УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОБНАРУЖЕНИЯ ОТКЛОНЕНИЙ МЕЖДУ ЖЕЛАТЕЛЬНЫМ И РЕАЛЬНЫМ КОНТУРАМИ ГИБКОГО КОМПОНЕНТА БОЛЬШОЙ ПЛОЩАДИ И ЕГО ПРИМЕНЕНИЕ
DEVICE TO DETECT VARIATIONS IN DESIRABLE AND ACTUAL SHAPES OF FLEXIBLE LARGE-AREA COMPONENT AND ITS APPLICATION

Область применения изобретения
Настоящее изобретение имеет отношение к созданию устройства для обнаружения отклонений между желательным контуром и реальным контуром гибкого компонента, в частности металлического листа большого формата, принимая во внимание собственный вес компонента, которое содержит множество штампов, расположенных на базовой области, чтобы образовать поле штампов, предназначенное для размещения компонента в точках опоры, причем каждый штамп содержит по меньшей мере один датчик измерения силы веса, предназначенный для измерения силы веса, которая действует в точке опоры, и содержит по меньшей мере один датчик измерения расстояния, предназначенный для измерения траектории (пути) перемещения, пройденной штампом.
Кроме того, настоящее изобретение имеет отношение к созданию способа обнаружения и корректирования отклонений между желательным контуром и реальным контуром компонента с использованием устройства, выполненного в соответствии с изобретением, а также к созданию способа обнаружения отклонений между желательным контуром и реальным контуром компонента.
Предпосылки к созданию изобретения
До настоящего изобретения не было возможно проведение измерения без приложения силы контура гибких компонентов большого формата и малого формата, так как контур компонента изменяется за счет собственного веса компонента и зависит от его положения в пространстве, в котором проводят измерения. Более того, напряжение, которое введено в компонент, например, за счет процессов формования и/или изготовления, может скрываться неблагоприятным положением компонента в пространстве. Проводимые затем процессы выравнивания (совмещения) могут не приводить к желаемым результатам.
Как правило, сварные оболочки, например, для секций фюзеляжа, крыльев, узлов горизонтального хвостового оперения самолетов и т.п. деформируются после процесса сварки в результате вызванного сваркой собственного напряжения, так что реальный контур отклоняется от желательного контура. Тем не менее, средняя область оболочки может все еще оставаться в зоне желательного контура. Причиной этого, среди прочего, является собственный вес оболочки, в результате чего отклонения контура могут быть скрыты.
Таким образом, автоматические процессы выравнивания, которые зависят от отклонений между желательным контуром и реальным контуром и деформируют компонент управляемым образом (например, при помощи дробеструйной обработки, процессов гибки, процессов прокатки и т.п.), не будут оказывать влияния на среднюю область оболочки. В этом случае точность контура будет достигаться только за счет влияния в других областях оболочки. Однако если положение оболочки в пространстве изменяется, то тогда при определенных обстоятельствах вновь могут появляться отклонения контура за счет собственного веса компонента, что может приводить к возникновению сложностей при установке (монтаже) или даже к отправке компонента в брак.
Сущность изобретения
Существует необходимость создания устройства и способа для проведения измерений контура при помощи указанного устройства, которые позволяют обнаруживать любые отклонения компонентов контуров вне зависимости от собственного веса компонента и при необходимости корректировать такие отклонения контура.
Эта необходимость может быть удовлетворена при помощи устройства, выполненного согласно настоящему изобретению.
g
g
Так как при помощи вычислительного блока для каждой точки опоры теоретическая сила F веса и/или теоретическая траектория S перемещения могут быть определены из данных компонента, причем датчики измерения силы и датчики измерения расстояния подключены к вычислительному блоку, а штампы выполнены с возможностью управления при помощи вычислительного блока и независимо друг от друга могут перемещаться по меньшей мере по существу перпендикулярно к базовой области, то отклонения между реальным контуром и желательным контуром гибкого компонента могут быть точно определены вне зависимости от указанного собственного веса компонента. Более того, за счет использования способа в соответствии с настоящим изобретением устройство позволяет определять любые отклонения контура в каждой точке компонента, при этом достижимая пространственная разрешающая способность ограничивается только числом или плотностью штампов с датчиками измерения силы и с датчиками измерения расстояния.
В соответствии с предпочтительным вариантом устройства штампы могут быть вручную установлены в заданное положение и закреплены независимо друг от друга ориентировочно параллельно (по отношению к) базовой области. За счет этого устройство легко может быть приспособлено к различным компонентам различных геометрических конфигураций.
В соответствии с другим предпочтительным вариантом компонент содержит по меньшей мере две скобы, каждая из которых содержит по меньшей мере одно направляющее отверстие. Этот вариант обеспечивает заданное начальное выравнивание или начальное позиционирование компонента на базовой области.
В соответствии с еще одним предпочтительным вариантом штампы в точках опоры компонента содержат, в частности, присоски и/или резиновые амортизаторы. Это обеспечивает нескользящее соединение компонентов со штампами. В дополнение к созданной силой тяжести поддержке компонента использование присосок позволяет также передавать растягивающие и сжимающие усилия на компонент, например, чтобы добиваться прямого изменения контура компонента при помощи штампов.
Задача настоящего изобретения решена при помощи способа, который включает в себя следующие операции:
g
- определение теоретических сил F веса компонента из данных компонента в соответствующих точках опоры,
- перемещение штампов до тех пор, пока не будет достигнут желательный контур компонента,
- размещение компонента на штампах,
m
- измерение силы F веса, которая действует в точке опоры соответствующего штампа,
m
g
- сравнение измеренных сил F веса с теоретическими силами F веса, причем разность указанных сил свидетельствует об отклонении в контуре компонента.
Это позволяет производить обнаружение отклонений контура гибкого компонента, причем указанное обнаружение практически не зависит от собственного веса компонента. Более того, компоненты, которые поддерживаются при помощи устройства, могут быть, например, подвергнуты дробеструйной обработке в заданных областях непосредственно, то есть без предварительного съема и установки в отдельное формовочное устройство, чтобы придать им желательный контур. В такой схеме построения способ в соответствии с настоящим изобретением позволяет обнаруживать отклонения между желательным контуром и реальным контуром компонента в каждой точке поддержки компонента, причем под каждой такой точкой поддержки расположен штамп по меньшей мере с одним датчиком измерения силы и датчиком измерения расстояния.
В соответствии с другим вариантом задача настоящего изобретения решена при помощи способа, который включает в себя следующие операции:
g
- определение теоретических сил F веса компонента из данных компонента в точках опоры,
- размещение компонента по меньшей мере на двух штампах для подгонки и выравнивания компонента,
m
g
m
- перемещение остальных штампов снизу в направлении компонента до тех пор, пока силы F веса, измеренные в точках опоры, по существу не будут соответствовать теоретическим силам F веса и, следовательно, пока не будет достигнут реальный контур компонента, причем производят измерение соответствующих траекторий Sперемещения штампов, и
m
g
- определение отклонений между реальным контуром и желательным контуром за счет сравнения между измеренными траекториями S перемещения штампов и теоретическими траекториями S перемещения, что по существу соответствует желательному контуру компонента.
Это позволяет измерять отклонения контура гибкого компонента в любой точке поддержки компонента на штампах. В отличие от способа по первому варианту в такой схеме расположения, однако, сначала устанавливают гибкий компонент на "вспомогательную опору", которая образована, например, с использованием четырех штампов. Остальные штампы по отношению к базовой области все еще остаются в исходном положении и не входят в контакт с компонентом. После этого для определения отклонений между желательным контуром и реальным контуром штампы перемещают снизу в направлении компонента.
Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи, на которых аналогичные детали имеют одинаковые позиционные обозначения.
На фиг.1 показан вид сбоку устройства в соответствии с настоящим изобретением, предназначенного для осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением.
На фиг.2 показан вид сверху первого варианта вспомогательного устройства для первоначального выравнивания или для первоначальной установки в заданное положение компонента.
На фиг.3 схематично показан вид сверху второго варианта такого вспомогательного устройства.
На фиг.1 схематично показано устройство для осуществления способа в соответствии с настоящим изобретением. Для упрощения понимания только четыре штампа 2-5 показаны на базовой области 1. Четыре штампа 2-5, расположенные на базовой области 1, образуют поле 6 штампов, которое также идет перпендикулярно плоскости чертежа, то есть параллельно направлению z системы 7 координат. В зависимости от размеров компонента, отклонения контура которого проверяют, для проведения измерений может потребоваться поле штампов, которое содержит до 500 штампов. Вообще говоря, штампы по существу расположены с равными промежутками друг от друга, причем они распределены на указанной базовой области 1 по существу в виде матрицы. Расстояние между штампами в поле 6 штампов типично составляет от 200 мм до 1000 мм.
Каждый из штампов 2-5 содержит точки 8-11 опоры для поддержки компонента 12. Точками 8-11 опоры могут быть, например, резиновые амортизаторы или присоски, так чтобы обеспечивать нескользящую поддержку компонента 12. Штампы 2-5 могут быть свободно расположены на (относительно) базовой области 1 (параллельно указанной базовой области) в направлениях х и у системы 7 координат и могут быть закреплены соответствующим образом. За счет этого устройство в соответствии с настоящим изобретением может быть приспособлено к различным геометриям компонента.
Компонентом 12 может быть, например, гибкий металлический лист большой площади, в частности изготовленные из алюминиевых сплавов панели оболочки для секций фюзеляжа, оболочек фюзеляжа, профилей крыла, узлов горизонтального хвостового оперения или узлов вертикального хвостового оперения. Этот металлический лист может иметь армирующие профили (стрингеры) для придания жесткости. Кроме того, устройство и два варианта способа применимы также к компонентам, которые изготовлены из CFP материалов. Более того, устройство или варианты способа в соответствии с настоящим изобретением ни в коей мере не ограничены проведением измерений только на объектах в виде листа. Вместо этого компонент 12 может также содержать компоненты линейной формы для усиления всех типов областей оболочки, например опоры, профилированные опоры, стрингеры, элементы жесткости и т.п.
Штампы 2-5 могут содержать, например, гидроцилиндры или пневмоцилиндры. Альтернативно, штампы 2-5 могут также работать с использованием реечных передач или (ходовых) винтов с резьбой. За счет управления при помощи вычислительного блока 13 штампы 2-5 могут индивидуально перемещаться или могут быть индивидуально установлены в заданное положение в направлении z системы 7 координат и, таким образом, могут быть совмещены практически с любым контуром или с любой геометрией поверхности компонента 12.
m
m
Каждый штамп 2-5 может содержать один датчик измерения расстояния и один датчик измерения силы. Для повышения точности измерения могут быть предусмотрены несколько датчиков измерения расстояния и/или датчиков измерения силы для каждого штампа. При помощи четырех датчиков 14-17 измерения расстояния вычислительный блок 13 может измерять соответствующие траектории (пути), пройденные в направлении z штампами 2-5. Эти измеренные, пройденные в направлении z траектории соответствующих штампов 2-5 далее сокращенно обозначены с использованием переменной S, в показанном варианте, где имеются четыре измеренные величины. Более того, четыре датчика 18-21 измерения силы позволяют измерять силы веса, действующие в точках 8-11 опоры за счет поддержки компонента 12. Далее силы веса, измеренные в точках 8-11 опоры, сокращенно обозначены с использованием переменной F, в показанном варианте, где имеются всего четыре измеренные величины. Число датчиков измерения расстояния и датчиков измерения силы возрастает при росте числа штампов, реально присутствующих в поле штампов.
m
m
Измеренные траектории S перемещения, так же как и определенные (измеренные) силы F веса, направляют в вычислительный блок 13 для дальнейшей оценки (обработки). При помощи шины 22 управления вычислительный блок 13 может регулировать или контролировать траектории (управлять траекториями) перемещения каждого индивидуального штампа 2-5.
Более того, множество данных 23 компонента 12 хранятся в вычислительном блоке 13. В этой схеме построения данные 23 компонента содержит, в частности, данные геометрии и данные, связанные с природой материала компонента 12, например плотность и тип использованных материалов. Данными геометрии могут быть, например, полные данные автоматизированного проектирования компонента 12, которые получают на различных этапах конструирования компонента 12. Наконец, оцифрованное изображение реального компонента 12 хранится в вычислительном блоке 13, причем это оцифрованное изображение отражает все основные физические параметры реального компонента 12.
g 1…4
g
g 1…4
g 1…4
g 1..4
g
Таким образом, на основании данных 23 компонента возможно при помощи вычислительного блока 13 произвести цифровое вычисление теоретических сил Fвеса, которые компонент 12 будет создавать в соответствующих точках 8-11 опоры, чтобы получить желательный контур. Более того, при необходимости, эти определенные в цифровом виде силы веса могут быть отнесены к определенной группе за счет сокращенного обозначения F. Соответственно, из данных компонента 23 можно также вычислять траектории S перемещения (например, связанные с базовой областью 1, использованной в качестве исходной точки) вместе с траекториями S перемещения штампов 2-5, которые должны двигаться или перемещаться в направлении z для того, чтобы точно отображать желательный контур компонента 12. Для упрощения далее эти траектории S перемещения также будут обозначены с использованием сокращенного обозначения S.
m
m
m
m
Измеренные величины F, определенные при помощи датчиков 18-21 измерения силы, поступают по линии 24 передачи данных в вычислительный блок 13 для дальнейшей оценки (обработки). Расстояния или траектории S перемещения точек 8-11 опоры штампов 2-5, измеренные при помощи датчиков 14-17 измерения расстояния, передаются соответственно в вычислительный блок 13 при помощи линии 25 передачи данных. Вычислительным блоком 13 может быть, например, обычный персональный компьютер (ПК), компьютер для управления технологическим процессом, специальные измерительные аппаратные средства и т.п. Более того, вычислительный блок 13 может содержать визуальные индикаторные устройства (не показаны в деталях), например мониторы, графопостроители, индикаторы гистограмм, цифровые и/или аналоговые дисплеи, в частности, для графической 2-D или 3-D визуализации измеренных сил Fвеса, траекторий S перемещения и данных 23 компонента. Более того, вычислительный блок 13 содержит известные устройства ввода.
На фиг.2 и 3 схематично показан вид сверху двух вариантов вспомогательного устройства, при помощи которого компонент 12 может быть первоначально выровнен или установлен на опорной плите (на базовой области) 1 устройства. Для этого служат скобы 26 и 27, предусмотренные на концах компонента 12, симметрично относительно продольной оси компонента 12. Число 26, 27 скоб и их расположение вдоль внешнего контура компонента 12 могут отличаться от показанного варианта. В любом случае направляющие отверстия 28, 29 предусмотрены в скобах 26, 27.
В первом варианте, показанном на фиг.2, на базовой области 1 предусмотрены два приемника 30, 31, каждый из которых представляет собой вспомогательное устройство с направляющими штифтами (детально не показаны). Для первоначального выравнивания или позиционирования компонента 12 относительно базовой области 1 эти направляющие штифты могут быть введены с фиксацией в направляющие отверстия 28, 29.
Во втором варианте, показанном на фиг.3, две траверсы 32, 33 предусмотрены (или прикреплены) как к передним штампам 3, 4, так и к задним штампам (не обозначены). Траверсы 32, 33 могут быть прочно соединены с передними штампами 3, 4 или с задними штампами (не обозначены) при помощи соответствующих соединительных элементов, или же они могут просто удерживаться за счет фиксации в штампах. Важно, чтобы соединение между траверсами 32, 33 и штампами было по существу безо всякого зазора, что позволяет получить высокие производственные допуски. Более того, соединение между штампами и траверсами должно быть выполнено с возможностью его легкого разъединения, если это необходимо. Направляющие штифты (для облегчения понимания не показаны) предусмотрены на траверсах 32, 33, причем направляющие штифты идут вверх и могут быть введены в направляющие отверстия 28, 29 скоб 26, 27 с фиксацией (без зазора).
Преимуществом второго варианта вспомогательного устройства по отношению к первому варианту является то, что при помощи одного и того же устройства могут быть выровнены или установлены в заданное положение компоненты, имеющие различные геометрические размеры или контуры, в то время как в первом варианте для этого обычно требуется специальный приемник на базовой области 1.
Кроме двух показанных вариантов вспомогательных устройств могут быть использованы и другие подходящие вспомогательные устройства для первоначального выравнивания или установки в заданное положение компонента 12 относительно базовой области 1.
Для облегчения понимания первый вариант способа объясняется со ссылкой на четыре штампа 2-5, которые отображают множество остальных штампов в поле 6 штампов. Для осуществления способа обнаружения и корректирования отклонений между желательным контуром и реальным контуром (отклонений между желательной геометрией поверхности и реальной геометрией поверхности) гибкого компонента 12 при помощи описанного здесь выше устройства, а именно способа по п.9 формулы изобретения, штампы 2-5 первоначально устанавливают в заданное положение или перемещают в направлении z так, что они точно отображают желательный контур компонента 12. Может также потребоваться дополнительная установка в заданное положение и крепление штампов 2-5 в направлениях х и у. В соответствии с альтернативным вариантом эту установку штампов 2-5 в заданное положение в направлениях х и у на базовой области 1 проводят под управлением вычислительного блока 13 или автоматически. В следующей операции компонент 12 размещают на штампах 2-5. В этом способе первоначальное (ориентировочное) выравнивание компонента 12 относительно базовой области 1 преимущественно может быть выполнено с использованием одного из вспомогательных устройств, описанных здесь выше со ссылкой на фиг.2 и 3.
m
После этого силы F веса, которые были реально определены в штампах 2-5 при помощи датчиков 18-21 измерения силы в точках 8-11 опоры, передают в вычислительный блок 13 по линии 4 передачи данных для дальнейшей оценки (обработки).
m 1…4
g 1…4
g 1…4
В следующей операции в вычислительном блоке 13 проводят сравнение между силами F веса, которые были измерены в точках 8-11 опоры, и теоретическими силами F веса, которые были определены в вычислительном блоке 13 заранее или которые определяют одновременно, причем теоретические силы F веса соответствуют отсутствию отклонений контура в компоненте 12.
m 1,4
g 1,4
Если, например, силы F веса, которые были измерены в точках опоры 8, 11, превышают рассчитанные теоретически ожидаемые силы F веса в этих точках опоры, тогда имеется отклонение между реальным контуром компонента 12 и предопределенным желательным контуром.
m 1,4
g 1,4
Более того, это сравнение позволяет также сделать качественные заключения относительно типа, местоположения и величины отклонения компонента. В варианте, показанном на фиг.1, контур компонента 12 должен быть таким, что он ориентировочно совпадает с пунктирной линией на фиг.1, так как сравнение сил показывает, что измеренные силы F веса в точках опоры 8, 11 превышают расчетные силы F веса в этих точках. Следовательно, реальный контур компонента 12, который показан пунктирной линией, имеет больший радиус (пунктирная стрелка) по сравнению с желательным контуром (сплошная линия) компонента 12, и поэтому следует провести дополнительную обработку компонента, чтобы соответственно уменьшить этот радиус.
m 1…4
g 1…4
Для проведения дополнительной обработки компонента или для корректировки показанного отклонения контура компонент 12 может в принципе оставаться в поле 6 штампов. В этом случае радиус компонента 12 может быть постепенно уменьшен, например, за счет дробеструйной обработки или других сопоставимых процессов при постоянном контроле (регулировании) измеренных сил F веса и их сравнении с теоретическими силами F веса, пока не будет достигнут желательный контур (сплошная линия) компонента 12.
Альтернативно, коррекцию отклонений контура компонента 12 можно также проводить в отдельном устройстве прокатки, в изгибающем устройстве и т.п. Однако в этом случае компонент 12 необходимо снять из поля 6 штампов, что при новой установке в заданное положение для проверки остающихся отклонений между желательным контуром и реальным контуром компонента 12 приводит к изменению положения, что в свою очередь приводит к дополнительным ошибкам измерения.
m 3, 4
g 1,4
g 1,4
Для облегчения понимания второй вариант способа также объясняется со ссылкой на четыре штампа 2-5, которые отображают множество остальных штампов в поле 6 штампов. Для осуществления способа обнаружения отклонений между желательным контуром и реальным контуром (отклонений между желательной геометрией поверхности и реальной геометрией поверхности) гибкого компонента 12 с использованием описанного здесь выше устройства, а именно способа по п.10, все штампы 2-5 первоначально перемещают в исходное положение относительно базовой области 1. После этого перемещают, например, штампы 3, 4 в направлении z на заданные расстояния S для начальной установки компонента 12 в заданное положение относительно базовой области 1. В этом способе могут быть использованы оба вспомогательных устройства, описанных со ссылкой на фиг.2, 3, для начальной установки компонента 12 в заданное положение относительно базовой области 1. После этого теоретические силы F веса, которые ожидают в точках 8, 11 опоры, вычисляют из данных 23 компонента. Более того, теоретические траектории Sперемещения, которые необходимо пройти до достижения желательного контура компонента 12, вычисляют из данных 23 компонента. Альтернативно, эти расчеты могут быть осуществлены заранее.
m
g 2,5
m
g
m
g
После этого остальные штампы 2, 5 могут быть перемещены снизу в направлении поддерживаемого компонента 12 до тех пор, пока силы F 2, 5 веса, измеренные в точках 8, 11 опоры штампов 2, 5, практически не будут совпадать с соответствующими расчетными (теоретическими) силами F веса и пока не будет достигнут заданный желательный контур (желательная геометрия поверхности) компонента 12. В случае компонентов большого формата для этого перемещают (повторно устанавливают) все штампы в поле штампов за исключением тех штампов, которые были использованы для обеспечения первоначальной поддержки компонента, под управлением вычислительного блока 13, в направлении z, снизу в направлении к компоненту 12 до тех пор, пока силы F веса, измеренные в соответствующих точках опоры, ориентировочно не будет соответствовать ранее определенным или одновременно определяемым силам F веса. Во время этого сравнения между измеренными силами F веса и расчетными силами F веса следует учитывать погрешности измерения при помощи датчиков 14-17 измерения расстояния, датчиков 18-21 измерения силы, а также погрешности установки в заданное положение штампов 2-5, так что требования к степени сравнения не должны быть слишком жесткими.
m 2,5
g 2,5
Наконец, любое отклонение контура, которое может существовать в компоненте 12, может быть определено за счет сравнения между измеренными траекториями Sперемещения штампов 2, 5 и теоретическими траекториями S перемещения, которые были определены ранее или которые определяют одновременно, для достижения желательного контура компонента 12.
m
m
g
g
Способ позволяет быстро и надежно определять любые отклонения между заданным желательным контуром компонента 12 и определенным (измеренным) реальным контуром компонента 12 (отклонения между заданной желательной геометрией поверхности и измеренной реальной геометрией поверхности), причем в соответствии с настоящим изобретением любая деформация за счет собственного веса гибкого компонента 12 может быть по существу полностью скомпенсирована. Эта компенсация по существу может быть осуществлена путем измерения сил F веса и/или траекторий S перемещения, которые присутствуют в соответствующих точках опоры компонента 12, а также за счет сравнения с теоретическими силами F веса, определенными из данных 23 компонента, и/или с теоретическими траекториями Sперемещения в соответствующих точках опоры.
В частности, в случае компонентов 12 в виде листа большого формата может быть необходимо увеличить число штампов в поле 6 штампов, управление которыми осуществляют при помощи вычислительного блока 13, до общего числа до 500 штампов, в результате чего расходы на измерение и регулирование или расходы на управление существенно возрастают в сравнении с примерным устройством, описанным для облегчения понимания только для четырех штампов 2-5, или в сравнении с описанными здесь выше двумя вариантами способа.
В случае по существу жестких или по меньшей мере только слегка гибких компонентов 12, предложенный способ в принципе неприменим.
Список позиционных обозначений
1 - Базовая область
2 - Штамп
3 - Штамп
4 - Штамп
5 - Штамп
6 - Поле штампов
7 - Система координат
8 - Точка опоры
9 - Точка опоры
10 - Точка опоры
11 - Точка опоры
12 - Компонент
13 - Вычислительный блок
14 - Датчик измерения расстояния
15 - Датчик измерения расстояния
16 - Датчик измерения расстояния
17 - Датчик измерения расстояния
18 - Датчик измерения силы
19 - Датчик измерения силы
20 - Датчик измерения силы
21 - Датчик измерения силы
22 - Шина управления
23 - Данные компонента
24 - Линия передачи данных
25 - Линия передачи данных
26 - Скоба
27 - Скоба
28 - Направляющее отверстие
29 - Направляющее отверстие
30 - Приемник
31 - Приемник
32 - Траверса
33 - Траверса