CN101005920A - 定位和对准紧固件的方法和装置 - Google Patents

Abstract

公开了一种在结构上精确定位、对准、瞄准和标记紧固件孔位置的方法和装置。该方法和装置利用激光设备穿过对准工具投射激光束，从而确定紧固件孔的正确定位和取向。

Description

定位和对准紧固件的方法和装置

技术领域

本发明涉及对准和安装紧固件的方法和装置。特别地，本发明涉及为钻出紧固件孔而标记空白的可移除和可互换的板。

背景技术

用于标记空白的可移除和可互换的板的当前方法包括使用找孔器(holefinder)、柱螺栓和/或定制的夹紧工具。在找孔器和柱螺栓方法中，孔位置被转移到从子结构偏移的平行表面上。这种方法的主要问题是其在重复孔位置时不够精确，即，其不能精确地处于精密公差内并且随着板的曲率变得更为复杂，该方法变得更难于使用。虽然定制的夹紧工具将孔位置更为精确地转移到空白板上，但是资金成本和处理时间导致定制的夹紧工具的使用受到限制。

因此，在用于安装紧固件而对准和标记空白的可移除和可互换板的领域内存在许多缺点。

发明内容

需要一种用来对准和安装紧固件的方法和装置，其中可以为安装紧固件而迅速精确地标记空白的可移除和可互换的板。

因此，本发明的目的是提供一种用来对准和安装紧固件的方法和装置，其中可以为安装紧固件而迅速精确地标记空白的可移除和可互换的板。

该目的是通过提供这样的系统来实现的，其中激光设备用于穿过对准工具投射一个点，从而确定紧固件垂直于表面。

本发明提供了显著的优势，包括：(1)可以在复杂轮廓的板上实现孔位置的精确转移，而不需要昂贵的定制夹具；(2)该过程可以在大多数条件下由任何水平的机械师重复；(3)该装置由相对廉价的组件形成，这些组件可以再次用于不同的应用场合；和(4)该方法能够迅速轻易地实施。

额外的目的、特征和优势从下述书面说明中将显现出来。

附图说明

被认为是本发明区别特征的新颖特征在附带的权利要求中论述。然而，本发明自身，以及使用的优选模式以及本发明的进一步的目的和优势，当结合附图阅读时，通过参照下述详细说明将得到最好的理解，其中：

图1是与根据本发明的紧固件定位和对准系统一起使用的对准工具的纵向截面图；

图2是图1所示的对准工具沿着II-II线剖开的截面图；

图3是根据本发明的定位和对准紧固件的方法的流程图；

图4是用于执行图3的方法中的各步骤的特定组件的示意图；

图5A-5C是本发明的对准工具的替代实施例的示意图；

图6A和6B是本发明的对准工具的额外替代实施例的示意图；和

图7是本发明的方法和装置的替代实施例的示意图。

具体实施方式

本发明包括用来从现有结构向待紧固到现有机构上的空白板转移孔位置并且将紧固件以精密公差垂直对准到板表面的方法和装置。在优选的实施例中，本发明的系统用于以紧公差在飞行器的可移除和可互换的板上定位和垂直对准紧固件。然而，应当理解，本发明可以在广泛的应用场合和在许多不同的产业中定位、对准和/或安装部件。本发明特别良好地适合精确地从轮廓复杂的现有机构向空白的可移除和可互换的板上转移孔位置，使得可以在板上钻成垂直于板的紧固件孔。

参照附图中的图1和图2，根据本发明的对准工具11图示为沿着该工具11的中部剖开的纵向截面图。对准工具11包括中空的细长轴13，其具有基部15和对置的末梢部17。虽然对准工具11已经示出为具有纵向轴线19的圆柱管形，但是应当理解，根据对准工具11的使用场合，对准工具11可以配置成各种几何形状，并且沿其长度可以具有多个截面几何形状。对准工具11优选地由金属性材料形成，但是也可以用任何适当的刚性材料形成。

对准工具11的基部15包括连接器件36，用于可释放地将对准工具11连接到结构73(见图4)，如将在以下详述的那样。在优选的实施例中，连接器件36是外螺纹，其被确定尺寸并且配置成与结构73上的紧固件孔72(见图4)配合。应当理解，连接器件36和结构73之间的连接可以呈现许多形式，包括压配合，卡接配合，扭转锁定、压接、磁性配合、粘合以及其他适当的形式，取决于紧固件孔72的形式。

对准工具11具有整体长度L1。基部15包括孔21，插入件23安装在该孔内。孔21和插入件23具有类似的长度L2。以类似的方式，末梢部17具有孔25，插入件27安装在该孔内。孔25和插入件27具有类似长度L3。在优选的实施例中，插入件23和27分别螺纹安装在孔21和25内。为了有利于插入件23和27安装到孔21和25内，插入件23和27分别包括内六角形孔29和31。这种配置允许插入件23和27迅速和轻易地互换。应当理解，插入件23和27的长度可以短于或者长于孔21和23的长度。插入件23包括中心轴对准小孔33。类似地，插入件27包括中心轴对准小孔35。

在优选的实施例中，对准小孔33和35精确地轴向对准并且具有相同的尺寸和截面形状。然而，虽然对准小孔33和35已经示出为圆形截面，应当理解，对准小孔33和35可以具有其他截面形状，并且可以具有彼此不同的形状。通过以此方式对准对准小孔33和35，激光束39或者其他的集中光束可以从末梢部17到基部15穿过对准工具11。激光束39具有中心线，当激光束39平行于轴13时，该中心线优选地沿着纵向轴线19延伸。激光束39在此通过其中心线表示。

优选地，激光束39的直径略小于对准小孔33和35的直径或者与其相等。这允许使用者迅速和轻易地确定激光束39是否与对准工具11的纵向轴线19平行。如果激光束39与纵向轴线19平行，但是不与纵向轴线19同轴，则产生D范围内的线性偏移。如果激光束39不与纵向轴线19平行，而且不与纵向轴线19平行，则产生范围A内的角偏移。在某些实施例中，希望对准工具11包括可选的透明部，或者观察窗(未示出)，其允许使用者观察到中空轴13的内部。这种观察口允许使用者视觉检测激光束39与对准小孔33和35是线性非对准还是角度非对准。

现在参照附图中的图3和4，图示了本发明的方法。图3是对准和标记过程的简化版本的流程图51，图4是图示了执行流程图51的各步骤的组件的示意图。图3和图4表示了本发明的应用，其中紧固件孔的位置精确地从轮廓复杂的现有飞行器子结构转移到空白的可移除或可互换的板上并且标记在其上，因此紧固件孔可以在正确的位置并且沿着正确的方向和取向钻入板内。

该过程开始于步骤53，从现有板上的紧固件孔72中移除现有紧固件诸如紧固件71和从现有的子结构73移除板。被移除的板在图4中由虚线75表示。然后，在步骤55，具有至少一个激光束发生设备79a的激光系统77安装在子结构73上或者其附近。激光设备79a由刚性支撑器件81a支撑。在某些应用中，特别在涉及空间约束的应用场合，子结构73可以用作支撑器件81a。激光设备79a能够产生和投射至少一束激光束39a。

在优选的实施例中，激光系统77包括额外的分别能够产生激光束39b和39c的激光设备79b和79c。激光设备79b和79c可以通过支撑器件81a支撑，或者可以通过额外的支撑器件81b支撑，如图所示。当采用额外的激光设备79b和79c时，优选地，额外的激光设备79a、79b和79c以三角关系空间隔开，使得激光设备79a垂直对准对准工具11，并且额外的激光设备79b和79c用来保证激光设备79a在对准和标记过程中不会相对于子结构移动。

接着，在步骤57，一个对准工具11安装在一个紧固孔72内。在这个示例中，对准工具11的连接器件36包括外螺纹，其与紧固件孔72的内螺纹配合。这允许对准工具11简单地拧入紧固件孔72。该过程继续到步骤59，其中激光设备79a由一个或者多个调节器件83a定位，使得激光束39a在选定的允许线性和/或角度的非对准公差内穿过对准工具11。在该步骤中，如果采用额外的激光设备79b和79c，则这些激光设备79b和79c将适当地定位和对准。例如，额外的激光设备79b和79c可以这样定位，使得激光束39b和39c指向对准工具11上选定的目标或者穿过对准工具11内的口。使用额外的激光设备79b和79c给系统增加了冗余度并且提供了可指示主激光设备79a是否在所述过程中不小心发生了移动的手段。应当理解，多个对准工具11和多套激光设备可以用来同时标记空白板。

在激光设备79a、79b和79c适当定位、对准并且固紧就位后，该过程继续到步骤61，其中对准工具11从紧固件孔72移除。该过程继续到步骤63，将空白板放置在子结构73上。空白板被临时连接器件诸如带子、夹子、粘结剂或者其他适当的可释放器件固紧就位。一旦空白板在子结构73上固紧就位，则紧固件的定位和取向将被激光束39a、39b和39c瞄准。然后，根据步骤65，取决于制成空白板的材料，被瞄准的位置由一个更适合的标记器件标记。空白板上的标记可以由表面标记、机械标记、化学蚀刻、或者任何其他适当的标记方法形成。如步骤67所述，对于所有必需的紧固件孔位置重复步骤53至65。在优选的实施例中，几个参考紧固件孔定位、标记和形成在空白板内，使得空白板可以实际紧固到子结构上，同时保持紧固件孔被瞄准和被标记。

一旦一个或者多个紧固件孔被适当标记后，该过程行进到步骤69，其中空白板被移除且紧固件孔被精确钻孔、冲孔或者以其他方式形成在空白板上。该过程进行到步骤70结束，其中在其上形成全部的适当紧固件孔的空白板利用最终紧固件安装到子结构73上。因此，本发明的过程允许紧固件孔被定位、对准以及形成在空白的可移除和可互换的板上，同时保持该板的垂直度以及精密公差。

现在参照附图中的图5A-5C，示出了对准工具11的各种替代实施例。在这些实施例中，适配器构件111安装到对准工具11的连接器件36上，用来促使对准工具11应用在不同类型的紧固件场合。在图5A所示的实施例中，适配器构件111包括插入柱113，其通过小孔插入子结构115内。插入柱113被外加螺母(captive nut)117保持。在图5B所示的实施例中，插入柱113包括外螺纹，其被连接到子结构115的螺纹螺母板119配合接收。在图5C所示的实施例中，插入柱113包括内螺纹，其配合接收延伸穿过子结构115的柱螺栓(stud bolt)121的外螺纹。在图5A-5C所示的全部实施例中，对准工具111包括传感器123，用于促使激光束的精确对准。应当理解，适配器构件111可以采用各种形状、尺寸和配置。

现在参照附图中的图6A和6B，示出了根据本发明的对准工具的额外的替代实施例。在图6A所示的实施例中，3个独立的对准工具211、213和215沿着3个正交轴X、Y和Z耦合在一起。对准工具211、213和215允许使用3个激光设备来正确而精确地对准和标记必要的紧固件孔的位置。采用带有额外激光设备的额外的对准工具213和215增加了系统的冗余度并且提供了可指示主激光设备在对准过程中是否被不小心移动了的手段。图6B中的实施例类似于图6A中的实施例，只是增加了至少一个调节机构217。调节机构217优选地是对对准工具211、213和/或215的取向进行非常细微调节的器件。调节机构217可以是机械、电子或者磁性控制的，或者可以通过任何适当的控制器件控制。

现在参照附图中的图7，图示了本发明的方法和装置的替代实施例。在该实施例中，激光设备311利用上述方法和对准工具正确而精确地定位。如前述实施例那样，激光设备311利用各种对准工具11精确定位。然后，对准工具11被移除，空白板317定位在子结构319上并且保持就位，使得来自激光设备311的激光束313瞄准空白板317上的位置315。一旦位置315被瞄准，则钻机321或者其他用于在空白板317上形成紧固件孔的适当设备被对准，用来在空白板317上在被瞄准的位置315处钻出紧固件孔。钻机321优选地包括对准器件323，其接收激光束313并且保证钻机321在钻孔或者形成过程中保持正确对准。应当理解，激光束313可以穿过钻机321的内部，或者可以围绕钻机321的外部重新定向。该实施例不需要移除空白板317来钻出每个紧固件孔。

本发明可以以任何公差用于多部件组装的任何场合中的对准或者定位。另外，应当理解，本发明可以由自动的或者机器人系统执行。例如，所有的紧固件孔可以通过激光设备对准并且激光设备的位置可被精确记录，使得在对准工具移除并且空白板安装上以后，激光设备可以自动地并且精确地重新定位。

显然，带有显著优势的发明已经被说明和图示。虽然本发明以有限数目的形式示出，但是其不限于这些形式，而是在不背离其精神的条件下，可以进行各种变化和改动。

Claims (18)

1.一种定位和对准紧固件孔的方法，该方法包括步骤：

提供具有连接器件和至少一个对准小孔的对准工具；

利用连接器件将对准工具连接到第一结构内的紧固件孔中；

提供激光瞄准设备；

定位激光瞄准设备，使得由激光瞄准设备发出的激光束在选定的公差内投射穿过对准小孔；

从紧固件孔中移除对准工具；

在第一结构上放置第二结构，使得激光束瞄准第二结构上的紧固件孔的位置，该位置与第一结构内的紧固件孔对准；

在第二结构上标记瞄准位置；和

在第二结构上形成相应于瞄准位置的紧固件孔。

2.如权利要求1所述的方法，其中对准工具包括：

细长的中空轴；

位于轴一端的第一对准小孔；和

位于轴相反端的第二对准小孔。

3.如权利要求2所述的方法，其中第一对准小孔定位于安装在中空轴一端的第一插入件内；和

其中第二对准小孔定位于安装在中空轴另一端的第二插入件内。

4.如权利要求1所述的方法，其中连接器件是外螺纹，所述外螺纹与设置在第一结构的紧固件孔内的内螺纹配合。

5.如权利要求1所述的方法，进一步包括步骤：

提供额外的激光瞄准设备；和

定位额外的激光瞄准设备，使得由额外的激光瞄准设备产生的激光束在选定的公差内定位在对准工具上的选定目标上。

6.如权利要求1所述的方法，进一步包括步骤：

提供用于适配对准工具的适配器构件，用来连接到第一结构内的选定紧固件孔配置；和

将适配器构件连接到对准工具。

7.如权利要求6所述的方法，进一步包括步骤：

在适配器构件上提供传感器，用于将激光束的位置精确定位在适配器构件上。

8.如权利要求1所述的方法，其中对准工具包括：

第一细长中空轴，其具有位于一端的第一对准小孔和位于相对端的第二对准小孔；和

至少一个其他的细长中空轴，其具有位于一端的第一对准小孔和位于相对端的第二对准小孔；

其中第二细长轴以选定的角度耦合到第一细长轴。

9.如权利要求8所述的方法，其中对准工具进一步包括：

至少一个调节器件，用于调节第二细长轴相对于第一细长轴的角度。

10.如权利要求1所述的方法，其中在第二结构内形成紧固件孔的步骤包括以下步骤：

提供形成紧固件孔的工具；和

利用激光束引导该工具形成紧固件孔。

11.一种相对于第二结构定位和对准第一结构的方法，该方法包括步骤：

提供具有至少一个对准小孔的对准工具；

将对准工具连接到第一结构；

提供激光瞄准设备；

定位激光瞄准设备，使得由激光瞄准设备产生的激光束在选定的公差内投射穿过对准小孔；

从第一结构移除对准工具；和

在第一结构上放置第二结构，使得激光束与第二结构上的目标对准。

12.一种对准工具，包括：

细长的中空轴；

位于该轴一端的第一对准小孔；

位于该轴相对端的第二对准小孔；

用于对准第一和第二对准小孔的激光设备。

13.如权利要求12所述的对准工具，其中第一对准小孔位于安装在中空轴一端的第一插入件内；和

其中第二对准小孔位于安装在中空轴另一端的第二插入件内。

14.如权利要求12所述的对准工具，进一步包括：

设置在细长的中空轴一端的连接器件，该连接器件配置成与子结构上的紧固件孔配合。

15.如权利要求12所述的对准工具，进一步包括：

用于适配对准工具的适配器构件，用来连接到选定的紧固件孔配置。

16.如权利要求15所述的对准工具，进一步包括：

设置在适配器构件上的传感器，用于精确定位来自激光设备的激光束的位置。

17.如权利要求12所述的对准工具，进一步包括：

至少一个其他的细长中空轴，其具有位于一端的第一对准小孔和位于相对端的第二对准小孔；

其中第二细长轴以选定的角度耦合到第一细长轴。

18.如权利要求17所述的对准工具，进一步包括：

至少一个调节器件，用于调节第二细长轴相对于第一细长轴的角度。

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