专利名称：用于钻削复杂面板的设备的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种用于对大型复杂面板钻削和/或钻孔的设备。该设备每次应用于必须以低于面板最小尺寸的约1/5000的定位精度来实现的机械加工，特别是飞机的建造中是这样。
背景技术：
“复杂面板”表示这样的双曲率面板该双曲率面板的表面基本上描述为椭圆体部分，甚至更复杂的形状，但该双曲率面板的凹度在面板的整个表面上保持沿相同的方向来取向。在航空学中，这种类型的面板覆盖了用于可达数十立方米的包围体积的数十平方米的表面区域。曲率半径为数米到数十米。在这种面板上定位钻孔所需的精度大体上介于 0. 2mm 到 0. 5mm 之间。这种面板被认为是不可展的，即，其表面不能投影到一平面上，同时保持表面上的点之间的距离。主要存在有两种用于在这种表面上的特定点处进行钻削的方法。第一种方法包括使用工作空间基本上等于面板的包围体积的加工工具。这种机器包括能够容纳工具并将切削运动传递到该工具的主轴。该主轴根据连续的、平行的或组合的运动，通过一组线性轴线和旋转轴线在工作空间内运动。在工作空间内，主轴的位置通过大体上置于运动轴线上的定位传感器在每个点处相对于机器原点定位置和方向。面板被放置在机器的工作空间中，并且其位置在所述工作空间中进行测量。通常通过其数字化定义已知面板的位置和形状时，由此推断出每个钻孔在机器的空间中的位置以确定工具的位置和方向，其中，所述机器从一个钻孔移动到下一个钻孔。这种方法例如在本申请人的专利申请EP1644135/US7507056以及EP1569058/US7168898中进行了描述。但是，该方法实施起来复杂并且基本上不可能获得所期望的定位精度。实际上，工具在面板上的定位精度由下述因素引起在其整个路线上的每个轴线的定位和运动精度的结合、面板在工具的基准空间中的位置和方向的测量精度、以及面板的制造及其理论定义之间的偏差。但是，对于通常在机器中使用的加工工具而言，在工具的工作空间中，这些因素中的每一个具有与所期望的定位精度相同的数量级。此外，该方法需要大型的机器和工具。因此需要使用高精度且大尺寸的、并因此是特别昂贵的装置和机器。另一种方法——更具体地，在组件中使用——包括使用模板。该模板放置在面板的表面上，因而限定了其再生产的图样(孔)的相对位置。两个图样之间的距离通过模板来给定，并且该相对定位的精度来自模板的固有精度。机器，优选为便携式的机器，被用于执行加工；该机器通过使用模板而定位在面板上。例如，模板是柔性金属带的形式，并且模板相对于面板的曲率半径是窄的并穿有给定了钻孔位置的孔。通过将所述带夹在面板上，严格地保持了孔之间的中心距。通过操作者使用用于小钻孔直径的便携式工具，钻孔直观地垂直于表面定向。在要制造相对于钻孔的直径非常大的曲率半径的情况下，如果操作者是有经验的则这种取向模式大体是充分的。因此，该方法给出了通过使用模板的图样而制造的钻孔之间的良好相对定位精度。必须使用特定的测量手段以在面板上定位模板。当钻削/钻孔直径大或者如果钻削/钻孔方法采用了螺旋钻削技术，或者如果机器的重量或功率变得很大，优选地使用了形式为厚的刚性钻孔网的模板，该模板的形状复制了面板的钻孔区域的曲率并且其穿有定中心孔，该定中心孔能够容纳大体上位于便携式机器的前端上的定中心装置。因此，模板起到了传递加工力以及机器的重量的作用。本申请人的国际专利申请W02008101873描述了这种钻孔网在组件中的使用。根据现有技术的该最新实施方式，分开了两个钻孔的曲线距离通常由模板给定；但是，由于所述面板以及所述模板的制造公差，所述模板的曲率可以不同于面板的曲率。该曲率差广生两种误差 -钻孔位置的误差；-钻孔的方向相对于面板表面的法线的误差；鉴于所涉及的曲率半径，第一误差是可以忽略的。相反，法线误差可能对所执行的钻削质量具有很大的影响，尤其是在所述钻削是使用了例如在专利EP1397224中描述的螺旋钻削来实现的情况下是这样。因此，需要在使用刚性模板时，特别地能够实现钻孔法线的校正的方法和设备。
发明内容
为了弥补现有技术的不足，本发明涉及用于对复杂形状的面板进行钻削或钻孔的设备，该设备包括-相对于所述面板定位以及固定的模板；-能够向工具传递旋转切削运动以及前进运动的执行器，该前进运动可以相对于附于执行器的基准点根据至少3个线性轴线以及2个旋转轴线来进行描述，其中，该基准点被称为执行器原点；-能够相对于面板定位执行器原点的装置，所述定位包括模板与执行器的相对锁定。因此，本发明的设备利用了钻孔模板的优点并且通过执行器的5轴线运动，允许校正法线的误差。有利地，前进运动通过闭式运动链而被传递到工具。特别地，根据沿着若干轴线的小的交替运动，该构型允许将精确的运动传递到工具，其中所述运动对于包括对根据螺旋钻削技术的法线的校正在内的制造孔(技术)是需要的。为了使对法线的校正自动化，执行器包括能够测量面板表面相对于执行器原点的距离和方向的传感器。因此，操作者仅需要将执行器锁定在模板中，并且对法线的校正是基于来自传感器的信息而计算得出的。有利地，执行器包括定中心装置，并且模板包括与定中心装置一起工作以相对于面板定位执行器原点的孔。该实施方式与使用现有技术的钻孔网兼容，并因此允许通过替换执行器来简单地强化现有技术的钻孔网。有利地，执行器通过运动学类型的“高夫-斯图尔特(Gough-Stewart)平台”将前进运动传递到工具。这种类型的闭式运动链允许具有6自由度的整个运动容纳在小的体积内，并因此产生了具有足以在模板中使用的低重量的便携式执行器。为此，执行器的重量有利地小于IOkg0通过允许对法线进行校正，作为本发明主题的设备能够使用这样的模板在必须进行钻孔的位置处，该模板的曲率明显不同于面板的曲率，或者作为本发明主题的设备甚至能够对称地使用线性模板。因此，大大地减少了所需的模板的成本以及数量。根据一个特定的实施方式，模板包括相对于面板固定的导轨以及能够沿着该导轨对执行器的运动进行导引和测量的装置。根据该实施方式，无论中心距是怎样的，相同的模板可以用于不同的面板或用于相同面板上的不同组的钻孔。当模板包括垂直于第一导轨的第二导轨以及能够沿着该第二导轨对执行器的运动进行导引和测量的装置时，可以进一步提高该装置的多功能性。因此，模板覆盖了较大的工作范围并且需要在面板表面上较少的重定位来执行所有的钻削。
现在将以在图I到图12中示出的优选的非限制性实施方式为背景对本发明进行更准确的描述，在附图中-图I示出了双曲率面板的立体图；-图2示出了这种面板以及由作为本发明主题的设备制造的钻孔的截面图；-图3示出了相对于现有技术的、使用了模板的螺旋钻削设备的构造；-图4是面板和模板的几何图示；-图5示出了图表，其中，该图表示出了表征双曲率面板上的孔的制造精度的各个参数的变化；-图6是根据本发明的设备的执行器的剖开的立体图；-图7示出了在根据本发明的执行器的示例中用于向工具传递前进运动的闭式链运动模块的正视图；-图8是模板、执行器的前端以及面板的正视详图；-图9示意性示出了用于确定钻孔轴线的测量值；-图10是被称为数字模板的模板的立体图；-图11示出了执行器与数字模板的连接细节；-图12是在根据本发明的设备的示例的适当位置的立体图。
具体实施例方式图I :本发明设计用于在具有变化的双曲率的复杂的面板(I)上执行加工，特别是执行钻削/钻孔(11)。每个孔的位置由将面板原点(2)连接到孔的理论中心的曲线矢量(3)而限定在所述面板的数字模型上。该曲线矢量通过连接了原点与孔的中心的短程线/测地线而唯一地限定在数字模型的表面上。如果必须通过使用加工工具——该加工工具的工作空间能够围住面板的包围体积，然后对所述孔进行定位——来制造所述孔时，需要通过经过了所述原点的两个短程线(4，5)的交叉点来确定面板原点(2)在机器空间中的位置；确定连接机器原点(6)和部件原点(2)的矢量(7);之后在数字模型上识别所述对应的短程线(4，5);为每个孔的中心确定将其连接到数字模型的部件原点的曲线矢量(3);在已经改变了在以部件原点(2)为中心的部件基准点与在机器原点(6)为中心的机器基准点之间的基准点之后，将此矢量转换成笛卡儿坐标并将这些坐标转换成机器的轴线的运动。在这些操作期间，测量误差与运动误差结合。另外，面板的实际形状没有准确地对应于如在面板的数字模型中所描述的面板的理论形状。该偏差是由所述面板的生产方法的制造误差所引起的，其中，该偏差在表面上为不恒定的并且通常达几个毫米。关于不可展表面，需要考虑到这些偏差的路径校正利用了复杂的算法并需要附加的近似。当要在这种面板上执行的加工被限制为钻削和钻孔时，如果使用钻孔模板(20)，则是更有利的并且具有更高的精度。这种模板通常通过铆接或吸垫而固定到面板。这些模板通过在面板上直接测量来定位。例如，遵循钻孔线(8)的模板平行于面板的边缘(9)定位；作为示例，这形成了与另外的面板形成组装结合部。可替代地，模板可以平行于已经实现了的钻削线或铆接线放置。平行意味着从模板的两个端点相对于材料基准单元一例如面板的边缘(9)—的相等曲线距离，该距离在局部地垂直于基准单元并连接了模板的端部的短程线上进行测量。这些距离可以由有经验的操作者用按压在面板的表面上的柔性尺而容易地计算，具有的精度与通过重建和转换而获得的精度几乎相等。可替代地，如果需要较高的精度，该直观定位可以由通过使用了“激光跟踪器”式测量装置的测量而获得的定位来补充。这种装置对于本领域的技术人员而言是已知的并且是分布于例如商标名为FARO 或LE1CA 的产品。根据该方法-模板如上所述的那样直观地重定位；-目标在两个极值点处靠着基准单元放置并且通过跟踪器来测量在这些点的空间中的位置；-之后，目标被放置在模板的两端处并且点在空间中的对应位置被测量；-两个线在空间中的距离和方向被计算出并且与理论值进行比较，并且必要时，模板被稍微地移动以校正偏差。当然，可以使用更复杂的方法。不同孔之间的中心距则由模板直接给定。图3 :根据现有技术的示例，模板(20)是刚性钻孔网的形式并被置于距面板表面的一短距离(e)处，并且模板(20)穿有校准孔(21)，其中，便携式钻削/钻孔机器(30)的前端(31)装配在该校准孔(21)中。在该示例中，便携式机器(30)是能够通过被称为螺旋钻削的方法来执行钻削/钻孔操作的类型。该方法包括使用具有小于要制造的孔的直径的直径的铣削工具(32)，并沿着具有与要钻削的表面垂直的轴线的螺旋路径移动该工具。因此，可以使用相同的工具，简单地通过改变螺旋路径的半径来加工具有非常不同的直径的孔。轴线的法向条件通过钻孔网(20)中的孔(21)的方向而直接给定。当面板是弯曲的并且所使用的网是厚的并且是刚性的时，该网因此在其被放置的位置处必须具有与面板相同的曲率。但是，如已经指出的，面板的实际形状不同于其理论形状，并且网的制造也受制造装置的精度的控制。最终，网在面板上的定位也不精确。由于曲率改变，这些不精确度直接地影响了网的曲率与面板的曲率之间的对应性，并且因此，影响了定中心孔(21)相对于面板表面的法线的方向。图4 :无需任何数学证明或理论，模板(20)与面板(I)之间的曲率差对孔的位置、特别是关于孔之间的中心距有影响，并且对钻削方向有影响，其中钻削方向必须垂直于面板表面。在该示例中，钻孔模板(20)是平的并且受钻削操作的面板具有半径为Rl的恒定曲率。钻孔要在点A和点B处制造在面板上。在面板的表面上，从A到B的路线对应于根据面板(I)的曲率的扇形角a以及曲线长度Rl. a。
钻孔模板置于距面板(I)的最小距离处。对应于钻孔A和钻孔B的定中心孔分别在点A’和点B’处定位在模板上并且由中心距L——例如L=Rl a——分开。模板被放置成使得对应于点A’的孔的轴线投影到垂直于模板(20)的平面的平面(I)上的点A。如果使用该模板并通过现有技术的装置(30)在A处进行钻削，因此制造的孔的轴线将不垂直于面板的表面并且将存在相对于此法线的角偏差9。由于模板(20)与面板(I)之间的曲率差，通过以孔B’为中心，用现有技术的装置(30)执行的钻削将与以B为中心的孔的理论点分开一段曲线距离S。该钻孔也将呈现介于面板在钻削点处的法线与所制造的孔的方向之间的角误差9 2。
图5示出了作为孔的中心距(L)与曲率半径(Rl)的比率的函数的法线误差(0 2)的变化(100)。图5定性地示出即使当面板的局部曲率半径非常大时，法线误差也非常迅速地变大并且变得不可接受。为此，根据现有技术的钻孔网或模板被非常小心地制造并且在需要加工的每个区域处适应于面板的实际曲率。图5也给出了对应于面板上的点B的孔的位置误差(S )的性质变化(110)，其中，所述孔是通过将现有技术的钻孔装置(30)的中心定在对应于模板的点B’的孔中来制造的。该误差保持为非常小的，对于甚至达到比得上曲率半径的一半的值，即，在面板的表面处覆盖了 30°的扇形角的中心距而言也是这样。最后，图5给出了应该在点B”处加工的孔、根据该孔在点B处的理论方向的法向误差f的性质变化(120)。在面板中钻削的孔通常用于安装铆钉类的紧固件。制造用于容纳轴线不垂直于表面的铆钉的孔对该组件的质量以及机械强度有影响。由于铆钉头部的支承表面不再平行于表面，因此难于在紧固中建立均匀的张力。尽管可以通过锪孔钻来至少局部地对该误差进行补偿，但是对准误差将导致铆钉头部不是非常的平齐；除了缺乏美感的外观之外，这将导致飞机上的增大的气动阻力。另外，钻孔中的方向误差不允许被称为因此被钻削的面板的机械组件的任何努力。图6 :根据本发明的设备包括能够向工具传递前进运动的执行器(40)，该前进运动可以根据至少3个线性轴线以及2个旋转轴线来描述。3个线性轴线允许将螺旋路径传递到工具以执行螺旋钻削。该两个旋转轴线使得能够对由钻孔模板为机器定的方向与受钻削操作的面板表面的法线之间的角误差进行补偿。执行器(40)包括使在一端处连接定中心设备(41)且在另一端处连接基部(44)的壳体(48)。该壳体包括把手(49)，以使得操作者更易于握住执行器。定中心前端(41)能够被引入模板中的孔中，以相对于部件定位执行器。相对于壳体(48 )固定并因此相对于执行器的定中心前端(41)固定的基部(44)通过这样的运动机构而连接到平台(45):该运动机构被称为高夫-斯图尔特(Gough-Stewart)机构，并且包括6个千斤顶(jacks) (445),这6个千斤顶(445)通过连接件(440)在第一端处连接到基部(44)并且在另一端处连接到平台，如图7所示。这6个千斤顶可以单独地控制并且可以沿轴向方向延伸。千斤顶的延伸意味着平台(45)可以相对于基部(44)以6个自由度来移动。该运动设备形成了闭式运动链，即与平台的运动无关的情况下，至少2个千斤顶必须被延伸。该规定允许以精确的方式控制运动，包括通过小的运动，通过使其在运动链中没有摩擦以及滞后现象。因此，该运动使得可以在非常小的体积内具有6个运动轴线，并且可以具有沿所有运动轴线的非常大的机械刚度。千斤顶可以是不同的类型，优选地可以是使用了滚珠丝杠的电动千斤顶。主轴(43)固定到平台(45)。其可以是气动的或电动的，并将切削运动传递到安装在延伸所述主轴的工具架(42)中的工具。通过千斤顶(445)的作用，主轴以及因此工具可以沿空间的所有方向运动，因此使得能够形成这样的螺旋路径，该螺旋路径的轴线无需与定中心设备(41)的轴线匹配。电子控制模块可以集成在执行器中或放置在执行器外部。在这种情况下，控制模块通过控制总线连接到执行器。可替代地，当计算和命令生成模块安装在执行器外部时，执行器可以包括命令解释程序、存储器以及无线通信设备。对于每个钻孔，执行器向命令生成模块发送关于要实现的几何形状及其位置的信息，基于该信息，生成模块计算运动程序，该运动程序包括用于每个千斤顶(445)的对应的运动指令，这些指令存储在执行器的存储器中，存储器对这些指令进行解释以执行加工。要执行的加工的几何形状主要包括在螺旋钻削的情况下，对钻削轴线或螺旋路径的位置和方向进行限定。第一实施方式假设模板(20)的曲率是已知的，并且有利地假设这是直线的并且包括将加工轴线定位在与定中心设备的轴线和面板表面的交叉点对应的点B”处。这个点的位置可以通过使模板(20)与面板分开的理论距离(e)来估计。加工轴线的方向被取为与该轴线相对于定中心设备的轴线的理论倾斜方向(a /2，图4)相等。该
方法引起了法线误差(f)，但是，当根据本方法执行的钻削覆盖了曲率为约10°的扇形角
时，该法向误差(f )仍是可接受的，只要涉及到的曲率半径给定，这在很多情况下可以是充分的。图8 :为了更精确地确定加工的几何形状，执行器(40)包括优选地容置在定中心前端(41)中的一个或多个传感器(410，411)，该一个或多个传感器(410，411)的测量值使得可以确定到面板(I)的表面的距离、定中心设备(41)的轴线与面板(I)的表面的交叉的点(B”)的位置、以及面板在该点处的法线相对于定中心设备的轴线的相对方向。图9 :作为示例，可以使用分布在定中心设备(41)的外周的相同直径上的3个距离传感器(410，411，412)。这些传感器可以是机械的、光学的或电的。当所述传感器的每个测量点与定中心设备(41)的端部之间的距离是已知的时，点B”的位置的良好的近似值通过这样获得，计算通过这三个点的圆的中心位置。之后，通过计算将测量点连接到该圆的中心(B”)的矢量(4100，4110，4120)之间的成对矢量积并求出3个结果的平均数，获得了面板的表面在该点处的法线的良好的近似值。基于这些指示，计算出在最优的钻孔轴线(400)周围的工具路径。因此，通过使用该设备，可以校正表面法线的问题以及消除表面法线与定中心设备的轴线之间的误差，即，6 2，并且可以使用曲率大大地不同于面板曲率的模板，来消除钻削点的理论法线的方向与实际进行钻削的点的实际法线之间的误差零6这些构造能够明显降低实现钻削复杂面板所需的模板的数量以及成本。 有利地，相对于由模板(20)为执行器(40)给定的方向对面板表面的法线进行校正的这种可能性允许使用易于制造的直线模板。本发明的设备允许使用直线模板，包括用于相对较紧凑(tight)的曲率半径(几百毫米)，只要上面进行了钻削的线的曲线长度没有超过对应于具有此半径的曲率的30°的扇形角的长度即可。这种模板可以通过下述任何装置固定到面板所述任何装置包括非材料装置并且确保了模板相对于要加工的面板的固定的相对位置以及方向。图10:该优势可以用于制造所谓的数字钻削模板(200)。这种模板包括基准导轨(210)，该基准导轨(210)设置有测量轨道(211)，托架(220)沿着该测量轨道(211)滑动。测量轨道(211)允许托架(220)的位置精确地定位在基准导轨(210)上的任意点处。能够沿着基准导轨(210)滑动的托架(220)包括用于锁定在所述导轨上的适当位置的设备并且有利地支承了第二导轨(230)，该第二导轨(230)也具有垂直于基准导轨的测量轨道(231)。托架(240)沿着该第二导轨滑动，其中，借助于测量轨道(231)，该托架(240)在任意点处的位置是已知的；该托架也具有用于锁定在适当位置的设备并且承载了支架(241)，连接部件(242)可以容置在支架(241)上，并且连接部件(242)包括能够容纳便携式钻削机器(440)的前端的孔(243)，图11。该钻削机器可以包括根据本发明的执行器(40)。可替代地，模板 可以仅包括单个导轨(210)。执行器之后被固定到第一托架(220)。当所述模板(200)包括具有沿着两个垂直导轨(210，230)的横向滑动的托架的设备时，所述模板(200)有利地包括第三导轨(250)，该第三导轨(250)不是用于定位或测量，该第三导轨(250)的功能是简单地支承第二导轨(230)的端部。图12 :模板(200)通过适当的装置(251，252)固定以及定位在要被加工的面板(I)上。操作员(500 )将根据本发明的执行器(40 )安装在孔(243 )中，之后通过滑动托架(220，240)使其从要加工的一个孔移动到下一个(孔)并且利用由测量轨道(211，231)给出的信息，在显示器(未示出)上显示出该运动。在每个钻削点处，托架被锁定在导轨上。执行器的传感器(410，411，412)对表面法线以及孔的中心的位置进行测量，由此引出钻削的运动命令并且执行钻削。以此方式，单独一个钻削模板覆盖了非常大的范围的构造，这使得可以受益于该方法在孔的定位精度方面的优点，而没有受到制造用于控制法向误差的很多模板的限制。以上描述清楚地示出通过其不同的特征及其优点，本发明实现了其自身的设立的目标。特别地，本发明允许在使用了与便携式钻削单元相关联的刚性模板时，对钻削法线进行校正。
权利要求
1.一种用于对复杂的面板(I)进行钻削或钻孔的设备，其特征在于，所述设备包括 -模板(20，200)，所述模板相对于所述面板(I)定位以及固定； -执行器(40)，所述执行器(40)能够向工具传递旋转切削运动以及前进运动，所述前进运动能够相对于附于所述执行器的基准点根据至少3个线性轴线以及2个旋转轴线来进行描述，所述基准点被称为执行器原点； -能够相对于所述面板定位所述执行器原点的装置(21，211，231)，所述定位包括所述模板与所述执行器的相对锁定。
2.根据权利要求I所述的设备，其中，所述前进运动通过闭式运动链而传递到所述エ具。
3.根据权利要求I所述的设备，其中，所述执行器包括传感器(410，411，412)，所述传感器(410，411，412)能够测量所述面板(I)的表面相对于所述执行器原点的距离以及取向。
4.根据权利要求I所述的设备，其中，所述执行器包括定中心设备(41)，并且所述模板包括孔(21)，所述孔(21)与所述定中心设备(41) 一起工作以相对于所述面板(I)来定位所述执行器原点。
5.根据权利要求I所述的设备，其中，在所述模板在所述面板(I)上的位置处，所述模板的曲率明显地不同于所述面板(I)的曲率。
6.根据权利要求5所述的设备，其中，所述模板(20)是直线的。
7.根据权利要求2所述的设备，其中，所述执行器通过运动型的高夫-斯图尔特平台而将所述前进运动传递到所述工具。
8.根据权利要求7所述的设备，其中，所述执行器(40)的重量小于10Kg。
9.根据权利要求4所述设备，其中，所述模板包括相对于所述面板固定的导轨(210)、以及能够沿着所述导轨对所述执行器的运动进行导引以及测量的装置(211，220)。
10.根据权利要求9所述设备，其中，所述模板包括垂直于所述第一导轨的第二导轨(230)、以及能够沿着所述第二导轨对所述执行器的运动进行导引以及测量的装置(231，240)。
全文摘要
本发明涉及一种用于对大型复杂面板进行钻削和/或钻孔的设备。所述设备包括相对于所述面板定位和静止的模板；适于向工具传递旋转切削运动和前进运动的执行器(40)，所述前进运动可以相对于附于执行器的基准点、根据至少三个线性轴线以及两个旋转轴线来进行描述，所述基准点被称为执行器原点；适于相对于面板定位执行器原点的装置，所述定位包括所述模板与所述执行器的相对锁定。
文档编号B23C1/20GK102630192SQ201080053799
公开日2012年8月8日 申请日期2010年11月25日 优先权日2009年11月26日
发明者塞巴斯蒂安·博里亚 申请人:空中客车运营简化股份公司