使用用于自动化机身内部总装的复合轮廓真空轨道的自动化紧固机的制作方法

本发明涉及工厂水平自动化，并且特别涉及用于自动化机身内部总装的 复合轮廓真空轨道。

背景技术：

用于飞行器装配件的工厂水平自动化包括自动化钻孔和插入紧固件。例 如，可以以此方式来自动化机身的不同区段的结合。

机身可以包括硬壳式(monocoque)壳体或半硬壳式壳体，其中机身截面 形状中的一系列箍式(hoop-wise)框架被附连到由蒙皮材料覆盖的纵向纵梁。 大多数现代的大型飞行器使用数个大型区段，然后该大型区段通过紧固、铆 接或粘结来结合以形成完整的机身。

在飞行器装配件中，限制接近机身内的结构已经造成自动化问题。当前， 仅从机身的外部钻孔和插入紧固件(诸如锁紧螺栓)已经被自动化。

例如，定位在机身外部的自动化多轴线钻孔机当前被用于钻孔和插入紧 固件。多轴线钻孔机包含拖板，该拖板具有在双轨道上行进的末端执行器。 末端执行器在机身中钻孔并且将紧固件插入到该孔中。

当前，在机身内部上执行将套管手动紧固到紧固件上。具体地，机身内 部的工艺要求安装间隙管理工具并且提供用于钻孔和插入紧固件的夹具的机 构。机构也需要跟随并且对齐定位在机身外部的多轴线钻孔机，并且从机身 内部手动安装和模锻套管。

然而，手动紧固造成许多问题，包括人体工程学考虑和安全考虑、产品 前置时间以及返工。另一方面，用于定位在机身外部的自动化多轴线钻孔机 的轨道不适于用在机身内部。

于是，需要的是改进的特别是用于机身内部总装的工厂自动化的方法。 本发明满足该需要。

技术实现要素：

为了克服上述现有技术中的限制，以及为了克服在阅读和理解本说明书 后将变得显而易见的其他限制，本发明公开了一种使用用于自动化飞行器机 身内部总装的复合轮廓真空轨道的自动化紧固机。

本发明的装置和方法以许多方式来体现，包括但不限于以下列出的下列 实施例。

1.一种用于紧固结构的装置或方法，其包括：自动化紧固机，其用于执 行紧固功能，其包括拖板、臂以及末端执行器，其中所述臂被安装在所述拖 板上并且所述末端执行器被安装在所述臂上；其中所述自动化紧固机被安装 在轨道上同时执行所述紧固功能，所述轨道被安装在结构内部以便接近所述 结构的第一表面，并且所述第一表面具有一个或多个孔，通过所述孔插入紧 固件；以及其中所述拖板穿过所述轨道以便定位所述臂和所述末端执行器， 所述臂被附连到所述拖板以便定位所述末端执行器，并且所述末端执行器被 附连到所述臂以便将所述紧固件安装到所述第一表面的所述孔中。

2.根据实施例1所述的装置或方法，其中所述第一表面是飞行器机身的 内部表面。

3.根据实施例1所述的装置或方法，其中所述拖板包括小齿轮驱动器， 所述小齿轮驱动器与所述轨道上的驱动支架接合，以便沿着所述轨道移动所 述自动化紧固机。

4.根据实施例1所述的装置或方法，其中所述末端执行器具有再同步相 机以相对于所述第一表面上的一个或多个特征件对齐所述自动化紧固机。

5.根据实施例1所述的装置或方法，其中所述自动化紧固机与所述结构 外部上的另一机器对齐。

6.根据实施例1所述的装置或方法，其中所述末端执行器具有常态传感 器，以便相对于所述第一表面定位所述末端执行器。

7.根据实施例6所述的装置或方法，其中使用来自所述常态传感器的信 号来旋转所述臂和所述末端执行器以实现相对于所述表面的基本垂直取向。

8.根据实施例1所述的装置或方法，其中所述末端执行器具有夹脚以便 接合具有所述孔的所述第一表面，通过所述孔插入紧固件。

9.根据实施例8所述的装置或方法，其中所述夹脚提供向上夹持力以用 于所述紧固功能中使用的一次装配(OUA)工艺。

10.根据实施例1所述的装置或方法，其中所述末端执行器通过将套管模 锻在所述紧固件上、铆接所述紧固件或将螺母扭转在所述紧固件上而将所述 紧固件安装在所述孔中。

11.根据实施例1所述的装置或方法，其中所述末端执行器具有给料系统 以便将套管或螺母供给到所述紧固件。

12.根据实施例1所述的装置或方法，其中所述末端执行器具有零件回收 系统以用于收集由钻取所述孔和安装所述紧固件产生的零件。

13.根据实施例1所述的装置或方法，其中所述末端执行器具有相机系统 以用于检查所述孔或所述紧固件。

14.根据实施例1所述的装置或方法，其中所述自动化紧固机与所述第一 表面的相对侧上的其他机器协调，所述其他机器钻取所述孔并且将所述紧固 件插入所述孔中。

15.根据实施例1所述的装置或方法，其中所述轨道被安装为使得其宽度 与所述第一表面成角度。

16.根据实施例15所述的装置或方法，其中所述轨道与所述第一表面成 约90度的角度。

17.根据实施例15所述的装置或方法，其中所述轨道与所述第一表面成 从约80度到约100度的范围内的角度。

18.根据实施例15所述的装置或方法，其中所述轨道与所述第一表面成 角度地安装在第二表面上。

19.根据实施例18所述的装置或方法，其中所述第二表面是飞行器机身 的尾部压力舱壁。

20.根据实施例1所述的装置或方法，其中所述轨道被直接安装在所述第 一表面上。

21.根据实施例1所述的装置或方法，其中所述拖板沿着X-轴线方向和 Z-轴线方向穿过所述轨道，所述X-轴线方向包括横向位置，并且所述Z-轴线 方向包括竖直位置。

22.根据实施例21所述的装置或方法，其中所述自动化紧固机沿着所述 轨道在至少X-轴线方向和Z-轴线方向上被定位。

23.根据实施例21所述的装置或方法，其中所述拖板在所述X-轴线方向 和所述Z-轴线方向移动所述自动化紧固机。

24.根据实施例21所述的装置或方法，所述臂包括轨和滚珠丝杠以用于 在垂直于所述X-轴线方向和所述Z-轴线方向的Y-轴线方向上移动所述末端执 行器。

25.根据实施例24所述的装置或方法，其中所述臂包括枢转轴承以用于 在由所述Y-轴线方向和所述Z-轴线方向形成的平面中成角度地移动所述末端 执行器。

27.一种用于紧固结构的方法，其包括：使用自动化紧固机执行紧固步骤， 所述自动化紧固机包括拖板、臂以及末端执行器，其中所述臂被安装在所述 拖板上并且所述末端执行器被安装在所述臂上，其中所述拖板穿过轨道，所 述轨道被安装在结构内部同时所述臂和所述末端执行器执行以下的紧固步 骤：将所述末端执行器相对于其中具有孔的所述结构的内部表面定位，通过 所述孔插入紧固件；通过使用所述末端执行器施加的力来向上夹持所述内部 表面；通过使用所述末端执行器来安装被插入通过所述孔的所述紧固件。

28.根据实施例27所述的方法，其进一步包括：通过使用所述末端执行 器的再同步相机，将所述末端执行器相对于所述内部表面上的一个或多个特 征件对齐。

29.根据实施例27所述的方法，其进一步包括：将所述自动化紧固机与 所述结构外部上的其他机器对齐。

30.根据实施例27所述的方法，其进一步包括：通过使用所述末端执行 器的常态传感器，相对于所述内部表面定位所述末端执行器。

31.根据实施例30所述的方法，其中所述定位步骤包括：通过使用来自 所述常态传感器的信号来旋转所述臂和所述末端执行器以实现相对于所述内 部表面的基本垂直取向。

32.根据实施例27所述的方法，其中所述向上夹持步骤包括：通过使用 所述末端执行器的夹脚来接合所述内部表面并且施加所述力。

33.根据实施例32所述的方法，进一步包括通过使用所述末端执行器的 夹紧缸来延伸所述夹脚以接合与所述孔相邻的所述内部表面。

34.根据实施例27所述的方法，其中所述力被施加以用于所述紧固步骤 中使用的一次装配(OUA)工艺。

35.根据实施例27所述的方法，其中所述安装步骤包括：使用负载销滑 块以将负载销定位在套管给料机管的下面；通过压缩空气将套管从所述套管 给料机管吹送到所述负载销上；使用侧喷嘴将所述套管保持在所述负载销上； 缩回所述套管给料机管；延伸所述负载销滑块以将其定位在套管锻造机之下， 使得所述套管在始终保持在所述负载销上的同时被定位在所述套管锻造机的 给料指状物之间；向前移动所述套管锻造机以推动所述套管倚靠所述给料指 状物并且然后移动所述套管锻造机以越过所述负载销，使得所述套管越过所 述负载销；将所述负载销滑动缩回以远离所述套管锻造机，其中所述套管被 固定地安置在所述套管锻造机的所述给料指状物中；将所述套管锻造机朝向 所述表面前进并且所述紧固件被插入通过所述表面中的所述孔；通过使用所 述套管锻造机将所述套管安置在所述紧固件的端部上，其中所述套管锻造机 的所述给料指状物被打开，并且所述套管被推动到所述紧固件上；以及通过 使用紧固件安装工具将所述套管模锻在所述紧固件上。

36.根据实施例35所述的方法，其中所述模锻步骤包括：通过使用所述 紧固件安装工具使型锻模被向下促动到所述套管上，所述紧固件安装工具减 小所述套管的直径并且将套管材料渐进地模锻到所述型锻模中，其中当所述 紧固件的针尾件破碎时完成安装。

37.根据实施例36所述的方法，其进一步包括：缩回套管锻造机以将型 锻模脱离所述模锻套管，并且然后以真空吸尘器将针尾件通过针尾式溢流管 扫出到收集点。

38.根据实施例35所述的方法，其进一步包括：检查紧固件上的模锻套 管。

附图说明

现在参照附图，在该附图中，相同的名称和附图标记通篇表示相应的部 件：

图1示出定位为被结合的飞行器机身的两个区段。

图2A、图2B和图2C示出一种使用飞行器机身内部的复合轮廓真空轨道 和自动化紧固机来紧固结构的系统。

图3A和图3B进一步示出被设计以遵从机身内部的复合轮廓的复合轮廓 真空轨道。

图4A-4H进一步示出根据一个实施例的自动化紧固机。

图5A提供了根据一个实施例的控制系统的系统概述，以及图5B进一步 示出根据一个实施例的控制柜。

图6A-6K示出根据一个实施例的由控制系统导引的自动化紧固机所执行 的步骤顺序。

图7是进一步示出图6A-6K中执行的步骤顺序的流程图。

图8A示出桥式自动化紧固机；以及图8B示出悬臂式自动化紧固机。

图9A是根据一个实施例的飞行器生产和维修方法的流程图。

图9B是根据一个实施例的飞行器的框图。

具体实施方式

在优选实施例的下列描述中，参照构成该描述的一部分的附图，并且附 图通过图示说明可以实施本发明的具体实施例的方式示出。需要理解的是， 可以利用其它实施例且可以做出结构变化，而不脱离本发明的范围。

图1示出被定位以便被结合的飞行器机身10的两个区段。在一个实施例 中，两个区段在尾部压力舱壁(APB)11处或邻近APB 11被结合，但是其它 区段也可以在其它方位被结合。尾部压力舱壁11是位于飞行器的机舱和尾翼 之间的密闭舱壁，其目的是密封飞机的后部且因此保持飞行器的机舱压力。 在飞行器装配件中，限制接近机身10内邻近尾部压力舱壁11的结构已经造 成自动化问题。

当前，仅从机身10的外部表面10A钻孔和插入紧固件(诸如锁紧螺栓) 已被自动化。如上所述，定位在机身10的外部表面10A上的自动化多轴线钻 孔机当前被用于钻孔和插入紧固件。多轴线钻孔机包含拖板，该拖板具有在 双轨道上行进的末端执行器，其中该末端执行器在机身10中钻孔并且将紧固 件插入到该孔中。然而，将套管手动紧固到紧固件上目前在机身10的内部表 面10B上执行，但是手动紧固造成许多问题。本公开通过描述用于机身10内 部总装的自动化紧固系统来克服这些问题。

图2A、图2B和图2C示出用于紧固结构的系统的一个实施例，该结构包 括定位在机身10的内部表面10B上的复合轮廓真空轨道12。

如图2A中所示，轨道12包括一个或多个区段13，该一个或多个区段13 在被装配、被转位(indexed)、被对齐和被安装到机身10上时被成形以配合 机身10的内部表面10B(在本文中也被称为第一表面10B)，但是也可以使用 其它表面。轨道12的区段13沿着机身10的X-轴线方向和Z-轴线方向被对 齐和安装，其中X-轴线方向包括机身10内的横向位置并且Z-轴线方向包括 机身10内的竖直位置。区段13上的箭头指示区段13的部署排序，其包括首 先定位并且安装中心区段13，并且然后定位并且安装轨道12的相对端上的相 邻区段13。

如图2A和图2B中所示，轨道12具有长度(L)、宽度(W)和厚度(T)， 并且轨道12被安装，使得其宽度W与第一表面10B成角度(θ)。具体地， 轨道12的宽度W没有被平齐地放置在第一表面10B上。相反，轨道12的宽 度W被相对于第一表面10B成角度θ向上呈悬臂式伸出。优选地，轨道12 被与第一表面10B成大于约0度的角度θ向上呈悬臂式伸出，更优选为约90 度的角度θ(即，与第一表面10B大体垂直)，并且最优选为从约80度到约 100度的范围内的角度θ，即与第一表面10B大体垂直的约±10度内。

为了以此方式定位轨道12，轨道12被安装在尾部压力舱壁11上(本文 也被称为第二表面11)，但是也可以使用其它表面。在本实施例中，轨道12 从第二表面11呈悬臂式伸出，使得轨道12与第一表面10B成角度θ向上呈 悬臂式伸出。然而，在其它实施例中，轨道12被直接安装在第一表面10B(即， 机身10自身的内部表面10B)上。

如图2C所示，自动化紧固机14被安装在轨道12上并且沿着轨道12行 进以执行紧固功能和步骤，其中轨道12允许自动化紧固机14与第一表面10B 接触。在任何情况下，自动化紧固机14沿着轨道12在至少X-轴线方向和Z- 轴线方向上定位。

图3A进一步示出轨道12，该轨道12是复合轮廓轨道12，但是其也可以 符合其它形状。轨道12是模块化的并且被分割为多个区段13，其中每个区段 13是铝，长度为约2英尺且重量为约28磅。拼接件15被用于区段13之间的 连接。轨道12使用一个或多个可移除附连装置16被安装在机身10内部的尾 部压力舱壁11上，在一个实施例中，该一个或多个可移除附连装置16包括 真空吸盘16。

图3B是根据一个实施例的具有被附连的自动化紧固机14的轨道12的区 段13的另一视图。自动化紧固机14的轮子17是夹在轨道12之间的双V形 轮子17，其中轨道12包括用于接合轮子17的边缘导板18。轨道12也包括 用于接合自动化紧固机14且沿着轨道12移动自动化紧固机14的驱动支架19， 其中该驱动支架19是被整合到轨道12中的辊支架。

图4A-4H进一步示出根据一个实施例的自动化紧固机14。

图4A示出自动化紧固机14的主要部件，该自动化紧固机14包括X-轴 线拖板20、Y-轴线臂21以及末端执行器22，其中Y-轴线臂21被安装在X- 轴线拖板20上并且末端执行器22被安装在Y-轴线臂21上。X-轴线拖板20 被附连到轨道12以用于定位Y-轴线臂21和末端执行器22，Y-轴线臂21被附 连到X-轴线拖板20以用于定位末端执行器22，并且末端执行器22将紧固件 安装到内部表面10B的孔中，例如，其将套管或螺母安装在紧固件上，该紧 固件从外部表面10A被插入到孔中，如以下结合图6A-6K和图7更详细所述。

图4B进一步示出根据一个实施例的X-轴线拖板20，其中X-轴线拖板20 被附连到轨道12以用于定位Y-轴线臂21和末端执行器22。X-轴线拖板20 包括基板23、驱动马达24、齿轮箱25、双V形轮子17以及轨道释放器26。 Y-轴线臂21安装到基板23。驱动马达24和齿轮箱25操作小齿轮传动装置， 该小齿轮传动装置与图3B中所示的轨道12上的驱动支架19接合。双V形轮 子17是由轨道12导引的辊并且安装到图3B中所示的边缘导板18处的轨道 12。轨道释放器26允许从轨道12快速分离双V形轮子17。

图4C进一步示出根据一个实施例的Y-轴线臂21。Y-轴线臂21被附连到 X-轴线拖板20以用于定位末端执行器22。Y-轴线臂21包括两个轨27、滚珠 丝杠28、控制脐状(umbilical)连接件29以及A-轴线致动器30。末端执行 器22被安装在轨27上，并且滚珠丝杠28沿着轨27移动末端执行器22。控 制脐状连接件29连接到控制柜，如以下图5A-5B中所述。A-轴线致动器30 改变Y-轴线臂21的角度。

图4D进一步示出根据一个实施例的A-轴线致动器30。A-轴线致动器30 位于Y-轴线臂21内部，并且包括线性致动器31和A-轴线枢转件32(其是在 图4C中的Y-轴线臂21的外部上唯一可见的A-轴线致动器30的部分)。A- 轴线枢转件32是枢转轴承，其用于响应于线性致动器31的操作以某角度来 定位Y-轴线臂21和末端执行器22。

图4E进一步示出根据一个实施例的末端执行器22。末端执行器22被安 装在Y-轴线臂21的轨27上并且将套管模锻到紧固件上，如以下结合图6A-6K 更详细所述。末端执行器22包括气动的、液压的或电机械的紧固件安装工具 33、旋转致动器34、套管锻造机35、夹脚36、夹紧缸(clamp cylinder)37、 套管给料机38、套管给料机管39、针尾式溢流管(pintail return tube)40、再 同步相机41以及常态激光器(normality laser)42。以下结合图6A-6K更详细 描述这些元件的操作。

图4F、图4G和图4H进一步示出自动化紧固机14与其X-轴线拖板20、Y-轴线臂21以及末端执行器22的对齐。具体地，图4F是自动化紧固机14 的侧视图，其示出X-轴线(作为点)、Z-轴线、Y-轴线(垂直于X-轴线和Z- 轴线)以及作为在由Y-轴线和Z-轴线形成的平面中的一角度的A-轴线；图 4G是自动化紧固机14的后视图，其示出Y-轴线(作为点)、Z-轴线以及X- 轴线；以及图4H是自动化紧固机14的俯视图，其示出Z-轴线(作为点)、 X-轴线以及Y-轴线。

如以上图2A、图2B和图2C中所示，轨道12在X-轴线方向和Z-轴线方 向上对齐，并且在任何情况下，自动化紧固机14沿着轨道12在至少X-轴线 方向和Z-轴线方向上被定位，其中X-轴线包括在机身10内并且沿着轨道12 的横向位置，而Z-轴线包括在机身10内并且沿着轨道12的竖直位置。X-轴 线拖板20在轨道12的X-轴线方向和Z-轴线方向上移动自动化紧固机14，以 及Y-轴线臂21的滚珠丝杠28沿着Y-轴线臂21的轨27在垂直于X-轴线方向 和Z-轴线方向的Y-轴线方向上移动末端执行器22。Y-轴线臂21的A-轴线致 动器30围绕由Y-轴线方向和Z-轴线方向形成的平面(其包括A-轴线)中的 某角度移动末端执行器22(和Y-轴线臂21自身)。

图5A提供根据一个实施例的与自动化紧固机14一起使用的控制系统43 的系统概述。控制系统43包括控制柜44，该控制柜44接受空气45、480V 电力46以及真空供应47，并且该控制柜44经由控制脐状件(control umbilical) 48、液压管线49、套管给料机管50和针尾式溢流管51被连接到自动化紧固 机14。控制柜44可以包括在其上的操作员界面，并且可以接受来自膝上型计 算机52和/或手持可移动的操作员的坠饰(HMOP)53的控制。

膝上型计算机52包括触摸屏，该触摸屏允许控制柜44被操作为如同操 作员处于控制柜44的主界面。膝上型计算机52可以被容易地携带到机身10 中以允许操作员在任何地方对控制柜44进行完全控制。

可替代地，HMOP 53可以被使用。HMOP 53允许简单的机器操作，并且 显示简短的操作员消息。

一个实施例提供了独立的机器控制。具体地，控制柜44提供对内部机器 (即，自动化紧固机14)和外部机器(即，被定位在机身10的外部上被独立 控制的多轴线钻孔机)的命令。本方法的益处在于更简单研发和调试的软件； 并且具有单个操作员界面。本方法的缺点在于每个外部机器必须与内部机器 配对；每个外部机器将仅与一个具体的内部机器一起工作并且机器不是可互 换的；如果外部机器停机，则配对的内部机器也停机；并且外部机器与内部 机器之间的通信中断将导致整个系统故障。

另一实施例提供了从属的机器控制。具体地，控制柜44提供对内部机器 (即，自动化紧固机14)的命令，并且该控制柜44经由通信链路55与另一 控制柜54通信，其中控制柜54提供对外部机器(即，被定位在机身10外部 上的多轴线钻孔机)的命令，使得自动化紧固机14与第一表面的相对侧上的 外部机器协调，该外部机器钻孔并且将紧固件插入到该孔中。本方法的益处 是机器是可互换的，即，任何外部机器将与任何内部机器一起工作；机器之 间的通信故障将不会导致整个系统故障；内部机器可以被“联机地/在运行的 同时(on the fly)”连接到外部机器；外部机器处理所有编程且已经完成对内 部机器的控制；以及仅需要通信脐状件以将内部机器连接到外部机器。本方 法的缺点在于编程更复杂；维修更复杂；以及每个机器具有其自身的控制柜 44、54。

图5B进一步示出根据一个实施例的控制柜44。控制柜44包括用于供给 套管的套管给料机56、紧急停止(E-stop)按钮57、到自动化紧固机14的控 制脐状连接件58、电源断开装置59、用于将液压动力提供给自动化紧固机14 的液压动力单元60、用于提升控制柜44的吊环61以及用于存储HMOP 53 的坠饰安装件62。

图6A-6K示出根据一个实施例的由如用于将套管模锻到紧固件上的控制 系统43导引的自动化紧固机14执行的紧固步骤的顺序。

图6A进一步示出末端执行器22的部件以及由末端执行器22执行的第一 步骤，其中末端执行器22被定位在表面63上方，该表面63中具有孔64，通 过该孔64插入紧固件(未示出)。(以下结合图6I、图6J和图6K示出和描述 紧固件)。在一个实施例中，表面63是第一表面10B(即，机身10的内部表 面10B)。

在本第一步骤中，自动化紧固机14使用再同步相机41以将末端执行器 22相对于表面63上的一个或多个基准特征件(例如，孔64)(例如，内部圆 柱形孔64壁或孔64的边缘)对齐。自动化紧固机14驱动轨道12上的标称 目标方位、使用再同步相机41来捕获表面63上的特征件的高分辨率数字图 像以及确定实际特征件方位与标称目标方位之间的偏差。外部机器执行类似 过程，允许两个机器对机身10并且因此对彼此具有共同基准。

一旦被定位，则自动化紧固机14使用常态激光器42以将末端执行器22 定位为垂直于表面63，但是其它传感器也可以被用于该功能。具体地，自动 化紧固机14使用来自常态激光器42的信号以旋转Y-轴线臂21和末端执行器 22，从而实现末端执行器22与表面63的大体垂直取向。一旦被对齐，末端 执行器22就执行下列步骤。

图6B示出由末端执行器22执行的下一步骤，其中负载销滑块65将负载 销66定位在套管给料机管39下面并且夹紧缸37将夹脚36延伸以接合与孔 64相邻的表面63。夹脚36是压力脚并且夹紧缸37是气动缸、液压缸或电机 械缸，在钻孔64之前和钻孔64期间能够提供作为反作用力的约200英尺-磅 (lbf)的力以用于表面63上的夹脚36。

具体地，夹脚36提供用于在紧固步骤中使用的一次装配(one-up assembly OUA)工艺的向上夹持力。OUA是装配件被执行一次的情况，即，钻取、检 查和最终紧固，而不去除用于去毛刺、清理、密封等的部件。在OUA工艺中， 外部机器使用部件堆叠以执行在表面中的钻孔64和将紧固件插入孔64中。

在本文中，在外部机器开始钻取之前，安装在尾部压力舱壁11上的轨道 12提供用于由夹脚36产生的向上夹持力、维护接头完整性以及用于OUA堆 叠的界面分离的基础。外部机器被定位为使得其钻鼻在表面63(即，机身10 的外部表面10A)的相对侧上推动，同时使表面63的相对侧的轮廓标准化。 类似地，自动化紧固机14被定位为使得由夹脚36产生的向上夹持力与外部 机器的钻鼻对齐。

图6C示出由末端执行器22执行的下一步骤，其中通过压缩空气将套管 67从套管给料机管39吹送到负载销66上。

图6D示出由末端执行器22执行的下一步骤，其中通过侧空气喷嘴68将 套管67保持在负载销66上并且缩回套管给料机管39。

图6E示出由末端执行器22执行的下一步骤，其中在套管锻造机35下延 伸并且定位负载销滑块65，使得套管67在始终保持在负载销66上的同时被 定位在套管锻造机35的给料指状物69之间。

图6F示出由末端执行器22执行的下一步骤，其中套管锻造机35首先向 前移动以推动套管67倚靠给料指状物69并且套管锻造机35移动回到其最后 方位置以越过(clear)负载销66。在此阶段，套管67越过负载销66。

图6G示出由末端执行器22执行的下一步骤，其中缩回负载销滑块65远 离套管锻造机35，并且套管67被固定安置在套管锻造机35的给料指状物69 中。在套管67正上方或后方是套管锻造机35中的型锻模70。

图6H示出由末端执行器22执行的下一步骤，其中套管锻造机35朝向表 面63前进。

图6I示出由末端执行器22执行的下一步骤，其中紧固件71例如从表面 63的相对侧被插入通过表面63中的孔64，并且套管锻造机35朝向紧固件71 前进。

图6J示出由末端执行器22执行的下一步骤，其中套管67通过套管锻造 机35而安置在紧固件71的端部上。一旦套管67在紧固件71的端部上，则 套管锻造机35的给料指状物69就由夹脚36的侧面中的特征件来打开。套管 锻造机35推动套管67进一步到紧固件71上，并且套管67由紧固件安装工 具33模锻，该紧固件安装工具33向型锻模70提供力。在一个实施例中，套 管67是由围绕紧固件71的模70变形的松配合的金属环，该紧固件71包括 锁紧凹槽。由紧固件安装工具33向下推动模70到套管67上，该紧固件安装 工具33减小套管67的直径并且将套管67材料渐进地模锻到模70中。随着 施加到模70的力增加，当紧固件71的针尾件(pintail)72破碎时，完成安装。

图6K示出由末端执行器22执行的下一步骤，其中在紧固件71上已经模 锻了套管67。套管锻造机35被缩回以将型锻模70脱离模锻的套管67，并且 针尾件(未示出)通过针尾式溢流管40被用真空吸尘器扫出到例如控制柜44 处的收集点。最后，再同步相机41可以被用于检查紧固件71上的模锻的套 管67。

图7是进一步示出图6A-6K中由末端执行器22执行的紧固步骤顺序的流 程图。

块73表示将末端执行器22相对于表面63(即，机身10结构的内部表面 10B)进行定位的步骤，该表面63中具有孔64，紧固件71插入通过该孔64。 具体地，块73表示通过使用末端执行器22的再同步相机41将末端执行器22 相对于内部表面63上的一个或多个特征件对齐的步骤，其结果是将自动化紧 固机14与另一机器(即，定位在机身10结构的外部表面10A上的自动化多 轴线钻孔机)对齐。块73也表示通过使用末端执行器22的常态激光器42传 感器将末端执行器22相对于内部表面63定位的步骤，其中定位包括旋转Y- 轴线臂21和末端执行器22以通过使用来自常态激光器42传感器的信号而实 现相对于内部表面63的大体垂直取向。

块74表示使用夹紧缸37来延伸夹脚36以接合表面63的步骤，该表面 63与将安装紧固件71的孔64相邻。具体地，块74表示通过使用由末端执行 器22的夹脚36施加的力向上夹持内部表面63的步骤，其中施加力以用于紧 固步骤中使用的一次装配(OUA)工艺。

剩余块75-84表示通过使用末端执行器22的各种部件来安装被插入通过 孔64的紧固件71的步骤。

块75表示使用负载销滑块65来将负载销66定位在套管给料机管39下 面的步骤。

块76表示通过压缩空气将套管67从套管给料机管39吹送到负载销66 上的步骤。

块77表示使用侧喷嘴68将套管67保持在负载销66上的步骤。

块78表示缩回套管给料机管39的步骤。

块79表示延伸负载销滑块65以将其定位在套管锻造机35之下的步骤， 使得套管67在始终保持在负载销66上的同时被定位在套管锻造机35的给料 指状物69之间。

块80表示向前移动套管锻造机35以推动套管67倚靠给料指状物69且 然后移动套管锻造机35以越过负载销66的步骤，使得套管67越过负载销66。

块81表示缩回负载销滑块远离套管锻造机35的步骤，其中套管67被固 定安置在套管锻造机35的给料指状物69中。

块82表示将套管锻造机35朝向表面63和被插入通过表面63中的孔64 的紧固件71前进的步骤。

块83表示使用套管锻造机35将套管67安置在紧固件71的端部上的步 骤，其中套管锻造机35的给料指状物69被打开，套管67被推动到紧固件71 上，并且套管67由紧固件安装工具33来模锻，使得型锻模70被紧固件安装 工具33向下促动到套管67上，该紧固件安装工具33减小套管67的直径且 将套管67材料渐进地模锻到模70中，并且当紧固件71的针尾件72破碎时， 完成安装。

块84表示以下步骤：缩回套管锻造机35以将型锻模70脱离模锻的套管 67、通过针尾式溢流管将针尾件用真空吸尘器扫出到收集点、以及可选地检 查紧固件71上的模锻套管67。

益处

本文所述的悬臂式轨道12包括许多益处和优点。一个优点在于自动化紧 固机14仅安装到一个轨(即，轨道12)，其提供简单的安装。另一个优点在 于自动化紧固机14能够简单地从轨道12移除。

另一方面，存在一些缺点。一个缺点在于机身10的内部表面的粗糙度使 得难以将轨道12安装在机身10的内部表面上。另一缺点在于内部结构可能 干扰自动化紧固机14沿着轨道12的移动。

可选方案

许多可选方案和改进是可用的。

例如，虽然本文描述了自动化紧固机，但是存在机身10内部自动化的其 它机会。机身10内部的自动化紧固机也可以包括用于钻孔和填充孔(即，插 入螺栓)、去毛刺、用真空吸尘器清扫FOD(外来物损伤或碎片)控制、密封、 所有类型的紧固(扭转、模锻、铆接)以及检查的功能。机身10内部的自动 化紧固机可以包括具有不同于本文所述的那些特征的多种特征的末端执行 器。

在另一示例中，在具有或者没有相机协助的情况下，机身10内部的自动 化也可以与机身10外部的自动化同步运行以便速率改进。如果与被转位且被 安装到机身10外部上的轨道一起使用，则这尤为真实。如前所述，若需要， 则内部自动化可以与外部自动化一起工作以用于这些附加功能中的任何功 能。

在另一示例中，在具有或者没有真空吸盘的情况下，机身10内部的轨道 可以是柔性的或难以安装到机身10内部的结构或表面。因此，内部自动化可 以应用到机身10的任何区段，并且不限于尾部压力舱壁11。

在又一示例中，机身10内部的轨道可以不是被安装到尾部压力舱壁11 上的悬臂式设计。

在一个示例中，图8A示出桥式自动化紧固机85，其中双轨道86被安装 到机身10前侧上的内部的结构或表面10B和被安装到机身10尾侧上的尾部 压力舱壁11。一个优点在于桥式机器85可以潜在地不具有主动的(active) A-轴线，并且相反可以在轨道86之间被动地标准化。另一优点在于，如果需 要用于所有孔的200磅夹具，则本设计也将负载分配在两个轨道86之间。桥 式机器85的一个缺点在于需要两组轨道86。轨道86可能需要彼此对齐以创 建合适的常态(normality)，其中将需要控制轨道86间隔、相对高度以及相距 距离。

在又一示例中，图8B示出被安装到拼接件前侧上的机身10内部的结构 或表面10B的悬臂式自动化紧固机87，其中悬臂式自动化紧固机87具有该 安装件前向的反应支撑。一个优点在于悬臂式机器87不需要安装在具有真空 吸盘的尾部压力舱壁11上。一个缺点在于悬臂式机器87将可能需要主动的 B-轴线并且将必须建立多个轨道/导板。并且，货舱底板/框架可能必须对大负 载做出反应。

飞机装配

在图9A所示的飞行器制造和维护方法和图9B中所示的飞行器的背景中 描述了本公开的实施例。

如图9A中所示，在预生产期间，示例性方法88可以包括飞行器的规格 和设计89以及材料采购90。在生产过程中，使用用于自动化机身10内部总 装的复合轮廓真空轨道12和自动化紧固机14进行飞行器的部件和子配件制 造91以及系统整合92，其包括本文所述的工厂水平自动化。此后，飞行器可 以经历检验和交付93，以便投入使用94。在由顾客使用时，通过使用用于自 动化机身10内部总装的复合轮廓真空轨道12和自动化紧固机14，飞行器定 期进行日常维修和维护95(其包括改进、重新配置、翻新等等)，其也包括 本文所述的工厂水平自动化。

方法88的每一个过程可以由系统集成商、第三方和/或操作者(例如，顾 客)来执行或实施。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承包商；第三方可以包括但不限于任意数量的 销售商、转包商和供应商；并且操作者可以是航空公司、租赁公司、军事实 体、服务组织等等。

如图9B中所示，由图9A的示例性方法产生的飞行器96可以包括机体 97，该机体97具有多个系统98和内部99。高水平系统98的示例包括推进系 统100、电气系统101、液压系统102以及环境系统103中的一个或多个。可 以包括任意数量的其它系统。虽然显示的是航空示例，但是本发明的原则可 以被应用于其它产业，诸如汽车产业。

本文呈现的设备和方法可以在生产和维护方法88中的任意一个或多个阶 段中使用。例如，对应于生产过程91的部件或子配件可以按照与飞行器96 在使用中时生产的部件或子配件类似的方式被生产或制造。并且，一个或多 个设备实施例、方法实施例或其组合可以在生产阶段91和92中被利用，例 如，通过充分加快装配或通过降低飞行器96的成本而被利用。类似地，在飞 行器96在使用中时(例如但不限于维修和维护95)，设备实施例、方法实施 例或其组合中的一个或多个可以被利用。

本发明也在不与权利要求书混淆的下列条款中被涉及。

A1.一种用于紧固结构的装置，其包括：

自动化紧固机(14)，其用于执行紧固功能，其包括拖板(20)、臂(21) 以及末端执行器(22)，其中所述臂(21)被安装在所述拖板(20)上并且所 述末端执行器(22)被安装在所述臂(21)上；

其中所述自动化紧固机(14)被安装在轨道(12)上同时执行所述紧固 功能，所述轨道(12)被安装在结构(10)内部以便接近所述结构(10)的 第一表面(10B)，并且所述第一表面(10B)具有一个或多个孔(64)，通过 所述孔(64)插入紧固件(71)；以及

其中所述拖板(20)穿过所述轨道(12)以便定位所述臂(21)和所述 末端执行器(22)，所述臂(21)被附连到所述拖板(20)以便定位所述末端 执行器(22)，并且所述末端执行器(22)被附连到所述臂(21)以便将所述 紧固件(71)安装到所述第一表面(10B)的所述孔(64)中。

A2.根据段落A1所述的装置，其中所述第一表面(10B)是飞行器机身 (10)的内部表面(10B)。

A3.根据段落A1所述的装置，其中所述拖板(20)包括小齿轮驱动器(24， 25)，所述小齿轮驱动器(24，25)与所述轨道(12)上的驱动支架(19)接 合，以便沿着所述轨道(12)移动所述自动化紧固机(14)。

A4.根据段落A1所述的装置，其中所述末端执行器(22)具有再同步相 机(41)以将自动化紧固机(14)相对于所述第一表面(10B)上的一个或多 个特征件对齐。

A5.根据段落A1所述的装置，其中所述自动化紧固机(14)与所述结构 (10)外部上的其他机器对齐。

A6.根据段落A1所述的装置，其中所述末端执行器(22)具有常态传感 器(42)，以用于将所述末端执行器(22)相对于所述第一表面(10B)而定 位。

A7.根据段落A6所述的装置，其中使用来自所述常态传感器(42)的信 号来旋转所述臂(21)和所述末端执行器(22)以实现相对于所述表面(10B) 的基本垂直取向。

A8.根据段落A1所述的装置，其中所述末端执行器(22)具有夹脚(36) 以用于接合具有所述孔(64)的所述第一表面(10B)，通过所述孔(64)插 入紧固件(71)。

A9.根据段落A8所述的装置，其中所述夹脚(36)提供向上夹持力以用 于所述紧固功能中使用的一次装配(OUA)工艺。

A10.根据段落A1所述的装置，其中所述末端执行器(22)通过将套管 (67)模锻在所述紧固件(71)上、铆接所述紧固件(71)或将螺母扭转在 所述紧固件(71)上而将所述紧固件(71)安装在所述孔(64)中。

A11.根据段落A1所述的装置，其中所述末端执行器(22)具有给料系 统(56)以用于将套管(67)或螺母供给到所述紧固件(71)。

A12.根据段落A1所述的装置，其中所述末端执行器(22)具有零件回 收系统(40)以用于收集由钻取所述孔(64)和安装所述紧固件(71)产生 的零件。

A13.根据段落A1所述的装置，其中所述末端执行器(22)具有相机系 统(41)以用于检查所述孔(64)或所述紧固件(71)。

A14.根据段落A1所述的装置，其中所述自动化紧固机(14)与所述第 一表面(10B)的相对侧上的其他机器协调，所述其他机器钻取所述孔(64) 并且将所述紧固件(71)插入在所述孔(64)中。

A15.根据段落A1所述的装置，其中所述轨道(12)被安装为使得其宽 度与所述第一表面(10B)成角度。

A16.根据段落A15所述的装置，其中所述轨道(12)与所述第一表面 (10B)成约90度的角度。

A17.根据段落A15所述的装置，其中所述轨道(12)与所述第一表面 (10B)成从约80度到约100度的范围内的角度。

A18.根据段落A15所述的装置，所述轨道(12)与所述第一表面(10B) 成角度地安装在第二表面(11)上。

A19.根据段落A18所述的装置，其中所述第二表面(11)是飞行器机身 (10)的尾部压力舱壁(11)。

A20.根据段落A1所述的装置，所述轨道(12)被直接安装在所述第一 表面(10B)上。

A21.根据段落A1所述的装置，其中所述拖板(20)沿着X-轴线方向和 Z-轴线方向穿过所述轨道(12)，所述X-轴线方向包括横向位置，并且所述 Z-轴线方向包括竖直位置。

A22.根据段落A21所述的装置，其中所述自动化紧固机(14)沿着所述 轨道(12)在至少X-轴线方向和Z-轴线方向上被定位。

A23.根据段落A21所述的装置，其中所述拖板(20)在所述X-轴线方 向和所述Z-轴线方向中移动所述自动化紧固机(14)。

A24.根据段落A21所述的装置，所述臂(21)包括轨(27)和滚珠丝杠 (28)以用于在垂直于所述X-轴线方向和所述Z-轴线方向的Y-轴线方向上移 动所述末端执行器(22)。

A25.根据段落A24所述的装置，其中所述臂(21)包括枢转轴承(32) 以用于在由所述Y-轴线方向和所述Z-轴线方向形成的平面中成角度地移动所 述末端执行器(22)。

根据本发明的又一方面，提供了：

B1.一种用于紧固结构的方法，其包括：

使用自动化紧固机(14)执行紧固步骤，所述自动化紧固机(14)包括 拖板(20)、臂(21)以及末端执行器(22)，其中所述臂(21)被安装在所 述拖板(20)上并且所述末端执行器(22)被安装在所述臂(21)上；

其中所述自动化紧固机(14)被安装在轨道(12)上同时执行紧固步骤， 所述轨道(12)安装在结构(10)内部以便接近所述结构(10)的第一表面 (10B)，并且所述第一表面(10B)具有一个或多个孔(64)，通过所述孔(64) 插入紧固件(71)；

其中所述拖板(20)穿过轨道(12)以便定位所述臂(21)和末端执行 器(22)，所述臂(21)被附连到所述拖板(20)以便定位所述末端执行器(22)， 以及所述末端执行器(22)被附连到所述臂(21)以用于将紧固件(71)安 装到所述第一表面(10B)的所述孔(64)中。

根据本发明的又一方面，提供了：

C1.一种用于紧固结构的方法，其包括：

使用自动化紧固机(14)执行紧固步骤，所述自动化紧固机(14)包括 拖板(20)、臂(21)以及末端执行器(22)，其中所述臂(21)被安装在所 述拖板(20)上并且所述末端执行器(22)被安装在所述臂(21)上，其中 所述拖板(20)穿过轨道(12)，所述轨道(12)被安装在结构(10)内部同 时所述臂(21)和末端执行器(22)执行以下的紧固步骤：

将所述末端执行器(22)相对于其中具有孔(64)的所述结构(10)的 内部表面(10B)定位，通过所述孔(64)插入紧固件(71)；

通过使用由所述末端执行器(22)施加的力而向上夹持所述内部表面 (10B)；以及

通过使用所述末端执行器(22)来安装被插入通过所述孔(64)的所述 紧固件(71)。

C2.根据段落C1所述的方法，其进一步包括：通过使用所述末端执行器 (22)的再同步相机(41)，将所述末端执行器(22)相对于所述内部表面(10B) 上的一个或多个特征件对齐。

C3.根据段落C1所述的方法，其进一步包括：将所述自动化紧固机(14) 与所述结构(10)外部上的其他机器对齐。

C4.根据段落C1所述的方法，其进一步包括：通过使用所述末端执行器 (22)的常态传感器(42)将所述末端执行器(22)相对于所述内部表面(10B) 定位。

C5.根据段落C4所述的方法，其中所述定位步骤包括：通过使用来自所 述常态传感器(42)的信号来旋转所述臂(21)和末端执行器(22)以实现 相对于所述内部表面(10B)的基本垂直取向。

C6.根据段落C1所述的方法，其中所述向上夹持步骤包括：通过使用所 述末端执行器(22)的夹脚(36)来接合所述内部表面(10B)并且施加所述 力。

C7.根据段落C6所述的方法，进一步包括通过使用所述末端执行器(22) 的夹紧缸(37)来延伸所述夹脚(36)以接合与所述孔(64)相邻的所述内 部表面(10B)。

C8.根据段落C1所述的方法，其中所述力被施加以用于所述紧固步骤中 使用的一次装配(OUA)工艺。

C9.根据段落C1所述的方法，其中所述安装步骤包括：

使用负载销滑块(65)以将负载销(66)定位在套管给料机管(50)的 下面；

通过压缩空气将套管(67)从所述套管给料机管(50)吹送到所述负载 销(66)上；

使用侧喷嘴(68)将所述套管(67)保持在所述负载销(66)上；

缩回所述套管给料机管(50)；

延伸所述负载销滑块(65)以将其定位在套管锻造机(35)之下，使得 所述套管(67)在始终保持在所述负载销(66)上的同时被定位在所述套管 锻造机(35)的给料指状物(69)之间；

向前移动所述套管锻造机(35)以推动所述套管(67)倚靠所述给料指 状物(69)并且然后移动所述套管锻造机(35)以越过所述负载销(66)，使 得所述套管(67)越过所述负载销(66)；

将所述负载销滑块(65)缩回以远离所述套管锻造机(35)，其中所述套 管(67)被固定安置在所述套管锻造机(35)的所述给料指状物(69)中；

将所述套管锻造机(35)朝向所述表面(63)前进并且所述紧固件(71) 被插入通过所述表面(63)中的所述孔(64)；

通过使用所述套管锻造机(35)将所述套管(67)安置在所述紧固件(71) 的端部上，其中所述套管锻造机(35)的所述给料指状物(69)被打开，并 且所述套管(67)被推动到所述紧固件(71)上；以及

通过使用紧固件安装工具(33)将所述套管(67)模锻在所述紧固件(71) 上。

C10.根据段落C9所述的方法，其中所述模锻步骤包括：

通过使用所述紧固件安装工具(33)使型锻模(70)被向下促动到所述 套管(67)上，所述紧固件安装工具(33)减小所述套管(67)的直径并且 将套管(67)材料渐进地模锻到所述型锻模(70)中，其中当所述紧固件(71) 的针尾件(72)破碎时，完成安装。

C11.根据段落C10所述的方法，其进一步包括：

缩回套管锻造机(35)以将型锻模(70)脱离模锻套管(67)，并且然后 以真空吸尘器将针尾件(72)通过针尾式溢流管(40，51)扫出到收集点。

C12.根据段落C9所述的方法，其进一步包括：检查所述紧固件(71) 上的所述模锻套管(67)。