本發(fā)明涉及用于機床(比如計算機數(shù)控機床)的控制和測量系統(tǒng)，以及用于機床的控制和測量方法。

背景技術(shù)：

計算機數(shù)字控制(CNC)機床在制造行業(yè)中廣泛用于執(zhí)行自動化生產(chǎn)任務(wù)。數(shù)控機床通常具有機頭，機頭可以攜帶用于各種加工——比如鉆孔，切割等——的加工工具，并且這些加工工具可以是可互換的。一旦安裝好工件，就可以對數(shù)控機床進行編程以對工件執(zhí)行一系列步驟，從而在高度自動化加工中以高精度生產(chǎn)部件。

在飛行器制造業(yè)中，已知在飛行器機翼的制造中使用數(shù)控機床。典型的飛行器機翼構(gòu)造包括將翼罩(或蒙皮)接合至縱向翼梁和橫向翼肋。翼罩可以具有縱向加強件(稱作桁條)，在翼罩與翼肋和翼梁組裝形成“翼盒”之前，縱向加強件附接至翼罩或與翼罩一體地形成。

在組裝翼盒的過程中，通常將形成完整翼盒所需的所有翼肋和翼梁布置在型架中以確保尺寸精度。然后，將翼罩放到位于型架中的翼肋和翼梁上并且接著在安裝最終緊固件以將翼罩固定至翼肋和翼梁之前進行鉆孔。為了避免不希望的預(yù)應(yīng)力并且為了確保完成的翼盒與設(shè)計形狀相符，在組裝之前不對翼罩、翼肋和翼梁進行預(yù)鉆孔。此外，由于機床可達性限制以及在翼罩包括層壓復(fù)合材料的情況下為確保在外空氣動力學(xué)表面上不發(fā)生任何鉆孔出口脫層，必須從將形成空氣動力學(xué)表面的一側(cè)對翼罩進行鉆孔。

熱膨脹和制造公差使得難以將用于執(zhí)行鉆孔操作的數(shù)控機床定位成與隱藏在翼罩后面的肋腳和翼梁凸緣對準(zhǔn)。特別地，肋腳可以僅在預(yù)定緊固件位置周圍具有小平臺，因此，精確定位緊固件是至關(guān)重要的。

當(dāng)前用于翼盒組裝的數(shù)控機床使用磁場傳感器來將機床與手動安裝在盲孔中的磁體對準(zhǔn)，所述盲孔形成在翼罩的內(nèi)表面——即，與將形成空氣動力學(xué)表面的外表面相反的一側(cè)——上的期望的緊固件位置處。這種解決方案提供了所需的定位精度，但該解決方案具有下述缺點：很多磁體在翼罩上的安裝以及隨后的移除使得數(shù)控機床的使用以兩人操作。

本發(fā)明旨在解決這個問題以便于機床的單人操作。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

本發(fā)明涉及一種計算機數(shù)控機床，其包括機頭以及超聲波探頭，機頭具有一個或更多個加工工具并且機頭能夠相對于工件移動。超聲波探頭可以用以測量工件的材料厚度從而將機頭相對于工件定位和/或測量由機床形成的孔的出口脫層。

本發(fā)明的第一方面提供了一種計算機數(shù)控機床，其包括機頭、位置傳感器系統(tǒng)以及控制器，其中，機頭具有一個或更多個加工工具并且機頭能夠相對于工件移動，位置傳感器系統(tǒng)用于檢測機頭相對于工件的位置，控制器聯(lián)接至位置傳感器系統(tǒng)，用于機頭相對于工件的位置的閉環(huán)控制，其中，位置傳感器系統(tǒng)包括超聲波探頭。

本發(fā)明的另一方面提供了一種對計算機數(shù)控機床的位置進行控制的方法，機床包括機頭、位置傳感器系統(tǒng)以及控制器，其中，機頭具有一個或更多個加工工具并且機頭能夠相對于工件移動，位置傳感器系統(tǒng)包括超聲波探頭，控制器聯(lián)接至位置傳感器，并且所述方法包括通過位置傳感器系統(tǒng)對機頭相對于工件的位置進行檢測，以及通過控制器對機頭相對于工件的位置進行閉環(huán)控制。

本發(fā)明的優(yōu)點在于，超聲波位置傳感器系統(tǒng)可以檢測工件的特征在工件的與機床所處的側(cè)相反的一側(cè)上的位置而不需要由第二個操作者安裝的定位裝置，比如磁體或機器可讀傳感器。以這種方式，機床便于單個操作者操作。沒有定位磁體——比如當(dāng)前在本領(lǐng)域中使用的那些定位磁體——可以實現(xiàn)對已知會扭曲所述磁體的磁場并且迄今為止需要替代的加工技術(shù)的材料(比如鈦)的機械加工。

位置傳感器系統(tǒng)可以配置成使用超聲波探頭來測量工件的材料厚度。

位置傳感器系統(tǒng)可以配置成測量工件上的預(yù)定位置附近的材料厚度。

位置傳感器系統(tǒng)可以配置成通過沿著至少一個軸線進行掃描來測量工件的材料厚度。

所述掃描可以沿著兩個正交的軸線執(zhí)行。

位置傳感器系統(tǒng)可以配置成確定下述工件特征的幾何中心，所述工件特征的材料厚度與工件特征周圍的材料厚度不同。例如，位置傳感器系統(tǒng)可以用于確定形成于工件中的盲孔的中心。替代性地，位置傳感器可以用于確定預(yù)定緊固件位置周圍的平臺的中心。

位置傳感器系統(tǒng)可以配置成確定工件特征的材料厚度輪廓。例如，在工件特征為盲孔的情況下，與周圍材料厚度相比，盲孔處的材料厚度將減小。

機床能夠被操作成一旦已經(jīng)使用位置傳感器系統(tǒng)使機頭與工件自動地對準(zhǔn)，就自動地對工件執(zhí)行機械加工操作。

機床可以是在飛行器翼盒組裝型架中的飛行器翼盒部件中全自動化地鉆制用于最終緊固件的孔的多軸機床。

附圖說明

現(xiàn)將參照附圖描述本發(fā)明的實施方式，在附圖中：

圖1示出了安裝有翼肋和翼梁、準(zhǔn)備接納翼罩的飛行器翼盒型架的示意圖；

圖2示出了用于為將翼罩附接至型架中的翼肋和翼梁的緊固件自動鉆孔和锪孔的數(shù)控機床；

圖3示出了具有在其內(nèi)表面中形成的定位盲孔的翼罩的局部視圖；

圖4示出了鄰近肋腳安裝在型架中且鄰近數(shù)控機床的翼罩的局部細節(jié)圖，其中，機床的位置傳感器系統(tǒng)接近定位盲孔；

圖5示出了翼罩、肋腳和數(shù)控機床的局部細節(jié)圖，其中，機頭對準(zhǔn)以用于鉆孔加工；

圖6示出了翼罩、肋腳和數(shù)控機床的局部細節(jié)圖，其中，機頭在鉆孔加工期間前進；

圖7示出了翼罩、肋腳和數(shù)控機床的局部細節(jié)圖，其中，機頭在鉆孔加工之后縮回；以及

圖8示出了緊固至肋腳的翼罩的局部細節(jié)圖。

具體實施方式

圖1示出了飛行器翼盒型架1的側(cè)視圖，其中，聯(lián)接至前翼梁和后翼梁3的多個翼肋2(在圖1中僅一個翼肋2是可見的)安裝在夾具1中并且準(zhǔn)備接納翼蓋4。翼罩4通過使用圖2中所示的計算機數(shù)字控制(CNC)機床5的自動化加工而附接至翼肋2的肋腳2a。

機床5為5軸機床，5軸機床構(gòu)造成用于將翼罩4組裝至肋腳2a的全自動化鉆孔以及從動螺栓的插入。機床被設(shè)計成生產(chǎn)用于將翼罩4緊固至翼肋2的最終緊固件的孔。機床可以執(zhí)行附加操作，比如鉆出用于發(fā)動機吊架加強件的孔等。機床實質(zhì)上為具有五軸機頭6的移動立柱式銑床。機頭被構(gòu)造成在機械加工期間提供間隙閉合壓力，以便例如將翼罩4按壓在肋腳2a上，并且還具有將各種加工工具中的一個加工工具運送至用于鉆孔操作和緊固操作的工具點的能力。

機床5安裝在導(dǎo)軌(未示出)上用于沿X軸運動，使得機床5能夠行進經(jīng)過機翼組裝型架1的全部長度。機床5包括機床立柱7，機床立柱7具有用于使機頭6沿著Y軸豎直運動的導(dǎo)軌8。安裝至Y軸導(dǎo)軌8的是具有回轉(zhuǎn)臺軸承的Y軸滑動件9，該回轉(zhuǎn)臺軸承具有平行于X軸的軸線并且提供沿A的旋轉(zhuǎn)以適應(yīng)翼罩4的翼弦方向的曲率。類似的布置提供了沿B軸的旋轉(zhuǎn)，即，圍繞平行于Y軸的軸線旋轉(zhuǎn)。機頭6座置在A-B樞軸的下方并且包括位于往復(fù)移動工作臺上的多個可互換的加工工具。機頭具有推力軸U，當(dāng)A為零時推力軸U平行于z軸。沿著所有軸線的運動都是伺服控制的。

機頭包括壓腳10和穿蒙皮傳感器(TSS)11。TSS 11由數(shù)控機床5自動地調(diào)用。TSS 11形成位置傳感器系統(tǒng)的一部分并且允許操作者根據(jù)需要將機床局部回零。TSS 11還可以形成用于測量工件特征的輪廓的測量系統(tǒng)的一部分。機頭6的加工工具可以根據(jù)需要包括鉆軸、從動螺栓檢測工具、孔徑探針、螺栓插入工具、或者各種加工工具中的任一加工工具。最后，該機床5包括具有界面控制臺13的操作者平臺12。

圖3示出了其中一個翼罩4的局部視圖，其中，翼罩4具有形成于其內(nèi)表面15上的預(yù)鉆的定位盲孔14，翼罩4的內(nèi)表面15與翼罩4的將形成完成的飛行器機翼的外空氣動力學(xué)表面的外表面16相反。圖4示出了具有定位盲孔14的、鄰近肋腳2a安裝在型架1(圖4中不可見)中的翼罩4，其中，機頭6緊密靠近翼罩4以使得TSS 11在X方向和Y方向上與定位盲孔14的位置大致對準(zhǔn)。

TSS 11包括超聲波探頭17，超聲波探頭17從最靠近翼罩4的外表面16的一側(cè)朝向翼罩4發(fā)射超聲波。超聲波行進穿過翼罩4的厚度，并且由于翼罩在定位盲孔14處的材料厚度與周圍材料厚度相比不同，因此翼罩4反射回被定位盲孔14扭曲的反射超聲波。反射超聲波在超聲波探頭17處被接收。

TSS 11的輸出端聯(lián)接至機床位置傳感器系統(tǒng)的控制器，該控制器通過閉環(huán)控制對反射超聲波進行分析以計算定位盲孔14在X-Y-Z坐標(biāo)系中的精確位置。在優(yōu)選實施方式中，位置傳感器系統(tǒng)使用TSS 11沿X軸和Y軸進行掃描來測量翼罩的材料厚度，從而確定定位盲孔14的幾何中心。由于在翼罩4被組裝在型架1中之前在翼罩4中預(yù)鉆定位盲孔14，因此機床5可以離開定位盲孔14精確地局部回零。

接下來轉(zhuǎn)至圖5，已經(jīng)局部回零的機床5被對準(zhǔn)，使得加工工具中的一個加工工具——在此情況下為鉆軸18——與用于將翼罩4緊固至肋腳2a的期望緊固件的孔位置精確地對準(zhǔn)。如在圖6中所示，機頭6前進成使得壓腳10接觸翼罩4的外表面16以對翼罩4施加間隙閉合壓力。這導(dǎo)致翼罩4的內(nèi)表面15抵靠在肋腳2a上。接著，鉆軸18沿著U形前進，以穿過翼罩4和肋腳2a鉆孔。

在圖7中示出了在鉆軸18和機頭6縮回之后的完成的通孔19。在如圖8中所示的那樣安裝最終緊固件20以將翼罩4緊固至肋腳2a之前，可以通過機床執(zhí)行一個或更多個另外的加工，比如锪孔、去毛刺等。去毛刺可以在移除翼罩4之后并且在安裝緊固件之前手動地執(zhí)行。

機床還可以在肋腳2a、翼罩4、或其他工件部件為例如包括纖維增強復(fù)合材料的層壓部件的情況下使用TSS 11來測量由鉆軸18鉆出的孔的出口脫層。機床可以將TSS11定位成鄰近所鉆的孔19，測量所鉆的孔的輪廓，并且輸出孔外周附近的任何出口脫層程度的測量值。在安裝最終緊固件之前，可以通過機床5或手動地執(zhí)行另外的加工以處理任何過度的出口脫層。

作為采集預(yù)鉆盲孔的位置的替代方案，位置傳感器系統(tǒng)可以使用TSS 11來采集肋腳2a的邊緣輪廓或其他工件特征。這可以消除對預(yù)鉆盲孔的任何需要。

機床5可以使用TSS 11在正交方向上進行掃描，或者可以僅在一個方向進行掃描，或者可以在多個方向上進行掃描。位置傳感器系統(tǒng)可以使用TSS 11來定位工件的最薄部分的中心或工件特征邊緣。

盡管已經(jīng)在上面參照一個或多個優(yōu)選實施方式對本發(fā)明進行了描述，然而，應(yīng)當(dāng)理解的是，可以在不脫離如所附權(quán)利要求中限定的本發(fā)明的范圍的情況下進行各種改變和修改。