의 측면 위치부양을 허용하는 수단과; 상기 위치시키는 수단의 예정된 위치로부터의 변화량을 감지하는 수단;을 구비하는 유연한 레일식 공작기계.
  38. 소재에 대해 주 레일을 위치시키는 단계와; 소재에 대해 일정한 거리로 주 레일에 이격시키는 단계; 소재에 대한 주 레일을 제거가능하게 결합시키는 단계; 주 레일에 대하여 공작기계를 고정시키는 단계; 공작기계를 사용하여 소재에서 절단, 보유지지, 측정, 가열 및 다른 처리 중 하나를 수행하는 단계;를 가지는 소재에 공작기계작업을 이행하는 방법.
  39. 제38항에 있어서, 소재에 주 레일을 결합시키는 단계에 진공을 가하는 단계 를 추가로 포함하는 소재에 공작기계작업을 이행하는 방법.
  40. 제38항에 있어서, 공작기계에 대해 제2레일을 측면으로 부양되게 고정하는 단계와; 소재에 대해 제2레일을 위치시키는 단계; 소재로부터 떨어진 일정한 거리로 제2레일을 이격시키는 단계; 소재에 제2레일을 제거가능하게 결합하는 단계; 소재에 제2레일을 결합할 때 진공을 가하는 단계;를 가지는, 소재에 공작기계작업을 이행하는 방법.
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