CN105157658B - 飞机蒙皮外形检测装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种飞机蒙皮外形检测装置，包括底架、卡板组件、定位组件、夹紧组件以及测量组件，底架上设有基准工具球球座以建立基础坐标系，通过基础坐标系来校准底架的工作平台的平面度、卡板组件和测量组件的准确位置；卡板组件包括彼此间隔开并固定于所述底架上的多个卡板，卡板具有与蒙皮理论外形一致的凸弧形型面；定位组件被固定于底架上与蒙皮的工艺耳片孔配合；夹紧组件设置于各个卡板上；测量组件布置于蒙皮周边，并被设置为与蒙皮的理论边缘保持间隙，通过测量棒检测间隙实现蒙皮外形检测。该检测装置使蒙皮在脱模状态的检测过程中，能更加接近地获得其自由状态下的外形，更加符合蒙皮零件实际生产和检测需要。

Description

飞机蒙皮外形检测装置

技术领域

本发明总的涉及钣金零件检测领域，尤其涉及一种外形检测装置，用于对具有复杂自由曲面外形的飞机蒙皮型面及其周边外形进行检测。

背景技术

飞机蒙皮是构成飞机气动外形的关键零件，也是飞机机身结构中的重要承力构件。随着国内外航空技术的不断发展，为了提高飞机的气动性能，蒙皮零件的制造具有严格的外形尺寸精度要求，外形检测成为蒙皮零件加工过程中不可缺少的环节。如图1所示，飞机蒙皮通常是具有自由曲面外形的薄壁钣金件，其尺寸大(最长约6米)、外形复杂不规则、变截面(最宽处约1.8米、厚约4毫米)、过渡处圆弧曲率大。一般而言，投产前蒙皮零件批量小，可采用成套切面外形样板、模胎、标准样件、塞尺、塞规来检验蒙皮零件外形与理论外形的符合度。然而，在投产后批量大时，蒙皮外形检验效率的提高成为问题，需采用专用检验装置来满足零件制造要求。

此外，蒙皮采取无余量装配方案，四周外形精度要求高，对数控切边成形质量提出了高要求。蒙皮脱模后由于自身重力及机加工而产生一定变形，在检测其外形是否符合理论外形时，需通过合理的定位夹紧方式来补偿蒙皮零件由于自身重力产生的变形，从而获得自由状态下的蒙皮外形，为制造协调提供依据。因此，仅以模胎、模线、样板等模拟量为协调依据的传统检测方式已不能满足具有复杂曲面外形的大型蒙皮零件的完整精确检测。虽然将产品实物的尺寸形状信息转变为数字量的数字化检测方式自动化程度较高，但针对具有复杂自由曲面外形的大型蒙皮零件外形检测时，需提取覆盖蒙皮表面轮廓的大量点特征数据，通过将获取的测量数据与蒙皮的三维理论模型进行逐一对比分析得出检测结果，检测时间较长，成本也较高，不符合具有批量要求的飞机蒙皮零件生产的需要。

发明内容

针对现代飞机蒙皮零件在批量投产阶段高精度、低成本、短周期的制造需求，需要设计一种高精度、高效率的专用检验装置来满足蒙皮零件制造。本发明的目的就在于提供一种用于针对形状不规则的飞机蒙皮外形进行检测的装置。

为此，根据本发明提出的一种飞机蒙皮外形检测装置包括底架、卡板组件、定位组件、夹紧组件以及测量组件，其中，所述底架上设有基准工具球球座以建立基础坐标系，通过所述基础坐标系来校准所述底架的工作平台的平面度、所述卡板组件和所述测量组件的准确位置；所述卡板组件包括彼此间隔开并固定于所述底架上的多个卡板，所述卡板具有与蒙皮理论外形一致的凸弧形型面；所述定位组件被固定于所述底架上与蒙皮的工艺耳片孔配合；所述夹紧组件设置于各个所述卡板上；所述测量组件布置于蒙皮周边，并被设置为与蒙皮的理论边缘保持间隙，通过测量棒检测间隙实现蒙皮外形检测。

根据某些实施方式，考虑到大尺寸的安装运输需求，所述底架被设置为分段式框架结构，以便于焊接加工及安装运输，每段框架结构的底部可设有调节支承单元，用于调整底架的工作平台的平面度。

根据某些实施方式，所述卡板与所述底架保持间距安装以便于安装调节，其中所述卡板的面向蒙皮的型面上设有卡槽用于安装所述夹紧组件。

优选地，由于卡板尺寸大，所述检测装置还包括设置于所述底架上的支撑组件，所述卡板的面向所述底架的安装侧设有开口用于连接所述支撑组件，从而保证卡板可靠精确固定。

根据某些实施方式，所述定位组件包括两组设有定位孔的定位单元，分别与蒙皮的工艺耳片孔通过插销配合定位。

根据某些实施方式，所述测量组件包括沿蒙皮的不规则外形布置的多个测量块和测量凸台，其中所述测量块安装于所述卡板上测量规则平面，所述测量凸台通过支座安装于所述底架上测量圆弧过渡区域。

根据某些实施方式，所述夹紧组件包括设置于每个所述卡板的所述卡槽中的快速压紧器。

优选地，所述夹紧组件还包括设置于多个所述卡板上的辅助压紧带，以提供合适的辅助压紧力。

本发明通过设计合理的蒙皮定位夹紧方式，获得蒙皮零件在自由状态下的外形。设置精确的测量组件检测蒙皮四周外形，借助切面外形样板检验气动外形，检测精确可靠，检测结果若超出工程轮廓要求可通过模具进行外形修正校形。

在实际应用中，本发明的检测装置具有如下突出的优点：

(1)在进行例如CATIA三维建模设计时，按一定规则建立检测装置的基础坐标系，进而针对具有安装定位精度要求的零组件(如卡板、测量块等)建立光学工具球点(OTP点)，从而便于采用激光跟踪仪安装，安装精度高，保证蒙皮检测装置的测量精度；

(2)该检测装置具有合理的蒙皮定位方式、卡板布置形式、夹紧固定方式，使蒙皮在脱模状态的检测过程中，能更加接近地获得其自由状态下的外形，更加符合蒙皮零件实际生产和检测需要，为制造协调提供依据；

(3)该检测装置具有完善的蒙皮外形测量方法，特别是利用CATIA曲面分割技术设计了多种结构形式的测量组件，使蒙皮不规则曲面外形能够被准确检测；

(4)该检测装置具有良好的结构设计工艺性，刚性和稳定性好，操作方便，检测准确可靠。

附图说明

本发明的其它特征以及优点将通过以下结合附图详细描述的优选实施方式更好地理解，其中：

图1是飞机蒙皮的结构示意图，示出了蒙皮的不规则曲面外形；

图2是根据本发明优选实施方式的飞机蒙皮外形检测装置的主体结构示意图；

图3是蒙皮布置在卡板上的示意图；

图4是图2中检测装置在定位夹紧蒙皮后的结构示意图；

图5是图2检测装置中位于两端的卡板的结构示意图；

图6A是图2检测装置中左侧定位单元的立体结构示意图；

图6B是图2检测装置中左侧定位单元的顶部示意图；

图7A是图2检测装置中右侧定位单元的立体结构示意图；

图7B是图2检测装置中右侧定位单元的顶部示意图；

图8A是图2检测装置中用于规则平面的测量块的平面示意图；

图8B是图2检测装置中用于不规则曲面的测量凸台的平面示意图；

图8C是图2检测装置中用于大圆弧过渡区域的测量凸台的平面示意图。

具体实施方式

下面详细讨论实施例的实施和使用。然而，应当理解，所讨论的具体实施例仅示范性地说明实施和使用本发明的特定方式，并不旨在穷尽根据本发明的所有实施例。此外，示例的结构设计图仅用于便于理解本发明，而非对本发明的结构特征作出具体限定。

在图2至图8C中示出的根据本发明优选实施方式的飞机蒙皮外形检测装置主要包括底架2、卡板组件3、定位组件4、夹紧组件6以及测量组件5。其中，该检测装置的卡板组件、定位组件和测量组件均有安装定位精度要求，由此，本发明在进行三维建模设计时，按照一定规则建立零组件的基准工具球点(TB点)和光学工具球点(OTP点)，利用激光跟踪仪进行精确安装。

如图2所示的，底架2是检测装置的基础平台，是安装定位各部件的坐标平台。底架2优选被设计为具有足够的刚性，例如，采用方钢管焊接成框架结构，四周有加强板，上表面焊有钢板作为底架的工作平台。有利地，根据大型飞机蒙皮零件结构形式及制造工艺性，为便于焊接和吊运安装，底架2采取分段钢架结构。图2示例性示出为两段结构，其中，每段结构的底部安装有可调节支承单元10调节平面度，并装有吊环螺钉11便于吊运。底架2上合理布置有工具球球座9来设置基准工具球点(TB点)，以建立基础坐标系，进而作为底架2、卡板组件、定位组件、测量组件等关键部件的统一定位基准。如图示的，在该实施方式中，在工作平台的对角上布置四个工具球球座9，工具球靶心后退量可选用7.9375mm，从而建立四个TB点，根据3-2-1原则，可利用三个TB点建立基础坐标系，余下为辅助工具球。

应意识到的是，由于飞机蒙皮形状不规则、厚度小、刚性差，脱模后在自身重力作用下变形较大，所以在蒙皮外形检测过程中，需设计合理的蒙皮支撑定位方式，补偿蒙皮零件因夹紧力、自身重力引起的变形。也就是说，定位方式的合理设计是保证测量准确性的基础。根据本发明，飞机蒙皮外形检测装置中的定位及布局包含以下：底架2的自身定位、卡板组件3在检测装置中的布局及定位、蒙皮1与卡板组件3的定位、测量组件5的布局及定位。通过建立于底架上的基础坐标系，能够校准底架工作平台的平面度，以及调整卡板组件3和测量组件5等的准确位置。

下面结合图2至图5来描述根据本发明的卡板组件3。卡板组件3包括彼此间隔开并固定于底架2上的多个卡板，其中，卡板具有与蒙皮理论外形一致的凸弧形型面来支撑定位蒙皮1。根据检测要求，设定合理的卡板分布位置和数量，各卡板保持合理的固定间距，使蒙皮能最大程度地接近其自由状态下的外形，保证检测准确性。由于卡板外形尺寸较大，卡板面向底架2的安装侧可设有开口用于连接设置于底架2上的支撑组件，例如支撑横梁，通过角钢将卡板与支撑组件连接，保证卡板可靠定位及固定。根据蒙皮1的变截面特征，卡板还可被设计成两种规格。结合图2所示，由于蒙皮的中间部分外形趋于规则，支撑蒙皮中间部分的卡板32能够在其底部仅具有一个开口用于连接布置在底架中部的支撑横梁81。对应于蒙皮两端的变截面部分，两端的卡板31则采用图5所示的结构设计，卡板31的底部具有两个开口312。相应地，在该区域可采用两根较短的支撑横梁82分别连接卡板31。根据一种实施方式，如图5所示，卡板31例如为采用铝合金材料加工而成的弧状条形板，卡板31的底部与底架2保持间距安装用于调节安装余量，面向蒙皮1的型面上设有卡槽311用于安装夹紧组件6，可以理解，卡板32上也具有类似卡槽。

对卡板组件3定位时，参见图5，可在选定基准面一侧按一定次序设计OTP孔，建立卡板安装OTP坐标点和零件加工基准，并配有固定衬套。选定其中一孔为基准孔，其余孔保持公差、孔距要求，标记卡板编号以及每块卡板上建立的OTP点在基础坐标系下安装的坐标值。卡板31的底部设计有定位孔313，通过定位孔并借助例如L型角钢将卡板31定位固定于底架2上。

除以上定位外，本发明还设计了定位组件4，包括两组带有定位孔的定位单元。如图2至图4所示，提供定位单元41、42分别与蒙皮1的工艺耳片孔1A、1B协调配合，其中1A为主定位孔，可通过定位插销将蒙皮1准确地定位在卡板31、32上。

具体参见图6A至图7B，根据一种实施方式，定位单元41可包括定位插销411、定位板412、斜垫板413、方钢管414、底板415，其中，斜垫板413、方钢管414、底板415为焊接组件，固定安装于底架2上。定位板412的上表面设计有定位孔，并配有圆衬套416，该定位孔与蒙皮1的工艺耳片孔1A同轴。同时，还设有三个OTP孔，并配有固定衬套，由此建立定位板412在基础坐标系下安装的坐标值，并通过定位板412的上表面和三个OTP孔来建立定位孔加工基准。

类似地，定位单元42可包括定位插销421、定位板422、垫板423、方钢管424、底板425，其中，垫板423、方钢管424、底板425为焊接组件，固定安装于底架2上。定位板422的上表面同样设计有定位孔，与蒙皮1的工艺耳片孔1B同轴，并配有长槽孔衬套426，长槽方向与工艺耳片孔1A、1B连线一致。同时，设有三个OTP孔，并配有固定衬套，由此建立定位板422在基础坐标系下安装的坐标值，并通过定位板422的上表面和三个OTP孔来建立定位孔加工基准。

关于蒙皮1的夹紧方式，夹紧组件6用于保证被测蒙皮相对检测装置定位的可靠性，夹紧力通常不宜过大，以保证被测蒙皮在任何情况下都不会变形。因此，夹紧点的选择非常关键，既要保证蒙皮定位可靠，又要使蒙皮受力均匀。参见图4，为保证蒙皮1受力均匀，本发明的夹紧组件6包括在每块卡板31、32两端设置的快速压紧器61，例如卡夹，在蒙皮定位后可快速夹紧蒙皮于卡板上。此外，考虑到蒙皮形状特征，有利地借助卡板31、32设置多处辅助压紧带，例如帆布压紧带62(示出为未压紧形式)，使得蒙皮与卡板充分贴合。帆布压紧带不允许在收束很紧的条件下才能使蒙皮与卡板贴合，如果收束的很紧才能达到贴合状态，则说明蒙皮的成形存在缺陷，在后续的装配过程中蒙皮零件会存在较大的应力，因此帆布压紧带所提供的辅助压紧力应有合理的限制。

由于蒙皮周边外形复杂，包含规则平面、不规则曲面以及大圆弧过渡，本发明有利地针对不同周边外形设置结构形式不同的测量组件5。参见图4并结合图8A至图8C，在蒙皮外形为规则平面处，借助卡板两端设置测量块51，其借助角钢安装在卡板侧面，在蒙皮外形为不规则曲面处，设置测量凸台52，在蒙皮外形为大圆弧曲面处，设置测量凸台53，测量块51和测量凸台52、53与蒙皮1理论边缘间隔一定间隙，例如5±0.15mm。由此，通过设计含有通端与止端的测量棒检测间隙，以实现蒙皮外形检测，间隙介于通端和止端之间则外形合格。考虑蒙皮外形轮廓公差及制造公差，测量棒可被设计为通端直径4.75mm，止端直径5.25mm。如图4所示，测量凸台52、53可通过独立的支座安装于底架2上，也可安装于已有部件上来减少安装部件的数量，例如，测量凸台52可安装于定位单元41上，如图4和图6A、6B所示的。

为保证检测精度，测量组件的定位需符合精度要求。参见图8A，测量块51上设有三个OTP孔，测量块51用于检测蒙皮的工作面511相对OTP孔中心有尺寸公差要求，从而测量块51按所建立的三个OTP点在基础坐标系下的坐标值装配。图8B所示为测量凸台52的结构示意图，此处蒙皮外形为不规则曲面，测量凸台52的工作面521的型面与对应蒙皮理论外形一致，且相对OTP孔中心有尺寸公差要求。这里，建立三个基准A、B、C，其中基准A为测量凸台52的上表面，基准B、C分别为两个OTP孔的径向连线，工作面521相对基准A、B、C轮廓度要求为0.1，由此按所建立的三个OTP点在基础坐标系下的坐标值装配。根据所测蒙皮的曲面长度，可合理增加测量凸台尺寸(即工作面521的长度)来增加检测范围。图8C为另一种类型的测量凸台53的结构示意图，该测量凸台53安装定位在固定于底架2上的焊接支承上。此处蒙皮外形为大曲率圆弧曲面，为能完整检测此处圆弧曲面外形，依据整段圆弧曲面理论外形来设计测量凸台53的工作面531。与测量凸台52类似，测量凸台53的工作面531相对OTP孔中心有尺寸公差要求，并且相对基准A、B、C轮廓度要求为0.1，基准A为测量凸台53的上表面，基准B、C分别为两个OTP孔的径向连线，从而按所建立的三个OTP点在基础坐标系下的坐标值装配。

操作时，利用激光跟踪仪将底架2、卡板组件3依次安装固定到位，蒙皮1通过定位单元41、42由卡板组件3支撑定位，进而通过快速压紧器61并可借助辅助的帆布压紧带62将蒙皮1夹紧固定，测量块51和测量凸台52、53与蒙皮1的理论边缘保持间隙安装，从而可通过测量棒检测间隙实现蒙皮外形检测。

本发明的技术内容及技术特点已揭示如上。应当理解的是，附图所示并加以描述的仅为本发明的原理，上述实施方式存在许多修改方式，这些方式对相关领域技术人员来说是很明显的。例如，图中示出的各部件的结构形状仅为示例，并不作为对本发明的限定，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims (7)

1.一种飞机蒙皮外形检测装置，包括底架、卡板组件、定位组件、夹紧组件以及测量组件，其中，所述底架上设有基准工具球球座以建立基础坐标系，通过所述基础坐标系来校准所述底架的工作平台的平面度、所述卡板组件和所述测量组件的准确位置；所述卡板组件包括彼此间隔开并固定于所述底架上的多个卡板，所述卡板具有与蒙皮理论外形一致的凸弧形型面；所述定位组件被固定于所述底架上与蒙皮的工艺耳片孔配合；所述夹紧组件设置于各个所述卡板上；所述测量组件布置于蒙皮周边，并被设置为与蒙皮的理论边缘保持间隙，通过测量棒检测间隙实现蒙皮外形检测，

所述检测装置还包括设置于所述底架上的支撑组件，所述卡板的面向所述底架的安装侧设有开口用于连接所述支撑组件，其中所述底架的中部设有中部支撑横梁，用于支撑蒙皮的中间部分的所述卡板在其底部具有一个开口，用于连接所述中部支撑横梁，所述底架的两侧部分分别设有两根短支撑横梁，用于支撑蒙皮的两侧部分的所述卡板在其底部具有两个开口，用于连接所述短支撑横梁。

2.根据权利要求1所述的飞机蒙皮外形检测装置，其特征在于，所述底架为分段式框架结构，每段框架结构的底部设有调节支承单元。

3.根据权利要求1所述的飞机蒙皮外形检测装置，其特征在于，所述卡板与所述底架保持间距安装，其中所述卡板的面向蒙皮的型面上设有卡槽用于安装所述夹紧组件。

4.根据权利要求1所述的飞机蒙皮外形检测装置，其特征在于，所述定位组件包括两组设有定位孔的定位单元，分别与蒙皮的工艺耳片孔通过插销配合定位。

5.根据权利要求1所述的飞机蒙皮外形检测装置，其特征在于，所述测量组件包括沿蒙皮的不规则外形布置的多个测量块和测量凸台，其中所述测量块安装于所述卡板上测量规则平面，所述测量凸台通过支座安装于所述底架上测量圆弧过渡区域。

6.根据权利要求3所述的飞机蒙皮外形检测装置，其特征在于，所述夹紧组件包括设置于每个所述卡板的所述卡槽中的快速压紧器。

7.根据权利要求6所述的飞机蒙皮外形检测装置，其特征在于，所述夹紧组件还包括设置于多个所述卡板上的辅助压紧带。