专利名称：用于高精度钻孔的磁性分度器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种精确成孔的系统，并尤其涉及一种将设备定位并指示要形成孔的位置的系统。
背景技术：
经常需要以高精度和特殊性在工件的盲区内定位一个位置。尤其是，如果需要将一个结构的两个部分固定到一起，在仅仅一个外表面对于工人可见的情况下，如果不是不可能的话，通常也很难精确地且可再现地将紧固件放置在两个部分之间。这尤其与飞机相关，在飞机的情况中，飞机的蒙皮已经放置在内部框架结构上，并且必须固定到内部框架结构上。一旦蒙皮放置到位，要将首先穿过蒙皮以固定到飞机的内部结构上的紧固件准确定位通常是相当困难的。这种情形也发生在其他构造和制造情况中。
已经尝试一种解决方案，其中，从结构的内侧进行背面钻孔。也就是，要使工人自身空间上置于机构内侧并然后通过从属结构穿过蒙皮进行切割。但是，这经常在孔的形成方面造成精度不佳。应垂直于飞机蒙皮形成的全尺寸孔在遵循背面钻出的导向孔之后可能会倾斜。这是由于从蒙皮内侧形成的孔很难轻易地精确垂直于飞机蒙皮而形成。尤其是，零件的内部结构可能不垂直于蒙皮，而穿透(on through)蒙皮外侧的孔必须垂直于蒙皮。此外，对于工人来说，爬入通常很小的区域内来形成孔非常困难。
在飞机工业中广泛使用背标(backmarker)，以便将孔从下部结构传递到外表面上。背标由薄金属的长开口件构成，在一侧具有一个销钉，而在另一侧具有一个孔，该销钉和孔对齐。在下部结构中，销钉侧在蒙皮之下滑动，以便与导向孔对直，而导向孔钻入到外蒙皮中。这个方法对宽的零件和厚的零件不起作用。开口板件的偏斜以及将该装置安装到厚零件上的困难使得薄片状金属的使用局限于靠近蒙皮边缘的区域。
另一种方法是利用探针或定位装置，以在蒙皮上确定精确的位置。尤其是，该装置首先用三维空间内的位置编程。因此，当一表面放置于探针的工作范围内时，探针可以确定探针所接触的点的位置。然而，这需要进行大量的预编程，并需要精确地放置要被检测的表面。对于很多用途来说，使用这种特殊的方位探针增加了时间和制造成本。而且，在钻孔之前检测下部结构存在若干缺点。当蒙皮放置在一个装配好的结构上时，蒙皮的重量会导致该结构和仪器(tooling)变形。有可能检测的孔在测量和钻削之间移位。而且，在检测和钻孔之间的温度变化也会由于零件的膨胀或收缩以及上表面和下表面之间的膨胀差而导致孔不对齐。在飞机结构中，由紧固件引起的孔的涨大和孔的冷加工也可以改变孔在检测和钻孔之间的位置。
在飞机构造过程中，为了将机身的一部分紧固到另一部分上，形成孔的界限值通常在一英寸的百分之一以内。用于内部机身结构的一种特殊构造方法包括使用在机身的内部结构或横梁上使用正弦波形貌测量。为了确保足够坚固的连接，该连接将承受飞机所遇到的极端的应力，紧固件必须放置在正弦波的波峰处。因此，紧固件的放置必须极其准确，以与波峰重合，而不是与波谷或波峰附近的部分重合。也需要精确定位被隐藏的结构件的边缘。在这个和很多其他用途中，紧固件的精确定位变得非常重要。
发明内容
本发明旨在一种磁性分度器，该磁性分度器可以将一产生磁场的装置定位在盲区或不可接近的位置。磁铁最初放置在加工表面的一侧上，从而由磁铁产生的磁场穿过加工表面，使得磁场的轴线基本垂直于加工表面。包括多个受磁场影响的探针的装置定位在加工表面的相对一侧上。然后，探针在加工表面之上移动，来确定磁铁的位置。一旦确定了磁场轴的位置，就通过其上定位探针的平台、在加工表面上作出标记或加工。尤其是，即使在工件的下侧不可见的情况下，也可以再现地将孔直接定位在磁铁之上。另外，通过本发明，可以非常精确地将加工工具定位在加工表面上，而不需要看到加工表面的下侧。
本发明的第一实施例包括用于确定装置的位置的系统，其中，所述装置产生一个�。飧龀「菥嗨鲎爸玫暮嵯蚓嗬攵慷扔兴浠�。该系统包括一个探针，该探针适于受到所述装置产生的变化的场强的影响，并有助于定位所述装置。随着探针移动，处理器确定影响探针的场强。确认系统对处理器已经利用探针确定了装置的位置进行物理确认。
本发明的第二实施例包括通过一个表面来确定装置的位置的系统。该系统包括一个装置，该装置产生磁�。椅挥谒霰砻娴牡谝徊嗌�。探针定位在受磁场影响的表面的第二侧上。处理器确定探针由磁场造成的影响。该处理器适于根据磁场对探针的影响来确定装置的位置。
本发明还提供了一种精确定位一个位置的新方法。该方法包括用一个受到场影响的探针来定位一个产生场的装置的位置。该装置放置在一个表面的第一侧上。然后，场由该装置产生而穿过所述表面。探针在该表面的第二侧上使用，来确定场的中心轴，并对场的中心轴提供物理确认。一旦确定了场的中心轴的位置，则可以在精确和预定位置上进行加工。
从下面提供的详细描述中，本发明的其他应用领域将变得易于理解。应理解的是在表明本发明优选实施例的时候，详细的描述和特定的示例仅仅为了举例说明的目的，而并非意在限制本发明的范围。
从详细描述和附图，将可以对本发明更全面地理解，图中图1是根据本发明的数字磁化器的优选实施例的透视图；图2是根据本发明的数字磁化器的侧视图；图3是在使用中的磁性分度器的透视图；图4是在已经定位之后的磁性分度器的平台的透视图；图5是根据本发明第二实施例的磁性分度器的透视图；以及图6是固定到机器人上的磁性分度器的第三实施例的透视图。
具体实施例方式
下面对优选实施例的描述实质上仅仅是举例说明，而绝非对本发明、本发明的用途或应用加以限制。
参照图1和2，图中示出了根据本发明优选实施例的磁性分度器10。磁性分度器10包括真空附着元件12、工件平台14、探针平台16和多个探针18、20和22。真空附着元件12一般包括其中可以产生真空的元件，以便将工件平台14固定到工件(下面进一步描述)。然而，应理解到可以使用任何适于将工件平台14附着到工件上的适当系统。大致垂直地从工件平台14伸出的是稳定元件24(图2)，该稳定元件24与工件相接合，以确保工件平台14基本平行于工件。磁铁26定位在工件与工件平台14相反的一侧上。磁铁26产生磁�。么懦【哂兄行拇胖�26a。从工件平台14伸出的是探针平台16。探针平台16相对于工件平台14可移动。第一组调节螺钉28允许探针平台16沿第一轴A移动。而第二组调节螺钉30允许探针平台沿着第二轴B移动。因此，利用第一组调节螺钉28和第二组调节螺钉30，探针平台16可以二维地相对工件平台14移动。
固定到探针平台16上的是探针18、20和22。探针18、20和22间隔开，以便各探针限定了一个中心轴C。中心轴C是与每个探针18、20和22延伸的轴等距而平行的轴。
探针18、20和22固定到第二探针平台32上，该第二探针平台32用紧固件33固定到探针平台16上。这使得第二探针平台32可以从探针平台16上拆下，而不必移动工件平台14。
参照图3和4，每个探针18、20和22的效果由处理器34确定。处理器34可以是任何适当的处理器，然而，微处理器能够确定磁场对每个探针18、20和22的影响，并能够确定每个探针18、20和22对于磁场的相对取向。处理器34的确定结果显示在显示装置35上。具体地，可以使用CRT或LCD屏作为显示装置35。处理器34可以在显示装置35上显示中心轴C与磁轴26a共线的确认信息。
磁性分度器10用真空附着元件12固定到表面或工件36上。如上面所讨论的，真空附着元件12可以通过任意适当的装置来将工件平台14固定到工件36上。例如，可以在真空附着元件12内产生真空，以将工件平台14被保持到位。也应理解到根据工件平台14的尺寸，可以使用多于两个真空附着元件12。
在工件36之下的是从属结构或支撑梁38。在必须形成孔的位置处，放置一个磁铁26。在工件平台14固定到工件36上之前，该磁铁26在初步制造步骤中放置在支撑梁38上。由此，磁铁26能够轻易放置在为了在工件36和支撑梁38之间形成固定而必须形成孔的精确位置处。磁性分度器10放置在与必须形成孔的地方相对靠近的位置处。然后，利用调节螺钉28、30，调节探针平台16，直到中心轴C正好在磁轴26a之上或与磁轴26a共线(通过下面更全面描述的过程)。
一旦中心轴C正好对齐在磁轴26a之上，就拆下第二探针平台32，以便钻头40可以通过探针平台16和工件平台14钻孔，从而在工件36中形成孔。应理解到，可以将放置附加的钻孔导引元件，来代替第二探针平台32，以便随着钻头穿过磁性分度器10，提高由钻头40所执行的钻孔步骤的精度。
一旦穿过工件36和支撑梁38形成孔，在内部区域的清理过程中，去掉磁铁26。此外，通过对真空附着元件12加压来将磁性分度器10从工件36上除去。然后，使用任何适当的紧固件来将工件36永久地固定到支撑梁38上。
磁铁26的精确位置通过定位作为磁铁26的北-南(N-S)极轴的磁轴26a来加以确定。磁铁26的磁轴26a、也称作中心或场轴(field axis)，是磁场的中心以及磁场最强的区域。磁铁26放置在支撑梁38上，以便磁轴26a基本垂直于支撑梁38的表面。因此，一旦将工件36固定到支撑梁38上，磁轴26a也就垂直于工件36的表面。另外，工件36应该不与磁铁26产生的磁场相干涉。但是，应理解到只要磁铁26的磁场对于探针18、20和22检测由磁铁26产生的磁场来说足够强，那么工件36实际上可以由任何非磁性材料形成。
应理解到下面描述中对单个探针18的参照是探针18、20和22中每一个的示例，并且这种对单个探针的描述仅仅出于清楚的目的。探针18受磁铁26产生的磁场的影响，即，探针18检测到磁铁26所产生的磁场。一种示例性的探针类型是霍尔效应探针。在霍尔效应探针18中，当电流垂直于霍尔效应探针18中的场而流动时，磁铁26所产生的磁场产生一个电压。霍尔效应探针18测量由磁铁26的磁场产生的感应电压。已知感应电压和电流，可以利用方程VHned/I＝B。根据这个方程，VH等于霍尔电压，n等于载荷子密度，e等于电荷，d等于带条宽度(strip width)，而I等于电流。一旦利用霍尔效应探针18知道了磁场的强度，就可以确定磁轴26a的位置。霍尔效应探针18越靠近磁轴26a，则霍尔效应探针18中的响应越大。根据第一实施例，当每个探针18、20和22的响应基本相等时，磁轴26a位于与探针18、20和22的中心轴C共线。
处理器34确定并处理在每个探针18、20和22上的造成的影响。显示装置35显示由处理器34所确定的影响。处理器34也可以指示应如何利用调节螺钉28、30来移动探针平台16，以便校正中心轴C载磁轴26a上的位置。然后，一旦每个探针18、20和22示出一个等量的响应，就可以知道中心轴C正好位于磁轴26a之上。此时，显示装置表示中心轴C处于磁轴26a之上，且操纵者不需进行进一步的调节。尤其是，中心轴C与磁铁26的磁轴26a共线。一旦显示出中心轴C处于磁轴26a之上，则拆下第二探针平台32，以便可以引入钻尖或钻头40来形成所需的孔。
参照图5，磁性分度器系统50的第二实施例包括一个可移动的传感器筒(sensor canister)52，且在可移动的传感器筒52的顶部上固定有方向性的或发信号的LED54、56、58和60。每个LED54、56、58和60可以包括一列LED，以便可以表示在特定方向上响应的强度。沿着中心轴D并居中放置的是标识器62，该标识器62穿过可移动的传感器筒52，以便选择性地接合工件36。中心轴D与探针64、66和68的关系就如同第一实施例的中心轴C与探针18、20和22的关系一样。
每个探针64、66和68连接到处理器70上。探针64、66和68基本上与参照第一实施例所描述的探针18、20和22相类似地工作。处理器70也和上述的处理器34相类似地工作。然而，在磁性分度器50中，处理器70确定中心轴D相对于磁轴26a的位置，并点亮适当的LED 54、56、58和60，表示可移动的传感器筒52必须移动的方向，以将中心轴D与磁轴26a正确对齐。一旦中心轴D基本上放置成与磁铁26的磁轴26a共线，则所有四个LED阵列54、56、58和60都点亮，来表示中心轴D正确地与磁轴26a对齐。即，当所有四个LED54、56、58和60都点亮时，它们为磁轴26a基本处于与中心轴D共线产生了一个视觉上的确认。此时，可以压下标识器62，以便在工件36的这个位置上形成一个标志。
一旦已经作出标志，就可以简单地从工件36上拆下可移动传感器筒52，并且可以将适当的卡盘固定到工件36上，来确保在工件36中形成正确对齐的孔。再者，一旦通过工件36和支撑梁38形成孔，就可以从内部空间中清理掉磁铁26和任何碎片。
参照图6，图6示出磁性分度器80的第三实施例。磁性分度器80包括固定到机器人86的手臂84上的单个探针82。应理解到也可以与机器人86一同使用多个探针。但是，如果靠近表面88放置到一个位置上，并然后借助于第一位置的精确已知条件沿着表面88移动到另一位置，则仅需要一个探针82。因此，有效的多个探针可以通过简单地放置并移动单个探针82并精确地检索先前的放置状态以及针对每个先前放置状态的场测量值来加以模拟。
产生具有中心磁轴90a的磁场的磁铁90放置在表面88的附近、与磁性分度器80相对。处理器94确定探针82的响应并控制机器人86。以这种方式，机器人86可以快速定位固定于支撑板92上的磁铁90的磁轴90a。然而，应理解到可以使用单独的处理器来确定磁轴90a的位置并控制机器人86。另外，一旦处理器94已经确定了磁轴90a的精确位置，则工具可以放置到机器人手臂84上，以按需要形成孔。也应理解到可以从机器人86伸出多个手臂84，以便一旦磁轴90a的位置被定位，工具手臂就简单地旋转到位，同时工具从工具手臂中伸出，以在表面88内形成孔。在使用机器人86时，形成孔用来确认磁铁90已经正确定位。
应理解到本发明的每个实施例并不需要霍尔效应探针。对磁铁26、90所产生的磁场敏感或可以检测该磁场的任何探针都可以用作本发明中。一种替代型探针是霍尼维尔分支机构的固态电子器件中心所生产的混合型三轴磁性传感器HMC2003(Three-Axis Magnetic Sensor Hybrid HMC2003produced by Solid State Electronics Center，A division of Honeywell)。在简单地用替代型探针取代霍尔效应探针的同时，重制磁性分度器10的其他部分。如果替代型探针、如HMC2003能够在多于一个相对轴上确定磁轴，那么在磁性分度器10上就仅仅需要一个探针。然而，仍应理解到的是单个替代型探针仍限定用于确定磁轴26a、90a的中心探针轴。替代型探针仍能够检测到磁铁26和90所产生的磁�。⒛芄恢甘敬胖�26a、90a。
应理解的是本发明中使用的磁铁必须使其磁轴26a、90a正确并精确调直。因此，如下措施可能是需要的，即首先利用磁性分度器10检测磁铁26、90来确保磁轴26a、90a得以正确调节，以便当磁铁26、90固定到支撑梁38或支撑板92上时，磁轴26a、90a基本垂直于工件36、88的表面。这是因为只有在磁轴26a、90a基本垂直于表面产生，磁场的强度才随着远离磁轴26a、90a而循序地变弱。由探针18、20、22；64、66、68；和82所检测的是作用在探针上的磁�。锰秸胗美慈范ù盘�26、90所处的位置。如果磁轴26a、90a与表面成一角度(即，与表面不垂直)，那么磁场也将不垂直，并且也不能正确确定磁轴26a、90a的精确位置。
另外，磁性分度器本身可以进行标定或归零。这意味着在用磁性分度器执行任何任务之前，可以精确确定磁性分度器的中心轴。通常，具有已知磁轴的磁性源可以相对于磁性分度器放置在归零位置处，使得磁性分度器可以归零到那个磁轴。此后，就得知了这个磁性分度器的精确归零位置，从而可以用这个磁性分度器实现定位磁轴的更大的精度。
因此，本发明的优选实施例提供了一种基于先前作出的孔位判定来快速和精确检测需要在工件上钻孔的位置，否则该孔位对于操作者或光学检测仪器来说不可见。该优选实施例也可以精确检测任何不可见的标志。即，本发明也可以用来检测隐藏元件的边缘。本发明尤其适用于飞机制造工业中，但是可以理解到本发明在各种其他制造工业中都可以广泛应用。
本发明的描述在实质上仅仅为举例说明，未背离本发明的主旨的变型应处于本发明的范围之内。这种变型并不被认为是脱离本发明的精髓和范围。
权利要求
1.一种用来确定产生磁场的装置的位置的系统，该磁场具有磁轴并根据距该装置的横向距离而强度有所变化，该系统包括探针，该探针适于受到所述装置产生的场的强度所影响，以利于定位所述装置；处理器，该处理器用以确定影响所述探针的场强；以及确认系统，该确认系统对所述处理器用所述探针已经确定了磁轴的位置提供物理确认。
2.如权利要求1所述的系统，其中，所述装置产生的场是磁�。鎏秸爰觳飧么懦±慈范ù懦〉那慷龋沟盟鎏秸氲氖涑霰硎舅鎏秸牒问蔽挥诖胖岣浇�。
3.如权利要求2所述的系统，其中，所述处理器确定由所述探针检测的磁场。
4.如权利要求1所述的系统，其中，该系统包括多个所述探针，并且这些探针围绕一个中心轴间隔开，每个所述探针基本上同时受到所述场的影响。
5.如权利要求4所述的系统，其中，所述多个探针等距间隔开，并且在所述探针中的每一个受到所述场基本均等地影响时，所述场的中心基本与磁轴共线地定位；并且所述处理器确定每个所述探针何时受所述场基本均等地影响。
6.如权利要求5所述的系统，其中，所述确认系统产生确认所述中心轴与所述磁轴基本共线的显示。
7.如权利要求6所述的系统，其中，所述显示包括发光二极管发出的光或图形显示。
8.如权利要求1所述的系统，还包括机器人；用于所述机器人的控制系统；以及其中，所述探针可由所述机器人移动，且所述控制系统经所述机器人移动所述探针，直到所述处理器已经确定了所述装置的位置为止。
9.一种通过工件的表面确定装置的位置的系统，该系统包括定位在工件第一侧上的磁铁；由所述磁铁产生的磁�。么懦“ù胖幔龃胖峄旧洗怪庇谒龉ぜ牡谝槐砻妫欢ㄎ辉诠ぜ谋砻嫔系奶秸耄渲懈锰秸胧艿剿龃懦〉挠跋欤蝗范ㄋ鎏秸胫杏伤龃懦〔挠跋斓拇砥鳎黄渲校鎏秸胂薅艘惶踔行闹幔凰鎏秸肷系乃鲇跋煸谒鲋行闹峄居胨龃胖峁蚕呤弊畲螅凰龃砥魇视谕ü觳馑龃懦《运鎏秸氲挠跋炖慈范ㄋ龃盘奈恢茫灰约霸谒鲋行闹峄居胨龃胖峁蚕呤保龃砥鞑桓鲂藕拧�
10.如权利要求9所述的系统，还包括平台；其中，所述探针包括多个间隔开并固定到所述平台上的探针；并且所述多个探针限定了一条中心轴。
11.如权利要求10所述的系统，其中，当所述中心轴基本上与所述磁轴共线时，所述多个探针受到的所述影响基本均等。
12.如权利要求9所述的系统，还包括显示装置，其中所述信号产生一个对所述信号的物理确认。
13.如权利要求9所述的系统，还包括一个确认系统，以便对所述磁轴的位置产生物理确认。
14.一种用探针定位一装置的方法，该装置产生一个�。锰秸胧艿秸飧龀∮跋欤梅椒òń米爸梅胖迷诠ぜ牡谝徊嗌希挥盟鲎爸猛ü龉ぜ桓龀。唤秸敕胖迷谒龉ぜ牡诙喔浇挥盟鎏秸肴范ㄋ龀〉闹行某≈岬奈恢茫灰约拔没峁┮桓龆运鲋行某≈岬奈锢砣啡�。
15.如权利要求14所述的方法，其中，所述放置装置的步骤包括将磁铁放置在所述工件的所述第一侧上，所述场包括在所述探针中产生响应的磁场。
16.如权利要求14所述的方法，其中，提供探针的步骤包括提供至少三个间隔开的探针，这些探针限定了一个中心探针轴；将所述探针固定在可移动平台上，使得所述中心探针轴可移动；以及将所述平台可移动地固定到所述工件的所述第二侧上。
17.如权利要求16所述的方法，其中，确定所述中心场轴位置的步骤包括相对于所述表面的所述第二侧上的点移动所述平台；随着所述探针在所述表面上移动，利用所述探针来检测所述�。灰约疤峁┮桓龃砥骼慈范ㄔ谒鎏秸肷系挠跋欤渲校龃砥魅范ㄋ鲋行奶秸胫岷问庇胨鲋行某≈峁蚕摺�
18.如权利要求16所述的方法，其中，提供所述中心场轴的物理确认的步骤包括提供一个视觉指示，表示在所述工件的所述第二侧上的所述中心探针轴与所述工件的所述第一侧上的所述中心场轴基本共线。
19.如权利要求14所述的方法，其中，提供探针的步骤包括提供一个机器人；将探针固定到所述机器人上；以及控制所述机器人，使得所述探针位于所述工件的所述第二侧附近。
20.如权利要求14所述的方法，其中，在确定中心场轴的过程中包括相对于所述工件的所述第二侧上的点移动所述探针；随着探针在所述工件上移动用所述场影响所述探针；以及提供一个处理器来确定在所述探针上的影响，所述处理器确定中心场轴。
21.如权利要求14所述的方法，其中，提供所述中心场轴的物理确认的步骤包括提供一个视觉指示，指示在所述工件的所述第二侧上的所述中心探针轴与所述工件的所述第一侧上的所述中心场轴基本共线。
全文摘要
本发明公开了一种用于定位在工件(36)的盲区或不可见位置中的产生磁场的装置(26)的位置的磁性分度器(10)。磁铁(26)最初放置在工件(36)的第一侧，使得磁铁产生的磁场穿过工件(36)，并基本垂直于工件(36)的表面。然后，包括多个用来检测磁场的探针(18、20、22)的装置定位在工件(36)的第二表面上。然后，探针(18、20、22)在第二表面上移动，以通过检测到的磁场强度来确定磁铁(26)的轴(26a)的位置。一旦确定了磁铁(26)的轴(26a)的位置，通过其上定位探针(18、20、22)的平台对工作表面进行标记或加工。尤其是，即使在工件(36)的第一表面不可见的情况下，也可以正好在磁铁(26)上精确钻出或以其他方式形成孔。另外，本发明可以将加工工具非常精确地定位在第二表面上，而不需要看到工件(36)的第一表面。
文档编号G01V15/00GK1662347SQ03814943
公开日2005年8月31日 申请日期2003年4月29日 优先权日2002年5月9日
发明者加里·E·乔治森, 约瑟夫·L·哈芬里克特, 雷蒙德·D·伦普特, 格雷戈里·L·克拉克 申请人:波音公司
专业数控铣床产品供应商
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