用于钻取小孔的系统；钻取孔的方法；用于执行钻取的制造物品和钻取的进一步方法
【专利摘要】本公开涉及一种机床，其被构造成执行用于小孔应用的小规模、高精度的钻孔操作。机床设计所针对的小孔应用包括带有一种或多种直径的孔。零件可以具有穿透零件厚度的一部分的更大直径孔和从更大直径孔的底部穿透零件厚度的其余部分的更小直径孔。另外，机床可以用于属于以下类别中的任意类别的零件：（i）通过使用机床产生阶梯孔和流孔二者；或者（ii）用上游过程产生阶梯孔，并且机床可以接受零件、测量阶梯孔并产生流孔；或者（iii）不使用阶梯孔并且机床可以接受零件、测量未加工表面并且产生流孔。
【专利说明】用于钻取小孔的系统;钻取孔的方法;用于执行钻取的制造物 品和钻取的进一步方法
[0001] 相关申请的交叉引用 本申请参考2013年12月4日提交的名称为"Dua^Station Laser Machine"的美国临时 申请序列号No. 61/911，670并要求其优先权，该文献的全部内容通过引用并入本文。
【背景技术】
[0002] 除非在本文中另外地明确表示，否则本部分中描述的内容不属于本申请中的权利 要求的现有技术，并且不通过包括在本部分中而被认为是现有技术。
[0003] 在制造各种物品期间，可W使用机械W或者自动操作或者辅助加工的一部分。例 如，一些机械可W是计算机控制的，W执行精确测量或操作。另外，机械可W被用于W-致 方式重复地执行任务。
[0004] 燃料喷射器喷嘴的成功生产可W包括根据严格的加工特性产生孔。对于燃料喷射 器的可接受性能，应当严密地控制一个零件到下一个零件的喷嘴流动变化。通常用相当严 密的公差控制喷嘴的各种参数。加工可W控制孔产生的孔径、位置和几何准确性(例如，圆 柱度）。另外，加工可W具有针对喷嘴孔的不同直径部分(阶梯孔(St邱hole)和流孔(flow hole))之间的同屯、度的公差。加工也可W具有对喷嘴孔的更小直径部分(流孔)的长度W及 表面精整和边缘品质二者的严密控制。另外，会期望严密地控制系统操作经济性。从系统经 济性的观点来看，会期望系统具有低的循环时间且具有高效率和利用率。也会期望系统从 一种零件模型转变到下一模型具有低的转换时间。另外，会期望所公开的系统具有高灵活 性W适应零件设计改变W及上游和下游加工改变。
[0005] 传统地，现有的生产设备设计能够实现上文所列出的特性中的一些但并不是全 部。例如，一些设计W生产经济性为代价实现了良好的喷嘴流动变化。其它设计W转换时间 和灵活性为代价实现低的循环时间和高的效率。
【发明内容】
[0006] 本文公开的是机床的实施例。总体地，机床被构造成执行小规模、高准确性的钻孔 操作。本公开包括用于产生小孔的新颖机床系统。所公开的系统可W用于执行针对燃料喷 射器喷嘴的孔钻取，不过其也能够应用于其它小孔应用。小孔应用(针对该应用设计所述系 统）的特性包括可W具有两种或更多种直径的孔。例如，零件可W具有穿透零件厚度的一部 分的更大直径孔和从更大直径孔底部穿透零件厚度的其余部分的更小直径孔。在燃料喷射 器喷嘴的情况下，更大孔被称为"阶梯孔"，并且更小孔称为"流孔"。另外，本公开可W用于 落入下述类别中的任一种内的零件：（〇阶梯孔和流孔二者均需要通过使用所公开的设备 产生;或者(ii)用上游加工产生阶梯孔，并且所公开的设备可W接受该零件、测量阶梯孔并 产生流孔;或者（iii)不使用阶梯孔并且所公开的设备可W接受零件、测量未加工零件表面 并且产生流孔。
[0007] 所公开的设备是单一、一体式机器，其执行产生小孔的多个步骤。所公开的设备为 产生小孔提供了高生产率、高准确性能力。系统结合了下述特征。首先，所公开的设备包括 多个加工站。多个加工站可W包括材料(零件)入流和出流;一个或多个传感器(阶梯孔或者 未加工零件测量)站;一个或多个切削（阶梯孔产生)站;和一个或多个激光钻孔(流孔产生） 站。所公开的设备还包括一个或多个零件保持和定位系统，其能够与所述一个或多个传感 器(阶梯孔或者未加工零件测量)站或者切削（阶梯孔产生)站和一个或多个激光钻孔(流孔 产生)站的组合相互作用。进一步地，所公开的设备可W包括一个或多个机器人零件转移系 统，其能够与所述材料(零件)入流和出流W及所述一个或多个零件保持和定位系统相互作 用。另外，所公开的设备可W包括必要的电气和控制硬件。
[000引也公开了一种系统，其具有第一站，所述第一站具有W下项中的至少一项：（i)被 构造成测量未加工零件表面或者孔深度的测量单元；W及(ii)被构造成钻取具有第一宽度 的孔的钻孔单元。该系统也包括被构造成带有第二钻孔单元的第二站。该系统也包括被构 造成操作第一站和第二站的计算机系统。控制第一站包括引起第一站执行W下项中的至少 一项：（0测量未加工零件或者孔深度；W及（ii)钻取孔。控制第二站包括引起第二站产生 通孔。通孔具有第二宽度并且第二宽度小于第一宽度。
[0009] 也公开了用于钻孔的方法。该方法包括经由深度测量来测量预先存在的特征的深 度并且经由激光钻孔工具向未加工表面内或者阶梯孔的宽度内钻取通孔。
[0010] 也公开了制造物品。制造物品包括非瞬时计算机可读介质，其具有储存于其上的 程序指令，如果计算装置执行该程序指令，则引起计算装置执行操作。所述操作包括经由深 度测量来测量预先存在的特征的深度，和/或经由钻孔工具钻取阶梯孔、经由激光钻孔工具 向未加工表面内或者阶梯孔的宽度内钻取通孔。
[0011] 也公开了用于钻孔的另一方法。该方法包括经由钻孔工具来钻取阶梯孔和经由激 光钻孔工具在阶梯孔的宽度内钻取通孔。
【附图说明】
[0012] 图1A是基于本公开的示例设备。
[0013] 图1B是基于本公开的示例设备。
[0014] 图1C是基于本公开的示例设备。
[0015] 图2A是基于本公开的示例设备。
[0016] 图2B是基于本公开的示例设备。
[0017] 图3是用于所公开的设备的示例零件拾取单元。
[0018] 图4是用于所公开的设备的示例计算装置。
【具体实施方式】
[0019] 本文中所公开的是被构造成执行小规模、高准确性的钻孔操作的机床的实施例。 如先前讨论的，所公开的系统可W用于执行燃料喷射器喷嘴的孔钻取，不过它也能够应用 于其它小孔应用。该系统设计所针对的一些具体小孔应用包括带有至少两种直径的孔。在 一些实施例中，更大的孔可W被称为"阶梯孔"，并且更小的孔可W被称为"流孔"。
[0020] 图1A是基于本公开的示例设备100。所公开的多站式激光加工机器是结合多个特 征的完整生产系统。在一些实施例中，系统特征在于入流和出流系统110。入流和出流系统 110可W包括一个或多个加工站W及用于将材料装载到零件保持和定位系统和从零件保持 和定位系统卸载材料的机器人系统150,在所述加工站处未加工材料(未被加工的零件)进 入和离开系统。未加工材料可W包括已经由其它各种机器加工的一些零件。术语未加工意 味着零件尚未由本公开的设备和/或方法加工。
[0021] 在各种实施例中，系统100也可W包括第一站120,其是未加工零件或阶梯孔测量 站和/或阶梯孔产生站。在站120是未加工零件或阶梯孔测量站的情况下，系统可W包括提 供传感器定位的至少一个运动台架136和测量未加工零件或阶梯孔深度和/或位置的一个 或多个传感器(图1A中未示出）。可多种方式测量阶梯孔。在一些实施例中，可W使用光 学器件测量未加工零件或者阶梯孔。在其它实施例中，物理测量装置可W测量未加工零件 或者阶梯孔。在又一些实施例中，可W使用其它未加工零件或者阶梯孔测量装置。测量未加 工零件或阶梯孔的具体方式可W根据具体实施例而变化。在本公开的范围内可W使用任意 类型的测量系统，包括本文中未具体讨论的那些测量系统。
[0022] 在站120是阶梯孔产生站的情况下，系统可W包括提供轴定位的至少一个运动台 架136、产生阶梯孔的一个或多个轴(诸如轴132)或其它装置，W及测量阶梯孔的额外传感 器。可W通过零件的物理钻孔产生阶梯孔。基于旋转的钻孔工具可W执行该物理钻孔。在其 它实施例中，用于孔产生的激光器或其它手段可W产生阶梯孔。
[0023] 系统100也可W包括至少一个流孔产生站130。流孔产生站130可W包括提供激光 定位的至少一个运动台架136、用于产生流孔的一个或多个激光器122和测量流孔的额外传 感器(未示出）。激光钻取通过零件的孔可W产生流孔。虽然关于激光器使用术语钻孔，但是 产生流孔的实际现象是通过激光撞击零件引起的烙化、蒸发和/或冷消融的组合。在其它实 施例中，可W使用诸如旋转钻孔的不同手段产生流孔。
[0024] 另外，系统100可W包括被构造成用于零件保持和定位的至少一个组件170。在一 些实施例中，系统可W包括被构造成用于零件保持和定位的两个或更多个组件170(如示为 180的第二组件）。每个零件保持和定位组件170可W包括提供零件定位的至少一个运动台 架136和用于零件保持的设施。零件保持和定位组件也可W包括与机器人系统(其用于将材 料加载到零件保持和定位系统内和从零件保持和定位系统卸载材料)和至少一个流孔产生 站和被列为一个或多个测量或阶梯孔产生站的多个系统中的至少一个对接（即，相对于其 定位并执行与其协调的加工过程)的能力。在一些实施例中，系统可W包括带有两个或更多 个零件保持和定位组件(如示为180的第二组件）的设计，其中所述组件是共线的并且具有 重叠的行程。
[0025] 另外，系统100可W包括第二孔测量站140。第二孔测量站140可W被构造成测量阶 梯孔和通孔二者或者其它特征。第二孔测量站140可W被构造成执行确认测量W便确保零 件具有所需的大小和公差。第二站140也可W被构造成与系统120和130并行工作。
[00%]系统也可W包括棱柱形整体式底座160,其带有至少两个正交表面，W安装正交于 零件保持和定位组件的一个或多个测量或阶梯孔产生站和/或一个流孔产生站。在阶梯孔 产生系统的情况下，所公开的系统可W包括工具变换系统134,其允许在轴中自动地更换切 削工具。该系统也可W包括碎屑(废料)管理系统(未示出）。此外，系统可W包括封罩/盖。进 一步地，系统可W包括必要的电气和控制硬件。
[0027]图1B和图1C是基于本公开的示例设备。图1B和图2B示出类似于关于图1A所描述的 那些部件的不同视图和设置。类似地，图2A和图2B是基于本公开的示例设备。图2A示出位于 加工站130下方的零件保持和定位系统190(或者零件保持和定位系统170或者180)的放大 图。图2A也示出了激光钻孔头122。图2B示出位于加工站120或140下方的零件保持和定位系 统170/180/190的放大图。在图2B的情况下，加工站包含两个测量装置、128共焦测量传感器 和126光学摄像机测量传感器。图2B也示出运动台架124。
[0028] 图3是用于所公开的设备的示例零件拾取单元。如图3中所示，如当未加工零件正 从150向170/180/190传送时的情况那样，零件拾取单元150定位在零件保持和定位系统 170/180/190之上。零件拾取单元可W用于所公开的设备W使各种零件贯穿所公开的系统 运动。
[0029] 如下示出用于加工单个零件的操作的一种示例方法。应该注意的是，运仅是能够 在本公开的背景内使用的方法的一种示例。首先，零件被装载到入流/出流系统内。然后，机 器人(诸如机器人臂)可W取得材料并且将其运输到零件保持和定位系统之一，诸如零件保 持和定位系统170。在其它实施例中，可W将零件直接装载到定位系统。一旦将材料或者直 接地或者通过使用机器人装载到零件保持和定位系统内，就使零件保持和定位系统(现在 包含零件)运动到第一站，诸如站120。第一站可W包括测量站或阶梯孔产生站中的一者或 两者。之后第一站加工零件。该加工包括测量未加工零件或阶梯孔和钻取阶梯孔中的至少 一者。在第一站的加工完成之后，使零件保持和定位系统(仍然包含零件)运动到第二加工 站(例如，流孔产生站），诸如站130。之后第二加工站加工零件。例如，第二加工站可W使用 激光在零件中钻取通孔。如果阶梯孔存在，则通孔可W被钻取为具有小于阶梯孔的直径的 直径。一旦第二加工站完成其对零件的加工，则完成的零件可W从零件保持和定位系统卸 载回到入流/出流机器人。最后，将完成的零件从入流/出流系统卸载。
[0030] 在另一示例中，可W通过根据需要与多个加工站相互作用的一致操作的多个零件 保持和定位系统来执行上文所公开的步骤。例如，系统的特征可W在于多个第一加工站和 第二加工站。当零件被输入系统时，可W使其运动到多个第一站中的一个，W测量或钻取阶 梯孔。当第一站完成时，可W使零件运动到多个第二加工站中的一个。在运种实施例中，每 个第一加工站可W用于多个第二加工站中的任意第二加工站。不过，在其它实施例中，每个 第一加工站可W具有特定第二加工站，使已由该第一加工站加工的零件运动到该特定第二 加工站。
[0031] 在下图中示出了示例序列表。在序列表中，正同时加工两个零件。
[0032] 本公开可W包括通过提供测量或阶梯孔站与流孔站的装载水平之比使激光器系 统的利用率最大化的组合系统。在引入材料没有阶梯孔的情况下，该系统设计可W组合阶 梯孔和流孔二者的生产。在一些实施例中，所公开的系统设计能够通过仅将阶梯孔测量传 感器与阶梯孔钻孔轴交换来适应或者具有或者不具有处于适当位置的阶梯孔的引入材料。 实施例也包括系统操纵材料装载和卸载W及(在阶梯孔产生系统的情况下)针对阶梯孔站 的工具变换二者。
[0033] 此外，图4是根据示例实施例的计算装置400的框图。例如，计算装置400可W包括 用户接口，其被构造成提供输入和/或控制所公开的系统。计算装置400能够包括用户接口 模块401、通信接口模块402、一个或多个处理器403和数据存储器404，全部运些都能够经由 系统总线、网络或者其它连接机构405连结在一起。另外，数据存储器404中的计算机可读指 令410可W由所述一个或多个处理器403执行，W引起系统执行本文所公开的功能。
[0034] 例如，计算装置可W被构造成具有指令W控制机加工硬件从而执行本文所描述的 功能。例如，指令可W包括控制机器人臂获取材料并将其运输到零件保持和定位系统之一 的指令。一旦将材料装载到零件保持和定位系统，指令就可W引起系统使零件运动到第一 站。在第一站处，指令包括测量阶梯孔和钻取阶梯孔中的至少一者。在第一站的加工完成之 后，指令包括使零件运动到第二加工站。在第二加工站处，指令可W引起激光在零件中钻取 通孔。一旦第二加工站完成其对零件的加工，则指令可W引起将完成的零件从零件保持和 定位系统卸载回到入流/出流机器人。
[0035] 将容易地理解，本公开的方面，如本文大体上描述和在附图中图示的那样，能够W 各种各样不同构造设置、替换、组合、拆分和设计，所有运些在本文中都已明确地预期到。虽 然已经在本文中公开了各种方面和实施例，但是本领域技术人员将显而易见到其它方面和 实施例。
[0036]上文描述了示例方法和系统。应该理解的是，词语"示例"和"示例性"在本文被用 于表明"用作示例、实例或图释"。本文中被描述为"示例"或"示例性"的任意实施例或特征 不必要被理解成比其它实施例或特征更为优选或者有利。本文对形成本文的一部分的附图 作出参考。在附图中，类似的附图标记通常指代类似部件，除非上下文另外地说明。在不背 离本文所呈现的主题的精神或范围的情况下，可W利用其它实施例，并且可W做出其它改 变。本文所公开的各种方面和实施例是出于说明的目的并且不旨在是限制性的，并且真实 的范围和精神由所附权利要求指明。
【主权项】
1. 一种用于钻取小孔的系统，所述系统包括： 第一站，所述第一站被构造成具有以下项中的至少一项：（i)被构造成测量未加工零件 的测量单元;以及(ii)被构造成钻取具有第一宽度的孔的钻孔单元； 第二站，其中所述第二站被构造成具有第二钻孔单元；以及 被构造成操作所述第一站和所述第二站的计算机系统，其中控制包括： 引起所述第一站执行以下项中的至少一项：（i)测量所述未加工零件表面；以及（ii)钻 取所述孔；以及 引起所述第二站产生通孔。2. 根据权利要求1所述的系统，还包括： 至少一个零件保持和定位系统，其被构造成： 接收用于机加工的零件； 向所述第一站提供所述零件； 向所述第二站提供所述零件；以及 在机加工之后释放所述零件。3. 根据权利要求2所述的系统，其中，所述零件保持和定位系统还被构造成在所述第二 站之后并且在释放所述零件之前向至少一个其它站提供所述零件。4. 根据权利要求2所述的系统，其中，一个或多个所述零件保持和定位系统被构造成使 得每个所述零件保持和定位系统均能够与多于一个的加工站相互作用。5. 根据权利要求2所述的系统，还包括至少两个零件保持和定位系统，其中，所述至少 两个零件保持和定位系统是共线的并且具有重叠行程。6. 根据权利要求1所述的系统，其中，每个站均被构造成独立于每个其它站操作。7. 根据权利要求2所述的系统，还包括至少两个零件保持和定位系统，其中，所述至少 两个零件保持和定位系统被构造成与至少一个共用加工站相互作用。8. 根据权利要求2所述的系统，还包括至少两个零件保持和定位系统，其中，所述至少 两个零件保持和定位系统被构造成独立于彼此操作。9. 根据权利要求1所述的系统，其中，钻取第一孔包括旋转钻孔过程。10. 根据权利要求1所述的系统，其中，产生所述通孔包括激光钻孔过程。11. 根据权利要求1所述的系统，其中，所述第一站包括钻孔工具和测量工具二者。12. 根据权利要求11所述的系统，其中，所述系统还被构造成具有预先确定站，其中，所 述预先确定站被构造成确定所述第一站是应当用所述钻孔工具操作还是所述第一站应当 用所述测量工具操作。13. -种用于钻孔的方法，包括： 经由深度测量工具测量预先存在的特征的深度；以及 经由激光钻孔工具钻取通孔。14. 根据权利要求13所述的方法，其中，阶梯孔具有第一直径并且所述通孔具有第二直 径。15. 根据权利要求13所述的方法，其中，经由所述钻孔工具钻取所述阶梯孔包括基于旋 转的钻孔。16. 根据权利要求13所述的方法，其中，所述阶梯孔和所述通孔是同心的，其中，所述阶 梯孔和所述通孔的同心性处于同心性公差之内。17. -种制造物品，包括非瞬时计算机可读介质，其具有存储在其上的程序指令，如果 计算装置执行所述程序指令，则引起所述计算装置执行操作，所述操作包括： 执行以下项中的一项：（i)经由深度测量工具测量预先存在的特征的深度；以及（ii) 经由钻孔工具钻取阶梯孔；以及 经由激光钻孔工具钻取通孔。18. 根据权利要求17所述的制造物品，其中，所述阶梯孔具有第一直径并且所述通孔具 有第二直径。19. 根据权利要求17所述的制造物品，其中，经由所述钻孔工具钻取所述阶梯孔包括基 于旋转的钻孔。20. 根据权利要求17所述的制造物品，其中，所述阶梯孔和所述通孔是同心的，其中，所 述阶梯孔和所述通孔的同心性处于同心性公差之内。21. -种用于钻孔的方法，包括： 经由钻孔工具钻取阶梯孔；以及 经由激光钻孔工具钻取通孔。
【文档编号】B23K26/38GK105848818SQ201480066369
【公开日】2016年8月10日
【申请日】2014年12月3日
【发明人】A.洪格尔, A.菲利普, O.巴塔查亚, G.诺沃比尔斯基
【申请人】美商麦克鲁森公司