用于相对于结构定位自动化装配工具的系统和方法
【技术领域】
[0001]本公开大体涉及飞行器，并且具体地涉及制造飞行器结构。更具体地，本公开涉及用于相对于结构定位工具系统的系统和方法。
【背景技术】
[0002]在制造飞行器结构中，可以执行各种操作以组装每个飞行器结构。这些操作可以由人类操作者使用手持工具或使用自动化设备手动地执行。例如但不限于，钻孔、钻埋头孔、紧固、耦接、密封、涂层、检查或其他合适类型的操作可以被执行以组装飞行器结构。
[0003]当执行这些操作时，需要精确的对准以避免零件的返工或废弃。除了或代替人类操作者，对飞行器结构的提高的生产率的需求引导一些制造商使用自动化钻孔和紧固系统。
[0004]使用一些存在的自动化系统，该系统必须接触飞行器结构的表面并使用规定的力压抵表面。这些系统可以依赖于机器全局精度和工具以确保钻孔工具以期望的方式相对于表面被取向并与表面接触。然而，使用这些系统，正交性测量值以及夹紧力的测量值可能没有期望的精确。因此，具有不理想的埋头孔裕度的孔以及紧固件未对准表面可能发生。
[0005]其他存在的方案可以使用带有压力感测鼻甲(nos印iece)的末端执行器。该鼻甲可以是在末端执行器和飞行器蒙皮之间的第一接触点。随着压力传感器集成到鼻甲，当机器接触飞行器结构时，该鼻甲可以提供位置反馈。然而，这种系统需要与飞行器蒙皮接触以产生这样的位置信息。因此，该机器必须缓慢接近表面以避免不期望的碰撞，该碰撞能够引起不期望的不一致性在飞行器蒙皮、鼻甲中或者二者中形成。这种缓慢接近可以花费较期望更多时间并降低装配飞行器结构的速度。
[0006]这些鼻甲系统也提高相关的可靠性和精确性。由于鼻甲也提供用于自动化系统的夹紧力，该鼻甲必须具有足够大的直径以适应通过中心孔的各种钻头、孔检查探针以及紧固件插入器。由于飞行器结构的表面中的不同的轮廓，大的接触表面可以减小埋头孔深度重复性。
[0007]此外，具有大直径的鼻甲可以接触邻近的紧固件头部、蒙皮板搭接接头以及蒙皮表面上的碎片。因此，鼻甲可能变为未对准的，从而导致执行操作时的误差。因此，存在考虑以上讨论的一个或更多个问题以及其他可能的问题的方法和装置的需要。
【发明内容】
[0008]在一个说明性实施例中，装置可以包含末端执行器和传感器系统。末端执行器可以被配置成在结构上执行操作。传感器系统可以具有从末端执行器向外延伸的多个传感器。
[0009]在另一个说明性实施例中，可以提供用于相对于结构定位末端执行器的方法。可以产生关于传感器系统中的多个传感器相对于结构的表面的位置的位置数据。基于由多个传感器产生的位置数据，可以改变末端执行器相对于结构的表面的位置。
[0010]在又一个说明性实施例中，装配系统可以包含移动平台、与移动平台关联的末端执行器、连接至末端执行器的压力脚和传感器系统。移动平台可以被配置成移动至相对于结构的表面上的位置的期望位置。末端执行器可以被配置成在该位置处在结构的表面上执行操作。压力脚可以被配置成在该位置处接触结构的表面。传感器系统可以具有从压力脚向外延伸的多个传感器。多个传感器可以被配置成产生关于多个传感器相对于结构的表面上的位置的位置的位置数据。
[0011]在又一个说明性实施例中，可以提供用于在紧固件上钻孔的方法。末端执行器可以以第一速度朝向结构的表面移动。末端执行器可以与具有从末端执行器向外延伸的多个传感器的传感器系统关联。结构的表面可以与多个传感器中的至少一个接触。可以产生关于多个传感器相对于结构的表面的位置的位置数据。基于来自多个传感器的位置数据，可以改变末端执行器相对于结构的表面的位置。末端执行器可以以比第一速度慢的第二速度朝向结构的表面移动，以接触结构的表面，其中末端执行器带有期望的接触力。使用末端执行器可以在结构的表面中孔钻。
[0012]在又一个说明性实施例中，可以提供用于在表面上定位工具的方法。可以使用第一运动系统相对于表面移动工具以在表面上的选定区域内粗略地定位工具。可以使用第二运动系统相对于表面以至少一个自由度移动工具以在表面上的选定区域内的选定位置处精确地定位工具。
[0013]在又一个说明性实施例中，可以提供用于在表面上定位工具的方法。可以使用第一运动系统相对于表面移动工具以在表面上的选定区域内粗略地定位工具。可以使用第二运动系统相对于表面以至少一个自由度移动工具以在表面上的选定区域内的选定位置处精确地定位工具。可以使用第三运动系统相对于选定位置对准与用于在选定位置处执行操作的工具关联的兀件。
[0014]在又一个说明性实施例中，可以提供用于相对于表面定位装配系统的方法。可以使用第一运动系统相对于表面移动装配系统以在表面上的选定区域内粗略地定位装配系统。可以使用第二运动系统相对于表面以至少一个自由度移动运动平台以在表面上的选定区域内的选定位置处将末端执行器精确地定位在运动平台上。可以使用运动平台相对于选定位置对准与末端执行器关联的工具，用于在选定位置处执行操作。
[0015]这些特征和功能能够在本公开的各种实施例中被独立地实现或者在其他实施例中被组合，参考后面的【具体实施方式】和附图能够了解实施例的进一步的细节。
【附图说明】
[0016]在随附的权利要求中阐明被认为是说明性实施例的特性的新颖性特征。然而，当结合附图阅读时，通过参考本公开的说明性实施例的以下【具体实施方式】，将更好地理解说明性实施例以及优选的使用模式，及其进一步的目标和特征，其中:
[0017]图1是根据说明性实施例的制造环境的框图的图示说明；
[0018]图2是根据说明性实施例的制造环境的图不说明；
[0019]图3是根据说明性实施例的装配系统的等距视图的图示说明；
[0020]图4是根据说明性实施例的末端执行器和工具组的图示说明；
[0021]图5是根据说明性实施例的装配系统的俯视图的图示说明；
[0022]图6是根据说明性实施例的装配系统执行操作的图示说明；
[0023]图7是根据说明性实施例的装配系统执行操作的另一图示说明；
[0024]图8是根据说明性实施例的装配系统执行操作的又一图示说明；
[0025]图9是根据说明性实施例的装配系统执行操作的再一图示说明；
[0026]图10是根据说明性实施例的装配系统执行操作的另一图示说明；
[0027]图11是根据说明性实施例的装配系统执行操作的又一图示说明；
[0028]图12是根据说明性实施例的装配系统执行操作的再一图示说明；
[0029]图13是根据说明性实施例的工具管理系统的一部分的图示说明；
[0030]图14是根据说明性实施例的装配系统的另一实施方式的图示说明；
[0031]图15是根据说明性实施例的末端执行器的框图的图示说明；
[0032]图16是根据说明性实施例的在末端执行器上的压力脚的侧视图的图示说明；
[0033]图17是根据说明性实施例的压力脚的俯视图的图示说明；
[0034]图18是根据说明性实施例的末端执行器朝向面板的表面上的位置移动的图示说明；
[0035]图19是根据说明性实施例的传感器在一位置处接触面板的表面的图示说明；
[0036]图20是根据说明性实施例的末端执行器调节末端执行器的位置的图示说明；
[0037]图21是根据说明性实施例的压力脚在接触面板的表面之前的图示说明；
[0038]图22是根据说明性实施例的传感器系统检查安装在面板中的紧固件的裕度的图示说明；
[0039]图23是根据说明性实施例的末端执行器接近面板的表面上的物体的图示说明；
[0040]图24是根据说明性实施例的传感器接触面板的表面上的物体的图示说明；
[0041]图25是根据说明性实施例的末端执行器接近面板的表面的图示说明；
[0042]图26是根据说明性实施例的带有压力脚和传感器系统的末端执行器的图示说明；
[0043]图27是根据说明性实施例的用于操作装配系统以在结构上执行操作的过程的流程图的图不说明；
[0044]图28是根据说明性实施例的用于操作装配系统以在结构的面板中安装紧固件的过程的流程图的图示说明；
[0045]图29是根据说明性实施例的用于相对于结构的表面定位末端执行器的过程的流程图的图不说明；
[0046]图30是根据说明性实施例的用于相对于结构的表面定位末端执行器以执行操作的过程的流程图的图示说明；
[0047]图31是根据说明性实施例的用于将期望的接触力施加至结构以夹紧结构的过程的流程图的图示说明；
[0048]图32是根据说明性实施例的用于使用传感器系统探测结构的表面上的物体的过程的流程图的图示说明；
[0049]图33是根据说明性实施例的飞行器制造和使用方法的框图的图示说明；以及
[0050]图34是其中可以实施说明性实施例的飞行器的框图的图示说明。
【具体实施方式】
[0051]说明性实施例认识并考虑一个或更多个不同的事项。例如但不限于，说明性实施例认识并考虑:使在飞行器结构上制造操作的执行自动化可以是期望的。具体地，说明性实施例认识并考虑:具有能够在飞行器结构上执行钻孔、测量、检查、紧固和其他合适的操作的自动化设备可以是期望的。
[0052]说明性实施例还认识并考虑:具有能够操纵飞行器结构以执行制造操作的设备可以是期望的。例如，说明性实施例认识并考虑:在飞行器结构上的一些位置以期望的方式钻孔对于人类操作员是困难的。
[0053]说明性实施例认识并考虑:从下面在机翼的蒙皮面板上钻孔可以提供精确性和人体工学挑战。例如但不限于，不一致性(诸如不正确地定位孔或分层)可以在蒙皮面板中钻出的孔中形成。如另一个示例，当在蒙皮面板中安装紧固件时，人类操作者可能感到疲劳。这些挑战以及其他可以导致返工、废弃面板或机翼的需要，制造机翼的成本的增加超过期望值，或它们的一些组合。
[0054]另外，说明性实施例认识并考虑:在飞行器结构上执行制造操作而不需要在制造设施内的不同位置处使用固定座卡具(fixed monument fixture)可以是期望的。在该说明性示例中，“固定座卡具”是固定地连接至设施地板、壁或制造设施的其他部分的结构。换句话说，固定座卡具可以是一种结构，该结构未被配置成在不将其从设施地板、壁或其他非可移动结构解开的情况下从制造设施中的一个位置完全移动至另一个位置。例如但不限于，当在结构上执行操作时，固定座卡具可以将结构保持就位。这些固定座卡具可以包括用螺栓紧固至设施地板的机器人设备、固定吊架系统或其他结构。
[0055]说明性实施例认识并考虑:固定座卡具降低制造设施内的柔性。例如，从一个固定座卡具分离组件并将其移动至下一个固定座卡具以用于进一步组装可能是困难的。该分离-移动-再连接时间减慢生产率并降低制造柔性。另外，这些固定座卡具可以占据较期望更多的空间，允许有限的接近正在组装的飞行器结构或二者。此外，固定座卡具制造、重新装配或维护可以较期望的更昂贵。使用固定工具系统也会出现类似的问题。
[0056]因而，说明性实施例提供用于在结构上执行操作的方法和装置。这些操作可以包括将紧固件安装在结构中。装配系统包含运动平台和移动平台。运动平台可以被配置成放置在结构的表面下方以在表面上执行操作。移动平台可以被配置成从第一位置携带运动平台穿过制造环境的地板至第二位置。
[0057]现在转向图1，其描绘根据说明性实施例的制造环境的框图的图示说明。在该描绘的示例中，制造环境100是装配系统102可以被用于在结构106中安装紧固件104的环境。制造环境100可以具有地板107。
[0058]如所描绘的，制造环境100可以包括结构106、自主工具系统109以及系统支撑物108。在该说明性示例中，结构106可以是飞行器110中的物体。例如但不限于，结构106可以被并入机翼、机身、水平稳定器、门、壳体、发动机或其他合适的结构中的至少一者中。
[0059]在该说明性示例中，结构106可以采取飞行器110中的机翼114的面板112的形式。在该说明性示例中，面板112可以是蒙皮面板115。例如，面板112可以是用于机翼114的下蒙皮面板105。在另一些说明性示例中，面板112可以是用于飞行器110中的竖直稳定器的蒙皮面板。在又一些说明性示例中，根据【具体实施方式】，面板112可以是用于机翼114的上蒙皮面板或一些其他结构。面板112的另一些示例可以包括用于在机身、水平稳定器、襟翼、扰流板、副翼、门、缝翼、机舱或一些其他飞行器结构上安装的面板。面板112可以具有表面116。在一些说明性示例中，表面116可以被称为“工作台”。
[0060]在该描绘的示例中，自主工具系统109可以被配置成在面板112上执行操作111。在该说明性示例中，操作111可以被称为装配操作。例如，装配系统102可以被配置成执行钻孔操作、紧固操作、检查操作、测量操作、清洗操作、密封操作、数据收集操作或其他合适类型的操作111中的至少一者。
[0061]如本文所使用的，当短语“至少一者”与一系列项目一起使用时，意味着所列项目中的一个或更多个的不同组合可以被使用并且可以只需要列表中的项目中的一个。该项目可以是特定的物体、事物或类别。换句话说，“至少一者”意味着项目的任意组合，或者可以使用来自列表的许多项目，但并不会需要列表中的所有项目。
[0062]例如，“项目A、项目B和项目C中的至少一者”可以意味着项目A ;项目A和项目;项目A、项目B和项目C ;或者项目B和项目C。在一些情况下，“项目A、项目B和项目C中的至少一者”可以意味着，例如但不限于:两个项目A、一个项目B和十个项目C ;四个项目B和七个项目C ;或其他一些合适的组合。
[0063]在该说明性示例中，自主工具系统109可以采用装配系统102的形式。以此方式，装配系统102可以被称为自主工具或自动化工具系统。装配系统102可以被配置成在面板112的表面116中安装紧固件104。
[0064]装配系统102可以包括若干部件。如本文所使用的，“若干”项目可以是一个或更多个项目。在该说明性示例中，若干部件可以是一个或更多个部件。
[0065]装配系统102中的一个或更多个部件可以以至少一个自由度至六个自由度或更多个自由度移动。例如，每个部件可以以至少一个平移自由度或至少一个旋转自由度移动，但是也能够具有高达三个平移自由度、高达三个旋转自由度或二者。在一些示例中，每个部件可以以至少一个自由度独立于装配系统102中的其他部件移动。
[0066]装配系统102可以基于全局坐标系统101和飞行器坐标系统103或更具体的坐标系统(像机翼、襟翼、扰流板、副翼、门、稳定器、缝翼、机身或一些其他结构)或甚至部件系统(像翼梁、肋板、框架或一些其他部件)中的至少一者被定位和放置。全局坐标系统101可以是用于制造环境100的参考坐标系统。
[0067]飞机坐标系统103可以代表参考坐标系统，在参考坐标系统中飞行器零件被定位在三维空间中。飞机坐标系统103可以基于飞行器110中的原点或参考点。使用全局坐标系统101和飞机坐标系统103中的至少一者，装配系统102和装配系统102内的部件可以相对于制造环境100内的结构被粗略地和精确地定位。
[0068]如所描绘的，装配系统102可以包含移动平台118、第一运动系统119、末端执行器120、运动平台122、第二运动系统124、工具管理系统126、紧固件管理系统127、控制器128和供电系统129。在该说明性示例中，移动平台118可以是将部件保持在装配系统102内的机械设备。例如，移动平台118可以被配置成携带运动平台122以执行操作111。
[0069]在该说明性示例中，当项目是“移动的”时，该项目也许能够移动穿过制造环境100中的地板107。换句话说，该项目是可移动的并且未被固定至制造环境100中的具体位置。
[0070]移动项目还可以是可驱动的。如本文所使用的，“可驱动”的项目可以是能够通过移动驱动到不同位置或引导到不同的位置的项目。驱动项目可以包括通过使用至少一个平移自由度平移项目或使用至少一个旋转自由度旋转项目中的至少一者移动项目。另外，驱动项目可以包括移动整个项目和一起构成项目的所有的部件。可驱动项目也许能够自主地驱动至不同的位置。换句话说，该项目可以具有自主的或半自主的驱动能力以相对于制造环境100中的地板107从一个位置整体移动至另一个位置。
[0071]在另一些情况中，可驱动项目可以通过一些其他系统驱动。例如，控制器、运动系统、人类操作者或一些其他类型的设备或操作者可以驱动项目。以此方式，可驱动项目可以被电动驱动、机械驱动、机电驱动、手动驱动或以一些其他方式驱动。
[0072]在该说明性示例中，移动平台118和与移动平台118关联的部件未被固定在一个位置。而是，整个移动平台118可以移动穿过制造环境100的地板107。例如但不限于，移动平台118可以使用第一运动系统119以从制造环境100的地板107上的第一位置117移动至第二位置121。
[0073]如所图示说明的，第一运动系统119可以与移动平台118物理地关联。通过固定至第二部件、粘接至第二部件、安装至第二部件、焊接至第二部件、紧固至第二部件、以一些其他合适的方式连接至第二部件或者其组合，诸如第一运动系统119的第一部件可以被考虑为与诸如移动平台118的第二部件物理地关联。还可以使用第三部件将第一部件连接至第二部件。另外，第一部件可以被考虑为通过形成为第二部件的一部分、形成为第二部件的延长部或其组合而与第二部件关联。
[0074]在该描绘的示例中，第一运动系统119可以包含被配置成将移动平台118从第一位置117驱动至第二位置121的若干部件。例如，第一运动系统119可以包括轮子、轨道系统、滑轮或其他合适的运动设备。以此方式，第一运动系统119提供移动平台118的粗略定位。
[0075]在说明性示例中，第一运动系统119可以包括可伸缩轮子131。可伸缩轮子131可以被缩回以使移动平台118降低至制造环境100的地板107。在紧固件104的安装期间，使移动平台118降低至制造环境100的地板107可以将装配系统102暂时安置就位。在完成紧固件104的安装之后，可伸缩轮子131可以被伸展以从地板107提升移动平台118并将移动平台118从制造环境100的地板107上的第一位置117移动至第二位置121。
[0076]在该描绘的示例中，第一运动系统119可以包括万向轮133。万向轮133允许移动平台118实现全方位的运动。换句话说，万向轮133可以前后，以及左右移动移动平台118。
[0077]在一些说明性示例中，万向轮133也可以伸缩或可以锁定以基本阻止移动平台118的不期望的运动。在另一些说明性示例中，第一运动系统119可以包括完整的轮子、另一种类型的全向轮、脚轮、其他合适的运动设备或其组合。在一说明性示例中，这些类型的轮子可以或不可以伸缩。
[0078]如所描绘的，末端执行器120可以是一种设备，工具组132被附接至该设备。具体地，末端执行器120可以被配置成保持工具组132。工具组132可以用于在面板112中安装紧固件104。
[0079]如本文所使用的，项目“组”可以是一个或更多个项目。在该说明性示例中，工具组132可以是一个或更多个工具。当两个或更多个工具出现在工具组132中时，这些工具也可以被称为一组工具、多个工具，简单的称为“工具”或类似称呼。
[0080]在该说明性示例中，运动平台122可以是被配置成将末端执行器120相对于平面116放置在期望的位置130中的设备。在该说明性示例中，期望的位置130可以包括相对于结构106的面板112末端执行器120在三维空间中的位置或取向中的至少一者。
[0081]运动平台122可以将末端执行器120上的工具组132相对于面板112的表面116上的位置135移动至期望的位置130以安装紧固件104。具体地，运动平台122可以被配置成将末端执行器120上的工具组132相对于面板112的表面116定位在位置135处。例如但不限于，运动平台122可以垂直于位置135、平行于位置135、与紧固件104的位置135的中心轴线共线或以一些其他方式定位工具组132。
[0082]运动平台122提供末端执行器120相对于位置135的精细定位。位置135可以是用于为紧固件104进行钻孔134的期望的位置。
[0083]当工具组132相对于面板112的表面116上的位置135定位时，可以以期望的方式安装紧固件104。例如，在位置135处垂直于表面116定位工具组132可以允许工具组132沿着轴线137在表面116中钻孔134。在一些情况中，轴线137可以在位置135处垂直于表面116。以此方式，钻孔134可以提供当紧固件104插入孔134中时的期望的对准。在另一个说明性示例中，垂直于表面116定位工具组132可以允许工具组132钻孔134而不在面板112中形成裂缝、分层或其他超出公差的不一致性。在另一些示例中，轴线137可以成一个角度。
[0084]在该描绘的示例中，运动平台122可以采用各种形式。在该说明性示例中，运动平台122采用六脚141的形式。在另一些说明性示例中，但不限于，