CN108943980A - 多机器高速复合材料铺设 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及多机器高速复合材料铺设。提供了用于铺设层压体的系统和方法。一个实施方式是一种方法，该方法包括通过如下步骤将纤维增强材料的多层层压体铺设在一表面上：将纤维增强材料带供送至带切割器，所述带切割器将所述带切割成片段；在依次位于行进方向上的多个层压单元中的每个层压单元处借助于拾放装置拾取纤维增强材料的片段；以及在所述表面和所述层压单元相对于彼此改变位置并且多个片段并行铺设时借助于所述拾放装置放置所述纤维增强材料的片段以形成层压体。

Description

多机器高速复合材料铺设
技术领域
本发明涉及复合材料制造领域，特别涉及用于固化成复合材料部件的自动铺设多层组分材料的系统。
背景技术
材料(例如，未固化的碳纤维增强聚合物(CFRP))的多层层压体可以形成为任何形状，以固化成复合部件，诸如纵梁，地板梁，或其他组件。为了便于复合部件的制造，可以使用机器人，如平带铺布机(FTLM)。例如，FTLM可以铺设一层或多层材料，形成平坦层压体，然后将其切割，与其他材料放置在一起，并固化成复合部分。
FTLM的操作可以由数控(NC)程序来指导，该程序在铺设继续时指示FTLM头在层压体上的移动。铺设平坦的层压体仍然是一个耗时的过程，因为每当要铺设一层中的新的材料路线时，FTLM头可能就不得不重新定位自身。因此，即使是单个平坦层，为了完全铺设，也可能需要多个FTLM路径。此外，FTLM头可能会在每一层之后重新定向，以与新的纤维取向对齐，这再次增加了铺层时间。
目前，FTLM技术还不能提供足够高的吞吐量来支持平面层压体的即时铺层过程。因为FTLM技术利用了大量的时间来铺设平坦层压体，所以可以多批次创建层压体，这些批次被储存、冻结，然后解冻以供使用。用于这种层压体的相关储存和冷冻设备既大又贵。因此，技术人员持续渴望能够提高制造速度以降低制造成本的系统和方法。
发明内容
这里描述的实施方式利用依次布置的层压单元。每个层压单元可以将材料片段切割、拾取并放置在平坦层压体上以铺设层而形成层压体。这样，可以为单个层压体一次铺设多个层，这极大地提高了制造速度。所述层压体相对于机器人移动，以方便总体速度并且消除了单独重新定位部件的任何需要。
一个实施方式是一种方法，该方法包括通过如下步骤将纤维增强材料的多层层压体铺设在一表面上：将纤维增强材料带供送至带切割器，所述带切割器将所述带切割成片段；在依次位于行进方向上的多个层压单元中的每个层压单元处借助于拾放装置拾取纤维增强材料的片段；以及在所述表面和所述层压单元相对于彼此改变位置并且多个片段并行铺设时借助于所述拾放装置放置所述纤维增强材料的片段以形成层压体。
另一个实施方式是一种实现编程指令的非暂时性计算机可读介质，所述编程指令在由处理器执行时可操作成执行一种方法。该方法包括通过如下步骤将纤维增强材料的多层层压体铺设在一表面上：将纤维增强材料带供送至带切割器，所述带切割器将所述带切割成片段；在依次位于行进方向上的多个层压单元中的每个层压单元处借助于拾放装置拾取纤维增强材料的片段；以及在所述表面和所述层压单元相对于彼此改变位置并且多个片段并行铺设时借助于所述拾放装置放置所述纤维增强材料的片段以形成层压体。
另一个实施方式是一种设备。所述设备包括：多个拾放装置；控制器；联接至所述控制器的传感器；复合材料供应装置，该复合材料供应装置为所述拾放装置供应纤维增强材料的片段；以及移动装置，该移动装置改变被铺设的表面相对于所述拾放装置的位置。所述控制器基于来自传感器的输入来控制所述拾放装置的操作。
另一个实施方式是一种系统，该系统包括：表面；和层压单元，所述层压单元沿着行进方向相对于所述表面移动，沿着行进方向依次布置，并且均将纤维增强材料的多层层压体的片段铺设在所述表面上。每个层压单元包括：进料辊，该进料辊供应材料带；驱动辊，该驱动辊将带从所述进料辊抽出；铺层切割器，该铺层切割器从所述材料的带以一角度切割出片段，并且在操作过程中可旋转以改变所述角度；和拾放装置，该拾放装置通过拾取所述片段并将所述片段放置在所述层压体上而铺设所述层压体的层。
其它示例性实施方式(例如，涉及上述实施方式的方法和计算机可读介质)可以在下面进行描述。已经讨论的特征、功能和优点可以在各种实施方式中独立地实现，或者可以可以在另外其它实施方式中进行组合，参照如下描述和附图可以看到这些实施方式的更多细节。
附图说明
现在仅通过示例并参考附图描述本公开的一些实施方式。在所有附图中，相同的附图标记表示相同的元件或相同类型的元件。
图1是一个示例性实施方式中的层压系统的立体图。
图2是一个示例性实施方式中的层压系统的侧视图。
图3是一个示例性实施方式中的层压系统的一部分的放大图，该层压系统将背衬从带移除。
图4是一个示例性实施方式中的层压系统的俯视图。
图5是示出了操作一个示例性实施方式中的层压系统的方法的流程图。
图6至图9示出了在一个示例性实施方式中通过层压系统进行层压体的构建。
图10是一个示例性实施方式的用于层压系统的铺层切割器的立体图。
图11至图13示出了一个示例性实施方式中的使层压单元相对于表面移动的系统。
图14是一个示例性实施方式中的层压系统的框图。
图15是一个示例性实施方式中的飞行器制造和维护方法的流程图。
图16是一个示例性实施方式中的飞行器的框图。
具体实施方式
附图和如下描述说明了本公开的基体示例性实施方式。因此，将认识到，本领域技术人员将能够设计各种布置，这些布置虽然未在这里明确地描述或示出，但体现了本公开的原理并且包括在本公开的范围内。此外，本文所描述的任何示例都旨在帮助理解本公开的原理，并且应被解释为不限于这些明确阐述的示例和条件。结果，该公开不限于下面描述的具体实施方式或示例，而是由权利要求及其等价物限定。
图1是示例性实施方式中的层压系统100的立体图。层压系统100铺设纤维增强材料113的多层层压体170，该多层层压体170将固化成复合零件。纤维增强材料113可以包括预浸渍有可固化树脂的未固化碳纤维增强聚合物(CFRP)，可以包括干碳纤维，可以包括经由热塑性面纱(veil)粘着(tack)在一起的干碳纤维，可以包括玻璃纤维层压体等。当层压体170朝着行进方向D前进时，层压体170经过层压单元110。层压单元110沿着行进方向D依次排列。每个层压单元110将材料条113(例如，任何适当宽度的碳纤维带，甚至比用于层压体170所用的带更宽的碳纤维带)切割并放置到层压体170上以便铺设层压体170。例如，在一个实施方式中，每个层压单元110铺设单层层压体170，并且每层的纤维彼此平行取向。
层压系统100的框架152给表面150(例如，心轴的表面)提供支撑。在本实施方式中，表面150是沿着D方向传送层压体170的传送器带的上表面。在进一步的实施方式中，表面150可以包括穿梭台的表面，或者包括层压单元110相对其移动的固定台的表面。在大多数实施方式中，该移动是线性的。技术可以涉及在每次放置层压分段(即，片段118)之后使层压体施加表面(即，表面150)线性前进。然而，进一步实施方式可能涉及弧形甚至圆形运动。铺层可以以直列式层压器160开始，该层压器160由支架162保持，并利用供料辊(带分配器)112将材料113供送到层压体170上。由直列式层压器160供应的材料113具有平行于方向D的纤维取向。直列式层压器160可以被称为独立式零度带施加模块，该独立式零度带施加模块独立于多个施加模块(即，层压单元110)并且相对于层压体施加表面(即表面150)移动。当层压体170沿着方向D继续时，到达层压单元110。每个层压单元110包括储存并供应带114的供料辊(复合材料供应装置)112。带114经由驱动辊116从供料辊112拉出，所述驱动辊116旋转以向带114施加向前驱动该带114的力。在该过程中，一次性背衬122从带114分离并储存在卷筒124上。施加模块(即层压单元110)可以分发单向的带114。
每个铺层切割器130从带114切出片段118，该片段118通过对应的拾放装置140铺设在层压体170上。在该实施方式中，铺层切割器130包括刀片132和旋转台134。因此，铺层切割器130可以执行将层压片段(即，片段118)放置在旋转台上，然后将其从施加模块(即，层压单元110)切断。拾放装置140由支架142保持在适当的位置，并且可以包括利用夹持部件或向片段118施加真空差的部件的装置，以在运动过程中保持片段118。拾放装置140可以执行例用末端执行器148(例如，成形为与所拾取的层压分段匹配的真空压板末端执行器)自动地拾取每个层压分段。该技术可以进一步包括用末端执行器(例如，形状与层压分段相匹配的真空压板末端执行器)真空拾取每个层压分段。
在图1中还描绘了控制器180。控制器180管理层压单元110、直列式层压器160和/或表面150的操作，以便控制层压体170的铺设。例如，控制器180可以执行一个或多个数控(NC)程序来管理拾放装置140、铺层切割器130等的操作。控制器180可以实施为例如定制电路、执行编程指令的硬件处理器或者它们的组合。
层压系统100不像依赖于FTLM的系统那样通过不断地重定向并且重定位移动头来缓慢铺设层压体。具体来说，层压系统100通过完全消除对FTLM的需要来提高总铺设速度，而且还允许在层压体170上同时铺设多个层(例如，每个层压单元110一层)。此外，使用拾放装置140代替复杂的FTLM允许在制造过程中使用不那么复杂(且也更便宜)的机械。此外，拾放装置140可以避免通过旋转、平移和扭转而操作FTLM的需要，因此可以避免相关的动力学/运动学问题。
在图2中提供了层压系统100的更多细节，图2是由图1的视图箭头2所示的侧视图。图2描绘了图1中所示的部件，并且进一步描绘了传感器144(例如，获取投影激光网格的图像的相机)。拾放装置140可以利用传感器144确保材料113的片段118被铺设到层压体170上而不会在层压体170处形成间隙。例如，传感器144可检测末端执行器148上是否存在片段118，并且可以进一步检测片段118相对于末端执行器148的位置。也就是说，每个拾放设备140可以将片段118在层压体170上布置到不同的相邻层中，例如，如果铺层切割器130以45°的角度切割片段118，则对应的拾放装置140可以将片段118旋转45°，并且将片段118彼此连续地放置在层压体170处以形成具有45度纤维取向的无间隙的单层。这样，每层的纤维取向对应于正为该层切割片段118的铺层切割器130的角度。
在该实施方式中，拾放装置140处的加热器146(例如，辐射加热器)在铺设片段118之前将片段118加热到粘着温度(例如，190°F)。因此，一种方法可以涉及在拾取和放置过程中加热层压体分段。图2进一步描绘了区域3，其中在退出供料辊112之后背衬122从带114分离，并且沿着层压系统100放置一个或多个传感器144(例如，压力传感器、相机、激光或超声波测距装置等)。传感器144可以用于在铺设切割器130切割之前或期间感测片段118的位置。传感器144还可提供传感器数据，该传感器数据可以用于在拾放装置140的末端执行器148的运动期间感测片段118以获取片段118，可以用于检测末端执行器148上是否存在片段118，并且可以用于检测末端执行器148相对于拾取或放下位置的位置。传感器输入还可用于感测末端执行器148相对于拾取或放下位置的位置/取向，以确定用于将片段118施加到层压体170的压力，感测已经被放置在层压体170处的片段118，和/或甚至感测片段118的温度。下面相对于图5提供传感器144的进一步细节。
在进一步的实施方式中，末端执行器148包括多个传感器144。这里使用的“若干”传感器包括一个或多个传感器。因此，传感器144包括任何所需数量的传感器。传感器144生成任何所需类型的测量值作为传感器数据。虽然传感器144被描绘为接近末端执行器148，但在一些实施方式中，传感器144可以是连接到拾放装置140、连接到末端执行器148或以其他方式位于系统100内的至少一者。例如，可以在整个系统100中放置传感器144以追踪末端执行器148的运动。在进一步实施方式中，可以将传感器144可放置在系统100处，以生成用于层压体170的传感器数据(例如位置数据)。在又进一步的实施方式中，传感器144可以连接到拾放装置140，而不是末端执行器148。在一些又进一步的实施方式中，除了拾放装置140之外，若干个传感器144可以连接到末端执行器148。
图3是图2的区域3的放大图，并且图示了补充驱动辊116的卷收辊300。背衬122在继续向卷筒124移动时围绕卷收辊300卷绕。同时，带114向铺层切割器130前进，该铺层切割器可作为带切割器来操作以切割带114。在这样的实施方式中，驱动辊116和/或卷收辊300的任何合适的组合可以被主动供电，并且辊的任何组合都可以作为驱动和/或从动辊操作。
图4以图2的视图箭头4指示的俯视图的形式提供了层压系统100的进一步说明。图4图示了直列式层压器160和层压单元110均占据沿D(例如沿X轴)的不同位置。这些位置标记为X1、X2、X3和X4。当层压体170在D方向上前进时，直列式层压器160施加第一层材料113，X2处的层压单元110施加第二层材料113，X3处的层压单元110施加第三层材料113，而X4处的层压单元110施加第四层材料113。例如，片段400被铺设在层压体170处的第四层材料113中。因此，层压体170在沿D横穿时厚度增加。关于面描述的图6至图9提供这一铺设过程的说明。在一些实施方式中，在位置X1处的直列式层压器160可以使用比典型的宽得多的带。比典型的FTLM更宽的带也可以在位置X2、X3和X4处使用，因为这些站点不需要移动。
层压系统100的说明性细节将结合图5进行讨论。对于该实施方式，假定操作者已将带114装入供料辊112，并且控制器180已经启动层压单元110和直列式层压器160。
图5是图示出示例性实施方式中的用于操作层压系统的方法500的流程图。参照图1的层压系统100描述方法500的步骤，但是本领域技术人员将认识到，可以在其他系统中执行方法500。这里描述的流程图的步骤并没有都包括在内，并且可以包括未示出的其他步骤。这里描述的步骤也可以以另选的顺序执行。
驱动辊116将纤维增强材料113的带114供送到一个或多个带/铺层切割器130，该切割器130将带114切割成片段(步骤501)。控制器180通过指引材料113放置到表面150上来启动用于层压体170的多层纤维增强材料130的铺设(步骤502)。该过程包括使表面150和/或层压单元110相对于彼此移动(步骤504)。例如，根据该实施方式，这可以包括控制器180在层压单元静止时借助传送器指引指引表面150在方向D上前进，在表面150保持静止时移动层压单元，等等。在图11至图13描绘的进一步实施方式中，实现表面150相对于层压单元110的运动的机构可以改变。在一个实施方式中，直列式层压器160铺设具有平行于方向D的纤维取向的层。在这种情况下，在直列式层压器160处的铺层切割器(未示出)可以将整个层/满层切割为带114的单个片段118。
当表面150和/或层压单元110前进时，带114通过驱动辊116的作用从供料辊112中抽出，而铺层切割器130在层压单元110处将带114切割成片段118(步骤506)。可以由控制器180基于供料辊112处的张力传感器(未示出)来调节随时间抽出的带量。每个铺层切割器130的角度是可调节的，并且控制器180控制层压单元110，使得各个层压单元110可以相对于彼此以不同角度切割带114。这种技术可以使层压体170的每一层呈现不同的纤维取向，这可以期望地在多个维度上增强强度。
一个或多个传感器(未示出)可量化铺层切割器130处的旋转量，和/或是否已经由铺层切割器130成功切割。例如，旋转传感器可以在铺层切割器130每次旋转预定量时产生信号，并且控制器180可以解释该信息以确定铺层切割器130的当前旋转。在进一步的实施方式中，铺层切割器130可以具有其他构造，但传感器仍可用于控制铺层切割器130的操作。
这些技术可以进一步利用一个或多个传感器144(例如，重叠传感器和间隙传感器)。例如，一个或多个传感器144(例如，相机)可以提供图像，控制器180利用这些图像来确定在片段118运输之前(和/或片段118的取向)、期间或之后拾放装置140相对于片段118取向和/或距离。传感器144(例如，包括重叠传感器和间隙传感器)可以用来对层压体施加表面(即表面150)上放置层压分段(即片段118)进行反馈控制监测。在另一个示示例，一个或多个传感器144(例如，激光或超声波测距传感器)在片段118的拾放期间获取距离信息，以确定拾放装置140的末端执行器148到片段118的距离(例如，竖直距离)。
当末端执行器148与片段118接触时，一个或多个传感器144(例如，压力传感器)可以在拾放装置140的操作期间(例如在将片段118输送到所需位置期间)获取表示拾放装置140与片段118之间的接触压力的压力信息/数据。例如，控制器180可以利用来自传感器144的压力数据来调节末端执行器与片段118的接触力，以调节在片段118压实到层压体170上的过程中施加至片段118的压力和/或确认末端执行器148对片段118的释放。
控制器180可以利用以上描述的各种类型的信息对末端执行器148和/或拾放装置140的其他部件进行基于反馈的控制。例如，控制器180可以在操纵/控制末端执行器148的同时利用来自一个或多个传感器144的图像和/或距离输入来感测片段118的位置、取向和形状。控制器180还可以利用来自传感器144的压力数据来检测末端执行器148处是否存在(例如，固定)片段118和/或末端执行器148处片段118的位置和/或旋转。来自于一个或多个传感器144的输入，包括压力、距离和//或图像数据可以进一步供控制器180使用以将片段118结合至末端执行器，并且将片段118相对于心轴(例如放置位置)定位。例如，控制器180可以通过基于图像和/或距离数据感测心轴并且控制末端执行器148用片段118接触心轴来实现这一结果。一个或多个传感器144甚至可以提供表示片段118在层压体170上的精确放置位置的图像或距离输入，以方便控制器180进行反馈控制。基于由一个或多个传感器144报告的压实力的量，控制器180可以精确地施加对着层压体170压实片段118的压实量。控制器180可以在控制末端执行器的同时进一步基于来自传感器144的输入对拾放装置140执行基于反馈的控制。
尽管未在图5中描述，但任何期望数量或类型的传感器144都可以连接到末端执行器148或拾放装置140以用于过程控制。例如，末端执行器148和拾放装置140中的至少一者可以基于连接到末端执行器148和拾放装置140中的至少一者的多个传感器(未示出)来控制。来自多个传感器(未示出)的测量可用于确定何时到达拾放装置140、何时在末端执行器148上拉真空、何时将压力施加到末端执行器148、何时末端执行器148保持复合材料(未示出)或者何时已从末端执行器148移除复合材料的片段118并将其压实到铺设结构(未示出)上。
在一些说明性示例中，由一个或多个传感器144获取的距离数据表示末端执行器148距离复合材料的片段118和层压体170中的至少一者的距离以接收片段118。因而，方法500涉及接收表示片段118的位置的传感器数据(步骤507)。在一个示例中，若干个传感器144在末端执行器148朝向片段118下降以拾取片段118时确定末端执行器148距离复合材料的距离数据。在另一个示例中，若干个传感器144在片段118被放置到铺设结构上时产生末端执行器118距离片段118的距离数据。在一个示例中，若干个传感器144在末端执行器148从片段118和/或层压体170移开时产生末端执行器148距离片段118的距离数据。
在一些说明性示例中，若干个传感器144可以在片段118被保持在末端执行器148上时检测片段118的存在。在一些说明性示例中，若干个传感器144可以作为压力数据检测施加至片段118的压力量。在一些说明性示例中，当压力数据和距离数据中的至少一者表明片段118不再被保持在末端执行器148上时，末端执行器148从压实在层压体170(或另一个表面)上的片段118移开。
控制器180用来指令层压单元119(具体地说，拾放装置140)在每个层压单元110处拾取片段118(步骤508)。这是基于来自传感器144的反馈传感器数据进行的，以方便片段118的排列和获取。此外，用于反馈的传感器数据包括图像数据、距离数据和压力数据中的至少一者。拾放装置140将片段118放置在作为表面150的层压体170上，并且层压单元110改变相对于彼此的位置(步骤510)。例如，控制器180可以基于来自传感器144的输入来控制末端执行器148与片段118的接触。在一个实施方式中，控制器180从感测片段118的位置和形状的传感器144接收输入，并且基于该输入控制末端执行器148。控制器180进一步指引末端执行器148与片段118结合，并且将片段118定位在一表面诸如心轴上。表面(例如，心轴的表面)的存在可以借助于传感器144来检测，并且控制器180可以在将片段118放置在该表面上的过程中控制末端执行器148。在进一步的实施方式中，在抵靠表面和/或层压体170放置和/或压实片段118时，传感器144提供感测层压体170上的位置的输入。控制器180可以基于来自于传感器144的感测信息执行任何适当形式的反馈控制，以控制末端执行器148拾取、移动和/或放置片段118。
响应于表示片段118已经被铺设的反馈传感器数据(例如，表示片段118的成功压实和释放的压力数据)，层压单元110进一步重新定位(例如，通过重新定位拾放装置140)以便准备拾取新的片段118。这样，控制器180可以基于传感器数据迭代地构建层压器170以便创造多层层压体170。
片段118的拾取和放置可以这样执行，即，各层压单元110将不同的层铺设到层压体170上。例如，每个拾放装置140可以基于这些片段118的期望纤维取向而选择性地旋转和/或定位到达的片段118。这可以使得每个层压单元110在层压体170经过每个层压单元110时将一个层铺设在层压体170上。
方法500相对于现有技术系统提供了显著的益处，因为该方法500使得能够快速铺设多个层，以便形成用于固化成复合材料零件的层压体。也就是说，多个层压单元110并行地和/或同时地向层压体170施加铺层。因而，层压体170经过层压单元110单次就可以铺设多个层，这显著地增加了铺设层压体170的速度。因此，这里描述的系统允许同时铺设四个(或更多)铺层，并且甚至可以使用宽度比现有技术方法更宽的带，从而进一步提高制造速度。每个层压单元可以利用任何合适数量的拾放装置、进料辊和/或铺层切割器，并且可以利用任何合适数量的层压单元。
图6至图9示出了在层压体170相对于层压单元110移动时层压体170的构建。具体地说，图6是在铺设过程中的层压体170的侧视图。这些图中所示的横向位置包括X1、X2、X3和X4。同时，这些图中所示的竖直位置包括L1、L2、L3等。当层压体170前进经过X1时，由直列式层压器160在L1铺设第一层610。层压体170继续，并且在层压体170经过X2时，由X2处的层压单元110在L2处铺设第二层620。层620由多个切割片段118形成。这导致将层压体分段(即，片段118)相对于层压体施加表面顺序地放置在层压体施加表面(即，表面150)上。还示出了片段118之间的边界650。当层压体170的多个部分前进经过X3(在L3处得到层630)和X4(在L4处得到层640)时，铺设以类似的方式继续进行。由于层压体170可能相当长(例如，几十英尺，诸如六十英尺)，直列式层压器160和层压单元110可以并行地操作以在层压体170相对于层压单元110移动时同时铺设它们的层。每个层可以展现出不同的纤维取向(例如，0°、+45°、-45°、90°等等)，但是也可以铺设具有相同纤维取向的层。
图7是示出了图6所示的层压体170的俯视图，并且对应于图6的视图箭头7。图7示出了在该实施方式中每个层的纤维取向影响每个层中的片段118的形状。例如，层620和640利用平行四边形片段118，而层630利用矩形片段118。层610沿着区域R1可见，层620沿着区域R2可见，层630沿着区域R3可见，而层640沿着区域R4可见。还示出了末端片段740，该末端片段740终止于包括非正交纤维取向的层。末端片段740可以由铺层切割器130切割成三角形或梯形形状，以便确保其对应的层在沿着X的特定坐标处利落地终止。为了实现这一结果，控制器180在层铺设过程中(具体地说，在对单个片段118进行切割之间)指引铺设切割器130改变角度。这形成了具有以不同角度切割的末端742的末端片段。
在这些操作过程中，可以从沿着层压系统100放置的一个或多个传感器144(例如，压力传感器、相机、激光或超声波测距装置等)获取传感器数据，以便控制器180能够执行层压单元的基于反馈的控制。例如，传感器144可以用来在由铺层切割器130切割之前或过程中感测片段118的位置。传感器144可以进一步提供传感器数据，该传感器数据可以用来在拾放装置140的末端执行器148的运动过程中感测片段118以获取片段118，可以用来感测片段118是否存在末端执行器148上，并且可以用来感测末端执行器148相对于拾取或放下位置的位置。传感器输入可以进一步用来感测末端执行器148相对于拾取或放下位置的位置/取向，以确定用于向层压体170施加片段118所用的压力，感测片段118是否已经被放置在层压体170处，并且/或者感测片段118的温度。
图8示出了在层压体170已经完成沿着方向D运动之后的层压体170。在该实施方式中，层压体170为矩形形状，但是在进一步的实施方式中，层压体170内的各种层的长度可以改变，以便在层压体170处形成斜坡或其它特征。
在完成第一组层的铺设的情况下，层压体170如图9所示反转方向D，从而在层压体170沿着X退回时进行附加铺设。控制器180可以在层压体170反转方向之前调节铺设切割器130的角度，以便提供新的一组纤维取向。然后在层压体170沿着新的反转方向D继续时在L5(在X4处开始)、L6(在X3处开始)、L7(在X2处开始)和L8(在X1处开始)继续进行铺设。
层压系统100利用的铺设切割器130可以根据实施方式而不同。在图10所示的一个实施方式中，铺层切割器130均包括被安装成在位于旋转台134的狭槽1010内往复的斜刀片1000(例如，切纸刀)。这样，通过调节旋转台134的角度，调节刀片1000的角度。旋转台134的表面1020可以包括诸如聚乙烯之类的低摩擦物质。在一个实施方式中，铺层切割器130通过集成式冷却器1030(例如，循环制冷剂或冷却流体的装置)冷却，以便确保刀片100不会粘附至纤维增强材料的片段118或者在操作过程中以其它方式“出现故障”。在进一步实施方式中，铺层切割器130可以包括任何合适的切割装置，诸如被安装至沿着X和Y移动的致动器的超声波切割刀等等。
图11至图13示出了示例性实施方式中的用于相对于平台移动层压单元的系统。图11示出了类似于图1的层压系统1100，其中刚性框架1110支撑传送带(移动装置)1120，以使层压体前进经过层压单元1130。同时，图12示出了层压系统1200，其中层压体170被安装至移动穿梭台(移动装置)1210，该移动穿梭台1210沿着导轨1220移动同时前进经过层压单元。图13示出了层压系统1300，其中层压模块附装至推车(移动装置)1330，在铺设该推车1330沿着轨道1320移动经过供在其上铺设层压体170的固定框架1310。
实施例
在如下示例中，在层压系统1400的情况下描述附加的过程、系统和方法，该层压系统1400执行快速铺设多层线性碳纤维增强材料的层压体。
图14是一个示例性实施方式中的层压系统1400的框图。层压系统1400包括表面1410，该表面1410通过传送器1412在方向D上移动，以便使层压体1420前进。层压单元1450将材料片段1480铺设到层压体1420上，以便形成层1422。在该实施方式中，层压单元1450包括进料辊1452，该进料辊1452供应通过驱动辊1460的作用而抽出的纤维增强带1454。背衬1456借助于辊1458移除，辊1458将背衬1456指引至卷收辊1457。带切割器1470以可调节的角度切割带1454，并且旋转台1474可以旋转以便调节该角度。拾放装置1482前进以将片段1480拾取并放置在层压体1420的层1424上。还示出了直列式层压器490，该直列式层压器490铺设沿着D具有纤维取向的带1493。进料辊1492供应通过传送器1412的作用而被抽出的带1493。刀片1494在层1422完成时将带1493切断。
传感器1498提供用于操作层压单元1450的各种部件的输入。例如，一个或多个传感器1498可以提供用于方便进料辊1452的控制的输入(例如，经由张力传感器)、用于带切割器1470的输入(例如，经由检测成功切割的压力传感器或量化旋转台1474的旋转的传感器)、将片段1480配对至拾放装置1482(例如，经由压力传感器)、报告片段1480在拾放装置1482上的位置(例如，经由测距传感器如激光传感器)、感测片段1480在拾放装置1482处的附着(例如，经由压力传感器)、相对于层压体1420处的期望放置位置将拾放装置1482定位(例如，经由相机)、提供放置片段1480时的位置和/或取向数据以及报告片段1480在层压体1420上的压实力(例如，经由压力传感器)。控制器1499可以基于来自于以上描述的各种传感器1498的传感器数据1497操作层压单元1450的各种部件，以参与层压单元的基于反馈的控制。
更具体地参照附图，可以在图15中所示的飞行器制造和维护方法1500和图16中所述的飞行器1502的情况下描述该公开的实施方式。在预生产过程中，示例性方法1500可以包括飞行器1502的规格和设计1504和材料采购1506。在生产过程中，进行飞行器1502的部件和子组件制造1508和系统集成1510。之后，飞行器1502可以经过认证和交付1512，以投入服役1514。在由客户使用的同时，为飞行器1502计划例行保养和维护1516(这还可以包括修改、重构、整修等等)。可以在生产和维护方法1500的任何一个或多个合适阶段(例如，规格和设计1504、材料采购1506、部件和子组件制造1508、系统集成1510、认证和交付1512、服役1514、保养和维护1516)期间和/或飞行器1502的任何合适的部件(例如，机身1518、系统1520、内饰1522、推进系统1524、电气系统1526、液压系统1528、环境系统1530)采用这里实施的设备和方法。
方法1500的每个过程可以由系统集成器、第三方和/或操作方(例如，客户)执行或实施。为了本描述之目的，系统集成器可以不受限制地包括任何数量的飞行器制造商和主系统分包商；第三方可以不受限制地包括任何数量的卖方、分包商和供应商；而操作方可以为航空公司、租赁公司、军事实体、维护或组织机构等等。
如图16所示，通过示例性方法1500生产的飞行器1502可以包括具有多个系统1520和内饰1522的机身1518。高级系统1520的示例包括推进系统1524、电气系统1526、液压系统1528和环境系统1530中的一个或多个。可以包括任何数量的其它系统。尽管示出了航空示例，但是本发明的原理可以应用于其它工业，诸如汽车工业。
如以上已经提到的，这里实施的设备和方法可以在生产和维护方法1500的阶段中的任一个或多个阶段期间采用。与生产阶段1508对应的部件或子组件可以以类似于飞行器1502处于服役时生成的部件或子组件的方式制造或生产。此外，在生产阶段1508和1510期间可以利用一个或多个设备实施方式、方法实施方式或它们的组合，例如，通过显著加速组装或降低飞行器1502的成本。类似地，可以在飞行器1502处于服役的同时利用一个或多个设备实施方式、方法实施方式或它们的组合，例如非限制性地，应用于保养和维护1516。例如，这里描述的技术和系统可以用于步骤1506、1508、1510和/或1516，并且/或者可以用于机身和/或内饰1522。这些技术和系统甚至可以用于系统1520，包括例如推进系统1524、电气系统1526、液压系统1528和/或环境系统1530。
在一个实施方式中，层压体170固化而形成复合零件诸如机身1518的一部分，并且是在部件和子组件制造1508过程中制造。然后可以将该复合零件在系统集成1510中组装到飞行器中，然后在服役1514中使用，直到磨损导致该复合零件不能用。然后，在保养和维护1516中，可将层压体170丢弃，并且更换为新制造的零件。可在部件和子组件制造1508的整个过程中使用铺设层压体170的创造性部件和方法，以便制造新的零件。
在附图中所示或在这里描述的各种控制元件(例如，电气或电子部件)中的任何控制元件都可以实现为硬件、执行软件的处理器、实现固件的处理器或上述这些的一些组合。例如，某一元件可以实施为专用硬件。专用硬件元件可以被称为“处理器”、“控制器”或者一些类似的术语。当由处理器提供时，这些功能可以通过单个专用处理器、单个共享处理器或通过多个单独处理器(其中某些处理器可以共享)来提供。而且，明确地使用术语“处理器”或“控制器”不应该被解释为唯一指代能够执行软件的硬件，而是可以暗含地包括(非限制性地)数字信号处理器(DSP)硬件、网络处理器、专用应用集成电路(ASIC)或其它电路、可现场编程的门阵列(FPGA)、用于存储软件的只读存储器(ROM)、随机存取存储器(RAM)、非易失性存储器、逻辑电路、或者一些其它物理硬件组件或模块。
此外，控制元件可以实现为可由处理器或计算机执行以实现元件的功能的指令。指令的一些示例有软件、程序代码和固件。这些指令在由处理器执行时操作以指引所述处理器实现元件的功能。这些指令可以存储在可由处理器读取的存储装置上。这些存储装置的一些示例有数字存储器或固态存储器、磁性存储介质如磁盘和磁带、硬盘驱动器或可光学读取的数字式数据存储介质。
本发明还可以参照不会与权利要求混淆的如下条款。
A1.一种方法，该方法包括：
通过如下步骤将纤维增强材料的多层层压体铺设在一表面上：
将纤维增强材料带供送至带切割器，所述带切割器将所述带切割成片段(501)；
在依次位于行进方向上的多个层压单元中的每个层压单元处借助于拾放装置拾取纤维增强材料的片段(508)；以及
在所述表面和所述层压单元相对于彼此改变位置并且多个片段并行铺设时借助于所述拾放装置放置所述纤维增强材料的片段以形成层压体(510)。
A2.还提供了根据段落A1所述的方法，其中，所述层压单元依次位于行进方向上。
A3.还提供了根据段落A1所述的方法，该方法进一步包括在所述层压单元处借助于带切割器将材料带切割成片段，从而使得所述层压单元以不同角度切割所述带(506)。
A4.还提供了根据段落A1所述的方法，该方法进一步包括：在所述表面获得所述层压单元相对于彼此改变位置时并行操作所述层压单元。
A5.还提供了根据段落A1所述的方法，其中，将由不同层压单元切割的片段放置在所述层压体的不同层中。
A6.还提供了根据段落A1所述的方法，其中，改变所述表面和所述层压单元相对于彼此的位置包括移动所述表面。
A7.还提供了根据段落A1所述的方法，其中，改变所述表面和所述层压单元相对于彼此的位置包括移动所述层压单元。
A8.还提供了根据段落A1所述的方法，其中，将由不同层压单元切割的片段以不同纤维取向放置在所述层压体上。
A9.还提供了根据段落A1所述的方法，其中，每个拾放装置有一个带分配器供送所述带。
A10.还提供了根据段落A1所述的方法，其中，将所述带从一个带分配器供送至多个拾放装置。
A11.还提供了根据段落A1所述的方法，其中，不同的拾放装置铺设所述层压体的不同层。
A12.还提供了根据段落A1所述的方法，该方法进一步包括：
从传感器接收表示拾放装置相对于片段的位置的输入；并且
从传感器接收表示片段相对于所述层压体的位置的输入。
A13.还提供了根据段落A1所述的方法，该方法进一步包括：
基于来自于至少一个传感器的输入来控制所述拾放装置以放置片段并形成所述层压体。
A14.还提供了根据段落A1所述的方法，该方法进一步包括：
相对于层压体施加表面连续地将层压体分段放置在层压体施加表面上，其中所述层压体分段为所述片段中的一个，并且所述层压体施加表面为所述表面。
A15.还提供了根据段落A1所述的方法，该方法进一步包括：
在将层压体分段放置在层压体施加表面上的反馈控制监测中操作重叠和间隙传感器，其中所述层压分段为所述片段中的一个，所述层压体施加表面为所述表面。
A16.还提供了根据段落A1所述的方法，该方法进一步包括：
独立于多个施加模块并相对于层压体施加表面操作独立的零度带施加模块，其中层压体施加表面为所述表面。
A17.还提供了根据段落A1所述的方法，该方法进一步包括：
施加模块分配单向带。
A18.还提供了根据段落A1所述的方法，该方法进一步包括：
将层压分段放置在旋转台上，然后将其从施加模块切断，其中所述层压分段为所述片段中的一个。
A19.还提供了根据段落A1所述的方法，该方法进一步包括：
使用切纸刀切断层压分段。
A20.还提供了根据段落A1所述的方法，该方法进一步包括：
利用形状与所拾取的层压体分段相匹配的真空压板末端执行器自动地拾取每个层压体分段，其中所述层压分段为所述片段中的一个。
A21.还提供了根据段落A1所述的方法，该方法进一步包括：
利用形状与所述层压体分段匹配的真空压板真空拾取层压体分段，其中所述层压分段为所述片段中的一个。
A22.还提供了根据段落A1所述的方法，该方法进一步包括：
在拾取和放置过程中加热层压体分段，其中所述层压分段为所述片段中的一个。
A23.还提供了根据段落A1所述的方法，该方法进一步包括：
在每次放置层压体分段之后使层压体施加表面线性地前进，其中所述层压体分段为所述片段中的一个，并且所述层压体施加表面为所述表面。
A24.一种实现编程指令的非暂时性计算机可读介质，所述编程指令在由处理器执行时能操作成执行用于将层压体铺设到表面上的方法，该方法包括：
将纤维增强材料带供送至带切割器，所述带切割器将所述带切割成片段(501)；
在依次位于行进方向上的多个层压单元中的每个层压单元处借助于拾放装置拾取纤维增强材料的片段(508)；以及
在所述表面和所述层压单元相对于彼此改变位置并且多个片段并行铺设时借助于所述拾放装置放置所述纤维增强材料的片段以形成层压体(510)。
C1.一种设备，该设备包括：
多个拾放装置(140)；
控制器(180)；
联接至所述控制器的传感器(144)；
复合材料供应装置(112)，该复合材料供应装置为所述拾放装置供应纤维增强材料(113)的片段；以及
移动装置(1120)，该移动装置改变被铺设的表面(150)相对于所述拾放装置的位置；
所述控制器基于来自传感器的输入控制所述拾放装置的操作。
C2.还提供了段落14所述的设备，其中：
所述移动装置包括移动经过所述拾放装置的穿梭台(1210)。
C3.还提供了段落14所述的设备，该设备进一步包括：
所述移动装置包括将所述层压体传送经过所述拾放装置的传送器(1120)。
C4.还提供了段落14所述的设备，其中：
所述表面是固定不动的；并且
每个所述拾放装置安装至沿着所述表面移动所述拾放装置的推车(1330)。
C5.还提供了段落14所述的设备，该系统进一步包括：
直列式层压器(160)，该直列式层压器包括：
进料辊(112)，该进料辊供应具有平行于行进方向(D)的纤维取向的材料的带(114)；
驱动辊(116)，该驱动辊从所述进料辊抽出所述带；和
铺层切割器(13)，该铺层切割器通过切割所述带的单个片段(118)而形成所述层压体的满层。
C6.还提供了段落C1所述的设备，其中：
储存在用于拾放装置的进料辊处的带被附着至背衬(1456)；
所述驱动辊将所述带从所述背衬分离；并且
所述设备进一步包括：
卷筒(1457)，该卷筒在所述带被所述驱动辊拉出时储存从所述带分离的所述背衬；和
将所述背衬从所述带指引至所述卷筒的辊(1458)。
D1.一种系统，该系统包括：
表面(150)；和
层压单元(11)，所述层压单元(11)相对于所述表面改变位置，沿着行进方向(D)依次布置，并且均将纤维增强材料(113)的多层层压体(170)的片段(118)铺设在所述表面上，每个层压单元包括：
铺层切割器(130)，该铺层切割器(130)从所述材料的带(114)以一角度切割出片段，并且能旋转以在操作过程中改变所述角度；和
拾放装置(140)，该拾放装置通过拾取所述片段并将所述片段放置在所述层压体上而铺设所述层压体的层。
D2.还提供了根据段落15所述的系统，其中：
所述层压单元包括：
以第一纤维取向放置用于第一层的片段的第一层压单元(110)；和
以第二纤维取向放置用于第二层的片段的第二层压单元(110)，该第二层压单元位于所述第一层压单元下游。
D3.还提供了根据段落15所述的系统，其中：
所述表面为移动经过所述层压单元的穿梭台(1210)的一部分。
D4.还提供了根据段落15所述的系统，其中：
所述表面为传送所述层压体经过所述层压单元的传送器(1120)的一部分。
D5.还提供了根据段落15所述的系统，其中：
所述表面是固定不动的；并且
每个所述层压单元安装至沿着所述表面移动所述层压单元的推车(1330)。
D6.还提供了根据段落15所述的系统，该系统进一步包括：
直列式层压器(160)，该直列式层压器包括：
进料辊(112)，该进料辊供应具有平行于行进方向的纤维取向的材料的带(114)；
驱动辊(116)，该驱动辊从所述进料辊抽出所述带；和
铺层切割器(130)，该铺层切割器通过切割所述带的单个片段而形成所述层压体的满层。
D7.还提供了根据段落15所述的系统，其中：
储存在所述层压单元的进料辊处的带被附着至背衬(1456)；
所述驱动辊将所述带从所述背衬分离；并且
每个层压单元进一步包括：
卷筒(1457)，该卷筒在所述带被所述驱动辊拉出时储存从所述带分离的所述背衬；和
将所述背衬从所述带指引至所述卷筒的辊(1458)。
D8.还提供了根据段落15所述的系统，其中：
每个层压单元铺设所述层压体的不同层。
D9.还提供了根据段落15所述的系统，该系统进一步包括：
控制器(180)，对于每个层压单元：
该控制器确定所述铺层切割器的角度，并且指引所述拾放装置以将所述片段以对应于所述角度的纤维取向以连续层放置在所述层压体上。
D10.还提供了根据段落D9所述的系统，其中：
所述控制器在操作过程中指引铺层切割器改变所述角度，以便形成具有不同角度的端部的末端片段。
D11.还提供了根据段落15所述的系统，其中：
所述铺层切割器以相对于彼此不同的角度从所述带切割出所述片段。
D12.还提供了根据段落15所述的系统，其中：
每个铺层切割器包括安装至旋转台(1474)的刀片(1472)。
D13.还提供了根据段落D12所述的系统，其中：
所述旋转台包括聚乙烯表面(1020)。
D14.还提供了根据段落15所述的系统，其中：
所述铺层切割器包括在切割之前降低所述带的温度的冷却器(1030)。
D15.还提供了根据段落15所述的系统，其中：
每个铺层切割器包括超声波刀(1000)。
D16.还提供了根据段落15所述的系统，其中：
所述材料包括已经预浸渍有可固化树脂的碳纤维带(114)。
D17.还提供了根据段落15所述的系统，其中：
所述材料包括玻璃纤维。
D18.还提供了根据段落15所述的系统，其中：
每个拾放装置包括在将所述片段放置到层压体上之前加热所述片段的加热器(146)。
D19.还提供了根据段落15所述的系统，其中：
每个拾放装置基于所述片段的纤维取向旋转所述片段。
D20.还提供了根据段落15所述的系统，其中
每个拾放装置包括检测放置在所述层压体上的片段的位置的传感器(144)。
尽管这里已经描述了具体实施方式，但是本公开的范围不限于这些具体实施方式。本公开的范围由所附权利要求及其等同物来限定。

Claims (15)

1.一种方法，该方法包括：
通过如下步骤将纤维增强材料的多层层压体铺设在一表面上：
将纤维增强材料带供送至带切割器，所述带切割器将所述带切割成片段(501)；
在依次位于行进方向上的多个层压单元中的每个层压单元处借助于拾放装置拾取纤维增强材料的片段(508)；以及
在所述表面和所述层压单元相对于彼此改变位置并且多个片段并行铺设时借助于所述拾放装置放置所述纤维增强材料的片段以形成层压体(510)。
2.根据权利要求1所述的方法，其中，所述层压单元依次位于行进方向上。
3.根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括：
在所述层压单元处借助于带切割器将材料带切割成片段，从而使得所述层压单元以不同角度切割所述带(506)。
4.根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括：
在所述表面和所述层压单元相对于彼此改变位置时并行操作所述层压单元。
5.根据权利要求1所述的方法，其中，将由不同层压单元切割的片段放置在所述层压体的不同层中。
6.根据权利要求1所述的方法，其中，改变所述表面和所述层压单元相对于彼此的位置包括移动所述表面。
7.根据权利要求1所述的方法，其中，改变所述表面和所述层压单元相对于彼此的位置包括移动所述层压单元。
8.根据权利要求1所述的方法，其中，将由不同层压单元切割的片段以不同纤维取向放置在所述层压体上。
9.根据权利要求1所述的方法，其中，每个拾放装置有一个带分配器供送所述带。
10.根据权利要求1所述的方法，其中，将所述带从一个带分配器供送至多个拾放装置。
11.根据权利要求1所述的方法，其中，不同的拾放装置铺设所述层压体的不同层。
12.根据权利要求1所述的方法，该方法进一步包括：基于来自于至少一个传感器的输入来控制所述拾放装置以放置片段而形成所述层压体。
13.一种实现编程指令的非暂时性计算机可读介质，所述编程指令在由处理器执行时能操作成执行用于将层压体铺设到一表面上的方法，该方法包括：
将纤维增强材料带供送至带切割器，所述带切割器将所述带切割成片段(501)；
在依次位于行进方向上的多个层压单元中的每个层压单元处借助于拾放装置拾取纤维增强材料的片段(508)；以及
在所述表面和所述层压单元相对于彼此改变位置并且多个片段并行铺设时借助于所述拾放装置放置所述纤维增强材料的片段以形成层压体。
14.一种设备，该设备包括：
多个拾放装置(140)；
控制器(180)；
联接至所述控制器的传感器(144)；
复合材料供应装置(112)，该复合材料供应装置为所述拾放装置供应纤维增强材料(113)的片段；以及
移动装置(1120)，该移动装置改变被铺设的表面(150)相对于所述拾放装置的位置；
所述控制器基于来自所述传感器的输入来控制所述拾放装置的操作。
15.一种系统，该系统包括：
表面(150)；和
层压单元(11)，所述层压单元相对于所述表面改变位置，沿着行进方向(D)依次布置，并且均将纤维增强材料(113)的多层层压体(170)的片段(118)铺设在所述表面上，每个层压单元包括：
铺层切割器(130)，该铺层切割器从所述材料的带(114)以一角度切割出片段，并且在操作过程中能旋转以改变所述角度；和
拾放装置(140)，该拾放装置通过拾取所述片段并将所述片段放置在所述层压体上而铺设所述层压体的层。
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