CN104903080B - 用于制造波形层压结构的方法和装置 - Google Patents

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Abstract

本申请公开用于制造波形层压结构的方法和装置。多个相同的制造模块被连接在一起且可配置为在具有共同特征的结构的族中制造任何多个不同的层压结构。每个制造模块局部适于在对应工具上制造层压结构的一部分。控制器控制和协调制造模块的自动操作。

Description

用于制造波形层压结构的方法和装置
技术领域
本公开基本涉及层压件的制造，尤其是波形层压件的制造，且更具体地涉及在具有共同特征的结构的族内用于自动铺层并形成不同层压结构的方法和装置。
背景技术
复合结构，尤其是具有波形的复合结构有时具有需要由多个零件形成的结构的特征。例如，在飞行器工业中，使用包含机械地紧固在一起的槽形截面框架和剪切带(sheartie)的两件式配件，可以形成波形复合机身桶部分。近来，已经提出了采用编织复合材料的一体式复合框架部分，然而该制造方法是耗时且劳动密集的，且可能造成比期望更重的框架。制造一体式框架部分的问题在高生产率环境中变得更加困难，其中生产流程时间对于实现生产效率可以是重要的。
因此，需要一种用于制造一体式层压结构，尤其是波形的一体式层压结构的方法和装置，该方法和装置通过自动化减少劳动和装配时间。还需要一种在具有共同特征的结构的族内用于制造不同层压结构的方法和装置，以便减少材料和劳动成本同时增加生产率。此外，需要一种使用特定材料形式(诸如，使用常规的手工制造方法可能是不可生产的单向预浸带)用于制造层压结构的方法和装置。
发明内容
所公开的实施例提供一种在具有共同特征的结构的族内用于制造不同复合层压结构的方法和装置。该装置包含自动的可重配置复合成型系统，该成型系统尤其被设计以在结构构件(诸如，飞行器机身框架)的生产中形成单向预浸带。该装置包含多个基本相同的成型模块，该多个成型模块被连接在一起以形成可以被重新配置以符合限定对应的结构形状的一系列工具的单个样板。每个成型模块拥有局部适应或转换为工具的独特设计、形状或特征的能力。在一个飞行器应用中，该装置可以被采用以通过铺层、成型和压实框架部分的每个层片而制造具有Z横截面形状的多层复合框架部分。层片从内翼弦向外形成于外翼弦，且有时被称为剪切带。每个成型模块适应于工具的局部形状。模块以某一方式被连接在一起以形成调整整个工具的单个样板。可以通过添加或移除成型模块来适应不同的工具弧长。在结构是波形的那些情况下，成型模块不需要准确地匹配工具的总弧长。该装置采用基于结构的族内的结构的通用结构形状轮廓的自适应控制器系统。自适应控制器系统基于力反馈和位置控制的结合形成结构的每层。每个成型模块具有两个伺服轴线且每次采用这两个轴线中的一个上的力反馈。力反馈的使用取决于形成结构的区域。在成型过程期间，反馈在两个轴线之间来回切换。在两个轴线之间的切换由自适应系统控制并由形成的结构的通用形状参数确定。依赖于通用运动轨迹，允许该装置逐层形成任何多样性的独特结构，而不需要NC(数字控制)编程。该装置易于扩展以通过添加或移除成型模块，并将模块布置为基本匹配对应的工具形状而制造在结构的族内的不同尺寸的结构。
根据一个公开的实施例，提供了一种用于制造多个独特零件的系统。该系统包含分别对应于将被制造的多个零件的多个独特铺层工具，以及多个样板模块，该多个样板模块经配置结合在一起以限定分别对应于多个零件和多个铺层工具的多个独特样板。每个样板适于将材料铺放在铺层工具对应的一个工具以形成对应的一个零件。样板模块基本相同，且通过使基本相同的样板模块中的每个耦接到对应的独特铺层工具来配置多个独特模型中的每个。样板模块被连接在一起且被安装在基底上，从而允许样板模块沿多个方向移动。每个样板模块包括适于在铺层工具的对应一个上形成材料的成型头。每个成型头包括柔度(compliance)。零件可以是层压结构，且该层压结构可以是碳纤维增强塑料。
根据另一个公开的实施例，提供了在具有共同特征的结构的族中用于制造多个不同层压结构中的每个层压结构的装置。该装置包含多个分开的(separate)制造模块，这些制造模块分别局部适于在对应的工具上制造层压结构的一部分。该制造模块可重新配置以在其族内制造每个层压结构。该装置还包括用于控制和协调制造模块的自动操作的控制器。该装置可以进一步包含适于形成在工具上方的层压层片的成型构件。成型构件沿制造模块的长度延伸，且安装在每个制造模块上，以便在工具上方沿至少两个轴线运动。成型构件沿制造模块的长度连续。沿两个轴线控制成型构件，并且该成型构件具有适于在形成结构的不同区域之间变化的形状，诸如，框架的内翼弦半径和剪切带半径之间的一体式飞行器机身框架的情况。每个制造模块包括一部分成型构件被局部安装在其中的轨道。单个成型构件可以用于制造特定结构，然而成型构件被可移动地安装在轨道中以允许分别具有不同形状的多个成型构件的可互换性，从而制造不同形状的结构。当成型构件在结构上方移动时，当结构的弧长变化，轨道允许成型构件相对于每个模块的横向(或切向)滑动。成型构件适于扫过(sweep)在工具上方的层压层片，且具有柔度。每个制造模块包括适于抵靠所述工具的一部分夹紧一部分层压层片的夹具。每个制造模块包括与成型构件耦接的功率驱动器，用于使成型构件扫过层压层片且将层压层片压实在工具上。该装置可以进一步包含适于将至少一个层压层片保持在其上的柔性层片载体，其中每个制造模块包括适于可释放地保持层片载体的一对空间隔开的轨道和当成型构件在工具上方形成层片时用于保持层片载体处于张力中的层片载体控制配件。成型构件与层片载体接合以扫过在工具上方的层片载体与在其上的层片，且层片载体控制配件包括用于沿两个轴线调整层片载体位置的驱动器。每个制造模块进一步包括用于感测由成型构件施加到层压层片的力的水平的力传感器和用于感测成型构件的层压层片的位置的位置传感器。每个制造模块进一步包括用户将制造模块夹紧至工具的夹具。该装置还可以包含用于使制造模块耦接在一起和用于使制造模块相对于工具对齐的制造模块之间的链路(linkage)。该连接经配置以允许成型模块沿与连续延伸的成型构件的缩回弧基本相同的弧旋转。制造模块基本相同且彼此可互换。该装置还包括用于控制和协调制造模块的操作以共同地制造层压结构的中心控制器。
根据又一个实施例，提供了一种在具有共同特征的零件的族中用于制造多个不同零件的方法，其中使用独特工具制造每个零件。该方法包含将多个分开的、基本相同的制造模块布置为基本匹配一个零件将制造在其上的工具，且使每个制造模块适于工具的局部部分。该方法进一步包含控制和协调制造模块的操作以在工具的对应部分上方制造部分零件。布置制造模块包括将每个制造模块移至接近工具，并将制造模块连接在一起。该方法可以进一步包含将每个制造模块夹紧至工具。适应每个制造模块包括通过每个制造模块学习零件将被制造在工具上的表面的位置。该方法还可以包含使用成型构件横跨工具的表面扫过材料，以及使用成型构件以学习在工具上的表面的位置。学习表面的位置包括随着成型构件横跨工具的表面扫过材料感测成型构件的位置，并记录成型构件被感测位置。适应每个制造模块包括将制造模块的高度调整为共同的水线。该方法可以进一步包含沿所有制造模块形成连续齿条(spline)。形成连续齿条包括沿基本制造模块的整个长度安装连续成型构件。每个成型模块可以是用于形成层片的局部部分的层压层片样板模块。布置制造模块包括将制造模块连接在一起以形成单个层压层片样板。
根据另一个公开实施例，提供了一种制造复合层压结构的方法。该方法包含将多个基本相同的成型模块布置为基本匹配复合层片将在其上形成的工具，以制造层压结构，以及将成型模块连接在一起以形成用于形成整个复合层压结构的单个样板。该方法进一步包含将连续成型构件安装在成型模块上，连续成型构件限定基本延伸模型的整体长度的齿条，并使用成型构件以形成工具上的复合层片并将其压实在工具上。该方法还可以包括将复合层片放置在层片载体上。成型构件用于接合和扫过在工具上方的层片载体与层片。
根据又一个公开的实施例，提供了一种用于形成在工具上方的复合层压零件的成型模块。该成型模块包含基底和适于控制复合树脂层片被安装在其上的柔性层片载体的位置的层片载体控制配件。该成型模块进一步包含被安装在基底上并适于自动地使复合树脂层片从层片载体形成到工具上的头部分。基底适于在支撑表面上方移动，且头部分包括用于学习工具的廓形的自适应控制器。该成型模块可以进一步包括用于将头部分夹紧至工具的夹具和用于形成在工具上方的层片的自动控制成型构件。
根据本公开的一方面提供一种制造多个独特零件的系统，其包含：多个独特铺层工具，其分别对应于将被制造的多个零件，以及多个样板模块，其经配置结合在一起以限定分别对应于多个零件和多个铺层工具的多个独特模型，每个样板适于将材料铺放在对应的一个铺层工具上以形成对应的一个零件。有利地，在该系统中，样板模块基本相同，且多个独特模型中的每个通过使每个基本相同的样板模块耦接到对应的独特铺层工具而被配置。有利地，在该系统中，样板模块被安装在基底上，从而允许样板模块沿多个方向移动。有利地，在该系统中，样板模块被刚性地连接在一起。有利地，在该系统中，每个样板模块包括适于在铺层工具的对应一个上形成材料的成型头部分。有利地，在该系统中，每个成型头部分具有柔度。有利地，在该系统中，当样板模块被耦接至层压工具时，去除柔度。有利地，在该系统中，零件是层压结构。有利地，在该系统中，零件是碳纤维增强塑料。
根据本公开的进一步方面，提供了一种在具有共同特征的结构的族中用于制造多个不同层压结构中的每个的装置，其包含：多个分开的制造模块，每个制造模块局部适于在对应工具上制造一部分层压结构，制造模块可重新配置以在其族内制造每个层压结构；以及控制器，用于控制和协调制造模块的自动操作。有利地，该装置进一步包含成型构件，其适于形成在工具上方的层压层片，成型构件沿制造模块的长度延伸，成型构件被安装在每个制造模块上，用于沿至少两个轴线在工具上方运动。有利地，在该装置中，成型构件沿制造模块的长度连续。有利地，在该装置中，每个制造模块包括在其中一部分成型构件被局部安装的轨道。有利地，在该装置中，成型构件可移动地被安装在轨道中以允许分别具有不同形状的多个成型构件的可互换性。有利地，在该装置中，成型构件适于扫过工具上方的层压层片，且包括柔度。有利地，在该装置中，每个制造模块包括适于抵靠所述工具的一部分夹紧一部分层压层片的夹具。有利地，在该装置中，制造模块包括与成型构件耦接的功率驱动器，用于使成型构件在层压层片上方扫过且将层压层片压实在工具上。有利地，该装置进一步包含：适于将至少一个层压层片保持在其上的柔性层片载体，并且其中每个制造模块包括适于可释放地保持层片载体的一对空间隔开的轨道和当成型构件形成在工具上方的层片时用于保持层片载体处于张力中的层片载体控制配件。有利地，在该装置中，成型构件可与层片载体接合以扫过在工具上的层片载体与在其上的层片，且层片载体控制配件包括用于沿两个轴线调整层片载体位置的驱动器。有利地，在该装置中，每个制造模块进一步包括用于感测由成型构件施加到层压层片的力的水平的力传感器和用于感测成型构件的位置传感器。有利地，在该装置中，每个制造模块进一步包括用于将制造模块夹紧至工具的夹具。有利地，该装置进一步包含：用于使制造模块刚性地耦接在一起和用于使制造模块相对于工具对齐的制造模块之间的链路。有利地，在该装置中，制造模块基本相同且彼此可互换。有利地，该装置进一步包含：用于控制和协调制造模块的操作以共同地制造层压结构的中心控制器。
根据本公开的进一步方面，提供了一种在具有共同特征的零件的族中制造多个不同零件中的每个的方法，其中使用独特工具制造每个零件，该方法包含：将多个分开的、基本相同的制造模块布置为基本匹配在其上将制造一个零件的工具，且使每个制造模块适于工具的局部部分，并控制和协调制造模块的操作以制造在工具的对应部分上方的部分零件。有利地，在该方法中，布置制造模块包括：将每个制造模块移动至接近工具，并将制造模块刚性地连接在一起。有利地，该方法进一步包含：将每个制造模块夹紧至工具。有利地，在该方法中，适应每个制造模块包括通过每个制造模块学习将被制造的零件在其上的工具上的表面的位置。有利地，该方法进一步包含：使用成型构件横跨工具的表面扫过材料，以及使用成型构件学习在工具上的表面的位置。有利地，在该方法中，学习表面的位置包括随着成型构件横跨工具的表面扫过材料而感测成型构件的位置，并记录成型构件的感测位置。有利地，在该方法中，适应每个制造模块包括将制造模块的高度调整为共同的水线。有利地，该方法进一步包含：沿所有制造模块形成连续齿条。有利地，在该方法中，形成连续齿条包括沿基本制造模块的整个长度安装连续成型构件。有利地，在该方法中，每个制造模块是用于形成层片的局部部分的层压层片样板模块，且布置制造模块包括将制造模块连接在一起以形成单个层压层片样板。
根据本发明的又一方面，提供了一种制造复合层压结构的方法，其包含：将多个基本相同的成型模块布置为基本匹配在其上复合层片将被形成的工具，以制造层压结构；将成型模块连接在一起以形成用于形成整个复合层压结构的单个模型；将连续成型构件安装在成型模块上；连续成型构件限定基本延伸样板的整体长度的齿条，并使用成型构件以形成工具上的复合层片并将其压实在工具上。有利地，该方法进一步包含：将复合层片放置在层片载体上，且其中使用成型构件包括接合和扫过在工具上方的层片载体和层片。
根据本发明的又一方面，提供了一种用于形成在工具上方的复合层压零件的成型模块，该成型模块包含基底、适于控制在其上复合树脂层片被安装的柔性层片载体的位置的层片载体控制配件和被安装在基底上并适于自动地使复合树脂层片从层片载体形成到工具上的头部分。有利地，在该成型模块中，基底适于在支撑表面上方移动。有利地，该成型模块进一步包含用于将头部分夹紧至工具的夹具。有利地，在该成型模块中，头部分包括用于学习工具的廓形的自适应控制器。有利地，该成型模块进一步包含：用于接合层片载体并在工具上形成层片的接头(nosepiece)，该接头被安装用于在头部分上沿第一和第二轴线运动。有利地，在该成型模块中，头部分包括用于感测通过接头施加到层片载体和工具的力的大小的测压元件。有利地，在该成型模块中，基底包括使头部分沿基本正交于第一和第二轴线的第三轴线移动的功率滑动配件。有利地，在该成型模块中，头部分包括用于感测接头的位置的至少一个位置传感器。有利地，在该成型模块中，接头具有允许接头符合工具的特征的柔度。有利地，在该成型模块中，层片载体控制配件包括用于控制柔性层片载体上的张力的设备。有利地，在该成型模块中，层片载体控制配件被安装在头部分上。有利地，在该成型模块中，层片载体控制配件包括随着层片从层片载体被形成到工具上，用于支撑和移动层片载体的自动控制的机动臂。有利地，在该成型模块中，头部分包括用于在工具上定位基准的基准定位器。
特征和功能可以在本公开的各种实施例中被独立地实现，或者可以被合并在其他实施例中，其中参考随后的描述和附图可以获知进一步的细节。
附图说明
在所附的权利要求中记载了被认为是表征了示例性实施例的新颖特征.然而，当结合附图阅读本公开示例性实施例的以下详细描述时，将更好地理解示例性实施例与优选的使用模式、进一步目的及其特性，其中
图1是根据公开实施例de使用对应的工具和制造模块在具有共同特征的零件的族中用于制造任何多个零件的系统的框图的图示说明。
图2是用于制造波形复合层压结构的装置的图解平面图的图示说明。
图3是具有Z-型横截面的复合层压框架部分的透视图的图示说明。
图4是图3中示出的框架部分的横截面图的图示说明。
图5是具有在其上铺层和压实的图3和图4中示出的框架部分的工具的端视图的图示说明。
图6是示出被夹紧至图5所示工具的图2的装置的功能性框图的图示说明。
图7是在被移动接近至工具并被夹紧至工具之前的装置的透视图的图示说明，其中为清楚起见，未示出层片载体。
图8是图7中示出的装置的三个相邻的制造模块成型零件的前透视图的图示说明。
图9是图8中示出的成型模块中的一个的前透视图的图示说明，从而描述了模块的附加细节。
图10是具有层片被安装在其上的层片载体的平面图的图示说明。
图11是图7-9中示出的每个制造模块的接头轨道成型零件的前视图的图示说明。
图12是适于被安装在图11中示出的接头轨道的接头的部分长度的透视图的图示说明。
图13示在具有共同特征的零件的族中制造多个不同零件中的每个的方法的流程图的图示说明。
图14是制造复合层压结构的方法的流程图的图示说明。
图15是用于设置和教导每个制造模块的方法的流程图的图示说明。
图16是图5中示出的工具的端视图，从而图示说明了在图15中示出的设置和教导阶段期间接头的渐进运动。
图17是由每个制造模块采用的自适应控制器方法的流程图的图示说明。
图18是飞行器制造和维护方法的流程图的图示说明。
图19是飞行器的框图的图示说明。
具体实施方式
首先参考图1，提供在具有共同特征或特性的零件的族54的族56内用于制造任何多个独特零件54的系统38。独特零件54可以被制造通过使用对应的可以是铺层工具的独特工具48，和组合43被布置并经配置以形成制造器40，下文有时也称为样板40的制造模块42的组合43。如将在下面更详细讨论的，制造模块42可以是相同的和可互换的。制造模块42的数量和布置与制造特定零件54所需要的特定工具48相匹配。制造器40通过将材料46放置在特定工具48上并成型在其上而制造零件54。在一种应用中，零件54可以是多层复合层压件，且材料46可以是碳纤维增强塑料(CFRP)。
注意，现在指向图2，其图示说明图1中示出的系统38的一个实施例。在该示例中，多个样板模块42被布置在基本匹配在其上特定零件(未示出在图2中)将被形成的铺层工具48的形状的配置中。在图示说明的示例中，样板模块42被布置为基本匹配弧形铺层工具48的弧形，然而，各种其它形状是可能的。样板40在工具48上形成并层压复合层片46。样板模块42通过连接44彼此刚性地连接以形成样板40。样板40自适应并且其自身与制造特定零件54(图1)所要求的每个特定工具48对齐。为了样板40的修理、更换或重新配置以在具有共同特征或特性的零件的族内形成独特零件的目的，样板模块42可以彼此基本相同并因此与模块42a可互换50。每个样板模块42与中心控制器52耦接，中心控制器52可以包含特殊的或通用的计算机、PLC(可编程逻辑控制器)。中心控制器52控制并协调样板模块42的自动操作。
如先前提到的，样板40可以用于在具有共同特征或特性的零件的族内形成各种复合零件。例如，参考图3和图4，样板40可以用于形成和层压用在飞行器机身(未示出)中的复合框架部分58。框架部分58沿其长度弯曲或呈波状且具有半径“R”。样板40可以用于形成具有不同弧长度、半径或框架部分58的族内的其它共同特征的任何的一些列框架部分58。包括轮廓和半径的这些特征可以沿框架部分58或被形成的其它零件的长度连续或不连续。框架部分58在横截面上一般是Z-型，且包含内翼弦凸缘62和外翼弦凸缘64(有时也被称为剪切带64)。内翼弦凸缘62和外翼弦凸缘64分别由中心腹板(cental web)60连接。剪切带64通过剪切带半径68连接至腹板60，且内翼弦凸缘62通过内翼弦半径70连接至腹板60。虽然示例性实施例已经图示说明Z-型框架部分58，但应当注意可以采用所公开的方法和装置以制造具有各种其它横截面形状(包括但不限于L、I和C横截面形状)的复合层压零件。
现在参考图5，样板40在工具48上形成并层压复合预浸层片46。工具48具有匹配框架部分58的工具特征。在该示例中，工具48包括内翼弦工具凸缘72、内翼弦工具半径74、工具腹板76、剪切带工具半径78和外翼弦工具凸缘80。工具48还包括围绕其整个内翼弦延伸的夹紧凸缘82。可以结合公开的方法和装置使用其它类型的铺层工具48以形成具有不同于Z横截面的横截面形状的其它类型和大小的复合层压零件。此外，可以采用图示说明的工具48以铺层弯曲的复合层压框架部分或具有L-型横截面的其它零件。
注意，现在指向图6-9，其图示说明样板40的一个实施例。图6是示出在将单个预浸层片46铺层在工具48上的过程中一个样板模块42的功能性框图。层片46在下面更详细讨论的层片载体84上的期望或索引位置(indexed position)被支撑。层片载体84沿着其在样板模块42的支撑臂95成型零件的末端处的载体轨道120上的上边缘被保持。样板模块42基本包含安装在头部分92上的层片载体控制配件86，头部分92被支撑在可移动基底106上。基底106可以包括与先前讨论的中心控制器52(图2)耦接的车载控制器110。基底106上的轮或脚轮112允许样板模块42沿支撑表面(诸如，沿任何方向的工厂地板(未示出))移动，以便允许样板模块42与其它样板模块42以期望的配置被定位，使得样板模块42的共同几何结构基本匹配工具48的结构。基底106包括以垂直方向或机器坐标系124内的Z轴线移动头部分92和层片载体控制配件86的Z轴线滑动配件108。
层片载体控制配件86控制层片载体84的姿态以及其上的张力，以便随着层片46被形成在工具48上，支撑层片46并连续重新定位该层片46的位置。层片载体控制配件86可以包括沿Y和Z轴线两者移动支撑臂95并因此移动载体支撑轨道120的机动驱动系统。例如，机动驱动系统可以包含用于沿Y轴线驱动载体支撑轨道120的伺服马达88和用于沿Z轴线驱动支撑臂95和载体支撑轨道120的空气汽缸90。其它驱动布置是可能的。
头部分92包括层片成型构件，下文称为接头116，接头116接合层片载体84并效仿工具48的形状以在工具48上形成并压实层片46。接头116可移动地被安装在稍后更详细讨论的接头轨道118中。接头116沿工具48的整个弧长度连续延伸，并在成型模块42之间有效地形成齿条。接头116和轨道118两者沿其长度可以是柔性的以符合工具48的弯曲和其它特征。接头轨道118与可以耦接于可以包含(例如但不限于)沿Y方向移动接头116的多个空气汽缸102的机动驱动系统。
可以通过由基底106上的Z-轴线滑动配件108来移动头部分92从而影响接头116沿Z方向的移动。头部分92进一步包括由空气汽缸104或类似马达驱动器沿Y方向驱动的内翼弦夹具122。内翼弦夹具122夹紧层片载体84的下边缘和层片46紧靠内翼弦工具凸缘72(图5)的同时在工具48的其它表面上方形成层片46。头部分92可以包括基准定位器98，基准定位器98可以包含(例如但不限于)接近传感器以及伺服马达94和编码器96。伺服马达94和编码器96可以用于确定接头116的位置，并因此在下面讨论的自适应工具学习过程期间确定在工具48上的表面的位置。头部分92上的一个或更多个测压元件传感器100可以用于感测在学习和层片成型过程两者期间由接头116施加的力的数量。
如从上述描述能够认识到的，样板40提供具有2轴线协调运动的预浸层片的2轴线(Y-Z)控制扫过。然而，运动不限于2条轴线。例如，可以使用协调操作的多个机器人(未示出)来完成所需要的运动。由样板40采用的自适应控制器允许样板42适应每个特定工具48和力反馈以学习和效仿具体工具和零件几何结构，每个特定工具48通过使用族内零件的通用廓形在该零件的族内用于制造任何数量的零件。当零件54的厚度随每个连续层压件46的铺层而增加时，由样板40采用的自适应控制器还自动地适应或调整零件54的形状。使用位置控制和马达转矩反馈的组合允许在成型过程期间由接头116施加恒定压力至零件54。
如图7所示，工具48可以被支撑在轮车126上，用于移动到接近样板40，样板40包含已经被配置以基本匹配工具48的几何结构的多个成型模块42。样板模块42由相邻成型模块42的基底106之间的机械连接44(见图8)刚性地连接在一起。特别参考图9，层片载体控制配件86(图6)包括允许支撑臂95(见图6-8)沿Z轴线的移动的Z-轴线滑动支撑和提供支撑臂95沿Y-轴线的移动的滑块130。由空气汽缸136驱动的工具夹具114用作夹紧工具48的凸缘82(图5)紧靠创建共同“水线”或参考基准的索引盘132，对于所有的样板模块42，相对于工具48自动地对齐所有的样板模块42。每个样板模块42包括允许每个头部分92对齐工具水线且随后锁定到位置中的少量“浮标(float)”。由于这个特征，工具48不必位于精确平台上，且成型过程可以在可以不平坦的标准工厂地板上执行。虽然附图中未示出，但工具48和/或层片46可以在层压过程期间被加热，以便软化树脂并促进成型。可以使用任何合适的技术实现加热，包括但不限于使用IR加热灯的红外辐射。
参考图10，层片载体84可以由可以沿一个或更多个方向(例如，沿其宽度“W”)伸缩的柔性耐用材料形成。一个或多个层片46可以在层片载体84被加载到样板40上之前以预选的索引的位置被放置在层片载体84上。层片载体84可以包括用于将层片载体可移动地安装在样板40上的上载体导板(guide)140和下载体导板142。例如，上载体导板140可以包括在载体支撑轨道120中的凹槽(未示出)内被接纳的层片载体84的背面上的单个导板构件(未示出)。类似地，下载体导板142可以包含在沿内翼弦夹具122延伸的凹槽(未示出)内被接纳的层片载体84的背面上的连续导板条(guide strip)(未示出)。
图11图示说明接头轨道120的一个实施例的进一步细节。在该示例中，接头轨道120包含如所需要的允许轨道120弯曲以允许接头116符合工具48的特征的多个空间隔开的部分144。如图12所示，接头116包括具有适于工具48的特定应用和特征的轮廓的外成型尖端(tip)146。接头116通过被滑动地接纳在接头轨道120中的凹槽145内的T-型导面148被安装在接头轨道120上。通过纵向地滑动接头116通过凹槽145，接头116可以被可移动地安装在接头轨道120中。因此，具有不同大小和形状的接头116是可互换的，从而允许选择适于应用和工具形状的接头116。接头116可以是柔性的，以便在成型过程期间使其更好的符合工具48的特征。
图13基本地图示说明在具有共同特征的零件54的族56中制造多个不同零件54中的每个的方法的步骤，其中使用独特工具48制造每个零件54。在154处开始，相同的制造模块42被布置以匹配其中零件54将被制造的工具48。在156处，每个制造模块42适于工具148的局部部分。在158处，制造模块42的操作被控制且被协调以制造在工具48的对应部分上方的零件54的部分。
图14基本地图示说明制造复合层压结构54的方法的步骤。在160处开始，多个成型模块42被布置以匹配在其上结构54将被形成的工具48。在162处，成型模块42被连接在一起以形成用于形成整个复合层压结构54的单个样板40。在164处，连续成型构件116被安装在成型模块42上。成型构件116限定基本延伸样板40的整个长度的齿条。在166处，成型构件166用于在工具48上形成和压实复合层片46。
注意，现在指向图15，其基本地图示说明可以被执行以使用特定工具48设置和教导每个成型模块42从而为成型过程做准备的步骤。在168处，通过布置样板模块42并使用连接44将其连接在一起，且初始化每个模块42的设置而设置样板40。然后，在170处，连接的样板模块42被移动以接合和锁定工具48。工具夹具114(图9)夹紧工具48的凸缘82(图5)紧靠工具水线索引盘132。样板模块42被对齐以匹配工具48的弯曲。在172处，样板模块42被教导内翼弦夹具相对于工具48的位置，且在174处学习接头相对于工具48的位置。在176处，伺服马达94(图6)和编码器96用于开始学习工具的形状，并且然后随着每个层片46被铺层而再次学习层压层片46的表面。
注意，现指向图16和图17，其图示说明所公开的成型方法的细节。在178处开始(图17)，工具48移动至接近样板40，且在180处，工具48被夹紧至样板40。在182处，一个或多个层片46安装在层片载体84上。在184处，具有被安装在其上的层片46的层片载体84被加载到样板40上。通过在186处将下载体导板142插入到样板中，并在步骤188处，将上导板140插入样板40上的上轨道120中，从而执行该加载过程。在190处，通过使用预定马达转矩沿Y-轴线向向前驱动接头116与内翼弦凸缘72接触而确定沿Y-轴线的接头116的位置。阅读与伺服马达94耦接的编码器96以指示接头116的位置。在192处，紧靠内翼弦凸缘以预定量的力按压接头116。在194处，接头116沿Z-轴线以预定速率向上移动。在步骤194处，层片46紧靠内翼弦工具表面72被扫过和压实。
在196处，通过监测Y-轴线编码器96的变化而感测接头116从内翼弦工具表面72到腹板工具表面76的转变。在198处，控制接头116沿Y-轴线从转矩模式切换到位置模式，且沿Z-轴线的控制从位置模式切换到转矩模式。接头116在内翼弦的内转角74到腹板半径的过渡期间维持对层片46的压实压力。在200处，接头116紧靠工具48上的腹板工具表面76扫过并压实层片。在202处，当接头116距剪切带半径78的距离短时，终止接头116的移动。在204处，接头116用于“发现”剪切带半径78的形状。这通过使接头116沿Y-轴线前进直到达到预定转矩限制而完成。在步骤206处，接头116的控制被切换为沿Y-轴线并沿Z-轴线的转矩模式。在208处，接头116紧靠剪切带工具表面80施加扫过和压实。在该步骤期间，接头116沿Y-轴线以转矩模式施加力，同时沿Z-轴线以位置模式被向上驱动。在步骤210处，完成层片成型过程且可以重复步骤182-208以铺层、成型和压实附加层片。
本公开的实施例可以应用于各种各样的潜在应用，特别是应用于运输工业，包括例如航空航天、海运、汽车应用和其它应用，该其它应用要求在具有共同特征或特性的零件的族内的各种零件的自动制造。因此，现参考图19和图20，本公开的实施例可以被应用在如图19所示的飞行器制造和维护方法212和如图20所示的飞行器214的背景下。举几个例子，所公开实施例的飞行器应用可以包括(例如但不限于)机身框架部分、翼梁、纵梁和其它结构构件。在预生产期间，示例性方法212可以包括飞行器214的规格及设计216以及材料采购218。在生产过程中，进行飞行器214的组件和子配件制造220以及系统整合222。此后，飞行器214经历检验和交付224，以便投入使用226。当由顾客使用时，飞行器214定期进行日常维护和保养228，其可以包括改进、重新配置、翻新等。
方法212的每个过程均可以通过系统集成商、第三方和/或操作者(例如，顾客)来执行或实施。为了本说明的目的，系统集成商可以包括不限于任何数量的飞行器制造商和主系统承包商；第三方可以包括不限于任何数量的销售商、转包商和供应商；并且操作者可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务组织等。
如图20所示，飞行器214由示例性方法212生产并且可以包括具有多个系统232的机身230和内部234。高水平系统232的示例包括推进系统236、电气系统238、液压系统240和环境系统242中的一个或更多个。可以包括任何数量的其它系统。虽然显示的是航空航天示例，但本公开的原则可以被应用到其它工业，诸如海运和汽车工业
本文呈现的系统和方法在飞行器制造和维护方法212的任一或更多个阶段中可以被采用。例如，对应于生产过程220的组件或子配件可以以类似于当飞行器214投入使用时生产的组件或子配件的方式被制造或加工。另外，一个或更多个装置实施例、方法实施例或其组合可以在生产阶段220和222中被利用，例如，通过显著加快飞行器214的装配或减小飞行器214的成本。类似地，当飞行器242投入使用时，装置实施例、方法实施例或其组合中的一个或更多个可以被利用，例如但不限于维修和维护228。

Claims (20)

1.一种用于在具有共同特征的结构的族(56)中制造多个不同层压结构中的每个的装置，其包含：
多个分开的制造模块(42)，其分别局部地适于在对应工具(48)上制造所述层压结构的一部分，所述制造模块(42)可重新配置以在其所述族(56)内制造所述层压结构中的每个，其中所述制造模块(42)中的每个包括其中局部安装有成型构件(116)的一部分(148)的轨道(118)；
控制器(52)，其用于控制和协调所述制造模块(42)的自动操作；和
所述成型构件(116)适于在所述工具(48)上方形成层压层片(46)，所述成型构件(116)沿所述制造模块(42)的长度延伸，所述成型构件(116)的部分被安装在所述制造模块(42)中的每个上，以便在所述工具(48)上方沿至少两个轴线运动，其中所述成型构件(116)被可移动地安装在所述轨道(118)中以允许分别具有不同形状的多个成型构件(116)的可互换性。
2.根据权利要求1所述的装置，其中所述成型构件(116)沿匹配所述工具(48)的弧长的所述制造模块(42)的所述长度连续。
3.根据权利要求1所述的装置，其中所述成型构件(116)适于扫过在所述工具(48)的上方的层压层片(46)，并且具有柔度。
4.根据权利要求1所述的装置，其中所述制造模块(42)中的每个包括适于抵靠所述工具(48)的一部分夹紧一部分层压层片(46)的夹具(122)。
5.根据权利要求1所述的装置，其中所述制造模块(42)中的每个包括与所述成型构件(116)耦接的功率驱动器，用于扫过在所述层压层片(46)上方的所述成型构件(116)并将层压层片(46)压实在所述工具(48)上。
6.根据权利要求1所述的装置，进一步包含：
柔性层片载体(84)，其适于将至少一个层压层片(46)保持在其上，且
其中所述制造模块(42)中的每个包括一对空间隔开的轨道(120)和层片载体控制配件(86)，所述一对空间隔开的轨道(120)适于可释放地保持所述层片载体(84)，所述层片载体控制配件(86)用于当所述成型构件(116)在所述工具(48)上方形成所述层片时保持所述层片载体(84)处于张力中。
7.根据权利要求6所述的装置，其中：
所述成型构件(116)与所述层片载体(84)接合以扫过在所述工具(48)上方的所述层片载体(84)与在其上的所述层片(46)，且
所述层片载体控制配件(86)包括用于沿两个轴线即Y轴线和Z轴线调整所述层片载体(84)的位置的驱动器(88，90)。
8.根据权利要求1所述的装置，其中所述制造模块(42)中的每个包括用于将所述制造模块(42)夹紧至所述工具(48)的夹具(114)。
9.根据权利要求8所述的装置，进一步包含：
在所述制造模块(42)之间的连接(44)，用于将所述制造模块(42)刚性地耦接在一起并且用于相对于所述工具(48)对齐所述制造模块(42)。
10.根据权利要求9所述的装置，其中所述制造模块(42)基本相同且彼此可互换。
11.根据权利要求1所述的装置，进一步包含：
中心控制器(52)，其用于控制和协调所述制造模块(42)的操作以共同地制造所述层压结构。
12.一种在具有共同特征的零件(54)的族(56)中制造多个不同零件(54)中的每个的方法，其中使用对应工具(48)制造所述零件(54)中的每个，所述方法包含：
布置多个分开的、基本相同的制造模块(42)以基本匹配在其上将制造所述零件(54)中的一个的工具(48)，其中所述制造模块(42)中的每个包括轨道(118)；
将成型构件(116)的部分局部安装在沿所述制造模块(42)的基本整个长度的所述轨道(118)内，所述成型构件(116)的部分安装在所述制造模块(42)中的每个上，以便在所述工具(48)上方沿至少两个轴线运动，其中所述成型构件(116)被可移动地安装在所述轨道(118)中以允许分别具有不同形状的多个成型构件(116)的可互换性；
使所述制造模块(42)中的每个适应所述工具(48)的局部部分；以及
控制和协调所述制造模块(42)的操作以在所述工具(48)的对应部分上方制造部分所述零件(54)。
13.根据权利要求12所述的方法，其中布置所述制造模块(42)包括：
将所述制造模块(42)中的每个移动至接近所述工具(48)，以及
将所述制造模块(42)刚性地连接在一起。
14.根据权利要求12或13所述的方法，进一步包含：
将所述制造模块(42)中的每个夹紧至所述工具(48)。
15.根据权利要求14所述的方法，其中使所述制造模块(42)中的每个适应包括通过所述制造模块(42)中的每个学习所述工具(48)上的表面(72，74，76，78，80)的位置，在所述表面(72，74，76，78，80)上将制造所述零件(54)。
16.根据权利要求15所述的方法，进一步包含：
使用成型构件(116)横跨所述工具(48)的表面(72，74，76，78，80)扫过材料(46)，以及
使用所述成型构件(116)以学习在所述工具(48)上的所述表面(72，74，76，78，80)的位置，
其中学习所述表面(72，74，76，78，80)的位置包括：
当所述成型构件(116)横跨所述工具(48)的所述表面(72，74，76，78，80)扫过材料(46)时，感测所述成型构件(116)的位置，且
记录感测的所述成型构件(116)的位置。
17.根据权利要求16所述的方法，其中使所述制造模块(42)中的每个适应包括将所述制造模块(42)的高度调整为共同的水线(132)。
18.根据权利要求17所述的方法，进一步包含：
沿匹配所述工具(48)的弧长的所述制造模块(42)的整个长度形成连续齿条。
19.根据权利要求18所述的方法，其中形成所述连续齿条包括沿匹配所述工具(48)的弧长的所述制造模块(42)的基本整个长度安装连续的成型构件(116)。
20.根据权利要求19所述的方法，其中：
所述制造模块(42)中的每个是用于形成层片(56)的局部部分的层压层片样板模块(42)，且
布置所述制造模块(42)包括将所述制造模块(42)连接在一起以形成单个层压层片样板(40)。
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