ES2863799T3 - Sistema y procedimiento automatizados para fabricar piezas de unión aeronáuticas - Google Patents

Sistema y procedimiento automatizados para fabricar piezas de unión aeronáuticas Download PDF

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Abstract

Procedimiento automatizado de fabricación de piezas de unión de ala que comprende: (a) fresar las piezas de unión de ala de aeronave con material sobrante (204); (b) escanear las piezas de unión de ala; (206); (c) utilizando por lo menos un procesador, comparar los escaneos de piezas con un modelo utilizando un algoritmo de B-Spline; (d) basándose en la comparación entre los escaneos de piezas y el modelo, generar un programa de fresado de trayectoria (208); para rellenar los huecos entre las piezas de unión de ala utilizando una nueva superficie generada utilizando un procedimiento de múltiples secciones a partir de B-Spline; y (e) fresar adicionalmente las piezas de unión de ala (210); utilizando el programa de fresado de trayectoria para eliminar el material sobrante, minimizando de este modo los huecos entre las piezas y eliminando una necesidad correspondiente de calzado para rellenar dichos huecos.

Description

DESCRIPCIÓN
Sistema y procedimiento automatizados para fabricar piezas de unión aeronáuticas
Referencia cruzada a solicitudes relacionadas
Ninguna.
Declaración referente a investigación o desarrollo patrocinados federalmente
Ninguna.
Campo
Esta tecnología no limitativa de ejemplo se refiere a métodos y sistemas para fabricar piezas, y más particularmente a algoritmos de posicionamiento y ajuste óptimos automáticos para el ensamblaje de piezas. Todavía más particularmente, la tecnología no limitativa de ejemplo se refiere a la utilización de algoritmos y técnicas de posicionamiento y ajuste óptimos para construir piezas de aeronaves incluyendo, pero sin limitarse a alas. Todavía más particularmente, la tecnología no limitativa de ejemplo proporciona un procedimiento y sistema informático que proporciona un proceso controlado por software que mide y genera automáticamente un programa de fresado para efectuar la conformación de la máquina para minimizar las calzas entre las piezas de unión.
Antecedentes
Las alas son superficies aerodinámicas que crean sustentación cuando se desplazan por el aire. Las alas pueden presentar muchos diseños, formas y configuraciones diferentes. Para lograr el peso y rendimiento deseados, las alas de aeronaves más grandes se construyen como estructuras huecas hechas de aluminio y posiblemente otros materiales. Véase la figura 1A. El revestimiento, normalmente láminas de aluminio finas unidas a la estructura del ala mediante remaches u otros elementos de sujeción, proporciona la superficie que está en contacto con el aire. Dentro de la estructura del ala, las nervaduras que discurren desde el borde de ataque del ala hasta su borde de salida (es decir, a través del ala) soportan el revestimiento y transfieren la fuerza desde el revestimiento hasta los miembros estructurales dentro de la estructura del ala tales como largueros y larguerillos longitudinales que discurren por la envergadura del ala. Véase Federal Aviation Administration, Aviation Maintenance Technical Handbook, vol. 1 (“Airframe”), capítulos 1 y 4, FAA-II-8083-31 (2012) https://www.faa.gov/regulaton_policies/handbooks_manuals/aircraft/amt_airframe_handbook/, para ejemplos de uniones de ala, que no forman parte de la presente invención.
En un ejemplo más específico, la figura 1 muestra una vista en sección transversal de un diseño de ala no limitante de ejemplo que incluye una unión de semiala de tipo junta de solape. La vista de la figura 1 muestra la estructura de semiala como si estuviera cortada desde arriba hasta abajo, observando por ejemplo desde el borde de ataque del ala hasta el borde de salida del ala, definiendo el revestimiento superior 52 la superficie superior del ala, y definiendo el revestimiento inferior 54 la superficie inferior del ala. Los huecos entre los revestimientos superiores derecho e izquierdo se muestran mediante 61 y los huecos entre el revestimiento inferior derecho e izquierdo se indican mediante 61'. El revestimiento superior 52 y el revestimiento inferior 54 se sujetan y se soportan mediante la estructura que incluye o consiste en calzas, una nervadura y empalmes. En particular, una nervadura 0 (56) conecta un elemento de perfil en T superior 58 que se une a la estructura de ala superior. De manera similar, un elemento de perfil en T inferior 60 une la nervadura 0 (56) a la estructura de ala inferior. La nervadura 0 (56) es la referencia de posición “Y” de la aeronave. Los elementos de perfil en T 58, 60 están unidos a su vez a los elementos de empalme 62, 64. Concretamente, el perfil en T superior 58 está unido a un empalme superior 62, y el perfil en T inferior 60 está unido a un empalme inferior 64. La nervadura 0 (56) sujeta por tanto la estructura de ala superior a la estructura de ala inferior, con elementos de empalme 62, 64 que retienen el revestimiento 52, 54 a los elementos de perfil en T 58, 60. Los elementos de empalme 62, 64 empalman entre sí diferentes piezas de la semiala formando una estructura integrada unificada.
Para evitar la tensión de corte y flexión, es deseable que prácticamente no haya hueco entre los empalmes superiores 62, 64 y la piel 52, 54. Por ejemplo, la figura 2 muestra una simulación con huecos 76, 78 entre las piezas de unión. En particular, hay un hueco 76 entre el empalme superior 62 y el revestimiento 52, y existe un hueco 78 entre el elemento de corte inferior 64 y las estructuras adyacentes.
Convencionalmente, se han utilizado calzas 66, 68, 70, 72 en el pasado para rellenar tales huecos entre las piezas de unión. Por tanto, normalmente se dispone una calza 66 entre el empalme superior 62 y el revestimiento 52; normalmente se dispone una calza 72 entre el empalme inferior 64 y el revestimiento 54; normalmente se dispone una calza 68 entre el revestimiento 52 y el elemento de perfil en T 58; y normalmente se dispone una calza 70 entre el revestimiento 54 y el elemento de perfil en T 60. Véase la figura 1.
Durante el ensamblaje de unión de semialas, ambas semialas se alinean con un algoritmo óptimo que minimiza las desviaciones en las especificaciones aerodinámicas y estructurales. Puesto que las semialas no son idénticas entre sí, se generan huecos entre ambas piezas y se fabrican calzas 66, 68, 70, 72 y se insertan para evitar la tensión de corte y flexión. Sería deseable evitar la necesidad de calzas.
Un procedimiento conocido para ensamblar piezas sin la necesidad de insertar calzas durante el procedimiento comienza con la medición del hueco entre una primera parte y un modelo teórico. Se crea (fabrica) un nuevo modelo de la inserción del hueco y se coloca en el mecanizado de la parte que va a unirse. Una vez que la segunda parte presenta la forma del hueco y está alineada con la primera parte, se elimina el hueco entre las piezas. Sin embargo, un procedimiento de este tipo puede presentar desventajas tales como:
para cada unión de tren de aterrizaje, debe fabricarse una nueva inserción en el mecanizado para minimizar el hueco; y
el ciclo de producción (el tiempo que se tarda en fabricar el ensamblaje) aumenta porque la unión depende de la medición de la primera parte antes de fabricar la segunda parte.
El documento US 2002/078545 A1 describe un sistema para el ensamblaje de componentes de alas de aeronaves. Un controlador de máquina funciona basándose en un programa que contiene información de diseño del ensamblaje de los componentes del ala.
Breve descripción de los dibujos
La siguiente descripción detallada de formas de realización ilustrativas no limitativas a título de ejemplo ha de leerse juntamente con los dibujos de los cuales:
La figura 1 muestra unas partes no limitativas de ejemplo utilizadas en la unión del semiala incluyendo la nervadura o, el empalme inferior, el perfil en T inferior, el empalme superior y el perfil en T superior.
La figura 1A muestra una estructura de ala de ejemplo.
La figura 2 muestra una simulación de un revestimiento y empalme superior con huecos entre la junta de semiala.
La figura 3 muestra un procedimiento actual que presenta un revestimiento superior manual y un empalme superior con un hueco entre la junta de semiala.
La figura 4 muestra una secuencia de procedimiento mejorada de una forma de realización no limitativa que incluye medición automática, generación automática del programa de fresado y fresado final.
La figura 4A muestra una configuración del sistema no limitativa de ejemplo.
La figura 5 muestra una vista frontal de un resultado final del empalme y perfil en T tras la unión automática del proceso de semiala.
La figura 6A muestra la definición de un modelo estándar.
La figura 6B muestra una máquina de fresado que puede utilizarse para fabricar piezas con material sobrante. La figura 6C muestra una interfaz de usuario de ejemplo para la máquina de fresado de la figura 6B.
La figura 6D muestra un sistema de medición automático de 5 ejes de ejemplo para realizar medidas que pueden compararse con un estándar.
La figura 6E muestra un programa de fresado generado de ejemplo.
La figura 6F muestra un ejemplo de fresado adicional de piezas de unión de modo que el ensamblaje final puede realizarse sin huecos ni la necesidad de calzas.
La figura 6G muestra un ejemplo de una nueva superficie generada utilizando un procedimiento de múltiples secciones o similar a partir de B-Splines.
Descripción detallada de formas de realización no limitativas
Aunque en el pasado se utilizaron técnicas totalmente manuales para fabricar calzas adecuadas, más recientemente se han utilizado técnicas de escaneo para dimensionar el grosor, la forma y la extensión de las calzas requeridas. En particular, el procedimiento actual utiliza procedimientos manuales para medir huecos y reunir datos que se enviarán al análisis de fabricación. Véase la figura 3, bloque 102. Basándose en estos puntos extraídos, se genera una superficie de referencia para definir los parámetros y la trayectoria del programa de fresado. Se crean nuevas calzas para cada hueco diferente que va a rellenarse en la unión. Figura 3, bloque 104. Una vez fresadas las calzas, se aplican al producto (figura 3, bloque 106), se comprueban y se realiza el ajuste final para que encajen con un hueco mínimo en el producto (figura 3, bloque 108). Debido a las grandes dimensiones del producto, este proceso manual no es eficaz y es inexacto. De hecho, en esta unión de semiala particular, la tensión principal es de tipo cortante, donde calzas más gruesas que un cierto grosor no son aceptables.
Se necesitan mejoras adicionales.
En una forma de realización no limitativa de ejemplo, se utiliza un sistema y procedimiento automatizados para integrar piezas para ensamblajes de semialas, después de que se realice el algoritmo de posicionamiento óptimo entre las piezas.
La forma de realización no limitativa de ejemplo proporciona un procedimiento que utiliza software para medir y generar automáticamente un programa de fresado para mecanizar la forma para minimizar el grosor de la calza entre piezas hasta por debajo de una cierta especificación de grosor tal como por ejemplo 0.3 mm.
En una forma de realización no limitativa de ejemplo, cada pieza de unión está fabricada con material sobrante tal como, por ejemplo, 5 mm de material sobrante. Dicha fabricación puede controlarse y realizarse utilizando un servidor 250, un modelo estándar 252, un programa de fresado 254 y una máquina de fresado de 5 ejes 256 tal como se muestra en la figura 4A y observando también la figura 6A-6C. Cada pieza se coloca entonces sobre un soporte de fresado 264 y se establece una plantilla de fresado con una velocidad de alimentación, rotación y grosor de corte convencionales. La máquina de fresado mide, con un interferómetro láser u otra técnica de escaneo 260 (véase la figura 6D), la referencia de producto (semiala) y crea una base de datos M con una nube de puntos (es decir, una nube de puntos que definen el perfil de superficie basándose en el escaneo mediante láser u otro). (266, 266')
Se utiliza un software dedicado almacenado en una memoria no transitoria y que se ejecuta en un servidor/procesador 250 para comparar (bloque 268) el producto medido “tal como se construye” con el modelo para generar un programa de fresado con una trayectoria nueva para rellenar el hueco entre las piezas utilizando una nueva superficie generada utilizando un procedimiento de múltiples secciones o similar (véase la figura 6G), a partir de B-Splines. Se generan B-Splines con las nubes de puntos medidas mediante la técnica de escaneo 260. Puede utilizarse un algoritmo de B-Splines bien conocido tal como Carl de Boor's “B(asic) Spline Basics” y Hollig et al., “Approximation and Modelling with B-Splines”, Society for Industrial and Applied Mathematics (13 de noviembre de 2013).
Una vez generado el programa (nuevas trayectorias) y procesado posteriormente (por ejemplo, traducido en lenguaje de máquina, código G, artículos 254, 254', véase también la figura 6E), el código se envía a la máquina de fresado de 5 ejes 256 para realizar el fresado de material sobrante o el ajuste en piezas ya fresadas con material sobrante (véase la figura 6F).
Tras el fresado final, la máquina de fresado de 5 ejes perfora cuatro orificios de referencia para cada pieza que serán la misma referencia realizada por la misma máquina de fresado de 5 ejes en las semialas. La pieza fresada se coloca sobre la semiala a través de los orificios de referencia previamente perforados, y la máquina prosigue con el proceso de perforación.
La figura 4 muestra este proceso global con más detalle. Inicialmente, se define un modelo estándar (bloque 202) y se genera automáticamente un programa de fresado. Las piezas pueden entonces fabricarse con material sobrante tal como se explicó anteriormente, y se realiza un algoritmo de ajuste óptimo para ajustar las piezas de semiala entre sí (bloque 204). La superficie interna y externa de las semialas se miden (escanean) automáticamente con una máquina de 5 ejes y se comparan modelos que definen el estándar con las superficies medidas (bloque 206). Se generan programas de fresado para operaciones de fresado adicionales para cada pieza (bloque 208) y se usan para fresar piezas de unión que pueden ensamblarse sin huecos y por tanto sin calzas (bloque 210 ).
Los beneficios del ejemplo que no forma parte de la presente invención divulgan:
1. Reducción del ciclo:
a. Las partes de material sobrante se ajustan con precisión tras medir las piezas de unión en el taller. Una vez aprobadas, se envían.
b. Medición automática de la superficie de semiala.
c. Generación automática de programas de fresado.
Mejora estructural:
a. Sin inserción de calzas debido a la forma generada en la parte de material sobrante (véase la figura 5).
Esto evita una alta tensión de corte.
b. Hueco mínimo entre las piezas por debajo de 0.3 mm.

Claims (11)

REIVINDICACIONES
1. Procedimiento automatizado de fabricación de piezas de unión de ala que comprende:
(a) fresar las piezas de unión de ala de aeronave con material sobrante (204);
(b) escanear las piezas de unión de ala; (206);
(c) utilizando por lo menos un procesador, comparar los escaneos de piezas con un modelo utilizando un algoritmo de B-Spline;
(d) basándose en la comparación entre los escaneos de piezas y el modelo, generar un programa de fresado de trayectoria (208); para rellenar los huecos entre las piezas de unión de ala utilizando una nueva superficie generada utilizando un procedimiento de múltiples secciones a partir de B-Spline; y
(e) fresar adicionalmente las piezas de unión de ala (210 ); utilizando el programa de fresado de trayectoria para eliminar el material sobrante, minimizando de este modo los huecos entre las piezas y eliminando una necesidad correspondiente de calzado para rellenar dichos huecos.
2. Procedimiento según la reivindicación 1, en el que el escaneo comprende escanear las piezas de unión de ala con un interferómetro láser.
3. Procedimiento según la reivindicación 1 o 2, en el que el escaneo crea una base de datos con nubes de puntos que definen los perfiles de superficie de las piezas de unión de ala basándose en el escaneo.
4. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el procesador genera automáticamente un programa de fresado para mecanizar la forma de las piezas de unión de ala para minimizar los grosores de los huecos entre las piezas de unión de ala hasta por debajo de una cierta especificación de grosor.
5. Procedimiento según la reivindicación 4, en el que la especificación de grosor es de 0.3 mm.
6. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el fresado proporciona a las piezas de unión de ala 5 mm o menos de material sobrante.
7. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el procedimiento reduce el tiempo de ciclo mediante un ajuste fino del material sobrante tras medir las piezas de unión de ala dentro del área de unión de semiala utilizando un escaneo automático y una generación automática de programas de fresado y mediante la realización de un algoritmo de B-Spline para generar unas superficies de múltiples secciones.
8. Procedimiento según una de las reivindicaciones anteriores, en el que el procedimiento mejora la estructura al no insertar calzas debido a la forma generada en las piezas de unión de ala, evitando de este modo una alta tensión de corte y proporcionando un hueco mínimo entre las piezas por debajo de 0.3 mm.
9. Sistema automatizado para fabricar piezas de unión de ala para alas de aeronaves, comprendiendo el sistema: una máquina de fresado programada para fresar las piezas de unión de ala de aeronave con material sobrante; un escáner configurado para escanear las piezas de unión de ala; y
por lo menos un procesador acoplado funcionalmente al escáner, comparando dicho por lo menos un procesador los escaneos con un modelo utilizando un algoritmo de B-Spline y, basándose en la comparación, generar un programa de fresado de trayectoria para rellenar huecos entre las piezas de unión de ala utilizando una nueva superficie generada utilizando un procedimiento de múltiples secciones a partir de B-Spline; estando la misma o una máquina de fresado diferente configurada para utilizar el programa de fresado de trayectoria generado para fresar de nuevo las piezas de unión de ala eliminando de este modo el material sobrante para minimizar los huecos entre las piezas y eliminar la correspondiente necesidad de calzado.
10. Sistema según la reivindicación 9, en el que el escáner comprende un interferómetro láser.
11. Sistema según una de las reivindicaciones 9 a 10, en el que el procesador está configurado para controlar el sistema para realizar el procedimiento según una de las reivindicaciones 1 a 7.
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