CN109130194A - 形成复合叠层结构的系统和方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于形成复合叠层结构的叠层系统和方法。所述系统包括机器人装置和联接到机器人装置的末端执行器。末端执行器包括可压缩材料层，所述可压缩材料层配置成当定位在复合叠层结构上方时将多个复合材料层片压缩在一起。末端执行器进一步包括第一吸力装置，所述第一吸力装置配置成吸住粘附于最外部复合材料层片的可移除膜。将机器人装置配置成相对于复合叠层结构平移末端执行器，使得在第一吸力装置吸住可移除膜的同时，从最外部复合材料层片剥离可移除膜。

Description

形成复合叠层结构的系统和方法
技术领域
本发明一般涉及制造复合结构，并且更具体地涉及利用整体层片压实和膜移除工具形成复合叠层结构的系统和方法。
背景技术
复合层压部件通常包括组装在一起的多个复合材料层或层片，以提供具有改进的工程特性的复合部件。通常通过在彼此的顶部上堆叠多个层片直至达到期望的厚度和形状来制造复合部件。例如，制造工艺通常包括将复合材料层片切割成期望的形状，逐层地堆叠层片，并且在每个附加层片层叠在先前堆叠的层片上之后压实层片。复合材料层片可以与可移除聚合物膜一起生产，所述可移除聚合物膜在层片的至少一侧上延伸，并且有助于在储存中维持堆叠层片之间的分离。在复合部件的制造过程中，在将后续层片堆叠在先前层叠的层片顶部上之前，从复合材料层片中移除聚合物膜。在每个层片已经堆叠之后移除聚合物膜可能是耗时且费力的任务。
发明内容
在一个方面，本发明提供了一种用于由多个复合材料层片形成复合叠层结构的叠层系统，其中最外部复合材料层片具有粘附于其上的可移除膜。所述系统包括机器人装置和联接到机器人装置的末端执行器(end effector)。末端执行器包括可压缩材料层，所述可压缩材料层配置成当定位在复合叠层结构上方时将多个复合材料层片压缩在一起。末端执行器进一步包括第一吸力装置(suction device)，所述第一吸力装置配置成吸住(grip)粘附于最外部复合材料层片的可移除膜。将机器人装置配置成相对于复合叠层结构平移末端执行器，使得在第一吸力装置吸住可移除膜的同时，从最外部复合材料层片剥离可移除膜。
在另一方面，本发明提供了一种用于由多个复合材料层片形成复合叠层结构的末端执行器，其中最外部复合材料层片具有粘附于其上的可移除膜。末端执行器包括刚性板和联接到刚性板的可压缩材料层。将可压缩材料层配置成与复合叠层结构的轮廓一致，并且配置成当定位在复合叠层结构上方时将多个复合材料层片压缩在一起。将第一吸力装置联接到刚性板。将第一吸力装置配置成吸住粘附于最外部复合材料层片的可移除膜，使得当在第一吸力装置吸住可移除膜的同时相对于复合叠层结构平移末端执行器时，可从最外部复合材料层片剥离可移除膜。
在又一方面，本发明提供了一种由多个复合材料层片形成复合叠层结构的方法，其中最外部复合材料层片具有粘附于其上的可移除膜。所述方法包括将末端执行器定位在复合叠层结构上方，其中末端执行器包括可压缩材料层和第一吸力装置。所述方法还包括利用末端执行器向复合叠层结构施加压力，使得可压缩材料层与复合叠层结构的轮廓一致，并且使得可压缩材料层将多个复合材料层片压缩在一起。所述方法进一步包括利用第一吸力装置吸住可移除膜，并且相对于复合叠层结构平移末端执行器，使得在第一吸力装置吸住可移除膜的同时从最外部复合材料层片剥离可移除膜。
本发明的技术方案1提供一种用于由多个复合材料层片形成复合叠层结构的叠层系统，其中最外部复合材料层片具有粘附于其上的可移除膜，所述系统包括：机器人装置；和联接到所述机器人装置的末端执行器，所述末端执行器包括：可压缩材料层，所述可压缩材料层配置成当定位在所述复合叠层结构上方时将所述多个复合材料层片压缩在一起；和第一吸力装置，所述第一吸力装置配置成吸住粘附于所述最外部复合材料层片的所述可移除膜，其中将所述机器人装置配置成相对于所述复合叠层结构平移所述末端执行器，使得在所述第一吸力装置吸住所述可移除膜的同时，从所述最外部复合材料层片剥离所述可移除膜。
技术方案2：根据技术方案1所述的系统，其中所述末端执行器进一步包括联接到所述可压缩材料层的刚性板。
技术方案3：根据技术方案1所述的系统，其中所述可压缩材料层具有界定在其中的开口，并且其中确定所述第一吸力装置的尺寸以便插入所述开口内，使得所述第一吸力装置经定位以吸住所述可移除膜。
技术方案4：根据技术方案1所述的系统，其中所述可压缩材料层由中央部分和外边缘部分界定，并且其中所述第一吸力装置定位在所述可压缩材料层的所述外边缘部分处。
技术方案5：根据技术方案1所述的系统，进一步包括联接到所述第一吸力装置的偏置机构，其中将所述偏置机构配置成相对于所述末端执行器平移所述第一吸力装置。
技术方案6：根据技术方案1所述的系统，其中所述多个复合材料层片不均匀地堆叠使得所述复合叠层结构具有不均匀的厚度，并且其中将所述可压缩材料层配置成当定位在所述复合叠层结构上方时与所述复合叠层结构的轮廓一致。
技术方案7：根据技术方案1所述的系统，其中将所述机器人装置配置成沿第一方向平移以引发所述可移除膜与所述最外部复合材料层片的分离，并且其中将所述机器人装置配置成沿与所述第一方向不同的第二方向平移以从所述最外部复合材料层片剥离所述可移除膜。
技术方案8：根据技术方案1所述的系统，进一步包括热耦合到所述可压缩材料层的加热器，其中将所述加热器配置成增加所述可压缩材料层的温度。
技术方案9：根据技术方案1所述的系统，进一步包括：工作表面，所述工作表面具有界定在其中的至少一个孔，其中所述复合叠层结构可定位在所述至少一个孔上方；和与所述至少一个孔连通的第二吸力装置，其中将所述第二吸力装置配置成将所述复合叠层结构保持在所述工作表面上的适当位置中。
技术方案10提供一种用于由多个复合材料层片形成复合叠层结构的末端执行器，其中最外部复合材料层片具有粘附于其上的可移除膜，所述末端执行器包括：刚性板；联接到所述刚性板的可压缩材料层，其中将所述可压缩材料层配置成与所述复合叠层结构的轮廓一致，并且配置成当定位在所述复合叠层结构上方时将所述多个复合材料层片压缩在一起；和联接到所述刚性板的第一吸力装置，其中将所述第一吸力装置配置成吸住粘附于所述最外部复合材料层片的所述可移除膜，使得当在所述第一吸力装置吸住所述可移除膜的同时相对于所述复合叠层结构平移所述末端执行器时，可从所述最外部复合材料层片剥离所述可移除膜。
技术方案11：根据技术方案10所述的末端执行器，其中所述可压缩材料层具有界定在其中的开口，并且其中确定所述第一吸力装置的尺寸以便插入所述开口内，使得所述第一吸力装置经定位以吸住所述可移除膜。
技术方案12：根据技术方案10所述的末端执行器，其中所述可压缩材料层由中央部分和外边缘部分界定，并且其中所述第一吸力装置定位在所述可压缩材料层的所述外边缘部分处。
技术方案13：根据技术方案10所述的末端执行器，进一步包括联接到所述第一吸力装置的偏置机构，其中将所述偏置机构配置成抵靠所述可移除膜偏置所述第一吸力装置。
技术方案14：根据技术方案10所述的末端执行器，进一步包括热耦合到所述可压缩材料层的加热器，其中将所述加热器配置成增加所述可压缩材料层的温度。
技术方案15提供一种由多个复合材料层片形成复合叠层结构的方法，其中最外部复合材料层片具有粘附于其上的可移除膜，所述方法包括：将末端执行器定位在所述复合叠层结构上方，其中所述末端执行器包括可压缩材料层和第一吸力装置；利用所述末端执行器向所述复合叠层结构施加压力，使得所述可压缩材料层与所述复合叠层结构的轮廓一致，并且使得所述可压缩材料层将所述多个复合材料层片压缩在一起；利用所述第一吸力装置吸住所述可移除膜；和相对于所述复合叠层结构平移所述末端执行器，使得在所述第一吸力装置吸住所述可移除膜的同时从所述最外部复合材料层片剥离所述可移除膜。
技术方案16：根据技术方案15所述的方法，进一步包括使所述末端执行器定向，使得所述第一吸力装置吸住所述可移除膜的外围边缘。
技术方案17：根据技术方案15所述的方法，进一步包括将所述可压缩材料层加热到升高的温度。
技术方案18：根据技术方案15所述的方法，其中平移所述末端执行器包括：沿第一方向平移所述末端执行器以引发所述可移除膜与所述最外部复合材料层片的分离；和沿与所述第一方向不同的第二方向平移所述末端执行器以从所述最外部复合材料层片剥离所述可移除膜。
技术方案19：根据技术方案15所述的方法，进一步包括：将多个复合材料层片堆叠在工作表面上以形成所述复合叠层结构，其中所述工作表面具有界定在其中的至少一个孔，并且其中所述多个层片堆叠在所述至少一个孔上方；和通过所述至少一个孔抽取真空，使得所述复合叠层结构保持在所述工作表面上。
技术方案20：根据技术方案19所述的方法，其中堆叠多个层片包括不均匀地堆叠所述多个层片，使得所述复合叠层结构具有不均匀的厚度。
附图说明
参照附图阅读以下详细说明将更好地理解本发明的这些和其他特征、方面及优点，在附图中，相似字符表示附图中的相似部分，其中：
图1是可用于形成复合叠层结构的示例性叠层系统的横截面视图，叠层系统处于第一操作位置；
图2是图1所示的叠层系统处于第二操作位置的横截面视图；
图3是图1所示的叠层系统处于第三操作位置的横截面视图；和
图4是图1所示的叠层系统处于第四操作位置的横截面视图。
除非另作说明，否则本说明书中提供的附图旨在示出本发明实施例的特征。可以相信这些特征适用于包括本发明一个或多个实施例的各种系统。因此，附图并不意图包括所属领域中的普通技术人员已知的实践本说明书中公开的实施例所需的所有传统特征。
具体实施方式
在以下说明书和随附权利要求书中，将参考多个术语，这些术语的定义如下。
除非上下文明确另作规定，否则单数形式“一个”、“一种”和“所述”也含有复数意义。
“可选”或“可选地”意指后续描述的事件或情况可能会或可能不会发生，并且所述说明同时包括事件发生或者不发生的情况。
本说明书全文和权利要求书中所用的近似语言可以用于修饰能够合理改变而不改变相关对象的基本功能的任何数量表示。因此，由一个或多个诸如“大约”、“近似”和“大体上”等术语修饰的值并不限于所指定的精确值。在至少一些情况下，近似语言可能与用于测量值的仪器的精度对应。在通篇说明书和权利要求书中，可以结合和/或互换使用范围界限。除非另有上下文或语言指出，否则这样的范围是被确定的并包括所有包含在其中的子范围。
本发明的实施例涉及利用整体层片压实(integral ply compaction)和膜移除工具形成复合叠层结构的系统和方法。更具体地说，本说明书所述的系统包括自动化机器人装置和末端执行器，所述末端执行器包括整体层片压实和膜移除工具。例如，末端执行器可以固定到机器人臂或龙门系统。末端执行器包括可压缩材料层，所述可压缩材料层当定位在复合叠层结构上方时有助于将复合材料层片压缩在一起。末端执行器进一步包括吸力装置，当可压缩材料层将复合材料层片压缩在一起时所述吸力装置接合最外部复合材料层片上的可移除膜。随后启动吸力装置以吸住可移除膜，并且机器人装置可操作以在实现层片的压缩之后相对于复合叠层结构平移末端执行器。更具体地，机器人装置平移末端执行器以在吸力装置继续吸住可移除膜的同时从最外部复合材料层片剥离可移除膜。因此，可以在相同的机器人序列中实现层片压实和膜移除，由此减少复合叠层结构的制造时间。
图1是可用于形成复合叠层结构102的示例性叠层系统100的横截面视图。在图1中，叠层系统100处于第一操作位置104。在示例性实施例中，叠层系统100包括机器人装置106，所述机器人装置包括机器人臂108和联接到机器人装置106的机器人臂108的末端执行器110。如将在下文更详细地解释的，将机器人装置106编程为使末端执行器110能够在复合叠层结构102上执行层片压实和膜移除操作。
在示例性实施例中，复合叠层结构102由多个复合材料层片112形成。多个复合材料层片112逐层堆叠以有助于形成复合叠层结构102。另外，每个复合材料层片112都具有粘附于其上的可移除膜114，在将附加层片112层叠在最外部复合材料层片上之前移除所述可移除膜，如下文将更详细解释的。在一个实施例中，多个复合材料层片112不均匀地堆叠，使得复合叠层结构102具有不均匀的厚度。例如，复合叠层结构102包括厚部分116和薄部分118，其中厚部分116包括比薄部分118更多的复合材料层片112。因此，复合叠层结构102具有不均匀的轮廓，并且将末端执行器110设计成在压缩叠层于其中的层片112时补偿复合叠层结构102中的轮廓，如下文将更详细地解释的。
在示例性实施例中，末端执行器110包括刚性板120、联接到刚性板120的可压缩材料层122和联接到刚性板120的第一吸力装置124。在叠层系统100的操作期间，刚性板120提供对可压缩材料层122的支撑。可压缩材料是使叠层系统100能够如本说明书中所述起作用的任何材料。在一个实施例中，将可压缩材料配置成当定位在复合叠层结构102上方以压缩层片112时与复合叠层结构102的轮廓一致。因此，即使当层片112不均匀地堆叠在其中时，可压缩材料层122也能够在复合叠层结构102的整个区域上施加压缩力。另外，在一个实施例中，可压缩材料具有可压缩性，使得当末端执行器110朝复合叠层结构102位移并偏置抵靠所述复合叠层结构时，由末端执行器110施加至复合叠层结构102的压缩力以大体上线性速率增加。示例性可压缩材料包括但不限于泡沫材料。另外，可压缩材料的压缩力与位移的比率基于末端执行器110所使用的可压缩材料的类型而变化。
如上所述，末端执行器110包括联接到刚性板120的第一吸力装置124。第一吸力装置124是选择性地可操作和定位，以吸住粘附于最外部复合材料层片126上的可移除膜114。例如，在一个实施例中，可压缩材料层122具有界定在其中的开口128。确定第一吸力装置124的尺寸以便插入开口128内，使得第一吸力装置124经定位以吸住可移除膜114。此外，可压缩材料层122由中央部分130和外边缘部分132界定。在外边缘部分132中界定开口128，使得第一吸力装置124同样定位在可压缩材料层122的外边缘部分132处。因此，如下文将更详细地解释的，第一吸力装置124经定位以吸住最外部层片126的外围边缘134，这使得末端执行器110能够引发可移除膜114与最外部层片126的分离。在替代实施例中，末端执行器110包括能够选择性地吸住和释放可移除膜114的任何装置或部件。
叠层系统100进一步包括联接到第一吸力装置124的偏置机构136。在操作中，偏置机构136有助于相对于末端执行器110平移(translate)第一吸力装置124。例如，在朝向复合叠层结构102偏置末端执行器110时，偏置机构136有助于将第一吸力装置124定位以与可移除膜114接合，并且还有助于沿远离可移除膜114的方向平移第一吸力装置124。示例性偏置机构包括但不限于弹簧致动装置和气压致动装置。
叠层系统100进一步包括热耦合到可压缩材料层122的加热器138。加热器138增加可压缩材料层122的温度，使得复合材料层片112中的粘合剂在被可压缩材料层122接触时被激活。因此，复合材料层片112至少部分地彼此粘附。当环境温度低于激活粘合剂的阈值时，选择性地启动加热器138。
在一个实施例中，叠层系统100包括工作表面140，所述工作表面具有界定在其中的至少一个孔142。在示例性实施例中，复合叠层结构102定位在至少一个孔142上方。第二吸力装置144与至少一个孔142连通，并且第二吸力装置144可操作以将复合叠层结构102保持在工作表面140上的适当位置中。更具体地，在操作中，由第二吸力装置144产生的吸力大于由第一吸力装置124产生的吸力。因此，在从最外部层片126分开和剥离可移除膜114时，第二吸力装置144有助于将复合叠层结构102保持在适当位置中。
在操作中，多个复合材料层片112堆叠在工作表面140上以有助于形成复合叠层结构102。第二吸力装置144通过至少一个孔142抽取真空，使得复合叠层结构102保持在工作表面140上。另外，在第一操作位置104中，机器人装置106将末端执行器110定位在复合叠层结构102上方。
图2是叠层系统100处于第二操作位置146的横截面视图。在操作中，机器人装置106沿第一方向148朝向工作表面140平移末端执行器110，使得将压力施加到复合叠层结构102。当末端执行器110定位在复合叠层结构102上方时，可压缩材料层122与复合叠层结构102的轮廓一致，并且可压缩材料层122将多个复合材料层片112压缩在一起。随后激活第一吸力装置124以吸住粘附于最外部层片126的可移除膜114。此外，在一些实施例中，当环境温度低于预定阈值时，激活加热器138以有助于激活层片112中的粘合剂。
图3和4是叠层系统100在第三操作位置150和第四操作位置152中的横截面视图。在操作中，机器人装置106相对于复合叠层结构102平移末端执行器110，使得在第一吸力装置124继续吸住可移除膜114的同时从最外部复合材料层片126剥离可移除膜114。更具体地说，参照图3，机器人装置106沿远离工作表面140的第二方向154平移末端执行器110，以在其外围边缘134处引发可移除膜114与最外部层片126的分离。在一个实施例中，机器人装置106将末端执行器110平移离开工作表面140，朝向工作表面140，并且第二次离开工作表面140以有助于确保可移除膜114已经与最外部层片126有效分离。参照图4，机器人装置106随后沿与第二方向154不同的第三方向156(例如，大体上垂直于第二方向154)平移末端执行器110，以从最外部复合材料层片126剥离可移除膜114。一旦移除，层叠附加的复合材料层片112，直到由预定数量的层片112形成复合叠层结构102。
此处所述的系统和方法的示例性技术效应包括以下各项中的至少一项：(a)以快速且有效的方式从复合层片移除聚合物膜；(b)减少复合叠层结构的制造时间；和(c)提供一种工具，使得能够在相同的机器人序列中进行层片压实和聚合物膜移除。
本说明书提供了一种叠层系统的示例性实施例。所述系统和方法并不限于本说明书中所述的特定实施例，相反，本说明书中所述系统的部件和/或方法的步骤可以独立于其他部件和/或步骤使用。例如，本说明书中所述部件的配置也可以与其他过程结合使用，并且不限于本说明书中所述的仅从复合层片移除聚合物膜的实践。确切来说，所述示例性实施例可与预期从材料片材移除膜的许多应用结合实施和使用。
尽管本发明各个实施例的具体特征可能在一些附图中示出而并未在其他附图中示出，但这仅是出于方便的考量。根据本发明的原理，附图中的任何特征可结合其他任何附图的任何特征来参考和/或提出权利要求。
本说明书使用了各种示例来揭示本发明的某些实施例，包括最佳模式，同时也让所属领域的任何技术人员能够实践本发明的实施例，包括制造并使用任何装置或系统，以及实施所涵盖的任何方法。本说明书所述实施例的可授予专利的范围由权利要求书限定，并且可以包括本领域的一般技术人员想到的其他示例。如果其他此类示例的结构要素与权利要求书的字面意义相同，或如果此类示例包括的等效结构要素与权利要求书的字面意义无实质差别，则此类示例也应在权利要求书的覆盖范围内。

Claims (10)

1.一种用于由多个复合材料层片形成复合叠层结构的叠层系统，其中最外部复合材料层片具有粘附于其上的可移除膜，所述系统包括：
机器人装置；和
联接到所述机器人装置的末端执行器，所述末端执行器包括：
可压缩材料层，所述可压缩材料层配置成当定位在所述复合叠层结构上方时将所述多个复合材料层片压缩在一起；和
第一吸力装置，所述第一吸力装置配置成吸住粘附于所述最外部复合材料层片的所述可移除膜，其中将所述机器人装置配置成相对于所述复合叠层结构平移所述末端执行器，使得在所述第一吸力装置吸住所述可移除膜的同时，从所述最外部复合材料层片剥离所述可移除膜。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述末端执行器进一步包括联接到所述可压缩材料层的刚性板。
3.根据权利要求1所述的系统，其中所述可压缩材料层具有界定在其中的开口，并且其中确定所述第一吸力装置的尺寸以便插入所述开口内，使得所述第一吸力装置经定位以吸住所述可移除膜。
4.根据权利要求1所述的系统，其中所述可压缩材料层由中央部分和外边缘部分界定，并且其中所述第一吸力装置定位在所述可压缩材料层的所述外边缘部分处。
5.根据权利要求1所述的系统，进一步包括联接到所述第一吸力装置的偏置机构，其中将所述偏置机构配置成相对于所述末端执行器平移所述第一吸力装置。
6.一种用于由多个复合材料层片形成复合叠层结构的末端执行器，其中最外部复合材料层片具有粘附于其上的可移除膜，所述末端执行器包括：
刚性板；
联接到所述刚性板的可压缩材料层，其中将所述可压缩材料层配置成与所述复合叠层结构的轮廓一致，并且配置成当定位在所述复合叠层结构上方时将所述多个复合材料层片压缩在一起；和
联接到所述刚性板的第一吸力装置，其中将所述第一吸力装置配置成吸住粘附于所述最外部复合材料层片的所述可移除膜，使得当在所述第一吸力装置吸住所述可移除膜的同时相对于所述复合叠层结构平移所述末端执行器时，可从所述最外部复合材料层片剥离所述可移除膜。
7.根据权利要求6所述的末端执行器，其中所述可压缩材料层具有界定在其中的开口，并且其中确定所述第一吸力装置的尺寸以便插入所述开口内，使得所述第一吸力装置经定位以吸住所述可移除膜。
8.根据权利要求6所述的末端执行器，其中所述可压缩材料层由中央部分和外边缘部分界定，并且其中所述第一吸力装置定位在所述可压缩材料层的所述外边缘部分处。
9.一种由多个复合材料层片形成复合叠层结构的方法，其中最外部复合材料层片具有粘附于其上的可移除膜，所述方法包括：
将末端执行器定位在所述复合叠层结构上方，其中所述末端执行器包括可压缩材料层和第一吸力装置；
利用所述末端执行器向所述复合叠层结构施加压力，使得所述可压缩材料层与所述复合叠层结构的轮廓一致，并且使得所述可压缩材料层将所述多个复合材料层片压缩在一起；
利用所述第一吸力装置吸住所述可移除膜；和
相对于所述复合叠层结构平移所述末端执行器，使得在所述第一吸力装置吸住所述可移除膜的同时从所述最外部复合材料层片剥离所述可移除膜。
10.根据权利要求9所述的方法，进一步包括使所述末端执行器定向，使得所述第一吸力装置吸住所述可移除膜的外围边缘。
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