CN1213999A - 确定性翼梁装配 - Google Patents

Abstract

公开了制造飞机翼梁(30)的方法和装置。该装置包括用来夹持翼梁腹板(45)的夹具(52),以便由精密数控机床(85)进行钻孔和修整。装置还包括用来将一对翼弦(40,42)定位在腹板(45)上的翼弦工具(95)。该方法的步骤包括,在夹具(52)上使翼梁腹板(45)定位,确定腹板(45)在装置(52)上相对于固定的已知位置的实际位置,根据确定步骤的结果校正机床(85),在腹板(45)上钻出翼弦定位工具的坐标孔,通过紧固件穿过坐标孔和腹板(45)上的相应坐标孔,而将翼弦工具(95)临时安装到腹板(45)上,将上下翼弦(40,42)支承在翼弦工具(95)上,将翼弦(40,42)夹紧到腹板(45)上,然后由穿过相应孔的紧固件,把翼弦(40,42)紧固到腹板(45)上。

Description

确定性翼梁装配

本申请涉及由David Strand,Clayton Munk和Paul Nelson于1996年3月22日申请的名称为“确定性机翼装配”的第60/013,986号美国临时申请。

技术领域

本发明涉及以严格公差装配翼梁和翼肋的方法和装置，更具体地说，本发明涉及以从未有过的高精度装配翼梁和翼肋的方法和装置，从而制造出与原始工程设计极其一致的机翼部件，并且显著地降低工具成本。

背景技术

用以将飞机的翼梁和翼肋装配成特定形状的传统制造技术，依赖于固定的“结构加固点”(“hard point”)加工技术，它采用地面装配夹具和型板将具体结构零件定位并临时紧固到一起，以使各零件相互间正确定位。这种传统的加工原理通常需要一些用来制造每一组件的主装配工具，还需要两个大型的翼梁装配工具(左右各一个)，在此将组件组装成翼梁。

装配工具旨在精确地反映产品的原始工程设计，然而，采用传统的工具原理，用工具确定出最终组装件的形状，在产品的原始设计和工具最终制造之间有许多的步骤。因而通常的情况是，作为最终制造的工具生产出尺寸不合格的翼梁或机翼元件，对这些翼梁或机翼元件，如不进行大量的、耗时和费钱的手工劳动，以校正工具带来的误差，它们就将超出其原始设计的尺寸公差。更为严重的是，由于经受了在工厂中常会遇到的苛刻的使用条件，最初建立在公差范围内的工具会超出公差范围。另外，工厂中由温度变化而引起的尺寸的变化，也会使在工具上加工的最终产品产生尺寸变化，尤其是当工具和翼梁的热膨胀系数之间存在较大的差异时，例如在通常情况下设备由钢制造而翼梁元件由铝制造时，情况更是如此。由于飞机结构尺寸一般都控制在0.005英寸的范围内，因此温度所引起的尺寸变化可能是很明显的。

对工具上的部件进行手工钻孔会使孔不够圆；或者当钻具相对于部件有一个与部件不够垂直的角度时，钻出来的孔不垂直于部件表面，以及当钻具抖动地进入部件时，钻出来的孔不够直。当部件固定在不圆的孔中时，部件可能偏离其预定的位置；在不圆的孔中，孔与紧固件之间不均匀的压配合将使圆孔的强度和疲劳寿命降低。在翼梁组装时产生的公差，可能会造成较比原始的设计尺寸明显增加，尤其是当部件的一端定位在工具上，迫使部件上的所有尺寸变化都向一个方向发展，而不是将部件的中心定位在真实的预定位置上时更是如此。

通常采用高度压配的紧固件和/或装入到冷加工孔中的紧固件，来使翼梁部件紧固到一起。这和压配的紧固件，例如铆钉和锁定螺栓，以及冷作的紧固件孔都会在孔周围的金属中产生应力模型，这会提高装配连接的疲劳寿命。但是，这种长的应力模型线会造成组装件尺寸的增长，主要是沿着其纵向方向伸长，而且伸长了的部件还会引起变形，即沿其长度呈香蕉状。试图限制组装件防止部件发生这种变形的种种努力一般都没有效果，因而至今为止最成功的技术是试图预测变形发生的程度，并把它考虑在部件的原始设计中，试图使装配件变形后的形状接近于设计中所预计的形状。然而，由于在紧固件的安装和孔的冷加工中自然会发生各种变化，这种预计只是近似的，因而在最终装配件的形状上通常会有某种程度的不可预见性。因此，长久以来一直在寻求一种在把预装件固装到最终的装配件上之前，消除其变形影响的方法。这种方法在翼梁的制造中，以及在飞机的其它部件的制造中，将具有极高的价值。

翼梁的主要工具的制造和将它们维持在公差范围内是非常昂贵的，并且需要很长的设计研制和制造时间。即便是空气动力学已经有了新的发展，制造翼梁装置的巨大成本和长久的研制时间，仍是重新设计现有型号飞机机翼的极大障碍，这是因为新的设计需要重新制造翼梁工具。一种自动钻孔、装入并拧紧紧固件的现有系统，公开在由Banks等人提出的美国专利5,×××,×××号中，其名称为“翼梁的自动装配工具”。它能够精确地制造出翼梁，但也是一个建造和维护都很昂贵的系统。

某些航空顾客有一些无法由现有型号飞机来满足的特殊要求，能够为这些客户快速地设计和制造定制机翼的翼梁的能力，将使得飞机机架制造商们具备极富竞争性的优势。目前，这种能力尚不具备，这是因为机翼和翼梁的专用工具，以及这些工具所需的工厂地面空间，使得“设计机翼”的成本过于昂贵。然而，用来制造某一特定型号的标准翼梁的同一套工具，如果能够快速和容易地转变为用于制造满足客户特殊要求的定制机翼的翼梁，然后还能够转变回到标准型号或转到另一种定型机翼的设计，那么，提供给客户的飞机就可以装有专门优化的机翼，以满足这些客户的特殊要求。新机翼唯一增加的成本可能是设计，或许还有某些最现代化的加工头部和其它的对机翼来说可能是专用的低成本工具。

使用常设工艺设备(hard tooling)进行制造加工的缺点是固有的。尽管通过严格的质量控制技术可以减少这些缺陷，但在使用常设工艺设备制造大型机械结构时，在一定程度上总存在这些缺陷。目前已发明了用于机身制造的确定性装配工艺，它通过自身定位具体零件代替结构加固点设备，通过这些零件自身的尺寸，和结合在这些零件设计中的某些坐标特征，来确定装配件的形状。由Micale和Strand提出的，名称为“翼板和机身装配”的美国专利5,560,102号所述的这种新工艺已经表明，该工艺能够以最少的二次加工制造出更加精确的装配件。确定性装配工艺应用在飞机翼梁的制造中将会是较好的工艺方法，它免除或减少了常设工艺设备的使用，通过减少部件的可变性而提高了工厂的生产能力和产品的质量，并且降低了生产成本，以及在迅速作出设计变化方面能够为其客户提供灵活性。这些改进对于飞机机架制造商和它们的客户来说，将是极大的幸事，并且提高了制造商在市场中的竞争地位。本发明是实现该过程的重大步骤。

发明目的

因此，本发明的目的在于提供一种由柔性或半柔性的零件和预装件，根据原始的工程设计而不是根据工具来制造长的、大的和重型的装配件，例如飞机翼梁和翼肋的制造方法。

本发明的另一目的在于提供一种制造飞机翼梁和翼肋的方法，它利用零部件内在的特征，使它们能够自身定位和确定出装配件的尺寸和形状，而不是使用传统的工具来确定部件之间的相对位置和装配件的形状。

本发明的另一个目的在于提供一种制造飞机翼梁的系统，它比现有技术的系统具有更高的内在精度，在它制造出的构件中，各个组成零件更为精确地定位在该结构中，其制造公差与工程设计所规定的公差更为一致。

本发明进一步的目的在于提供一种制造飞机翼梁的系统，与现有技术的传统技术相比，它更快、更灵活、成本更低、以及要求较小的工厂空间和较少依赖于工人的技术，就能制造出在工程设计规定的公差范围内的产品。

本发明另外进一步的目的在于提供一种方法和装置，它有助于提高飞机翼梁制造的精度和一致性，进而能够使将要建造的飞机机翼满足原始工程设计的公差规定。

本发明更进一步的目的在于提供一种制造飞机翼梁的方法，它包括一系列的操作步骤，用于当翼梁或翼梁元件由于操作而产生变形之后，例如在装入了压配紧固件而使翼梁或翼梁元件变形之后，将一些关键的特征加到具体的零件上。

本发明的这些和其它的目的通过这样的一个系统而实现，它由柔性或半柔性的零件装配出翼梁和其它长的、大的和重型的装配件，其装配方法利用了具体零件的关键特征之间的空间关系，这些关键的特征表示为坐标特征，例如由精密的数控机床利用来自于产品原始工程设计的数字数据，而在零件上钻出的或加工出的孔和加工面。因而使得这些零件和预装件以其自身的内在因素确定出翼梁的尺寸和形状。

附图说明

在结合附图阅读了下面关于最佳实施例的详细说明之后，本发明以及它的目的和优点将变得更加清楚。其中：

图1～图6是顺序示意图，按顺序表示本发明装配飞机翼梁的过程中，在翼梁腹板和其它元件上进行的主要的装配步骤，这些元件被支承在图8所示的一排立柱上；

图7A是按照本发明的方法和设备制造的翼梁的立体图；

图7B是图7A所示翼梁内侧端放大的立体图；

图8是按照本发明的翼梁装配构架的示意性立体图；

图9是图8的翼梁装配构架的俯视图；

图10是图8所示的在折点区翼梁装配构架一侧的俯视图；

图11是图8所示的翼梁装配构架的局部立体图；

图12是图11中的一个立柱的立体图；

图13是图11中所示的带有翼梁腹板支承臂的一个立柱的立体图；

图14是略微变型的翼梁支承立柱的立体图，表示翼弦临时定位器上的夹具；

图15是类似于图14的视图，但为了表示清楚图中去掉了翼梁腹板；

图16是图15的局部放大视图；

图17是图14所示结构右后侧的立体图；

图18是图17局部放大的视图；

图19是图18所示结构左后侧的放大立体图；

图20是将翼弦夹持在翼梁腹板顶、底边缘的内侧位置上的翼弦定位工具立体图；

图21是图20所示的翼弦定位工具略微变型形式的侧视图；

图22是类似图21所示的一个翼弦定位工具的顶部放大侧视图，但它具有设置成不同角度的翼弦基准面，该角度对应于翼弦沿其长度在不同位置处的角度；

图23是翼弦定位工具顶端的侧视图，在其枢轴安装的垫块上具有翼弦的定位基准面；

图24是图22所示结构的侧视图，其中的夹具处在打开状态；

图25是翼弦定位工具底端的放大侧视图；

图26是图25所示翼弦定位工具底端的放大立体图；

图27是用于将翼弦在X方向定位的定位工具的侧视图；

图28是图27所示的翼弦X向工具端部的立体图；

图29是图8所示的，用来进行夹紧、钻孔和装入紧固件操作的端部操纵装置的立体图，它装在立式铣床上并完成紧固工作；

图30是把来自于产品数字设计的数据，转换成用以完成一些装配工作的机床控制器指令的计算机系统和方法的示意图；

图31是图8-11中所示的枢轴转动底板从顶部观察的立体图；

图32是图31的枢轴转动底板从底部观察的立体图；

图33是图10、11和13所示支承臂的立体图；

图34是装在图33支承臂远端上的定位组件的立体图；

图35和36是图34的定位组件在不同装配阶段时的立体图。

最佳实施例描述

现在参照附图，相同的参考标号表示相同的或相应的元件。本发明用其最佳实施例即装配飞机翼梁的方法加以描述。然而可以预料，本发明可以应用于将一些元件装配成大型的组件，装配时通常需要遵循一套所要求的尺寸公差、最终产品的形状和尺寸的技术规范。本发明尤其涉及到一些或全部的元件或预装件都是挠性的或半挠性的装配方法。

本发明早期实施例描述于1996年3月22日提交的临时申请60/013986中，名称为“确定性机翼装配”。这里所述的本发明的实施例是最佳实施例，而且我们确信它是实施本发明方法的最佳形式。但是应当理解，本发明的范围包含了这些实施例以及它们的其它的变型和改变形式。这些变型和改变是本领域的技术人员根据这两个实施例进行的。

首先，结合附图1-6简要地概述本发明的装配方法在翼梁装配构架中的应用，图中表示了本发明的确定性翼梁装配方法的主要步骤。在这一简要概述之后，对该方法以及实现该方法的翼梁装配构架将作详细的描述。

为了对下面所要描述的本发明的方法和设备提供说明，首先对典型的飞机翼梁加以描述。一般来说，飞机的机翼包括两个沿着机翼的纵向，或者说“翼展”方向(“Spanwise”)延伸的翼梁30，它们在“翼弦”方向(“Chordwise”)相互间隔开。其中的一个翼梁称作“前”翼梁，位于机翼的前缘附近；另一个称作“后”翼梁，位于机翼的后缘附近。翼肋沿着翼弦方向在两个翼梁30之间延伸，并被固定到图7A和7B所示的垂直的肋柱35上，这些肋柱附着和密封在翼梁30上，并由一些紧固件固定在那里。上翼弦40和下翼弦42是附着和密封到翼梁腹板45的上缘和下缘，并由一些紧固件固定在那里，例如用铆钉，螺栓，锁紧螺钉，锁定件(Hi-Locks)等，这些都已广泛地用于航空工业中，并且都是广为公知的和可靠的。这些紧固件在这里将统称为“螺栓和/或铆钉”，这里所用的这一术语意味着：紧固件可能都是螺栓，或者都是铆钉，或者是螺栓和铆钉的组合。当然，本发明并不局限于使用这些传统的紧固件，应当理解，也可以使用已发明的其他紧固件，用以取代传统的紧固件。

上翼弦40和下翼弦42各自具有一个固定到翼梁腹板45上的垂直凸缘，还有一个呈角度的上凸缘和下凸缘，上翼板和下翼板就分别连接到上凸缘和下凸缘上。翼弦40,42在腹板45上的垂直位置是很重要的，因为它决定了在翼梁30处上、下翼板之间的间距。同样，肋柱35在翼梁上的位置也是重要的，因为它决定了翼肋的位置，翼肋的位置随后又决定了翼板的廓形。如图7A和7B中所示，在大多数的翼梁上可以见到在轴线“K”处的弯曲部或称“折点”(“Kink”)46，由此使翼梁符合机翼壳体前、后外缘的设计位置。

在前、后翼梁之间和上、下翼板之间所确定的空间，也就是由机翼壳体的外部结构元件所确定的空间，通常用作飞机的燃料箱，因此翼梁的内表面通常被称为“湿侧”(“Wet”)，而翼梁的外表面则被称为“干侧”(“dry”)。本文也将使用这一通称。肋柱35连接在翼梁的湿侧，一些垂直的加强肋47附着和密封在翼梁腹板45的干侧，并由一些紧固件固定。在上述的临时申请60/013,986和同时提交的相应的PCT申请中，可以看到有关飞机机翼结构以及连接到翼梁上的一些附属元件的更为完整的说明。

本发明的装配飞机翼梁30的装配方法，开始于配置一条如图8和图9所示的，可重新构成的装配构架50，它是针对要在该装配构架50中进行装配的特定尺寸和设计的翼梁而配置的。如图10和图11的示，装配构架有一排安装在导轨54上的立柱52，这些立柱可沿着平行于翼梁30平面的x方向运动，以便将它们定位在翼梁纵向上所要求的位置上。二个或多个横向定位装置，例如图12和图13所示的横向定位件(“Pogo”)装置56安装在每个立柱52上，以确定翼梁腹板45在装配构架50中沿z方向的横向位置。如图10和图11所示，沿着这排立柱，支承臂60连接到选择出的一些立柱52上，以承载腹板45的重量。将其中一个支承臂60端部上的主定位销64装入到预先钻在腹板45上的配合孔中，以便将腹板沿着x和y方向精确地定位在立柱上，腹板的取向如图14中所示，纵向呈水平而横向呈竖直。在另外一些支承臂60上的辅助定位销66也与配合孔相配合，以便垂直地支承着腹板，这些配合孔也预钻在腹板45上。如下面将要详细描述的，辅助定位销66沿水平方向是顺从的，以适应由于紧固安装所引起的腹板45在纵向上的伸长。横向定位件56端部上的真空杯70中的真空作用，将腹板45吸附在真空杯70中的前表面72上，以使腹板在横向z上定位于由延伸的横向定位件56所确定的位置上。

在装配构架50中还提供了一台在导轨77上沿纵向运动的机床，例如图8和图9中所示的计算机数控(CNC)立式铣床75。立式铣床75有一个延伸臂80，可以驱动臂80在立式铣床75的主体上沿垂直方向，即y方向以自身平行的方式移动，它也可以沿纵向延伸。如下文所述的，如果装配构架的两侧各有一排立柱，那么应当使立式铣床75的立柱能够围绕其垂直轴线转动，这样就可以使立式铣床在装配构架的一侧上进行加工，而工人则在另一侧上安放元件、取下装好的翼梁或进行其它的手工操作。另外，臂80还有能够围绕臂80的轴线转动的肘节，它还可以侧斜。在肘节远端上的一个抓持装置具有机械的和动力的连接关系，以使一个或多个端部操纵装置85定位和为这个端部操纵装置供能，以便完成装配构架50中所需的各种功能。这些运动轴线使得立式铣床75能够将端部操纵装置定位在臂80活动范围中的任何所需的位置和方向上。

所示的立式铣床75是由Ingersol铣床公司提供的，但也可以使用其它的机床，例如，装有5轴工具的Henri Line龙门机床，或由伊利诸斯州，Machesney Park的Pegard Products公司制造的6轴“Aeroflex”定位机。所需的性能是主轴定位的可重复性和精度，在本例中精度约是±0.005英寸，并且在机床控制器控制下所进行的工作可以编制程序，该程序包含了来自于工程机构关于机翼和机翼元件的数字产品设计数据，这样，由数字产品设计所规定的坐标特征就可由机床75精确地和可重复地加以实现。这两方面的性能使得机床75能以精确的精度将产品数字设计所确定的坐标特征，例如孔和加工面的坐标，实现到元件、部件和组件上。这些坐标特征用来使销定和夹紧的零部件相互定位，因而免除或大大减少了先前为了使零部件相互定位而所需使用的常设工艺设备。于是这些坐标特征确定了组件中的各零部件的相对位置，不依赖于大部分常设工艺设备，从而也确定了组件的形状和尺寸。

在为当日所要制造的翼梁的装配构架配置完毕之后，就如图1所示，将上、下翼弦40、42装载到悬装在横向定位件56上的临时定位器90上，以将翼弦固定在翼梁腹板附近，并准备传送到腹板45。应注意，为了方便起见，翼梁30是倒置装配的，这是因为翼梁的下缘是张开的，在下缘的内侧端翼梁变得较宽，因而翼梁倒置着装配可以减小脚手架到达的范围，在装配时为达到翼梁上部的零件，工人可能需要这些脚手架。因此，图中示出的“上”翼弦40位于下部，“下”翼弦42位于上方。用位于定位器90上下端的过心夹具92，使上、下翼弦40,42在临时定位器90上保持就位。在翼弦40,42垂直凸缘的与腹板45相接触的接合面上涂以密封剂。腹板45放在支承臂60的定位销64和66上，并由真空杯70中的真空作用吸靠在横向定位件56的前表面72上。

上、下翼弦40、42沿着腹板45的上、下缘在y方向中的位置是由一系列的翼弦y向工具95确定的，每个y向工具95通过一对装在翼弦工具坐标孔中的定位销100,102定位在腹板45上，而翼弦工具坐标孔则是由CNC立式铣床75以极高的位置精度事先钻在腹板45上。如图2和图20-25所示，每个翼弦工具95的顶端和底端分别装有夹具105,107。图20中所示的翼弦y向工具95上的夹具略微不同于图21-25中所示的夹具，这表示可以使用不同类型的夹具。如图22所示，上夹具105具有基准面110和112，用于将下翼弦42精确定位在腹板45上的正确的垂直位置。同样，下夹具107具有基准面114和116，用于将上翼弦40精确定位在腹板45上的正确的垂直位置。如图23和图25所示，基准面112和114可位于垫块113和115上，而垫块113,115则枢轴连接到翼弦y向工具上，以适应翼弦上、下凸缘的角度。

如图23所示，将翼弦40,42从临时翼弦定位器90移送到y向工具95上，并通过打开的翼弦夹具使翼弦靠近翼弦基准面和靠近翼梁腹板45的位置，将临时翼弦定位器90滑动到横向定位件56上，一直到翼弦与腹板45相接触为止。释放临时翼弦定位器90上的夹具92，并且如图28所示，将翼弦x向工具121中的定位销118和112对准翼弦40、42上预先钻好的坐标孔中，由此使翼弦40、42在x方向上精确定位。翼弦x向工具121通过定位销122和124预先连接到腹板45上，定位销122,124延伸进入腹板45上精确钻削的坐标孔中，这些坐标孔与用于“y”向工具95的坐标孔由立式铣床75同时钻出。

现在把由翼弦x向工具121沿x方向精确定位的翼弦40、42推到抵靠y向工具95的基准面110～116的位置，以使翼弦40,42相对于腹板45的上、下缘在y向上精确定位。通过y向工具的夹具105和107使翼弦40,42抵靠基准面110-116固定就位。

现在进行一个检测程序，以调整立柱52和支承臂60在翼梁腹板45和翼弦40,42重量下的挠曲。装在立式铣床臂80上的一个探测头对主定位销64和一个或多个辅助定位销66进行检测，以确定出它们的实际位置。为了这一目的，合适的探测头可以是由纽约州，Onendagua的Renishaw公司制造的MP6型Renishaw牌触感探测头，当然也可以使用来自其它渠道的其它探测头。立式铣床75的控制器利用探测头所确定的定位销的实际位置，去校正控制器中的元件程序，使之与立柱52上的元件的实际位置相适应。

如图1，图3-7和图29简要表示的，现在用端部操纵器85将翼弦固定到腹板45上。如图8所示，端部操纵器85由立式铣床臂80承载并沿着腹板45定位。端部操纵器85上的夹具130具有一个C形架132，其远端有一个支座134，该支座与翼弦40,42的垂直凸缘在翼梁的“湿侧”相配合。在C形架132的另一端，有一个与上述支座对准的压柱136，它与翼梁腹板45的另一侧相配合，并且在气缸的作用下施加1000-1500磅的夹紧力，以便在钻孔和插入紧固件的过程中将翼弦夹紧到腹板上。装在端部操纵器85中位于压柱136后面的控制频率的主轴电机，驱使钻头转动和进送，穿过压柱136中的开孔进行钻孔，而钻屑则通过真空软管142吸走。然后钻削主轴回缩，装在支座134后面的孔探测头144穿过支座134中的开孔，对腹板和翼弦凸缘上钻通的孔进行检测。如果钻孔的质量符合预定的标准，一个往复运动件就移到压柱的后面，使紧固件送进保持器与新钻的孔对准，并且通过输送线148将一个压配的紧固件输送到保持器。气锤将该紧固件击入孔中。然后压柱松开并移到下一个紧固位置。用型锻制出的垫圈或螺母将紧固件固定，由工人在装配构架50的外侧进行，在这里不会有受到装配构架50中立式铣床75伤害的危险。当立式铣床75靠近翼梁30上的翼弦y向工具95时，工人还要卸下y向工具95。

当上、下翼弦40,42的所有紧固件安装好后，由这些压配紧固件所施加的径向和纵向的压缩载荷所引起的翼梁的长度变形就基本上完成了。当肋柱和加强件紧固到翼梁上时，将安装另一些紧固件，即便这些操作产生了翼梁的长度变形，也可以在安装完成后调整这一变形。

当连接好两个翼弦40,42之后，立式铣床使用同一个端部操纵器85或专门的只钻孔的操纵器，钻出加强件和肋柱的坐标孔。如下所述，在用于飞机制造的工程依据中，翼梁的主数字模型150，确定了肋柱和加强件的坐标孔的位置，以及从这个主数字模型150可以得到用以控制立式铣床75运动的零件加工程序。

根据加强件和肋柱的安装位置，可以使用两个不同的安装程序。如图7A，7B所示，翼梁30在内侧端处的高度远远大于翼梁大部分长度处的高度。如图5,6所示，夹具C形架的弯部的深度，足以使夹具能够到达翼梁30纵向中心线的位置。端部操纵器85的重量受到C形夹具弯部深度的影响。弯部越深就需要较重型的C形夹具，所有的立式铣床对于其支承臂80端部上所能承载的重量都有重量限制。一个带有C形夹具的端部操纵器85，其夹具的弯部深度足以能使端部操纵器的加工线，在翼梁内侧端也能到达翼梁中心线的位置，如果该端部操纵器的重量超过重量极限，那么，如下所述，内端肋柱35和加强件47的安装将采用半自动的方法。

加强件47和肋柱35在制造时就预先钻有坐标孔，或者在专门夹具上钻出坐标孔。这些坐标孔与端部操纵器85在腹板45上钻出的坐标孔位置相对应。当肋柱35或加强件47上的坐标孔与腹板45上的相应坐标孔相互对准时，该零件便按照由数字模型所表示的工程设计要求，以极高的精度定位在腹板45上。

在腹板上，对于C形夹具的弯部范围所达到的那部分零件，这些肋柱或加强件的凸缘在与腹板45相接触的接触面上涂有密封剂，并且使用紧固件(clecos)或其它一些可拆卸的临时紧固件将它们临时固定到腹板上。对于以这种方式临时精确定位的零件，象前面对翼弦40,42所述那样，由立式铣床臂80使端部操纵器85定位，以便将零件凸缘夹紧在腹板上，钻削紧固件孔并插入紧固件。夹紧力足以使多余的密封剂挤出，密封剂可能会堵塞钻屑的真空抽吸系统，因而钻屑上不会粘有密封剂，并可防止层间毛刺刺入零件35或47与腹板45之间。

上面提到的半自动方法使用相同的坐标孔钻孔工序，用以确定上述肋柱35和加强件47的位置。然而，由于端部操纵器夹具132的C形架的弯部深度，不足以使该操纵器的中心线到达内部紧固件的位置，因此就不得不在没有充分夹紧的情况下钻孔，因此可能会发生层间毛刺。于是，使用紧固件(clecos)或类似物将零件临时紧固到腹板45上，并通过端部操纵器85或另外的只钻孔的操纵器钻出紧固件的孔。然后将紧固件(clecos)取下，并对零件和腹板去除毛刺。将密封剂涂到接触面上，然后用紧固件或类似物再次将零件临时紧固到腹板45上。用气锤使压配紧固件插入到孔中，再按照前述的相同方式用型锻的垫圈或螺母紧固紧固件。因为由压配紧固件的插入所造成的翼梁长度的伸长此时已基本结束，现在可以对某些关键部件的位置进行检测，并用装配翼梁的实际尺寸更新元件程序。对于连接降落齿轮主梁的两个安装件和某些其它安装件，例如襟翼支承件和副翼铰接线支架，使用更新的元件程序，就能够以极高的精度钻出坐标孔，完全不受装配过程中长度伸长的影响。现在翼梁装配完毕，用吊车将它从装配构架上卸下，并送至机翼装配线，以便装配到机翼中。

数字产品设计或数字模型150是某一产品最高的工程依据，在本例中，该产品就是某一特定型号的飞机。在计算机辅助设计程序中，它以数字模型150的形式存在于主计算机152中，其包括所有的尺寸、公差、材料和完全确定出该产品的各项加工工序。来自模型150的尺寸数据在文件中提供到数控(NC)程序员或自动翻译器，在这里用这些数据产生出一个数据集154和加工指令，例如：刀具的类型和尺寸、进给速度和立式铣床75的控制器为了控制臂80的操作所使用的其它信息。数据集和加工指令发送到一个后续处理器156中，在这里将它们转换成机器可读的文件158，将该文件传送到数据管理系统160，在这里进行存储以供立式铣床75的控制器162使用。一旦需要，文件158就通过电话线164或其它已知的通讯手段传送至机床的控制器162，以便在立式铣床75的操作中由控制器使用。

再回到图7A,9和10，翼梁中的弯曲处或折点46呈现一个角度，对于每种型号的飞机，该角度是不同的。为了能够在装配构架50上制造出几种不同型号的飞机的翼梁，折点46内端侧的立柱52都装在一个板172上，该板是枢轴安装的，以便围绕着垂直轴线172转动，轴线172与折点46的轴线“K”相重合。板170的上表面上有一对用来安放导轨54的平行槽174，导轨54上滑动地安装了大约六个立柱52。从板170的前内角伸出的机翼178的端部上有一个球形支座176，支座中装有一个球形的支承球，当板170下面的空气轴承将板170升起时，该支承球能使板170围绕着轴线172摆动。从板170的后末端突伸的一个接头180上有一个用来接纳定位销的精确的定位孔182，由此使板170能够定位在固定到地板上的另一个板上的精确的定位孔中。为了装配某一特定型号飞机的翼梁而配置的装配构架50，是一项简单的工作，只需利用空气轴承来移动板170，将它移到接头180上的定位孔182与地板上的定位孔相互对准的位置，然后关闭空气轴承，使板170下降并与地板牢固接触。板170是大约27英尺长、6英尺宽的铸铝板，其重量约5000磅，如图32所示，其底面上甚至还可带有X形的肋条结构。因此，板170的重量以及在接头182和机翼178处的连接，把它牢固地锚定在地板上。

当装配构架开始建立和准备时，如图12～15所示，要为每个立柱钻出一系列的定位孔185，每个孔对应了要在该装配构架50上组装的一种型号飞机的翼梁，于是通过将每个立柱52前面的接头190中的定位销187插入到适当的定位孔185中，就很容易设定该立柱52沿其轨道的位置。这些定位孔185都被适当地标注，以便于工人在组建装配构架时快速和准确地辨认。

通过伺服电机192的调整，设定好横向定位件56的垂直位置，伺服电机192驱动滚珠丝杆旋入到安装在立柱52的垂直导轨上的一个滑块中。立式铣床75对横向定位件56进行检测，以确认它们已经到达了正确的垂直位置，如果垂直位置不正确，就要调整伺服电机。

通过压缩气缸194的作用，横向定位件56完全延伸出来，定位杆196装在气缸194中。然后气缸排气，立式铣床75伸出它的臂80，与定位件56的前表面72相接触，将每个定位件56推回到所需的位置，此时启动一个气动锁定件200，将横向定位件56锁定在该所需位置。

支承臂60由定位销202定位在立柱52上，并且由紧固件204固定。如图33～36所示，在每个支承臂60端部上的端板206承载着一个用于定位销64和66的定位组件210。安设定位销64,66位置的第一个步骤是对端板206表面进行加工(“face off”)，即铣削端板206的表面，从而使端板位于装配构架50中的一个垂直平面和正确的横向位置上。用坐标孔中的定位销将垂直的鸠尾板槽212定位在端板206上，这些坐标孔预先就已钻在垂直鸠尾板212上，并且与立式铣床72在端板206上钻的相应坐标孔相互对准。如图36中清楚所示，鸠尾榫板215在其背面上有一个垂直的鸠尾榫，它的前表面上有一个水平鸠尾榫，为了进行垂直调整，板215装在垂直鸠尾板212中，板212上的垂直鸠尾榫装在板212的鸠尾槽中，当立式铣床臂80上的探测头确认了板212处于正确的y向高度时，就由顶端216将它锁定就位。水平鸠尾槽板218装在鸠尾榫板215的水平榫上，以进行平行于x轴的水平调整。将从鸠尾板218上连接和伸出的一个销220，安装到锁定块222中。定位销64和66的安装板224连接到该锁定块222上。锁定块222的下缘开有用以安放球形锁定销226的垂直孔，锁定销226向上穿过底板230中的相应的垂直孔，然后连接至锁定块222的下缘。在检测程序中，当装在立式铣床臂80上的触感探头检测锁定块222的位置时，锁定块222可以锁定在对着水平运动的位置上，然后，当翼梁30由于热膨胀和安装压配紧固件而纵向伸长时，锁定块222就可以沿x方向自由地水平移动。装有主定位销64的定位组件210上的球锁定销226则保持在它的锁定位置上，以建立起一个“x”参照位置，x轴从该位置开始伸长。

这样就公开了一种用于以高精度安装飞机的翼肋和翼梁的系统。体现在本说明书中的确定性装配原理，是利用了具体零件和预装件的关键结构特征之间的空间关系，这些关键结构特征规定在数字设计中，并且由坐标孔和其它的坐标特征表现，由数控工具利用来自工程依据的原始的零件设计数据将特征放入零件和预装件中，由此控制具体零件在预装件中的相对位置以及预装件之间的相对位置关系，使得零件和预装件能够自行定位。这一原理不再需要已在飞机机架工业中使用了数十年的传统的常设工艺设备，而且是第一次能够由结构中的零件自身，而不是由工具，来确定该结构的轮廓和结构中的相对尺寸，由此组装大型的、重型的、挠性和半挠性的机械结构。

用这种不再依靠固定工具的方式，现在组装翼梁时就可以补偿由于制造工艺，例如压配紧固件和冷加工，所产生的变形，从而在制造过程中，在前期工艺所造成的变形可能已经影响到其些关键构件在机翼上的位置和方向后，仍然可以将这些关键构件按照工程设计所规定的精确位置安装到机翼上。现在制造厂可以在CNC机床的实际范围内，制造由工程数据所提供的任何形状和尺寸的翼梁，并且比使用固定的工具制造得更快，更精确。传统的翼梁工具的制造和维护成本，以及用于这些固定工具的工厂地面空间的成本，都不再需要折旧和折算到飞机的成本中，而且现在能够制造满足特定用户的特殊需求的翼梁。

显然，本领域的技术人员根据本说明书可以对所公开的系统作出各种改进和变化。然而应当清楚地认识到，这些改进和变化，以及它们的等效形式，都将认为是属于下面权利要求书所确定的本发明的实质和范围内。

Claims (33)

1．一种精确地装配零件的方法，包括将上和下翼弦装配到腹板上以制造出翼梁，该方法包括：

将所述腹板沿着预定的空间方向、接近计算机数控(CNC)机床而牢固地定位在一个夹具上；

用探测器参照已知的固定位置检测腹板上的坐标特征，以确定所述腹板在所述夹具上相对于所述已知的固定位置的实际位置；

用所述探测器检测确定的所述坐标特征在空间中的实际位置，来校正含有所述坐标特征位置的机床程序；

钻出翼弦定位工具的坐标孔，即由所述机床利用校正过的机床程序，把安装在所述机床上的一个钻头引导到腹板上的安装翼弦定位工具的位置；

用穿过所述翼弦定位工具坐标孔的紧固件，将翼弦定位工具临时安装到腹板上，所述每个翼弦定位工具上都有上和下接触面，这两个接触面之间的垂直间隔与所述腹板上的所述翼弦要求的垂直间隔相一致；

以精确的位置精度沿着腹板的上、下缘，将上、下翼弦分别支承在所述翼弦定位工具的上、下接触面上；

在所述的边缘位置将上、下翼弦夹持到所述腹板上；

钻出贯穿所述上、下翼弦和所述腹板的紧固件孔，并在所述紧固件孔中装入紧固件；

将所述紧固件固紧在所述紧固件孔中，以便牢固地将上、下翼弦固定在腹板上；以及

拆下所述的翼弦定位工具。

2．如权利要求1所述的方法，进一步包括：对所述上、下翼弦的端部和所述腹板端缘进行修整，同时沿着预定的空间方向仍将上、下翼弦支承着，以便由于在紧固件与翼弦、腹板之间的压配造成长度伸长之后，将所述的腹板和翼弦精确地修整到所要求的长度。

3．如权利要求2所述的方法，其中，所述的钻孔和修整步骤使用了安装在所述机床上的钻头和切削刀具，利用建立在数字数据集基础上的加工控制程序，将所述的机床引导到钻孔位置和修整表面处，所述的数据集来源于零件的数字工程设计数据。

4．如权利要求1所述的方法，进一步包括：利用腹板上的翼弦定位工具的坐标孔，将肋柱安装到腹板上。

5．如权利要求1所述的方法，其中，所述的定位包括利用支承立柱上的销穿过所述腹板上的坐标孔，将腹板安装到所述支承立柱上，并且将所述腹板不可移动地夹持在支承立柱上。

6．如权利要求1所述的方法，其中，所述的检测包括：用装在所述机床上的检测传感器，测定所述支承立柱的关键的基准尺寸，以确认所述支承立柱的位置精度和所述机床的精度，进而确认装在所述支承立柱上的所述腹板，已符合计算机中存储的数据集，以及确定在对腹板进行钻孔和作业时，所述数据对该腹板所能允许的偏差量。

7．如权利要求1所述的方法，进一步包括：用所述机床在腹板上钻出肋柱的坐标孔，这些孔的位置配合所述肋柱上相应的坐标孔，因此当肋柱上和腹板上的坐标孔相互对准时，就使所述肋柱精确地定位。

8．一种精确地装配零件的方法，包括腹板上的上、下翼弦和肋柱，以制造出翼梁，该方法包括：

利用穿过腹板和支承立柱上的坐标孔的销，将所述腹板定位在支承立柱上，并将所述腹板不可移动地夹持在支承立柱上；

在腹板上钻出肋柱的坐标孔，这些孔的位置配合所述肋柱上相应的坐标孔，因此当肋柱上和腹板上的坐标孔相互对准时，就使所述肋柱精确地定位；

在所述腹板上的一些用于将翼弦定位工具安装到腹板上的位置，钻出翼弦定位工具的坐标孔；

用紧固件穿过上述的定位工具坐标孔，从而将翼弦定位工具安装到腹板上；

以精确的位置精度沿着腹板的上、下缘将上、下翼弦分别支承到所述的翼弦定位工具上；

在所述的边缘位置处将上、下翼弦夹紧到所述的腹板上；

钻出贯穿所述上、下翼弦和腹板的紧固件孔，并在所述紧固件孔中装入紧固件；

将所述紧固件固紧在所述紧固件孔中，以便牢固地将上、下翼弦固定在所述腹板上；

拆下所述的翼弦定位工具；

其中，所述钻孔是由安装在计算机控制的精密机床上的钻头和刀具完成的，利用直接来源于零件的数字工程设计数据的数据集，将所述机床引导到钻孔位置。

9．如权利要求8所述的方法，进一步包括：利用所述腹板上的所述翼弦定位工具的坐标孔，将所述的肋柱安装到腹板上。

10．如权利要求8所述的方法，进一步包括：用装在所述机床上的检测传感器测定所述支承立柱的关键的参照尺寸，以确认所述支承立柱的位置精度和所述机床的精度，进而确认载装在所述支承立柱上的所述腹板已符合计算机中存储的数据集的规定，以及确定在对腹板进行钻孔和作业时，所述数据对该腹板所能允许的偏差量。

11．一种制造翼梁的方法，包括：

将翼梁腹板挂在夹具上；

用装在数控机床上的探测器检测所述腹板，以精确地确定所述腹板上的多个关键坐标特征的空间位置；

用数控机床在所述腹板上钻出多个坐标孔，所述机床按照一个程序来运行，该程序结合了来自工程数据依据的机翼产品数字设计；所述的腹板坐标孔精确地定位在腹板上的预定位置上，这样上、下翼弦就能够以一定的垂直间隔定位到腹板上，所述的垂直间隔是由所述数字机翼产品规定的；

将所述翼弦夹紧到所述腹板上；以及

将翼弦在所述的预定位置紧固到所述腹板上，所述的预定位置是由数字机翼产品设计规定的。

12．如权利要求11所述的制造翼梁的方法，进一步包括：在所述的腹板由于肋柱位置前方的压配紧固件而发生变形后，在所述腹板上为肋柱钻出坐标孔。

13．如权利要求11所述的制造翼梁的方法，进一步包括：

在压配紧固件造成翼梁变形之后，对所述翼梁进行端部修整，使其长度符合于数字产品设计的规定长度。

14．如权利要求11所述的制造翼梁的方法，进一步包括：通过所述坐标孔将翼弦卡规安装到腹板上，所述翼弦卡规具有垂直间隔开一段距离的上、下基准面，所述的距离相等于数字机翼产品为所述上、下翼弦所规定的垂直间距，其中所述翼弦的垂直间隔等于该垂直间距；

将翼弦夹持到所述卡规上，以及

在所述的由所述数字机翼产品设计所规定的预定位置，将翼弦紧固到腹板上。

15．一种翼弦定位工具，用于将一对带有基准面的翼弦以所要求的一定垂直间距和位置定位到腹板上，包括：

延伸的主体，在该延伸主体的上、下端附近分别有上下接触表面；

在所述主体位置上的坐标特征，与腹板上的坐标特征相对应；这样，当主体和腹板上的坐标特征相互配准后，利用所述接触表面就将所述主体在所述基准面所要求的位置相对于腹板定位在腹板上；

因此，通过所述主体上的坐标特征与腹板上的坐标特征相互配准，所述主体就定位在腹板上，并且被固定在那里，并安放翼弦使其与所述主体的接触表面相接触，以便在要求的位置上使翼弦相互之间以及相对于腹板精确地定位。

16．如权利要求15所述的翼弦定位工具，进一步包括：分别连接在主体上、下端的夹具，所述夹具具有与所述翼弦相配合的、将所述翼弦夹持靠在所述主体的接触表面上的夹持臂。

17．如权利要求15所述的翼弦定位工具，进一步包括：

位于所述主体上的支座，用于在一些位置上不受阻碍地与腹板相接触；

因此，当所述的坐标特征相互配准时，以及当所述支座与腹板相接触时，所述主体就平行于所述腹板，并且所述主体固定在腹板上。

18．如权利要求17所述的翼弦定位工具，其中，在所述主体上的所述坐标特征，包括穿过至少一个支座的坐标孔，所述坐标孔的尺寸能够安放将主体临时地固定在腹板上的临时紧固件。

19．如权利要求15所述的翼弦定位工具，其中，

所述腹板是翼梁腹板，每个翼弦包括一个垂直凸缘和一个呈角度的凸缘，以及

所述主体的接触表面各包括一个垂直表面和一个呈角度的表面，当所述翼弦的垂直和呈角度表面，分别与所述主体的垂直和呈角度表面定位接触时，所述主体的这些表面就各自以其独特的方式使翼弦在要求的位置上定位。

20．如权利要求15所述的翼弦定位工具，其中，所述主体上的坐标特征和接触表面，是由所述机床使用来自所述数字产品设计的数据，在机床控制器控制下加工的。

21．一种装配飞机机翼元件的方法，机翼元件具有带上、下边缘的直立腹板和上、下翼弦，上、下翼弦在所述腹板上的预定位置和以预定的垂直间距连接到所述腹板的上、下边缘上，在所述的上、下翼弦之间确定了关键的机翼轮廓厚度，所述的机翼元件就安装在该轮廓空间中，所述的方法包括：

沿着预定的空间方向牢固地支承腹板，并且一个由计算机操纵的机床控制器控制的精密机床可以接近该腹板；

使用来自在所述零件的工程依据中的数字零件设计数据为所述控制器编制控制程序；

装载和运行所述的控制程序，以操纵所述的控制器和驱动所述的机床，用安装在所述机床上的切削工具在腹板上加工坐标特征；

使加工的所述坐标特征与翼弦上的坐标特征相互配准，以便在预定的位置将所述翼弦高精度地定位在腹板上；

在所述腹板的预定位置和以翼弦之间的预定的垂直间距，将翼弦夹紧到腹板上；以及

在所述的预定位置将翼弦紧固到腹板上。

22．如权利要求21所述的装配机翼元件的方法，其中，所述的将翼弦紧固到腹板上的方法包括：在机床的程序控制器的控制下，采用一个包含了所述数字机翼产品设计数据的、并且该数据确定了紧固件孔的位置的程序，由所述机床上的钻头钻出穿透所述腹板和翼弦的紧固件孔；以及

在所述孔中插入紧固件，并将紧固件紧固就位，以使翼弦紧固在腹板上。

23．如权利要求21所述的装配机翼元件的方法，进一步包括：在机床的程序控制器的控制下，用一个包含了所述数字机翼产品设计数据的、并且该数据确定了机翼产品长度的程序，由所述机床上的切削工具将所述腹板和翼弦修整到数字产品设计中所规定的元件长度。

24．如权利要求21所述的装配机翼元件的方法，进一步包括：

在完成了紧固步骤以及由于紧固步骤而造成机翼元件伸长之后，在机床的程序控制器的控制下，用一个包含所述数字机翼产品设计数据的、并且该数据确定了安装坐标孔的位置的程序，用所述机床上的钻头在所述的机翼元件上钻出至少一个安装坐标孔；这样，当所述的安装坐标孔与机翼中其它机翼元件上的相应的坐标特征相互配准时，就将所述的机翼元件定位在所述机翼中的一个位置上。

25．如权利要求21所述的方法制造出飞机机翼元件。

26．飞机机翼元件，包括：

直立的延伸腹板，它具有用来固接上、下翼板的上、下凸缘，所述凸缘上钻有安装坐标孔，用以将机翼元件相对于翼板精确地定位，以制成机翼壳体；

所述的安装坐标孔是在机床的程序控制器控制下，由机床上的钻头钻在所述凸缘上；所述的程序控制器用一个包含数字机翼产品设计数据的程序编程，该数据来自最终的工程依据，该工程依据确定了所述安装坐标孔的位置，以便当所述的安装坐标孔与翼板上的相应的坐标孔相互配准时，把所述的机翼元件相对于翼板定位在由数字机翼产品设计所规定的位置上。

27．如权利要求26所述的飞机机翼元件，进一步包括：

分别固接在腹板的上、下边缘处的上、下翼弦，所述的上、下凸缘分别是上、下翼弦的一部分，

在所述翼弦和腹板上的紧固件孔中延伸穿过的紧固件，用于将翼弦紧固到腹板上；

通过翼弦和腹板上的坐标特征的相互配准，使所述翼弦定位在腹板上。

28．如权利要求26所述的飞机机翼元件，进一步包括：

至少一个所述的紧固件孔被定位在所述腹板和翼弦上的公共坐标孔的位置上。

29．一种确定性装配的飞机翼梁，包括：

直立延伸的腹板；

由延伸穿过“翼弦-腹板”紧固件孔的“翼弦-腹板”紧固件，固接到所述腹板上的上、下翼弦；

由延伸穿过“肋柱-腹板”紧固件孔的“肋柱-腹板”紧固件，固接到所述腹板上的肋柱；

至少一些“肋柱-腹板”紧固件孔，与“肋柱-腹板”坐标孔在位置上相重合，所述的“肋柱-腹板”坐标孔是在机床的程序控制器控制下，由精密机床钻出，所述的程序控制器使用了一个包含数字产品设计数据的程序，该数据来自最终工程依据，该工程依据确定了所述“肋柱-腹板”坐标孔的位置，以便当所述的“肋柱-腹板”坐标孔与腹板上的相应的坐标孔相互配准时，把所述的肋柱相对于腹板定位在由数字机翼产品设计所规定的位置上。

30．如权利要求29所述的确定性装配的飞机翼梁，其中，在紧固之前，通过使翼弦上的坐标特征相对于在腹板上精确加工的坐标特征相互配准，使上、下翼弦相互之间以及相对于腹板定位。

31．如权利要求30所述的确定性装配的飞机翼梁，其中，所述翼弦上的和腹板上的坐标特征的相互配准，包括翼弦定位工具上的坐标孔与所述腹板上的坐标孔相互对准，以及翼弦定位工具上的接触表面与翼弦上的基准面相互配合。

32．如权利要求31所述的确定性装配的飞机翼梁，其中，所述翼弦的基准面包括上表面，该上表面与装配后的机翼壳体中的所述翼板相接触。

33．如权利要求29所述的确定性装配的飞机翼梁，其中，至少将多个所述的“肋柱-腹板”坐标孔用于所述翼弦定位工具的定位。

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