CN101983157B - 制造大部件的方法和系统 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了制造复合结构的方法和系统。该方法(400，500，600)包括：接收表示结构部分表面(312)的数据；测量结构表面；测量的表面相应于接收的表面，其中测量是以弯曲条件下的结构执行的；以及确定第一和第二方向上在测量的表面和在相应于测量的表面的区域处接收的表面之间的差。该方法也包括确定第三方向上的差；传递第一和第二以及第三方向上所确定的差的变形算法；以及，确定在弯曲条件下的表面上对应于在结构设置在标称条件中时接收表面上相应点的点在第一、第二和第三方向上的位置。

Description

制造大部件的方法和系统
技术领域
本公开的实施例一般涉及制造大部件的方法和系统，更具体地涉及形成紧公差的复合结构的方法和系统。
背景技术
组装复合材料大结构的制造技术使用笨重工具(massivetooling)来提供稳定的平台从而形成结构。决定性装配(DA)孔或其他标记特征被用来相对参考点固定结构位置。DA孔允许准确地确定结构表面上任意点的位置。在初始成形工艺后，对结构实现进一步制造工艺时，可能需要这样的准确定位。这里进一步工艺可包括在预定位置处的切割开口(cutting aperture)或将某些特征铣削到结构表面内。然而，笨重的工具可能在结构中引入一定量的下垂(sag)，在工具拆卸且结构自支撑时这些下垂将从结构上移除。例如，飞机机身(fuselage)筒体(barrel)可由缠绕工具的复合材料形成。工具可能足够笨重从而在工具任一端处的旋转点之间下垂。随着结构形成，结构可能由于工具而下垂。在形成的筒体从工具上移去之前，通常窗口，和门开口以及连接固定件(fixture)在筒体中被切割。如果在下垂状态的筒体中切割开口，则在工具移去且筒体顺应其标称或未弯曲形状时，开口将错位(mispositioned)。
因此需要提供准确设置开口和固定件到可在制造过程中弯曲的制造部件上的方法和系统。
发明内容
在一个实施例中，计算机执行的制造复合结构的方法包括接收表示在标称条件下结构模型表面的至少一部分的数据；在沿表面的多个区域处测量结构表面的至少一部分，被测量的部分对应于模型的模型表面的一部分，其中所述测量是以弯曲条件下的结构执行的；确定在第一方向和第二方向上在多个区域中每个区域处结构表面的测量部分和模型中对应于测量区域的区域处的模型表面部分之间相对于测量过程中可观察的一个或更多固定点的差；以及确定在第三方向上在多个点中每个点处结构表面的测量部分和模型中对应于测量点的点处模型表面部分之间的差。该方法将第一、第二和第三方向上所确定的差传递到变形算法；确定在弯曲条件下的结构上对应于结构设置在标称条件下时结构上相应点的点在第一、第二和第三方向上的位置；并输出所确定的位置。
在又一个实施例中，补偿实际建造(as-built)形状相对于部件标称构型之间部件变化的系统，其中标称构型是用部件模型预确定的，其中系统：包括在计算机可读介质上实施的数据库，所述数据库包括关于部件标称构型的三个维度的形状数据；被配置成勘测部件的实际建造构型的无接触度量系统，勘测包括相应于至少部分数据的相对于部件标称构型的三个维度的形状的测量点；以及被配置成从所述数据库接收数据且从所述度量系统接收实际建造构型的至少一部分的处理器。处理器进一步被配置成使用从所述数据库接收的三个维度的形状数据来定义多个标称平面块(plane patches)，定位勘测数据中对应于三个维度的形状数据的点，确定在两个维度上多个标称平面块中至少一个和相应的测量点之间的位置误差，使用两个维度上的位置误差来确定在第三维度上的位置误差，并输出三个维度上的位置误差。
在另一个实施例中，计算机执行的引导自动工具的方法包括接收表示标称条件中部件形状的数据，用无接触度量测量实际建造构型中部件表面的至少一部分，并确定部件表面的测量部分和部件在标称条件下的代表形状的相应表面之间的三个维度上的位置差。该方法进一步包括：将每部分的三个维度上所确定的位置差传递到变形算法；确定第一、第二和第三方向上弯曲条件下结构上点的位置，该点相应于结构设置在标称条件时结构上的相应点；以及输出所确定的位置。
附图说明
图1是可用这里所述方法制造的示例性工件的侧透视图；
图2是图1中所示工件在标称条件下的侧透视图；
图3A是包括要测量特征的工件的一部分的侧视图；
图3B是图3A中所示特征的端视图；
图4是为从标称条件弯曲的工件确定位置校正的示例性方法的流程图；
图5是为从标称条件弯曲的工件确定位置校正的示例性方法的流程图；
图6是为从标称条件弯曲的工件确定位置校正的另一个示例性方法的流程图；
图7A是示例性工件特征的端视图，其示出确定每个表面块区段(section)处表面偏移的方法；
图7B是图7A中所示工件特征的端视图，其示出从表面偏移确定Y和Z误差的方法；以及
图8是制造对准系统(FAS)的简化方框图，其包括服务器系统和多个客户端子系统。
具体实施方式
下面的详细说明书通过例子而非限制的方式示出本公开。说明书显然可使本领域技术人员能够制作并使用本公开，且描述了几个实施例、适应性调整、变型、替代物和本公开的用法，其包括当前被认为是执行本公开的最佳模式。本公开是针对应用到优选实施例进行说明的，也就是形成飞机机身筒体的过程。然而，可以想到本公开具有用于制造主要部件和组件的一般应用，其中要求遵守规定的尺寸公差集合，特别是部件和/或制造工具重量产生与制造公差的偏移时。
图1是可用这里所述的方法制造的示例性工件100的侧透视图。在示例性实施例中，工件100安装在笨重工具102上。在制造过程中工具102被支撑在第一端104和第二端106并可绕纵向轴线108旋转。通过绕轴线108旋转工具102并以例如缕、绳或网的形式绕旋转工具102缠绕复合材料而形成工件100。在可替换实施例中，通过保持工具102静止并通过周向地绕工具102外周横于卷绕组件(windingassembly)而绕工具102缠绕复合材料从而制造工件100。然而，因为工具102是笨重的并在端部104和106被支撑，所以工具102和工件100倾向于在两端104和106之间下垂。图1中所示下垂被夸大，这是为了解释的目的。在制造过程的切割部分期间，可贯通工件100切割形成开口和/或孔。在示例性实施例中，工件100是飞行器机身筒体，在制造过程完成时，该筒体包括窗口开口110、门开口(未示出)和/或安装孔(未示出)。
通常，飞行器机身中的窗口开口110被切割成使得窗口切口110的边缘沿机身表面上基本平行于机身纵向轴线的线对准。如果窗口切口110被切割且同时工件100由于下垂而处于弯曲条件，则当工件100处于标称或未弯曲条件时，窗口切口110将不再沿与纵向轴线108平行的线对准。
决定性装配(DA)孔112是固定在工具102上的特征并在测量过程中可被察看，其中测量过程中工件100被测量从而确定工件100上可选择的预定点相对DA孔112的位置。可用无接触度量系统如光学度量系统114来测量工件100。例如，多个光点可被投射到工件100上，且然后可用摄影测量技术来测量工件100的表面。与工件100的表面关联的特征也可用来相对DA孔112或者为测量工件100提供参考的其他部件或特征来测量工件100的表面。也可使用其他表面测量技术，例如但不限于超声、激光和射频。在示例性实施例中，工件100的表面的多个部分被测量，然而在其他实施例中，可测量工件100的整个表面。
图2是工件100(图1中示出)在标称条件下的侧透视图。在图2所示的实施例中，切口110没有沿工件100表面上与纵向轴线108平行的线对准。而是随着笨重工具102被移去，工件100返回到标称条件，其中工件100支撑其自身重量并基本不处于弯曲条件中。窗口切口110的边缘与工件100上不平行于纵向轴线108的弓形线202对齐。为了避免这类未对准，这里说明了当处于弯曲或下垂条件下在工件100上定位与标称条件下工件100的预定模型上的位置对应的位置的方法。
图3A是工件100包括要测量特征302的一部分的侧视图。图3B是特征300(图3A中示出)的端视图。在示例性实施例中，特征302包括沿工件100在第一端304和第二端306之间延伸的非恒定尺寸的桁条(stringer)槽(trough)。槽302包括第一侧壁308和在工件100的表面312与槽302的底部314之间延伸的第二侧壁310。表面312的可选部分或块和/或槽302可被标记以便用光或表面物理标记如特征边缘来测量。例如，平台切口(station cut)316和侧壁308或310可以界定要测量的块318。此外，可由光投影来划定块318的边界边缘从而界定块318。
图4是为从标称条件弯曲的工件确定位置校正的示例性方法400的流程图。在示例性实施例中，方法400生成被测量表面与其比较的标称表面。方法400包括定义402在要测量区域的第一方向上的边界和定义404在要测量区域(例如平台切口)的第二方向上的边界。通过从第一方向上的边界和第二方向上的边界交叉而定义的四个点来建立406标称平面块，其中平面块被定义为表面块。标称表面块被传递408到任务模板文件。在弯曲条件下测量410结构，并存储测量结果。
图5是为从标称条件弯曲的工件确定位置校正的示例性方法500的流程图。在示例性的基于块-块的实施例中，方法500包括从对应于每个标称表面块的被测量的数据提取502点。分析504每个表面块的公共点。每个相对表面块的标准偏移与预定阈值作比较506。报告508超过预定阈值的偏移。输出510相对于每个平台切口处的每个表面块的平均偏移。结合512在x的预测量水平状态误差和测量的下垂状态误差。确定514特征与相对轴线的角度从而计算弦，z误差。如果不在轴线平面上，则为y轴线确定516特征和相对轴线的角度从而计算弦，z误差。将x误差确定518为y误差的百分数。然后将确定的误差输出520到使用/制造系统内以用于变形或位置校正。
图6是为从标称条件弯曲的工件确定位置校正的另一个示例性方法600的流程图。在示例性的基于点-块的实施例中，方法600包括从测量数据生成602表面块，如多边形块。块边界交叉点被提取603。使用xy平面投影将点投影604到块。x和y方向上的偏移被确定606。结合608在X位置的预测状态误差和在X及Y处的测量下垂状态误差。使用所确定的X和Y误差来确定610Z误差。然后所确定的误差被输出612到使用/制造系统内以用于变形或位置校正。
图7A是示例性工件特征700的端视图，其示出确定每个表面块区段处的表面偏移的方法。图7B是工件特征700(图7A示出)的端视图，其示出从表面偏移确定Y和Z误差的方法。在示例性实施例中，工件特征700是沿工件704(如飞行器的机身筒体)的表面702延伸的桁条通道。工件704点的水平状态的测量点云706在图中绘出。水平状态点是在水平状态如在工件704的中段被支撑时测量的。工件704点的下垂状态的测量点云706在图中绘出。下垂状态点是在下垂状态如工件704的中段没有支撑时测量的。确定点云706中的点和工件704的标称表面710之间的差以及点云708中的点和标称表面710之间的差。在示例性实施例中，平均而言，点云706中的点与标称表面710的偏移为+0.006，而点云708中的点与标称表面710的偏移为-0.017。因此，总平面偏移712为0.023。
在示例性计算中，通过将已知的总平面偏移用作已知的支腿(leg)来形成三角形。已知角是特征角的补角。在示例性实施例中，角714近似为49.74度。在示例性实施例中，Y误差等于Y-平面误差，即0.002。使用总平面偏移712除以角度714的正弦来确定Z误差。在示例性实施例中，该Z误差等于0.023/sin(49.74°)或0.0301。X误差被确定为Y平面移动的百分数。在示例性实施例中，工件704在水平状态和下垂状态之间沿纵向轴线(x方向)的移动可忽略。使用上述误差计算，三个维度上的误差值被输出到变形算法从而确定下垂状态中弯曲工件中的切割位置，从而产生工件处于不弯曲或标称状态时例如但不限于窗户、门和连接固定件的适当安置。
图8是制造对准系统(FAS)800的简化方框图，其包括服务器系统812，和连接到服务器系统812的多个客户端子系统，也称为客户端系统814。如上所述，计算机化模型和测量工具存储在服务器812中，并可由请求者在任一计算机814访问。在一个实施例中，客户端系统814是包括网络浏览器的计算机，以便服务器系统812可用因特网接入客户端系统814。客户端系统814通过许多接口被互连到因特网，所述接口包括如局域网(LAN)或广域网(WAN)的网络、拨号连接、缆线调制解调器和专用高速ISDN线路。客户端系统814可以是能够互连到因特网的任何设备，包括基于网络的电话、个人数字助理(PDA)或其他基于网络的可连接设备。数据库服务器816被连接到包含多种事物信息的数据库820，如上所述。在一个实施例中，集中式数据库820被存储在服务器系统812上并可由在一个客户端系统814处的潜在用户经由一个客户端系统814登陆到服务器系统812进行访问。在可替换实施例中，服务器系统812远程存储数据库820并且数据库820可以是非集中式的。
上述形成复合结构元件并因而形成复合结构的方法是有着成本效率且高度可靠的。该方法和结构包括用笨重工具形成的复合材料，该笨重工具会导致在成形过程的结构从其标称条件偏移。这样的偏移被测量，且偏移状态和标称状态之间的偏移量是在三个维度上确定的。误差被输入到变形算法，该变形算法将切割工具定位到在移去工具且结构返回到其标称状态后对于窗口和门都是正确的位置。因此，该方法和结构有助于以具成本效率且可靠的方式使结构元件的开口和连接元件处于正确位置。
虽然本公开的实施例是根据不同特定实施例说明的，但本领域技术人员将认识到本公开的实施例可以在权利要求的精神和范畴内的修改实施。

Claims (7)

1.一种补偿部件的实际建造形状相对于所述部件的标称构型之间的变化的系统(800)，其中使用所述部件的模型来预确定所述标称构型，所述系统包括：
被包括在计算机可读介质上的数据库(820)，所述数据库包括关于所述部件的标称构型的三个维度的形状数据；
无接触度量系统(114)，其被配置成勘测所述部件的实际建造构型，该勘测包括对应于关于所述部件的标称构型的三个维度的形状数据的至少一部分的测量点；以及
被配置成从所述数据库接收数据且从所述度量系统接收所述实际建造构型的至少一部分的处理器，然后；
使用从所述数据库接收的三个维度的形状数据来定义多个标称平面块(318)；
定位勘测数据中对应于所述三个维度的形状数据的点；
确定在两个维度上所述多个标称平面块中的至少一个和相应测量点之间的位置误差；
使用两个维度上的所述位置误差来确定第三个维度上的位置误差；以及
输出三个维度上的位置误差。
2.根据权利要求1所述的系统(800)，其中所述部件包括飞行器机身筒体，而所述数据库(820)包括定义窗口和门中的至少一者的轮廓的数据，其中窗户和门中的所述至少一者的所述轮廓是非平面的。
3.根据权利要求2所述的系统(800)，其中所述轮廓包括至少一个展开曲线。
4.根据权利要求1所述的系统(800)，其中所述处理器被配置成使用三个维度上的所述位置误差来执行变形算法从而生成用于进一步制造的尺寸指令。
5.根据权利要求4所述的系统(800)，其中所述处理器被配置成为动力机械工具生成尺寸指令，所述动力机械工具被配置成选择性地移去所述部件的多个部分以便该部件基本符合存储在所述数据库(820)中的所述部件的所述标称构型。
6.根据权利要求1所述的系统(800)，其中所述无接触度量系统是光学度量系统(114)。
7.根据权利要求1所述的系统(800)，其中所述处理器进一步被配置成使用多边形网来定义多个标称平面块(318)。
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