無需墊片的拼接機身區段的製作方法

2023-05-21 06:19:26

專利名稱：無需墊片的拼接機身區段的製作方法
技術領域：
0001本公開一般涉及組裝飛行器的機身區段的方法，且更為具體
地涉及利用拼接元件來組裝機身區段的方法，所述拼接元件補償在機身區段之間的不匹配表面內的間隙。
背景技術：
0002大型商用飛行器的機身通常通過配合與連接圓筒形機身區段(有時被稱為"桶")而被製造。利用橫跨過區段之間的接合處的拼接帶和拼接元件來將機身區段組裝到一起。由於形成每一個區段的各部件之間的製造差異的積累(有時被稱作公差疊加)，因此，在機身區段的配合表面之間的小的不匹配會造成必須用墊片或襯墊來填充的間隙。過去，為了確定間隙的尺寸與位置，利用裝配架或固定夾具來使得機身區段被裝配到一起並保持就位。基於這種預先的"裝配"，測量出間隙，且機加工出定製的部件、襯墊或墊片以填充間隙。0003墊片增加了飛行器的附加重量，並且由於每一個墊片均是唯一的且必須被熟練的技工機加工成適當的尺寸，因此製造起來既消耗時間又費用昂貴。此外，將機身區段物理地裝配到一起、確定所需墊片的尺寸並且之後製造墊片的過程必須以順次的方式被實現，所有這些都處於製造過程的關鍵流程。因此，填充墊片的過程增加了工廠流程時間。
0004因此，需要一種組裝機身區段的方法，該方法消除對填充不匹配的配合表面內間隙的襯墊與墊片的需要。本公開的實施例旨在滿足此需要。

發明內容
0005本公開的圖示實施例提供了用於組裝飛行器機身區段的方法，
其消除了對於用墊片、襯墊及其他特殊部件來填充兩個區段的匹配表面之間的間隙的需要。墊片與襯墊的取消減輕了飛行器的重量，並縮短了用於測量表面不匹配和製造/安裝定製部件以補償這些不匹配所需的時間。
0006根據一個實施例，提供一種組裝飛行器的兩個機身區段的方法。該方法包括下列步驟測量機身區段的匹配表面的位置；虛擬組裝所述機身區段；基於虛擬組裝來產生用於連接機身區段的拼接元件的輪廓；基於拼接元件輪廓來製造工具插入件；利用所述工具插入來製造拼接元件；以及，利用所述拼接元件組裝機身區段。優選地利用諸如照相測量法和/或雷射跟蹤法等非接觸測量技術來測量兩個機身區段的匹配表面的位置。利用兩個區段的計算機生成的模型並比較計算機模型以便識別在區段的匹配表面之間的間隙，從而執行對機身區段的虛擬組裝。可利用包括三維噴墨印刷的多個固體自由成形製造技術中的任一技術來製造工具插入件。該工具插入件具有如下輪廓，該輪廓被轉印到拼接元件並補償在機身區段的配合表面之間的不匹配。最終的拼接元件具有如下輪廓，該輪廓填充由配合表面的不匹配而導致的間隙。拼接元件可經由如下方法被形成將工具插入件置於工具底座內、將未固化材料引入到與插入件接觸的工具內、固化該材料以及從工具移除拼接元件。該未固化材料通過如下方式被製造形成包括多層纖維增強樹脂的層合件(lay-up),並通過施加真空或其他作用力使該層合件抵靠工具插入件。
0007根據另一個公開的實施例，提供一種用於製造拼接元件的方法，其中所述拼接元件被用於組裝飛行器的機身區段。該方法包括下列步驟在公共坐標系內確定機身區段的配合表面的位置；通過產生在機身區段之間的虛擬配合來確定拼接元件的輪廓；基於拼接元件的輪廓來生產工具；以及，利用工具來形成拼接元件。可通過提供工具底座、提供工具插入件以及將工具插入件引入工具底座內來生產工具。工具插入件具有與拼接元件的輪廓互補的輪廓，且可利用計算機自動
的固體自由成形製造技術而被製造。
0008根據另一實施例，提供用於接合飛行器的機身區段的拼接元件。拼接元件通過下列步驟被製造生成機身區段的計算機模型；利用計算機模型繪製在機身區段的配合表面之間的間隙；生成分別填充所繪製的間隙的拼接元件；生產具有分別基於拼接元件輪廓的輪廓的
工具插入件；以及，利用工具插入件形成拼接元件。0009當結合附圖與所附權利要求閱讀時，本公開的其他特徵、優 點以及有利之處將由實施例的下列描述而變得清楚。


0010圖1是飛行器機身區段的透視圖。
0011圖2是根據現有技術利用墊片與襯墊在兩個機身區段之間形 成的接合處的一部分的透視圖。0012圖3是沿圖2的線3-3剖切的剖視圖。
0013圖4是示出如圖2和圖3中所示用於現有技術接合處組件的 拼接導槽與墊片及襯墊之間的關係的分解透視圖。
0014圖5是與圖3相似的視圖，但示出了根據本公開的實施例所 製作的拼接元件的使用。
0015圖6是示出用於拼接機身區段的方法的步驟的簡化流程圖。0016圖7是在拼接元件安裝前兩個機身區段之間形成的接合處的 透視圖。
0017圖8是沿圖7中的線8-8剖切的剖視圖。0018圖9是工具插入件的側視圖。0019圖IO是用於生產拼接元件的層合件的部分側視圖。0020圖11是包括用於生產拼接元件的工具插入件與層合件的工具 組件的側視圖。
0021圖12是利用圖11所示工具組件製造的已拋光的拼接元件的 側視圖。
具體實施例方式
0022圖1示出飛行器的典型機身區段10。該機身區段IO包括由各 種梁、支撐件以及加強件形成的內側上部結構。在所示示例中，該上 部結構由圓周向延伸的肋12形成，其中所述肋12上附連有橫向延伸 的梁14，所述梁14被緊固到縱向延伸的梁16，以便形成通常支撐客 艙的上側地板。可提供支柱18以便協助支撐由梁14、 16形成的地板。也可提供下側地板以便支撐行李艙，該下側地板包括由連接到圓周向
肋12的支柱22所支撐的橫向延伸梁20。
0023外側蒙皮26被固定到圓周向肋12，且包括縱向延伸的桁條 24。蒙皮26的外側邊緣稍微超出最外側肋12而延伸，並將要被配合 到繞相鄰機身區段所形成的蒙皮26，這在後面將會變得清楚。
0024圖2、圖3與圖4示出組裝兩個相鄰機身區段(例如前機身區 段10a以及後機身區段10b)的現有技術方法。相應機身區段10a、 10b 的外側蒙皮26a、 26b沿圖2中28處所示的圓周向接合處而被接合。 圓周向延伸的拼接帶30穿過桁條24中的錐形開口 39。拼接帶30交疊 在蒙皮區段26a、 26b的相鄰部分，並覆蓋在這兩個鄰接蒙皮區段之間 的接合處31。多個拼接導槽32分別被置於鄰接桁條24和拼接帶30 的覆蓋部分之間。每一個拼接導槽32均具有大致平坦的底部以及一對 間隔開的加強肋32a。利用如鉚釘等緊固件40將拼接帶30與拼接導槽 32固定到外側蒙皮區段26a、 26b。
0025作為製造工藝與公差疊加的正常變化的結果，兩個機身區段 10a、 10b的配合表面可能不是理想地對準，從而導致在蒙皮區段16a、 16b的內側面與拼接導槽32的底面之間可能存在間隙。而且，在蒙皮 區段26a、 26b之間的對準不匹配可導致在拼接導槽32與拼接帶30之 間的間隙。為了填充上述間隙，相應地提供前襯墊34和後襯墊36以 及中心墊片38，以便填充這些間隙，這在圖3與4中最好看到。
0026現在參考圖5，根據本發明的實施例，提供一種拼接元件42， 其具有底部輪廓，其中該底部輪廓被剪裁成填充在拼接元件42與蒙皮 區段26a、 26b之間可能出現的任何間隙，從而排除了對墊片或襯墊的 需要。如同下面將更為詳細討論的，提供一種製造拼接元件42的方法， 其導致了拼接元件42的底座43的厚度t,、t2、t3根據外側蒙皮區段26a、 26b之間的不匹配而發生變化。換言之，拼接元件42的底座43的橫截 面輪廓被精確地裁剪，以便匹配由蒙皮區段26a、 26b與拼接帶30限 定的下表面。
0027現在同時參考圖5-12，製作拼接元件42的方法中的第一步驟 在圖6中44處示出，其中機身區段10與拼接帶30被製作。接下來， 在步驟46，優選地利用諸如雷射掃描法和/或照相測量法等非接觸測量技術來單獨地測量機身區段IO。例如，結合的照相測量/雷射跟蹤技術 可被用於測量每一個機身區段10上的特徵。簡言之，結合的照相測量 /雷射跟蹤技術包括利用照相測量法來測量機身區段10上的表面並且 利用雷射跟蹤法來測量這些表面。之後，表示照相測量法測量中所用 的一個或多個照相機的位置的數據被生成。所生成的位置數據在空間 上將雷射跟蹤測量連結到照相測量法測量。
0028利用上述測量方法，創建數字文件，其在普通坐標系系統中 建立機身區段10上的特徵的相對位置。利用這些數字文件，機身區段 IO可被虛擬組裝，而無需實際的物理組裝。因此，例如可以測量在機 身區段10上的特徵的相對空間位置，同時區段10處於兩個完全不同 的地理位置，且數字文件可被發送到第三地理位置，在該第三地理位 置處它們被用於生成示出兩個機身區段10的配合表面的相對位置的計 算機模型。在步驟48，機身區段被虛擬組裝，從而配合表面的位置限 定了拼接元件42的區域輪廓。事實上，這樣的虛擬組裝過程繪製出了 間隙的尺寸與位置，其中該間隙將通過裁剪拼接元件42的輪廓以便精 確匹配機身區段IO上的配合表面而被填充。
0029需要剪裁工具插入件54輪廓的間隙的確切尺寸可利用自動確 定墊片尺寸的技術而被確定。簡言之，這樣的技術包括測量在一個機 身區段10上的第一組特徵的位置，並測量在第二機身區段10上的第 二組特徵的位置。接下來，基於所述位置測量，在兩個機身區段10之 間進行虛擬裝配。然後，基於所生成的虛擬裝配，將被設置在兩個機 身區段IO之間的墊片的尺寸被生成。特徵位置測量可利用如前面所述 的雷射跟蹤器與照相測量工藝而被實現。生成虛擬裝配可能包括執行 虛擬名義裝配以及然後最優化虛擬名義裝配。可利用兩個機身區段的 計算機模型且之後比較計算機模型以便確定需要墊片的空隙的形狀來 執行虛擬裝配。
0030在步驟50，虛擬組裝的表面的確切複製品被製造，然後其被 用於生產工具插入件54。工具插入件(如圖9最好可見的)具有基本 匹配間隙的橫截面輪廓，其中在步驟48中，已在機身區段的配合表面 之間繪製這些間隙。因此，工具插入件54具有變化的厚度ta、 tb、 tc， 這些厚度相當於在缺少具有定製輪廓的拼接元件42時所需的墊片及襯墊的等效厚度。可利用各種技術來製造工具插入件54，包括機加工材 料的實心件。然而，在一個優選實施例中，利用計算機自動的固體自
由成形製造技術來製造工具插入件54。
0031這種固體自由成形製造的示例包括立體平板印刷、熔融沉積 造型以及3-D噴墨印刷。在3-D噴墨印刷中，部件被建在位於充滿粉 末材料的容器內的平臺上。噴墨列印頭選擇性地沉積或"印製" 一種 粘結劑流體以便使所需區域內的粉末融合在一起。未粘合的粉末仍然 支撐該部件。平臺被降低，更多的粉末被添加且鋪平成層，且重複此 工藝，全部工藝都處於自動計算機控制之下。當拋光時，未加工的部 件從未粘合的粉末中移出，且多餘的未粘合粉末被吹盡。拋光部件被 滲入蠟、膠或其他密封劑以便改進耐用性與表面拋光。
0032在圖6中52處示出本發明的最後一個步驟，其中通過將單個 拼接元件層合件置於工具插入件上方從而將工具插入件的輪廓轉印到 層合件內來製造拼接元件。這種製造步驟在圖10和圖11中更為詳細 地示出。包括多個纖維增強合成樹脂(例如碳纖維增強環氧樹脂)層 43的層合件41被層合，從而層43被大致裁剪成匹配拼接元件42的最 終形狀。接下來，工具插入件54被放置在工具底座56內。真空袋58 被置於工具底座56上方，且在袋58內抽真空，從而迫使層合件41下 降到工具插入件54上，因而工具插入件54的輪廓被轉印到層合件51。 如果需要，層合件51與工具組件也可被置於高壓釜(未示出)內，且 然後經歷升高的溫度以便固化未固化的或部分固化的樹脂。固化之後， 在圖12中所示的完成的拼接元件42被從工具底座56移除，並且之後 如圖7和圖8所示被置於拼接帶30與蒙皮區段26a、 26b的上方。最 後，鉚釘或其他緊固件40被用於將拼接元件42固定到拼接帶30以及 機身蒙皮區段26a、 26b。
0033儘管已經通過特定示例性實施例描述了本公開的實施例，但 是，要理解的是，具體的實施例是出於圖示的目的，且不是限制性的， 而本領域的技術人員也會實現其他改型。
權利要求
1.一種組裝飛行器的兩個機身區段的方法，其包括下列步驟(A)測量所述機身區段的配合表面的位置；(B)虛擬組裝所述機身區段；(C)基於在步驟(B)中執行的所述虛擬組裝，生成用於接合所述機身區段的拼接元件的輪廓；(D)基於在步驟(C)中生成的所述輪廓來生產工具插入件；(E)利用在步驟(D)中生產的所述工具插入件來生產拼接元件；以及(F)利用所述拼接元件來組裝所述機身區段。
2. 根據權利要求1所述的方法，其中利用每個所述機身區段的特徵的非接觸測量來執行步驟(A)。
3. 根據權利要求2所述的方法，其中利用結合的照相測量與雷射 跟蹤工藝來實現所述測量。
4. 根據權利要求1所述的方法，其中通過生成所述機身區段的計 算機模型並比較所述計算機模型來執行步驟(B)。
5. 根據權利要求1所述的方法，其中步驟(C)包括測量在虛擬 組裝的機身區段之間的間隙。
6. 根據權利要求1所述的方法，其中利用計算機自動的固體自由 成形製造來執行步驟(D)。
7. 根據權利要求6所述的方法，其中通過三維噴墨印刷來實現所 述固體自由成形製造。
8. 根據權利要求1所述的方法，其中步驟(E)包括 將所述工具插入件置於工具內，將未固化材料引入到與所述工具插入件接觸的所述工具內， 固化所述材料以形成拼接元件，以及 從所述工具移除所述拼接元件。
9. 根據權利要求8所述的方法，其中步驟(E)包括迫使所述未固 化材料與所述工具插入件在一起。
10. 根據權利要求8所述的方法，其中步驟(E)還包括 形成包括多層纖維加強樹脂的層合件，以及 通過將真空應用到所述工具而拉動所述層合件以使之抵靠所述工具插入件。
11. 一種製造具有多個機身區段飛行器的方法，其中所述機身區段通過拼接元件被接合到一起，該方法包括下列步驟(A) 在普通坐標系中確定所述機身區段的配合表面的位置；(B) 通過產生在所述機身區段之間的虛擬裝配來確定拼接元件的輪廓；(C) 基於在步驟(C)中生成的所述輪廓來生產工具；(D) 利用在步驟(D)中生產的所述工具來形成所述拼接元件；以及(E) 利用在步驟(D)中形成的所述拼接元件將所述機身區段接 合到一起。
12. 根據權利要求11所述的方法，其中利用非接觸測量系統來執 行步驟(A)。
13. 根據權利要求11所述的方法，其中通過生成所述機身區段的 計算機模型並比較該計算機模型來執行步驟(B)。
14. 根據權利要求ll所述的方法，其中步驟(C)包括 提供工具底座；提供工具插入件；將所述工具插入件引入所述工具底座內。
15. 根據權利要求11所述的方法，其中步驟(C)包括製造具有 與拼接元件的輪廓互補地匹配的輪廓的工具插入件。
16. 根據權利要求11所述的方法，其中步驟(C)包括利用計算 機自動的固體自由成形製造來製造工具插入件。
17. 根據權利要求ll所述的方法，其中步驟(D)包括形成碳纖維增強合成樹脂的多層層合件， 將所述層合件置於所述工具內，以及 迫使所述層合件抵靠所述工具以便將所述輪廓轉印給所述層合件。
18. 根據權利要求11所述的方法製造的飛行器。
19. 用於接合飛行器的機身區段的拼接元件，其通過下列步驟被製造(A) 生成所述機身區段的計算機模型；(B) 利用在步驟(A)中生成的所述計算機模型來繪製在所述機 身區段的配合表面之間的間隙；(C) 分別填充在步驟(B)中繪製的所述間隙，從而生成拼接元 件的輪廓；(D) 分別基於在步驟(C)中生成的所述輪廓來生產具有輪廓的 工具插入件；以及(E) 利用在步驟(D)中生產的所述工具插入件來形成所述拼接元件。
20. 根據權利要求19所述的拼接元件，其中步驟(A)包括在普 通坐標系中測量所述機身區段上的特徵的空間位置。
21. 根據權利要求20所述的拼接元件，其中利用非接觸測量系統來測量所述特徵的所述空間位置。
22. 根據權利要求19所述的拼接元件，其中利用計算機自動的固 體自由成形製造來執行步驟(D)。
23. 根據權利要求22所述的拼接元件，其中通過三維噴墨印刷來 執行所述固體自由成形製造。
24. 根據權利要求19所述的拼接元件，其中在步驟(E)中形成的 每個所述拼接元件均通過下列步驟而被生產提供工具底座，將工具插入件置於所述工具底座內，將增強合成樹脂的多層層合件引入到所述工具底座內，以及 迫使所述層合件抵靠所述工具插入件，以便將所述工具插入件的 所述輪廓轉印到所述層合件內。
全文摘要
飛行器的機身區段利用拼接元件而被接合，所述拼接元件彌補了由機身區段上配合表面之間的不匹配而導致的間隙。機身區段利用計算機模型而被虛擬組裝，該計算機模型基於已建的機身區段的非接觸測量。該虛擬組裝的機身區段被用於繪製在配合表面之間的間隙。繪製的間隙被用於生產工具插入件，該工具插入件具有反應間隙尺寸的輪廓。工具插入件被用於製造拼接元件，所述拼接元件具有當機身區段被組裝並接合時填充間隙的輪廓，從而消除了對填充間隙的墊片與襯墊的需求。
文檔編號G05B19/4097GK101646983SQ200880008320
公開日2010年2月10日 申請日期2008年3月14日 優先權日2007年3月14日
發明者B·J·馬什, K·D·范斯考特, K·M·馬倫-赫格裡 申請人:波音公司