CN103796815B - 用于制成高级复合层叠件的系统和方法 - Google Patents

Abstract

用于制造高级复合层叠件的系统和方法包括带材分配系统、带材铺放头和工具表面。形成带材部段并用抓持组件使带材部段运动通过带材部段引导件。带材部段引导系统悬置于工具表面上。一旦将带材部段定位到工具表面上的期望位置，带材粘结装置将带材部段粘结到或以其它方式附连到工具表面或另一下置的带材部段。

Description

用于制成高级复合层叠件的系统和方法

本申请要求了2011年7月28日提交的美国临时申请第61/512,632号的权益，该申请的全部内容以参见的方式纳入本文。该申请还涉及2011年11月1日授权的美国专利号8,048,253（2008年9月24日提交的美国专利申请号12/237,077）、2012年5月1日授权的美国专利第8,168,029号（2011年10月3日提交的美国专利申请号13/251,360）以及2012年3月30日提交的美国专利申请第13/435,006号，这些专利和专利申请的全部内容以参见的方式纳入本文。

背景技术

目前的实施例总地涉及高级复合材料，并且更具体地涉及用于使用自动化设备快速制造具有最少废料的高级复合层叠件的系统和方法。

高级复合材料日益用于需要小重量和高强度和/或高刚度的高性能结构产品。复合材料是包括两种或更多种成分的工程材料。实施例涉及组合有诸如碳纤维、玻璃纤维的增强纤维或者具有诸如环氧物、尼龙、聚酯、聚丙烯或其它树脂的热固性或热塑性聚合物树脂的其它增强纤维的聚合物复合物。纤维通常沿纤维长度方向提供刚度和强度，而树脂提供形状和韧性，并还起到在纤维之间传递负荷的作用。高级复合部件的结构性能随着纤维-树脂比（也被称为纤维体积率）的增加、纤维长度的增加、纤维定向与通过部件的负荷路径之间更精确的对准（与随机纤维定向相比）以及纤维的平直度而增加。也可通过根据所受应力轻重而选择性地加入或减去材料来优化高级复合部件的重量。

通常，高性能高级复合材料部件的制造是又慢又耗费劳力的过程。因此，已开发出用于自动制造高级复合部件的若干方法来减少手工劳动量、降低循环时间并提高部件质量和可重复性。这种机器用于制造从飞机机身和内部结构构件到压力容器、管道、用于风力机的叶轮和飞机翼板的小型和大型部件。这些机器通常使用安装在多轴CNC操作机上的材料铺放头来将带材直接铺放到芯轴或模具上。当铺设好材料时，材料与任一下置层固结。这被称为“现场”固结。

在以参见方式纳入本文的美国专利第6,607,626号和第6,939,423号中描述的不同方法是铺设大致平坦的“定制坯件”，其中，仅将复合层叠件的所有层片粘结在一起。一旦制成定制坯件，后续加工步骤用于使各层片固结在一起，并将坯件成型为其最终形状。

对于带材和纤维铺放机来说是典型的一种特征是用于将材料施加于工具表面的总体技术：这种机器将带材或成束的材料逐步展开到工具表面上，该工具表面构造成与零件的近终形（nearnetshape）相匹配，并且当将材料馈送到表面上时，使用一个或多个压实辊或座板将其粘结到位。尽管该技术产出高质量零件，但它的一个主要限制是材料铺设率的增加需要更大、更高功率的机器，这对系统尺寸、能量消耗、成本和精度产生复合效应。在许多系统中，特别是对于通常熔化然后在铺设过程中再冷冻的热塑性复合物来说，速度也受到传热率的限制。

纤维铺放机和带材铺设机的另一限制是它们大多通常产生非常接近于最终形状的零件，由此，通过附连有铺设头的操纵器的尺寸和灵巧度来控制可实现的零件复杂度和轮廓。这种系统通常需要五个或者六个自由度来生产出上述类型的零件。

发明内容

实施例提供一种用于将复合带材施加于工具表面上的系统和方法。作为对将构造成部件的最终形状并在原位固结的带材逐步施加于工具表面的替代，这些实施例通过馈送预定长度的带材并将它定位在工具表面上方来铺放处于大致平坦构造的带层，该构造适于后固结和成形操作。可将该带材预切割成带材部段，或者可从带材供料源馈送（例如，拉动）该带材并将该带材切成期望长度的带材部段（或“带层”）。带材部段可朝向工具表面运动。一旦在工具表面附近或之上，整个带材部段可在一次操作中粘结到下置材料。粘结可包括例如使用点焊机或者其它熔合工艺在分离位置处将带材部段熔合到下置材料。使带馈送操作与粘结操作分离可允许该系统自动地、更快和更可靠地运行。

一个实施例包括用于通过如下方式制成高性能的高级复合层叠件的系统和方法，即，通过将一个或多个带材部段定位到多轴运动台上，然后将带材部段降低到台上，并使用点焊单元阵列将这些带材部段粘结到之前铺放的材料。

在一方面，用于由带材制成复合预制件的方法包括将带材部段馈送到带材部段引导件内，该带材部段引导件将带材部段悬置于工具表面上，以使带材部段的第一端起初设置在带材部段引导件内的第一位置，而带材部段的第二端起初设置在带材部段引导件内的第二位置。该方法还包括提供带材部段引导件与工具表面之间的相对运动，以将带材部段相对于工具表面定位在期望位置和定向。该方法还包括使带材部段运动，以使使第一端运动到带材部段引导件中的第三位置，而第二端运动到带材部段引导件中的第四位置。该方法还包括将带材部段固定到工具表面和预先存在的带材部段中的至少一个上。

在另一方面，用于由带材制成复合预制件的方法包括将带材的一部分馈送到带材部段引导件内，并抓持带材的该部分的端部，并沿带材部段引导件拉动带材的该部分。该方法还包括：当带材的该部分的端部被拉到预定位置时，切下带材的该部分，以形成带材部段。该方法还包括将带材部段固定到工具表面和预先存在的带材部段中的至少一个。

在另一方面，用于由复合带材制造复合预制件的设备包括接纳带材部段的带材部段引导件以及构造成抓持位于带材部段引导件内的带材部段的带材抓持组件。该设备还包括构造成将带材部段粘结到其它类似带材部段的带材粘结装置。带材抓持组件包括抓持构件，其中，抓持构件构造成抓持带材部段的一部分，并沿与带材部段引导件的长度相关联的轴线运动。抓持构件从带材部段引导件的第一位置运动到带材部段引导件的第二位置，并由此使带材部段的该部分从第一位置运动到第二位置。

在研究下述附图和详细说明之后，实施例的其它系统、方法、特征和优点将要或者将变得对于本领域技术人员来说是显然的。所有这种附加的系统、方法、特征和优点意在包含到该说明书和该发明内容中、并且在实施例的范围内，并且受权利要求书的保护。

附图说明

参照下述附图和说明书能更好地理解实施例。附图中的部件不一定按比例绘制，而是重点放在说明本发明的原理上。此外，在附图中，相同的附图标记表示不同视图中的对应元件。

图1是示出定制坯件的实施例的示意图。

图2是示出用于施加复合带材的系统的实施例的轴测图的示意图。

图3是示出图2中所示的系统的正视图的示意图。

图4是示出图2中所示的系统的俯视图的示意图。

图5是示出材料分配系统和带材运输导轨的实施例的详细视图的示意图。

图6是示出材料分配系统和自动馈送单元的实施例的详细视图的示意图。

图7是示出铺放头的实施例的示意图。

图8是示出馈送和刀具单元的实施例的侧视图的示意图，其移除了前框架板。

图9a和9b是示出带材铺放头的实施例的详细视图的示意图。

图10是示出带材托架的实施例的详细视图的示意图。

图11是示出托架框架的实施例的端视图的示意图。

图12是示出托架框架的实施例中的有槽孔的示意图。

图13是示出穿过馈送和刀具单元的出口并进入托架框架的导轨的带材的实施例的侧视图的示意图。

图14是示出焊接机框架单元的实施例的正视图的示意图。

图15是示出附连有压脚的单个焊接机单元的实施例的正视图的示意图。

图16是示出退绕和松弛系统的构造的实施例的示意图。

图17是示出单个自动馈送单元的实施例的详细视图的示意图。

图18是示出在导轨之间形成杯状带材部段和相对于工具表面降低的导轨垂直位置的实施例的端视图的示意图。

图19是示出粘结到下置带材部段的带材部段的实施例的端视图的示意图。

图20是示出当导轨撤回并且压脚将带材部段保持在位时从导轨移除的带材部段的实施例的端视图的示意图。

图21是示出撤回的导轨和撤回的压脚的端视图的实施例的示意图。

图22是示出具有成角度刀具的导轨的侧向运动的实施例的示意图。

图23是示出成角度的刀具和水平致动的导轨机构的实施例的示意图，其中，切割角度处于+45°切割位置。

图24是示出图23的成角度的刀具和水平致动的导轨机构的俯视图的示意图，其中，切割角度处于+45°切割位置。

图25是示出图23的成角度的刀具和水平致动的导轨机构的俯视图的示意图，其中，切割角度处于0°切割位置。

图26是示出图23的成角度的刀具和水平致动的导轨机构的俯视图的示意图，其中，切割角度处于-45°切割位置。

图27是示出用于施加复合带材的系统的另一实施例的示意图。

图28是示出图27中所示的系统的俯视图的示意图。

图29是示出如由图28中所示的截面线所截取的、图27中所示系统的局部剖视图的示意图。

图30是示出带材分配系统的实施例的示意图。

图31是示出材料驱动系统的实施例的轴测图的示意图。

图32是示出图31的材料驱动系统的剖切图的示意图。

图33是示出用于材料驱动系统的卡盘构件的实施例的分解轴测图的示意图。

图34是示出图33的卡盘构件的轴测图的示意图。

图35是自动带材加载系统的实施例的轴测图的示意图。

图36是图35的自动带材加载系统的另一轴测图。

图37是示出焊接系统的实施例的示意图。

图38是示出图37的焊接系统的分解轴测图的示意图。

图39是示出切割系统的实施例的轴测图的示意图。

图40是示出焊接单元的实施例的轴测图的示意图。

图41是示出抓持组件的实施例的示意图。

图42是示出图41的抓持组件的分解轴测图的示意图。

图43是示出抓持构件的实施例的轴测图的示意图。

图44是示出图43的抓持组件的分解轴测图的示意图。

图45是示出根据一实施例的一些传感器的位置的示意图。

图46a-46g示出根据一实施例的、在将带材部段施加到工具表面的过程中的一系列步骤。

图47a和47b示出根据一实施例的、在将带材部段施加到工具表面的过程中的又一系列步骤。

图48示出用于带材馈送单元的驱动辊子组件和被动辊子组件的实施例的示意图。

图49示出带材馈送单元的一些部件的示意图。

具体实施方式

实施例提供一种带材铺放方法。如下详细所述，带材铺放方法涉及将材料铺放头定位到工具表面上方、将带材馈送到将带材保持在工具表面上方的引导件内、将带材从进料切成带材部段、使带材部段运动到工具表面附近或工具表面上、然后将该带材部段粘结到任何下置带材层或者将带材部段固定到工具表面。

材料

本实施例可用于由带材来形成高级复合预制件，带材诸如是预浸渍纤维和聚合物带材和纯聚合物带材。高级复合材料包含增强纤维、聚合物树脂以及有时是诸如泡沫或蜂窝部的芯部材料。通过沿一个或多个定向或层片角度将材料的各层堆叠起来，以制成该部件。由部件的负载要求来确定层片角度。通常，包括层叠件的材料将是包含增强纤维和聚合物树脂的预浸渍带材。然而，未加强的聚合物带材、芯部材料或诸如金属膜之类的其它材料可基于应用要求而包含到层叠件内。

增强纤维可例如由碳、玻璃、玄武岩、芳族聚酰胺、聚乙烯或任何其它增强物来构成。用于聚合物复合物的增强纤维像细绳、绳索、毛发或其它纤维那样沿纤维长度向部件增加强度和刚度。纤维在长度上较佳为连续的或者几乎连续的，并且与带材长度（或者带材的纵向轴线）平行对准，但带材内无需有专门的增强配方。此外，可采用包括树脂和连续或不连续纤维的带材，此处的纤维并未与带材的边缘平行对准。聚合物树脂可以是热塑性的（例如，聚酰胺、聚苯硫醚）或热固性的（例如，环氧物、乙烯基酯或聚酯）。与大多数聚合物复合物应用一样，由待制造的部件的特定要求来确定所用的特定树脂和纤维以及它们在复合物内的比例和配方。

工艺过程

本实施例可用于形成包括有带材的多个层片在内的层叠件。每个层片包含彼此平行铺放的一个或多个带材部段（也被称为带材层），并且将每个层片熔合至一个或多个下置层片。将层叠件中的每个层片的形状和该层片内的纤维相对于其它层片内的纤维的定向或角度选择成最终生产出的部件将具有期望的结构特性。用于制成定制坯件的方法的第一步骤是将特定长度的带材从卷轴馈送到带材部段定位系统，该带材部段定位系统将带材悬置于工具表面上方，在该工具表面上将铺放有该带材。可与步骤一同时进行的第二步骤涉及将带材部段相对于工具定位成：当将带材部段降低到工具上时，带材部段处于对于部件来说正确的位置和定向。在第三步骤中，引导件使带材部段降低，并且带材部段粘结到下置材料上或者固定到工具表面上。可使用与使带材各层彼此粘结所用的方法不同的技术（例如，真空）将直接碰到工具表面的任何材料固定到工具。一旦材料部段固定到下置材料或工具表面，带材部段定位系统和粘结系统返回到它们的起始位置，并将新的材料部段馈送到引导件内。然后可重复该过程中的前述步骤直至完成坯件。

可采用该总体加工方法中的若干变型或实施例。尽管该过程在此描述为一系列相继步骤，但该方法的实施例可同时执行这些步骤以减少总体加工时间。例如，在引导件升高和/或降低的同时和/或在带材馈送到引导件内的同时可使带材部段定位系统和/或工具运动到位。同样，该方法的实施例可通过将附加的铺放头结合到机器内来同时铺放多于一个的部段。因此，该说明书中并未暗示一定是一次铺放一个部段。该方法的具体实施例还可包括能在单个坯件内铺放不同宽度材料或多种材料。

此外，替代实施例可涉及铺放已被预切割的带材部段，而不是在将带材馈送到导轨内之后切割带材。将预切割带材安排在导轨之前可加速机器的操作，这是因为将从机器操作次序的关键路径中免去切割操作。此外，使用预切割带材部段可从该过程的带材铺放部分免除了对动态张力控制的需求。带材部段可与馈送和铺放一起在线进行预切割，或者带材部段可离线进行预切割，并布置成一套而馈送到导轨内。

用于将各层片粘结到一起的方法以及各层片粘结的程度是可在不同实施例中变化的另一参数。用于将各层片粘结到下置层片的方法可包括接触加热、超声波焊接、感应焊接、激光加热、热气加热或使各层片彼此粘附的其它方法。同样，该方法可用于铰接头或运动工具表面或者两种定位方式的组合。尽管文中所述实施例采用固定的材料铺放头，该材料铺放头定位到大致平坦的工具表面上方，该工具表面能沿x和y方向运动以及转动，但也可通过使铺放头运动或者两者组合来实现铺放头和工具表面之间的相对运动。

实施方式

图2-16中示出具体实施方式。该示例性系统包括材料分配系统1、带材运输导轨2、铺放头3、用作坯件工具表面的真空台4、三轴运动台5和结构梁6。铺放头3和带材运输导轨2固定到结构梁，并定位在运动台5和真空台4上方。示出了附加的支承系统，它们包括操作者界面计算机7、电子操控室8、真空泵9和周界安全防护装置10。

如例如在图5、6、16和17中所示的，也被称为条筒架的材料分配系统1包含一个或多个条筒盒35，条筒盒包含带材展开机构11。在此系统中，将一卷带材47加载到芯轴12上并固定在位。将卷轴防护装置13放置到位，以保持带材的各边缘对准。将带材的前边缘绕过第一引导辊子48、在条筒馈送机构14内的馈送辊子15之间馈送，并馈送经过第二引导辊子49然后，将一匝带材环绕到整个卷轴外面、绕过条筒馈送机构内的附加的引导辊子组16馈送，并馈送出来并到达自动馈送单元17。一旦将带材馈送到自动馈送单元内，自动馈送夹持辊子18与该带材配合，并将带材馈送通过馈送引导件19（例如参见图17），并经过带材运输导轨而馈送到带材铺放头3内。一旦带材经过带材铺放头内的馈送辊子23（参见图9a和9b），这些辊子23相配合，而自动馈送机内的辊子18脱开。

如图7中所示，铺放头3具有三个子系统：带材馈送和刀具单元20、焊接单元21和带材托架单元22。带材进入带材馈送和刀具单元20，并通过一组被驱动的馈送辊子23。如例如在图9a和9b中所示的，馈送辊子23夹持该带材并推动该带材经过可调节的带材对准板44、通过带材切割单元24并进入导轨25内（参见图10），导轨是带材托架单元22的一部分。如图13中所示，将带材馈送通过导轨25直至带材端部与刀具刀片45之间的距离等于所期望的条带长度26。一旦到达该点，夹持辊子停止馈送带材，并且刀具单元切割带材。这使已知长度的带材部段27悬置于导轨25之间。

在图8中所示的馈送和刀具单元中，刀具单元24包括刀片和砧座，馈送单元将带材馈送到刀片和砧座之间，并且将它们的运动控制成当刀片剪过砧座时将带材切成带材部段。也可采用替代的刀具实施例，这些实施例包括例如转动直犁刀、超声刀或激光器，它们可横过在整个带材宽度上的路径，以对带材进行切割。借助横过的刀具或者类似装置，切割线也可以是非直线的，例如是弯曲的、参差不齐的或锯齿形的。

导轨25是带材托架单元22的一部分（参见图7和10）。在此实施例中，系统包括两个大致平行的导轨25，它们各自附连到一组托架框架28。对于带材的每条边缘来说有一个导轨和一个托架框架。每个托架框架经由线性滑动件30和线性致动器31固定到主焊接机框架29。如图11和12中所示，托架框架的水平部分43内的有槽附连孔42允许调节引导件离开带材48中心线的距离。

在此实施例中，通过导轨内的凹槽将带材部段保持在导轨之间，而带材的边缘搁置于这些凹槽内。具有一定横向刚度（即，在带材部段的宽度方向上的刚度）的带材仅通过搁置于凹槽上而保留在位。为了使横向刚度不足的带材留在凹槽内，导轨可更靠近地运动，从而带材受挤压并变成杯状，其中，带材的中心高于其边缘。杯状的形状为带材部段提供附加的横向刚度，从而允许其由引导件来保持。

图18-21示出用于将带材部段56搬运、铺放和粘结到下置带材部段的示例性系统和方法。在此示例中，带材部段56具有仅仅通过搁置于导轨25内的凹槽的下表面顶上不足以留在凹槽内的横向刚度。因此，将导轨25调节成更靠近在一起，从而带材部段56的边缘被凹槽的垂直壁挤压，使带材部段56变成杯状，而带材部段的中心比其边缘53高，如图18中所示。换言之，带材部段56的宽度相对于图18的水平方向是凸出的。杯状的形状为带材部段提供附加的横向刚度，从而允许该带材部段由导轨内的凹槽充分地保持。

在带材部段56位于导轨25内的情况下，导轨25降低到刚好位于工具表面4上方的位置，如图18中所示。接下来，如图19中所示，一个或多个压脚54降低以将带材部段56压成与下置材料接触。在本实施例中，除了已描述的专用压脚33外，焊接机末端（参见图15）也用作压脚。或者，焊接机末端和压脚可以是单个一体式的装置。在带材在位并且焊接机末端降低的情况下，带材部段随后被预焊到任何下置材料。在一些情况下，带材部段将与工具表面4直接接触，而在其它情况下，带材部段将与之前铺放的带材部段55接触。如果位于焊接机末端下方的带材部段直接碰到工具表面，则该特定焊接机不通电，这是因为带材部段的该部分例如用真空固定到台。

一旦如图20中所示进行焊接，导轨25向上升高，而压脚仍压在带材上。这造成带材边缘被拉出导轨25的凹槽，由此从导轨25释放带材部段56。然后，如图21中所示，压脚撤回，使带材部段56在工具表面4上固定到位。

在该实施例中，真空台4用作在其上形成零件的工具表面。真空台附连到三轴运动平台5（参见图2、3和4），该运动平台将真空台精确定位在铺放头下方。来自离线程序的指令决定所需的带材长度以及带材在工作台上的位置和定向。当将带材馈送到导轨25内时，运动平台5使真空台4在铺放头下方运动到期望的x轴、y轴和转角坐标。在其它实施例中，工具表面可以不是真空台。在一些情况下，例如，静电电荷可用来将带材部段或其它部件保持到工具表面。此外，用于将材料保持到工具表面的本领域中已知的任何方法也可用于其它实施例。

在描述了上述子系统中每一个的构造和功能之后，整个带材铺放过程如下操作：

一旦将带材馈送到导轨25内并从带材卷被切成带材部段，并且真空台4已定位在期望位置和定向，托架框架28降低，直至带材部段几乎碰到之前铺设的层片或工具表面。然后，一个或多个焊接机单元的阵列从焊接单元21降低，并将带材部段压到工具（或之前铺设的层片）上。作为参照，在图2、4和7中示出三个六焊接机单元。除了焊接机末端46，压脚33也附连到每个焊接机致动器（例如，参见图14和15）。该压脚也用于下压到带材上，以保持带材与工具表面4或之前铺设的层片接触。

对于将带材部段放置成与工具表面4直接接触的状况，可通过台的真空将带材部段保持在位。对于带材部段放置于之前铺设的层片顶上的状况，焊接机可接通，并将带材的顶层粘结到下置材料。在一个实施例中，焊接机可采用超声波脉冲来进行这些焊接。

当完成焊接/粘结步骤时，焊接单元保持与带材接触，同时托架框架开始升高，并返回到它的加载位置。由于带材的中心保持固定到工具并且被焊接机单元下压，静止的带材部段和升高的导轨25之间的相对运动使带材的边缘被拉出导轨25。一旦带材边缘与导轨25脱开，焊接机单元撤回，从而使带材部段在工具表面4上就位。

针对将组成坯件的每个材料部段重复该过程。在铺放好最后的带材部段之后，切断工作台的真空，这使得能容易地从工作台移除部件。

为了使铺放头3将带材快速地馈送到导轨25内，带材可构造成具有非常小的反张力。如果张力太高，当馈送辊子将带材推到位时，材料卷轴的惯性会抵抗带材的快速加速和减速。因此，如图16中所示，材料分配系统1主动展开材料卷，这使条筒盒35内的最后一圈材料34松弛。由待铺放的带材部段的长度来确定松弛量。该松弛的圈使带材内的反张力非常小，并允许铺放头非常快速地馈送材料。条筒盒36内的传感器告知控制系统松弛的圈是否太小或太大。

夹持辊子可将带材从卷轴馈送到条筒盒内的松弛带材圈内，并可构造成使用一个或多个松弛圈位置传感器的反馈将松弛圈尺寸保持在确定范围内。当带材进行馈送时，在带材卷轴端部处保持松弛可使带材内的反张力减小。主动展开带材供料单元的带材卷轴使带材馈送单元和带材卷轴之间的带材张力减到最小。

在操作过程中，若干事件会中断动作的正常顺序。将若干传感器放置到位以标记这种事件并管理该事件。一个这种事件是馈送辊子无法馈送正确量的带材。通过包含测量正在馈送的带材长度的编码器轮37（图9a）而解决了该问题。如果测得的馈送长度并未在期望馈送长度的一定容差内，则采取校正动作。

该系统还感测何时到达材料卷的端部。当到达带材卷的端部时，自动馈送单元17中的传感器38（图17）检测到带材的端部。系统继续馈送带材，直到位于铺放头3入口处的第二材料检测传感器39（图8）检测到带材的端部。当带材的端部经过该位点时，馈送辊子停下，且铺放头内的改向板40被配合，从而使带材的端部向下偏转。然后，运动平台使真空台4从铺放头下方运动离开，并且馈送辊子23使其运动反向，由此将最后一条带材馈送到捕获盆41内（参见图2）。如果第二条筒盒加载有相同类型和尺寸的带材，则该系统可运行自动馈送机来使铺放头加载新材料，并且在没有进一步延迟的情况下继续该操作。

第二条筒盒可用于多于一个目的。如果定制坯件包括多于一种的材料（例如，玻璃纤维带材和碳纤维带材），则条筒盒可加载有不同材料。然后，铺放头能在不必手动重新加载的情况下铺设两种类型的材料。一个条筒盒的自动馈送机单元中的夹持辊子使带材撤回足够的距离，以使来自另一条筒盒的带材能馈送到铺放头内。

在文中所述实施例中，机器可设定成加工不同的带材宽度。为了改变要加工的带材宽度，对条筒盒进行调节，以使带材卷的中心线与焊接机末端的中心线对准。然后，使馈送引导件的引导边缘、带材运输导轨和托架框架之间的距离加宽或变窄，以适应期望的带材宽度。在一个实施例中，手动进行调节。另一实施例采用自动宽度调节。该自动调节可减少将设备设定到处理不同宽度材料所需的时间。此外，自动调节机构可允许在单个坯件内铺设多种带材宽度，而不中断生产以调节该设备。

替代实施例增加切割带材的能力，以使切割边缘不总是垂直于带材的侧边。增加改变切割角度的能力可给予定制坯件更多自由度，这又可产生提高的坯件性能以及减少被修剪掉的废料量。根据一实施例，在图22-26中示出示例性成角度的切割系统。在该系统中，刀具单元50绕其中心转动，并且导轨分别向前和向后运动，以保持带材部段27的切割边缘52与导轨51之间较近的距离。在所示实施例中，通过向其上安装有垂直定向的线性滑动件58和致动器的焊接机框架59增加水平定向的线性滑动件57和致动器来实现水平运动。当刀具单元转动到特定角度（在图24-26中示出处于三种不同角度下的系统构造）时，刀具的一侧向导轨运动，而另一侧远离导轨运动。该运动可通过导轨来匹配，以保持刀具和导轨之间的最小间隙。保持最小间隙确保带材部段的仅一小部分悬挂于导轨上，并且防止带材部段的端部从导轨的端部下垂，并阻碍带材部段的搬运。

所述系统的另一变型包括托架系统，该托架系统使导轨不仅垂直地还水平地沿带材馈送方向运动。该运动允许相对于焊接机头更精确地定位带材，并且它允许铺放比刀具刀片与第一焊接机头之间的距离短的带材层。在刀具切割带材部段且带材位于导轨内之后，托架水平地远离刀具运动，并向工具表面降低，以堆放该带材部段。由此，作为独立构思，包含横向导轨运动，尽管它也可以是成角度的切割系统的特征。

在一实施例中，工具表面和导轨中的一个或两个运动，以提供相对彼此的相对位移。这种运动能沿任何方向，诸如水平、垂直或它们的组合，并可包括诸如平移、转动或枢转运动之类的运动。

如本领域普通技术人员将理解到的那样，文中所述的引导系统是能用于一旦馈送并切割带材就将带材悬置于工具表面上方并且定位该带材的许多手段中的仅仅一种。还可采用使用真空来将带材悬置于工具表面上方的其它方法、通过增加导轨之间的距离来释放带材的盘、可缩回盘或其它机构。

替代实施方式

使用带材来形成高级复合定制坯件的方法和系统可包括用于自动适应于不同类型的带材特性和/或尺寸的装置。例如，一种方法和系统可包括可用于变化刚度的带材的、在工具表面上引导带材部段的装置。在一些实施例中，一种方法和系统可包括带材卷轴，带材卷轴使用直接驱动马达来进行退绕。在这种情况下，可采用各种类型的辊子、包括浮动辊子来管理带材的反张力。

在一些实施例中，一种方法和系统可包括带材抓持组件，该带材抓持组件抓持供给到带材粘结装置的带材。带材抓持组件可抓持带材的端部，并将带材从带材供料源拉到将带材切成带材部段的期望长度。该“拉动构造”与诸如上述采用例如夹持辊子将来自带材供料的带材推动到带材部段引导件内的实施例的“推动构造”不同。在拉动构造的一些实施例中，可将带材推到（例如通过夹持辊子）足够远以使之通过刀具，从而抓持组件可抓持住带材的端部，此时，带材不再被推动（例如被夹持辊子释放），并且抓持组件在剩余路程中拉动该带材。拉动构造可使带材的馈送更精确和可靠，并且使系统的产出速度更快。

图27-49示出用于产生高级复合定制坯件的系统的附加实施例的不同视图。这些附加实施例中的一些装置可类似于参照图1-26中所示实施例公开的装置。为了清楚的目的，相同附图标记用于表示相同的部件。然而，图27-49中所示的实施例可包括不用于之前实施例的附加装置。同样，这些实施例可排除用于图1-26中所示的前述实施例的一些装置。还应理解到另外其它实施例可包括图1-26中所示实施例和图27-40中所示实施例的装置的组合。

产生包括多层带材的层叠件的过程可一般以类似于上述的方式进行，只是有一些变型。特别是，在第一步骤中，可将带材从卷轴馈送到带材铺放头。在本实施例中，带材可采用马达驱动和被驱动的夹持辊子而从卷轴退绕，并且可采用浮动辊子来控制反张力。可将带材馈送通过带材切割系统，并且由带材抓持组件在端部处抓持该带材。用于馈送带材通过带材切割系统的机构（例如，推动带材的夹持辊子）可在带材抓持组件抓持带材之后释放该带材。接下来，带材抓持组件可从带材供料源将带材拉到带材可由切割系统切成带材部段的期望长度。接下来，关于工具表面，带材抓持组件可用于使带材部段沿诸如焊接系统之类的带材粘结装置的长度运动。此外，工具表面可沿第一轴线运动并转动，该第一轴线与带材粘结装置的长度垂直。在一些情况下，带材粘结装置还可构造成沿与带材粘结装置的长度平行的方向运动。在一些情况下，当带材部段定位时，可朝向工具表面降低带材粘结装置。此时，带材部段可粘结到下置的材料或者固定到工具表面。

参照图27-29，系统的一个实施例可包括材料分配系统101、带材铺放头103、用作坯件工具表面的真空台104、运动台105和结构梁106。材料分配系统101和带材铺放头103可固定到结构梁106，并定位到真空台104和运动台105上方。如所示，附加的支承系统可包括操作者界面计算机107、电子操控柜108、真空系统109和周界安全防护装置110。

在本实施例中，材料分配系统101可提供针对图2-5中所示的材料分配系统1的替代的分配构造。然而，应理解到材料分配系统101仅意在示例性的，并且在其它实施例中，可采用任何其它类型的材料分配系统。特别是，可采用构造成储存带材和/或将带材递送到带材铺放头103的任何系统。材料分配系统可构造成分配来自辊子的带材或者分配预切割的带材部段。

如例如在图29和30中所示的，材料分配系统101可包括芯轴112。在此系统中，可将一卷带材加载到包括第一芯轴118和第二芯轴119的芯轴112上，并固定在位。在一些情况下，卷轴防护件113可用于保持带材的边缘对准。在其它情况下，可以在不使用任何卷轴防护件的情况下使用芯轴112。然后，可将带材的端部馈送通过自动带材加载系统199，该自动带材加载系统可包括如下面更详细讨论的辊子组件120以及带材馈送系统130。如下所述，带材馈送系统130可包括至少两个单独的带材馈送组件以及对应的马达。

图31到34示出材料驱动系统300的一个可能的实施例的各种视图。材料驱动系统300可包括芯轴118以及用于将带材的卷轴固定到芯轴118的装置。在一些情况下，带材的卷轴可铺放到材料驱动系统300的卡盘构件302上。卡盘构件302可构造成将带材卷轴保持在位，并且具有在退绕带材时对带材卷的高惯性加速度和减速度负载作出反应的能力。

参照图32到34，卡盘构件302可包括卷绕基部304和套筒构件306。在一些情况下，套筒构件306还可包括与压簧308接触的板307。出板307在图33中显示为从套筒构件306中分解出来，以示出板307的各种凹入部分309与压簧308的对准。在一些情况下，压簧308可将套筒构件306偏置到默认位置。卡盘构件302的楔形构件310从槽312向外延伸，由此施加用于抓持带材卷的向外接触力。

在一些情况下，为了使楔形构件310缩回并移除和/或替换带材卷，套筒构件306可在卷绕基部304内作轴向运动，以压缩弹簧308。这允许楔形构件310在槽312内缩回，由此释放它们对带材卷的抓持。例如，在一个实施例中，气动致动器320使压板332延伸，以压抵于凸柱324。然后，凸柱324又可使套筒构件306沿轴向向外的方向沿卷绕基座304移动，从而为楔形构件310缩回到套筒构件306的凹部330内提供间隙。凹部330可以是用于套筒构件306的直径缩小的区域。当楔形构件310缩回时，可移除和/或安装带材卷。在没有带材卷的情况下，楔形构件310可与硬止挡件接触，以限制它们的行程。

为了使楔形构件310延伸并由此将材料卷在芯轴118上锁定到位，气动致动器可释放压力，并允许压簧308使套筒构件306沿轴向向内的方向滑动，直至套筒构件306返回到默认位置。在套筒构件306处于该默认位置的情况下，楔形构件310可移位离开凹槽330，并从卷绕基部304向外延伸。在一些情况下，楔形构件310包括倾斜部311，这些倾斜部便于引导楔形构件相对于套筒构件306的轴向运动作轴向和径向移动。

在一些实施例中，为了加强卡盘构件302和带材卷轴之间的接触力，楔形构件310可包括加强对于带材卷的牵引或抓持的特征。例如，在一些情况下，楔形构件310可在抓持带材卷轴的表面包括齿和/或滚花。在其它情况下，楔形构件310可包括具有相对较高摩擦系数的垫子或类似材料，以加强它们抓持带材卷轴的能力。

用于卡盘构件302的构造可便于快速的材料加载，并有助于保持带材卷沿转动轴线以同心方式对准。此外，该构造可响应于高转矩负载，需要施加这些高转矩负载以快速加速带材的卷轴。此外，该设计可允许与通常使用并可从带材供应商处购得的标准卡纸板芯部兼容。通过使用压簧来产生卷轴内部的力而不是空气压力，该当前设计可提高牢固性，并具有随着时间更一致的性能。

现参照图30,35,36,48和49，自动带材保持系统199可包括辊子组件120，该辊子组件可包括惰辊子126以及第一浮动辊子121和第二浮动辊子122。例如，来自芯轴118的带材可绕第一惰辊子127、绕第一浮动辊子121和第二浮动辊子122馈送，然后将带材馈送到带材馈送系统130内。

为了使带材馈送系统130快速馈送带材，带材构造成具有非常小的反张力。在没有主动张力控制的情况下，当抓持组件将带材拉到位时，材料卷轴的惯性会抵抗带材的快速加速和减速。为了控制反张力，本实施例可利用第一浮动辊子121和第二浮动辊子122，它们可运动以将沿带材的反张力减到最小。使用浮动辊子来管理反张力可使得与之前设计相比系统更方便地加载有带材。此外，系统可使用浮动辊子，以保持恒定张力，同时允许馈送通过夹持辊子系统的带材与通过卡盘构件从材料卷轴退绕的材料之间的加速度变化率有差异。

带材馈送系统130还可包括第一带材馈送单元402和第二带材馈送单元404。第一带材馈送单元402可包括第一夹紧辊子组件420，而第二带材馈送单元404可包括第二夹紧辊子组件422，它们在图48和49中最清楚可见。第一夹紧辊子组件420可包括驱动辊子组件480和被动辊子组件482。驱动辊子组件480可附连到马达184，而被动辊子组件482可与气缸组件488相关联。在未配合位置，被动辊子组件482缩回，并且不压抵于驱动辊子组件480。在配合位置，气缸组件488致动以使被动辊子组件482压抵于驱动辊子组件480。第二夹紧辊子组件422可采用驱动辊子组件490和被动辊子组件492以类似方式进行操作。例如，在一些情况下，驱动辊子组件490使用马达485来驱动。此外，第一夹紧辊子组件420和第二夹紧辊子组件422可分别与第一带材馈送引导件410和第二带材馈送引导件428相关联。在一些情况下，如图35、36和49中可见，第一带材馈送引导件410和第二带材馈送引导件428可与第一夹紧辊子组件420和第二夹紧辊子组件422对准。在此结构中，带材可被馈送通过第一带材馈送单元402或第二带材馈送单元404，以与带材切割系统150对准（参见图38和39）。

在一些实施例中，自动带材加载系统199的部件可安装到板430上。在一些情况下，板430可垂直移动，以根据目前正在使用哪个卷轴而使第一带材馈送单元402或第二带材馈送单元404与切割系统150对准。该结构允许将单个切割系统用于来自任一芯轴的带材。

现参照图37到39，带材铺放头103可包括若干子系统：切割系统150、焊接组件160和带材部段引导件170。切割系统150可包括用于切割带材的任何装置。切割系统150可包括刀片和砧座，自动带材加载系统199将带材馈送到刀片和砧座之间，并且将它们的运动控制成当刀片剪过砧座时，将带材切成带材部段。如图39中所示，切割系统150的一个实施例可包括切割砧座153、切割槽154、刀片安装件156和砧座支架157。刀片可构造成运动通过砧座153，以切割通过槽154插入的带材。在一些情况下，硬质合金切割刃与槽154相关联以便于进行切割。也可使用替代的刀具实施例，包括例如转动直犁刀、超声刀或激光器，它们可横过在整个带材宽度上的路径以切割带材。在横过刀具或相似装置的情况下，切割线可以是非直线的，例如弯曲的、参差不齐的或锯齿状的。

参照回到图37和38，焊接组件160可包括焊接框架组件162、焊接单元164和焊接机轨道166。焊接单元16可动地附连到焊接机轨道166，从而允许焊接单元164沿焊接机轨道166滑动。焊接单元164和焊接机轨道166支承于焊接框架组件162内。

在不同实施例中，一个或多个焊接单元的运动可变化。在一些实施例中，焊接单元可作为单个单元沿焊接机导轨运动。作为一个示例，本实施例包括全部沿焊接机导轨166一起移动的十八个焊接单元。换言之，焊接单元可构造成多组焊接单元，每组能与其它组独立地进行运动。例如，在另一实施例中，十八个焊接单元可构造成三组六个焊接单元，因而，每组焊接单元能独立于其余两组来移动。在其它实施例中，每个焊接单元可构造成独立于所有其它焊接单元运动。本领域中已知的任何方法可用于使焊接单元运动。例如，在每个焊接单元与所有其它焊接单元独立地运动的实施例中，焊接单元可各自包括沿轨道或螺纹驱动装置驱动单元的马达。

参照图40，为了说明的目的单独地示出示例性焊接单元450。焊接单元450可包括焊接装置452，该焊接装置还包括焊接末端454。焊接单元450还可包括设置在焊接末端454周围的压脚456。在一些情况下，焊接单元450还可包括背衬板462，该背衬板用于将焊接装置452固定到焊接组件。为了便于垂直运动，焊接单元450可包括拉伸弹簧458，该拉伸弹簧提供回复力以在焊接装置452伸出之后使焊接装置452返回到默认的升高位置。在一些情况下，可使用具有内部引导件的气动缸使焊接单元450沿垂直方向运动。如果系统内空气压力有损失，拉伸弹簧458还可有助于将焊接单元450保持在升高位置。此外，在一些情况下，焊接单元450可包括导轨460，当焊接单元450沿垂直方向移动时，这些导轨有助于管理线材和其它实用连接件。

在一些情况下，为了使用焊接单元450来实施焊接，焊接装置452可相对于背衬板462向下移动。当焊接装置452向下运动时，压脚456可与任何下置的带材接触，以将接触压力施加于带材，并保持带材抵靠于真空台或者之前铺放的带材部段。当焊接末端454与带材材料接触时，焊接装置452可通电，并在接触位置进行焊接。在此之后，可借助弹簧458使焊接装置452与压脚456一起缩回。用于焊接单元的该结构可集成压脚和焊接装置的垂直运动。此外，本设计中的压脚456结构可提供在超声波焊接过程中在焊接末端454的任一侧将带材保持在位的能力。

在此详细说明书中所述实施例的焊接组件可提供与一些替代设计相比改进的操作。例如，与一些传统单元相比，专用的焊接单元提供更紧的容差、更快的操作和更低的成本。

如图38中所示，带材部段引导件170可包括总地被称为带材引导支承件169的第一引导支承件167和第二引导支承件168。带材引导支承件169可有助于沿焊接组件160的长度引导带材部段。在一些实施例中，带材引导支承件169可包括凹槽，这些凹槽接纳带材部段的边缘，并允许带材部段悬置于真空台/工具表面上方。上文已参照图13描述了合适的带材凹槽设计的示例。然而，替代实施例可包括用于将带材保持在相邻的引导支承件之间的其它方法。在另一实施例中，例如，可去除凹槽，并用多个小夹持辊子代替凹槽，这些小夹持辊子使带材支承引导件的边缘对准。这些夹持辊子可抓持带材的侧边缘，以将带材运输通过带材部段引导件170。在这种实施例中，抓持带材的前边缘的附加抓持系统是可选的，因为在一些情况下可仅使用被驱动夹持辊子来使带材在带材部段引导件170内运动。

带材部段引导件170还可包括带材抓持组件180。图41和42中进一步详细示出的抓持组件180包括轨道构件182、电缆架184和轨道臂186。轨道构件182可包括由导轨或轨道支承的被驱动皮带。被驱动皮带可由马达183驱动。动力链184随轨道臂186运动，并将动力和空气递送到抓持单元190。

抓持组件180还可包括抓持构件190。如图43和44中所示，抓持构件190构造成抓持带材的边缘或其它部分，因而，带材能被拉到沿带材部段引导件170和焊接组件160的各种位置。在一些情况下，抓持构件190可包括用于抓持带材的一部分的抓持脚部192和抓持鼻部194。此外，抓持构件190可在轨道臂186处附连到轨道构件182，以使抓持构件190可沿轨道构件182滑动。

在一些情况下，抓持构件190相对于带材或带材部段的相对位置可变化。例如，当调节带材的宽度时，抓持构件190可对应于不同带材宽在不同状态之间进行变化。特别是，在一个实施例中，抓持构件190可在窄状态和宽状态之间运动，在窄状态下，抓持脚部192和抓持鼻部194沿相对较窄的带材部段的中心大致对准，而在宽状态下，抓持脚部192和抓持鼻部194沿相对较宽的带材部段的中心大致对准。可例如通过如下方式进行这种状态变化，例如，通过使气动缸195从导轨臂186向外伸出，这又使抓持脚部192和抓持鼻部194运动。

当将带材从自动带材加载系统199运输到带材铺放头103时，可形成带材部段。当带材的端部运动通过切割系统150（例如，被夹持辊子推动）时，抓持构件190可抓持该带材。馈送带材的机构（例如，夹持辊子）可在抓持构件190抓持该带材之后释放该带材。然后，抓持构件190可使带材在第一引导支承件167和第二引导支承件168之间并沿大致与其平行的方向运动（参照图37），直至带材端部与切割系统150之间的距离等于期望的条带长度。一旦到达该点，抓持构件190停下并将带材保持在位，同时切割系统150切割该带材。这产生悬置于带材部段引导件170内的已知长度带材部段。此后，抓持构件190可将新切好的带材部段运动到引导支承件169内的另一位置。或者，如果切割系统150足够快，抓持构件190可不必为切割带材而停下。

在一些实施例中，第一引导支承件167和第二引导支承件168可包括用于将带材引导、支承和/或悬置在焊接组件160和真空台104之间的装置。在一些情况下，带材部段引导件170可包括用于使第一引导支承件167和第二引导支承件168升高和降低的装置，如引导运动装置135（参见图38），这些引导运动装置将带材部段引导件170与焊接框架组件162连接。此外，在一些情况下，第一引导支承件167和第二引导支承件168之间的间距或宽度可自动调节以适应变化的带材宽度。可使用引导运动装置135或任何其它装置或系统来实现该自动宽度调节。在一些情况下，支承引导件169可安装到允许水平或宽度方向调节的引导运动装置135的水平轨道上。此外，在一些情况下，能以允许带材部段引导件170相对于真空台升高和降低的方式将支承引导件169安装到引导运动装置135。

引导系统的自动宽度调节允许在没有操作者干预的情况下使系统在不同材料和宽度的带材之间自动切换，由此改进系统的效率和产出时间。该构造还可允许所有部件的自动对准。特别是，该构造可通过消除由于设立和调节机器的不同操作者造成的固有变动来允许提高铺放的一致性。该构造还可提高系统以不太严的裁切容差来处理材料的能力。在可将在线宽度测量添加到系统的其它实施例中，机器可将引导支承件自动调节到实际带材宽度，并自动调节带材铺放位置以使带材部段之间的间隙和重叠部分减到最少。

现参照图45，一些实施例可包括在带材分配和带材加载方面监测系统操作的装置以及用于监测抓持系统操作的装置。为了清楚的目的，图45用于指示可用于这些目的的一些传感器的大致位置。然而，传感器的具体位置可随实施例的不同而变化。第一直径传感器502和第二直径传感器504可构造成分别监测芯轴118和芯轴119的操作。特别是，这些直径传感器可用于测量带材卷的直径。在一些情况下，带材卷直径可用于输入到驱动辊子组件480和驱动辊子组件490的闭环控制。此外，在一些情况下，监测辊子组件120的惰辊子内的张力的带材张力传感器510和带材张力传感器512可用于调节条筒单元的退绕速度，以实现期望的反张力。在一些情况下，浮动辊子121和浮动辊子122可操作成响应于由张力传感器收集的信息来调节张力水平。

该系统还可包括预馈送辊子传感器520和预馈送辊子传感器522，它们分别与第一带材馈送单元402和第二带材馈送单元404相关联，传感器可检测到何时将带材加载到自动带材加载系统199内。在一些情况下，馈送辊子传感器还可检测何时到达带材辊的端部。在一些实施例中，后馈送辊子传感器531和后馈送辊子传感器533（参见图48）测量在对应的馈送辊子之后是否存在带材。后馈送辊子传感器531和后馈送辊子传感器533的大致位置在图45中大致表示为区域530和区域532，而图48中示出用于这些传感器的示例性位置的更详细视图。来自这些传感器的信息可用于确定在改变主动卷轴之前带材何时从刀具单元缩回并用于定位带材的前端。知晓带材端部的位置确保在初始带材馈送过程中将正确的量向前馈送到抓持机构，以尽可能避免缓慢的向前馈送校正。

一些实施例还可包括与抓持构件190相关联的传感器540。来自传感器540的信息可用于确定抓持构件190是否保持着带材。这对于检测一旦带材进入带材部段引导件170就会出现的可能的带材分配问题、诸如是起褶或夹住会是有用的。

参照图30、35、36和45，自动带材加载系统199可提供用于将新的一卷带材的前边缘定位到机器内并用于在带材供料卷之间自动切换的系统。现在描述这样的示例性情况，即，馈送到带材定位头内的带材材料从第一筒架（或第一芯轴）变化到第二筒架（或第二芯轴）。来自第一芯轴118的已有带材缩回并经过后夹紧辊子传感器530，以确保在带材引导件或切割单元内没有带材。辊子组件120和带材馈送系统130可垂直运动，以使第二带材馈送单元404与切割系统150和带材铺放头103的入口对准。如有必要，还可与垂直运动同时地调节带材部段引导件170的宽度，以适应第二芯轴119的带材材料。然后，第二带材馈送单元404的夹持辊子可使带材从第二芯轴119经过后夹持辊子传感器532运动通过第二带材馈送单元404并通过切割系统150。此时，来自芯轴119的新的带材可为抓持构件190定位，以固定该带材并开始在导轨内布置该带材。应理解到文中所述的过程可用于在来自第一材料卷轴和材料卷轴的材料之间来回变化。

用于自动带材加载系统199的该构造允许在没有操作者干预的情况下切换带材卷，由此减少系统的停工时间。该系统还提供自动制成包括多种材料在内的坯件（诸如具有碳纤维带材部段和玻璃增强带材部段的坯件）的装置以及自动制成具有多种宽度带材的坯件（例如，包括6英寸带材和2英寸带材部段的坯件）的装置。此外，系统提供用于由不同宽度和材料制成的坯件的装置。

图46a-46g示出用于将带材部段搬运、铺放和粘结到真空台104和/或其它带材部段的示例性系统和方法的示意图。为了清楚的目的，示意性地示出当前系统的一些部件。例如，焊接组件160在此示出为包括五个焊接单元205，虽然图38和39中所示的实施例是包括十八个焊接单元164。同样，切割系统150在此示意地示出为切割刀片204。此外，示意地示出图46a-g和47a和47b中所示的焊接单元。为了更详细观察焊接单元，参照图40。

起初，如图46a中所示，抓持构件190可设置在与切割刀片204和引导运动装置206相邻的第一位置220。抓持构件190抓持已馈送到带材铺放头103内的带材端部。在一些情况下，自动带材加载系统199的夹持辊子可将带材经切割系统150推到抓持构件190。此时，抓持构件190可抓持带材，而夹持辊子可在抓持构件190开始运动之前释放带材。在一些情况下，带材的端部可被夹持在抓持构件190的抓持脚部192和抓持鼻部194之间（参见图43和44）。

接下来，如图46b中所示，真空台104可转动并同时沿轴线210移动。此外，焊接单元205可在焊接机轨道166上沿轴线212运动。轴线212可以是大致垂直于轴线210的轴线。由此，焊接单元205沿轴线212的移动、真空台104沿轴线210的移动、带材部段在引导组件170内的移动以及真空台104绕中心台轴线的转动的组合允许带材部段在真空台104上的任意期望的定位和定向。

如图46c中所示，抓持构件190可从第一位置220运动到第二位置222。第一位置220和第二位置222可划分出相对于带材部段引导件170和/或焊接组件160的位置。选择第二位置222，以使抓持构件190与切割刀片204之间的距离对应于带材部段250的期望长度。一旦抓持构件190运动到第二位置222，切割刀片204可切割带材（如由箭头299所示），以如图46d中所示形成期望的带材部段250。此时，带材部段250包括一段长度的带材，该段长度带材的第一端部271设置在沿带材部段引导件170的第一位置220，而第二端部272则设置在沿带材部段引导件170的第二位置222的。在一些情况下，就在切割带材部段之前、在切割带材部段的同时或者在切割带材部段之后不久，夹持辊子可直接夹到由自动带材加载系统199馈送的带材上，以防止带材从所配合的驱动辊子组件缩回。

如图46e中所示，在将带材切成带材部段250之后，抓持构件190可从第二位置222运动到第三位置224，以在真空台104上的期望位置使带材部段250对准。因此，在该步骤中，通过抓持构件190将带材部段拉过带材部段引导件170，因而，第一端部271位于第四位置223，而第二端部272（由抓持构件190保持）位于第三位置224。此外，当抓持构件190运动到第三位置224时，带材部段引导件170可同时降低到真空台104，以为了如箭头298所示焊接而制备带材部段。

接下来，如图46f中所示，带材部段250可粘结到或焊接到真空台104上或任何下置的带材部段。特别是，第一焊接单元231和第二焊接单元232降低到使第一焊接末端241和第二焊接末端242与带材部段250接触，并将带材部段250粘结到真空台104。同时，其余组的相邻焊接单元（即，图47a中所示的第三焊接单元233、第四焊接单元234和第五焊接单元235）保持静止，并且不与带材部段250配合。在一些情况下，带材部段250可与真空台104直接接触，而在其它情况下，带材部段可与之前铺放的带材部段接触。如果位于焊接机末端下方的带材部段直接位于工具表面上，则该焊接机不通电，这是因为带材部段的该部分可例如用真空固定到台。在一些情况下，抓持构件190可在焊接单元205与带材部段配合的过程中或就在焊接单元205与带材部段配合之前释放带材。这可避免在焊接带材部段时受到抓持构件190的任何干扰。

图46g示出在从真空台104抬离引导组件170和焊接单元205之后粘结到真空台104的带材部段的示例性实施例。根据将带材部段250悬置于引导组件170内的手段，可使用从引导组件170释放带材部段的不同方法。例如，如参照图20中所示实施例所公开的那样，一旦将带材部段焊接到下置的带材部段，导轨25可升高，而压脚或焊接末端还压在带材上。这使得带材边缘被拉出导轨25的凹槽，从而从导轨25释放带材部段。一旦从导轨释放带材部段，焊接单元的压脚就可缩回。在引导系统的宽度可自动调节的情况下，可通过延长引导支承件之间的宽度、然后从工具表面升高引导支承件来释放带材部段。

图47a示出另一构造，其中抓持构件190运动到位置260以形成预定长度的带材部段280。然后，如图47b中所示，当抓持构件190运动到位置262时，可重新定位带材部段。同样，在图47b中所示过程时，带材部段引导件170降低到真空台104（由箭头297表示），并且焊接单元205中的一些已降低。特别是，第二焊接单元232、第三焊接单元233、第四焊接单元234降低，以粘结或焊接带材部段，而第一焊接单元231和第五焊接单元235留在升高的位置。对焊接单元的这种与带材部段的长度和位置相协调的选择性操作可提供更快和更有效的制造。

在其它实施例中，焊接单元的运动可以不受限于垂直运动和沿焊接组件的长度的运动。在另一实施例中，例如，焊接单元可构造成沿与纵向垂直的方向而与带材部段引导件相关联地运动。因此，在一些情况下，一个或多个焊接单元可沿垂直方向运动，这可使它们进入或脱离与带材部段引导件的垂直对准。这种实施例可有助于针对在焊接组件下方平行设置的两个或更多个不同带材部段引导件来操作单组焊接单元。

参照图46a-g以及图47a和47b，文中所述的系统提供部件和子系统之间的较宽范围的不同相对运动。因此，例如，焊接单元、焊接组件160、带材部段引导件170、抓持构件190、真空台104、切割系统150以及实施例中所述的其它部件和系统的运动可协调，以实现期望的制造过程和所得制造好的部件。作为一个示例，抓持构件190可沿焊接组件160的长度基本上与真空台104的运动同时地进行运动，从而带材部段引导件170内的带材部段相对于真空台104上的预先存在的带材部段在适当位置对准。作为另一示例，焊接单元的运动可与抓持构件190的运动协调，以确保焊接单元不与抓持构件190的路径相干涉，抓持构件将带材部段拉过带材部段引导件170。此外，在其它实施例中，焊接组件160、真空台和带材部段引导件170内的带材部段之间的相对运动的任何顺序都是可以的。

真空台104可用作在其上形成零件的工具表面。真空台104可附连到平台105，该平台通过沿与带材铺放头103大致垂直的轴线的运动以及使用转动运动将真空台104精确地定位到带材铺放头103下方。为了便于精确对准，焊接单元164还可沿与平台105的移动轴线垂直的轴线移动。来自离线程序的指令可确定带材的长度以及它在工作台上的位置和定向。

可提供使抓持构件和焊接单元运动的能力以加大铺放精度，这是因为带材和焊接机可在形成带材部段之后对准。该结构还可便于增加带材层长度，长度达到2.82米或甚至更大也可以。此外，该构造通过抵靠于抓持构件上以控制带材的馈送以及带材部段运动的速度来帮助增加产出速度，而不是使带材速度依赖于带材的本质特性，诸如被推过导轨的刚度。使工具表面仅沿一个线性方向而不是两个垂直方向平移也可使得成本降低。此外，整个机器占地面积可比包含用于工具表面的两个直线运动轴和转动的相似设计少。

本构造还可允许多个头将带材同时铺放在同一层片上。在替代实施例中，带材可从带材铺放头103的任一侧馈送，以例如通过在带材铺放头103（是用于所示实施例的构造）的第一侧147和带材铺放头103的第二侧149（在图27中示出带材铺放头103的第一侧147和第二侧149）提供材料分配器（卷轴和加载系统）来提高速度。特别是，可提供在所示实施例中用于将带材馈送到第一侧147的卷轴和加载系统的基本上相似的构造，以将带材馈送到带材铺放头103的第二侧149。此外，带材铺放头103可构造有附加的切割刀片、抓持系统以及用于操纵被馈送到带材铺放头103的第二侧149内的带材和带材部段的其它可能装置。此外，本构造还可通过提高系统在没有馈送错误的情况下处理多种带材的能力来提高机械稳固性。

当带材已馈送到带材部段引导件170内并从带材卷切成带材部段时，抓持构件190沿带材部段引导件170将带材定位到正确位置，且真空台104和焊接单元164定位在期望位置，第一引导支承件167和第二引导支承件168可降低，直至带材部段几乎碰到之前铺放的层片或工具表面。然后，一个或多个焊接单元164的阵列可从焊接组件160降下，并且将带材部段按压到工具上。

当完成焊接/粘结步骤时，焊接单元164可保持与带材接触，并且第一引导支承件167和第二引导支承件168可升高到初始加载位置。在一些情况下，可在完成焊接/粘结之前升高引导件。由于带材的中心保持固定到工具并被焊接单元下压，这使带材的边缘被拉出带材部段引导件170。一旦带材边缘脱离带材部段引导件170，焊接单元就缩回，从而使带材部段在真空台工具表面上就位。

可以针对将构成坯件的每个材料部段重复该过程。在铺放好最后一个带材部段之后，可切断工作台真空，这允许容易地从工作台移除部件。

如之前讨论的那样，带材部段引导件170可构造成自动调节第一引导支承件167和第二引导支承件168之间的间距，以适应宽度变化的带材部段。这允许用至少两种不同宽度的带材部段来形成预制件，例如通过使第一芯轴118和第二芯轴119加载有不同宽度的带材卷来进行。然后，当将来自不同芯轴的带材部段馈送到带材铺放头103内时，带材部段引导件170可自动调节以适应不同带材部段的宽度。

在一实施例中，工具表面和引导支承件中的一个或两个运动，以提供相对彼此的相对位移。这种运动可以是沿任何方向，诸如水平、垂直或它们的组合，并可包括诸如平移、转动或枢转运动之类的运动。

一些实施例可包括加强或以其它方式精细地调节将带材部段焊接在一起的各方面。一些实施例可包括防止多个层片之间的焊接部直接位于彼此之上的装置，这会造成对于完成的复合材料来说不期望的结构特征。在一些情况下，可使用程序来自动调节焊接部的位置，从而使复合物的不同层上的焊接部在真空台的平面内交错，并且沿垂直方向不直接定位在彼此之上。还有其它实施例可包括用于在两层之间形成连续焊接部的装置。例如，在一个实施例中，可采用连续转动焊接机，该焊接机与带材部段的各部分连续地进行接触并在各部分上进行焊接。在一个实施例中，转动焊接机包括附连到抓持构件的轮。一旦抓持构件将带材部段定位在引导系统内以及在真空台上的期望位置，转动焊接机可在带材部段的一些或全部长度上运动，以施加基本上连续的焊接部。

一些实施例可包括通过减少停止带材馈送的时间或者在焊接之后重新定位抓持构件的时间来减少产出时间的装置。例如，一些实施例可包括在带材继续馈送通过系统的同时将带材切成带材部段的装置。在一些情况下，例如，可以在不停止带材馈送的情况下进行切割，这会造使系统的产出速度增加。

一些实施例可包括甚至当一个或多个焊接单元向真空台伸出时也允许抓持构件在整个带材铺放头上运动的装置。例如，一个实施例可采用抓持构件，该抓持构件使用铰链式安装件来安装到导轨，从而当进行焊接时，该抓持构件可向上摆动并摆到引导支承件和带材部段的平面外。抓持构件可摆动到设置在焊接单元后面的位置。当进行焊接时，这将允许抓持构件在焊接单元后面运动，并朝向切割系统运动。

在一个实施例中，例如铰接连接件（未示出）可设置在抓持构件190的部分197处（参见图44）。在一些情况下，该部分197可以是延伸件195的内边缘。在这种实施例中，延伸件195、抓持脚部192和抓持鼻部184可向上摆动以使抓持构件190不再位于焊接单元的路径内。这将允许抓持构件190沿导轨构件182运动到任何位置，而不会与可降低的焊接单元164中的任一个相干涉。应理解到用于文中所述的铰链的建议位置仅意为示例性的。在其它情况下，铰链或铰接连接件可设置在抓持构件195的任何部分上。

在此结构情况下，产出时间会减少，这是因为一旦焊接单元升高，抓持构件就立即抓持和拉出新一段带材。这与本实施例的不同之处在于抓持构件直到焊接单元升高才返回到默认位置。

作为另一可能的实施例，抓持构件可安装到轨道，该轨道沿引导支承件之间的区域以及引导支承件外的区域运动。这将允许抓持构件使带材部段运动到引导支承件之间的预定位置，一旦带材部段被至少一个焊接单元配合就释放该带材部段，然后继续沿轨道运动，并在焊接完成之前绕引导支承件到达刀具附近的位置。在一个可能的实施例中，轨道将在位于焊接单元后面的区域上方延伸，以允许抓持构件沿带材铺放头运动，而不会与焊接单元相干涉。

如本领域普通技术人员将理解到的那样，包括引导支承件在内的文中所述的引导系统只是能用于一旦带材被馈送并切割就将带材悬置于工具表面上方并且定位该带材的许多手段中的一种。可采用使用真空来将带材悬置于工具表面上方的其它方法、通过增加导轨之间的距离来释放带材的盘、可缩回盘或其它机构。

上述系统和方法允许将不同材质的材料铺设成单个坯件的能力。例如，一个芯轴可加载有由第一材料制成的带材，而第二芯轴可加载有由第二材料制成的带材。可将两种材料馈送到引导系统内，以形成带材部段，并将各种带材部段焊接到一起。

为了说明和描述的目的已呈现了实施例的前述公开内容。并不意在穷举或将其它实施例限制于公开的精确形式。鉴于上述公开内容，文中所述实施例的许多变型和修改对于本领域中普通技术人员是显然的。实施例的范围仅由所附权利要求书及其等同物来限定。

此外，在描述本发明实施例的代表实施例时，说明书可作为特定步骤顺序来表示本实施例的方法和/或过程。然而，就方法或过程不依赖于文中阐释的特定步骤次序而言，方法或过程不应限于所述特定步骤顺序。本领域技术人员将理解到其它步骤顺序也可以。因此，说明书中阐释的特定步骤次序不应理解为对权利要求的限制。此外，涉及本实施例的方法和/或过程的权利要求不应限于以所写的次序执行它们的步骤，并且本领域技术人员可容易理解到顺序可变化并且仍留在本实施例的精神和范围内。

Claims (22)

1.一种由带材制造复合预制件的方法，所述方法包括：

将带材部段馈送到带材部段引导件内，所述带材部段引导件横跨工具表面而悬置所述带材部段，以使所述带材部段的第一端起初设置在所述带材部段引导件内的第一位置，而所述带材部段的第二端起初设置在所述带材部段引导件内的第二位置；

提供所述带材部段引导件与所述工具表面之间的相对运动，以将所述带材部段定位在相对于所述工具表面的期望位置和定向上；

使所述带材部段运动以使所述第一端运动到所述带材部段引导件中的第三位置并且使所述第二端运动到所述带材部段引导件中的第四位置；以及

将所述带材部段固定到所述工具表面和预先存在的带材部段中的至少一个，

其中，使所述带材部段运动包括用抓持构件抓持所述带材部段并使所述抓持构件沿所述带材部段引导件运动。

2.如权利要求1所述的方法，其特征在于，馈送所述带材部段包括使用抓持构件从带材供料源拉出带材并且将所述带材切成带材部段。

3.如权利要求1所述的方法，其特征在于，固定所述带材部段包括使用包括至少一个焊接单元的焊接组件来将所述带材部段粘结到预先存在的带材部段。

4.如权利要求3所述的方法，其特征在于，所述焊接组件包括沿纵向轴线设置的第一焊接单元、第二焊接单元和第三焊接单元，其中所述第二焊接单元设置在所述第一焊接单元与所述第三焊接单元之间，并且所述方法还包括：

与所述第二焊接单元对准并且沿所述纵向轴线地来定位所述带材部段，而所述第一焊接单元、所述第二焊接单元和所述第三焊接单元处于初始位置；

使所述第二焊接单元从初始位置向所述带材部段运动，同时保持所述第一焊接单元和所述第三焊接单元处于所述初始位置；以及

使用所述第二焊接单元将所述带材部段粘结到预先存在的带材部段。

5.一种由带材制造复合预制件的方法，所述方法包括：

将带材的一部分馈送到带材部段引导件内；

抓持所述带材的所述部分的端部，并拉动所述带材的所述部分通过所述带材部段引导件；

当所述带材的所述部分被拉到预定位置时，切割所述带材的所述部分，以形成带材部段；以及

将所述带材部段固定到工具表面和预先存在的带材部段中的至少一个，

其中，还包括使所述带材部段运动通过所述带材部段引导件。

6.如权利要求5所述的方法，其特征在于，固定所述带材部段包括使带材粘结装置向着所述带材部段运动到相对于所述带材部段的预定位置，且使所述带材粘结装置运动和使所述带材部段运动基本上同时发生。

7.如权利要求5所述的方法，其特征在于，所述方法还包括使所述工具表面运动，其中所述预先存在的带材部段设置在所述工具表面上。

8.如权利要求7所述的方法，其特征在于，将所述带材部段固定到所述预先存在的带材部段包括使带材粘结装置向着所述带材部段运动，所述带材部段和所述工具表面能基本上同时运动。

9.如权利要求5所述的方法，其特征在于，固定所述带材部段包括将所述带材部段粘结到所述预先存在的带材部段，其中将所述带材部段粘结到所述预先存在的带材部段包括致动来自一组焊接单元的多个焊接单元，且所致动的焊接单元数目取决于所述带材部段的长度和位置。

10.如权利要求9所述的方法，其特征在于，将第一组相邻的焊接单元朝向所述带材部段降低，而第二组相邻的焊接单元相对于所述第一组相邻的焊接单元保持静止。

11.如权利要求9所述的方法，其特征在于，焊接单元组包括第一焊接单元、第二焊接单元和第三焊接单元，其中，所述第二焊接单元设置在所述第一焊接单元和所述第三焊接单元之间，且致动所述焊接单元包括相对于所述第一焊接单元和所述第二焊接单元降低所述第二焊接单元。

12.一种由复合带材制造复合预制件的设备，所述设备包括：

接纳带材部段的带材部段引导件；

带材抓持组件，所述带材抓持组件构造成抓持所述带材部段引导件内的所述带材部段；以及

带材粘结装置，所述带材粘结装置构造成将所述带材部段粘结到其它同样的带材部段，

其中，所述带材抓持组件包括抓持构件，所述抓持构件构造成抓持所述带材部段的一部分，并沿与所述带材部段引导件的长度相关联的轴线运动，以及

所述抓持构件从所述带材部段引导件的第一位置运动到所述带材部段引导件的的第二位置，并由此使所述带材部段的所述部分从所述第一位置运动到所述第二位置。

13.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述带材抓持组件包括轨道，且所述抓持构件构造成沿所述轨道滑动。

14.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述带材粘结装置是包括至少一个焊接单元的焊接组件。

15.如权利要求12所述的设备，其特征在于，带材切割系统设置在所述带材部段引导件的端部处，且所述带材切割系统构造成将带材切成带材部段。

16.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述抓持构件在所述带材部段引导件的第一引导支承件和第二引导支承件之间运动。

17.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述抓持构件包括用于抓持所述带材部段的端部的抓持鼻部和抓持脚部。

18.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述带材部段由带材卷形成，并且使用驱动辊子组件和至少一个浮动辊子将来自所述带材卷的带材馈送到所述带材部段引导件内。

19.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述带材部段引导件构造成自动调节到宽度变化的带材部段。

20.如权利要求14所述的设备，其特征在于，还包括工具表面，所述工具表面沿第一轴线运动并转动，且所述至少一个焊接单元沿与所述第一轴线大致垂直的第二轴线运动。

21.如权利要求20所述的设备，其特征在于，所述抓持构件沿与所述第二轴线平行的方向运动。

22.如权利要求12所述的设备，其特征在于，所述带材部段被预先切割，并被个别地馈送到所述带材部段引导件内。