專利名稱:柔性軌道多軸工具機(jī)及方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明一般涉及一種制造工具和自動(dòng)化。更具體地說(shuō)，本發(fā)明涉及安裝有軌道的工具機(jī)(machine tools)和自動(dòng)定位系統(tǒng)。
背景技術(shù)：
自早期采用硬殼體航空結(jié)構(gòu)的歷程以來(lái)，傳統(tǒng)的飛機(jī)制造過(guò)程包括制造型板(templates)并將這些型板對(duì)準(zhǔn)于機(jī)身和飛機(jī)翼面殼體上，然后利用手持鉆具在型板上鉆一些通孔，以便制備出用于安裝鉚釘和螺釘?shù)暮娇战Y(jié)構(gòu)。于是，由于人的操作速度往往限制了在這種結(jié)構(gòu)中設(shè)置孔，而且還需要仔細(xì)檢查。
理論上可開(kāi)發(fā)出大而重的機(jī)器人設(shè)備，通過(guò)把這種機(jī)械器人設(shè)備例如安置在與工件分離的安裝基底上，就能在如航空結(jié)構(gòu)之類的工件上的任何部位設(shè)置孔，但鉆孔精度受機(jī)器人設(shè)備中的位置傳感器限制。然而，這種設(shè)備還未被研發(fā)出來(lái)，或者對(duì)常規(guī)使用而言未顯示出經(jīng)濟(jì)可行性。但是，業(yè)已證明，將具有一定的自動(dòng)化程度的制造設(shè)備直接連結(jié)到修建中(underconstruction)的工件的一部分上是可行的，其中，對(duì)于定位而言，實(shí)用的理想標(biāo)準(zhǔn)包括精度、適應(yīng)性、速度、低制造成本、重量輕和尺寸緊湊。
對(duì)于可能形成的常規(guī)的平的和/或直的表面而言，在大多數(shù)有限的情況中，沿機(jī)身的縱軸線各種機(jī)器人工具可能是有效的。例如，在早期的方案中，利用如螺釘之類的常規(guī)固定件將基本為剛性的軌道臨時(shí)與工件連結(jié)。可以通過(guò)手動(dòng)或利用機(jī)動(dòng)定位器使鉆具沿軌道運(yùn)動(dòng)到鄰近軌道的一些連續(xù)的、鉆具可鉆出整齊的筆直的孔的位置。然后，使鉆具前進(jìn)，直到沿直線鉆出所需的全部孔為止。
上述方法和設(shè)備具有一些特征，即，能非常精確地鉆出一系列的孔，并且具有相當(dāng)?shù)乃俣?，但是也存在一些缺陷，例如，首先必須正確地確定與軌道相連結(jié)的安裝孔的位置。此外，軌道的安裝和拆卸容易損害工件。再者，對(duì)齊是至關(guān)重要的也是很費(fèi)時(shí)的。而且，所需的孔中可能只有百分比很少的孔合適地位于一條直線上，因此，設(shè)計(jì)鉆進(jìn)模式、制備安裝孔以及反復(fù)地對(duì)軌道重新定位是很麻煩的。此外，如注意到的那樣，由于剛性軌道不能橫向彎曲，因此，例如上述工具不能沿周向被定位在機(jī)身上，通常也不能沿順翼展方向之外的任何方向被定位于機(jī)翼上。
不僅上面所描述的設(shè)備、而且現(xiàn)有的其他設(shè)備也存在的另一缺陷是用于這種設(shè)備的鉆進(jìn)部件的運(yùn)動(dòng)范圍受到局限。常規(guī)的工具可利用兩條軌道來(lái)提供牢固的基底，然后橫過(guò)工件運(yùn)動(dòng)工具架。即使工具架能在這些軌道之間以及沿著這些軌道運(yùn)動(dòng)，仍不能在由這兩條軌道所確定的運(yùn)動(dòng)范圍之外執(zhí)行操作。
因此，期望提供一種柔性軌道工具機(jī)的(操作)方法(machine toolmethod)以及能適應(yīng)具有相當(dāng)大的曲率的工件表面的設(shè)備，這種柔性軌道工具機(jī)能在工件上的操作區(qū)域(work zone)內(nèi)鉆出一些孔。此外，還期望這種工具無(wú)需人工重新定位就能沿至少一條軸線橫向于表面運(yùn)動(dòng)，并且基本上無(wú)需人工介入就能垂直于一表面進(jìn)行鉆孔。另外，還期望這種工具能夠在由軌道系統(tǒng)連結(jié)軌跡(attachment footprint)所限定的運(yùn)動(dòng)范圍之外進(jìn)行鉆孔。再者，還期望這種工具能夠把期望的孔位置從參考座標(biāo)系變換到保持固定的(as-affixed)座標(biāo)系。此外，還期望這種工具便于安裝，也易于從工件上拆卸下來(lái)。

發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明在很大程度上滿足了上述需要。在本發(fā)明一實(shí)施方式中，提供了一種柔性軌道工具機(jī)(操作)方法和設(shè)備，這種設(shè)備能適應(yīng)于具有相當(dāng)大的曲率的工件表面并能在工件上的操作區(qū)域內(nèi)執(zhí)行如鉆孔之類的操作。另一方面，這種柔性軌道工具機(jī)(操作)方法和設(shè)備無(wú)需人工重新定位還能沿至少一條軸線橫向于一表面運(yùn)動(dòng)，并能垂直于一表面執(zhí)行如鉆孔之類的操作。又一方面，這種柔性軌道工具機(jī)(操作)方法和設(shè)備還能在其連結(jié)裝置的邊界外側(cè)執(zhí)行如鉆孔之類的機(jī)加工操作。再一方面，這種柔性軌道工具機(jī)(操作)方法和設(shè)備還能夠把期望的孔位置從參考坐標(biāo)系變換到保持安裝的(as-installed)坐標(biāo)系。另一方面，此柔性軌道工具機(jī)(操作)方法和設(shè)備便于安裝并能方便地從工件上拆卸下來(lái)。
根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方式，一種用于在工件上進(jìn)行加工的柔性軌道工具機(jī)包括與所述工件耦連的主軌道；工具架；位于工具架上的端部操縱器，其中，該端部操縱器是用于實(shí)現(xiàn)機(jī)加工工具功能(machine tool function)的機(jī)構(gòu)；相對(duì)于主軌道連結(jié)和支撐工具架的第一支撐機(jī)構(gòu)，其中，該第一支撐機(jī)構(gòu)位于工具架的第一最大橫向范圍和工具架的第二最大橫向范圍之間。
根據(jù)本發(fā)明另一實(shí)施方式，用于在工件上進(jìn)行加工的柔性軌道工具機(jī)包括用于可脫開(kāi)地將主軌道與工件耦連的器具；用于在工件上執(zhí)行切割、固定、測(cè)量、加熱和其它加工操作的器具；用于對(duì)工件執(zhí)行加工操作的器具進(jìn)行定位的器具。
根據(jù)本發(fā)明的又一實(shí)施方式，一種用于在工件上執(zhí)行機(jī)加工操作的方法包括步驟相對(duì)于所述工件定位主軌道；相對(duì)于工件以均勻距離間隔主軌道；可脫開(kāi)地使主軌道與工件耦連；相對(duì)于主軌道固定機(jī)加工工具(machining tool)；利用機(jī)加工工具在工件上執(zhí)行切割、固定、測(cè)量、加熱和其它操作。
為了更好地理解本發(fā)明的詳細(xì)描述以及更好地理解本發(fā)明對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的貢獻(xiàn)，上面已對(duì)本發(fā)明的一些實(shí)施方式進(jìn)行了相當(dāng)廣泛的概述。當(dāng)然，下面還將對(duì)本發(fā)明的其它一些實(shí)施方式進(jìn)行描述，這些實(shí)施方式將構(gòu)成所附權(quán)利要求
的主題。
在這方面，在詳細(xì)描述本發(fā)明的至少一種實(shí)施方式之前，應(yīng)當(dāng)理解，本發(fā)明不局限于下面所描述的或圖中所示出的結(jié)構(gòu)細(xì)節(jié)和部件布置。除了那些已被描述和已被實(shí)施的實(shí)施方式外，本發(fā)明還可以多種方式實(shí)施。此外，還應(yīng)當(dāng)理解，在這里以及摘要中所采用的表述方式和術(shù)語(yǔ)是為了描述的目的，而不應(yīng)看作是對(duì)本發(fā)明的限制。
如所指出的那樣，本領(lǐng)域技術(shù)人員應(yīng)懂得，利用已公開(kāi)的構(gòu)思可以方便地設(shè)計(jì)出可實(shí)現(xiàn)本發(fā)明的一些目的的其它結(jié)構(gòu)、方法和系統(tǒng)。因此，重要的是，權(quán)利要求
應(yīng)被認(rèn)為涵蓋了未超出本發(fā)明的構(gòu)思和范圍的那些等同結(jié)構(gòu)。
圖1是第一透視圖，它示出了本發(fā)明一優(yōu)選實(shí)施方式的用于軌道之間進(jìn)行鉆孔的柔性軌道工具機(jī)，圖中示出了適當(dāng)?shù)耐馍w；圖2是圖1所示的柔性軌道工具機(jī)的近視圖；圖3是圖1所示的柔性軌道工具機(jī)的第二透視圖，它被構(gòu)造成用于懸臂式機(jī)加工，圖中示出了拆去一些蓋的情況；圖4是所示柔性軌道工具機(jī)的側(cè)視圖，圖中省去了一些蓋、框架、和一些附加的硬件，但示出了全部的三條軌道；圖5是從圖3所示的視點(diǎn)所看到的柔性軌道工具機(jī)的透視圖，圖中省去了某些附加的框架件，但包括了全部軌道。
圖6是圖1所示的柔性軌道工具機(jī)的端視圖，圖中省去了一些結(jié)構(gòu)裝置和殼體；圖7是從圖1所示的柔性軌道工具機(jī)下方看到的透視圖；圖8的透視圖示出了本發(fā)明另一實(shí)施方式的利用反作用腳代替第二軌道的情況。
具體實(shí)施方式根據(jù)本發(fā)明一實(shí)施方式，提供了一種用于將工具架放置在沿一或多條軸線具有相當(dāng)大的曲率的工件上方的軌道系統(tǒng)。在此示例性實(shí)施方式中，通過(guò)利用主軌道系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)工具架在軌道懸掛系統(tǒng)上的平穩(wěn)運(yùn)動(dòng)，該主軌道系統(tǒng)包括一或多根相當(dāng)長(zhǎng)且寬、平的柔性軌道，這些柔性軌道具有V形的軌道棱面，該軌道棱面與工具架上如滾子之類的相配合的支撐裝置接觸。在本示例性實(shí)施方式中，利用工具架上的小齒輪和設(shè)置在主軌道內(nèi)的齒軌通過(guò)馬達(dá)沿平行于軌道棱面的軌道系統(tǒng)軸線(在下文中被稱做縱軸線)驅(qū)動(dòng)工具架。
工具架能沿著和圍繞著多根軸線進(jìn)行自動(dòng)推進(jìn)運(yùn)動(dòng)。工具架除了具有一些滾子和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)以使其通過(guò)主軌道的縱向范圍外，還可使其配置有橫軌道，優(yōu)選的是，可將這些橫軌道設(shè)置成與主軌道呈直角，并且對(duì)于這些橫軌道而言，用與所述縱向馬達(dá)驅(qū)動(dòng)分開(kāi)的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)使其自動(dòng)地橫向定位。此外，優(yōu)選的是，用于機(jī)加工的卡盤或心軸也能通過(guò)馬達(dá)轉(zhuǎn)動(dòng)。類似地，通常需要帶有如鉆頭之類的機(jī)加工工具(machine tool)的工具架，并利用另外的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)將所述工具插入/拉出所述工件。此外，理想的是，通過(guò)使工具架傾斜來(lái)調(diào)節(jié)相對(duì)于工具架的透入角度，這可能還需要另外的馬達(dá)驅(qū)動(dòng)。其它期望具有的功能可包括把一種類型的機(jī)加工工具更換成另一種機(jī)加工工具；或增加多個(gè)工具以及一些用于測(cè)量位置的附屬裝置；把一些緊固件穩(wěn)定地從分配器插入預(yù)先制備的孔內(nèi)；或其它各種有用操作。
為便于說(shuō)明，術(shù)語(yǔ)“端部操縱件”被用作概括性術(shù)語(yǔ)，它包括例如“鉆頭”、“研磨件”、“插入件”、“測(cè)量探針”以及柔性軌道工具機(jī)可采用的其它適合的功能件。
為便于公開(kāi)，將沿主軌道縱軸線的運(yùn)動(dòng)稱作X-軸運(yùn)動(dòng)。將相對(duì)于主軌道的橫向運(yùn)動(dòng)但仍然基本平行于工件的中間表面(mean surface)的運(yùn)動(dòng)稱作Y-軸運(yùn)動(dòng)。將端部操縱件穿透工件的沖擊運(yùn)動(dòng)稱作Z-軸運(yùn)動(dòng)。將使端部操縱件相對(duì)于工具架X-軸線傾斜、致使該端部操縱件能相對(duì)于工具架呈角度地進(jìn)入所述工件稱作A-軸運(yùn)動(dòng)。端部操縱件圍繞Y-軸的傾斜、即為B-軸運(yùn)動(dòng)不是本示例性實(shí)施方式的特征。將圍繞Z-軸的端部操縱件心軸轉(zhuǎn)動(dòng)稱作C-軸運(yùn)動(dòng)。除了這些運(yùn)動(dòng)外，還要向工件預(yù)施加壓力。此外，還要設(shè)置補(bǔ)償器，以便對(duì)整個(gè)工具架圍繞A-軸的取向進(jìn)行微調(diào)。
優(yōu)選的是，利用帶有間隔銷的真空吸盤使主軌道與工件連結(jié)。所描述的軌道是相當(dāng)長(zhǎng)、寬且薄的軌道，它相對(duì)于旁曲而言在彎曲和扭轉(zhuǎn)的同時(shí)可具有相當(dāng)?shù)膭傂?，以與工件相適應(yīng)。利用與軌道連結(jié)并拉靠于(drawnagainst)工件的多個(gè)優(yōu)選高度一致的剛性間隔銷可實(shí)現(xiàn)與工件的輪廓大體一致。這種高度一致性有利于使軌道至工件的間距一致，而這種軌道至工件的間距一致性又可使X-軸定位的精確性最高。保持力來(lái)自于各類力源中的任一種，其中之一是來(lái)自外部真空源的真空，將真空施加到圍繞每個(gè)間隔銷或成組的間隔銷的彈性座上。通過(guò)采用足夠大的總真空座表面積可將柔性軌道工具機(jī)以任何有效的取向連結(jié)到工件上。
工具架可包括對(duì)其的一或多個(gè)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行自動(dòng)位置監(jiān)測(cè)，因而能非常精確地知道工具相對(duì)于工件的位置。可將此功能擴(kuò)展至包括位置的計(jì)算修正，致使例如工具架上的監(jiān)測(cè)器能識(shí)別工件上的參考位置，并把這些參考位置發(fā)送到處理器，該處理器能對(duì)傳到工具架的指令進(jìn)行校準(zhǔn)，以有效地執(zhí)行座標(biāo)轉(zhuǎn)換，并在期望不考慮初始軌道放置的不確定性之處自動(dòng)進(jìn)行鉆孔。
下面將參照附圖對(duì)本發(fā)明一些優(yōu)選實(shí)施方式進(jìn)一步進(jìn)行描述，在所有這些附圖中，相同的附圖標(biāo)記表示相同的部件。
圖1是柔性軌道工具機(jī)10的總體透視圖。柔性軌道工具機(jī)10包括工具架12，該工具架座落在主軌道22和副軌道38上，這些軌道把工具架12耦連到工件14上。
圖2是圖1所示的柔性軌道工具機(jī)10的放大圖，它更詳細(xì)地示出了工具架12，并示出了將工具架12跨坐于兩軌道22和38的短段上的情況。可以看出，圖2所示的設(shè)備裝有多個(gè)蓋(包括由附圖標(biāo)記16、18、20表示那些蓋)。位于工具架12中心附近的主軌道22被切割有齒輪齒軌(gear tooth rack)24并利用間隔銷26和真空吸盤28被裝配在下面。第一側(cè)框架件30使工具架12具有結(jié)構(gòu)整體性。此外，從圖中還可以看到V形滾子32、第一主軌道滾子支撐臂34、以及第一主軌道樞軸36。
在圖2的前部是副軌道38，此處因?yàn)樵谶@種結(jié)構(gòu)中這兩條軌道的配置橫跨端部操縱件40涉及的范圍，副軌道38被稱作跨越軌道(spanned rail)。與中心軌道22相似，跨越軌道38配備有一些間隔銷42和真空吸盤44，圖1中部分地示出了這些真空吸盤44中的兩個(gè)吸盤。圖中示意性地示出了通過(guò)軟管30與真空吸盤28和44相連接的真空源128，以便提供附著力。圖中還示出了用于跨越軌道38的跨越軌道支撐機(jī)構(gòu)46，其包括向跨越軌道38提供直接支撐的跨越軌道V形滾子48；與跨越軌道V形滾子48結(jié)合的短橫向軌道50；使工具架12獨(dú)立于跨越軌道38運(yùn)動(dòng)的橫跨的V形滾子52；用于將跨越軌道支撐機(jī)構(gòu)46固定到工具架12上的跨越支撐支架54。
直接耦連到工具架12上的主軌道22可使工具架12只繞A軸自由轉(zhuǎn)動(dòng)。副軌道38的松耦連使工具架12可相對(duì)于副軌道38沿側(cè)向(沿Y-軸方向)浮移(float)，并可以進(jìn)行A-軸轉(zhuǎn)動(dòng)和不受妨礙的X-軸運(yùn)動(dòng)。這樣，在副軌道38提供穩(wěn)定性和支撐的同時(shí)可將主軌道22作為基準(zhǔn)。于是，可使副軌道38隨沿復(fù)雜彎曲的工件14上的非平行路徑移動(dòng)而不會(huì)引起耦連設(shè)備彎曲。
在本示例性實(shí)施方式中，用于副軌道的耦連機(jī)構(gòu)、即圖中所示的跨越支撐支架54具有一些安裝槽56。穿過(guò)這些槽56的螺栓可對(duì)工具架12的安放態(tài)式(stance)進(jìn)行調(diào)節(jié)。理想的情況應(yīng)當(dāng)是動(dòng)態(tài)地進(jìn)行這種態(tài)式調(diào)節(jié)，例如在工作期間在計(jì)算機(jī)控制下進(jìn)行調(diào)節(jié)，那么，就可以把馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的、裝配有傳感器的致動(dòng)器設(shè)置在跨越支撐支架54和工具架12之間。
圖3是該柔性軌道工具機(jī)10的第三個(gè)透視圖，其中省去了一些蓋(圖2所示的16、18和20)，在該透視圖中，卸去了跨越軌道38并增加了配備有間隔銷58和真空吸盤60的懸臂式軌道56，該懸臂式軌道利用懸臂式軌道支撐機(jī)構(gòu)62被連結(jié)到工具架12上，所述懸臂式軌道支撐機(jī)構(gòu)包括用于為懸臂式軌道56提供直接支撐的懸臂式軌道V形滾子64；與懸臂式軌道V形滾子64結(jié)合的短橫向軌道66；使工具架12獨(dú)立于懸臂式軌道56運(yùn)動(dòng)的懸臂橫向V形滾子68；在本示例性實(shí)施方式中為懸臂支撐支架70的、用于將懸臂式軌道支撐機(jī)構(gòu)62固定到工具架12上的耦連機(jī)構(gòu)。
在這種間跨結(jié)構(gòu)中，圖中所示的懸臂支撐支架70具有一些安裝槽72。通過(guò)調(diào)節(jié)穿過(guò)這些槽72的螺栓可調(diào)節(jié)工具架12的安放態(tài)式。如果希望動(dòng)態(tài)地進(jìn)行這種態(tài)式調(diào)節(jié)，例如在工作期間在計(jì)算機(jī)控制下進(jìn)行調(diào)節(jié)，則可將馬達(dá)驅(qū)動(dòng)的配備有傳感器的致動(dòng)器設(shè)置在懸臂支撐支架70和工具架12之間。
通過(guò)從間跨結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成懸臂結(jié)構(gòu)可使端部操縱器40在工件邊緣附近或在過(guò)度彎曲的或結(jié)構(gòu)支撐下面較弱的區(qū)域中進(jìn)行操作，從而擴(kuò)展了柔性軌道工具機(jī)10的加工能力。應(yīng)注意的是，用于這兩種結(jié)構(gòu)的連結(jié)硬件可以不同，因此，盡管在前面的一些實(shí)施方式中，對(duì)于這兩種結(jié)構(gòu)優(yōu)選采用相同的部件，但在另一些實(shí)施方式中，從一種結(jié)構(gòu)轉(zhuǎn)換成另一種結(jié)構(gòu)可能需要不同的部件，。
圖3示出了柔性軌道工具機(jī)10的一些附加特征。在一些實(shí)施方式中，可以從馬達(dá)80利用傳動(dòng)帶78向端部操縱器心軸76提供動(dòng)力(C-軸運(yùn)動(dòng))。圖中示出了利用帶齒的傳動(dòng)帶84從帶齒的驅(qū)動(dòng)輪86到一對(duì)帶齒的從動(dòng)輪88將力矩施加到驅(qū)動(dòng)螺釘和驅(qū)動(dòng)螺母(被包在立柱90內(nèi))上，從而升起和降下橫向心軸支撐臂92，從而通過(guò)轉(zhuǎn)動(dòng)致動(dòng)器82驅(qū)動(dòng)端部操縱器心軸76前進(jìn)(Z-軸運(yùn)動(dòng))。
作為參考，圖4-7示出了跨越軌道38和懸臂式軌道56。盡管典型的實(shí)施方式可利用其中一個(gè)或另一個(gè)，但是，對(duì)于某些實(shí)施方式而言，優(yōu)選兩者都使用。
圖4的側(cè)視圖示出了上述特征和用于使驅(qū)動(dòng)心軸76傾斜(A-軸運(yùn)動(dòng))的機(jī)構(gòu)。利用借助于球面軸承96被連接到端部操縱器40上的傾斜致動(dòng)器94就能實(shí)現(xiàn)傾斜?；⌒诬壍?8可使心軸76基本上圍繞與工件接觸的點(diǎn)100樞轉(zhuǎn)。
圖5的透視圖示出了處于操作方位的一些關(guān)鍵元件。在該圖中可以看到與兩條弧形軌道98的局部和相聯(lián)的傾斜致動(dòng)器94一起的橫向(Y-軸)致動(dòng)器102和一條橫向軌道104。橫向軌道104被連結(jié)到工具架12的框架上，在該圖中可以看到該框架的端部單元106、108和中間單元110的局部。
圖5還示出了帶有齒軌24、間隔銷26以及真空吸盤28的主軌道22的細(xì)節(jié)。所示出的包括馬達(dá)、并且根據(jù)實(shí)施方式的具體情況還可包括齒輪減速器、編碼器和馬達(dá)驅(qū)動(dòng)電子組件的驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)被安裝在縱向驅(qū)動(dòng)殼體112內(nèi)。小齒輪被封閉在小齒輪護(hù)罩114內(nèi)。驅(qū)動(dòng)殼體112和小齒輪護(hù)罩114與第二主軌道滾子支撐臂116形成為整體組件。
圖6與圖5是基本相同的視圖，其中的一些安裝設(shè)備被省去了。在該透視圖中，可以看到第一主軌道滾子支撐臂34、第二主軌道滾子支撐臂116、和第三主軌道滾子支撐臂118、及將所述三個(gè)臂34、116、118連在一起的主軌道驅(qū)動(dòng)耦連彈簧120。應(yīng)當(dāng)注意的是，第一主軌道滾子支撐臂34通過(guò)樞軸36與第一側(cè)框架件30耦連；可以利用等同的樞軸支撐第三主軌道滾子支撐臂118。這兩個(gè)臂能承載工具架12的重量，同時(shí)第二主軌道滾子支撐臂116將縱向的軸向力從X-軸驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)耦合到主軌道22上。
與圓形齒輪的平面投影的節(jié)線相對(duì)應(yīng)的齒軌的俯仰平面(pitch plane)是有效平面，在齒軌和小齒輪的兩個(gè)部件之間的耦連運(yùn)動(dòng)中，驅(qū)動(dòng)小齒輪通過(guò)該有效平面起作用。具有厚度的撓性物體的中合面(neutral plane)通常是位于該物體內(nèi)的一平面，在物體彎曲期間，該中合面在所關(guān)注的方向上尺寸沒(méi)有改變。例如，這可以是由在所關(guān)注的方向上結(jié)構(gòu)基本均勻的材料制成的柔性板的中間平面。
優(yōu)選通過(guò)恰當(dāng)?shù)刂圃焓菇?jīng)加工的齒軌24的俯仰平面位于主軌道22的中合面上。結(jié)果，主軌道22可順從于工件14(見(jiàn)圖1)彎曲，從而能使從動(dòng)軸的長(zhǎng)度基本保持不變，因此基本上可從位置計(jì)算中消除這種誤差項(xiàng)。于是，小齒輪的角向位置與工件14上的工具架12的縱向位置之間的相互關(guān)系可以工件14的已知表面長(zhǎng)度為基礎(chǔ)，而無(wú)需進(jìn)行曲率修正。
耦連彈簧120的扭轉(zhuǎn)柔性(torsional limberness)使得通過(guò)主軌道22的扭曲來(lái)適應(yīng)工件14的扭曲，并使端部操縱器40上具有最小的扭轉(zhuǎn)負(fù)載誤差。由于主軌道22被用作空間基準(zhǔn)，因此，副軌道38能適應(yīng)方位略微不同的一部分工件表面，并且副軌道38的反作用功能基本上不受影響。
耦連彈簧120也可選擇其它的實(shí)施方式，這些實(shí)施方式例如包括拉緊纜索(cable in tension)、桿、和與第二支撐臂116耦連的框架中的十字槽。這些實(shí)施方式的每一種都可將來(lái)自小齒輪的X-軸向力耦合到工具架12上。
圖7是該柔性軌道工具機(jī)的一優(yōu)選實(shí)施方式的底視圖，圖中也示出了跨越和懸臂式軌道兩者。在該圖中，與端部操縱器預(yù)加載機(jī)構(gòu)122一起分別示出了第一和第二標(biāo)準(zhǔn)化的傳感器(normalizing sensors)118，120?？捎脴?biāo)準(zhǔn)化的傳感器118和120監(jiān)測(cè)端部操縱器心軸76(見(jiàn)圖3)是否被定位成在允許誤差范圍內(nèi)垂直于工件。假設(shè)工件14表面在某一范圍上基本均勻地彎曲，例如在兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)化的傳感器118、120之間的跨度范圍內(nèi)基本均勻地彎曲，并且兩個(gè)傳感器118和120的偏移大致相等，這就意味著它們?cè)诖笾麓怪庇诙瞬坎倏v器心軸76軸線的某一點(diǎn)的每一側(cè)上與工件14的表面相交。在要用機(jī)加工工具進(jìn)行加工的表面的寬范圍內(nèi)，這種假設(shè)通常是正確的。在使用過(guò)程中，處理器能接收來(lái)自兩個(gè)傳感器118和120的測(cè)量值并產(chǎn)生校正函數(shù)，控制致動(dòng)器94傾斜(A-軸)(見(jiàn)圖4)，調(diào)節(jié)端部操縱器40的角度以便達(dá)到常態(tài)、即垂直于工件?？梢砸?guī)定Y軸補(bǔ)償以確保將孔設(shè)置在包括垂直度補(bǔ)償?shù)钠谕恢?；可將這種修正引入到位置控制處理器算法內(nèi)。
通過(guò)增加另外一對(duì)傳感器來(lái)測(cè)量B-軸誤差可監(jiān)測(cè)第二軸的垂直度。借助于適當(dāng)設(shè)置轉(zhuǎn)換器，B-軸傳感器之一可以是傳感器118或傳感器120，其測(cè)量值被第二次使用。增加B-軸運(yùn)動(dòng)，可能需要附加的支承系統(tǒng)和致動(dòng)器。
預(yù)加載機(jī)構(gòu)122能向工件施加大致等于在機(jī)加工期間例如鉆孔期間所施加的總力的初始力。由于隨之施加有工具力，因此，可調(diào)節(jié)預(yù)荷載122，以便在整個(gè)工具循環(huán)中使總力基本保持恒定。
圖8是另一實(shí)施方式的透視圖，它示出了帶有氣動(dòng)致動(dòng)器126的反作用腳124，以便在工具驅(qū)動(dòng)期間抵抗由預(yù)加載機(jī)構(gòu)122所施加的力。盡管在圖1-7中所示的柔性軌道工具機(jī)10的實(shí)施方式中采用了帶有至少兩組真空吸盤的軌道結(jié)構(gòu)，但是應(yīng)當(dāng)知道，也可以利用連結(jié)到工具架12上的反作用腳124來(lái)代替副軌道，或者利用沒(méi)有真空吸盤的副軌道來(lái)作為非平移反作用元件。
盡管本柔性軌道工具機(jī)10可用于航空制造，但是應(yīng)當(dāng)知道，它也可用于造船、土木工程以及其它工業(yè)中的制造和結(jié)構(gòu)。同樣，在這里所公開(kāi)的工具尺寸適用于航空制造，但是應(yīng)當(dāng)知道，較大的工具適用于較大的制造項(xiàng)目，而對(duì)于小型應(yīng)用則期望采用具有相應(yīng)精度和能獨(dú)立操作的非常小的工具。能在諸如水下這樣的惡劣環(huán)境中操作同樣可以是本發(fā)明另外一些實(shí)施方式的一個(gè)理想特征。把這種設(shè)備連結(jié)在太空或其它高度真空的環(huán)境中、和連接到粗糙或多孔表面上、以及連接到不適合真空用途的其它環(huán)境中，可能需要借助于一些機(jī)械夾子或緊固件，或借助于磁性的或渦流耦連裝置。
本示例性實(shí)施方式中示出的工具架構(gòu)成為鉆具。這種工具架也可適用于其它功能。例如，帶有多個(gè)鉆頭的鉆具可包括自動(dòng)更換鉆頭，或者鉆各種大小的孔或者利用幾個(gè)鉆頭鉆出規(guī)定數(shù)量的每個(gè)孔，將磨損的鉆頭擱置一邊直到重新被磨成鋒利或丟棄為止。類似地，工具可包括例如量規(guī)、緊固器插入件、磨輪、焊接器、膠粘劑涂敷器、加熱器、固化燈(curing lamps)、蒸煮袋(pressure pads)、超聲檢驗(yàn)器、以及其它適用于自動(dòng)或遙控用途的任何工具。
通過(guò)對(duì)本發(fā)明的詳細(xì)描述，可以清楚地理解本發(fā)明的許多特征和優(yōu)點(diǎn)，因此，所附權(quán)利要求
旨在涵蓋落入本發(fā)明構(gòu)思和范圍內(nèi)的所有這些特征和優(yōu)點(diǎn)。此外，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員而言，很容易對(duì)本發(fā)明作出很多變型和變換，因此，本發(fā)明并不局限于在這里所描述和圖示的確切結(jié)構(gòu)和操作，所采用的各種適當(dāng)?shù)淖冃秃偷韧桨付紝⒙淙氡景l(fā)明保護(hù)范圍內(nèi)。
權(quán)利要求
1.一種用于在工件上進(jìn)行加工的柔性軌道工具機(jī)，包括與所述工件耦連的主軌道；工具架；位于所述工具架上的端部操縱器，其中所述端部操縱器是執(zhí)行機(jī)加工工具功能的機(jī)構(gòu)；及相對(duì)于所述主軌道連結(jié)和支撐所述工具架的第一支撐機(jī)構(gòu)，其中所述第一支撐機(jī)構(gòu)處于所述工具架的第一最大橫向范圍和所述工具架的第二最大橫向范圍之間。
2.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的柔性軌道工具機(jī)，其中，所述第一支撐機(jī)構(gòu)一般處于所述工具架的第一橫向范圍和所述工具架的第二橫向范圍之間的中間。
3.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的柔性軌道工具機(jī)，其中，所述端部操縱器位于所述工具架的第一最大橫向范圍的近端和位于所述工具架的第二最大橫向范圍的遠(yuǎn)端。
4.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的柔性軌道工具機(jī)，其中，還包括真空源。
5.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的柔性軌道工具機(jī)，其中，所述主軌道還包括與所述主軌道連結(jié)的多個(gè)第一間隔銷，其中使所述間隔銷與所述工件接觸，借此在多個(gè)第一位置處在所述主軌道和工件之間確定出設(shè)定距離。
6.根據(jù)權(quán)利要求
5所述的柔性軌道工具機(jī)，其中，所述主軌道還包括與所述多個(gè)第一間隔銷連結(jié)的多個(gè)第一真空吸盤，借此，在施加真空的情況下，所述間隔銷可釋放地被吸到與所述工件接觸，所述主軌道相對(duì)于所述工件基本上固定不動(dòng)；及位于所述真空源和所述多個(gè)第一真空吸盤之間的互連路徑。
7.根據(jù)權(quán)利要求
3所述的柔性軌道工具機(jī)，其中，還包括與所述工件耦連的副軌道；相對(duì)于所述副軌道連結(jié)并支撐所述工具架的第二支撐機(jī)構(gòu)；及與所述副軌道連結(jié)的多個(gè)第二間隔銷，其中使所述間隔銷與所述工件接觸，借此在多個(gè)第二位置處所述副軌道和工件之間確定出設(shè)定距離。
8.根據(jù)權(quán)利要求
7所述的柔性軌道工具機(jī)，其中，所述第二支撐機(jī)構(gòu)在所述工具架的第一最大橫向范圍處與所述工具架相連接。
9.根據(jù)權(quán)利要求
7所述的柔性軌道工具機(jī)，其中，所述第二支撐機(jī)構(gòu)在所述工具架的第二最大橫向范圍處與所述工具架相連接。
10.根據(jù)權(quán)利要求
7所述的柔性軌道工具機(jī)，其中，所述副軌道還包括與所述多個(gè)第二間隔銷連結(jié)的多個(gè)第二真空吸盤，借此，在施加真空的情況下，所述間隔銷可釋放地被吸到與所述工件接觸，所述副軌道相對(duì)于所述工件基本上固定不動(dòng)；及位于所述真空源和所述多個(gè)第二真空吸盤之間的互連路徑。
11.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的柔性軌道工具機(jī)，其中，所述主軌道還包括第一凸V形槽，其構(gòu)成所述主軌道的第一最大橫向范圍，其中所述第一凸V形槽在所述主軌道的整個(gè)范圍上大致是直的和均勻的；及第二凸V形槽，其構(gòu)成所述主軌道的第二最大橫向范圍，其中所述第二凸V形槽大致平行于所述第一凸V形槽。
12.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的柔性軌道工具機(jī)，其中，所述第一支撐機(jī)構(gòu)還包括第一支撐滾子，其具有靠在所述主軌道的所述第一凸V形槽上的第一周向凹V形槽；第二支撐滾子，其具有靠在所述主軌道的所述第二凸V形槽上的第二周向凹V形槽；及第一支撐臂，借此固定所述第一支撐滾子和所述第二支撐滾子，使之保持基本固定的相互關(guān)系。
13.根據(jù)權(quán)利要求
12所述的柔性軌道工具機(jī)，其中，所述第一支撐機(jī)構(gòu)還包括樞軸，借此所述第一支撐臂與所述工具架連結(jié)。
14.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的柔性軌道工具機(jī)，其中，所述主軌道還包括被切割成所述主軌道的齒輪齒軌。
15.根據(jù)權(quán)利要求
14所述的柔性軌道工具機(jī)，其中，所述齒輪齒軌還包括基本上與所述主軌道的曲率的中合面相一致的俯仰平面。
16.根據(jù)權(quán)利要求
7所述的柔性軌道工具機(jī)，其中，所述第二支撐機(jī)構(gòu)還包括第三支撐滾子，其具有靠在所述副軌道的所述第一凸V形槽上的第三周向凹V形槽；第四支撐滾子，其具有靠在所述副軌道的所述第二凸V形槽上的第四周向凹V形槽；及第二支撐臂，借此所述第三支撐滾子和所述第四支撐滾子保持固定的相互關(guān)系。
17.根據(jù)權(quán)利要求
16所述的柔性軌道工具機(jī)，其中，所述第二支撐機(jī)構(gòu)還包括與所述第二支撐臂呈一整體并耦連的橫向第二支撐軌道，其中所述橫向第二支撐軌道還包括直的第一凸V形槽，其包括所述橫向第二支撐軌道的局部前方范圍；直的第二凸V形槽，其平行于所述第一凸V形槽，并包括所述橫向第二支撐軌道的局部后方范圍；第五支撐滾子，其內(nèi)設(shè)置有靠在所述橫向第二支撐軌道的所述第一凸V形槽上的第五周向凹V形槽；第六支撐滾子，其內(nèi)設(shè)置有靠在所述橫向第二支撐軌道的所述第二凸V形槽上的第六周向凹V形槽；安裝支架，借此固定所述第五支撐滾子和第六支撐滾子，使之保持固定的相互關(guān)系；及耦連配件，借此將所述安裝架連結(jié)到所述工具架上。
18.根據(jù)權(quán)利要求
17所述的柔性軌道工具機(jī)，其中，所述耦連配件還包括穿孔模式(hole pattern)，借此能在多個(gè)高度處將所述耦連配件連結(jié)到所述工具架上。
19.根據(jù)權(quán)利要求
17所述的柔性軌道工具機(jī)，其中，所述耦連配件還包括一機(jī)構(gòu)，通過(guò)該機(jī)構(gòu)能監(jiān)測(cè)所述耦連配件相對(duì)于所述工具架的豎直位置。
20.根據(jù)權(quán)利要求
17所述的柔性軌道工具機(jī)，其中，所述耦連配件還包括一機(jī)構(gòu)，通過(guò)該機(jī)構(gòu)能調(diào)節(jié)所述耦連配件相對(duì)于所述工具架的豎直位置。
21.根據(jù)權(quán)利要求
7所述的柔性軌道工具機(jī)，其中，所述第二支撐機(jī)構(gòu)與所述工具架相耦連的部位使所述端部操縱器置于由所述主軌道和所述副軌道跨越的區(qū)域內(nèi)。
22.根據(jù)權(quán)利要求
7所述的柔性軌道工具機(jī)，其中，所述第二支撐機(jī)構(gòu)與所述工具架相耦連的部位使所述端部操縱器相對(duì)于所述主軌道和所述副軌道呈懸臂狀態(tài)。
23.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的柔性軌道工具機(jī)，其中，所述工具架還包括框架；及端部操縱器橫向定位器，其中所述端部操縱器橫向定位器使所述端部操縱器與所述框架連結(jié)，同時(shí)可鎖定地使所述端部操縱器相對(duì)于所述主軌道的縱軸線橫向運(yùn)動(dòng)。
24.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的柔性軌道工具機(jī)，其中，所述工具架還包括端部操縱器橫向傾角致動(dòng)器，其中所述端部操縱器橫向傾角致動(dòng)器使所述端部操縱器連結(jié)到所述框架上，同時(shí)可鎖定地使所述端部操縱器圍繞平行于所述主軌道的縱軸線的軸線轉(zhuǎn)動(dòng)。
25.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的柔性軌道工具機(jī)，其中，所述工具架還包括端部操縱器縱向傾斜器，其中所述端部操縱器縱向傾斜器使所述端部操縱器連結(jié)到所述框架上，同時(shí)可鎖定地使所述端部操縱器圍繞垂直于所述主軌道的縱軸線并平行于所述工件的中間平面轉(zhuǎn)動(dòng)。
26.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的柔性軌道工具機(jī)，其中，所述工具架還包括端部操縱器柱塞，其中所述端部操縱器柱塞使所述端部操縱器連結(jié)到所述框架上，同時(shí)可鎖定地使所述端部操縱器常規(guī)地移向和移離所述工件的中間平面。
27.根據(jù)權(quán)利要求
24所述的柔性軌道工具機(jī)，其中，所述工具架還包括第一標(biāo)準(zhǔn)化傳感器；第二標(biāo)準(zhǔn)化傳感器；及傾斜控制設(shè)備，其中由所述第一和第二標(biāo)準(zhǔn)化傳感器所監(jiān)測(cè)到的并被傳送到所述傾斜控制設(shè)備的偏移調(diào)節(jié)所述端部操縱器傾角致動(dòng)器。
28.根據(jù)權(quán)利要求
26所述的柔性軌道工具機(jī)，其中，所述工具架還包括端部操縱器預(yù)加載機(jī)構(gòu)，其中該端部操縱器預(yù)加載機(jī)構(gòu)與所述端部操縱器柱塞交替地向所述工件施加壓力，借此至少在端部操縱器柱塞致動(dòng)之前和致動(dòng)期間使作用于所述工件上的力保持大致恒定。
29.根據(jù)權(quán)利要求
1所述的柔性軌道工具機(jī)，其中，所述工具架還包括反作用腳，其中該反作用腳施加用于抵抗由所述端部操縱器預(yù)加載機(jī)構(gòu)和所述端部操縱器所施加的力的力。
30.根據(jù)權(quán)利要求
5所述的柔性軌道工具機(jī)，其中，所述主軌道還包括與所述多個(gè)第一間隔銷連結(jié)的第一電磁連結(jié)系統(tǒng)，借此，在施加電力的情況下，所述間隔銷可釋放地被吸到與所述工件接觸，所述主軌道相對(duì)于所述工件基本固定不動(dòng)。
31.根據(jù)權(quán)利要求
7所述的柔性軌道工具機(jī)，其中，所述副軌道還包括與所述多個(gè)第二間隔銷連結(jié)的第二電磁連結(jié)系統(tǒng)，借此，在施加電力的情況下，所述間隔銷可釋放地被吸到與所述工件接觸，所述主軌道相對(duì)于所述工件基本固定不動(dòng)。
32.根據(jù)權(quán)利要求
5所述的柔性軌道工具機(jī)，其中，所述主軌道還包括與所述多個(gè)第一間隔銷連結(jié)的第一機(jī)械連結(jié)系統(tǒng)，借此，在施加機(jī)械力的情況下，所述間隔銷可釋放地被拉向與所述工件接觸，所述主軌道相對(duì)于所述工件基本不動(dòng)。
33.根據(jù)權(quán)利要求
7所述的柔性軌道工具機(jī)，其中，所述副軌道還包括與所述多個(gè)第二間隔銷連結(jié)的第二機(jī)械連結(jié)系統(tǒng)，借此，在施加機(jī)械力的情況下，所述間隔銷可釋放地被拉到與所述工件接觸，所述副軌道相對(duì)于所述工件基本固定不動(dòng)。
34.一種用于在工件上進(jìn)行加工的柔性軌道工具機(jī)，包括用于可脫開(kāi)地把主軌道與所述工件耦連的器具；用于在所述工件上進(jìn)行切割、固定、測(cè)量、加熱和其它加工操作之一的器具；及用于對(duì)所述工件進(jìn)行加工操作的所述器具進(jìn)行定位的器具。
35.根據(jù)權(quán)利要求
34所述的柔性軌道工具機(jī)，其中，還包括用于把真空施加到所述用于可脫開(kāi)地使所述主軌道與所述工件耦連的所述器具上的器具；及用于把以基本上均勻的距離相對(duì)于所述工件可脫開(kāi)地耦連所述主軌道的所述器具間隔開(kāi)的器具。
36.根據(jù)權(quán)利要求
34所述的柔性軌道工具機(jī)，其中，還包括用于可脫開(kāi)地將副軌道與所述工件耦連的器具；用于把以基本上均勻的距離相對(duì)于所述工件可脫開(kāi)地耦連所述副軌道的所述器具間隔開(kāi)的器具；用于把真空施加到所述用于可脫開(kāi)地把所述副軌道與所述工件相耦連的所述器具上的器具。
37.根據(jù)權(quán)利要求
34所述的柔性軌道工具機(jī)，其中，還包括用于使相對(duì)于所述副軌道進(jìn)行定位的所述器具的側(cè)向位置浮移的器具；及用于判定來(lái)自所述用于定位的器具的標(biāo)稱位置的變化范圍的器具。
38.一種在工件上操作機(jī)加工-工具的方法，包括步驟使主軌道相對(duì)于所述工件定位；相對(duì)于所述工件以均勻的距離間隔所述主軌道；可脫開(kāi)地使所述主軌道與所述工件耦連；相對(duì)于所述主軌道固定機(jī)加工工具；及利用所述機(jī)加工工具在所述工件上執(zhí)行切割、固定、測(cè)量、加熱和其它加工操作之一。
39.根據(jù)權(quán)利要求
38所述的用于在工件上操作機(jī)加工-工具的方法，還包括步驟向所述主軌道與所述工件的所述耦連部分施加真空。
40.根據(jù)權(quán)利要求
38所述的用于在工件上操作機(jī)加工-工具的方法，還包括步驟沿側(cè)向相對(duì)于所述工具機(jī)可浮移地固定副軌道；相對(duì)于所述工件對(duì)所述副軌道進(jìn)行定位；以均勻的距離使所述副軌道與所述工件隔開(kāi)；可脫開(kāi)地使所述副軌道與所述工件耦連；及向所述副軌道與所述工件的耦連部分施加真空。
專利摘要
一種柔性軌道工具機(jī)，其通過(guò)真空吸盤臨時(shí)與一結(jié)構(gòu)耦連并使工具架定位在區(qū)域內(nèi)任一期望位置。該工具架能執(zhí)行如鉆孔、螺栓插入和獲取尺寸數(shù)據(jù)之類的操作。該柔性軌道能適應(yīng)沿一或多軸線的表面曲率。能根據(jù)需要判定和調(diào)節(jié)工具架的垂直度。軌道的保持連結(jié)的位置可通過(guò)坐標(biāo)轉(zhuǎn)換來(lái)補(bǔ)償，以便例如可以基本精確地設(shè)置一些孔。
文檔編號(hào)B23Q9/00GK1993204SQ20058002552
公開(kāi)日2007年7月4日 申請(qǐng)日期2005年5月6日
發(fā)明者西奧多·M·博伊爾-戴維斯, 小詹姆斯·N·巴特里克, 羅杰·A·蓋奇, 達(dá)雷爾·D·瓊斯, 戴維·P·班克斯, 羅納德·W·奧托厄斯, 保羅·R·阿恩斯頓, 詹姆斯·C·墨菲, 艾倫·R·默克利 申請(qǐng)人:波音公司導(dǎo)出引文BiBTeX, EndNote, RefMan