CN103221198A

CN103221198A - 用于制造纤维复合材料构件的方法和制造单元

Info

Publication number: CN103221198A
Application number: CN2011800554721A
Authority: CN
Inventors: B·鲍斯; C·伯格
Original assignee: MAG IAS GmbH Eislingen
Current assignee: MAG IAS GmbH Eislingen
Priority date: 2010-11-19
Filing date: 2011-11-18
Publication date: 2013-07-24
Also published as: RU2595678C2; WO2012066109A1; EP2640565B1; DE102010044175A1; US10189213B2; US20130228285A1; EP2640565A1; RU2013117896A

Abstract

在用于制造纤维复合材料构件的方法和制造单元中，首先借助于布置在定位设备（4）上的涂抹工具（41）把纤维复合材料（2）的第一幅面（B₅₁）涂抹在构件模具（3）上。借助于高度剖面测量传感器（56、57）测量涂抹的第一幅面（B₅₁）的高度剖面。在随后把纤维复合材料（2）的第二幅面（B₆₁）涂抹在构件模具（3）上时，控制设备基于测得的高度剖面控制定位设备（4）的至少一个驱动马达，从而避免诸如幅面（B₅₁、B₆₁）重叠的涂抹错误。幅面（B₅₁、B₆₁）被沿相反的涂抹方向（55、55’）涂抹，其中在涂抹方向（55、55’）变换时所述涂抹工具（41）相对于定位设备（4）旋转了180°。

Description

用于制造纤维复合材料构件的方法和制造单元

技术领域

本发明涉及一种用于制造纤维复合材料构件的方法和制造单元。

背景技术

由EP 2 072 224 A2已知一种用于制造纤维复合材料构件的方法，其中在涂抹纤维复合材料时借助于检测系统检测不均匀性。对检测不均匀性来说，检查该不均匀性是否是因为切割装置的故障，所述切割装置设置用于切割纤维复合材料。通过这种方式始终监控切割装置的功能。如果确定了切割装置的故障，则立即通知操作者或者中断制造过程。

发明内容

因此，本发明的目的在于提出一种以高生产率和高质量制造纤维复合材料构件的方法。

该目的通过具有权利要求1所述特征的方法实现。根据本发明，基于之前涂抹的纤维复合材料的幅面的测得的高度剖面向构件模具上涂抹纤维复合材料的幅面。为此，制造单元具有至少一个高度剖面测量传感器，该高度剖面测量传感器测量在针对构件模具定向的检测区域中的高度剖面，涂抹的幅面的至少一个部分位于所述检测区域中。在随后的涂抹过程中，测得的高度剖面被用于控制（起动）定位设备的至少一个驱动马达的控制设备利用，从而通过相应地定位涂抹工具来避免涂抹错误和/或减少已经存在的涂抹错误。例如，当要涂抹侧向并排的幅面时，可避免重叠或过大的缝隙。此外，例如可检测高度差或厚度差，在随后的涂抹过程中通过改变涂抹工具的压紧力可避免所述高度差或厚度差。通常纤维复合材料也称为预浸料坯（Prepreg）或层压材料（Laminat）。此外，涂抹的幅面通常也称为层列（Courses）。

因此利用根据本发明的方法可以在涂抹期间避免和/或减少涂抹错误，由此在制造纤维复合材料构件时，保证了高的生产率以及高质量。与由现有技术已知的监控方法相比，在根据本发明的方法中尤其实现了生产率和质量的显著提高。这通过控制和调节对纤维复合材料的单个幅面的涂抹以及通过对各个涂抹过程的监控实现。

所述至少一个高度剖面测量传感器优选布置在涂抹工具上。因为至少一个高度剖面测量传感器优选沿涂抹方向布置在涂抹工具上游，所以该高度剖面测量传感器也称为前置传感器。该定位设备优选包括机器人，该机器人具有至少四个、尤其至少五个和尤其至少六个用于涂抹工具的枢转轴。所述枢转轴具有各自所属的驱动马达。

该方法保证了高生产率。在涂抹过程之后，通过使涂抹工具相对于定位设备旋转180°可直接开始沿相反的涂抹方向的新的涂抹过程。通过把两个高度剖面测量传感器并排布置在涂抹工具上，可以在两个旋转位置中的每个中进行对高度剖面的测量。

根据权利要求2所述的方法保证了对高度剖面的快速且无损耗的测量。原则上已知光切传感器（光截面传感器，Lichtschnittsensor），所述光切传感器借助于光切法测量高度剖面，该光切法也称为三角测量法。在这种光切传感器中，光线投影到待测量的表面上并再次通过照相传感器检测。通过投影方向相对于观察方向的差别在照相传感器上显示出表面的高度剖面，该高度剖面的形式为相对于基准线的线偏差。线偏差可以借助于已知的图像处理算法检测并在数量上记录。通过照相传感器的运动得到沿三维直角坐标系，即沿x、y和z方向的表面或表面剖面的实际值。光线越平坦地入射在表面上，则基于高度差的线偏差越强。由此可调节光切传感器的分辨率，从而能以期望的精度测量高度剖面。光切传感器优选设计为激光光切传感器。

根据权利要求3所述的方法保证了高的生产率。

根据权利要求4所述的方法实现了避免涂抹错误，该涂抹错误的形式为并排涂抹的幅面的重叠和/或并排涂抹的幅面之间不期望的大的缝隙。为此，使用测得的高度剖面检测之前涂抹的幅面的纵向边缘，从而可以在检测的纵向边缘上借助于定位设备定向下一个待涂抹的幅面。为随后待涂抹的幅面的涂抹过程修正存储在控制设备中的、用于控制至少一个控制马达或控制马达的标准值。此外，可以通过这种方式在制造的开始检测基准幅面或基准轨迹的纵向边缘，在纵向边缘上使第一待涂抹的幅面定向。

根据权利要求5所述的方法保证了在纤维复合材料构件的整个制造过程期间在幅面涂抹中始终不变的质量。通过检测以预先定义的距离定位的基准标记，避免了在单个的涂抹过程中标准值的修正累加为相对于与预先定义的涂抹模式的不允许的偏差。例如，基准标记以规律的距离布置在构件模具上。

根据权利要求6所述的方法实现了在已经涂抹的幅面中减少涂抹错误。如果在涂抹的幅面中和/或在两个涂抹的幅面之间根据高度剖面检测到不允许的高度差或厚度差，则控制设备控制定位设备的至少一个驱动马达，以便在涂抹随后的幅面时在相应的位置处改变或增大或者减小涂抹工具对构件模具的压紧力。由此可使不允许的高度差再次回到允许的公差范围内。

根据权利要求7所述的方法保证了在纤维复合材料构件的整个制造过程期间在幅面涂抹中均匀的质量。通过根据高度剖面检测涂抹的幅面和基准标记之间的高度差，避免了由于在涂抹单个幅面时压紧力的改变产生相对于预定涂抹模式的不允许的偏差。例如，基准标记以规律的距离布置在构件模具上。

根据权利要求8所述的方法可通过简单的方式补偿检测到的高度差。

根据权利要求9所述的方法保证了对高度差的精确补偿。通过借助于布置在涂抹工具和定位设备之间的力测量传感器直接测量涂抹工具施加在构件模具的压紧力，可以通过控制至少一个驱动马达精确地调节期望的标准压紧力。尤其可以把测得的压紧力在控制设备中提供给调节算法，该调节算法通过把测得的压紧力与期望压紧力进行比较来确定并调节至少一个驱动马达的待调节的转矩。

根据权利要求10所述的方法保证了在纤维复合材料构件的整个制造过程期间在幅面涂抹中均匀的质量。由于已知在三维绝对坐标系中涂抹工具相对于构件模具的位置，所以可避免由于对单个涂抹过程的修正导致的相对于预定涂抹模式的不允许的偏差。例如，可以通过室内GPS（IndoorGPS）提供该三维绝对坐标系。作为替代或附加方案，提供基准标记之外还可以提供绝对坐标系。

根据权利要求11所述的方法允许在涂抹幅面之后进行涂抹错误的检测。例如，这种涂抹错误是不平坦性、褶皱、缝隙、边缘的相连或重叠以及脏污。因为光学照相传感器优选沿涂抹方向布置在涂抹工具下游，所以该照相传感器也称为后置传感器。例如，光学照相传感器是检查设备的一部分，该检查设备借助于旋转对称的照明来检测不同照明角度的图像序列。这种检查设备是已知的。可以鉴于其质量受损检查检测到的涂抹错误。

此外，本发明的目的还在于提供一种制造高生产率和高质量的纤维复合材料构件的制造单元。

该目的通过具有权利要求12所述特征的制造单元实现。根据本发明的制造单元的优点对应于已经描述的根据本发明的方法的优点。尤其可以对应于权利要求2至11改进制造单元。

附图说明

由下面对实施例的描述得到本发明的其它特征、优点和细节。附图表示：

图1是用于制造纤维复合材料构件的制造单元的透视图；

图2是图1中制造单元的部分剖开的侧视图；

图3以第一透视视角示出图1中制造单元的涂抹工具，所述制造单元具有两个高度剖面测量传感器和一光学照相传感器；

图4以第二透视视角示出图3中的涂抹工具；

图5是图3中的涂抹工具的侧视图；

图6是图3中的涂抹工具的正视图；以及

图7示意性示出高度剖面测量传感器的测量原理。

具体实施方式

制造单元1用于通过把纤维复合材料2涂抹到构件模具3上来制造纤维复合材料构件。该制造单元1具有定位设备4，该定位设备具有在导轨5上沿着构件模具3可移动的滑架6。为此，滑架6在导向轨7上和在导向槽8中被支承且被引导。导轨5沿x方向延伸且沿与x方向垂直地延伸的y方向与构件模具3间隔开。在滑架6的底面上固定有两个驱动马达9，这些驱动马达分别通过锥齿轮传动装置10旋转驱动齿轮11。各齿轮11与布置在导向槽8中的齿条12啮合，从而制造单元1在导轨5上可线性移动。滑架6的正面用作平台，该平台用于配属于定位设备4的机器人13、两个可冷却的材料存储器14、15、冷却设备16、供能设备17和控制设备18。借助于控制设备18可控制驱动马达9，以便在齿轮11和齿条12之间产生预加应力（偏压力）并进而产生无间隙的驱动系统，由此可得到高的定位精度。x方向和y方向以及与这两个方向垂直地延伸的z方向形成了三维绝对坐标系K。

机器人或工业机器人13利用基架19牢固地布置在滑架16上。基架19上布置有称为圆盘传送带的枢转部件20，该枢转部件可借助于驱动马达21围绕平行于z方向延伸的竖直的枢转轴22枢转。在枢转部件20上布置有三个在端部彼此连接的枢转臂23、24、25，这些枢转臂可借助于相应的驱动马达26、27、28围绕相应的、水平延伸的枢转轴29、30、31枢转。枢转臂24设计为两部件式，且具有两个枢转部件32、33，这些枢转部件可借助于驱动马达34围绕它们的中间纵轴35相对于彼此枢转。因此，枢转部件32、33的中间纵轴35形成了另一枢转轴。相应地，枢转臂25设计为两部件式且具有两个枢转部件36、37，这些枢转部件可借助于驱动马达38围绕中间纵轴39相对于彼此枢转。在图2中，中间纵轴35和中间纵轴39重合。因此，枢转部件36、37的中间纵轴39形成了另一枢转轴。

在枢转臂25上在端部处布置有力测量传感器40，该力测量传感器设计为止推环（压力环）并在其上布置有设计为纤维铺放头的涂抹工具41。因此，涂抹工具41可围绕六个枢转轴22、29、30、31、35和39枢转。因为定位设备4可沿着导轨5移动，所以该导轨为该定位设备4额外地提供了直线的轴。

涂抹工具41用于把纤维复合材料2涂抹到构件模具3上。布置在滑架6上的材料存储器14、15用于提供纤维复合材料2。材料存储器14、15设计为结构相同，因此下文仅描述一个材料存储器14。材料存储器14具有壳体42，其内部空间43可借助于冷却设备16冷却。在内部空间43中可旋转地支承了具有纤维复合材料2的多个材料辊44。纤维复合材料2分别通过多个转向辊45被从材料存储器14引出并引至涂抹工具41。借助于涂抹工具41通过施加拉力可从材料存储器14取出纤维复合材料2。冷却设备16为了冷却两个材料存储器14、15而布置在这两个材料存储器之间。

在冷却设备16上方在材料存储器14、15之间布置有开关箱46，该开关箱中布置有供能设备17和控制设备18。供能设备17设计成使得制造单元1可自由地沿着整个导轨5移动。为此，供能设备17具有滑动触头47，这些滑动触头布置在滑架6上且与导轨5的相应滑动触头48接触。借助于滑动触头47、48可把电能从中央供能装置传输至供能设备17。供能设备17通过合适的电路为布置在滑架6上的所有负载、尤其是驱动马达9、21、26、27、28、34和38、冷却设备16和控制设备18供应电能。

涂抹工具41具有与力测量传感器40连接的支承支架49。该支承支架49由基板50和沿侧向固定在该基板上的两个三角形的端板51、52构成。基板50上固定有纤维输入件53，通过该纤维输入件把纤维复合材料2在端板51、52之间且朝着压紧辊54引导，该压紧辊在端部可旋转地支承在所述端板51、52上。两个高度剖面测量传感器56、57沿图3中标明的涂抹方向55布置在压紧辊54上游，所述高度剖面测量传感器沿侧向并排固定在端板51、52上。这些高度剖面测量传感器56、57也称为前置传感器。形式为数码照相机的光学照相传感器58沿涂抹方向55布置在压紧辊54下游，该照相传感器在与高度剖面测量传感器56、57相对的一侧上布置在支承支架49上。照相传感器58也称为后置传感器。

高度剖面测量传感器56、57是相同的，从而下文中仅根据图7描述高度剖面测量传感器56。高度剖面测量传感器56设计为光切传感器或激光光切传感器且在下文中如此称呼。光切传感器56具有用于产生光束60的光产生单元59，该光束可作为光线61投影在构件模具3上或者投影在该构件模具3上所涂抹的纤维复合材料2上。光线61的长度定义了光切传感器56的横向于涂抹方向55布置的检测区域E。借助于检测器62可检测被反射的光束63，以使光线61在检测器62上以光线图像64的形式成像。为此，光束60具有投影方向，该投影方向与构件模具3的表面法线形成一角度。检测器62相对于表面法线以一角度布置，以便沿观察方向反射的光束63入射至检测器62上。如果高度剖面H位于检测区域E中，则相应的高度剖面H’作为相对于基准线的线偏差在检测器62上成像，该高度剖面可借助于普通的图像处理算法测量。

照相传感器58例如是检查设备的一部分，该检查设备具有围绕中间纵轴旋转对称的照明装置，该照明装置具有环形布置的光源。因此，可得到具有不同照明角度的图像序列。

使用室内GPS（indoor GPS）来提供绝对坐标系K，该室内GPS具有在空间中分布且间隔开的多个发射单元65。这例如在图1中示出。由发射单元65发射的位置信号可借助于接收单元66测量。接收单元66例如布置在支承支架49上并靠近压紧辊54。接收到的位置信号可传输至控制设备18，该控制设备由此在三维绝对坐标系K中确定涂抹工具41的绝对位置。

在制造开始时，纤维复合材料2还未被涂抹到构件模具3上。纤维复合材料2以幅面的形式被涂抹到构件模具3上。为此，构件模具3具有越过构件模具3表面凸出的基准轨迹S，该基准轨迹可借助于光切传感器56或57检测。此外，构件模具3具有在x方向上均匀间隔的第一基准标记R₁，该第一基准标记R₁同样越过构件模具3的表面凸出并且可借助于光切传感器56或57检测。除了第一基准标记R₁外，在构件模具3上还布置有第二基准标记R₂，该第二基准标记R₂相对于构件模具3的表面具有一个和/或更多个预定义的高度。

为了涂抹第一幅面B₁₁，以所述方式借助于光切传感器57检测基准轨迹S。在检测期间，涂抹工具41借助于位置设备4移动且沿涂抹方向55’把第一幅面B₁₁涂抹到构件模具3上。在涂抹过程的末尾，涂抹工具41借助于驱动马达38围绕枢转轴39旋转了180°，从而可通过沿涂抹方向55涂抹第二幅面B₂₁来直接继续制造过程。图3示出5个涂抹在构件模具3上的幅面B₁₁至B₅₁。涂抹工具41示出为处在沿涂抹方向55涂抹第六个幅面B₆₁的过程中。之前涂抹的B₅₁形成了沿z方向延伸的纵边缘L，该纵边缘位于光切传感器56的检测区域E中。纵边缘L形成了高度剖面H，在涂抹幅面B₆₁期间利用光切传感器56测量该高度剖面H。因为光切传感器56沿涂抹方向55布置在压紧辊54上游，所以基于通过测得的高度剖面H检测到的纵边缘L，可借助于定位设备4精确地沿侧向在幅面B₅₁旁边涂抹B₆₁。因此可以避免涂抹错误，例如幅面B₅₁和B₆₁的重叠，或者幅面B₅₁和B₆₁之间的过大缝隙。如果幅面B₅₁偏离了标准路线，则为了涂抹幅面B₆₁基于检测到的纵边缘L修正存储在控制设备18中的标准值。

为了在涂抹幅面B₁₁至B₆₁和其它幅面时标准值的修正不导致与涂抹模式的不允许的偏差，在构件模具3上以规律的间隔布置基准标记R₁，并在涂抹期间通过光切传感器56、57检测这些基准标记R₁。如果借助于控制设备18确定了与基准标记R₁之一的不允许的偏差，则在随后对标准值的修正中考虑这一点，从而不允许的偏差再次回到允许的公差范围内。控制设备18基于测得的高度剖面H控制至少一个驱动马达9、21、26、27、28、34、38，以便避免涂抹错误。这种涂抹错误例如为重叠或缝隙。

在涂抹幅面B₁₁至B₆₁期间，借助于光学照相传感器58检测在涂抹中出现的涂抹错误且在控制设备18中检验并存储。

如果在涂抹幅面B₆₁时，检测到处于预定的公差范围之外的、涂抹的幅面B₅₁至构件模具3的表面的高度或厚度差ΔH，则在控制设备18中关注这一点。这同样适用于当在随后涂抹幅面至已经涂抹的幅面的层上时检测到高度差ΔH时的情况。如果在随后的涂抹过程中把幅面B₅₂涂抹至幅面B₅₁，则借助于定位设备4改变涂抹工具41施加在构件模具3上的压紧力，以使检测到高度差ΔH再次回到公差范围内或者减小。压紧力借助于力测量传感器40测量。测量值传输至控制设备18，该控制设备把该测量值与标准值比较，并根据比较结果控制驱动马达9、21、26、27、28、34、38以便调节期望的压紧力。通过这种方式执行层厚度测量和调节。

在涂抹所述层时，检测基准标记R₂，该基准标记R₂表征了涂抹的层的标准高度。例如，如果在涂抹幅面B₅₂时检测到与基准标记R₂的不允许的偏差，则在控制设备18中关注这一点，在随后的涂抹过程中，该控制设备改变压紧力，以使该不允许的偏差再次回到允许的公差范围内。由此实现层厚度测量和调节。

因为在绝对坐标系K中进行涂抹工具41的定位，所以也可以通过该绝对坐标系K监控对涂抹模式的遵守。在这种情况下也可以省去基准标记R₁、R₂和基准轨迹S。优选既借助于基准标记R₁、R₂和基准轨迹S也借助于绝对坐标系K进行监控。

Claims

1.一种用于制造纤维复合材料构件的方法，该方法包括如下步骤：

-提供用于向构件模具（3）上涂抹纤维复合材料（2）的制造单元（1），

--其中所述制造单元（1）具有定位设备（4）和布置在该定位设备上的涂抹工具（41），

--其中用于相对于所述构件模具（3）定位所述涂抹工具（41）的所述定位设备（4）具有多个驱动马达（9、21、26、27、28、34、38），这些驱动马达能借助于控制设备（18）控制，以及

--其中所述制造单元（1）具有至少一个高度剖面测量传感器（56、57），该高度剖面测量传感器具有针对所述构件模具（3）定位的检测区域（E），

-向所述构件模具（3）上涂抹纤维复合材料（2）的第一幅面（B₅₁），

-以使所涂抹的第一幅面（B₅₁）的至少一部分处于所述高度剖面测量传感器（56、57）的检测区域（E）中的方式测量高度剖面（H），以及

-以所述控制设备（18）基于测得的高度剖面（H）控制至少一个驱动马达（9、21、26、27、28、34、38）的方式向所述构件模具（3）上涂抹纤维复合材料（2）的第二幅面（B₅₂、B₆₁），其中以相反的涂抹方向（55、55’）涂抹这些幅面（B₅₁、B₆₁），其中

--所述制造单元（1）具有两个并排布置在所述涂抹工具（41）上的高度剖面测量传感器（56、57），以及

--当涂抹方向（55、55’）改变时，所述涂抹工具（41）相对于所述定位设备（4）旋转180°。

2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述高度剖面测量传感器（56、57）设计为光切传感器，并且借助于光切法无接触地测量所述高度剖面（H）。

3.根据权利要求1或2所述的方法，其特征在于，在涂抹所述第一幅面（B₅₁）期间测量所述高度剖面（H）。

4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征在于，利用测得的高度剖面（H）检测所述第一幅面（B₅₁）的纵边缘（L），并且基于所述检测到的纵边缘（L）借助于所述定位设备（4）沿侧向在所述第一幅面（B₅₁）旁边涂抹所述第二幅面（B₆₁）。

5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征在于，利用测得的高度剖面（H）检测第一基准标记（R₁），并且基于所检测到的基准标记（R₁）借助于所述定位设备（4）沿侧向在所述第一幅面（B₅₁）旁边涂抹所述第二幅面（B₆₁）。

6.根据权利要求1至5之一所述的方法，其特征在于，利用测得的高度剖面（H）检测相对于所述第一幅面（B₅₁）的高度差（ΔH），并且基于所检测到的高度差（ΔH）借助于所述定位设备（4）向所述第一幅面（B₅₁）上涂抹所述第二幅面（B₅₂）。

7.根据权利要求1至6之一所述的方法，其特征在于，利用测得的高度剖面（H）检测所述第一幅面（B₅₁）和一第二基准标记（R₂）之间的高度差（ΔH），并且基于所检测到的高度差（ΔH）借助于所述定位设备（4）向所述第一幅面（B₅₁）上涂抹所述第二幅面（B₅₂）。

8.根据权利要求6或7所述的方法，其特征在于，在涂抹所述第二幅面（B₅₂）期间，借助于所述定位设备（4）改变所述涂抹工具（41）施加在所述构件模具（3）上的压紧力。

9.根据权利要求6至8之一所述的方法，其特征在于，在涂抹所述第二幅面（B₅₂）期间，借助于布置在所述涂抹工具（41）和所述定位设备（4）之间的力测量传感器（40）测量所述涂抹工具（41）施加在所述构件模具（3）上的压紧力。

10.根据权利要求1至9之一所述的方法，其特征在于，相对于绝对坐标系（K）进行幅面（B₅₁、B₅₂、B₆₁）的涂抹。

11.根据权利要求1至10之一所述的方法，其特征在于，在涂抹幅面（B₅₁、B₅₂、B₆₁）期间，借助于光学照相传感器（58）检测在涂抹中出现的涂抹错误。

12.一种用于制造纤维复合材料构件的制造单元，该制造单元包括：

-涂抹工具（41），该涂抹工具用于向构件模具（3）上涂抹纤维复合材料（2），

-定位设备（4），该定位设备用以相对于所述构件模具（3）定位布置在该定位设备上的所述涂抹工具（41），该定位设备具有多个驱动马达（9、21、26、27、28、34、38），

-至少一个高度剖面测量传感器（56、57），该高度剖面测量传感器具有针对所述构件模具（3）定位的检测区域（E），其中两个高度剖面测量传感器（56、57）并排布置在所述涂抹工具（41）上，以及

-用于控制所述驱动马达（9、21、26、27、28、34、38）的控制设备（18），该控制设备这样构造：

--向所述构件模具（3）上涂抹纤维复合材料（2）的第一幅面（B₅₁），

--能以使所涂抹的第一幅面（B₅₁）的至少一部分处于该高度剖面测量传感器（56、57）的检测区域（E）中的方式测量高度剖面（H），

--能以基于测得的高度剖面（H）控制至少一个驱动马达（9、21、26、27、28、34、38）的方式向所述构件模具（3）上涂抹纤维复合材料（2）的第二幅面（B₅₂、B₆₁），以及

--能以相反的涂抹方向（55、55’）涂抹这些幅面（B₅₁、B₆₁），其中当涂抹方向（55、55’）改变时所述涂抹工具（41）相对于所述定位设备（4）旋转180°。