СПОСОБ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЕДИНЕНИЯ СКЛЕИВАНИЕМ КОМПОНЕНТОВ С БОЛЬШОЙ ПЛОЩАДЬЮ ПОВЕРХНОСТИ, ИСПОЛЬЗУЕМЫХ В ТРАНСПОРТНОМ МАШИНОСТРОЕНИИ
METHOD AND DEVICE FOR CONNECTING BY GLUING OF COMPONENTS WITH LARGE SURFACE AREA USED IN TRANSPORT MACHINE BUILDING

Область техники, к которой относится изобретение
Изобретение относится к способу соединения компонентов с большой площадью поверхности, используемых в транспортном машиностроении, путем склеивания, в частности при строительстве фюзеляжей крупногабаритных воздушных судов, в соответствии с преамбулой п.1 формулы изобретения, и соответствующего устройства в соответствии с преамбулой п.10 формулы.
Уровень техники
В последние годы современные легкие конструкции привели к значительным изменениям в транспортном машиностроении, будь то морские суда, воздушные суда, автомобили или железнодорожный транспорт. Таким образом, использование соответствующих материалов приводит к улучшениям в плане веса, безопасности и комфорта и позволяет одновременно снизить себестоимость. Помимо использования соответствующих материалов данный прогресс достигается благодаря умелому применению современной технологии склеивания, которая может сочетаться с традиционными соединительными технологиями, такими как клепка, скрепление болтами или точечная сварка.
Одновременно, технология склеивания также проникла в авиастроение. Так, фюзеляж крупногабаритного воздушного судна соединяется по существу вручную в оболочную конструкцию. Так, в соответственно больших устройствах, фюзеляж воздушного судна оснащают стрингерами, шпангоутами, пассажирскими и грузовыми перекрытиями, пассажирскими и грузовыми дверными рамами, а также оконными рамами на этапах частично механизированной и частично ручной сборки, до закрытия внешней обшивки фюзеляжа. В этом случае фюзеляж, в состав которого входит пластик, армированный углеродным волокном, легкие сплавы и/или материал Glare, состоит из бочковидного сегмента или неполных оболочек.
Конструктивные соединения выполняют с помощью клепки или сочетанием клепки и соединения склеиванием, именуемым также заклепочно-клеевым соединением. Панели и сегменты фюзеляжа, а также вставные компоненты соединяют с помощью клепки и жидких прокладочных материалов, которые заполняют слегка неровный зазор, остающийся между соединяемыми компонентами во время проведения клепки перед соединением. Данные прокладочные материалы обычно представляют собой двухкомпонентные эпоксидные смолы, которые обладают способностью заполнять зазор размером приблизительно 2-3 мм и имеют время затвердевания 8 ч при комнатной температуре.
Большие зазоры корректируют вручную в процессе длительной операции с помощью твердой прокладки, изготовленной из волоконного композиционного материала. Кроме того, может использоваться сочетание жидких и твердых прокладочных материалов. В целом, обработка прокладочных материалов осуществляется, в основном, вручную и является весьма продолжительной операцией, в частности из-за того, что соединяемые компоненты временно соединяют, чтобы определить размеры зазоров, после чего они должны быть снова отделены друг от друга.
Пример строительства крупногабаритного воздушного судна с оболочечной конструкцией может быть позаимствован из DE 102007061429 А1, откуда становится понятна конструкция фюзеляжа воздушного судна. В этом случае конструкция фюзеляжа включает в себя внешнюю обшивку, детали конструкции, такие как стрингеры и шпангоуты, которые соединены с внешней обшивкой, а также внутреннюю обшивку. Детали конструкции приклеивают, приклепывают и/или приваривают к внешней обшивке, при этом внутренняя обшивка, внешняя обшивка и детали конструкции образуют вместе несущее соединение. В этом случае внутренняя обшивка может быть также присоединена к деталям конструкции и/или к внешней обшивке посредством клеевого соединения.
Системы и технологии склеивания, которые до настоящего времени использовались в области авиации, не обеспечивают быстрое, автоматизированное соединение фюзеляжа и соответствующих компонентов путем склеивания. Кроме того, автоматизированное прижатие компонентов, которые должны быть соединены склеиванием, трудно проконтролировать в случае соединений с большой площадью поверхности, так как для прижатия компонентов и обеспечения полного увлажнения стыковочных поверхностей соединяемых компонентов потребуются весьма значительные соединительные усилия.
Раскрытие изобретения
Задачей изобретения является обеспечение способа и соответствующего устройства для автоматизированного соединения склеиванием крупных компонентов, используемых в транспортном машиностроении, в частности в авиастроении.
Данная задача решается способом, признаки которого приведены в пункте 1 формулы, и/или устройством, признаки которого приведены в п.10 формулы. Предпочтительные варианты осуществления изобретения охарактеризованы в зависимых пунктах формулы.
Способ согласно изобретению, предназначенный для соединения склеиванием по меньшей мере двух крупногабаритных соединяемых компонентов, используемых в транспортном машиностроении, в частности в авиастроении, включает в себя следующие этапы:
- обнаружение геометрических данных соединяемых компонентов автоматизированным способом;
- обнаружение размеров стыковочного зазора соединяемых компонентов на основании геометрических данных;
- нанесение клеящего материала на одну или обе сопрягаемые поверхности двух соединяемых компонентов, которые должны быть соединены, в зависимости от размеров стыковочного зазора;
- стыковка соединяемых компонентов в положении соединения, и
- последовательное приложение соединительного давления к сопрягаемым поверхностям вдоль стыковочного зазора для приведения соединяемых компонентов в конечное положение соединения.
Желательно, чтобы последовательное приложение соединительного давления осуществлялось в предварительно определенной зоне, которая смещается вдоль стыковочного зазора соответствующих соединяемых компонентов, при этом соединяемые компоненты приводят в конечное положение соединения благодаря соединительному давлению, прикладываемому в предварительно определенной зоне.
Более предпочтительно, чтобы позиция предварительно определенной зоны, в которой происходит последовательное приложение давления, смещалась непрерывно вдоль стыковочного зазора.
В последующем предпочтительном варианте осуществления изобретения позиция предварительно определенной зоны, в которой происходит последовательное приложение давления, смещается с прерываниями вдоль стыковочного зазора. Другими словами, последовательное давление прикладывают с перерывами в предварительно заданном цикле.
В авиастроении соединяемые компоненты, такие как элементы и сегменты фюзеляжа, а также устанавливаемые компоненты имеют допуски. Геометрия соединяемых компонентов может быть определена с помощью современных способов измерения, а размеры стыковочных зазоров при соединении склеиванием могут быть определены с достаточной точностью исходя из обнаруженных цифровых данных. Введение клеящего материала в стыковочный зазор, после или во время стыковки соединяемых компонентов, позволяет соединять соединяемые компоненты автоматизированным способом. Кроме того, поскольку временное соединение соединяемых компонентов для определения размеров зазоров не осуществляется, возможна высокая производительность.
Количество наносимого клеящего материала предпочтительно определяют на основании размеров стыковочного зазора. Таким образом, гарантируется, что данное клеевое соединение является достаточным для обеспечения желаемых условий стабильности, и что клеящий материал используется экономично.
Клеящий материал может быть нанесен в зоне стыковочного зазора, которая расположена непосредственно перед предварительно определенной зоной стыковочного зазора, соединяемой путем последовательного приложения давления. Однако клеящий материал может быть также нанесен перед стыковкой соединяемых компонентов.
Необходимое для данной цели течение клеящего материала может обеспечиваться благодаря его составу, силе гравитации, центробежной силе, магнитным и/или электрическим полям, низкому давлению в месте соединения, а также регулированию температуры соединяемых компонентов и/или клеящего материала, или благодаря сочетанию вышеупомянутых параметров.
Более предпочтительно, чтобы стыковочный зазор содержал боковые или краевые ограничительные элементы для предотвращения вытекания клеящего материала, введенного в стыковочный зазор. В результате неконтролируемое вытекание клеящего материала из стыковочного зазора исключено. Данные ограничительные элементы могут оставаться в клеевом соединении после затвердевания или могут быть удалены, как только достигнута достаточная механическая прочность клеевого соединения. Если данные ограничительные элементы остаются, то они могут состоять из второго клеящего материала. Второй клеящий материал может быть нанесен на одну или обе склеиваемые поверхности до, во время или после того, как соединяемые компоненты приведены в конечное положение соединения. Второй клеящий материал может затвердевать вместе с клеящим материалом, введенным в стыковочный зазор, или отдельно от него. В случае когда ограничительные элементы удаляют, они могут содержать не прилипающую поверхность, которая, например, может быть получена благодаря используемому материалу или ламинированной пленке.
До стыковки соединяемых компонентов желательно, чтобы сопрягаемые поверхности стыковочных зазоров или стыки были подвергнуты автоматизированной предварительной обработке, чтобы оптимизировать их качество с точки зрения склеивания, которое затем определяют. Таким образом, достигается оптимальный результат соединения.
В частности, в авиастроении соединяемые компоненты образованы сегментами и конструктивными элементами фюзеляжа, такими как стрингеры, шпангоуты и т.д., используемыми для построения конструкции фюзеляжа.
Устройство согласно данному изобретению, используемое для осуществления вышеописанного способа соединения компонентов склеиванием, содержит:
- несущее приспособление компонента, содержащее посадочное место компонента для приема первого соединяемого компонента;
- центральное несущее приспособление для размещения, по меньшей мере, одного сборочного инструмента;
- сборочный инструмент для приема и ввода другого соединяемого компонента, вводимого в первый соединяемый компонент;
- измерительную систему для обнаружения геометрических данных соединяемых компонентов и для определения стыковочных зазоров;
- по меньшей мере один модульный инструмент для нанесения клеящего материала;
- по меньшей мере один инструмент приложения давления для приложения соединительного давления вдоль стыковочного зазора, соединяемого склеиванием;
- систему управления для управления устройством.
Инструмент приложения давления предпочтительно выполнен с возможностью приложения соединительного давления последовательно к одной или обеим сторонам стыковочного зазора.
Более предпочтительно, устройство содержит инструменты для обработки поверхности и/или для контроля поверхности и/или для отверждения клеящего материала. В этом случае могут быть использованы отдельные инструменты для обработки устанавливаемых компонентов, при этом другие инструменты выполнены с возможностью размещения на центральном несущем приспособлении для того, чтобы они могли обрабатывать и/или замерять первый соединяемый компонент, расположенный на несущем приспособлении компонента. Данные инструменты могут быть выполнены в виде роботов, которые, в соответствии с требованиями, имеют соответствующие пространственные степени свободы.
Краткое описание чертежей
Предпочтительный вариант осуществления данного изобретения будет описан ниже, со ссылкой на чертежи, где:
фиг.1 представляет собой первое изображение устройства в перспективе в соответствии с данным изобретением, включающее инструмент для установки шпангоутов, который направляется посредством центрального несущего приспособления,
фиг.2 представляет собой второе изображение устройства в перспективе, включающее в себя дополнительный инструмент,
фиг.3 представляет собой детальное изображение устройства согласно фиг.1,
фиг.4 представляет собой схематическое изображение процесса непрерывного, последовательного приложения соединительного давления, и
фиг.5 представляет собой схематическое изображение процесса последовательного приложения соединительного давления с прерыванием.
Осуществление изобретения
фиг.1 представляет собой схематическое изображение устройства в соответствии с данным изобретением для конструктивного выполнения сегментов фюзеляжа на основании принципа использования центрального несущего приспособления. При этом данное устройство использует готовые технологии и системы для преимущественно параллельной установки шпангоутов, пассажирских и грузовых перекрытий, пассажирских и грузовых дверных рам, а также оконных рамам в сегмент фюзеляжа. Сегмент 1 фюзеляжа устанавливают на подвижное несущее приспособление 2 компонента. При этом несущее приспособление 2 компонента содержит посадочное место для размещения компонента и автоматизированные системы для корректировки формы и положения (не показаны). Центральное несущее приспособление 3, которое поддерживается с каждой стороны жесткими и опускающимися опорами 4, 5, проходит внутрь сегмента 1 фюзеляжа, когда сегмент 1 фюзеляжа находится в установленном состоянии.
В зависимости от операции установки различные сборочные инструменты 6 направляют с помощью центрального несущего приспособления 3, которое поддерживается жесткими и опускающимися опорами 4, 5 и может, например, иметь длину приблизительно 22 м. Центральное несущее приспособление 3 может быть отведено назад телескопически, чтобы ввести в данное устройство бочкообразный сегмент 1 фюзеляжа, показанный на фиг.1. Сегмент 1 фюзеляжа вводится в данное устройство, находясь на подвижном несущем приспособлении 2 компонента. Функциональным назначением несущего приспособления 2 компонента является корректировка положения сегмента 1 фюзеляжа и натяжных устройств, которые позволяют задавать и, при желании, корректировать геометрию сегмента 1 фюзеляжа. После того, как сегмент 1 фюзеляжа введен, центральное несущее приспособление 3 может быть перемещено обратно в направлении задней опоры 5. Затем устанавливают соответственно необходимый сборочный инструмент 6, который предварительно собран за пределами системы и оснащен, в данном примере, соответствующими шпангоутами 7.
Для достижения высокого уровня параллелизма этапов сборки предусмотрена одновременная установка максимально возможного числа вышеупомянутых компонентов за один шаг процесса и для одного инструмента.
Сборочный инструмент 6, оснащенный устанавливаемыми компонентами, вводят в сегмент 1 фюзеляжа через центральное несущее приспособление 3, которое служит в качестве направляющего средства и ориентирует себя оптически в пространстве таким образом, чтобы фланцевая поверхность 8 шпангоута позднее представляла нулевую точку отсчета.
Затем устанавливаемые компоненты, в данном случае шпангоуты 7, вводят одновременно в их точные положения соединения с помощью операций складывания, размещения или радиального расширения сборочного инструмента 6. Возможно, например, такое сочетание как одновременное введение шпангоутов 7 и перекрытий (не показано).
Кроме того, данное устройство содержит модульные инструменты 9, 10, 11, известные как оконечные устройства, которые подвижно размещают на рельсовой системе 12 и используют для обработки поверхности, контроля поверхности, нанесения клеящего материала и его отверждения. Для этой цели они могут быть оснащены соответствующими инструментами, причем соответствующее оборудование может применяться автоматически.
На фиг.2 показано устройство с фиг.1, при этом модульный инструмент 13 размещен на центральном несущем приспособлении 3. Данный инструмент используют для автоматической обработки сопрягаемых поверхностей в сегменте 1 фюзеляжа с целью получения оптимального связующего результата. Модульный инструмент 13 также используют для оценки предварительно обработанных сопрягаемых поверхностей в плане качества соединения. Модульный инструмент 13 вводят в сегмент 1 фюзеляжа с целью предварительной обработки и оценки сопрягаемых поверхностей.
Как описано выше, данный способ соединения основан на использовании технологии клеевого соединения без дополнительной клепки, используемой для скрепления компонентов. Если в некоторых точках возникнет необходимость в заклепках, они будут использоваться позже в другом устройстве. Таким образом, функция соединения склеиванием во время сборки заключается в быстрой фиксации вводимых компонентов и корректировке допусков на внутреннюю поверхность фюзеляжа, которая, в зависимости от технологии производства, может иметь допуски с различными пределами.
Помимо выполнения функции корректировки и уплотнения основные требования, предъявляемые к конструкционному клеящему материалу для углепластика, используемому в авиации, включают хорошую технологичность, которая, в частности, определяется длительным временем схватывания и реологией, совместимой со сборкой, а также быстрым затвердеванием и сопротивлением высокому давлению во избежание отсоединения в затвердевших местах соединения вследствие пластической деформации.
По этой причине сопрягаемые поверхности в фюзеляже и в компонентах, таких как приведенные в примере шпангоуты, вначале предварительно обрабатывают автоматически, в данном случае с помощью инструмента 13, а затем проверяют с помощью автоматизированного способа контроля качества склеивания. В результате время необходимой предварительной обработки значительно сокращается, а способность к воспроизводству значительно улучшается по сравнению с ручным исполнением.
На фиг.3 показан технологический процесс подготовительной обработки поверхности шпангоутов 7 с помощью модульных инструментов 9 и 10. В этом случае шпангоуты 7 располагаются на схематически показанных приемниках 14. После подготовительной обработки поверхности сборочный инструмент 6, вместе с устанавливаемыми шпангоутами, вводят в конструкцию 1 фюзеляжа, а шпангоуты 7 автоматически приводят в положение соединения с помощью приемника 14 сборочного инструмента 6. Затем в соответствующие стыковочные зазоры вводят клеящий материал через отверстия 15 для нанесения, расположенные в конструкции фюзеляжа.
Фиг.4 представляет собой схематичное изображение (в поперечном разрезе) процесса непрерывного соединения с последовательным приложением давления. Показан первый внешний соединяемый компонент 20 и второй внутренний соединяемый компонент 21. Внешний соединяемый компонент 20 может, например, представлять собой сегмент фюзеляжа, в который должен быть введен шпангоут как внутренний соединяемый компонент 21. Эти два соединяемых компонента приводят во временную соединительную позицию (не показана) с помощью соответствующих инструментов данного устройства, а именно несущего приспособления 1 компонента и сборочного инструмента 6, т.е. его приемников 14, описанных со ссылкой на предыдущие фигуры. После подготовительной обработки и проверки сопрягаемых поверхностей наносят необходимый клеящий материал 22. На фиг.4 показано, что клеящий материал 22 наносят лишь на внутренний соединяемый компонент 21, однако это не обязательно. Клеящий материал 22 может наноситься на два соединяемых компонента 20 и 21 или лишь на один компонент, в зависимости от применения. Показан внутренний инструмент 24 приложения давления и внешний инструмент 25 приложения давления, которые прикладывают предварительно заданное давление Р к внешнему соединяемому компоненту 20 и к внутреннему соединяемому компоненту 21 в пределах стыковочной зоны 26, что приводит к появлению стыковочного зазора 23 предварительно заданной толщины. Внешний и внутренний инструменты 20 и 21 приложения давления перемещают с предварительно заданной скоростью V вдоль стыковочного зазора 23, что приводит к непрерывному последовательному присоединению соединяемых компонентов 20 и 21. Клеящий материал 22 может быть введен в область 27, находящуюся непосредственно перед текущей стыковочной зоной 26, или клеящий материал 22 может быть введен до стыковки соединяемых компонентов во временную соединительную позицию. Другими словами, на базе примера, приведенного на фиг.1-3, клеящий материал 22 может наноситься на сопрягаемые поверхности шпангоутов 7, прежде чем сборочный инструмент 6 с установленными шпангоутами 7 переместится в сегмент 1 фюзеляжа. В этом случае внутренний инструмент приложения давления может являться компонентом приемников 14 сборочного инструмента 6, в то время как внешний инструмент 25 приложения давления может быть сменным инструментом модульных инструментов 9, 10 и 11, выполненных в виде робота. Ввиду того, что давление прикладывают последовательно и, таким образом, локально, необходимое высокое давление может быть обеспечено локально, и нет необходимости обеспечивать его вдоль всего стыковочного зазора одновременно, что вряд ли целесообразно в случае крупных компонентов.
Фиг.5 представляет собой схематичное изображение (в поперечном разрезе) процесса присоединения соединяемых компонентов с их последующим прижатием частями, т.е. с прерываниями. Внешний соединяемый компонент 20 и внутренний соединяемый компонент 21 соединяют с помощью клеящего материала 22 таким образом, чтобы образовался стыковочный зазор 23 предварительно заданной толщины. В этом случае последовательное приложение давления для соединения соединяемых компонентов происходит циклически, с использованием внутреннего и внешнего инструментов 28, 29 приложения давления. Другими словами, в момент времени "t" к соединяемым компонентам в текущей стыковочной зоне 30 прикладывают давление Р и приводят соединяемые компоненты 20, 21 в конечное положение соединения. Пунктирные линии показывают инструменты приложения давления в предыдущий момент времени "t-1", когда они использовались для соединения соединяемых компонентов 20, 21 в предыдущей стыковочной зоне 32. В последующий момент времени "t+1" инструменты приложения давления вводят в следующую стыковочную зону 31 по линии стыковочного зазора 23 и соединяют в этом месте соединяемые компоненты 20, 21. Другими словами, инструменты приложения давления отводят от текущей стыковочной зоны 30 с каждой стороны и вводят в следующую стыковочную зону 31, где выполняют следующую соединительную операцию путем приложения соответствующего давления.
В текущий момент времени "t" следующая стыковочная зона 31 может использоваться в качестве зоны, в которую вводят клеящий материал 22. Однако это не обязательно, пожалуй, лучше, чтобы клеящий материал 22 мог также наноситься в момент времени, который предшествует введению шпангоутов 7 в сегмент 1 фюзеляжа, как в описании фиг.4.
В описанных в качестве примера способах последовательного приложения давления возможно приложение давление лишь с одной стороны. Если, например, внешний соединяемый компонент 20 имеет достаточную прочность, то прижатие может осуществляться лишь посредством внутреннего инструмента приложения давления, причем непрерывно или с прерыванием.
Перечень ссылочных обозначений
1 сегмент фюзеляжа
2 несущее приспособление компонента
3 центральное несущее приспособление
4 передняя опора
5 задняя опора
6 сборочный инструмент
7 шпангоуты
8 фланцевая поверхность шпангоута
9 модульный инструмент
10 модульный инструмент
11 модульный инструмент
12 рельсовая система
13 модульный инструмент
14 приемник
15 отверстие для нанесения
20 первый соединяемый компонент
21 второй соединяемый компонент
22 клеящий материал
23 стыковочный зазор
24 внутренний инструмент приложения давления
25 внешний инструмент приложения давления
26 стыковочная зона
27 область перед стыковочной зоной
28 внутренний инструмент приложения давления
29 внешний инструмент приложения давления
30 стыковочная зона
31 следующая стыковочная зона
32 предыдущая стыковочная зона
Р давление
V скорость вдоль стыковочного зазора
t время