(57)【要約】  可撓性レール工作機械は、真空カップによってある構造に一時的に結合し、区域上の任意の所望のポイントにツールヘッドを位置決めする。ツールヘッドは、穴開け、ボルトの挿入および寸法データの取得などの動作を行なうことができる。可撓性レールは、１つ以上の軸において表面の湾曲に適合し得る。上記構造に対してツールヘッドが垂直であることは、必要に応じて検出および調節されることができる。レールの取付状態の位置は、座標変換を介して補償されてもよく、たとえば穴が実質的に正確に配置されることができるようにする。
2008500197.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
工作物上で動作を行なうための可撓性レール工作機械であって、
工作物に結合された第１のレールと、
ツールヘッドと、
前記ツールヘッド上のエンドエフェクタとを含み、前記エンドエフェクタは工作機械の機能を実行する機構であって、前記可撓性レール工作機械はさらに、
前記第１のレールに対して前記ツールヘッドを取付および支持する第１の支持機構を含み、前記第１の支持機構は、前記ツールヘッドの第１の最大横方向限度位置と前記ツールヘッドの第２の最大横方向限度位置との間に位置する、可撓性レール工作機械。
【請求項２】
前記第１の支持機構は、前記ツールヘッドの第１の横方向限度位置と前記ツールヘッドの第２の横方向限度位置との間の概して中間に位置する、請求項１に記載の可撓性レール工作機械。
【請求項３】
前記エンドエフェクタは、前記ツールヘッドの第１の最大横方向限度位置の近位で前記ツールヘッドの第２の最大横方向限度位置の遠位に位置する、請求項１に記載の可撓性レール工作機械。
【請求項４】
真空源をさらに含む、請求項１に記載の可撓性レール工作機械。
【請求項５】
前記第１のレールは、
前記第１のレールに取付けられた第１の複数のスペーシングピンをさらに含み、前記スペーシングピンは工作物と接触し、それによって、前記第１のレールと第１の複数のポイントにおける工作物との間の設定距離を確立する、請求項１に記載の可撓性レール工作機械。
【請求項６】
前記第１のレールは、
前記第１の複数のスペーシングピンに取付けられた第１の複数の真空カップをさらに含み、それによって、真空がかけられた状態で、前記スペーシングピンは工作物と接触するように解放可能に引き寄せられ、前記第１のレールは工作物に対して実質的に動かなくされ、前記第１のレールはさらに、
前記真空源と前記第１の複数の真空カップとの間の相互接続経路を含む、請求項５に記載の可撓性レール工作機械。
【請求項７】
工作物に結合された第２のレールと、
前記第２のレールに対して前記ツールヘッドを取付および支持する第２の支持機構と、
前記第２のレールに取付けられた第２の複数のスペーシングピンとをさらに含み、前記スペーシングピンは工作物と接触し、それによって、前記第２のレールと第２の複数のポイントにおける工作物との間の設定距離を確立する、請求項３に記載の可撓性レール工作機械。
【請求項８】
前記第２の支持機構は、前記ツールヘッドの第１の最大横方向限度位置において前記ツールヘッドに接続する、請求項７に記載の可撓性レール工作機械。
【請求項９】
前記第２の支持機構は、前記ツールヘッドの第２の最大横方向限度位置において前記ツールヘッドに接続する、請求項７に記載の可撓性レール工作機械。
【請求項１０】
前記第２のレールは、
前記第２の複数のスペーシングピンに取付けられた第２の複数の真空カップをさらに含
み、それによって、真空がかけられた状態で、前記スペーシングピンは工作物と接触するように解放可能に引き寄せられ、前記第２のレールは工作物に対して実質的に動かなくされ、前記第２のレールはさらに、
前記真空源と前記第２の複数の真空カップとの間の相互接続経路を含む、請求項７に記載の可撓性レール工作機械。
【請求項１１】
前記第１のレールは、
前記第１のレールの第１の最大横断限度位置を含む第１の雄Ｖ字型溝をさらに含み、前記第１の雄Ｖ字型溝は、前記第１のレールの範囲全体にわたって概して直線および均一であり、前記第１のレールはさらに、
前記第１のレールの第２の最大横断限度位置を含む第２の雄Ｖ字型溝を含み、前記第２の雄Ｖ字型溝は、前記第１の雄Ｖ字型溝に対して概して平行である、請求項１に記載の可撓性レール工作機械。
【請求項１２】
前記第１の支持機構は、
前記第１のレールの前記第１の雄Ｖ字型溝に支えられる第１の周方向の雌Ｖ字型溝を有する第１の支持ローラと、
前記第１のレールの前記第２の雄Ｖ字型溝に支えられる第２の周方向の雌Ｖ字型溝を有する第２の支持ローラと、
第１の支持アームとをさらに含み、それによって、前記第１の支持ローラおよび前記第２の支持ローラは互いに実質的に固定された関係で保持される、請求項１に記載の可撓性レール工作機械。
【請求項１３】
前記第１の支持機構は旋回軸をさらに含み、それによって、前記第１の支持アームは前記ツールヘッドに付着する、請求項１２に記載の可撓性レール工作機械。
【請求項１４】
前記第１のレールは、前記第１のレールの中に切込みを入れられたラックをさらに含む、請求項１に記載の可撓性レール工作機械。
【請求項１５】
前記ラックは、前記第１のレールの撓みの中立面に実質的に一致するピッチ面をさらに含む、請求項１４に記載の可撓性レール工作機械。
【請求項１６】
前記第２の支持機構は、
前記第２のレールの前記第１の雄Ｖ字型溝に支えられる第３の周方向の雌Ｖ字型溝を有する第３の支持ローラと、
前記第２のレールの前記第２の雄Ｖ字型溝に支えられる第４の周方向の雌Ｖ字型溝を有する第４の支持ローラと、
第２の支持アームとをさらに含み、それによって、前記第３の支持ローラおよび前記第４の支持ローラは互いに固定された関係で保持される、請求項７に記載の可撓性レール工作機械。
【請求項１７】
前記第２の支持機構は、
前記第２の支持アームと一体化しかつ前記第２の支持アームに結合された第２の横断支持レールをさらに含み、前記第２の横断支持レールは、
前記第２の横断支持レールの局部的な前方限度位置を含む直線的な第１の雄Ｖ字型溝と、
前記第１の雄Ｖ字型溝に対して平行でありかつ前記第２の横断支持レールの局部的な後方限度位置を含む直線的な第２の雄Ｖ字型溝とをさらに含み、前記第２の支持機構はさらに、
前記第２の横断支持レールの前記第１の雄Ｖ字型溝に支えられる第５の周方向の雌Ｖ字
型溝が中に形成された第５の支持ローラと、
前記第２の横断支持レールの前記第２の雄Ｖ字型溝に支えられる第６の周方向の雌Ｖ字型溝が中に形成された第６の支持ローラと、
装着ブラケットとを含み、それによって、前記第５の支持ローラおよび前記第６の支持ローラは互いに固定された関係で保持され、前記第２の支持機構はさらに、
結合取付具を含み、それによって、前記装着ブラケットは前記ツールヘッドに付着する、請求項１６に記載の可撓性レール工作機械。
【請求項１８】
前記結合取付具は、
穴パターンをさらに含み、それによって、前記結合取付具は複数の高さで前記ツールヘッドに取付けられることができる、請求項１７に記載の可撓性レール工作機械。
【請求項１９】
前記結合取付具は、
機構をさらに含み、それによって、前記ツールヘッドに対する前記結合取付具の垂直位置が検出されることができる、請求項１７に記載の可撓性レール工作機械。
【請求項２０】
前記結合取付具は、
機構をさらに含み、それによって、前記ツールヘッドに対する前記結合取付具の垂直位置が調節されることができる、請求項１７に記載の可撓性レール工作機械。
【請求項２１】
前記第２の支持機構が前記ツールヘッドに結合される場所は、前記第１のレールから前記第２のレールにわたる領域内に前記エンドエフェクタを位置付ける、請求項７に記載の可撓性レール工作機械。
【請求項２２】
前記第２の支持機構が前記ツールヘッドに結合される場所は、前記第１のレールおよび前記第２のレールに対して片持ち梁の状態で前記エンドエフェクタを位置付ける、請求項７に記載の可撓性レール工作機械。
【請求項２３】
前記ツールヘッドは、
フレームと、
エンドエフェクタ横断ポジショナとをさらに含み、前記エンドエフェクタ横断ポジショナは、前記エンドエフェクタを前記フレームに取付け、前記エンドエフェクタが前記第１のレールの長手方向の軸に対して横切ってロック可能に移動できるようにする、請求項１に記載の可撓性レール工作機械。
【請求項２４】
前記ツールヘッドは、エンドエフェクタ横断傾斜角度アクチュエータをさらに含み、前記エンドエフェクタ横断傾斜角度アクチュエータは、前記エンドエフェクタを前記フレームに取付け、前記エンドエフェクタが前記第１のレールの長手方向の軸に対して平行な軸を中心にロック可能に回転できるようにする、請求項１に記載の可撓性レール工作機械。
【請求項２５】
前記ツールヘッドはエンドエフェクタ長手方向傾斜装置をさらに含み、前記エンドエフェクタ長手方向傾斜装置は、前記エンドエフェクタを前記フレームに取付け、前記エンドエフェクタが前記第１のレールの長手方向の軸に対して垂直かつ工作物の平均面に対して平行な軸を中心にロック可能に回転できるようにする、請求項１に記載の可撓性レール工作機械。
【請求項２６】
前記ツールヘッドはエンドエフェクタプランジャをさらに含み、前記エンドエフェクタプランジャは、前記エンドエフェクタを前記フレームに取付け、前記エンドエフェクタが概して工作物の平均面の方におよび工作物の平均面から離れるようにロック可能に移動できるようにする、請求項１に記載の可撓性レール工作機械。
【請求項２７】
前記ツールヘッドは、
第１の標準化センサと、
第２の標準化センサと、
傾斜制御装置とをさらに含み、前記第１および第２の標準化センサによって検出され、かつ前記傾斜制御装置に送られる変位は、前記エンドエフェクタ横断傾斜角度アクチュエータの調節を可能にする、請求項２４に記載の可撓性レール工作機械。
【請求項２８】
前記ツールヘッドはエンドエフェクタ与荷重機構をさらに含み、前記エンドエフェクタ与荷重機構は、前記エンドエフェクタプランジャと交互に工作物に圧力をかけ、それによって、少なくともエンドエフェクタプランジャの作動の前および作動中に工作物に対して概して一定の力を維持する、請求項２６に記載の可撓性レール工作機械。
【請求項２９】
前記ツールヘッドは反作用フットをさらに含み、前記反作用フットは前記エンドエフェクタ与荷重機構および前記エンドエフェクタによってかけられた力を相殺するように力をかける、請求項１に記載の可撓性レール工作機械。
【請求項３０】
前記第１のレールは、前記第１の複数のスペーシングピンに取付けられた第１の電磁取付システムをさらに含み、それによって、電力がかけられた状態で、前記スペーシングピンは工作物と接触するように解放可能に引き寄せられ、前記第１のレールは工作物に対して実質的に動かなくされる、請求項５に記載の可撓性レール工作機械。
【請求項３１】
前記第２のレールは、前記第２の複数のスペーシングピンに取付けられた第２の電磁取付システムをさらに含み、それによって、電力がかけられた状態で、前記スペーシングピンは工作物と接触するように解放可能に引き寄せられ、前記第２のレールは工作物に対して実質的に動かなくされる、請求項７に記載の可撓性レール工作機械。
【請求項３２】
前記第１のレールは、前記第１の複数のスペーシングピンに取付けられた第１の機械的取付システムをさらに含み、それによって、機械的力がかけられた状態で、前記スペーシングピンは工作物と接触するように解放可能に引き寄せられ、前記第１のレールは工作物に対して実質的に動かなくされる、請求項５に記載の可撓性レール工作機械。
【請求項３３】
前記第２のレールは、前記第２の複数のスペーシングピンに取付けられた第２の機械的取付システムをさらに含み、それによって、機械的力がかけられた状態で、前記スペーシングピンは工作物と接触するように解放可能に引き寄せられ、前記第２のレールは工作物に対して実質的に動かなくされる、請求項７に記載の可撓性レール工作機械。
【請求項３４】
工作物上で動作を行なうための可撓性レール工作機械であって、
工作物に第１のレールを取外し可能に結合するための手段と、
切断、保持、測定、加熱および工作物上での他の処理のうちの１つを行なうための手段と、
工作物に対して処理を行なうための前記手段を位置決めするための手段とを含む、可撓性レール工作機械。
【請求項３５】
工作物に第１のレールを取外し可能に結合するための前記手段に真空をかけるための手段と、
工作物に対して実質的に均一な距離だけ第１のレールを取外し可能に結合するための前記手段の間隔を空けるための手段とをさらに含む、請求項３４に記載の可撓性レール工作機械。
【請求項３６】
工作物に第２のレールを取外し可能に結合するための手段と、
工作物に対して実質的に均一な距離だけ第２のレールを取外し可能に結合するための前記手段の間隔を空けるための手段と、
工作物に第２のレールを取外し可能に結合するための前記手段に真空をかけるための手段とをさらに含む、請求項３４に記載の可撓性レール工作機械。
【請求項３７】
第２のレールに対して位置決めするための前記手段の横方向位置の浮動を可能にするための手段と、
位置決めのための前記手段の公称位置からの変化の限度を検出するための手段とをさらに含む、請求項３４に記載の可撓性レール工作機械。
【請求項３８】
工作物上で工作機械の動作を行なうための方法であって、
工作物に対して第１のレールを位置決めするステップと、
工作物に対して均一な距離だけ第１のレールの間隔を空けるステップと、
工作物に第１のレールを取外し可能に結合するステップと、
第１のレールに対して機械加工ツールを固定するステップと、
機械加工ツールを使用して、切断、保持、測定、加熱および工作物上での他の処理のうちの１つを行なうステップとを含む、方法。
【請求項３９】
工作物への第１のレールの結合に真空をかけるステップをさらに含む、請求項３８に記載の工作物上で工作機械の動作を行なうための方法。
【請求項４０】
機械加工ツールに対して第２のレールを横方向に浮動可能に固定するステップと、
工作物に対して第２のレールを位置決めするステップと、
工作物から均一な距離だけ離れるように第２のレールを間隔を空けて配置するステップと、
工作物に第２のレールを取外し可能に結合するステップと、
工作物への第２のレールの結合に真空をかけるステップとをさらに含む、請求項３８に記載の工作物上で工作機械の動作を行なうための方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
この発明は概して製造ツールおよび自動化に関する。より詳細には、この発明はレールが装着された工作機械および自動位置決めシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
硬質の外板の航空機構造の歴史において早くから標準的な航空機の製造は、テンプレートを作ることならびにそのテンプレートを胴体および飛行表面外板上に位置合わせすること、次いで手持ち式ドリルを使用してテンプレートに穴を開けてリベットおよびねじの設置のために航空機構造を準備することを要してきた。したがって、構造に穴を配置することは概して人間の速度に限られ、広範な検査が必要であった。
【０００３】
理論的には、たとえば工作物から切離された測量標基部の上にロボット装置が配置され、かつ正確さがロボット装置の中の位置センサによって制限された状態で各穴が開けられる、航空機構造などの工作物上のいずれの場所にも穴を自律的に配置できる大規模なロボット装置が開発され得るであろう。しかしながら、このような装置が開発されることはなく、一般的な用途で経済的に実現可能であるとはみられてこなかった。しかしながら、実用性の望ましい基準として正確さ、適合性、速度、低製造コスト、ならびに位置決めを容易にする軽重量および小型の大きさが含まれる場合に、建設中の工作物の一部に直接に取付けられた、ある程度自動化された製造装置が実用的であり得ることが実証されてきた。
【０００４】
限られた数の場合に胴体の長手方向の軸に沿って生じ得る概して平坦なおよび／または直線状の表面に対して、さまざまなロボットツールが効果的である可能性がある。たとえば、初期のバージョンでは、実質的に剛性のレールがねじなどの共通の結合具を使用して工作物に一時的に取付けられていた。ドリルは、手でまたは電動ポジショナを使用して、レールに沿って、レールに隣接した連続する場所に移動されることができ、その場所でドリルはきれいな直線の穴を開けるようにされることができた。次いで、その直線に沿って必要な穴のすべてが開けられるまで、ドリルは進められることができた。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述のプロセスおよび装置は、長所つまり一連の穴が相当にすぐれた精度およびしかるべき速度で開けられることができるという長所を有するが、いくつかの欠点も有する。たとえば、第１に、レールを取付けるために正確に位置する装着穴がなければならない。さらに、レールの設置および取外しは、工作物を容易に傷付けるおそれがある。さらに、位置合わせは不可欠であり、時間を要する可能性がある。同様に、ごくわずかな割合の必要な穴がいずれか１つの線上にかかる可能性があり、それゆえに穴開けパターンを考案すること、装着穴を準備することおよびレールを繰返し再位置決めすることは冗長である可能性がある。さらに、記載されるように、剛性のレールはカーブを横断できず、それゆえに上述のツールはたとえば胴体上で周方向に、または典型的には翼上でスパン方向以外のいずれの方向にも位置決めされることができないであろう。
【０００６】
上述の装置に対してだけでなく既存の他の装置に対するさらなる欠点は、装置の穴開け構成要素についての偏位幅が限られていることを伴う。典型的なツールは、しっかりした基部を設けるために２つのレールを使用してもよく、次いで工作物を横切ってツールヘッドを並進させてもよい。ツールヘッドがレールの間およびレールに沿ってたとえ移動でき
たとしても、２つのレールによって確立される偏位包絡線の外側では作業を行なうことができない。
【０００７】
したがって、工作物上の作業ゾーン内で可撓性レール工作機械が穴を開けることができる、相当な湾曲を有する可能性がある工作物表面に適合する可撓性レール工作機械の方法および装置を提供することが望ましい。このようなツールが、手動で再位置決めすることなく少なくとも１つの軸に沿って表面を横断でき、手動で介入することなく実質的に表面に対して直角の穴を開けることができることがさらに望ましい。このようなツールがレールシステムの取付底面積によって規定される偏位包絡線の外側で穴を開けることができることがさらに望ましい。このようなツールが基準座標系から取付状態の座標系まで所望の穴の場所を並進させることができることがさらに望ましい。このようなツールが容易に工作物に装着され、工作物から取外されることがさらに望ましい。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
発明の概要
上述のニーズはこの発明によって大いに満たされ、１つの実施例では、相当な湾曲を有する工作物表面に適合できかつ工作物上の作業ゾーン内で穴を開けるなどの機械加工動作を行なうことができる可撓性レール工作機械の方法および装置が提供される。別の局面では、可撓性レール工作機械の方法および装置はさらに、手動で再位置決めすることなく少なくとも１つの軸に沿って表面を横断でき、表面に対して直角の穴を開けるなどの機械加工動作を行なうことができる。さらに別の局面では、可撓性レール工作機械の方法および装置はさらに、その取付機器の境界外で穴を開けるなどの機械加工動作を行なうことができる。さらに別の局面では、可撓性レール工作機械の方法および装置はさらに、基準座標系から設置状態の座標系まで所望の穴の場所を並進させることができる。別の局面では、可撓性レール工作機械の方法および装置は、容易に工作物に装着されることができ、工作物から取外されることができる。
【０００９】
この発明の１つの実施例に従って、工作物上で動作を行なうための可撓性レール工作機械は、工作物に結合された第１のレールと、ツールヘッドと、ツールヘッド上のエンドエフェクタとを含み、エンドエフェクタは工作機械の機能を実行する機構であり、上記可撓性レール工作機械はさらに、第１のレールに対してツールヘッドを取付および支持する第１の支持機構を含み、第１の支持機構はツールヘッドの第１の最大横方向限度位置とツールヘッドの第２の最大横方向限度位置との間に位置する。
【００１０】
この発明の別の実施例に従って、工作物上で動作を行なうための可撓性レール工作機械は、工作物に第１のレールを取外し可能に結合するための手段と、切断、保持、測定、加熱および工作物上での他の処理を行なうための手段と、工作物に対して処理を行なうための手段を位置決めするための手段とを含む。
【００１１】
この発明のさらに別の実施例に従って、工作物上で工作機械の動作を行なうための方法は、工作物に対して第１のレールを位置決めするステップと、工作物に対して均一な距離だけ第１のレールの間隔を空けるステップと、工作物に第１のレールを取外し可能に結合するステップと、第１のレールに対して機械加工ツールを固定するステップと、機械加工ツールを使用して切断、保持、測定、加熱および工作物上での他の処理を行なうステップとを含む。
【００１２】
したがって、この発明の詳細な説明が本明細書においてよりよく理解されるように、および当該技術分野へのこの寄与がよりよく認識されるように、この発明の特定の実施例を相当に広く概説してきた。もちろん、以下に記載されかつ特許請求の範囲の主題を形成することになるこの発明のさらなる実施例が存在する。
【００１３】
この点で、この発明の少なくとも１つの実施例を詳細に説明する前に、この発明は本願において、以下の説明に記載されるまたは図面に図示される構造物の詳細および構成要素の配置に限定されないことが理解されるべきである。この発明は記載される実施例に加えた実施例が可能であり、さまざまな方法で実施および実行されることが可能である。さらに、本明細書および要約書で利用される専門語および述語は説明を目的としており、限定的であるように考えられるべきではないことが理解されるべきである。
【００１４】
したがって、この開示が基づく概念はこの発明のいくつかの目的を実行するための他の構造、方法およびシステムの設計のための基礎として容易に利用され得ることを当業者は認識する。したがって、特許請求の範囲は、この発明の精神および範囲から逸脱しない限り、このような等価の構造物を含むように考えられることが重要である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
詳細な説明
この発明に従う実施例は、１つ以上の軸において相当な湾曲を有する可能性がある工作物の上にツールヘッドを位置決めするためのレールシステムを提供する。レール懸下システム上でのツールヘッドの滑らかな動きは、ツールヘッド上でローラなどの軸受機器を噛合わせることによってＶ字型のレール端縁面が接触する１つ以上の比較的長く、幅が広く、平坦な可撓性レールを含む主要レールシステムを使用することによって例示的な実施例において達成される。以下では長手方向の軸である、レール端縁面に対して平行なレールシステムの軸に沿ったツールヘッドの電動駆動は、例示的な実施例では、ツールヘッド上のピニオン歯車および第１のレールの中に形成されたラックを使用して達成される。
【００１６】
ツールヘッドは、複数の軸に沿ったおよび複数の軸を中心とした自己駆動の動きを可能にしてもよい。主要レールの長手方向の範囲を横断できるようにローラおよびモータ駆動装置を有することに加えて、ツールヘッドは交差したレールを備え付けてもよく、この交差したレールは好ましくは主要レールに対して９０度で構成されてもよく、交差したレールのために、長手方向のモータ駆動装置とは別個のものであり得るモータ駆動装置が自律的な横断位置決めを可能にしてもよい。さらに、機械加工のためのチャックまたはマンドレルの電動回転が好ましい性能である。同様に、ドリルなどの工作機械を有するツールヘッドは概して、別のモータ駆動装置を使用して工作物の中にツールを挿入するためおよび工作物からツールを抜くために必要である。さらに、ツールヘッドに対する貫通の角度を調節するためにツールヘッドを傾斜させることが望ましい場合があり、さらに別のモータ駆動装置を必要としてもよい。さらなる望ましい性能は、１つのタイプの工作機械を別のタイプの工作機械と取換えること、または位置を測定し、ディスペンサから、あらかじめ準備された穴に留め具を挿入および安定させるための複数のツールおよび付属機器を追加すること、またはさまざまな他の有用な動作を含んでもよい。
【００１７】
この開示の目的で、「エンドエフェクタ」という用語は、たとえば「ドリル」ならびに「研削盤」、「挿入装置」、「測定プローブ」および可撓性レール工作機械が利用され得る他の好適な機能を組入れる概要の用語として使用される。
【００１８】
この開示の目的で、主要レールの長手方向の軸に沿った並進運動は、Ｘ軸の動きとも称される。工作物の平均的な表面に対して依然として実質的に平行な、主要レールに対する横断の動きは、Ｙ軸の動きと称される。工作物を貫通するエンドエフェクタのストロークの動きは、Ｚ軸の動きと称される。エンドエフェクタがツールヘッドに対してある角度で工作物に入るようにツールヘッドのＸ軸に対してエンドエフェクタを傾斜させることは、Ａ軸の動きと称される。例示的な実施例は、Ｙ軸を中心としたエンドエフェクタの傾斜を特徴としておらず、このＹ軸を中心としたエンドエフェクタの傾斜はＢ軸の動きであろう
。Ｚ軸を中心としたエンドエフェクタスピンドルの回転は、Ｃ軸の動きと称される。これらの動きに加えて、工作物に圧力与荷重をかけるための対応がなされている。さらに、Ａ軸を中心としたツールヘッド全体の向きに微調節を加えるように補償器のための対応がなされている。
【００１９】
工作物に第１のレールを取付けることは好ましくは、スペーシングピンを有する真空カップを使用する。比較的長く、幅が広く、薄い上述のレールは、横方向の撓みに対して比較的剛性である可能性があるが、曲げおよびひねりを工作物に適合させることができる。工作物の輪郭に概して適合させることは、レールに取付けられかつ工作物に抗して引き寄せられる、好ましくは高さが均一の複数の剛性のスペーシングピンを用いて実現されることができる。このように高さが均一であることによって、レールと工作物との一貫したスペーシングが促進されることができ、次にＸ軸の位置決めの正確さが最大になり得る。保持力はさまざまな供給源のうちのいずれかから生じる可能性があり、その供給源のうちの１つは、各スペーシングピンまたは一群のスペーシングピンを囲む弾性カップに送られる、外部真空源からの真空である。十分に大きな真空カップ総表面積を使用することによって、可撓性レール工作機械は事実上いずれの向きでも工作物に取付けられることが可能である。
【００２０】
ツールヘッドは、工作物に対するツールの場所がすぐれた精度で分かるように１つ以上の動きについての自動位置検出を含んでもよい。この性能は位置の計算補正を含むように拡張されてもよく、そのため、たとえばツールヘッド上の検出器は工作物上の基準位置を識別でき、ツールヘッドへの位置決めコマンドを較正できるプロセッサにその基準位置を送出でき、座標変換を効果的に実行し、初期のレール配置の不確実性にかかわらず所望の場所に自動的に穴を開ける。
【００２１】
この発明の好ましい実施例は以下で図面を参照しながらさらに説明され、図面中では、全体にわたって同様の参照数字は同様の部品を指す。
【００２２】
図１は、ツールヘッド１２を含み、工作物１４にツールヘッド１２を結合する第１のレール２２および第２のレール３８の上に載っている可撓性レール工作機械１０の全体的な斜視図である。
【００２３】
図２は、図１の可撓性レール工作機械１０の拡大図であり、ツールヘッド１２をさらに詳述し、２つのレール２２および３８の短いセグメントの上に乗ったツールヘッド１２を示す。図２の装置は（１６、１８および２０として識別されるカバーを含む）複数のカバーが設置された状態で示されることが注目され得る。ツールヘッド１２の中央近くに位置する第１のレール２２は、ラック２４で切込みを入れられ、下にスペーシングピン２６および真空カップ２８を取付けられる。第１のサイドフレーム部材３０は、ツールヘッド１２に構造統合をもたらす。Ｖ字型ローラ３２、第１のレールローラ支持アーム３４および第１のレール旋回軸３６も見られる。
【００２４】
図２の最前面には第２のレール３８があり、この第２のレール３８は、この構成における２つのレールの配置がエンドエフェクタ４０の届く範囲を架橋するので、本明細書では架橋レール（spanned rail）と称される。架橋レール３８は、中央レール２２と同様に、スペーシングピン４２および真空カップ４４を備え付け、その真空カップ４４のうち２つが図１に部分的に示される。取付力をもたらすためにホース１３０によって真空カップ２８および４４に接続された真空源１２８が概略的に示される。架橋レール３８のための架橋レール支持機構４６が示され、この架橋レール支持機構４６は、架橋レール３８を直接的に支持するための架橋レールＶ字型ローラ４８と、架橋レールＶ字型ローラ４８を接合する短い横断レール５０と、ツールヘッド１２が架橋レール３８から独立して移動できる
ようにする架橋横断Ｖ字型ローラ５２と、架橋レール支持機構４６をツールヘッド１２に取付けるための架橋支持ブラケット５４とを含む。
【００２５】
ツールヘッド１２に第１のレール２２を直接的に結合することによって、Ａ軸のみを中心としたツールヘッド１２の自由な回転が可能になる。第２のレール３８のより緩い結合によって、ツールヘッド１２が第２のレール３８に対して横方向に（Ｙ軸方向に）浮動することが可能であり、Ａ軸の回転および妨げのないＸ軸の動きも有する。これによって第１のレール２２が基準の役割を果たすことができるのに対して、第２のレール３８は安定および支持をもたらす。したがって、第２のレール３８は、結合装置の拘束を引起こすことなく、複雑に湾曲した工作物１４上の平行でない経路を辿ることができる。
【００２６】
第２のレールのための結合機構は、例示的な実施例においては示される架橋支持ブラケット５４であるが、装着スロット５６を有する。このようなスロット５６を通るボルトは、ツールヘッド１２のスタンスに調節を加えることができる。動作中にコンピュータ制御下でなど動的にこのようなスタンス調節を行なうことが所望である場合には、電動式の、センサを備え付けたアクチュエータが、架橋支持ブラケット５４とツールヘッド１２との間に置かれることができる。
【００２７】
図３は、いくつかのカバー（図２の１６、１８および２０）を省略した可撓性レール工作機械１０の第３の斜視図であり、この図では、架橋レール３８は取外されており、片持ち梁レール５６が追加され、スペーシングピン５８および真空カップ６０を備え付け、片持ち梁レール支持機構６２を使用してツールヘッド１２に取付けられており、この片持ち梁レール支持機構６２は、片持ち梁レール５６を直接的に支持するための片持ち梁レールＶ字型ローラ６４と、片持ち梁レールＶ字型ローラ６４を接合する短い横断レール６６と、ツールヘッド１２が片持ち梁レール５６から独立して移動できるようにする片持ち梁横断Ｖ字型ローラ６８と、ツールヘッド１２に片持ち梁レール支持機構６２を取付けるための、この例示的な実施例では片持ち梁支持ブラケット７０である結合機構とを含む。
【００２８】
架橋された構成におけるのと同様に、示される片持ち梁支持ブラケット７０は装着スロット７２を有する。このようなスロット７２を通るボルトの調節によって、ツールヘッド１２のスタンスに調節が加えられることが可能である。動作中にコンピュータ制御下でなど動的にこのようなスタンス調節を行なうことが所望である場合には、電動式の、センサを備え付けたアクチュエータが、片持ち梁支持ブラケット７０とツールヘッド１２との間に置かれることができる。
【００２９】
架橋された構成から片持ち梁の構成に切換えることによって、エンドエフェクタ４０は工作物の端縁近くまたは過度の湾曲もしくは下にあるより弱い構造支持体の領域で動作可能であり、それによって、可撓性レール工作機械１０の性能を拡張する。２つの構成のための取付ハードウェアは異なる可能性があることが注目され、そのため、一方の構成から他方の構成に変換することによりいくつかの実施例では異なる構成要素が必要になる場合があるが、他の実施例では両方の構成について同一の構成要素を使用することが好ましい場合もある。
【００３０】
図３は、可撓性レール工作機械１０のさらなる特徴を示す。エンドエフェクタスピンドル７６は、いくつかの実施例では、送りベルト７８を使用してモータ８０から動力を供給されてもよい（Ｃ軸の動き）。歯付きベルト８４を使用して歯付き駆動滑車８６から歯付き被動滑車８８の対まで回転アクチュエータ８２によって駆動され、（直立部分９０内に封入された）駆動ねじおよび駆動ナットにトルクをかけ、横断スピンドル支持アーム９２を上下させるエンドエフェクタスピンドル７６の前進（Ｚ軸の動き）が示される。
【００３１】
図４〜図７は、参考のために架橋レール３８および片持ち梁レール５６の両方を示す。典型的な実施例は一方または他方を使用してもよいが、いくつかの実施例についてはその両方を使用することが好ましい場合がある。
【００３２】
図４は、上述の特徴および駆動スピンドル７６の傾斜（Ａ軸の動き）のための機構を示す側面図である。傾斜は、スフェリカル軸受９６によってエンドエフェクタ４０に接続される傾斜アクチュエータ９４を使用して実現されることができる。弧型レール９８によって、スピンドル７６は実質的には工作物との接触のポイント１００を中心に旋回可能である。
【００３３】
図５は、鍵となる要素をその動作の向きで示す斜視図である。この図では、横断（Ｙ軸）アクチュエータ１０２と横断レール１０４のうちの１つとが、２つの弧型レール９８の一部および関連付けられる傾斜アクチュエータ９４とともに見られることができる。横断レール１０４はツールヘッド１２のフレームに取付けられ、そのエンドユニット１０６および１０８ならびに中間ユニット１１０がこの図では部分的に見られる。
【００３４】
図５は、ラック２４、スペーシングピン２６および真空カップ２８を有する第１のレール２２もより詳細に示す。モータを含み、実施例の詳細に応じて歯車レジューサ、エンコーダおよびモータ駆動電子機器を含んでもよい駆動機構が、長手方向の駆動装置ハウジング１１２に収容されて示される。ピニオン歯車は、ピニオン歯車囲い板１１４内に封入される。駆動装置ハウジング１１２およびピニオン歯車囲い板１１４は、他の第１のレールローラ支持アーム１１６と一体化したアセンブリを形成する。
【００３５】
図６は、より多くの装着装置を省略した、実質的に図５と同一の図を表わす。この図では、第１のレールローラ支持アーム３４および他の第１のレールローラ支持アーム１１６、ならびに他の第１のレールローラ支持アーム１１８が、３つのアーム３４、１１６および１１８をともに繋ぐ第１のレール駆動装置結合ばね１２０とともに見られることができる。記載されたように、第１のレールローラ支持アーム３４は旋回軸３６によって第１のサイドフレーム部材３０に結合され、等価の旋回軸は他の第１のレールローラ支持アーム１１８を支持するために使用されることができる。これら２つのアームはツールヘッド１２の重量を担持できるのに対して、他の第１のレールローラ支持アーム１１６はＸ軸の駆動機構からの長手方向の軸の力を第１のレール２２に結合する。
【００３６】
円形歯車の平面突起のピッチ線に対応するラックのピッチ面は事実上の平面であり、その平面を介して、ラックおよびピニオンの２つの構成要素間の結合動作を行なうように駆動ピニオンが作用する。厚みを有する屈曲する物体の中立面は、撓んだ際に対象の方向に寸法変化のない、通常は物体内の面である。これはたとえば、対象の方向に組成が実質的に均一な材料から形成された可撓性スラブの中央平面であってもよい。
【００３７】
適切に製造することで、機械加工されたラック２４のピッチ面は好ましくは、第１のレール２２の中立面上に位置してもよい。その結果、工作物１４（図１参照）の湾曲に適合するための第１のレール２２の撓みは、駆動軸の長さを実質的に変化させないままにすることが可能であり、実質的には位置計算からこの誤差項を除去する。したがって、ピニオン歯車の角度位置と工作物１４上のツールヘッド１２の長手方向の位置との間の相関関係は、曲率補正なしに工作物１４の公知の表面の長さに基づく可能性がある。
【００３８】
結合ばね１２０における捩り柔軟性によって、工作物１４におけるひねりは、最小の捩り荷重誤差がエンドエフェクタ４０上にある状態で、第１のレール２２におけるひねりを介して吸収されることが可能である。第１のレール２２が寸法基準として使用されるので、第２のレール３８は、第２のレール３８の反作用機能が実質的に影響を受けない状態で
、向きが相当に異なる工作物表面の一部に適合し得る。
【００３９】
たとえば張力がかかったケーブル、ロッド、および第２の支持アーム１１６に結合するフレームの中の交差スロットを含む結合ばね１２０の代替的な実施例が可能である。各々のこのような実施例によって、ピニオンからのＸ軸の力はツールヘッド１２に結合されることが可能である。
【００４０】
図７は、可撓性レール工作機械の好ましい実施例の底面図であり、この図では再び、架橋レールおよび片持ち梁レールの両方が示される。この図では、第１の標準化センサ１１８および第２の標準化センサ１２０がそれぞれに、エンドエフェクタ与荷重機構１２２とともに示される。標準化センサ１１８および１２０は、エンドエフェクタスピンドル７６（図３参照）が許容可能な許容差の範囲内で工作物に対して直角に向き付けられているかどうかを検出するために使用されることができる。工作物１４の表面が２つの標準化センサ１１８と１２０との間のスパンなどの幅にわたって基本的に均一に湾曲されると仮定して、２つのセンサ１１８および１２０の変位をおよそ等しくすることは、エンドエフェクタスピンドル７６の軸に対しておよそ直角のポイントの両側で２つのセンサ１１８および１２０が工作物１４の表面と接していることを意味する。この仮定は概して、工作機械を用いて作業される広範な幅の表面にわたって有効である。使用中に、プロセッサは２つのセンサ１１８および１２０から測定値を受入れることができ、補正関数を生成することができ、工作物に対して直角つまり垂直にするためにエンドエフェクタ４０の角度を調節するように傾斜（Ａ軸）アクチュエータ９４（図４参照）を方向付ける。所望の場所に穴が確実に配置されるように、直角の補償を含むＹ軸の補償が必要である場合がある。この補正は位置制御プロセッサアルゴリズムに組入れられることができる。
【００４１】
Ｂ軸の誤差を測定するためにセンサの別の対を追加することによって直角の第２の軸が検出されることができる。好適にトランスデューサが配置されると、Ｂ軸のセンサのうちの１つはセンサ１１８またはセンサ１２０である可能性があり、その測定値は二度目に使用される。Ｂ軸の動きを追加することには、追加の軸受システムおよびアクチュエータが必要である可能性がある。
【００４２】
与荷重機構１２２は、穴開けなどの機械プロセス中にかけられる力の合計におよそ等しい初期の力を工作物にかけることができる。その後ツールの力がかけられるので、与荷重１２２はツールサイクル全体を通じて力の合計を実質的に一定に保つように調節されることが可能である。
【００４３】
図８は、ツールの作動中に与荷重機構１２２によってかけられた力を相殺するための、空気アクチュエータ１２６を有する反作用フット１２４を示す別の実施例の斜視図である。真空カップの少なくとも２つの組を有するレールの構成を使用する可撓性レール工作機械１０の実施例が図１〜図７に示されるが、第２のレールの代わりにツールヘッド１２に取付けられた反作用フット１２４を使用すること、または並進しない反作用要素として機能するように真空カップのない第２のレールを使用することが同様に実現可能であることが認識される。
【００４４】
可撓性レール工作機械１０は航空宇宙産業での製造に有用であるが、造船、土木工学および他の産業での製造ならびに建設のためにも使用され得ることが認識される。同様に、本明細書に開示されるツールの大きさは航空宇宙産業での製造に適当であるが、より大型の建設プロジェクトにははるかに大きなツールが適当である場合があり、小型の用途には、比例した精度および自律的な動作を達成する非常に小さなツールが望ましい場合もあることが認識される。水中などの厳しい環境での動作が同様にこの発明の他の実施例の望ましい特徴であってもよい。宇宙または他の過酷な真空環境において、および真空使用に好
適でない他の環境において粗面または多孔質の表面にこの装置を取付けるには、機械的な締め金もしくは結合具または磁気もしくは渦電流結合機器に頼らなければならない可能性がある。
【００４５】
ドリルとして構成される、例示的な実施例におけるツールヘッドが示される。このツールヘッドを他の機能に適合させることが可能である。たとえば、複数のビットを有するドリルは、さまざまな大きさの穴を開けるためであろうと、指定された数の穴の各々ごとにいくつかのビットを使用するためであろうと、ビットの自動的な変更を含むことができ、再び研がれるかまたは廃棄されるまで摩耗したビットを脇に置いておく。同様に、ツールはたとえばゲージ、結合具挿入装置、研削盤、溶接機、接着剤アプリケータ、加熱器、硬化ランプ、圧力パッド、超音波試験器、および自動化または遠隔制御された用途に好適であり得る他のツールを含んでもよい。
【００４６】
この発明の多くの特徴および利点が詳細な明細書から明らかであり、したがって、この発明の真の精神および範囲内にあるこの発明のすべてのこのような特徴および利点を包含することが特許請求の範囲によって意図される。さらに、多くの修正例および変形例が容易に当業者に想起されるので、図示および記載される厳密な構造物および動作にこの発明を限定することは所望ではなく、したがって、この発明の範囲内にあるすべての好適な修正例および等価物が用いられることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】示される外部カバーが所定の位置にある、レールの間で穴を開けるために構成された、この発明の好ましい実施例に従う可撓性レール工作機械を図示する第１の斜視図である。
【図２】図１の可撓性レール工作機械のより接近した図である。
【図３】示されるいくつかのカバーを取外した、片持ち梁機械加工のために構成された、図１に従う可撓性レール工作機械の第２の斜視図である。
【図４】いくつかのカバー、フレームおよびいくつかの追加のハードウェア要素を省略しているが、３つのレールすべてを示す可撓性レール工作機械の側面図である。
【図５】いくつかの追加のフレーム要素を省略しかつすべてのレールを含む、図３の視点からの可撓性レール工作機械の斜視図である。
【図６】構造機器およびハウジングを省略した、図１における可撓性レール工作機械の端面図である。
【図７】図１の可撓性レール工作機械の下からの斜視図である。
【図８】この発明の代替的な実施例に従う、第２のレールの代わりに使用される反作用フットを示す斜視図である。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【国際調査報告】
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