JP5364092B2 - 大きい部品を製造する方法及びシステム - Google Patents

Description

本発明の実施形態は概して、大きい部品を製造する方法及びシステムに関し、更に具体的には、誤差の少ない複合構造を形成する方法及びシステムに関するものである。

複合材料から大きい構造を組立てる製造技術では、構造を形成するための安定したプラットフォームを得るために大規模な工作機械を使用する。基準点に対する構造の位置を固定するのに、デターミナントアセンブリ（ＤＡ）孔又は他の指標付け機構が使用される。ＤＡ孔により、構造表面上の任意のポイントの位置を正確に特定することが可能になる。初期の形成プロセスの後に、構造上に更なる製造プロセスが施される際に、上記のような正確な位置づけが必要となり得る。上記の更なるプロセスは、所定の位置に開口部を切開する、又は構造の表面に特定の機構を切削加工するステップを含むことができる。しかしながら、大規模な工作機械により構造内にたわみが形成される可能性があり、これは工作機械が解体され構造が独立して立つときに構造から除去される。例えば、航空機の胴体バレルは工作機械に巻きつけた複合材料で形成することができる。工作機械は、工作機械の両側の端部において回転ポイントの間がたわむほど十分規模が大きい可能性がある。構造が形成されると、工作機械によるたわみが起こる。工作機械から形成されたバレルが取り外される前に、通常窓、及びドア開口部と取付け冶具がバレル内に切り込まれる。たわんだ状態で開口部がバレル内に切り込まれると、工作機械が取り外されてバレルがその公称形状又は湾曲していない形状に適合するときに開口部が誤配置される。

必要なのは、製造中に曲がる可能性のある製造部品の開口部及び固定冶具を正確に配置する方法及びシステムである。

一実施形態においては、コンピュータで実行される複合構造を製造する方法が、公称状態の構造モデルの表面の少なくとも一部を表すデータを受信し、表面に沿った複数の領域において構造表面の少なくとも一部を測定し、測定された部分が、構造が曲がった状態で前記測定を行うモデルの表面の一部に対応し、複数の領域の各領域において構造表面の測定部分と、測定中に観察可能である一以上の固定ポイントに相対的な測定領域に対応するモデルの領域のモデル表面部分との間で第１及び第２方向における差を決定し、複数のポイントの各ポイントでの構造表面の測定部分と、測定ポイントに対応するモデルのポイントでのモデルの表面部分の間の第３方向における差を決定するステップを含む。本方法では、第１、第２、及び第３方向における決定した差をモーフィングアルゴリズムに送り、構造が公称状態に置かれたときに、構造上の各ポイントに対応する湾曲した状態にある構造上の一ポイントの第１、第２、及び第３方向における位置を決定し、決定した位置を出力する。

さらに別の実施形態は、部品の公称形態に対する出来上がった形状の変化量を補うシステムであり、ここで公称形態は部品のモデルを使用して予め決定されており、本システムは、コンピュータが読み取り可能な媒体上に具現化されたデータベースであって、部品の公称形態の三次元形状に関連するデータを含む前記データベースと、部品の出来上がった形態を調査する非接触計測システムであって、この調査が、部品の公称形態の三次元形状に関するデータの少なくとも一部に対応する測定ポイントを含む非接触計測システムと、前記データベースからデータと、前記非接触計測システムから出来上がった形態の少なくとも一部を受け取るプロセッサを備えている。本プロセッサはさらに、前記データベースから受け取った三次元形状のデータを使用して複数の公称平面パッチを画定し、三次元形状のデータに対応する調査データ内にポイントを位置づけし、複数の公称平面パッチのうちの少なくとも一つの公称平面パッチと、対応する二次元測定ポイントの間の位置誤差を決定し、二次元的位置誤差を用いて三次元的位置誤差を決定し、三次元的位置誤差を出力する。

別の実施形態においては、コンピュータによって実行される自動工作機械を方向付ける方法は、公称状態にある部品の形状を表すデータを受信し、非接触計測法を使用して出来上がった形態の部品表面の少なくとも一部を測定し、部品表面の測定部分と、公称状態の部品の表示された形状の対応する表面との間の、三次元的位置差を決定するステップを含む。本方法はさらに、各部分の決定された三次元的位置差をモーフィングアルゴリズムに送り、構造が公称状態に置かれたときに構造上の各ポイントに対応する湾曲状態の構造上の一ポイントの第１、第２、及び第３方向の位置を決定し、決定した位置を出力するステップを含む。

図１は本明細書に記載した方法を使用して製造できる実例となるワークピースの側面斜視図である。 図２は公称状態の図１に示すワークピースの側面斜視図である。 図３Ａは測定されるべき機構を含むワークピースの一部の側面図であり、図３Ｂは図３Ａに示す機構の端面図である。 図４は公称状態から湾曲したワークピースの位置修正を決定する例示の方法のフロー図である。 図５は公称状態から湾曲したワークピースの位置修正を決定する例示の方法のフロー図である。 図６は公称状態から湾曲したワークピースの位置修正を決定する別の例示の方法のフロー図である。 図７Ａは各表面のパッチ部分での表面の偏差を決定する方法を示す例示のワークピースの機構を示す端面図である。 図７Ｂは表面の偏差からＹ及びＺ誤差を決定する方法を示す、図７Ａに示すワークピースの機構の端面図である。 図８はサーバーシステムと複数のクライアントサブシステムを含む、製造配置システム（ＦＡＳ）の簡略化したブロック図である。

下記の詳細説明は、実施例によって本発明を示すものであり、本発明を限定するものではない。この説明により、当業者が本発明を作製し使用し、幾つかの実施形態、応用形態、変形例、代替例を説明し、現在本発明を実行するための最良の態様と思われる例を含む本発明を使用することが明らかに可能になる。本発明は好適な実施形態、すなわち航空機の胴体バレルを形成するプロセスに応用して説明されている。しかしながら、本発明は指定された一式の寸法公差の順守が望まれる、特に部品及び／又は製造工作機械の重量により製造交差からのずれが発生する主要部品及びアセンブリの製造への一般的な応用が可能である。

図１は本明細書で説明した方法を使って製造可能な例示のワークピース１００の側面斜視図である。例示の実施形態においては、ワークピース１００は大規模な工作機械１０２に取り付けられている。工作機械１０２は第１端部１０４及び第２端部１０６において支持されており、製造プロセス中に長手軸１０８の周りを回転可能である。ワークピース１００は軸１０８の周りで工作機械１０２を回転させて、複合材料を例えば鎖状、縄状又はウェブの形態で回転する工作機械１０２の周りに巻きつけることによって形成される。代替実施形態においては、ワークピース１００は工作機械１０２を動かないように保持して、工作機械１０２の外周周囲に巻きつけるアセンブリを旋回させることによって工作機械１０２の周りに複合材料を巻きつけることによって製造される。しかしながら、工作機械１０２は規模が大きく、端部１０４及び１０６において支持されているため、工作機械１０２とワークピース１００は端部１０４と１０６の間でたわみやすくなる。図１に示すたわみは、説明のために誇張されている。製造プロセスの切開部分において、ワークピース１００に開口部及び／又は孔を開けることができる。例示の実施形態では、ワークピース１００は製造プロセスが完了したときに、窓開口部１１０、ドア開口部（図示せず）、及び／又は取付け孔（図示せず）を備える航空機の胴体バレルである。

通常、航空機の胴体の窓開口部１１０は、窓開口部１１０の縁が胴体の長手軸に対してほぼ平行である胴体の表面上のラインに沿って配置されるように切開される。ワークピース１００がたわみに起因して湾曲した状態にある時に窓開口部１１０が切開された場合、ワークピース１００が公称又は湾曲していない状態にある時に、窓開口部１１０は長手軸１０８に平行なラインに沿って配置されない。

デターミナントアセンブリ（ＤＡ）孔１１２は、工作機械１０２上に固定された機構であり、ＤＡ孔１１２に対するワークピース１００上の選択可能な所定のポイントの位置を決定するためにワークピース１００を測定する測定プロセス中に視認可能である。ワークピース１００は例えば光学的計測システム１１４等の非接触計測システムを使用して測定することができる。例えば、複数の光点をワークピース１００に投影することができ、次に写真測量法を利用してワークピース１００の表面を測定することができる。ワークピース１００の表面に関連する特性を使用してＤＡ孔１１２又は、ワークピース１００を測定する基準となる他の部品又は機構に対してワークピース１００の表面を測定することも可能である。例えば限定しないが、超音波、レーザー光、及び無線周波数等のほかの表面測定技術を使用することができる。例示の実施形態においては、ワークピース１００の表面部分が測定するが、他の実施形態では、ワークピース１００の表面全体を測定することができる。

図２は公称状態にあるワークピース１００（図１に示す）の側面斜視図である。図２に示す実施形態においては、開口部１１０は長手軸１０８に平行であるワークピース１００の表面上のラインに沿って配置されていない。むしろ、大規模な工作機械１０２が取り外されて、ワークピース１００は、ワークピース１００がそれ自体の重量を支持し、実質的に湾曲した状態にない公称状態に戻る。窓開口部１１０の縁は、長手軸１０８に対して平行でないワークピース１００上の弓形ライン２０２に沿って配置されている。このような誤配置を避けるために、湾曲した又はたわんだ状態にある時に、公称状態のワークピース１００の所定モデル上の位置に対応するワークピース１００上の位置を決める方法が本明細書に記載されている。

図３Ａは測定されるべき機構３０２を含むワークピース１００の一部の側面図である。図３Ｂは機構３００（図３Ａに示す）の端面図である。例示の実施形態では、機構３０２はワークピース１００に沿って第１端部３０４及び第２端部３０６の間に延びる寸法が一定でないストリンガーの溝を含む。溝３０２は、ワークピース１００の表面３１２と溝３０２の基部３１４の間に延びる第１側壁３０８及び第２側壁３１０を含む。表面３１２及び／又は溝３０２の選択可能な部分又はパッチは、光、又は機構の縁等の表面の物理的マーキングを利用して測定用に印をつけることができる。例えば、ステーションカット３１６及び側壁３０８又は３１０により、測定されるべきパッチ３１８を境界することができる。さらにパッチ３１８は、境界となるパッチ３１８の縁の輪郭を描く光投影によって境界することが可能である。

図４は公称状態から湾曲したワークピースの位置修正を決定する例示の方法４００のフロー図である。本方法４００は例示の実施形態では、測定面の比較に使用される公称面を生成する。本方法４００は、測定対象の領域の第１方向における境界を定め４０２、測定対象の領域の例えばステーションカット等の第２方向における境界を定める４０４ステップを含む。公称平面パッチは、平面パッチが表面パッチとして画定される、第１方向での境界と第２方向での境界が交差することによって規定される４つのポイントから生成４０６される。公称平面パッチはジョブテンプレートファイルに送られる４０８。構造は湾曲した状態で測定４１０され、測定結果が保存される。

図５は公称状態から湾曲したワークピースの位置修正を決定する例示の方法５００のフロー図である。本方法５００は例示のパッチごとに基づいた実施形態では、各公称面パッチに対応する測定データからポイントを抽出５０２するステップを含む。各表面パッチに共通のポイントを分析５０４する。相対的な表面パッチそれぞれの標準偏差を、所定の閾値と比較５０６する。所定の閾値を超える偏差を報告５０８する。各ステーションカットの各表面パッチに対する平均偏差が出力５１０される。ｘにおける測定前の水平誤差と測定された撓んだ状態の誤差を組み合わせる５１２。相対軸に対する機構の角度が決定５１４され、斜辺、ｚ誤差が計算される。相対軸に対する機構の角度は、軸平面上にない場合にｙ軸に対して決定５１６されて斜辺、ｚ誤差が計算される。ｘ誤差はｙ誤差の割合として決定５１８される。決定された誤差は次に、モーフィング又は位置修正のために、使用／製造システムにエクスポート６１２される。

図６は公称状態から湾曲したワークピースの位置修正を決定する別の例示の方法６００のフロー図である。本方法６００は例示のポイントからパッチの生成に基づいた実施形態では、測定データから多角形化したパッチ等の表面パッチを生成６０２するステップを含む。パッチ境界の交差ポイントが抽出６０３される。ポイントはｘｙ平面投影を利用してパッチに投影６０４される。ｘ及びｙ方向の偏差が決定６０６される。Ｘ位置での測定前の状態誤差とＸ及びＹにおける測定した撓んだ状態の誤差が組み合わされる６０８。決定したＸ及びＹ誤差を使用してＺ誤差を決定６１０する。次に決定した誤差をモーフィング又は位置修正のために使用／製造システムにエクスポート６１２する。

図７Ａは各表面パッチ部分での表面偏差を決定する方法を表す例示のワークピースの機構７００の端面図である。図７Ｂは表面偏差からのＹ及びＺ誤差を決定する方法を表すワークピースの機構７００（図７Ａに示す）の端面図である。例示の実施形態では、ワークピースの機構７００は例えば航空機の胴体バレル等の、ワークピース７０４の表面７０２に沿って延びるストリンガーチャネルである。ワークピース７０４から測定したポイントの水平状態測定ポイント集団７０６をプロットする。水平状態のポイントは、例えばワークピース７０４の中央部が支持されている時等の水平状態において測定する。ワークピース７０４から測定したポイントの撓んだ状態の測定ポイント集団７０６をプロットする。撓んだ状態のポイントは、例えばワークピース７０４の中央部が支持されていない時等の撓んだ状態において測定する。ポイント集団７０６のポイントとワークピース７０４の公称表面７１０との間の差と、ポイント集団７０８のポイントと公称表面７１０との間の差を決定する。例示の実施形態では、ポイント集団７０６のポイントは公称表面７１０から平均＋０．００６だけそれており、ポイント集団７０８のポイントは公称表面７１０から平均−０．０１７だけそれている。したがって、平面偏差の合計７１２は０．０２３である。

例示の計算においては、既知の平面偏差の合計を既知の斜辺として使用して三角形を形成する。既知の角度は機構角度の余角である。例示の実施形態においては、角度７１４は約４９．７４度である。例示の実施形態においては、Ｙ誤差はＹ平面誤差の．００２と等しい。Ｚ誤差を、平面偏差合計７１２を角度７１４の正弦で割ることによって決定する。例示の実施形態においては、このＺ誤差は．０２３／ｓｉｎｅ（４９．７４°）又は．０３０１に等しい。Ｘ誤差をＹ平面運動の割合として決定する。例示の実施形態においては、ワークピース７０４に関しては、水平状態及び撓んだ状態の間の長手軸（ｘ方向）に沿った運動は無視できる。上述した誤差の計算を使用して、三次元的誤差値をモーフィングアルゴリズムに出力して、例えば限定しないが、ワークピースが湾曲していない又は公称状態にある時の窓、ドア、及び取付け冶具の適切な位置づけにつながる、撓んだ状態の湾曲したワークピースの切開位置を決定する。

図８はサーバーシステム８１２、及びサーバーシステム８１２に接続された、クライアントシステム８１４とも表記される複数のクライアントサブシステムを備える製造配置システム（ＦＡＳ）８００の簡略化したブロック図である。上述したようなコンピュータ化されたモデリング及び測定ツールはサーバー８１２に保存され、リクエスタによって任意のコンピュータ８１４からアクセス可能である。一実施形態では、クライアントシステム８１４はウェブブラウザーを含むコンピュータであり、サーバーシステム８１２からインターネットを使用してクライアントシステム８１４にアクセス可能である。クライアントシステム８１４は例えばローカルエリア・ネットワーク（ＬＡＮ）又は広域ネットワーク（ＷＡＮ）、ダイアルイン接続、ケーブルモデム、及び特別高速ＩＳＤＮライン等のネットワークを含む多数のインターフェースを通してインターネットに相互接続される。クライアントシステム８１４はウェブベースの電話、携帯端末（ＰＤＡ）、又は他のウェブベースの接続可能な機器を含むインターネットに相互接続することが可能な任意のデバイスであってよい。データベースサーバー８１６は上述したように様々な項目の情報を含むデータベース８２０に接続されている。一実施形態では、集中型のデータベース８２０がサーバーシステム８１２に保存されており、クライアントシステム８１４の一つを通してサーバーシステム８１２にログオンすることにより、見込みユーザーがクライアントシステム８１４の一つからアクセスすることができる。代替実施形態では、データベース８２０はサーバーシステム８１２から離れて保存され、集中型でなくてよい。

上述した複合構造部材を形成する方法とこれにより形成された複合構造は、費用効率が良く、信頼性が高い。本方法及び構造は、大規模な工作機械を使用して形成される複合材料を含み、これが形成中に公称状態から構造を撓ませる原因となる。上記のたわみは測定され、撓んだ状態と公称状態との間の撓み量は三次元的に決定される。誤差はモーフィングアルゴリズムに入力され、モーフィングアルゴリズムによって、工作機械が取り外された後構造が公称状態に戻った後に窓及びドアの正確な位置となる位置に切開ツールが置かれる。したがって、本方法及び構造により、費用効率が良く信頼性が高い方法で構造部材の開口部及び取付け部材を適切に位置づけしやすくなる。

本発明の実施形態を様々な特定の実施形態の視点から説明してきたが、当業者には本発明の実施形態を請求項の精神及び範囲内で変更を加えて実行することが可能であることが分かるであろう。

Claims (7)

1. Ｘ軸方向の両端で固定され形成される部品であって、固定中に重力によってたわむ部品の公称形態に対する出来上がった形状の変化量を補うシステム（８００）であって、ここで公称形態は部品のモデルを使用して予め決定されており、前記システムは：
   コンピュータが読み取り可能な媒体上に具現化されたデータベース（８２０）であって、部品の公称形態の三次元形状に関するデータを含む前記データベースと、
   部品の出来上がった形態を調査する非接触計測システム（１１４）であって、この調査が、部品の公称形態の三次元形状に関するデータの少なくとも一部に対応する測定ポイントを含む非接触計測システムと、
   前記データベースからデータを、及び前記非接触計測システムから出来上がった形態の少なくとも一部を受け取るプロセッサと
   を備え、そして前記プロセッサが：
   前記データベースから受け取った三次元形状のデータを使用して複数の公称平面パッチ（３１８）を画定し、
   三次元形状のデータに対応する調査データ内にポイントを位置づけし、
   複数の公称平面パッチのうちの少なくとも一つの公称平面パッチと対応する平面パッチの平面偏差を、前記ポイントの位置に基づいて決定し、
   前記平面偏差と、Ｙ平面と前記公称平面パッチとの間の角度とに基づいて、Ｚ軸方向のＺ誤差を決定し、
   Ｙ平面誤差をＹ軸方向のＹ誤差に設定し、
   Ｘ軸方向のＸ誤差をＹ誤差の割合として決定し、
   前記Ｘ誤差、前記Ｙ誤差及び前記Ｚ誤差を三次元的位置誤差として出力する、
   システム。
2. 前記部品が航空機の胴体バレルを含み、前記データベース（８２０）が窓及びドアの少なくとも一つの外形を画定するデータを含み、窓及びドアの少なくとも一つの外形が非平面である、請求項１に記載のシステム（８００）。
3. 外形が少なくとも一つの曲線を含む、請求項２に記載のシステム（８００）。
4. 前記プロセッサが、三次元的位置誤差を使用してモーフィングアルゴリズムを実行し、更なる製造過程に対する寸法指示を生成する、請求項１に記載のシステム（８００）。
5. 前記プロセッサが、電動式加工ツールに対して寸法指示を生成するように構成されており、前記電動式加工ツールが、部品がデータベース（８２０）に保存された部品の公称形態に実質的に一致するように、部品の一部を選択的に除去するように構成されている、請求項４に記載のシステム（８００）。
6. 前記非接触計測システムが光学的計測システム（１１４）を含む、請求項１に記載のシステム（８００）。
7. 前記プロセッサがさらに、多角形化したメッシュを用いて複数の公称平面パッチ（３１８）を画定する、請求項１に記載のシステム（８００）。

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