用于鉆取小孔的系統；鉆取孔的方法；用于執行鉆取的制造物品和鉆取的進一步方法
【專利摘要】本公開涉及一種機床，其被構造成執行用于小孔應用的小規模、高精度的鉆孔操作。機床設計所針對的小孔應用包括帶有一種或多種直徑的孔。零件可以具有穿透零件厚度的一部分的更大直徑孔和從更大直徑孔的底部穿透零件厚度的其余部分的更小直徑孔。另外，機床可以用于屬于以下類別中的任意類別的零件：（i）通過使用機床產生階梯孔和流孔二者；或者（ii）用上游過程產生階梯孔，并且機床可以接受零件、測量階梯孔并產生流孔；或者（iii）不使用階梯孔并且機床可以接受零件、測量未加工表面并且產生流孔。
【專利說明】用于鉆取小孔的系統;鉆取孔的方法;用于執行鉆取的制造物 品和鉆取的進一步方法
[0001] 相關申請的交叉引用 本申請參考2013年12月4日提交的名稱為"Dua^Station Laser Machine"的美國臨時 申請序列號No. 61/911，670并要求其優先權，該文獻的全部內容通過引用并入本文。
【背景技術】
[0002] 除非在本文中另外地明確表示，否則本部分中描述的內容不屬于本申請中的權利 要求的現有技術，并且不通過包括在本部分中而被認為是現有技術。
[0003] 在制造各種物品期間，可W使用機械W或者自動操作或者輔助加工的一部分。例 如，一些機械可W是計算機控制的，W執行精確測量或操作。另外，機械可W被用于W-致 方式重復地執行任務。
[0004] 燃料噴射器噴嘴的成功生產可W包括根據嚴格的加工特性產生孔。對于燃料噴射 器的可接受性能，應當嚴密地控制一個零件到下一個零件的噴嘴流動變化。通常用相當嚴 密的公差控制噴嘴的各種參數。加工可W控制孔產生的孔徑、位置和幾何準確性(例如，圓 柱度）。另外，加工可W具有針對噴嘴孔的不同直徑部分(階梯孔(St邱hole)和流孔(flow hole))之間的同屯、度的公差。加工也可W具有對噴嘴孔的更小直徑部分(流孔)的長度W及 表面精整和邊緣品質二者的嚴密控制。另外，會期望嚴密地控制系統操作經濟性。從系統經 濟性的觀點來看，會期望系統具有低的循環時間且具有高效率和利用率。也會期望系統從 一種零件模型轉變到下一模型具有低的轉換時間。另外，會期望所公開的系統具有高靈活 性W適應零件設計改變W及上游和下游加工改變。
[0005] 傳統地，現有的生產設備設計能夠實現上文所列出的特性中的一些但并不是全 部。例如，一些設計W生產經濟性為代價實現了良好的噴嘴流動變化。其它設計W轉換時間 和靈活性為代價實現低的循環時間和高的效率。
【發明內容】
[0006] 本文公開的是機床的實施例。總體地，機床被構造成執行小規模、高準確性的鉆孔 操作。本公開包括用于產生小孔的新穎機床系統。所公開的系統可W用于執行針對燃料噴 射器噴嘴的孔鉆取，不過其也能夠應用于其它小孔應用。小孔應用(針對該應用設計所述系 統）的特性包括可W具有兩種或更多種直徑的孔。例如，零件可W具有穿透零件厚度的一部 分的更大直徑孔和從更大直徑孔底部穿透零件厚度的其余部分的更小直徑孔。在燃料噴射 器噴嘴的情況下，更大孔被稱為"階梯孔"，并且更小孔稱為"流孔"。另外，本公開可W用于 落入下述類別中的任一種內的零件：（〇階梯孔和流孔二者均需要通過使用所公開的設備 產生;或者(ii)用上游加工產生階梯孔，并且所公開的設備可W接受該零件、測量階梯孔并 產生流孔;或者（iii)不使用階梯孔并且所公開的設備可W接受零件、測量未加工零件表面 并且產生流孔。
[0007] 所公開的設備是單一、一體式機器，其執行產生小孔的多個步驟。所公開的設備為 產生小孔提供了高生產率、高準確性能力。系統結合了下述特征。首先，所公開的設備包括 多個加工站。多個加工站可W包括材料(零件)入流和出流;一個或多個傳感器(階梯孔或者 未加工零件測量)站;一個或多個切削（階梯孔產生)站;和一個或多個激光鉆孔(流孔產生） 站。所公開的設備還包括一個或多個零件保持和定位系統，其能夠與所述一個或多個傳感 器(階梯孔或者未加工零件測量)站或者切削（階梯孔產生)站和一個或多個激光鉆孔(流孔 產生)站的組合相互作用。進一步地，所公開的設備可W包括一個或多個機器人零件轉移系 統，其能夠與所述材料(零件)入流和出流W及所述一個或多個零件保持和定位系統相互作 用。另外，所公開的設備可W包括必要的電氣和控制硬件。
[000引也公開了一種系統，其具有第一站，所述第一站具有W下項中的至少一項：（i)被 構造成測量未加工零件表面或者孔深度的測量單元；W及(ii)被構造成鉆取具有第一寬度 的孔的鉆孔單元。該系統也包括被構造成帶有第二鉆孔單元的第二站。該系統也包括被構 造成操作第一站和第二站的計算機系統。控制第一站包括引起第一站執行W下項中的至少 一項：（0測量未加工零件或者孔深度；W及（ii)鉆取孔。控制第二站包括引起第二站產生 通孔。通孔具有第二寬度并且第二寬度小于第一寬度。
[0009] 也公開了用于鉆孔的方法。該方法包括經由深度測量來測量預先存在的特征的深 度并且經由激光鉆孔工具向未加工表面內或者階梯孔的寬度內鉆取通孔。
[0010] 也公開了制造物品。制造物品包括非瞬時計算機可讀介質，其具有儲存于其上的 程序指令，如果計算裝置執行該程序指令，則引起計算裝置執行操作。所述操作包括經由深 度測量來測量預先存在的特征的深度，和/或經由鉆孔工具鉆取階梯孔、經由激光鉆孔工具 向未加工表面內或者階梯孔的寬度內鉆取通孔。
[0011] 也公開了用于鉆孔的另一方法。該方法包括經由鉆孔工具來鉆取階梯孔和經由激 光鉆孔工具在階梯孔的寬度內鉆取通孔。
【附圖說明】
[0012] 圖1A是基于本公開的示例設備。
[0013] 圖1B是基于本公開的示例設備。
[0014] 圖1C是基于本公開的示例設備。
[0015] 圖2A是基于本公開的示例設備。
[0016] 圖2B是基于本公開的示例設備。
[0017] 圖3是用于所公開的設備的示例零件拾取單元。
[0018] 圖4是用于所公開的設備的示例計算裝置。
【具體實施方式】
[0019] 本文中所公開的是被構造成執行小規模、高準確性的鉆孔操作的機床的實施例。 如先前討論的，所公開的系統可W用于執行燃料噴射器噴嘴的孔鉆取，不過它也能夠應用 于其它小孔應用。該系統設計所針對的一些具體小孔應用包括帶有至少兩種直徑的孔。在 一些實施例中，更大的孔可W被稱為"階梯孔"，并且更小的孔可W被稱為"流孔"。
[0020] 圖1A是基于本公開的示例設備100。所公開的多站式激光加工機器是結合多個特 征的完整生產系統。在一些實施例中，系統特征在于入流和出流系統110。入流和出流系統 110可W包括一個或多個加工站W及用于將材料裝載到零件保持和定位系統和從零件保持 和定位系統卸載材料的機器人系統150,在所述加工站處未加工材料(未被加工的零件)進 入和離開系統。未加工材料可W包括已經由其它各種機器加工的一些零件。術語未加工意 味著零件尚未由本公開的設備和/或方法加工。
[0021] 在各種實施例中，系統100也可W包括第一站120,其是未加工零件或階梯孔測量 站和/或階梯孔產生站。在站120是未加工零件或階梯孔測量站的情況下，系統可W包括提 供傳感器定位的至少一個運動臺架136和測量未加工零件或階梯孔深度和/或位置的一個 或多個傳感器(圖1A中未示出）。可多種方式測量階梯孔。在一些實施例中，可W使用光 學器件測量未加工零件或者階梯孔。在其它實施例中，物理測量裝置可W測量未加工零件 或者階梯孔。在又一些實施例中，可W使用其它未加工零件或者階梯孔測量裝置。測量未加 工零件或階梯孔的具體方式可W根據具體實施例而變化。在本公開的范圍內可W使用任意 類型的測量系統，包括本文中未具體討論的那些測量系統。
[0022] 在站120是階梯孔產生站的情況下，系統可W包括提供軸定位的至少一個運動臺 架136、產生階梯孔的一個或多個軸(諸如軸132)或其它裝置，W及測量階梯孔的額外傳感 器。可W通過零件的物理鉆孔產生階梯孔。基于旋轉的鉆孔工具可W執行該物理鉆孔。在其 它實施例中，用于孔產生的激光器或其它手段可W產生階梯孔。
[0023] 系統100也可W包括至少一個流孔產生站130。流孔產生站130可W包括提供激光 定位的至少一個運動臺架136、用于產生流孔的一個或多個激光器122和測量流孔的額外傳 感器(未示出）。激光鉆取通過零件的孔可W產生流孔。雖然關于激光器使用術語鉆孔，但是 產生流孔的實際現象是通過激光撞擊零件引起的烙化、蒸發和/或冷消融的組合。在其它實 施例中，可W使用諸如旋轉鉆孔的不同手段產生流孔。
[0024] 另外，系統100可W包括被構造成用于零件保持和定位的至少一個組件170。在一 些實施例中，系統可W包括被構造成用于零件保持和定位的兩個或更多個組件170(如示為 180的第二組件）。每個零件保持和定位組件170可W包括提供零件定位的至少一個運動臺 架136和用于零件保持的設施。零件保持和定位組件也可W包括與機器人系統(其用于將材 料加載到零件保持和定位系統內和從零件保持和定位系統卸載材料)和至少一個流孔產生 站和被列為一個或多個測量或階梯孔產生站的多個系統中的至少一個對接（即，相對于其 定位并執行與其協調的加工過程)的能力。在一些實施例中，系統可W包括帶有兩個或更多 個零件保持和定位組件(如示為180的第二組件）的設計，其中所述組件是共線的并且具有 重疊的行程。
[0025] 另外，系統100可W包括第二孔測量站140。第二孔測量站140可W被構造成測量階 梯孔和通孔二者或者其它特征。第二孔測量站140可W被構造成執行確認測量W便確保零 件具有所需的大小和公差。第二站140也可W被構造成與系統120和130并行工作。
[00%]系統也可W包括棱柱形整體式底座160,其帶有至少兩個正交表面，W安裝正交于 零件保持和定位組件的一個或多個測量或階梯孔產生站和/或一個流孔產生站。在階梯孔 產生系統的情況下，所公開的系統可W包括工具變換系統134,其允許在軸中自動地更換切 削工具。該系統也可W包括碎屑(廢料)管理系統(未示出）。此外，系統可W包括封罩/蓋。進 一步地，系統可W包括必要的電氣和控制硬件。
[0027]圖1B和圖1C是基于本公開的示例設備。圖1B和圖2B示出類似于關于圖1A所描述的 那些部件的不同視圖和設置。類似地，圖2A和圖2B是基于本公開的示例設備。圖2A示出位于 加工站130下方的零件保持和定位系統190(或者零件保持和定位系統170或者180)的放大 圖。圖2A也示出了激光鉆孔頭122。圖2B示出位于加工站120或140下方的零件保持和定位系 統170/180/190的放大圖。在圖2B的情況下，加工站包含兩個測量裝置、128共焦測量傳感器 和126光學攝像機測量傳感器。圖2B也示出運動臺架124。
[0028] 圖3是用于所公開的設備的示例零件拾取單元。如圖3中所示，如當未加工零件正 從150向170/180/190傳送時的情況那樣，零件拾取單元150定位在零件保持和定位系統 170/180/190之上。零件拾取單元可W用于所公開的設備W使各種零件貫穿所公開的系統 運動。
[0029] 如下示出用于加工單個零件的操作的一種示例方法。應該注意的是，運僅是能夠 在本公開的背景內使用的方法的一種示例。首先，零件被裝載到入流/出流系統內。然后，機 器人(諸如機器人臂)可W取得材料并且將其運輸到零件保持和定位系統之一，諸如零件保 持和定位系統170。在其它實施例中，可W將零件直接裝載到定位系統。一旦將材料或者直 接地或者通過使用機器人裝載到零件保持和定位系統內，就使零件保持和定位系統(現在 包含零件)運動到第一站，諸如站120。第一站可W包括測量站或階梯孔產生站中的一者或 兩者。之后第一站加工零件。該加工包括測量未加工零件或階梯孔和鉆取階梯孔中的至少 一者。在第一站的加工完成之后，使零件保持和定位系統(仍然包含零件)運動到第二加工 站(例如，流孔產生站），諸如站130。之后第二加工站加工零件。例如，第二加工站可W使用 激光在零件中鉆取通孔。如果階梯孔存在，則通孔可W被鉆取為具有小于階梯孔的直徑的 直徑。一旦第二加工站完成其對零件的加工，則完成的零件可W從零件保持和定位系統卸 載回到入流/出流機器人。最后，將完成的零件從入流/出流系統卸載。
[0030] 在另一示例中，可W通過根據需要與多個加工站相互作用的一致操作的多個零件 保持和定位系統來執行上文所公開的步驟。例如，系統的特征可W在于多個第一加工站和 第二加工站。當零件被輸入系統時，可W使其運動到多個第一站中的一個，W測量或鉆取階 梯孔。當第一站完成時，可W使零件運動到多個第二加工站中的一個。在運種實施例中，每 個第一加工站可W用于多個第二加工站中的任意第二加工站。不過，在其它實施例中，每個 第一加工站可W具有特定第二加工站，使已由該第一加工站加工的零件運動到該特定第二 加工站。
[0031] 在下圖中示出了示例序列表。在序列表中，正同時加工兩個零件。
[0032] 本公開可W包括通過提供測量或階梯孔站與流孔站的裝載水平之比使激光器系 統的利用率最大化的組合系統。在引入材料沒有階梯孔的情況下，該系統設計可W組合階 梯孔和流孔二者的生產。在一些實施例中，所公開的系統設計能夠通過僅將階梯孔測量傳 感器與階梯孔鉆孔軸交換來適應或者具有或者不具有處于適當位置的階梯孔的引入材料。 實施例也包括系統操縱材料裝載和卸載W及(在階梯孔產生系統的情況下)針對階梯孔站 的工具變換二者。
[0033] 此外，圖4是根據示例實施例的計算裝置400的框圖。例如，計算裝置400可W包括 用戶接口，其被構造成提供輸入和/或控制所公開的系統。計算裝置400能夠包括用戶接口 模塊401、通信接口模塊402、一個或多個處理器403和數據存儲器404，全部運些都能夠經由 系統總線、網絡或者其它連接機構405連結在一起。另外，數據存儲器404中的計算機可讀指 令410可W由所述一個或多個處理器403執行，W引起系統執行本文所公開的功能。
[0034] 例如，計算裝置可W被構造成具有指令W控制機加工硬件從而執行本文所描述的 功能。例如，指令可W包括控制機器人臂獲取材料并將其運輸到零件保持和定位系統之一 的指令。一旦將材料裝載到零件保持和定位系統，指令就可W引起系統使零件運動到第一 站。在第一站處，指令包括測量階梯孔和鉆取階梯孔中的至少一者。在第一站的加工完成之 后，指令包括使零件運動到第二加工站。在第二加工站處，指令可W引起激光在零件中鉆取 通孔。一旦第二加工站完成其對零件的加工，則指令可W引起將完成的零件從零件保持和 定位系統卸載回到入流/出流機器人。
[0035] 將容易地理解，本公開的方面，如本文大體上描述和在附圖中圖示的那樣，能夠W 各種各樣不同構造設置、替換、組合、拆分和設計，所有運些在本文中都已明確地預期到。雖 然已經在本文中公開了各種方面和實施例，但是本領域技術人員將顯而易見到其它方面和 實施例。
[0036]上文描述了示例方法和系統。應該理解的是，詞語"示例"和"示例性"在本文被用 于表明"用作示例、實例或圖釋"。本文中被描述為"示例"或"示例性"的任意實施例或特征 不必要被理解成比其它實施例或特征更為優選或者有利。本文對形成本文的一部分的附圖 作出參考。在附圖中，類似的附圖標記通常指代類似部件，除非上下文另外地說明。在不背 離本文所呈現的主題的精神或范圍的情況下，可W利用其它實施例，并且可W做出其它改 變。本文所公開的各種方面和實施例是出于說明的目的并且不旨在是限制性的，并且真實 的范圍和精神由所附權利要求指明。
【主權項】
1. 一種用于鉆取小孔的系統，所述系統包括： 第一站，所述第一站被構造成具有以下項中的至少一項：（i)被構造成測量未加工零件 的測量單元;以及(ii)被構造成鉆取具有第一寬度的孔的鉆孔單元； 第二站，其中所述第二站被構造成具有第二鉆孔單元；以及 被構造成操作所述第一站和所述第二站的計算機系統，其中控制包括： 引起所述第一站執行以下項中的至少一項：（i)測量所述未加工零件表面；以及（ii)鉆 取所述孔；以及 引起所述第二站產生通孔。2. 根據權利要求1所述的系統，還包括： 至少一個零件保持和定位系統，其被構造成： 接收用于機加工的零件； 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 在機加工之后釋放所述零件。3. 根據權利要求2所述的系統，其中，所述零件保持和定位系統還被構造成在所述第二 站之后并且在釋放所述零件之前向至少一個其它站提供所述零件。4. 根據權利要求2所述的系統，其中，一個或多個所述零件保持和定位系統被構造成使 得每個所述零件保持和定位系統均能夠與多于一個的加工站相互作用。5. 根據權利要求2所述的系統，還包括至少兩個零件保持和定位系統，其中，所述至少 兩個零件保持和定位系統是共線的并且具有重疊行程。6. 根據權利要求1所述的系統，其中，每個站均被構造成獨立于每個其它站操作。7. 根據權利要求2所述的系統，還包括至少兩個零件保持和定位系統，其中，所述至少 兩個零件保持和定位系統被構造成與至少一個共用加工站相互作用。8. 根據權利要求2所述的系統，還包括至少兩個零件保持和定位系統，其中，所述至少 兩個零件保持和定位系統被構造成獨立于彼此操作。9. 根據權利要求1所述的系統，其中，鉆取第一孔包括旋轉鉆孔過程。10. 根據權利要求1所述的系統，其中，產生所述通孔包括激光鉆孔過程。11. 根據權利要求1所述的系統，其中，所述第一站包括鉆孔工具和測量工具二者。12. 根據權利要求11所述的系統，其中，所述系統還被構造成具有預先確定站，其中，所 述預先確定站被構造成確定所述第一站是應當用所述鉆孔工具操作還是所述第一站應當 用所述測量工具操作。13. -種用于鉆孔的方法，包括： 經由深度測量工具測量預先存在的特征的深度；以及 經由激光鉆孔工具鉆取通孔。14. 根據權利要求13所述的方法，其中，階梯孔具有第一直徑并且所述通孔具有第二直 徑。15. 根據權利要求13所述的方法，其中，經由所述鉆孔工具鉆取所述階梯孔包括基于旋 轉的鉆孔。16. 根據權利要求13所述的方法，其中，所述階梯孔和所述通孔是同心的，其中，所述階 梯孔和所述通孔的同心性處于同心性公差之內。17. -種制造物品，包括非瞬時計算機可讀介質，其具有存儲在其上的程序指令，如果 計算裝置執行所述程序指令，則引起所述計算裝置執行操作，所述操作包括： 執行以下項中的一項：（i)經由深度測量工具測量預先存在的特征的深度；以及（ii) 經由鉆孔工具鉆取階梯孔；以及 經由激光鉆孔工具鉆取通孔。18. 根據權利要求17所述的制造物品，其中，所述階梯孔具有第一直徑并且所述通孔具 有第二直徑。19. 根據權利要求17所述的制造物品，其中，經由所述鉆孔工具鉆取所述階梯孔包括基 于旋轉的鉆孔。20. 根據權利要求17所述的制造物品，其中，所述階梯孔和所述通孔是同心的，其中，所 述階梯孔和所述通孔的同心性處于同心性公差之內。21. -種用于鉆孔的方法，包括： 經由鉆孔工具鉆取階梯孔；以及 經由激光鉆孔工具鉆取通孔。
【文檔編號】B23K26/38GK105848818SQ201480066369
【公開日】2016年8月10日
【申請日】2014年12月3日
【發明人】A.洪格爾, A.菲利普, O.巴塔查亞, G.諾沃比爾斯基
【申請人】美商麥克魯森公司