CN110032150A - 运输工具部件的自动组装用生产系统和控制生产系统的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于自动组装运输工具部件(1)、特别是用于自动组装航空器或航天器(100)的结构部件的生产系统(50)。该生产系统(50)包括：具有状态传感器(10)的运输工具部件(1)，每个状态传感器(10)被配置成确定相应的运输工具部件(1)的状态数据(12)；定位单元(2)，其被配置成在安装点(7)处夹紧相应关联的运输工具部件(1)并且将相应关联的运输工具部件(1)移动到组装位置(3)；位置测量系统(4)，其被配置成确定每个运输工具部件(1)的组装位置(3)；力传感器(5)，其被配置成在组装位置(3)确定每个被夹紧的运输工具部件(1)在安装点(7)处的反作用力和力矩中的至少一种；以及基于计算机的控制系统(30)，其与运输工具部件(1)、定位单元(2)、位置测量系统(4)和力传感器(5)进行数据通信，并且被配置成基于运输工具部件(1)的确定的状态数据(12)、确定的组装位置(3)和确定的反作用力和力矩来控制定位单元(2)。

Description

运输工具部件的自动组装用生产系统和控制生产系统的方法
技术领域
本发明涉及用于自动组装运输工具部件的生产系统以及用于控制这种生产系统的方法。本发明特别涉及用于自动组装航空器或航天器的结构部件的生产系统以及用于控制这种生产系统的方法。
尽管通常适用于组装任何类型的运输工具或运输工具部件、特别是陆地、空中或水上运输工具的大型部件，但是将参照商用客机的机身组装更详细地说明本发明及其所基于的问题。
背景技术
现代航空器的机身壳体包括形成为由蒙皮覆盖的加强元件的刚性框架结构的金属或复合材料，例如，碳纤维增强塑料(CFRP)。框架结构通常包括根据机身截面形状向圆周方向弯曲的一系列框架以及接合至这些框架的多个纵向桁条或纵梁。典型的机身壳体在纵向方向上被分成各个壳体区段，每个壳体区段可以单独地由较小的壳体部分组装而成。例如，机身壳体的机身后部区段可以通过周向邻接两个侧面壳体部分(包括窗开口)、下部壳体部分和上部壳体部分以形成周向壳体并通过用单个较小的锥形尾部区段在向后方向上封闭该周向壳体来组装。
通常通过使用夹紧和移动航空器部件的多个定位单元使各个航空器部件在迭代过程中相对于彼此定位来控制这样的壳体区段或其他大型结构部件(例如，乘客底板、货物底板等)由较小的壳体部分的组装。为此，定位单元可以由自动定位系统支撑，该自动定位系统又可以包括测量系统，例如激光跟踪系统。然而，该迭代过程的最终控制通常仍然在操作人员的手中。例如，在一个部件离开定位系统的预定系统边界的情况下，操作人员可能必须干预自动定位过程。例如，这样的系统边界可以由在定位单元的安装点的航空器部件上的反作用力的可接受限度来限定，该限度指示航空器部件中可允许的残余应力。组装系统可以提供关于航空器部件的反作用力和当前位置的信息。例如，基于该信息，操作人员可以在由于超过反作用力限度而自动停止之后启动遵循替代轨迹的另一种定位尝试。因此，需要使整个定位过程进一步自动化(例如参见US2016/0074926A1、US2015/0344154A1和US2014/0157588A1)。
发明内容
在这种背景下，本发明的一个目的是找到用于改进大型运输工具部件的自动组装的方案。
上述目的是通过具有权利要求1的特征的生产系统和具有权利要求10的特征的用于控制生产系统的方法实现的。
根据本发明的第一方面，提供了一种用于自动组装运输工具部件的生产系统。该生产系统包括具有状态传感器的运输工具部件，每个状态传感器被配置成确定相应的运输工具部件的状态数据。该生产系统还包括定位单元，其被配置成在安装点处夹紧相应关联的运输工具部件并且将相应关联的运输工具部件移动到组装位置。该生产系统还包括位置测量系统，其被配置成确定每个运输工具部件的组装位置。该生产系统还包括力传感器，其被配置成在组装位置确定每个被夹紧的运输工具部件在安装点处的反作用力和力矩中的至少一种。该生产系统还包括基于计算机的控制系统，其与运输工具部件的状态传感器、定位单元、位置测量系统和力传感器进行数据通信。基于计算机的控制系统被配置成基于运输工具部件的确定的状态数据、确定的组装位置和确定的反作用力和力矩来控制定位单元。
根据本发明的第二方面，提供了一种用于自动组装运输工具部件的生产系统。该生产系统包括运输工具部件，所述运输工具部件各自具有在运输工具部件中实现的数据存储器，数据存储器被配置成存储相应的运输工具部件的状态数据和识别和配置数据。该生产系统还包括定位单元，其被配置成在安装点处夹紧相应关联的运输工具部件并且将相应关联的运输工具部件移动到组装位置。该生产系统还包括位置测量系统，其被配置成确定每个运输工具部件的组装位置。该生产系统还包括力传感器，其被配置成在组装位置确定每个被夹紧的运输工具部件在安装点处的反作用力和力矩中的至少一种。该生产系统还包括基于计算机的控制系统，其与运输工具部件的数据存储器、定位单元和位置测量系统进行数据通信。基于计算机的控制系统被配置成基于运输工具部件的状态数据和识别和配置数据、确定的组装位置和确定的反作用力和力矩来控制定位单元。
根据本发明的第三方面，提供了一种用于控制用于自动组装运输工具部件的生产系统的方法。该方法包括在安装点处使用相应关联的定位单元夹紧每个运输工具部件。该方法还包括使每个运输工具部件与相应关联的定位单元移动到组装位置。该方法还包括使用位置测量系统确定每个运输工具部件的组装位置。该方法还包括在组装位置使用力传感器确定每个被夹紧的运输工具部件在安装点处的反作用力和力矩中的至少一种。该方法还包括使用设置在每个运输工具部件处的状态传感器确定每个运输工具部件的状态数据。该方法还包括在基于计算机的控制系统与运输工具部件的状态传感器、定位单元、位置测量系统和力传感器之间进行数据通信。该方法还包括基于运输工具部件的确定的状态数据、确定的组装位置和确定的反作用力和力矩，使用基于计算机的控制系统控制定位单元。
根据本发明的第四方面，提供了一种用于控制用于自动组装运输工具部件的生产系统的方法。该方法包括在安装点处使用相应关联的定位单元夹紧每个运输工具部件。该方法还包括使每个运输工具部件与相应关联的定位单元移动到组装位置。该方法还包括使用位置测量系统确定每个运输工具部件的组装位置。该方法还包括在组装位置使用力传感器确定每个被夹紧的运输工具部件在安装点处的反作用力和力矩中的至少一种。该方法还包括从在每个运输工具部件中实现的数据存储器确定状态数据和识别和配置数据。该方法还包括在基于计算机的控制系统和运输工具部件的数据存储器、定位单元、位置测量系统和力传感器之间进行数据通信。该方法还包括基于运输工具部件的确定的状态数据和识别和配置数据、确定的组装位置和确定的反作用力和力矩，使用基于计算机的控制系统控制定位单元。
本发明的一种构思是通过用于保持运输工具部件并将它们带到组装位置的定位单元与运输工具部件本身之间的网络提供并改进大型运输工具部件、特别是结构航空器部件的自动组装。特别是在航空器结构中，具有复杂几何形状的各个运输工具部件可能在三维空间中必须相对于彼此小心地定向，这对定位过程提出了高要求。由于运输工具部件的制造过程的特性，这些部分(例如CFRP部件)可以以高度独立的方式形成。即使在这些部分根据计算机辅助设计(CAD)或有限元方法(FEM)或类似手段进行标准化的情况下，由于工艺波动、超出公差的问题、原材料方面、组装过程等，也可能在某种程度上发生偏差，例如在壳体部分预安装有框架和/或桁条的情况下，可能发生偏差。由于CAD数据或FEM数据用于更传统的生产系统，因此它们并不总是一定提供相应的运输工具部件的“真实”构造的完美表示。关于运输工具部件的“真实”和当前的物理构造的任何其它认识(例如几何形状、诸如应力或应变的物理状态、准备状态等)在生产过程中可能有助于在组装期间进一步优化部件的处理。
生产系统部件之间引入交互式网络提供的优点是，定位过程可以通过基于计算机的系统以“在线”方式控制和优化，这可以减轻、补充或甚至取代传统上在生产过程中涉及的操作人员。为实现这一点，本发明提供了一种生产系统，其中相关系统部件与控制计算机系统进行数据通信，因此也彼此进行数据通信。为此，除了一定带宽的数据通信能力之外，生产系统部件以及运输工具部件还可具有一定程度的信息处理能力。为了补充定位单元，设置与计算机系统进行数据通信的传感器系统，使得可以在任何时间点确定定位单元和被夹紧的运输工具部件的状态。结果，根据本发明的生产系统形成所谓的网络-物理生产系统，该系统是由基于计算机的控制系统控制和监测的物理实体组成的生产系统，即，运输工具部件、定位单元和传感器等的物理生产系统。由于物理实体和计算机系统之间的数据链路，可以采用先进的基于计算机的算法来控制、调节、操纵和/或优化组装过程的各方面。除此之外，运输工具部件本身还可以提供通过它们各自的状态传感器获取的状态数据，然后可以在部件的定位期间(即“在线”)考虑这些状态数据。
根据本发明的生产系统提供了一种用于确定运输工具部件在三维空间中的当前位置的测量系统，即，不仅可以提供某些参考点的三维坐标，而且还可以考虑部件在三维空间内的取向。每个被夹紧的运输工具在它们的安装点处的反作用力和/或力矩通过力传感器评估，并且传递至控制系统。此外，运输工具部件的状态数据由状态传感器评估并传递至控制系统。因此，可以在任何时间点分析每个运输工具部件的机械载荷、应力、应变等，并且基于此和运输工具部件的当前位置，控制系统可以提示定位单元移动运输工具部件。因此，即使对于航空器和/或航天器的大型且复杂的结构部件的组装，也可以形成自优化、半自主或全自主的组装系统。
根据本发明，运输工具部件可以由单个定位单元或由几个这样的单元一致地夹紧和移动。例如，客机的大型的细长机身部分可以由沿着部件的纵向轴线设置的多个定位单元夹紧。因此，这些定位单元通过待定位的运输工具部件机械地连接。单个定位单元可设置有一个或多个夹紧装置，例如，一个或多个夹紧臂等，并且因此可以同时在多个安装点处夹紧和/或保持运输工具部件。
根据本发明的生产系统和方法改善并稳定了特别是大型且复杂的运输工具部件的生产质量，并且视情况而定改善并稳定了高度独立的运输工具部件的生产质量。可以显著降低所有处理步骤的设计至实际投产时间和生产成本。根据本发明的生产系统提供集成的、智能的、数字化组织的生产过程，其中生产系统的物理部件可以彼此智能地相互链接并与运输工具部件智能地相互链接。这些规定提供了优于传统生产系统的巨大优势，在传统生产系统中，运输工具部件主要保持被动并且例如不通过以本发明那样在线的方式提供组装期间的状态信息积极地参与系统。尽管一些传统系统采用运输工具部件的数字表示，例如，以CAD模型或FEM模型的形式，但是通常不考虑通过传感器得到的来自部件的主动反馈。在本发明中，航空器的所有结构部件(例如，机身壳体、箱体、机翼、垂直尾翼、机身区段等)可以作为数字环境中的主动部件集成在生产系统中，使得这些部件的状态信息可以原位使用以支持自主和自优化的生产和组装过程。
在从属权利要求中可以找到本发明的有利的实施方式和改进。
根据本发明的实施方式，生产系统可以被配置用于航空器或航天器的结构部件的自动组装。因此，方法可用于组装航空器或航天器的结构部件。
根据本发明的实施方式，基于计算机的控制系统包括多代理系统，该多代理系统包括定位代理。基于计算机的控制系统可以被配置成通过相关联的定位代理主动地控制每个定位单元。因此，每个定位单元可以主动链接至相关联的定位代理。定位代理可以特别地作为软件代理提供。如今，网络技术在工业中广泛使用。然而，当前生产系统部件的信息处理能力在计算能力和对作为产品模型数据和处理计划数据的中央或分布式源的数据访问方面相当有限。此外，处理链中的某些成员可能根本不具有任何数据处理能力，例如，需要参与生产系统的通信网络的产品或运输工具部件。为了解决这种缺陷，可以提供生产系统的数字表示，以便通过数字表示在所有相关的生产系统部件之间形成灵活的通信信道。数字表示可以由物理生产系统的相关部件的虚拟代表组成。每个虚拟生产系统部件可以链接至其物理对应物，以便彼此接收或发送信息。为了通过交换和处理信息来(自)优化生产过程，可以在数字表示中执行通信和信息处理。为此目的，每个虚拟生产系统部件可以表示为多代理系统内的软件代理。可选地，还可以通过多代理系统的通信能力来实现对数据库的数据访问。通过物理生产系统部件和虚拟表示之间的通信信道，可以考虑来自生产系统部件的信息(例如，传感器值)以在链接代理中进行信息处理。由代理处理的动作也可以通过数据链路在物理生产系统部件处启动。生产系统部件之间的通信可以通过代理之间的通信来执行。利用这种技术方法，即使是具有有限数据通信带宽和信息处理能力的传统生产系统部件也可以转换为更精密的生产系统。因此，总之，生产系统部件之间、特别是定位单元之间的网络可以通过多代理系统形式的组装系统的数字化表示来实现。
多代理系统还可以包括运输工具部件代理。基于计算机的控制系统可以被配置成通过相关联的运输工具部件代理主动地控制每个运输工具部件。因此，每个运输工具部件可以主动地链接至相关联的运输工具部件代理。特别地，运输工具部件代理可以作为软件代理提供。基于状态数据以及相应运输工具部件的识别和配置数据，每个运输工具部件可以主动链接至相关联的运输工具部件代理。为此，系统可以在原位读取每个运输工具部件的识别和配置数据，例如，借助于识别标签的唯一ID号，例如Bar/QR标签、RFID标签等。基于唯一ID号，可以从数据库、AD数据(计算机辅助设计(CAD))等提供识别和配置数据。另外，运输工具部件的状态传感器提供运输工具部件的状态数据，其可以由基于计算机的控制系统通过每个相关联的运输工具部件代理检索。在这样的实施方式中，甚至运输工具部件本身也被集成到生产系统的软件表示中，因为它们具有网络能力。基于计算机的控制系统可以通过与它们相关联的运输工具部件代理主动地控制运输工具部件。例如，基于计算机的控制系统可以提示状态传感器读出和/或确定某些状态数据，例如，运输工具部件本身或其周围环境的物理参数。
根据本发明的实施方式，每个运输工具部件可以与数据存储器进行数据通信。数据存储器可以被配置成存储状态数据。数据存储器还可以被配置成存储相应的运输工具部件的识别和配置数据。因此，运输工具部件可以设置有将运输工具部件、特别是其状态传感器链接至外部数据库的装置，其中可以存储由状态传感器提供的所有数据以及另外的数据。例如，对数据存储器的访问可以是诸如蓝牙、NFC(近场通信)等无线链路或有线连接或任何其他适当的通信手段。
数据存储器可以在相应的运输工具部件中实现。在该实施方式中，运输工具部件本身因此可以携带所有相关信息。因此，可以通过整个生产过程为运输工具部件设置嵌入式传感器以及嵌入式数据存储器。数据存储器可以以可读和/或可写的有源数据存储器(例如，有源或无源RFID芯片、SMART标签、固态存储器或类似装置)的形式提供。
根据本发明的实施方式，状态数据可以包括载荷数据、应力数据、应变数据、结构健康数据、接近数据和环境数据等中的至少一种。根据现有的具体使用情况，可以包含各种状态数据：
-对应于各个运输工具部件的总体CAD模型数据和与标称模型的实际偏差；
-对应于各个运输工具部件的总体静态和灵活的FEM模型数据以及与标称模型的实际偏差；
-各个运输工具部件的总体尺寸模型(应力、静态等)以及与标称模型的实际偏差；
-预计重量和实际重量；
-实际组装状态(已完成，正在进行中，打开不合格(open non-conformities)等)；
-关于各个部分的基准参考的信息(例如，物理嵌入参考点的位置等)；
-测量报告(3-D和2-D)；
-无损测试报告；
-来自诸如测力传感器、结构健康监测系统、应变计或应力计、用于环境条件的传感器(例如，温度和湿度、UV或IR辐射、盐度等)以及可嵌入运输工具部件本身的其他传感器(例如，嵌入CFRP面板等的接合处的智能玻璃纤维)或可施加在运输工具部件的表面、CFRP/GLARE层之间的嵌入平面或安装在运输工具部件预钻孔等中的其它传感器等传感器的信息；
-图纸(前沿图纸、单个部分图纸等)；
-说明书(技术说明、工作说明、测试说明等)；
-生命周期数据表(从制造到寿命结束)；
-物流相关信息(处理说明等)；
-回收信息(材料数据表等)；
-等等。
数据存储器通常可以用作“自我更新的寿命数据表”，其包括关于运输工具部件的当前物理条件、组装进度状态(未完成的工作、剩余工作步骤等)、特许权(类型、状态、位置等)等等的信息。然后，这些数据可以被生产系统(即，基于计算机的控制系统)实时使用，以改进和加速整个生产过程。
根据本发明的实施方式，状态传感器可包括测力传感器、应力计、应变计、结构健康监测传感器、接近传感器和环境传感器等中的至少一种。状态传感器可以集成到运输工具部件中(例如，以嵌入式状态传感器的形式)，和/或可以施加在运输工具部件的表面上(或者放置在诸如预钻孔等凹部中)。状态传感器可以直接与以运输工具部件提供的数据存储器连接。替代地或另外地，状态传感器可以与外部数据库等连接。例如，状态传感器可以被配置成评估运输工具部件的当前物理状况。为此，状态传感器可以形成为环境传感器，例如温度传感器(与许多生产处理步骤和/或方面(例如存储时间、适应性、钻孔过程、材料的脆性、诸如密封、边缘保护、填隙、涂漆处理等化学处理)相关)或湿度传感器(与许多生产处理步骤和/或方面(诸如密封、边缘保护、涂漆处理等化学处理)相关)。状态传感器可以配置为应力计和/或应变计(与许多生产处理步骤和/或方面(例如，一般处理、扭曲、弯曲、推/拉、间隙闭合、总的来说最小化内置应力等等)相关)。状态传感器可以配置为接近传感器，以改善组装过程中的运输和处理，即，使两个部件或其他装置之间的间隙最小化。状态传感器可以被配置为结构健康监测传感器，以减少无损测试(NDT)工作量，例如，以放置在运输工具部件上或运输工具部件中、用于检测冲击或其他损伤的加速度传感器的形式。例如，在CFRP运输工具部件的情况下，该部件可包括多个压电转换器，以通过致动运输工具部件并感测运输工具部件的复合结构中的弹性波传播来评估冲击损伤。状态传感器可以获取度量数据(测量报告、与标称值的任何偏差等)。例如，CFRP部件可以通知基于计算机的控制系统在使用期间发生了冲击。因此，状态传感器评估的状态数据可以实时地传递至基于计算机的控制系统。
根据本发明的实施方式，力传感器可包括安装到定位单元上的测力传感器或类似物。在一种实施方式中，例如定位单元可以配备有夹紧器和/或夹紧臂，测力传感器可以连接至该夹紧器和/或夹紧臂。每个测力传感器可以产生电信号，其大小与被测量的力或力矩成比例。可以使用不同的技术，例如压电、液压、气动测力传感器等。测力传感器可以提供关于定位单元在运输工具部件的安装点处的力和/或力矩的信息，该信息又可以用于校正一个或多个运输工具部件在三维空间内的位置和/或轨迹。力和力矩数据可以局部地用于每个相关联的定位单元。替代地或另外地，力和力矩数据可以通过在定位单元之间交换这些数据或通过同时考虑几个或所有定位单元总体优化运输工具部件位置来全部使用。这些数据还可用于使载荷(例如部件内的内部应力或应变)最小化，或者用于增加一个或多个部件的允许范围内的附加载荷，以便将各部分推入完美位置或封闭两个或更多个部分之间的间隙。
根据本发明的实施方式，位置测量系统可以包括激光跟踪器或类似物，例如摄影测量系统、激光雷达、激光扫描仪等。激光跟踪器或跟踪干涉仪特别适用于大型航空器部件的组装，因为这些仪器能够以亚毫米级的精度精确测量几米距离内的大物体。为此，激光跟踪器可以设置在距运输工具部件几米远的地面上，并且对该运输工具部件具有无障碍的视野。
根据本发明的实施方式，可以根据相应的运输工具部件的确定的组装位置与相应的运输工具部件的标称组装位置的偏差来控制每个定位单元。
根据本发明的实施方式，可以集中控制定位单元，以使运输工具部件的确定的组装位置与运输工具部件的标称组装位置的偏差最小化。因此，可以共同控制两个或更多个定位单元。例如，一起保持一个大型运输工具部件的两个或更多个相邻的定位单元可以协同控制和操纵。然而，原则上，一个或多个组装系统的所有定位单元可作为一组共同控制和优化。例如，两个基本上分开的组装系统可以通过控制系统交互，使得在两个组装系统中的一个上优化和训练的某些控制算法也可以用于另一个组装系统。本发明的许多优点之一是所有定位单元都数据链接至控制系统，使得控制命令的调度和执行可以仅在控制系统内基于软件实现。因此，不需要额外的或不成比例的大量额外工作来共同控制一个组装系统的所有定位单元。
根据本发明的实施方式，可以考虑所确定的运输工具部件的状态数据和确定的运输工具部件在安装点处的反作用力和力矩来使偏差最小化。例如，由CFRP组成的主要航空器部件的自动组装引起了某些挑战。由于CFRP部件的生产过程，几何形状的精度本身可能具有更宽的公差带，使得来自CAD数据或类似物的理论定位数据可能不足以驱动组装过程。为了确保组装部件中的残余应力保持远低于某些限度，可以控制定位以便将安装点处的反作用力和扭矩保持在低于某个限度。组装部件的最终位置或标称位置可以是反作用力和定位精度之间的适当平衡。
根据本发明的实施方式，可以考虑所确定的运输工具部件的状态数据和所确定的运输工具部件在安装点处的反作用力和力矩来使偏差最小化。使用神经网络，系统可以通过创建各个系统部件的自学行为模型来从先前的定位活动中“学习”，然后可以将其用于后续或将来的定位活动以使适当的操控自动进行。例如，可以基于由操作人员控制的组装系统的输入数据来训练神经网络。替代地或另外地，可以基于预定的运输工具部件基于测试运行来训练神经网络。由于可以采用经验方法来确定适当的行为模型，神经网络特别是为复杂的组装系统提供了许多优点，例如复杂的组装系统包括由非各向同性材料制成的主要航空器部件。为了建立基于神经网络的行为模型，不需要对所涉及的物理细节进行分析性理解。对所涉及过程的详细分析性理解可能不实际或根本不可能，因为非线性方面可以决定它。然而，神经网络可以通过基于来自先前定位活动的许多数据集或从预定的运动序列得到的训练数据进行训练来适应这样的处理。为了定义可重复使用的行为模型，基于相对于各个运输工具部件的夹紧位置对各种定位情况进行分类可能是有利的。例如，由于较大量的加强部件(径向结构框架)，航空器部件可在接近门开口处具有高得多的局部刚度，而不是在其他夹紧位置处，在其他夹紧位置航空器部件可仅配备有轴向定向的局部加强件(桁条)。具有神经网络的分类行为模型可以用作控制实例，以基于定位过程期间产生的数据(包括反作用力矢量、反作用扭矩矢量、相邻夹紧器之间的距离矢量、来自相邻夹紧器的反作用力和扭矩矢量等)来校正标称定位轨迹。基于定位情况的合适分类，行为模型可以在类似的定位情况中重复使用。每个定位过程都可能有助于改进任何后续定位过程的合适定义的神经网络，直至达到理论最佳值。定位情况的分类可以取决于定位单元的能力，例如，定位单元的夹紧臂、夹紧区域、自由度等。按照这种方法，定位过程可以由控制回路表示。回路中的控制部件可以基于表示每个单独定位单元处的局部系统行为的神经网络。系统行为描述了反作用力矢量、位置偏差、形状偏差以及标称夹紧位置和实际夹紧位置之间的偏差之间的非线性关系。
此外，通过几个代理与表示整个组装系统的网络-物理系统相连的神经网络可以通过使用从已经实现的执行相同或类似任务的站点已经习得的操作来支持已经添加到组装系统中的新组装站点的初始启动操作。
此外，通过几个代理与表示两个或更多个相同或相似组装站点的整个组装系统的网络-物理系统相连的神经网络可以通过在执行相同或类似任务的站点的控制系统之间传递已经习得的操作来减少设置时间和处理时间。
附图说明
将参照附图中描绘的示例性实施方式更详细地说明本发明。
包括附图是为了提供对本发明的进一步理解，并且附图包含在本说明书中并构成本说明书的一部分。附图示出了本发明的实施方式，并与说明书一起用于说明本发明的原理。通过参照以下具体实施方式部分，可以更好地理解本发明的其他实施方式和本发明的许多预期优点。附图的元件不一定相对于彼此成比例。在附图中，除非另有说明，否则相同的附图标记表示相同或功能相同的部件。
图1a、图1b示意性示出了示例性航空器的机身区段的组装的立体图(图1a中的分解图和图1b中的组装图)。
图2示出了根据本发明的实施方式的用于控制用于自动组装运输工具部件的生产系统的方法的流程图。
图3示意性示出了用于图2的、根据本发明的实施方式的用于自动组装运输工具部件的生产系统。
图4a、图4b示意性示出了根据本发明的另外的实施方式的用于自动组装运输工具部件的生产系统。
尽管在此示出和描述了特定实施方式，但是本领域普通技术人员将认识到，在不脱离本发明的范围的情况下，各种替换方式和/或等同实现方式可以代替所示出和描述的特定实施方式。总的来说，本申请旨在涵盖本文所讨论的特定实施方式的任何修改或变化。
具体实施方式
图1a和1b示意性示出了示例性航空器100(例如，商用客机)的机身区段的组装的立体图。具体地，图1a以分解图示出了航空器100的机身壳体的机身后部区段。机身后部区段由多个较小的运输工具部件1组装而成，包括两个侧面壳体部分(包括窗开口和门开口)、下部壳体部分、上部壳体部分、乘客底板和锥形尾部区段，例如，较小的运输工具部件1由金属、金属合金和/或复合材料(例如，CFRP等)制成。壳体部分围绕乘客底板周向邻接以形成周向壳体，然后使用锥形尾部区段在向后方向上封闭该周向壳体。这些运输工具部件1的组装在图1b中示出。组装过程可以由下面将描述的根据本发明实施方式的方法和生产系统执行。然而，本领域技术人员清楚的是，根据本发明的方法和生产系统可用于组装和制造形状或构造与所示例子不同的许多其他类型的运输工具或运输工具部件。仅用于说明目的，图1至图4给出了客机机身后部区段的组装。原则上，下面将描述的方法和生产系统的实施方式不仅可以用于客机或客机区段的组装，而且还可以用于运输工业的一般应用，例如用于陆地、水上或空中运输工具。然而，本文描述的本发明的实施方式对于大型运输工具部件1、特别是航空器100的结构部件的组装特别有利。
图2示出了根据本发明实施方式的用于控制用于自动组装运输工具部件1的生产系统50的方法M的流程图。图3描绘了用于图2的方法M的、根据本发明实施方式的用于自动组装运输工具部件1的生产系统50。方法M包括在M1中在安装点7处使用相应关联的定位单元2夹紧每个运输工具部件1。为此，每个定位单元2配备有一个或多个夹紧臂或类似物，定位单元2可以通过该夹紧臂或类似物在安装点7处附接至运输工具部件1，使得运输工具部件1可以被进一步处理。运输工具部件1可以由单个定位单元2或多个定位单元2夹紧。在图3的示例性描绘中，示出了两个运输工具部件1，每个运输工具部件1表示客机的机身侧面部分，例如，图1a和图1b所示的部分。每个侧面部分由沿着部件的纵向轴线设置的两个定位单元2夹紧，使得定位单元2通过待定位的侧面部分机械地连接。然而，本领域技术人员将容易认识到，图3中描绘的设置的许多其他变型也包括在本发明中。例如，每个运输工具部件1同样可以由单个定位单元2或多于两个定位单元2良好地夹紧。每个定位单元2可以设置有一个或多个夹紧装置，例如，夹紧臂或类似物，并且因此可以同时在多个安装点7处夹紧和/或保持运输工具部件1。
仍然参照图2和图3，方法M还包括在M2中使每个运输工具部件1与相应关联的定位单元2移动到组装位置3。为此，例如定位单元2可以安装在允许它们移动到特定方向的导轨上。此外，定位单元2的夹紧装置可以构造成移动到不同的空间方向以改变运输工具部件1的位置以及取向、倾斜度等。像这样，运输工具部件1可以从一个组装位置3移动到另一个组装位置3’，例如该组装位置3’可以是标称组装位置3’。
作为另外的步骤，方法M包括在M3中使用位置测量系统4确定每个运输工具部件1的组装位置3。例如，位置测量系统4可以是激光跟踪器或类似的跟踪干涉仪、摄影测量系统或适用于手头使用情况(即在这种情况是大型航空器部件的组装)的任何其他测量系统。方法M还包括在M4中在组装位置3确定每个被夹紧的运输工具部件1在安装点7处的反作用力和/或力矩。力传感器5可以安装在靠近安装点7的定位单元2上，并且可以连接至夹紧器或夹紧臂。力传感器5可包括压电、液压、气动或机械的测力传感器或其他能够提供大小与测量的力或力矩成比例的信号的合适的装置。测力传感器提供关于定位单元2在运输工具部件1的安装点7处的力和/或力矩的信息。然后可以使用相应的反作用力和力矩数据来校正一个或多个运输工具部件在空间维度内的位置和/或轨迹。力和力矩数据可以局部地用于每个相关联的定位单元2，和/或通过考虑相邻的定位单元2或例如所有其他定位单元2的相应数据来全部使用。
仍然参照图2和图3，方法M还包括在M5中使用设置在每个运输工具部件1处的状态传感器10确定每个运输工具部件1的状态数据12。每个状态传感器10被配置成确定相应的运输工具部件1的状态数据12。状态数据12可以包括载荷数据、应力数据、应变数据、结构健康数据、接近数据和环境数据等中的至少一种。状态传感器10可包括测力传感器、应力计、应变计、结构健康监测传感器、接近传感器和环境传感器等中的至少一种。例如，一个或多个状态传感器10可以被配置为环境传感器，例如，温度或湿度传感器，以监测和确保环境条件满足所有可能的要求。在另一个例子中，一个或多个状态传感器10可以被配置为接近传感器，以优化在组装过程期间的处理并且避免与其他运输工具部件1和/或生产系统50的其他部件的碰撞。一个或多个状态传感器10可以进一步配置为结构健康监测传感器，例如，以集成在运输工具部件1中、用于检测冲击或其他损伤的加速度传感器的形式。一个或多个状态传感器10可进一步配置为测力传感器、应变计或应力计等，以提供运输工具部件1处或之内、例如特别是定位单元2的安装点7处的载荷、应变或应力或总的力和/或力矩的信息。由于这些设置，每个运输工具部件1可以通知在使用期间发生的冲击、急剧载荷过载和/或临界应力或应变。由状态传感器10评估的状态数据12可以实时互通，以便改进生产过程。
每个运输工具部件1包括与状态传感器10通信的数据存储器11。数据存储器11被配置为存储状态数据12以及相应运输工具部件1的识别和配置数据13。除了一定带宽的数据通信能力之外，每个运输工具部件1还配置有一定程度的信息处理能力，即，运输工具部件1配置有网络能力。因此，运输工具部件1不仅可以携带用于生产过程的相关信息，而且还可以评估和传递可能有助于生产的状态数据12。数据存储器11可以以可读和/或可写的有源数据存储器的形式提供，例如有源或无源RFID芯片、SMART标签、固态存储器或类似装置。因此，数据存储器11可以用作自更新数据表，其包括关于运输工具部件1的配置和当前物理状况以及组装进度状态等的信息。然后，生产系统50可以实时使用这些数据，以改进和加速整个生产过程。替代地或另外地，数据存储器11也可以设置在运输工具部件1的外部。在这种情况下，运输工具部件1可以设置有将运输工具部件1链接至数据存储器11的装置。
在这种意义上，运输工具部件1本身以与定位单元2类似的方式在生产系统50中集成为“主动式部件”。定位单元2、位置测量系统4、力传感器5、运输工具部件1等形成物理生产系统9。物理生产系统9嵌入到基于计算机的控制系统30中并由其控制。相应地，方法M还包括在M6中在基于计算机的控制系统30和运输工具部件1(包括状态传感器10和数据存储器11)、定位单元2、位置测量系统4和力传感器5之间进行数据通信。数据交换本身在图3中用将物理生产系统9的各个部件与基于计算机的控制系统30相连的箭头示出。连接本身可以是无线的或基于电缆的，或者可以依赖于任何其他合适的网络和数据交换技术。物理生产系统9和基于计算机的控制系统30一起形成网络-物理生产系统形式的生产系统50，即由通过基于计算机的系统基于计算机算法控制和监测的物理实体组成的系统。更具体地，基于计算机的控制系统30包括基于软件的多代理系统20，其具有与物理环境中的对应实体交互的多个软件代理。多代理系统20用作物理生产系统9的数字表示。特别地，该实施方式的多代理系统20包括软件定位代理22，每个软件定位代理22主动链接至相关联的定位单元2。在基于计算机的控制系统30可以通过定位代理22主动控制定位单元2并且定位单元2又可以与基于计算机的控制系统30交互的意义上，定位代理22和定位单元2主动链接。为此目的，除了一定带宽的数据通信能力之外，定位单元2还可以具有一定程度的信息处理能力。多代理系统20还包括一起形成运输工具的生产模型24的运输工具部件代理21(也表示为多代理系统20内的代理)，每个运输工具部件1主动链接至相关联的运输工具部件代理21。特定的运输工具部件1可以借助于存储在其数据存储器11中的标识和配置数据13来识别。例如，这些数据可以包括唯一ID号等。使用这种唯一ID号，可以将相关产品和配置数据13分配给该特定的运输工具部件1，然后这限定用于多代理系统20的数字表示的相关运输工具部件代理21。为此目的，基于计算机的控制系统30可以连接至相应的数据库8等。因此，在运输工具部件1可以由基于计算机的控制系统30主动控制的意义上，运输工具部件1主动地链接至相关联的运输工具部件代理21，例如，状态传感器10可以被读出或控制并且可以传递相应的状态数据12。另外，基于计算机的控制系统30可以通过连接至相应的定位代理22的定位单元2间接地控制或移动运输工具部件1。
此外，方法M还包括在M7中基于运输工具部件1的确定的状态数据12、确定的组装位置3和确定的反作用力和/或力矩，使用基于计算机的控制系统30控制定位单元2。更具体地，每个定位单元2可以根据相应的运输工具部件1的确定的组装位置3与相应的运输工具部件1的标称组装位置3’的偏差来控制。此外，可以共同控制多个或所有定位单元2，以最小化和/或以其他方式优化运输工具部件1的确定的组装位置与运输工具部件1的标称组装位置3’的偏差。特别地，可以考虑所确定的状态数据12和所确定的运输工具部件1在安装点7处的反作用力和/或力矩来最小化和/或优化偏差。为此，基于计算机的控制系统30可以包括或连接至模拟模型6，例如，基于例如可以表示每个定位单元2和运输工具部件1的行为的神经网络23。
根据本发明的改进的自动组装系统尤其基于以下特征：通过生产系统50内的运输工具部件1和定位单元2之间的网络的自动化组装优化；通过多代理系统20形式的物理生产系统9的数字化表示实现运输工具部件1和定位单元2之间的联网；在组装系统中将运输工具部件1作为主动式部件实现；以及通过机器学习过程或仿真模型、特别是神经网络23进行组装优化。在传统的组装或生产系统中，用于操纵定位过程的决定在很大程度上仍由操作人员处理。本发明按照新途经，通过创建各个定位系统部件的自学行为模型让系统从以前的定位活动中“学习”。系统部件的这种行为模型可用于未来的定位活动，以自动进行正确的操纵。可以在物理生产系统9的数字表示内利用先进的计算机算法。此外，例如生产系统50将通过在将载荷、应力和应变保持低于下限的同时或优化整个生产工艺的一组各种参数的同时使与标称位置的偏差最小化来组织代理之间的协商，以便根据优选的参数或给定的条件调整每个单独的运输工具部件1的形状和位置，从而找到节省和缩短设计至实际投产时间、使内置应力最小化、避免裂缝和局部过载或其他组装问题的“最佳”方式。生产系统50的部件还可以与“智能工具”交互，例如用于绘画、钻孔等的组装机器人，使得它们主动地包括在自优化的基于多代理的控制系统中，其中智能工具考虑来自运输工具部件1和嵌入式传感器的相关反馈。这样，许多其他过程可以通过适当的算法进行转移和优化，例如制造过程(高压釜循环、无损测试等)、组装过程(钻孔、铆接等)、表面处理过程(启动、喷涂等)、处理过程(内部或外部运输等)、物流过程(部分定位等)、结构健康监测或(现场)修复过程等。
本领域技术人员将清楚本发明的各种修改和变型。图4a和图4b给出了两个例子，它们示意性示出了根据本发明的另外的实施方式的用于自动组装运输工具部件1的生产系统50。图4a示出了具有一个物理生产系统9的单个组装系统，其包括通过基于计算机的控制系统30控制的运输工具部件1、位置测量系统4和定位单元2。运输工具部件1、位置测量系统4和定位单元2彼此交互并与基于计算机的控制系统30交互。基于在基于计算机的控制系统30上运行的专用机器学习算法，生产系统50可以了解组装过程，并在此基础上优化定位过程。图4b描绘了它的扩展例子。这里，两个物理生产系统9(例如，它们中的每一个配置为图4a中的物理生产系统)通过基于计算机的控制系统30彼此连接并且共同控制。原则上，两个物理生产系统9的各个组件可以彼此直接交换数据。因此，两个组装站点可以一起或单独地学习组装过程并相应地优化定位过程。
在前面的具体实施方式部分，出于简化本公开的目的，在一个或多个例子中将各种特征组合在一起。应理解，以上描述旨在是说明性的而非限制性的。它旨在涵盖所有替代方式、修改和等同物。在阅读以上说明书后，许多其他例子对于本领域技术人员而言将是显而易见的。
选择并描述实施方式是为了最好地说明本发明的原理及其实际应用，从而使得本领域的其他技术人员能够最佳地利用本发明和具有适合于预期特定用途的各种修改的各种实施方式。在阅读以上说明书后，许多其他例子对于本领域技术人员而言将是显而易见的。
附图标记列表
1 运输工具部件
2 定位单元
3 组装位置
3’ 标称组装位置
4 位置测量系统
5 力传感器
6 仿真模型
7 安装点
8 数据库
9 物理生产系统
10 状态传感器
11 数据存储器
12 状态数据
13 识别和配置数据
20 多代理系统
21 运输工具部件代理
22 定位代理
23 神经网络
24 生产模型
30 基于计算机的控制系统
50 生产系统
100 航空器
M 方法
M1 方法步骤
M2 方法步骤
M3 方法步骤
M4 方法步骤
M5 方法步骤
M6 方法步骤
M7 方法步骤

Claims (15)

1.一种用于自动组装运输工具部件(1)的生产系统(50)，该生产系统(50)特别地用于自动组装航空器或航天器(100)的结构部件，该生产系统(50)包括：
具有状态传感器(10)的运输工具部件(1)，每个状态传感器(10)被配置成确定相应的运输工具部件(1)的状态数据(12)；
定位单元(2)，其被配置成在安装点(7)处夹紧相应关联的运输工具部件(1)并且将所述相应关联的运输工具部件(1)移动到组装位置(3)；
位置测量系统(4)，其被配置成确定每个运输工具部件(1)的所述组装位置(3)；
力传感器(5)，其被配置成在所述组装位置(3)确定每个被夹紧的运输工具部件(1)在所述安装点(7)处的反作用力和力矩中的至少一种；以及
基于计算机的控制系统(30)，其与所述运输工具部件(1)的所述状态传感器(10)、所述定位单元(2)、所述位置测量系统(4)和所述力传感器(5)进行数据通信，并且被配置成基于所述运输工具部件(1)的确定的状态数据(12)、确定的组装位置(3)和确定的反作用力和力矩来控制所述定位单元(2)。
2.根据权利要求1所述的生产系统(50)，其中，所述基于计算机的控制系统(30)包括多代理系统(20)，所述多代理系统(20)包括定位代理(22)，所述基于计算机的控制系统(30)被配置成通过相关联的定位代理(22)主动控制每个定位单元(2)。
3.根据权利要求2所述的生产系统(50)，其中，所述多代理系统(20)还包括运输工具部件代理(21)，所述基于计算机的控制系统(30)被配置成通过相关联的运输工具部件代理(21)主动控制每个运输工具部件(1)。
4.根据前述任一项权利要求所述的生产系统(50)，其中，每个运输工具部件(1)都与数据存储器(11)进行数据通信，所述数据存储器(11)被配置成存储相应的运输工具部件(1)的所述状态数据(12)以及识别和配置数据(13)。
5.根据权利要求4所述的生产系统(50)，其中，所述数据存储器(11)在相应的运输工具部件(1)中实现。
6.根据前述任一项权利要求所述的生产系统(50)，其中，所述状态数据(12)包括载荷数据、应力数据、应变数据、结构健康数据、接近数据和环境数据中的至少一种。
7.根据前述任一项权利要求所述的生产系统(50)，其中，所述状态传感器(10)包括测力传感器、应力计、应变计、结构健康监测传感器、接近传感器和环境传感器中的至少一种。
8.根据前述任一项权利要求所述的生产系统(50)，其中，所述力传感器(5)包括安装到所述定位单元(2)上的测力传感器。
9.根据前述任一项权利要求所述的生产系统(50)，其中，所述位置测量系统(4)包括激光跟踪器。
10.一种用于控制用于自动组装运输工具部件(1)的生产系统(50)的方法(M)，所述生产系统(50)特别地用于自动组装航空器或航天器(100)的结构部件，所述方法(M)包括：
在安装点(7)处使用相应关联的定位单元(2)夹紧(M1)每个运输工具部件(1)；
使每个运输工具部件(1)与所述相应关联的定位单元(2)移动(M2)到组装位置(3)；
使用位置测量系统(4)确定(M3)每个运输工具部件(1)的所述组装位置(3)；
在所述组装位置(3)使用力传感器(5)确定(M4)每个被夹紧的运输工具部件(1)在所述安装点(7)处的反作用力和力矩中的至少一种；
使用设置在每个运输工具部件(1)处的状态传感器(10)确定(M5)每个运输工具部件(1)的状态数据(12)；
在基于计算机的控制系统(30)与所述运输工具部件(1)的所述状态传感器(10)、所述定位单元(2)、所述定位测量系统(4)和所述力传感器(5)之间进行数据通信(M6)；以及
基于所述运输工具部件(1)的确定的状态数据(12)、确定的组装位置(3)和确定的反作用力和力矩，使用所述基于计算机的控制系统(30)控制(M7)所述定位单元(2)。
11.根据权利要求10所述的方法(M)，其中，所述基于计算机的控制系统(30)通过所述基于计算机的控制系统(30)的多代理系统(20)内的相关联的定位代理(22)主动控制每个定位单元(2)。
12.根据权利要求11所述的方法(M)，其中，所述基于计算机的控制系统(30)通过所述多代理系统(20)内的相关联的运输工具部件代理(21)主动控制每个运输工具部件(1)。
13.根据权利要求10至12中任一项所述的方法(M)，其中，共同控制所述定位单元(2)，以使所述运输工具部件(1)的确定的组装位置(3)与所述运输工具部件(1)的标称组装位置(3’)之间的偏差最小化。
14.根据权利要求13所述的方法(M)，其中，考虑所述运输工具部件(1)的确定的状态数据(12)和所述运输工具部件(1)在所述安装点(7)处确定的反作用力和力矩来使所述偏差最小化。
15.根据权利要求13或14所述的方法(M)，其中，基于表示所述运输工具部件(1)和所述定位单元(2)的行为的神经网络(23)来使所述偏差最小化。
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