专利名称：无需垫片的拼接机身区段的制作方法
技术领域：
0001本公开一般涉及组装飞行器的机身区段的方法，且更为具体
地涉及利用拼接元件来组装机身区段的方法，所述拼接元件补偿在机身区段之间的不匹配表面内的间隙。
背景技术：
0002大型商用飞行器的机身通常通过配合与连接圆筒形机身区段(有时被称为"桶")而被制造。利用横跨过区段之间的接合处的拼接带和拼接元件来将机身区段组装到一起。由于形成每一个区段的各部件之间的制造差异的积累(有时被称作公差叠加)，因此，在机身区段的配合表面之间的小的不匹配会造成必须用垫片或衬垫来填充的间隙。过去，为了确定间隙的尺寸与位置，利用装配架或固定夹具来使得机身区段被装配到一起并保持就位。基于这种预先的"装配"，测量出间隙，且机加工出定制的部件、衬垫或垫片以填充间隙。0003垫片增加了飞行器的附加重量，并且由于每一个垫片均是唯一的且必须被熟练的技工机加工成适当的尺寸，因此制造起来既消耗时间又费用昂贵。此外，将机身区段物理地装配到一起、确定所需垫片的尺寸并且之后制造垫片的过程必须以顺次的方式被实现，所有这些都处于制造过程的关键流程。因此，填充垫片的过程增加了工厂流程时间。
0004因此，需要一种组装机身区段的方法，该方法消除对填充不匹配的配合表面内间隙的衬垫与垫片的需要。本公开的实施例旨在满足此需要。
发明内容
0005本公开的图示实施例提供了用于组装飞行器机身区段的方法，
其消除了对于用垫片、衬垫及其他特殊部件来填充两个区段的匹配表面之间的间隙的需要。垫片与衬垫的取消减轻了飞行器的重量，并縮短了用于测量表面不匹配和制造/安装定制部件以补偿这些不匹配所需的时间。
0006根据一个实施例，提供一种组装飞行器的两个机身区段的方法。该方法包括下列步骤测量机身区段的匹配表面的位置；虚拟组装所述机身区段；基于虚拟组装来产生用于连接机身区段的拼接元件的轮廓；基于拼接元件轮廓来制造工具插入件；利用所述工具插入来制造拼接元件；以及，利用所述拼接元件组装机身区段。优选地利用诸如照相测量法和/或激光跟踪法等非接触测量技术来测量两个机身区段的匹配表面的位置。利用两个区段的计算机生成的模型并比较计算机模型以便识别在区段的匹配表面之间的间隙，从而执行对机身区段的虚拟组装。可利用包括三维喷墨印刷的多个固体自由成形制造技术中的任一技术来制造工具插入件。该工具插入件具有如下轮廓，该轮廓被转印到拼接元件并补偿在机身区段的配合表面之间的不匹配。最终的拼接元件具有如下轮廓，该轮廓填充由配合表面的不匹配而导致的间隙。拼接元件可经由如下方法被形成将工具插入件置于工具底座内、将未固化材料引入到与插入件接触的工具内、固化该材料以及从工具移除拼接元件。该未固化材料通过如下方式被制造形成包括多层纤维增强树脂的层合件(lay-up),并通过施加真空或其他作用力使该层合件抵靠工具插入件。
0007根据另一个公开的实施例，提供一种用于制造拼接元件的方法，其中所述拼接元件被用于组装飞行器的机身区段。该方法包括下列步骤在公共坐标系内确定机身区段的配合表面的位置；通过产生在机身区段之间的虚拟配合来确定拼接元件的轮廓；基于拼接元件的轮廓来生产工具；以及，利用工具来形成拼接元件。可通过提供工具底座、提供工具插入件以及将工具插入件引入工具底座内来生产工具。工具插入件具有与拼接元件的轮廓互补的轮廓，且可利用计算机自动
的固体自由成形制造技术而被制造。
0008根据另一实施例，提供用于接合飞行器的机身区段的拼接元件。拼接元件通过下列步骤被制造生成机身区段的计算机模型；利用计算机模型绘制在机身区段的配合表面之间的间隙；生成分别填充所绘制的间隙的拼接元件；生产具有分别基于拼接元件轮廓的轮廓的
工具插入件；以及，利用工具插入件形成拼接元件。0009当结合附图与所附权利要求阅读时，本公开的其他特征、优 点以及有利之处将由实施例的下列描述而变得清楚。
0010图1是飞行器机身区段的透视图。
0011图2是根据现有技术利用垫片与衬垫在两个机身区段之间形 成的接合处的一部分的透视图。0012图3是沿图2的线3-3剖切的剖视图。
0013图4是示出如图2和图3中所示用于现有技术接合处组件的 拼接导槽与垫片及衬垫之间的关系的分解透视图。
0014图5是与图3相似的视图，但示出了根据本公开的实施例所 制作的拼接元件的使用。
0015图6是示出用于拼接机身区段的方法的步骤的简化流程图。0016图7是在拼接元件安装前两个机身区段之间形成的接合处的 透视图。
0017图8是沿图7中的线8-8剖切的剖视图。0018图9是工具插入件的侧视图。0019图IO是用于生产拼接元件的层合件的部分侧视图。0020图11是包括用于生产拼接元件的工具插入件与层合件的工具 组件的侧视图。
0021图12是利用图11所示工具组件制造的已抛光的拼接元件的 侧视图。
具体实施例方式
0022图1示出飞行器的典型机身区段10。该机身区段IO包括由各 种梁、支撑件以及加强件形成的内侧上部结构。在所示示例中，该上 部结构由圆周向延伸的肋12形成，其中所述肋12上附连有横向延伸 的梁14，所述梁14被紧固到纵向延伸的梁16，以便形成通常支撑客 舱的上侧地板。可提供支柱18以便协助支撑由梁14、 16形成的地板。也可提供下侧地板以便支撑行李舱，该下侧地板包括由连接到圆周向
肋12的支柱22所支撑的横向延伸梁20。
0023外侧蒙皮26被固定到圆周向肋12，且包括纵向延伸的桁条 24。蒙皮26的外侧边缘稍微超出最外侧肋12而延伸，并将要被配合 到绕相邻机身区段所形成的蒙皮26，这在后面将会变得清楚。
0024图2、图3与图4示出组装两个相邻机身区段(例如前机身区 段10a以及后机身区段10b)的现有技术方法。相应机身区段10a、 10b 的外侧蒙皮26a、 26b沿图2中28处所示的圆周向接合处而被接合。 圆周向延伸的拼接带30穿过桁条24中的锥形开口 39。拼接带30交叠 在蒙皮区段26a、 26b的相邻部分，并覆盖在这两个邻接蒙皮区段之间 的接合处31。多个拼接导槽32分别被置于邻接桁条24和拼接带30 的覆盖部分之间。每一个拼接导槽32均具有大致平坦的底部以及一对 间隔开的加强肋32a。利用如铆钉等紧固件40将拼接带30与拼接导槽 32固定到外侧蒙皮区段26a、 26b。
0025作为制造工艺与公差叠加的正常变化的结果，两个机身区段 10a、 10b的配合表面可能不是理想地对准，从而导致在蒙皮区段16a、 16b的内侧面与拼接导槽32的底面之间可能存在间隙。而且，在蒙皮 区段26a、 26b之间的对准不匹配可导致在拼接导槽32与拼接带30之 间的间隙。为了填充上述间隙，相应地提供前衬垫34和后衬垫36以 及中心垫片38，以便填充这些间隙，这在图3与4中最好看到。
0026现在参考图5，根据本发明的实施例，提供一种拼接元件42， 其具有底部轮廓，其中该底部轮廓被剪裁成填充在拼接元件42与蒙皮 区段26a、 26b之间可能出现的任何间隙，从而排除了对垫片或衬垫的 需要。如同下面将更为详细讨论的，提供一种制造拼接元件42的方法， 其导致了拼接元件42的底座43的厚度t,、t2、t3根据外侧蒙皮区段26a、 26b之间的不匹配而发生变化。换言之，拼接元件42的底座43的横截 面轮廓被精确地裁剪，以便匹配由蒙皮区段26a、 26b与拼接带30限 定的下表面。
0027现在同时参考图5-12，制作拼接元件42的方法中的第一步骤 在图6中44处示出，其中机身区段10与拼接带30被制作。接下来， 在步骤46，优选地利用诸如激光扫描法和/或照相测量法等非接触测量技术来单独地测量机身区段IO。例如，结合的照相测量/激光跟踪技术 可被用于测量每一个机身区段10上的特征。简言之，结合的照相测量 /激光跟踪技术包括利用照相测量法来测量机身区段10上的表面并且 利用激光跟踪法来测量这些表面。之后，表示照相测量法测量中所用 的一个或多个照相机的位置的数据被生成。所生成的位置数据在空间 上将激光跟踪测量链接到照相测量法测量。
0028利用上述测量方法，创建数字文件，其在普通坐标系系统中 建立机身区段10上的特征的相对位置。利用这些数字文件，机身区段 IO可被虚拟组装，而无需实际的物理组装。因此，例如可以测量在机 身区段10上的特征的相对空间位置，同时区段10处于两个完全不同 的地理位置，且数字文件可被发送到第三地理位置，在该第三地理位 置处它们被用于生成示出两个机身区段10的配合表面的相对位置的计 算机模型。在步骤48，机身区段被虚拟组装，从而配合表面的位置限 定了拼接元件42的区域轮廓。事实上，这样的虚拟组装过程绘制出了 间隙的尺寸与位置，其中该间隙将通过裁剪拼接元件42的轮廓以便精 确匹配机身区段IO上的配合表面而被填充。
0029需要剪裁工具插入件54轮廓的间隙的确切尺寸可利用自动确 定垫片尺寸的技术而被确定。简言之，这样的技术包括测量在一个机 身区段10上的第一组特征的位置，并测量在第二机身区段10上的第 二组特征的位置。接下来，基于所述位置测量，在两个机身区段10之 间进行虚拟装配。然后，基于所生成的虚拟装配，将被设置在两个机 身区段IO之间的垫片的尺寸被生成。特征位置测量可利用如前面所述 的激光跟踪器与照相测量工艺而被实现。生成虚拟装配可能包括执行 虚拟名义装配以及然后最优化虚拟名义装配。可利用两个机身区段的 计算机模型且之后比较计算机模型以便确定需要垫片的空隙的形状来 执行虚拟装配。
0030在步骤50，虚拟组装的表面的确切复制品被制造，然后其被 用于生产工具插入件54。工具插入件(如图9最好可见的)具有基本 匹配间隙的横截面轮廓，其中在步骤48中，已在机身区段的配合表面 之间绘制这些间隙。因此，工具插入件54具有变化的厚度ta、 tb、 tc， 这些厚度相当于在缺少具有定制轮廓的拼接元件42时所需的垫片及衬垫的等效厚度。可利用各种技术来制造工具插入件54，包括机加工材 料的实心件。然而，在一个优选实施例中，利用计算机自动的固体自
由成形制造技术来制造工具插入件54。
0031这种固体自由成形制造的示例包括立体平板印刷、熔融沉积 造型以及3-D喷墨印刷。在3-D喷墨印刷中，部件被建在位于充满粉 末材料的容器内的平台上。喷墨打印头选择性地沉积或"印制" 一种 粘结剂流体以便使所需区域内的粉末融合在一起。未粘合的粉末仍然 支撑该部件。平台被降低，更多的粉末被添加且铺平成层，且重复此 工艺，全部工艺都处于自动计算机控制之下。当抛光时，未加工的部 件从未粘合的粉末中移出，且多余的未粘合粉末被吹尽。抛光部件被 渗入蜡、胶或其他密封剂以便改进耐用性与表面抛光。
0032在图6中52处示出本发明的最后一个步骤，其中通过将单个 拼接元件层合件置于工具插入件上方从而将工具插入件的轮廓转印到 层合件内来制造拼接元件。这种制造步骤在图10和图11中更为详细 地示出。包括多个纤维增强合成树脂(例如碳纤维增强环氧树脂)层 43的层合件41被层合，从而层43被大致裁剪成匹配拼接元件42的最 终形状。接下来，工具插入件54被放置在工具底座56内。真空袋58 被置于工具底座56上方，且在袋58内抽真空，从而迫使层合件41下 降到工具插入件54上，因而工具插入件54的轮廓被转印到层合件51。 如果需要，层合件51与工具组件也可被置于高压釜(未示出)内，且 然后经历升高的温度以便固化未固化的或部分固化的树脂。固化之后， 在图12中所示的完成的拼接元件42被从工具底座56移除，并且之后 如图7和图8所示被置于拼接带30与蒙皮区段26a、 26b的上方。最 后，铆钉或其他紧固件40被用于将拼接元件42固定到拼接带30以及 机身蒙皮区段26a、 26b。
0033尽管已经通过特定示例性实施例描述了本公开的实施例，但 是，要理解的是，具体的实施例是出于图示的目的，且不是限制性的， 而本领域的技术人员也会实现其他改型。
权利要求
1.一种组装飞行器的两个机身区段的方法，其包括下列步骤(A)测量所述机身区段的配合表面的位置；(B)虚拟组装所述机身区段；(C)基于在步骤(B)中执行的所述虚拟组装，生成用于接合所述机身区段的拼接元件的轮廓；(D)基于在步骤(C)中生成的所述轮廓来生产工具插入件；(E)利用在步骤(D)中生产的所述工具插入件来生产拼接元件；以及(F)利用所述拼接元件来组装所述机身区段。
2. 根据权利要求1所述的方法，其中利用每个所述机身区段的特征的非接触测量来执行步骤(A)。
3. 根据权利要求2所述的方法，其中利用结合的照相测量与激光 跟踪工艺来实现所述测量。
4. 根据权利要求1所述的方法，其中通过生成所述机身区段的计 算机模型并比较所述计算机模型来执行步骤(B)。
5. 根据权利要求1所述的方法，其中步骤(C)包括测量在虚拟 组装的机身区段之间的间隙。
6. 根据权利要求1所述的方法，其中利用计算机自动的固体自由 成形制造来执行步骤(D)。
7. 根据权利要求6所述的方法，其中通过三维喷墨印刷来实现所 述固体自由成形制造。
8. 根据权利要求1所述的方法，其中步骤(E)包括 将所述工具插入件置于工具内，将未固化材料引入到与所述工具插入件接触的所述工具内， 固化所述材料以形成拼接元件，以及 从所述工具移除所述拼接元件。
9. 根据权利要求8所述的方法，其中步骤(E)包括迫使所述未固 化材料与所述工具插入件在一起。
10. 根据权利要求8所述的方法，其中步骤(E)还包括 形成包括多层纤维加强树脂的层合件，以及 通过将真空应用到所述工具而拉动所述层合件以使之抵靠所述工具插入件。
11. 一种制造具有多个机身区段飞行器的方法，其中所述机身区段通过拼接元件被接合到一起，该方法包括下列步骤(A) 在普通坐标系中确定所述机身区段的配合表面的位置；(B) 通过产生在所述机身区段之间的虚拟装配来确定拼接元件的轮廓；(C) 基于在步骤(C)中生成的所述轮廓来生产工具；(D) 利用在步骤(D)中生产的所述工具来形成所述拼接元件；以及(E) 利用在步骤(D)中形成的所述拼接元件将所述机身区段接 合到一起。
12. 根据权利要求11所述的方法，其中利用非接触测量系统来执 行步骤(A)。
13. 根据权利要求11所述的方法，其中通过生成所述机身区段的 计算机模型并比较该计算机模型来执行步骤(B)。
14. 根据权利要求ll所述的方法，其中步骤(C)包括 提供工具底座；提供工具插入件；将所述工具插入件引入所述工具底座内。
15. 根据权利要求11所述的方法，其中步骤(C)包括制造具有 与拼接元件的轮廓互补地匹配的轮廓的工具插入件。
16. 根据权利要求11所述的方法，其中步骤(C)包括利用计算 机自动的固体自由成形制造来制造工具插入件。
17. 根据权利要求ll所述的方法，其中步骤(D)包括形成碳纤维增强合成树脂的多层层合件， 将所述层合件置于所述工具内，以及 迫使所述层合件抵靠所述工具以便将所述轮廓转印给所述层合件。
18. 根据权利要求11所述的方法制造的飞行器。
19. 用于接合飞行器的机身区段的拼接元件，其通过下列步骤被制造(A) 生成所述机身区段的计算机模型；(B) 利用在步骤(A)中生成的所述计算机模型来绘制在所述机 身区段的配合表面之间的间隙；(C) 分别填充在步骤(B)中绘制的所述间隙，从而生成拼接元 件的轮廓；(D) 分别基于在步骤(C)中生成的所述轮廓来生产具有轮廓的 工具插入件；以及(E) 利用在步骤(D)中生产的所述工具插入件来形成所述拼接元件。
20. 根据权利要求19所述的拼接元件，其中步骤(A)包括在普 通坐标系中测量所述机身区段上的特征的空间位置。
21. 根据权利要求20所述的拼接元件，其中利用非接触测量系统来测量所述特征的所述空间位置。
22. 根据权利要求19所述的拼接元件，其中利用计算机自动的固 体自由成形制造来执行步骤(D)。
23. 根据权利要求22所述的拼接元件，其中通过三维喷墨印刷来 执行所述固体自由成形制造。
24. 根据权利要求19所述的拼接元件，其中在步骤(E)中形成的 每个所述拼接元件均通过下列步骤而被生产提供工具底座，将工具插入件置于所述工具底座内，将增强合成树脂的多层层合件引入到所述工具底座内，以及 迫使所述层合件抵靠所述工具插入件，以便将所述工具插入件的 所述轮廓转印到所述层合件内。
全文摘要
飞行器的机身区段利用拼接元件而被接合，所述拼接元件弥补了由机身区段上配合表面之间的不匹配而导致的间隙。机身区段利用计算机模型而被虚拟组装，该计算机模型基于已建的机身区段的非接触测量。该虚拟组装的机身区段被用于绘制在配合表面之间的间隙。绘制的间隙被用于生产工具插入件，该工具插入件具有反应间隙尺寸的轮廓。工具插入件被用于制造拼接元件，所述拼接元件具有当机身区段被组装并接合时填充间隙的轮廓，从而消除了对填充间隙的垫片与衬垫的需求。
文档编号G05B19/4097GK101646983SQ200880008320
公开日2010年2月10日 申请日期2008年3月14日 优先权日2007年3月14日
发明者B·J·马什, K·D·范斯考特, K·M·马伦-赫格里 申请人:波音公司