用于制造波形層壓結(jié)構(gòu)的方法和裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本公開(kāi)基本涉及層壓件的制造，尤其是波形層壓件的制造，且更具體地涉及在具有共同特征的結(jié)構(gòu)的族內(nèi)用于自動(dòng)鋪層并形成不同層壓結(jié)構(gòu)的方法和裝置。
【背景技術(shù)】
[0002]復(fù)合結(jié)構(gòu)，尤其是具有波形的復(fù)合結(jié)構(gòu)有時(shí)具有需要由多個(gè)零件形成的結(jié)構(gòu)的特征。例如，在飛行器工業(yè)中，使用包含機(jī)械地緊固在一起的槽形截面框架和剪切帶(sheartie)的兩件式配件，可以形成波形復(fù)合機(jī)身桶部分。近來(lái)，已經(jīng)提出了采用編織復(fù)合材料的一體式復(fù)合框架部分，然而該制造方法是耗時(shí)且勞動(dòng)密集的，且可能造成比期望更重的框架。制造一體式框架部分的問(wèn)題在高生產(chǎn)率環(huán)境中變得更加困難，其中生產(chǎn)流程時(shí)間對(duì)于實(shí)現(xiàn)生產(chǎn)效率可以是重要的。
[0003]因此，需要一種用于制造一體式層壓結(jié)構(gòu)，尤其是波形的一體式層壓結(jié)構(gòu)的方法和裝置，該方法和裝置通過(guò)自動(dòng)化減少勞動(dòng)和裝配時(shí)間。還需要一種在具有共同特征的結(jié)構(gòu)的族內(nèi)用于制造不同層壓結(jié)構(gòu)的方法和裝置，以便減少材料和勞動(dòng)成本同時(shí)增加生產(chǎn)率。此外，需要一種使用特定材料形式(諸如，使用常規(guī)的手工制造方法可能是不可生產(chǎn)的單向預(yù)浸帶)用于制造層壓結(jié)構(gòu)的方法和裝置。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]所公開(kāi)的實(shí)施例提供一種在具有共同特征的結(jié)構(gòu)的族內(nèi)用于制造不同復(fù)合層壓結(jié)構(gòu)的方法和裝置。該裝置包含自動(dòng)的可重配置復(fù)合成型系統(tǒng)，該成型系統(tǒng)尤其被設(shè)計(jì)以在結(jié)構(gòu)構(gòu)件(諸如，飛行器機(jī)身框架)的生產(chǎn)中形成單向預(yù)浸帶。該裝置包含多個(gè)基本相同的成型模塊，該多個(gè)成型模塊被連接在一起以形成可以被重新配置以符合限定對(duì)應(yīng)的結(jié)構(gòu)形狀的一系列工具的單個(gè)樣板。每個(gè)成型模塊擁有局部適應(yīng)或轉(zhuǎn)換為工具的獨(dú)特設(shè)計(jì)、形狀或特征的能力。在一個(gè)飛行器應(yīng)用中，該裝置可以被采用以通過(guò)鋪層、成型和壓實(shí)框架部分的每個(gè)層片而制造具有Z橫截面形狀的多層復(fù)合框架部分。層片從內(nèi)翼弦向外形成于外翼弦，且有時(shí)被稱為剪切帶。每個(gè)成型模塊適應(yīng)于工具的局部形狀。模塊以某一方式被連接在一起以形成調(diào)整整個(gè)工具的單個(gè)樣板。可以通過(guò)添加或移除成型模塊來(lái)適應(yīng)不同的工具弧長(zhǎng)。在結(jié)構(gòu)是波形的那些情況下，成型模塊不需要準(zhǔn)確地匹配工具的總弧長(zhǎng)。該裝置采用基于結(jié)構(gòu)的族內(nèi)的結(jié)構(gòu)的通用結(jié)構(gòu)形狀輪廓的自適應(yīng)控制器系統(tǒng)。自適應(yīng)控制器系統(tǒng)基于力反饋和位置控制的結(jié)合形成結(jié)構(gòu)的每層。每個(gè)成型模塊具有兩個(gè)伺服軸線且每次采用這兩個(gè)軸線中的一個(gè)上的力反饋。力反饋的使用取決于形成結(jié)構(gòu)的區(qū)域。在成型過(guò)程期間，反饋在兩個(gè)軸線之間來(lái)回切換。在兩個(gè)軸線之間的切換由自適應(yīng)系統(tǒng)控制并由形成的結(jié)構(gòu)的通用形狀參數(shù)確定。依賴于通用運(yùn)動(dòng)軌跡，允許該裝置逐層形成任何多樣性的獨(dú)特結(jié)構(gòu)，而不需要NC(數(shù)字控制)編程。該裝置易于擴(kuò)展以通過(guò)添加或移除成型模塊，并將模塊布置為基本匹配對(duì)應(yīng)的工具形狀而制造在結(jié)構(gòu)的族內(nèi)的不同尺寸的結(jié)構(gòu)。
[0005]根據(jù)一個(gè)公開(kāi)的實(shí)施例，提供了一種用于制造多個(gè)獨(dú)特零件的系統(tǒng)。該系統(tǒng)包含分別對(duì)應(yīng)于將被制造的多個(gè)零件的多個(gè)獨(dú)特鋪層工具，以及多個(gè)樣板模塊，該多個(gè)樣板模塊經(jīng)配置結(jié)合在一起以限定分別對(duì)應(yīng)于多個(gè)零件和多個(gè)鋪層工具的多個(gè)獨(dú)特樣板。每個(gè)樣板適于將材料鋪放在鋪層工具對(duì)應(yīng)的一個(gè)工具以形成對(duì)應(yīng)的一個(gè)零件。樣板模塊基本相同，且通過(guò)使基本相同的樣板模塊中的每個(gè)耦接到對(duì)應(yīng)的獨(dú)特鋪層工具來(lái)配置多個(gè)獨(dú)特模型中的每個(gè)。樣板模塊被連接在一起且被安裝在基底上，從而允許樣板模塊沿多個(gè)方向移動(dòng)。每個(gè)樣板模塊包括適于在鋪層工具的對(duì)應(yīng)一個(gè)上形成材料的成型頭。每個(gè)成型頭包括柔度(compliance)。零件可以是層壓結(jié)構(gòu)，且該層壓結(jié)構(gòu)可以是碳纖維增強(qiáng)塑料。
[0006]根據(jù)另一個(gè)公開(kāi)的實(shí)施例，提供了在具有共同特征的結(jié)構(gòu)的族中用于制造多個(gè)不同層壓結(jié)構(gòu)中的每個(gè)層壓結(jié)構(gòu)的裝置。該裝置包含多個(gè)分開(kāi)的(s印arate)制造模塊，這些制造模塊分別局部適于在對(duì)應(yīng)的工具上制造層壓結(jié)構(gòu)的一部分。該制造模塊可重新配置以在其族內(nèi)制造每個(gè)層壓結(jié)構(gòu)。該裝置還包括用于控制和協(xié)調(diào)制造模塊的自動(dòng)操作的控制器。該裝置可以進(jìn)一步包含適于形成在工具上方的層壓層片的成型構(gòu)件。成型構(gòu)件沿制造模塊的長(zhǎng)度延伸，且安裝在每個(gè)制造模塊上，以便在工具上方沿至少兩個(gè)軸線運(yùn)動(dòng)。成型構(gòu)件沿制造模塊的長(zhǎng)度連續(xù)。沿兩個(gè)軸線控制成型構(gòu)件，并且該成型構(gòu)件具有適于在形成結(jié)構(gòu)的不同區(qū)域之間變化的形狀，諸如，框架的內(nèi)翼弦半徑和剪切帶半徑之間的一體式飛行器機(jī)身框架的情況。每個(gè)制造模塊包括一部分成型構(gòu)件被局部安裝在其中的軌道。單個(gè)成型構(gòu)件可以用于制造特定結(jié)構(gòu)，然而成型構(gòu)件被可移動(dòng)地安裝在軌道中以允許分別具有不同形狀的多個(gè)成型構(gòu)件的可互換性，從而制造不同形狀的結(jié)構(gòu)。當(dāng)成型構(gòu)件在結(jié)構(gòu)上方移動(dòng)時(shí)，當(dāng)結(jié)構(gòu)的弧長(zhǎng)變化，軌道允許成型構(gòu)件相對(duì)于每個(gè)模塊的橫向(或切向)滑動(dòng)。成型構(gòu)件適于掃過(guò)(swe印)在工具上方的層壓層片，且具有柔度。每個(gè)制造模塊包括適于抵靠所述工具的一部分夾緊一部分層壓層片的夾具。每個(gè)制造模塊包括與成型構(gòu)件耦接的功率驅(qū)動(dòng)器，用于使成型構(gòu)件掃過(guò)層壓層片且將層壓層片壓實(shí)在工具上。該裝置可以進(jìn)一步包含適于將至少一個(gè)層壓層片保持在其上的柔性層片載體，其中每個(gè)制造模塊包括適于可釋放地保持層片載體的一對(duì)空間隔開(kāi)的軌道和當(dāng)成型構(gòu)件在工具上方形成層片時(shí)用于保持層片載體處于張力中的層片載體控制配件。成型構(gòu)件與層片載體接合以掃過(guò)在工具上方的層片載體與在其上的層片，且層片載體控制配件包括用于沿兩個(gè)軸線調(diào)整層片載體位置的驅(qū)動(dòng)器。每個(gè)制造模塊進(jìn)一步包括用于感測(cè)由成型構(gòu)件施加到層壓層片的力的水平的力傳感器和用于感測(cè)成型構(gòu)件的層壓層片的位置的位置傳感器。每個(gè)制造模塊進(jìn)一步包括用戶將制造模塊夾緊至工具的夾具。該裝置還可以包含用于使制造模塊耦接在一起和用于使制造模塊相對(duì)于工具對(duì)齊的制造模塊之間的鏈路(linkage)。該連接經(jīng)配置以允許成型模塊沿與連續(xù)延伸的成型構(gòu)件的縮回弧基本相同的弧旋轉(zhuǎn)。制造模塊基本相同且彼此可互換。該裝置還包括用于控制和協(xié)調(diào)制造模塊的操作以共同地制造層壓結(jié)構(gòu)的中心控制器。
[0007]根據(jù)又一個(gè)實(shí)施例，提供了一種在具有共同特征的零件的族中用于制造多個(gè)不同零件的方法，其中使用獨(dú)特工具制造每個(gè)零件。該方法包含將多個(gè)分開(kāi)的、基本相同的制造模塊布置為基本匹配一個(gè)零件將制造在其上的工具，且使每個(gè)制造模塊適于工具的局部部分。該方法進(jìn)一步包含控制和協(xié)調(diào)制造模塊的操作以在工具的對(duì)應(yīng)部分上方制造部分零件。布置制造模塊包括將每個(gè)制造模塊移至接近工具，并將制造模塊連接在一起。該方法可以進(jìn)一步包含將每個(gè)制造模塊夾緊至工具。適應(yīng)每個(gè)制造模塊包括通過(guò)每個(gè)制造模塊學(xué)習(xí)零件將被制造在工具上的表面的位置。該方法還可以包含使用成型構(gòu)件橫跨工具的表面掃過(guò)材料，以及使用成型構(gòu)件以學(xué)習(xí)在工具上的表面的位置。學(xué)習(xí)表面的位置包括隨著成型構(gòu)件橫跨工具的表面掃過(guò)材料感測(cè)成型構(gòu)件的位置，并記錄成型構(gòu)件被感測(cè)位置。適應(yīng)每個(gè)制造模塊包括將制造模塊的高度調(diào)整為共同的水線。該方法可以進(jìn)一步包含沿所有制造模塊形成連續(xù)齒條(spline)。形成連續(xù)齒條包括沿基本制造模塊的整個(gè)長(zhǎng)度安裝連續(xù)成型構(gòu)件。每個(gè)成型模塊可以是用于形成層片的局部部分的層壓層片樣板模塊。布置制造模塊包括將制造模塊連接在一起以形成單個(gè)層壓層片樣板。
[0008]根據(jù)另一個(gè)公開(kāi)實(shí)施例，提供了一種制造復(fù)合層壓結(jié)構(gòu)的方法。該方法包含將多個(gè)基本相同的成型模塊布置為基本匹配復(fù)合層片將在其上形成的工具，以制造層壓結(jié)構(gòu)，以及將成型模塊連接在一起以形成用于形成整個(gè)復(fù)合層壓結(jié)構(gòu)的單個(gè)樣板。該方法進(jìn)一步包含將連續(xù)成型構(gòu)件安裝在成型模塊上，連續(xù)成型構(gòu)件限定基本延伸模型的整體長(zhǎng)度的齒條，并使用成型構(gòu)件以形成工具上的復(fù)合層片并將其壓實(shí)在工具上。該方法還可以包括將復(fù)合層片放置在層片載體上。成型構(gòu)件用于接合和掃過(guò)在工具上方的層片載體與層片。
[0009]根據(jù)又一個(gè)公開(kāi)的實(shí)施例，提供了一種用于形成在工具上方的復(fù)合層壓零件的成型模塊。該成型模塊包含基底和適于控制復(fù)合樹(shù)脂層片被安裝在其上的柔性層片載體的位置的層片載體控制配件。該成型模塊進(jìn)一步包含被安裝在基底上并適于自動(dòng)地使復(fù)合樹(shù)脂層片從層片載體形成到工具上的頭部分?；走m于在支撐表面上方移動(dòng)，且頭部分包括用于學(xué)習(xí)工具的廓形的自適應(yīng)控制器。該成型模塊可以進(jìn)一步包括用于將頭部分夾緊至工具的夾具和用于形成在工具上方的層片的自動(dòng)控制成型構(gòu)件。
[0010]根據(jù)本公開(kāi)的一方面提供一種制造多個(gè)獨(dú)特零件的系統(tǒng)，其包含:多個(gè)獨(dú)特鋪層工具，其分別對(duì)應(yīng)于將被制造的多個(gè)零件，