CN107364565A - 使用预测填隙优化部件之间对准的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开使用预测填隙优化部件之间对准的方法。根据一个实施例，该过程使用从配合表面和关键特征获取的测量数据，以使得优化部件的最终定向并且确定在装配期间实现该定向所需的垫片的几何形状的方式来虚拟地对准两个部件。

Description

使用预测填隙优化部件之间对准的方法
技术领域
本公开一般涉及将一个部件相对于另一部件定位和填隙(shimming)，所述部件诸如为飞行器或船舶构造和装配的部件。
背景技术
确定装配(DA)是一种使用配合物理特征对准部件的方法。通常，使用被放置在每个部件或结构上的协调孔来利用该能力安装临时紧固件以将部件固定在一起。确定装配的部件有时需要以在规定公差内的精度接合在一起。
在飞行器部件装配期间，可需要将部件彼此固定，使得两个部件之间的任何间隙被通常称为“垫片”的填充材料占据。通常，这通过临时安装部件并检查以查看是否存在任何间隙来完成。当间隙超过规定公差时，可以将垫片或类似的填充物插入间隙中，以确保部件之间的公差内配合。垫片能够用于填充在装配过程期间发现的空隙。空隙通常通过在装配期间部件的不对准或通过被装配的部件的制造的变化而形成。虽然大多数在制造过程中根据需要使用，但是一些垫片作为制造过程的一部分在中图纸上调出。垫片在整个航空航天工业中用于补偿由于各种装配部件的复杂的空气动力形状引起的部件变化。
手动填隙要求安装和测量部件、制造和安装填充物，以及检查间隙。测量间隙是耗时的过程并且在部件安装后制造填充物需要附加的生产流程。在近几年，发展了一种被称为预测填隙的过程来减少与填隙活动相关联的制造时间和成本。预测填隙通常涉及在装配之前测量部件的配合表面、执行部件的虚拟装配、估计部件之间产生的间隙，以及然后在装配之前制造填充物。填充物(以下称为“垫片”)被设计成填充配合部件之间的间隙。
尽管过去的预测填隙努力已经使用测量数据用于虚拟装配，但是这些过程仅使用来自配合特征的测量，包括用于附接部件的孔或表面，并且仅仅最小化部件之间的间隙。先前的预测填隙过程使用配合表面的测量数据来填充间隙。这些过程没有集中于优化部件的最终定向，而是仅仅寻求填充两个部件之间的间隙。更具体地，先前的预测填隙努力没有考虑两个部件的关键特征。关键特征是由在部件装配完成后必须被满足的工程要求规定的定向和测量。
需要一种将一个部件相对于另一部件定位和填隙的方法，其能够考虑该一个部件的关键特征。
发明内容
本文公开的主题涉及使用预测填隙优化部件之间对准的方法。根据一个实施例，过程使用从配合表面和关键特征获取的测量数据，以优化部件的最终定向并且确定在装配期间实现该定向所需的垫片的几何形状的方式来虚拟地对准两个部件。
该过程使得能够在装配之前制造在装配期间优化部件定向的垫片。通过在装配之前制造垫片，该过程减小生产流程并且能够减小关键路径流。通过使用测量数据来虚拟对准部件，能够确定优化最终部件定向所需的填充物几何形状。例如，考虑将用作具有固定到壁的一个表面的搁板的L形支架的示例。如果L形支架的两个表面不是垂直的，结果将是相对于水平面向上或向下倾斜的搁板。使用本文公开的过程，将测量L形支架，以确保搁板表面将是水平的(即，水平位置的)方式相对于壁虚拟地定位支架，然后计算位于虚拟定位的支架和壁之间的虚拟间隙的尺寸，以确定所需的填充物几何形状从而确保最终装配中的搁板表面在规定水平公差内。
下面详细描述的方法使用关键特征的测量来执行虚拟部件对准，并且然后确定需要的填充物几何形状来填充装配的部件之间的间隙以及还确保部件适当地对准两者。这使得减小构建过程中的变化、消除不一致以及减少生产流的制造垫片的方法成为可能。
本文公开的过程是与使用一套计量和三维(3-D)CAD工具的预测填隙方法耦合的计量导向的DA孔放置方法。根据一个实施方案，该方法能够用于将结构组件填隙到飞行器的蒙皮。该方法将适用于精确地填隙飞行器或船舶上的许多不同类型的结构组件。通过考虑在工程模型中具有规定位置的结构组件的至少一个关键特征，通过根据工程要求将结构组件虚拟拟合到蒙皮来实现预测填隙。然后，使用分别安装到结构组件和蒙皮的配合表面的第一虚拟表面和第二虚拟表面之间的间隙大小的变化来制定填隙模型。
本文公开的主题的一个方面是用于制造适用于第一部件和第二部件之间的垫片的方法，其包括：(a)测量第一部件的第一配合表面、关键特征和配合特征，以在测量系统的参考系中获得第一测量数据；(b)测量第二部件的第二配合表面和配合特征，以在测量系统的参考系中获得第二测量数据；(c) 将第一测量数据对准第一工程位置数据，第一工程位置数据表示第一部件在工程模型的参考系中的规定位置，优先考虑关键特征与其相关联的工程位置的虚拟对准；(d)将第二测量数据对准第二工程位置数据，第二工程位置数据表示第二部件在工程模型的参考系中的规定位置；(e)将第一虚拟表面拟合到对应于第一部件的第一配合表面的第一对准测量数据的测量数据集；(f) 将第二虚拟表面拟合到对应于第二配合表面的第二对准测量数据的测量数据集；(g)估计第一虚拟表面和第二虚拟表面之间的间隙以获得估计间隙；以及(h)制造具有根据该估计间隙而变化的厚度的垫片。根据一个实施例，步骤(c)包括使用加权拟合算法将第一测量数据与第一工程位置数据对准，加权拟合算法包括优先考虑关键特征与其相关联的工程位置的对准的加权。
在先前段落中描述的方法可进一步包括使用估计间隙形成垫片模型，其中步骤(h)包括根据垫片模型制造垫片。根据一些实施例，垫片具有平坦表面和非平坦表面，垫片的平坦表面和非平坦表面之间的距离等于厚度。
根据一些实施例，关键特征是第一部件的表面。然而，本文公开的概念在其应用中不限于关键特征是表面的情况。例如，根据可替代实施例，关键特征可以是凸出物或孔。在一些实施方案中，第一部件是飞行器的结构组件 (例如，纵梁或支柱配件)并且第二部件是飞行器的蒙皮(例如，机身或机翼蒙皮)。
本文所公开的主题的另一方面是用于将结构组件附接到飞行器蒙皮的方法，其包括：(a)使用测量系统测量飞行器的结构组件的第一配合表面、关键特征和配合特征，以在测量系统的参考系中获得第一测量数据；(b)使用相同或不同测量系统来测量飞行器蒙皮的第二配合表面和配合特征，以在相同或不同的测量系统的参考系中获得第二测量数据；(c)将第一测量数据对准表示结构组件在工程模型的参考系中的规定位置的第一工程位置数据，优先考虑关键特征与其相关联的工程位置的虚拟对准；(d)将第二测量数据与表示蒙皮在工程模型的参考系中的规定位置的第二工程位置数据对准；(e) 将第一虚拟表面拟合到对应于第一配合表面的第一对准测量数据的测量数据集；(f)将第二虚拟表面拟合到对应于第二配合表面的第二对准测量数据的测量数据集；(g)估计第一虚拟表面和第二虚拟表面之间的间隙以获得估计间隙；(h)制造具有根据估计间隙而变化的厚度的垫片；以及(i)将飞行器的结构组件和蒙皮与二者之间的垫片装配。
本文所公开的主题的又一方面是用于制造适用于第一部件和第二部件之间的垫片的方法，其包括：(a)测量第一部件的第一部分的表面的位置、第一部件的第二部分的表面的位置和第一部件中的孔的位置，以在测量系统的参考系中获得第一测量数据；(b)测量第二部件的表面的位置和第二部件中的孔的位置，以在测量系统的参考系中获得第二测量数据；(c)将第一测量数据对准表示第一部件在工程模型的参考系中的规定位置的第一工程位置数据，优先考虑第一部件的第二部分的表面与其相关联的工程位置的虚拟对准；(d)将第二测量数据对准表示第二部件在工程模型的参考系中的规定位置的第二工程位置数据；(e)将第一虚拟表面拟合到对应于第一部件的第一部分的表面的第一对准的测量数据的测量数据集；(f)将第二虚拟表面拟合到对应于第二部件的表面的第二对准的测量数据的测量数据集；(g)估计第一虚拟表面和第二虚拟表面之间的间隙以获得估计间隙；以及(h)制造具有根据估计间隙而变化的厚度的垫片。
使用考虑待装配的部件的一个或多个关键特征的预测填隙来制造垫片的方法的其他方面在下面详细公开。
附图说明
图1是表示附接到飞行器的机身蒙皮的纵梁的等距视图的图示，其中端部配件附接到纵梁的一个端部。
图2是表示图1中描绘的纵梁的等距视图的图示。
图3是表示图1中描绘的端部配件的等距视图的图示。
图4是表示飞行器机身蒙皮的一部分的截面图的图示。
图5是表示纵梁和附接到纵梁的端部配件的截面图的图示，该截面沿着大体上垂直于纵梁的轴线的平面截取。
图6是表示包括图4中描绘的机身蒙皮的部分、图5中描绘的纵梁和端部配件以及根据本文公开的方法制造的垫片的组合件的截面图的图示，垫片被安装在蒙皮和纵梁的凸缘之间。
图7是识别用于根据一个实施例制造垫片的方法的步骤的流程图。
图8是示出用于基于由计量系统从待填隙的部件收集的表面数据生成垫片模型的系统的架构的方块图。
图9是识别用于使用摄影测量来确定部件中的确定装配孔的位置的方法的步骤的流程图。
图10A和图10B是示出设置在确定装配孔上方(图10A)和安装在确定装配孔内部(图10B)的矢量目标的示意图。穿过矢量目标的虚线表示所测量的孔矢量。
图11是识别用于使用摄影测量来制定垫片模型从而在纵梁和机身蒙皮之间安装垫片的方法的步骤的流程图。
图12是飞行器生产和维修方法的流程图。
图13是示出飞行器系统的方块图。
在下文中将参考附图，其中不同附图中的类似元件具有相同的附图标记。
具体实施方式
现在将参考具体实施例描述填隙过程。根据本文公开的实施例，此填隙过程用来定位以及填隙在飞行器蒙皮上的结构组件。虽然本文公开的实施例的主要用途在于飞行器构造和装配领域，但是本文的教导适用于其他类型的构造和装配，包括例如造船、汽车制造、建筑物构造等。
本文公开的预测填隙过程使用配合表面的测量、配合特征(诸如用来附接部件的孔或凸出物)的测量以及关键特征的测量来确保一旦部件已经与它们之间的垫片装配，关键特征被正确地定向。对于这种方法，可以使用厚垫片来优化部件的最终对准是可接受的。
根据下面详细公开的一个实施例，根据工程要求使用预测填隙相对于飞行器的机身蒙皮虚拟定位纵梁的关键特征。当虚拟装配中关键特征相对于机身蒙皮合适地定位时，在许多情况下纵梁和机身蒙皮的配合表面将被虚拟间隙分隔。使用该虚拟间隙来制定垫片模型。然后垫片根据垫片模型来制造并且在装配期间安装在纵梁和机身蒙皮之间。
图1示出附接到飞行器的机身部分的机身蒙皮2(机身蒙皮2只有一部分在图1中示出)的纵梁20的等距视图。如图2最佳所示，纵梁20包括纵梁凸缘22、纵梁腹板24和纵梁唇部26。在一些实施方案中，纵梁腹板24可垂直于纵梁凸缘22。
在该示例中，纵梁凸缘22具有四个孔46用于使用插入机身蒙皮2中对应的孔中的紧固件(图1中未示出)附接纵梁凸缘22。类似地，纵梁腹板24 的一个端部具有四个孔44用于在图1示出的位置附接端部配件30。
如图3最佳所示，端部配件30包括配件帽32，其具有壁33，壁33具有多个孔40，用于接收各自的紧固件以将飞行器的另一个结构组件附接到端部配件30。端部配件30进一步包括从配件帽32的壁33水平延伸的配件腹板 34。配件腹板34具有多个孔42，用于在将端部配件30附接到纵梁腹板24期间接收各自的紧固件。工程要求规定，配件腹板34中的孔42分别与纵梁腹板24中的孔44对准。端部配件30通过三角形配件角36的存在而被加强，三角形配件角36具有焊接到配件帽32的一侧和焊接到配件腹板34的一个边缘的另一侧，而配件腹板34的另一边缘焊接到配件唇部38或与其一体地形成。
在图1所示的装配中，端部配件30通过配件腹板34由纵梁20的纵梁腹板24支撑，配件腹板34通过紧固件(图1中未示出)紧固到纵梁腹板24。配件腹板34从配件帽32延伸并且坐落在纵梁20的纵梁腹板24的顶部上。在一些实施方案中，可需要纵梁腹板24的顶部表面水平地设置在指定的高度，或者具有相对于飞行器参考系的一些其他规定位置和定向。如果纵梁腹板24 超出公差安装，则端部配件30可能在最终装配中未对准(即，不根据工程要求定向)。下面详细公开的预测填隙过程解决了这个问题。
为了说明该问题，图4是表示飞行器的机身蒙皮2的一部分的截面图的图示，而图5是表示附接到纵梁20的纵梁腹板24的(端部配件30的)配件腹板34的截面图的图示。在图5描绘的示例性情况中，虚线水平线表示根据一个工程模型的规格的纵梁腹板24的底部表面的目标高度和角位置，而纵梁腹板24示出为处于未对准状态，即，纵梁腹板24的底部表面的角位置如可由工程要求所规定的偏离0度(水平的)。
在装配状态下，纵梁腹板24的未对准可能是由于机身区段的轮廓的变化和波动或者纵梁的制造的变化。图6是表示组合件的截面图的图示，该组合件包括图4所描绘的机身蒙皮2的部分、图5所描绘的纵梁腹板24和配件腹板34，以及根据本文公开的方法制造的垫片4，垫片4的尺寸和形状设置成以使得纵梁腹板24与水平面(或其他规定平面)的角偏差最小化的方式拟合在机身蒙皮2和纵梁凸缘22之间。本文所公开的预测填隙的方法设计成确保端部配件30在附接到纵梁腹板24时将在飞行器参考系中的规定角位置处定向。
根据一个实施例，预测填隙过程使用从蒙皮2和纵梁20二者获得的3-D 测量数据。利用两个数据集，创建填充物几何形状以优化纵梁定向。为了预测填隙过程的这种特定应用的目的，纵梁腹板24是这些部件的组合件的关键特征。重要的是，在创建垫片4之前确保纵梁腹板24虚拟地对准其工程位置。为了确保部件对准被优化，可采用预测填隙过程。该预测填隙过程需要测量表面和配合特征，诸如蒙皮2中的孔和凸缘22中的孔。更具体地，测量将与纵梁20配合的蒙皮2的表面、将与蒙皮2配合的纵梁凸缘22的表面，以及纵梁腹板24(其支撑端部配件30)的顶部表面。此外，使用测量探针测量纵梁凸缘22中的相应DA孔46的组和蒙皮2中的对应DA孔(未示出)的位置。然后在虚拟装配过程中使用纵梁和蒙皮测量数据集。在虚拟装配期间，相对于飞行器坐标系来优化纵梁定向，以估计在一侧上具有平坦表面的垫片4的变化厚度。此种垫片的厚度将变化，该厚度在穿过平坦表面散布的多个点处在垂直于平坦表面的方向上测量。更具体地，沿着垂直于平坦表面上的任何点的线的垫片的平坦表面和非平坦表面之间的距离将是垫片在该点处的厚度。
图7是识别用于根据一个实施例制造垫片4的方法50的步骤的流程图。对于纵梁20，测量了一个配合特征组和两个表面(步骤52)。所测量的配合特征组是将用于使纵梁20固定到蒙皮2的DA孔46的集合。第一表面是纵梁凸缘22的配合表面，即，将与蒙皮2配合的纵梁凸缘22的区域。第二表面是纵梁腹板24的顶部表面。该测量集中在端部配件30将被安装的区域上。
对于蒙皮2，测量了一个配合特征组和一个表面(步骤58)。所测量的特征组是将用于使纵梁20固定到蒙皮2的DA孔(未在附图中示出)的集合。所测量的蒙皮表面是在装配期间与纵梁凸缘22配合的蒙皮2的区域。
该预测填隙过程使用众所周知的和可商业获得的3-D测量装备来测量部件的表面和特征。使用激光扫描仪进行表面测量，并将它们存储为高密度点云。用测量探针进行配合特征(例如，孔)测量，并且将配合特征数据存储为离散点。
在获取测量数据之后，该测量数据将与规定在最终装配中的所有部件的位置的工程模型对准。将纵梁测量加载到用于将测量数据集与工程模型对准的计算机应用程序中。该计算机应用程序可被配置为将纵梁测量数据与装配的蒙皮/纵梁的工程模型对准(图7中的步骤54)。该对准过程使用加权拟合算法将测量的腹板、凸缘和孔与它们的工程位置对准。以优先考虑虚拟腹板 (例如，其顶部或底部表面)的对准并允许虚拟纵梁旋转和平移以最小化腹板对准中的误差的方式进行加权。
此外，将蒙皮测量加载到用于将测量数据集与工程模型对准的相同的计算机应用程序中。该计算机应用程序被配置为将蒙皮测量数据与装配的蒙皮/ 纵梁的工程模型对准(图7中的步骤60)，该对准使用最佳拟合算法将蒙皮2 和其DA孔对准到它们各自的工程位置。
预测填隙新增加了对准步骤54和60。通常，两个配合表面将彼此对准，以使部件之间的间隙最小化。然而，这个新过程使两组测量与工程对准，以优化最终部件对准，而不是简单地最小化两个部件之间的间隙。步骤54使用加权拟合序列来使纵梁腹板24的对准优先于其他表面或特征的对准。
未对准的测量数据是具有与期望参考系不同的参考系的任何测量数据。在纵梁的示例中，用于对准的测量数据的参考系是飞行器参考系。在与测量系统相关联的参考系内获取未对准的测量数据。当未对准的测量数据与工程模型对准时，运行加权拟合(纵梁)或最佳拟合(蒙皮)分析以确定用于从测量系统参考系转换到飞行器参考系的坐标变换矩阵。在执行了那些分析之后，使用坐标变换矩阵来转换未对准的测量数据，使得其相对于飞行器参考系对准。
仍然参考图7，对准的纵梁腹板测量数据从对准应用程序输出，并且被输入到用于将第一虚拟表面拟合到纵梁测量数据所表示的纵梁凸缘22的配合表面的应用程序中(步骤56)。同样地，对准的蒙皮测量数据从对准应用程序输出，并且被输入到用于将第二虚拟表面拟合到由蒙皮测量数据表示的蒙皮2 的配合表面的应用程序中(步骤62)。
仍然参考图7，拟合到对准测量数据的第一虚拟表面和第二虚拟表面被输入到被配置为估计第一虚拟表面和第二虚拟表面之间的间隙的尺寸的程序中 (步骤64)。该程序使用拟合的第一虚拟表面和第二虚拟表面之间的网格点来估计当装配部件时在每个网格点处的间隙将是什么。在该步骤期间创建两群矢量：一个群是从网格点到第一虚拟表面的一组矢量，并且另一个群是从网格点到第二虚拟表面的一组矢量。
在估计出间隙之后，这些估计的间隙被投影为2-D垫片轮廓(步骤66)。由于垫片的一侧是平的并且一侧被机加工，所以两个矢量群合并在一起，并且变化被推向一侧。这是通过对最负矢量应用正偏移来完成的，使得其量值是最小可允许垫片厚度。该相同的偏移被应用于所有其他矢量，产生完全为正但是保留了合并的矢量场的形状的矢量场。然后，这些矢量被映射到2-D 垫片轮廓，使得矢量在垫片的平坦侧开始并且在垫片表面处结束。如果所得到的矢量超过最大可允许垫片厚度，则可以缩放矢量以防止垫片产生不一致情况。
在间隙已经投影到垫片轮廓之后，虚拟表面被拟合到投影间隙(步骤68)。更具体地，一旦矢量被映射到2-D垫片轮廓，它们的端点被用于构造表示垫片的最终机加工表面的虚拟拟合表面。然后将拟合到投影于2-D垫片轮廓上的间隙的虚拟表面与将被制造车间使用以识别最小/最大厚度、客户、请求部门和部件号的XML元数据一起打包(步骤70)。然后将打包的垫片轮廓上传到制造队列(步骤72)。一旦垫片已经被制造，垫片被传送到工作单元，其中它与纵梁一起安装。可以对每个纵梁重复上述过程以将其填隙到飞行器机身。
图8是示出用于基于由计量系统从待填隙的部件收集的测量数据生成垫片模型的系统的架构的方块图。计量系统可包括光学的3-D坐标测量机10，其被配置为(在其自己的参考系中)测量光学反射元件在其视场中的3-D坐标，并然后存储表示扫描表面的高密度点云。根据一个实施方案，采用了摄影测量工具(例如，可从Gesellschaft für OptischeMesstechni商购的TRITOP CMM系统)。
计量系统进一步包括多个测量探针16(下面参照图10A和图10B描述)，其用于获取X、Y、Z数据，X、Y、Z数据能够用于计算在3-D坐标测量机 10的参考系中的部件中的DA孔的位置。更具体地说，3-D坐标测量机10计算每个DA孔的轴线的位置。测量的孔的轴线在本文中称为“测量孔矢量”，并且表示该轴线位置测量的数据在本文中称为“孔矢量数据”。3-D坐标测量机10基于由测量探针16提供的X、Y、Z数据产生孔矢量数据。所有感兴趣的DA孔的孔矢量数据被存储为离散点。
控制计算机12被配置为从光学3-D坐标测量机10接收点云数据以及孔矢量数据，并且还接收经由用户界面14由系统操作者输入的指令和数据。控制计算机进一步被配置(例如，编程)为执行图7中识别的所有步骤，除了测量步骤52和58。
图9是示出根据一个实施例的用于确定部件中的DA孔的中心轴线的位置的方法的步骤的流程图。将光学目标形式的测量探针(参见图10A和图10B 中的矢量目标114)插入部件6中的DA孔8中(步骤82)。然后将用于摄影测量的标尺和支撑光学目标放置在部件表面上(步骤84)。然后，计量系统操作者使用例如摄影测量摄像机捕获矢量目标114的位置(步骤86)。以众所周知的方式处理来自摄影测量拍摄的图像(步骤88)。从由图10B中的矢量目标114获取的摄影测量数据计算地提取矢量(即，由两个点的位置表征的测量的孔矢量)(步骤90)。
图10A和图10B是示出设置在部件6中的DA孔8上方(图10A)和安装在部件6中的DA孔8内部(图10B)的矢量目标114的示意图。更具体地，如图10A中最佳地示出，矢量目标114的杆将被插入孔8内部。穿过图10B 中的矢量目标114的虚线表示测量的孔矢量120，其与在矢量目标114中合并的一对光学目标116和118相交。如前所述，使用摄影测量摄像机来获取插入蒙皮2和纵梁凸缘22中的所有DA孔的矢量目标的图像。图8中的光学3-D 坐标测量机10从所获取的图像数据确定与光学目标116和118的位置对应的各个点(以下称为“点2”和“点1”)的3-D坐标。连接点1和2的虚拟空间中的线与测量的孔矢量120对应。
图11是识别用于根据一个实施例使用摄影测量来制定垫片模型从而在纵梁20和机身蒙皮2之间安装垫片4的方法的步骤的流程图。光学目标被放置在蒙皮2中的DA孔中并且然后使用光学3-D扫描仪(例如，可从Gesellschaft für Optische Messtechni商购的ATOS光学3-D扫描仪)扫描蒙皮2的配合表面(步骤122)。此外，使用放置在DA孔中的矢量目标112扫描具有与蒙皮2 中的DA孔匹配的DA孔的纵梁20(步骤124)。在扫描期间，使用类似于上文参考图10A和图10B所述的规程测量DA孔的位置。当扫描具有DA孔的部件的表面时，3-D扫描仪从插入到孔中的矢量目标112捕获离散(即，点) 值。3-D扫描仪将从矢量目标获取的对比白点识别为测量点，并且导出每个白点中心处的点值。矢量目标112为每个孔位置给出两个点，这转而用于定义孔轴线的位置和定向。
此外，3-D扫描仪使用网格点收集非常密集的点云扫描数据集。从该点云扫描数据，计算机系统12能够外推定义实际表面位置的大量点，并且提供被测量的实际表面的精确表示。市售的3-D扫描仪能够具有高达每平方英尺一千六百万点的点密度。使用这种高密度3-D扫描仪能够更好地捕获表面清晰度。
因此，当测量数据被输出到计算机系统12时，测量数据由表示扫描表面的点云扫描数据以及表示限定每个孔的轴线的点的孔矢量数据组成。密度点云精确捕获蒙皮2和每个纵梁20的全表面几何形状。每个纵梁20中的DA 孔的位置和机身蒙皮2中的DA孔的位置用来将每个测量数据集对准工程模型(步骤126)。如先前所描述，当纵梁测量数据与工程模型对准时，优先考虑纵梁腹板24的对准。
仍然参考图11，第一虚拟表面和第二虚拟表面各自拟合到用于纵梁20和机身蒙皮2的对准测量数据(步骤128)。那些虚拟表面然后用于制定用于每个纵梁的虚拟垫片表面和模型(步骤130)。此后，根据相应的垫片模型在垫片单元中制作相应的垫片4(步骤132)。最后，垫片4和纵梁20安装在机身蒙皮2上(步骤134)。
上文所述的加权拟合算法和最佳拟合算法是软件包的部分。该软件包括最小化测量点或所制定特征之间的距离的拟合程序。为每个纵梁到蒙皮实例创建大量相关性或关系。对于这些关系中的每一个，标定值与最小和最大可接受值一起被定义。一旦已经全部定义，拟合算法将尝试在所定义的边界内同时最小化所有测量点到测量点关系的标称值的偏差。当满足时，结果是用于将虚拟纵梁腹板移动到其相对于工程模型的期望位置的第一变换和用于将虚拟蒙皮腹板移动到其相对于工程模型的期望位置的第二变换。
根据一个实施方案，假设垫片的一侧将是平坦的，并且所有的表面到表面的间隙偏差相对于该侧被应用。这简化了垫片的机加工。因此，在表面相对于工程模型正确对准之后，记录这些表面之间的间隙值，并然后将那些值应用于标称界面表面。基于这些值，可以制造具有平滑侧和机加工侧的垫片。机加工侧的形状是纵梁凸缘配合表面到机身蒙皮配合表面间隙值的函数。为了该方法的目的，假定垫片的平滑侧将与其接合的实际部件表面一致。
返回参考图7，将垫片形状信息作为.xml类型文件输出到垫片单元服务器 (在步骤72中)。垫片单元服务器基于提供的垫片信息控制垫片的制造。在配件已经根据拟合算法输出进行变换之后确定垫片间隙。因此，当之后通过钉住DA孔和插入具有计算出的形状和尺寸的垫片来安装配件时，每个纵梁 20与机身蒙皮2的关系将满足所有的工程要求。
此外，本公开包括根据以下条款的实施例：
条款1.用于制造适用于第一部件和第二部件之间的垫片的方法，其包括： (a)测量第一部件的第一配合表面、关键特征和配合特征以在测量系统的参考系中获得第一测量数据；(b)测量第二部件的第二配合表面和配合特征以在测量系统的参考系中获得第二测量数据；(c)将第一测量数据对准第一工程位置数据，第一工程位置数据表示第一部件在工程模型的参考系中的规定位置，优先考虑关键特征与其相关联的工程位置的虚拟对准；(d)将第二测量数据对准第二工程位置数据，第二工程位置数据表示第二部件在工程模型的参考系中的规定位置；(e)将第一虚拟表面拟合到对应于第一配合表面的第一对准测量数据的测量数据集；(f)将第二虚拟表面拟合到对应于第二拟合面的第二对准测量数据的测量数据集；(g)估计第一虚拟表面和第二虚拟表面之间的间隙以获得估计间隙；以及(h)制造具有根据估计间隙而变化的厚度的垫片。
条款2.根据条款1所述的方法，其中步骤(c)包括使用加权拟合算法将所述第一测量数据与所述第一工程位置数据对准，所述加权拟合算法包括优先考虑所述关键特征与其相关联的工程位置的对准的加权。
条款3.根据条款1所述的方法，其进一步包括使用估计间隙制定垫片模型，其中步骤(h)包括根据垫片模型制造垫片。
条款4.根据条款1所述的方法，其中关键特征是第一部件的表面。
条款5.根据条款1所述的方法，其中第一部件是飞行器的结构组件，并且第二部件是飞行器的蒙皮。
条款6.根据条款1所述的方法，其中步骤(c)包括将包括在第一测量数据中的配合特征数据与包括在第一工程位置数据中的对应配合特征数据对准，并且步骤(d)包括将包括在第二测量数据中的配合特征数据与包括在第二工程位置数据中的对应配合特征数据对准。
条款7.根据条款1所述的方法，其中第一部件和第二部件的配合特征是孔，并且步骤(a)包括：将光学目标放置在第一部件中的孔中；使用三维扫描仪扫描第一部件的第一配合表面以获取第一点云扫描数据和第一测量孔矢量数据；以及使用三维扫描仪扫描第一部件的关键特征以获取第二点云扫描数据。
条款8.根据条款7所述的方法，其中步骤(b)包括：将光学目标放置在第二部件中的孔中；以及使用三维扫描仪扫描第二部件的第二配合表面以获取第三点云扫描数据和第二测量孔矢量数据。
条款9.根据条款8所述的方法，其中步骤(c)包括将第一测量孔矢量数据与包括在第一工程位置数据中的对应孔矢量数据对准，并且步骤(d)包括将第二测量孔矢量数据与包括在第二工程位置数据中的对应孔矢量数据对准。
条款10.根据条款1所述的方法，其中垫片具有平坦表面和非平坦表面，垫片的平坦表面和非平坦表面之间的距离等于厚度。
条款11.一种用于将结构组件附接到飞行器的蒙皮的方法，其包括：(a) 使用测量系统测量飞行器的结构组件的第一配合表面、关键特征和配合特征以在测量系统的参考系中获得第一测量数据；(b)使用相同或不同测量系统测量飞行器蒙皮的第二配合表面和配合特征以在相同或不同的测量系统的参考系中获得第二测量数据；(c)将第一测量数据对准表示工程模型的参考系中结构组件的规定位置的第一工程位置数据，优先考虑关键特征与其相关联工程位置的虚拟对准；(d)将第二测量数据与表示工程模型的参考系中蒙皮的规定位置的第二工程位置数据对准；(e)将第一虚拟表面拟合到对应于第一配合表面的第一对准测量数据的测量数据集；(f)将第二虚拟表面拟合到对应于第二配合表面的第二对准测量数据的测量数据集；(g)估计第一虚拟表面和第二虚拟表面之间的间隙以获得估计间隙；(h)制造具有根据估计间隙而变化的厚度的垫片；以及(i)将结构组件和飞行器蒙皮与二者之间的垫片装配。
条款12.根据条款11所述的方法，其中步骤(c)包括使用加权拟合算法将第一测量数据对准第一工程位置数据，加权拟合算法包括优先考虑关键特征与其相关联的工程位置的对准的加权。
条款13.根据条款11所述的方法，其进一步包括使用估计间隙制定垫片模型，其中步骤(h)包括根据垫片模型制造垫片。
条款14.根据条款11所述的方法，其中关键特征是结构组件的表面。
条款15.根据条款11所述的方法，其中结构组件是包括凸缘和腹板的纵梁，第一配合表面包括凸缘的表面，关键特征包括腹板的表面，以及蒙皮是机身蒙皮。
条款16.根据条款11所述的方法，其中垫片具有平坦表面和非平坦表面，垫片的平坦表面和非平坦表面之间的距离等于厚度。
条款17.一种用于制造适用于第一部件和第二部件之间的垫片的方法，其包括：(a)测量第一部件的第一部分的表面的位置、第一部件的第二部分的表面的位置以及第一部件中的孔的位置以在测量系统的参考系中获得第一测量数据；(b)测量第二部件的表面的位置和第二部件中的孔的位置以在测量系统的参考系中获得第二测量数据；(c)将第一测量数据对准表示工程模型的参考系中第一部件的规定位置的第一工程位置数据，优先考虑第一部件的第二部分的表面与其相关联的工程位置的虚拟对准；(d)将第二测量数据对准表示工程模型的参考系中第二部件的规定位置的第二工程位置数据； (e)将第一虚拟表面拟合到对应于第一部件的第一部分的表面的第一对准测量数据的测量数据集；(f)将第二虚拟表面拟合到对应于第二部件的表面的第二对准测量数据的测量数据集；(g)估计第一虚拟表面和第二虚拟表面之间的间隙以获得估计间隙；以及(h)制造具有根据估计间隙而变化的厚度的垫片。
条款18.根据条款17所述的方法，其中步骤(c)包括使用加权拟合算法将第一测量数据与第一工程位置数据对准，加权拟合算法包括优先考虑第一部件的第一位置的表面与其相关联的工程位置的对准的加权。
条款19.根据条款17所述的方法，其中垫片具有平坦表面和非平坦表面，沿着垂直于平坦表面上任何点的线的垫片的平坦表面和非平坦表面之间的距离是垫片在该点处的厚度。
条款20.根据条款17所述的方法，其中第一部件是飞行器的结构部件，并且第二部件是飞行器的蒙皮。
本公开的实施例可以用于各种潜在的应用中，特别是在运输工业中，包括例如，航空航天、船舶和汽车应用。例如，上述公开的方法可用于如图12 所示的飞行器制造和维修方法150中，用于装配如图13所示的飞行器152。所公开的实施例的飞行器应用可包括，例如但不限于装配和拟合机身蒙皮、机翼和机翼蒙皮、加强件、控制面、舱口、地板、门板、检修板和尾翼等。在预生产期间，示例性方法150可包括飞行器152的规格和设计154以及材料采购156。在生产期间，进行飞行器152的组件和子组合件制造158与系统集成160。系统集成160可包括使用本文公开的预测填隙过程来设计、制造和安装垫片。此后，飞行器152可经过认证和交付162以便被投入使用164。在由客户使用时，飞行器152被调度用于日常维护和维修166(其还可以包括修改、重新配置、翻新，等等)。
方法150的过程中的每个可由系统集成商、第三方和/或运营商(例如，客户)执行或实现。为了本描述的目的，系统集成商可以包括但不限于任何数量的飞行器制造商和主系统分包商；第三方可以包括但不限于任何数量的供应商、分包商和供货商；并且运营商可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务组织等。
如图13所示，通过示例性方法150生产的飞行器152可包括具有多个系统170和内部172的机体168。高级系统170的示例包括推进系统174、电气系统176、液压系统178以及环境系统180中的一个或多个。可以包括任何数量的其他系统。尽管示出了航空航天示例，但是本公开的原理可以应用于其他工业，诸如船舶和汽车工业。所公开的实施例可以用于生产用于拟合和接合机身168的各种部件、组件和子装配件的垫片。
可在生产和维修方法150的阶段中的任一个或多个期间采用本文所体现的系统和方法。例如，对应于生产过程158的组件或子组合件可以类似于当飞行器152在使用中时生产的组件或子组合件的方式制造或建造。而且，在生产阶段158和160期间可以利用一个或多个装置实施例、方法实施例或其组合，例如，通过大大加快飞行器152的装配或降低飞行器152的成本。类似地，装置实施例、方法实施例或其组合中的一个或多个可在飞行器152使用(例如但不限于维护和维修166)时被利用。
尽管已经参考各种实施例描述了垫片制造方法，但是本领域技术人员将理解，在不脱离本文的教导的范围的情况下，可以进行各种改变并且可以用等同物替代其要素。另外，在不脱离本发明范围的情况下，可以进行许多修改以使本文的教导适应特定情况。因此，意图是权利要求不限于本文公开的特定实施例。
如本文所使用的，术语“计算机系统”应当被宽泛地解释为包括具有至少一个计算机或处理器并且可以具有通过网络或总线通信的多个计算机或处理器的系统。如在前面的句子中所使用的，术语“计算机”和“处理器”都是指具有处理单元(例如，中央处理单元)和用于存储可由处理单元读取的程序的一些形式的存储器(即，非暂时性有形计算机可读存储介质)的设备。
在没有指示特定步骤序列的明确语言的情况下，所附的方法权利要求不应被解释为要求其中所述的步骤以字母顺序(权利要求中的任何字母顺序仅用于参考前述步骤的目的)或者以它们被叙述的顺序执行。类似地，在没有指示非同时步骤的明确语言的情况下，所附的方法权利要求不应被解释为排除同时执行两个或更多个步骤的任何部分。
在将未对准的测量数据(从部件获取)对准来自工程模型(部件装配的，例如飞行器)的规定工程位置数据(与该部件相关联)的情况下，术语“对准”表示以使得(该部件的)特征的虚拟位置与其规定的工程位置的任何偏差被最小化(如果没有消除)的方式将未对准的测量数据从测量系统的参考系变换到工程模型的参考系。术语“对准”不应被解释为需要在其规定的工程位置处精确地定位部件特征的坐标变换。如本文所使用的，术语“位置”应当被解释为包括位置和定向。

Claims (10)

1.一种用于制造适用于第一部件(20)和第二部件(2)之间的垫片的方法(50)，所述方法包括：
(a)测量(52)第一部件(20)的第一配合表面、关键特征(24)和配合特征，以在测量系统的参考系中获得第一测量数据；
(b)测量(58)第二部件(2)的第二配合表面和配合特征，以在所述测量系统的所述参考系中获得第二测量数据；
(c)将所述第一测量数据对准(54)第一工程位置数据，所述第一工程位置数据表示所述第一部件(20)在工程模型的参考系中的规定位置，优先考虑所述关键特征与其相关联的工程位置的虚拟对准；
(d)将所述第二测量数据对准(60)第二工程位置数据，所述第二工程位置数据表示所述第二部件(2)在所述工程模型的所述参考系中的规定位置；
(e)将第一虚拟表面拟合(56)到对应于所述第一配合表面的所述第一对准的测量数据的测量数据集；
(f)将第二虚拟表面拟合(62)到对应于所述第二配合表面的所述第二对准测量数据的测量数据集；
(g)估计(66)所述第一虚拟表面和所述第二虚拟表面之间的间隙以获得估计间隙；以及
(h)制造具有厚度的所述垫片(4)，所述厚度根据所述估计间隙变化。
2.根据权利要求1所述的方法，其中步骤(c)(54)包括使用加权拟合算法将所述第一测量数据对准所述第一工程位置数据，所述加权拟合算法包括优先考虑所述关键特征(24)与其相关联的工程位置的对准的加权。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，所述方法进一步包括使用所述估计间隙制定垫片模型，其中步骤(h)包括根据所述垫片模型制造所述垫片(4)。
4.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述关键特征(24)是所述第一部件(20)的表面。
5.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述第一部件是飞行器的结构组件，并且所述第二部件(2)是所述飞行器(152)的蒙皮。
6.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中步骤(c)(54)包括将包括在所述第一测量数据中的配合特征数据与包括在所述第一工程位置数据中的对应配合特征数据对准，并且步骤(d)(60)包括将包括在所述第二测量数据中的配合特征数据与包括在所述第二工程位置数据中的对应配合特征数据对准。
7.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述第一部件和所述第二部件的所述配合特征是孔，并且步骤(a)(52)包括：
将光学目标放置在所述第一部件中的孔中；
使用三维扫描仪扫描所述第一部件的所述第一配合表面以获取第一点云扫描数据和第一测量孔矢量数据；以及
使用三维扫描仪扫描所述第一部件(20)的所述关键特征(24)以获取第二点云扫描数据。
8.根据权利要求7所述的方法，其中步骤(b)(58)包括：
将光学目标放置在所述第二部件(2)中的孔中；以及
使用三维扫描仪扫描所述第二部件(2)的所述第二配合表面以获取第三点云扫描数据和第二测量孔矢量数据。
9.根据权利要求8所述的方法，其中步骤(c)(54)包括将所述第一测量孔矢量数据与包括在所述第一工程位置数据中的对应孔矢量数据对准，并且步骤(d)(62)包括将所述第二测量孔矢量数据与包括在所述第二工程位置数据中的对应孔矢量数据对准。
10.根据权利要求1或权利要求2所述的方法，其中所述垫片(4)具有平坦表面和非平坦表面，所述垫片(4)的所述平坦表面和所述非平坦表面之间的距离等于所述厚度。
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