CN102069593A - 柱形复合材料零件敷覆成形机 - Google Patents

Abstract

本发明涉及固定成本经济的敷覆成形机，用于形成覆盖小于360°角扇形的大尺寸复合材料柱形板，并允许高敷设生产率。本发明的装置可以使固定的柱形型芯位于机床台上，并使敷覆头在该型芯的表面上移动，承载所述敷覆头的操纵器架沿至少部分为圆形的导道围绕型芯移动。

Description

柱形复合材料零件敷覆成形机

技术领域

本发明属于用于实施复合材料零件的敷覆成形机的领域。更特别的是，本发明的目标敷覆成形机适于包覆成形具有任何截面的柱形零件。这样的零件例如构成航空器的机身区段。

背景技术

敷覆成形在于把通常预先浸有树脂的复合材料带覆置在仿形待实施零件表面的型板(gabarit)或型芯(mandrin)上。所述复合材料带一般以卷筒的形式储存。它们被展开并通过敷覆头贴覆于型芯表面，敷覆头在所述表面上以称为工作前进的受控前进速度、沿相应于所覆置材料层朝向的一些方向移动。根据现有技术的已知实施方式，敷覆头还承担除覆置外的其它功能，如作为切割带的部件。

特别是通过覆置宽带而允许高生产率的敷覆头是体积非常大的元件，应由适于保证带就位精度的刚性结构支撑，特别是如果敷覆头在型芯上的移动按照包括五条移动轴或更多移动轴的复杂运动实现。专利申请FR2919517描述了适于该实施类型的敷覆头的一个例子。

根据现有技术，复合材料制的航空器机身蒙皮的实现主要求助于两种技术方法。例如在以本申请人名义的专利申请EP1963079/US2009020645中描述的第一种方法在于：通过沿所述机身的整个周沿的弯曲敷覆(drapage de plis)形成基本柱形的区段。通常用于此类实施方式的敷覆成形方法使用模仿待形成区段形状的型芯，使该型芯在材料覆置部件前转动，材料覆置部件能够沿至少一条与型芯转轴平行的轴移动。因而所述型芯始终朝相同转动方向并以基本恒定的速度绕它的轴转动。

在也是以申请人名义的申请EP2076430中描述的第二种方法在于：通过组装大尺寸的、同时大长度并且覆盖90°角扇形或更大角扇形的复合板制成机身区段。通过前面方法将这些板单个形成意味着转换型芯的转动方向，以便一边缘到另一边缘进行板的敷覆。对于大尺寸型芯，由于其惯性，转动方向的这些转换实施是很复杂的。即使通过把多块板结合在同一型芯上以覆盖360°的角扇形并限制转动方向的转换次数，但是如果型芯需要被转动，由于它的重量，适于该实施方式的型芯的大长度使得它的制造很昂贵并且很复杂。另外，该重量和惯性限制所述型芯的转速，因此限制包覆的工作前进速度，因此限制该敷覆成形方法的生产率。

适于投入转动的这种型芯的重量对包覆精度是有害的，因为型芯趋于在自身重量下变形。当零件直径很大，特别是使用运动学建立在按照笛卡儿直角坐标系移动基础上的现有技术机床，使用固定型芯并使敷覆头在型芯上移动的方法实施起来也很复杂。实际上，如果型芯柱体的轴线水平地布置，这种配置导致尤其在机床竖直轴线上的行程方面的非常大的需要，这就使得实施这样的机床是很昂贵和复杂的。另外，即使使用铰接的敷覆头，该运动学方法一般也不能达到柱形部分的大于180°的角度覆盖并同时保持在敷覆时垂直于表面取向的敷覆头。最后，覆经表面需要沿同时六条轴的移动，以使敷覆头在位置和方向上都处于空间中。在具有包括六轴的运动学的结构的端部支撑沉重和庞大的敷覆头是很复杂的，并且提出与这种安装的坚固性有关的技术问题。

从现有技术例如从专利US1783637中了解到用于加工、尤其是车削沉重柱形零件的机床，在这些机床中，零件处于固定平台上，并且其中刀具沿圆形导道围绕零件移动以便实现加工。但是该构型不适于敷覆成形这样的复合材料零件如机身板的情况：其直径相对长度较小并且表面所覆盖的角扇形小于360°甚至270°。适用于实施这种零件的型芯实际上非常难以保持在稳定的竖直位置。这些机床也不适用于敷覆成形作业，因为它们不具有足以使敷覆头相对型芯表面动态地移动和取向的轴数，因此它们仍局限于实现圆柱形回转表面。

因此，存在对固定成本经济的敷覆成形装置的需求，以便形成覆盖小于360°的角扇形的大尺寸复合材料柱形板，同时允许很高的包覆生产率。

在整个本文中，除非特别指出，术语“柱体”和形容词“柱形的”应按它们的数学意义予以理解，即：

-柱体为经过任何封闭平面曲线母线并保持固定方向的直母线所确定的空间表面。因此该柱体的母线曲线不一定是圆形，因此该柱体的表面不一定是回转表面；

-把满足以上定义的柱体的表面的一部分或体积的一部分称作柱形；

-根据该定义，柱形表面是可以展开的，因为它可以覆贴在一平面上，同时保持在所述表面上于构成该表面的点之间测量的距离。

发明内容

为了满足这些需求，本发明的装置包括：

-能够接纳敷覆型芯、确定基准平面的固定台；

-延伸在与基准平面垂直的平面中的龙门吊，并且该龙门吊能够沿与龙门吊平面垂直并与基准平面平行的直线纵轴移动；

-能够支撑敷覆头并能够在龙门吊平面内以工作前进速度沿导道移动的操纵器架，所述导道包括有限半径的圆形部分，其回转轴线与纵轴平行，位于导道和台之间；

因此，本发明的装置允许将固定的柱形型芯就位于机床台上，并使敷覆头在该型芯的表面上移动，敷覆头支撑操纵器沿随龙门吊上的导道。

有利的是，导道延伸在大于180°的角扇形上。该构型可以使敷覆头沿该导道移动，以覆经覆盖该角扇形的柱形敷覆表面，而不需要在机床其它轴上进行大幅度运动。因此获得在型芯表面上移动的切向速度，并因此得到可与平面敷覆所得到的生产能力相比拟的包覆生产能力。另外，操纵器架因而只包括两个转轴，而不是按现有技术必需的三个，这就使安装更为牢固和精确。

为了在遵守轨迹精确性中得到这样的性能，优选通过沿导道的线性马达实现操纵器架相对龙门吊的移动。

根据第一实施方式，操纵器架包括操纵器直线移动轴线，叫做W轴，该轴与龙门吊平面平行并与导道垂直。该构型可以实现任何类型柱形表面的敷覆，所述柱形表面在每一点的法线与W轴基本共线，此时通过机床轴的移动所述敷覆头位于该点。在这种情况下，敷覆沿循周沿进行，即被包覆带的长的方向相对于柱体轴线呈90°取向。

为了根据该第一实施方式实现更复杂的敷覆，操纵器架可包括操纵器围绕W轴转动移动的轴。该形态允许引导敷覆头的朝向，以便进行相对柱体轴线平行或倾斜(en bais)的敷覆，所形成表面的法线始终与W轴基本共线。

为了在任何柱形表面和任何敷覆方向上进行敷覆，操纵器架包括使操纵器按至少两条转轴移动和沿与导道垂直并与龙门吊平面平行的轴平移的装置。

该第一实施方式对应于通过有开放或串联运动链的装置移动敷覆头。

可选地，根据第二实施方式，通过封闭或平行的运动链能至少以某些自由度实现在操纵器架处敷覆头的移动。该形态使操纵器的动态刚性增加。

附图说明

现在将在示于图1-5的非限定的优选实施方式的范围内更精确地描述本发明，附图中：

-图1涉及现有技术，表示能够形成大尺寸零件的龙门类型的敷覆成形机；

-图2以透视图表示本发明的一实施例，其呈龙门架为环形状的机床的形式；

-图3以正面图表示按串行运动学的本发明一通用实施方式；

-图4表示本发明一实施变型，该变型借助使用封闭并行运动链的操纵器移动装置；

-图5表示沿龙门架驱动操纵器架的实施变型。

具体实施方式

在图1中，根据现有技术，按笛卡儿运动结构构造的敷覆成形机包括：

-按XY平面延伸的基座或台1；

-龙门吊在该基座或台上沿X轴移动，所述龙门吊包括与Y轴平行的梁2；

-操纵器架3按Z轴延伸并沿梁移动；

-所述操纵器架支承敷覆头4；

-敷覆头通常通过一双铰接件和第二铰接件与操纵器架连接，该双铰接件使敷覆头能够进行围绕Z轴、也称C轴的转动运动，而第二铰接件使其能够进行沿与Z轴垂直的轴即A轴运动。

沿线性轴X、Y和Z的移动允许在机床的工作空间中形成任何轨迹。沿转轴A和C的移动可以引导敷覆头的朝向，以使敷覆辊与型芯表面的接触母线与轨迹垂直。为了敷覆成形柱形表面，使适当形状的型芯5位于台上，并使敷覆头在该型芯的表面移动，以把纤维带覆置于该表面。所述纤维带在纤维带所浸有的树脂的覆积温度通过天然黏性附着在型芯上。

因此可敷覆的最大表面由轴行程给出。取敷覆头在YZ平面中的极端位置3、3’、3”，对于覆盖180°角扇形的柱形表面可达的空间6没有达到机床内部空间7的25％。如果板所覆盖的角扇形大于180°，该空间还会减小。因此，当敷覆成形操作的目的是实现大尺寸的柱形板如航空器机身壁板时，适于该操作的机床的体积迅速变得非常大，因此，为了保持其刚性，构成这种机床的零件应是超大尺寸的。因此需要移动的重量很大，这对速度是不利的，因而对所述机床的生产率也是不利的。

在图2中，根据本发明的一特殊实施方式，机床包括延伸在XY平面中的基座10、延伸在YZ平面中并相对基座10沿X平移活动的龙门吊20、和沿该龙门吊移动的操纵器架30。根据现有技术，操纵器架只沿Y轴在龙门吊的梁2上移动，而根据本发明的机床的操纵器架30能够沿整个龙门吊20移动。为此，所述龙门吊20包括至少一圆形部分，圆形部分的回转轴线与X轴平行并位于机床的龙门吊与基座10之间。在图2的实施例中，龙门吊的形状完全为圆形，并且覆盖大于180°的角扇形。型芯5固定地就位于台10上，配有敷覆头40的操纵器架可跟随沿该龙门吊的导道210，围绕型芯柱形表面的轴线转动。对于尺寸非常大的零件，机床可以包括多个龙门吊，每个龙门吊都配有一个操纵器架和一个敷覆头，这些龙门吊可同时在零件表面敷覆层，以提高生产能力。可选地，不同龙门吊可配有不同操纵器，例如敷覆头、冲刺头或超声波控制头或任何其它装置。

在图3中，根据本发明的一更普遍的实施方式，龙门吊220为任何形状，但按机床的XY平面延伸并且包括至少一圆形部分，圆形部分允许操纵器架30沿循龙门吊进行与机床Y轴不平行的轨迹。操纵器架30在移动时沿随着该龙门吊上的导道。导道保证引导操纵器架。有利地，导道可以由公司配送的HMG型引导轨道实施。可以通过本领域技术人员已知的任何部件、尤其是通过齿轮-齿条装置来实现沿该轨道的移动。根据一更有利的实施方式，通过沿导道设置的线性马达215将沿导道的移动传送给操纵器架30。有利的是，装置还包括允许了解操纵器架沿所述导道的确切位置的线性编码器。根据第一驱动实施方式，构成线性马达215的次级的永磁体与包含在机床的YZ平面中并与轨迹相对应的曲线垂直地位于龙门吊上，它们的上表面与YZ平面平行并与位于操纵器架中的构成马达初级线圈的线圈相对。可选地，在图5中，线性马达216可位于龙门吊的侧面上。在这种情况下，导轨214优选保留在XY平面中。

操纵器架30包括平行于龙门吊XY平面地移动操纵器40的轴线，称为W轴，并且有利的是，敷覆头40沿与W轴重合的C轴和与W轴垂直的A轴铰接在操纵器架的端部。因此，尽管操纵器架在XY平面中的轨迹受到导道形状的约束，但操纵器所跟随的轨迹由操纵器沿W轴的移动予以调整。例如，在图2中，操纵器可在机床的工作空间中跟随相应于立方体表面的轨迹，而龙门吊为圆形状。转轴在这些轨迹的过程中允许指引敷覆头的朝向，以便遵守敷覆头相对轨迹的朝向条件。

操纵器架沿导道的移动允许获得在型芯5的柱形表面上的堪比平面敷覆中得到的速度的工作前进速度。

在图3中，敷覆柱形型芯5可达的工作空间6达到机床内部空间的多于40％。

根据图4表示其一例子的另一实施方式，操纵器架300由带有并行或封闭运动链的装置400延长。例如由六脚形体构成的这类装置能使操纵器40按六种自由度、但以小幅度移动。根据该实施方式，操纵器架可包括或不包括移动轴线W，并行运动式装置400可通过具有C轴的铰接件与操纵器架连接。并行运动式装置所允许的移动即使幅度有限，仍可被利用来在复合板上形成局部敷设图案，如局部厚度的加固件或补片。

通过数控装置(未示出)操纵机床运动。反向运动计算模块传统上集成在该数控装置中，这允许根据以标准ISO指令编写的称为带子(ruban)的程序操纵机床，移动命令表达在零件原始空间中并通过计算模块解释为沿机床不同轴的移动的组合。所述计算模块包括可消除与运动的冗余或奇点有关的可能的运动模糊性的算法。可选地，或者作为补充，机床的特殊运动学可以被集成在适于敷覆成形方法的计算机辅助制造系统的后处理程式中。因此，机床的特殊运动学不会使机床的编程比现有技术的五轴或六轴机床的编程更复杂。

以上描述清楚地表明：本发明通过它的不同特征和这些特征的优点达到它的既定目标。特别是，本发明允许敷覆成形大尺寸的柱形复合材料零件，并相对于实现这些零件所需的工具空间减小机床工作空间，且无需使所述型芯转动。本发明另外允许达到堪与平面敷覆可获得的包覆质量及生产率相比的包覆质量及生产率。

Claims (7)

1.适于复合材料弯曲敷覆成形的机床，该机床包括：

-固定台(1、10)，其确定基准平面，适于接纳敷覆型芯(5)；

-龙门吊(20、220、210)，其延伸在与所述基准平面垂直的平面中，并且适于沿与所述龙门吊的平面垂直并与所述基准平面平行的直线纵轴(X)移动，所述龙门吊包括引导操纵器架(30)的导道，所述导道包括至少一具有有限半径的圆形部分，所述圆形部分的回转轴与所述纵轴平行；

-操纵器架(30)，其适于支承敷覆头(40)并适于沿所述导道(210)在所述龙门吊的平面中以工作前进速度移动，其位于所述导道(210)和所述台(10)之间；

其特征在于，所述导道(210)的圆形部分的角扇形之和大于180°。

2.如权利要求1所述的机床，其特征在于，所述机床只包括唯一的圆形导道(210)。

3.如权利要求1所述的机床，其特征在于，所述操纵器架(30)相对所述龙门吊(220)的移动通过沿所述导道(210)的线性马达(215)实现。

4.如权利要求1所述的机床，其特征在于，所述操纵器架(30)具有操纵器直线移动轴线即W轴，所述W轴与所述龙门吊的平面平行并与所述导道(210)垂直。

5.如权利要求4所述的机床，其特征在于，所述操纵器架(30)具有操纵器围绕所述W轴转动移动的轴线(C)。

6.如权利要求1所述的机床，其特征在于，所述操纵器架(30、300)包括操纵器移动装置，所述操纵器移动装置使所述操纵器按至少两条转动轴线(A、C)移动和沿与所述导道(210)垂直并与所述龙门吊的平面平行的轴线平移(W)。

7.如权利要求6所述的机床，其特征在于，所述操纵器移动装置包括封闭运动链(400)。

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