CN110065244B - 用于在自动化纤维铺放工艺使用的辊子装置 - Google Patents

Abstract

提供了一种用于在仿形工具上产生复合零件的自动化纤维铺放工艺中使用的辊子装置。螺旋弹簧提供可弯曲的轴，并且辊子覆盖件装配在弹簧轴上。张力机构被安排成沿中心线轴线穿过弹簧轴、并且是可调节的以控制弹簧轴的可弯曲度，以便与工具的特定轮廓更精密地相符。张力机构可以包括延伸穿过弹簧轴的缆线、位于缆线端部处的螺纹部分、以及螺钉，该螺钉被接纳在螺纹部分中并且是可转动的以调节张力机构的长度、并且由此调节弹簧轴的可弯曲度。张力机构可以是手动调节的、通过由使用者控制的马达半手动地调节的、或通过由电子控制器控制的马达自动地调节。

Description

用于在自动化纤维铺放工艺使用的辊子装置

技术领域

本发明涉及在用于产生复合零件的自动化纤维铺放工艺中使用的辊子装置，并且更具体地，实施例涉及一种顺应性辊子装置，一种能够用于自动化纤维铺放工艺的具有可定制的顺应性的辊子装置，该辊子装置采用螺旋弹簧作为轴来在一系列工具轮廓和力水平的情况下提供更均匀的施加压力。

背景技术

自动化纤维铺放(AFP)机用于通过同时将多个窄的平行的单向复合纤维或带状物的条带施加到工具(该工具限定了有待制造的零件的几何形状)上来使复合零件的制造自动化。典型的AFP机可以一次铺设八个或十六个单独的条带，每个条带的宽度是四分之一英寸或二分之一英寸，使得一次施加的材料的组合宽度可以在两英寸与八英寸之间。然而，可能会遇到其他条带宽度或总的宽度。

使用辊子来将这些条带施加到该工具。典型的AFP施加辊子具有刚性核心部分、并且被橡胶表面层覆盖。橡胶允许辊子在一定程度上与工具的轮廓相符，但相符性由于刚性内部核心部分而受到限制。此外，即使当橡胶的柔性足以在辊子的宽度上保持接触时，施加压力也将是不均匀的。压力将在轮廓所引起的橡胶变形最大之处是最大，而在橡胶变形最小之处是最小。这是有问题的，因为仅一个施加压力是理想的，并且辊子上仅有一个点可以提供理想的施加压力。辊子上的所有其他点可能具有对于将条带转移到工具上并且在该工具上压紧而言必然是过高或过低的施加压力。

另一个现有技术方法使用多个分开的、细密地间隔开的辊子。通过这种方法，对于正在施加的每个复合材料条带可以有分开的辊子。因此，可以有八个或十六个独立的辊子，每个辊子具有其用于调节力的机构。虽然在理论上，这将允许均匀的压力和更大的与变化的轮廓相符的能力，但实际上，这些设计是复杂的、容易在辊子之间积聚树脂、并且难以与复合条带保持对齐。

另一种现有技术方法是使用具有柔性轴的宽的单个辊子。这需要表面橡胶层较小的相符性，因为整个辊子能够弯曲以适应其所遇到的轮廓。然而，不能通过此设计来在辊子宽度上实现均匀压力，除了可能针对特定的轮廓和力来优化辊子设计。

此背景技术讨论旨在提供与本发明有关的信息，但该信息不一定是现有技术。

发明内容

实施例通过提供用于在仿形工具上产生复合零件的自动化纤维铺放工艺中使用的顺应性辊子装置来解决上述问题和其他问题，其中，辊子装置采用螺旋弹簧作为轴来在一系列工具轮廓和力水平的情况下提供更均匀的施加压力。

在第一实施例中，提供一种用于在涉及具有轮廓的工具的自动化纤维铺放工艺中使用的辊子装置。辊子装置可以在广义上包括螺旋弹簧轴、辊子覆盖件、以及张力机构。该螺旋弹簧轴可以具有沿中心线轴线大致圆柱形安排的多匝弹簧材料、并且被配置成用作可弯曲的轴。该辊子覆盖件可以具有空心内部、并且可以被配置成用于将螺旋弹簧轴接纳在该空心内部中。该张力机构可以被安排成沿中心线轴线穿过该螺旋弹簧轴、并且可以是可调节的以控制可弯曲的轴的可弯曲度。

第一实施例的多个不同的实施方式可以包括以下特征中的任何一个或多个特征。辊子覆盖件可以具有一定长度和厚度，并且该厚度可以在长度上变化，并且在该长度的中心处的厚度可以大于在该长度的端部处的厚度。张力机构可以可调节至特定长度、以防止螺旋弹簧轴变长超出特定长度值，该特定长度值对应于与该工具的轮廓相符的特定弯曲半径。张力机构可以包括延伸穿过螺旋弹簧轴的缆线、位于缆线端部处的螺纹部分、以及螺钉，所述螺钉被接纳在螺纹部分内并且是可转动的以调节缆线的长度、并且由此调节可弯曲的轴的可弯曲度。辊子装置可以进一步包括第一端盖和第二端盖，该第一端盖和该第二端盖被配置成用于使缆线在该螺旋弹簧轴内保持居中，并且该辊子装置可以进一步包括一个或多个附加的间隔件，该一个或多个附加的间隔件被配置成用于使该缆线的一个或多个中间部分在该螺旋弹簧轴内保持居中。

该张力机构可以是随着该辊子装置在该工具上移动而可手动地调节的。该张力机构可以包括马达，并且该张力机构可以是使用该马达可半手动地调节的。该张力机构可以是随着该辊子装置在该工具上移动而可自动地调节的。该辊子装置可以进一步包括致动器、被配置成用于致动该致动器的伺服马达、以及电子控制器，该电子控制器被配置成用于控制该伺服马达和控制该致动器的致动、并且由此随着该辊子装置在该工具上移动而自动地调节该张力机构。

本发明内容并非旨在确定本发明的基本特征，并且并非旨在用于限制权利要求的范围。以下更详细地描述了本发明的这些方面和其他方面。

附图说明

下面参考附图详细地描述本发明的实施例，在附图中：

图1是用于产生复合零件的工具的示例性轮廓表面的局部透视图；

图2是在图1的工具的示例性表面上铺设纤维的示例性自动化纤维铺放机的一部分的局部透视图，其中，自动化纤维铺放机包括辊子；

图3是可以与图2的机器一起使用的辊子装置的实施例的等距视图；

图4是图3的辊子装置的截面正视图；

图5是图3的辊子装置的截面正视图，其中，该辊子装置被示出弯曲成与轮廓相符；

图6是图3的辊子装置的特定部件的分解等距视图；并且

图7是可自动地调节的辊子装置的实施方式的截面正视图。

这些图并不旨在将本发明局限于它们所描述的特定实施例。这些附图不一定是按比例的。

具体实施方式

本发明的实施例的以下详细描述参照这些附图。这些实施例旨在足够详细地描述本发明的方面，以使得本领域普通技术人员能够实践本发明。本发明的实施例通过举例的方式而不是通过限制的方式展示。可以使用其他的实施例并且可以进行改变而不背离权利要求的范围。因此，以下说明并非是限制性的。本发明的范围仅由所附权利要求、连同由有资格做这些权利要求的等效方案的全部范围来限定。

在本说明书中，对“一个实施例”、“实施例”、或“多个实施例”的参考是指所参考的一个或多个特征包含在本发明的至少一个实施例中。在本说明书中，对“一个实施例”、“实施例”或“多个实施例”的分开的参考不一定是指代相同的实施例、并且不是相互排斥的，除非如此陈述。具体地，一个实施例中所描述的特征、部件、动作、步骤等还可以包含在其他实施例中，但不一定包含。因此，本发明的特定实施方式可以包含本文中所描述的实施例的多种不同的组合和/或集合。

广义地表征，实施例涉及一种用于在仿形工具上产生复合零件的自动化纤维铺放工艺中使用的顺应性辊子装置，其中，辊子装置采用螺旋弹簧作为轴来在一系列工具轮廓和力水平的情况下提供更均匀的施加压力。实施例有利地避免多个或分段辊子方法的复杂性和其他局限性，同时提供了更高的与变化的轮廓相符的能力并具有更均匀的压力。

参照图1，示出了用于产生复合零件的工具10的示例性轮廓表面。复合零件可以是例如在飞行器或其他运载工具的构建中使用的面板或其他零件，并且工具10通常可以具有用于这种目的的总体上常规的设计和结构。还参考图2，示出了用于在工具10的表面上铺设纤维12的示例性自动化纤维铺放机的一部分。自动化纤维铺放机可以包括辊子装置14。

参照图3至图6，辊子装置14的实施例可以广义地包括螺旋弹簧轴16、辊子覆盖件18、张力机构20、以及第一端盖22和第二端盖24。螺旋弹簧16可以包括沿中心线轴线A大致圆柱形安排的多匝弹簧材料、并且可以被配置成用于用作可弯曲的轴。在自由状态下，螺旋弹簧轴16的邻近的匝可以彼此接触或至少相对地彼此接近。采用螺旋弹簧16作为轴允许整体辊子装置14更容易地挠曲、并且遵循或遵从工具10的轮廓。辊子覆盖件18可以是橡胶的或类似相对较柔软的或顺从的天然材料或合成材料的空心圆柱体、并且可以被配置成装配在螺旋弹簧轴16上并将该螺旋弹簧轴接纳在该辊子覆盖件的空心内部中。辊子覆盖件18的厚度可以在其长度上变化，并且在一个实施方式中，辊子覆盖件18可以在其中心处比在其端部处相对更厚。

张力机构20可以被安排成沿中心线轴线A穿过螺旋弹簧轴16的中心或至少大体上居中地穿过该螺旋弹簧轴，并且可以是可调节的以根据期望或需要来增大或减小螺旋弹簧轴16的可弯曲度。随着螺旋弹簧轴16弯曲，这些匝的在弯曲的内部半径或压缩侧上的部分不能更接近彼此地移动，因为它们已经接触或者很快接触。然而，这些匝的在该弯曲的外部半径或张力侧上的部分能够彼此分开。因此，随着螺旋弹簧轴16弯曲以匹配工具10的特定轮廓，沿中心线轴线A从螺旋弹簧轴16的一端到另一端的距离一定增大。张力机构20可调节至特定长度以防止螺旋弹簧轴16变长超出与所期望的辊子装置10的弯曲半径相对应的预先确定的长度值，以便与工具10的轮廓相符。第一端盖22和第二端盖24可以使张力机构20或其至少一部分在螺旋弹簧轴16内保持定中心、或至少大体上保持居中。进一步，可以使用附加的末端、或中间衬套、或间隔件26来进一步使张力机构20或其至少一部分在螺旋弹簧轴16内保持定中心、或至少大体上保持居中。

在一个实施方式中，张力机构20可以采取缆线28的形式，该缆线在一端或两端具有螺纹部分30。螺钉32可以拧入到缆线28的每个螺纹部分30中，并且转动螺钉32可以改变缆线28的有效长度、并且由此可以在无需使螺旋弹簧轴16到达螺钉32的情况下改变该螺旋弹簧轴的弯曲程度，并且防止进一步弯曲。然而，应理解的是，张力机构20可以基本采取适于完成所预期的功能的任何形式。

在一个实施方式中，张力机构20是可以通过手动地转动螺钉32而可手动地调节的以适应不同的轮廓。然而，重复地手动调节张力机构20可能需要反复停止工艺来执行调节，所以在图7中示出的额外的或替代的实施方式中，张力机构20可以是可自动地调节的。在此实施方式，辊子装置14可以进一步包括由伺服马达36驱动的、用于执行调节的致动器34，并且该辊子装置可以进一步包括用于控制伺服马达36的电子控制器38。可以对电子控制器进行编程以基于已知的工具的轮廓来自动地调节，或者可以对电子控制器进行编程以感测轮廓并且响应于感应到的工具的轮廓来自动地调节。以此方式，可以在AFP工艺期间根据需要快速和/或连续地调节张力机构20以适应变化的轮廓，由此避免工艺的用于手动调节的周期性间断。因此，张力机构20可以是可手动调节的，通过由使用者控制的马达36半手动调节的、或通过由电子控制器38控制的马达36自动地调节的。

尽管已经参考附图中展示的一个或多个实施例描述了本发明，但应当理解的是，可以采用等效方案并且在此做出替换，而不背离权利要求中所述的本发明的范围。

已经如此描述了本发明的一个或多个实施例，所要求保护的新的和希望受专利证书保护的内容包括以下内容。

Claims (17)

1.一种用于在自动化纤维铺放工艺中使用的辊子装置，所述辊子装置涉及具有可变轮廓的工具，所述辊子装置包括：

螺旋弹簧轴，所述螺旋弹簧轴具有沿中心线轴线大致圆柱形安排的多匝弹簧材料、并且被配置成用作可弯曲的轴；

辊子覆盖件，所述辊子覆盖件具有空心内部、并且被配置成用于将所述螺旋弹簧轴接纳在所述空心内部中；以及

张力机构，所述张力机构被安排成沿所述中心线轴线穿过所述螺旋弹簧轴、并且是可调节的以控制所述可弯曲的轴的可弯曲度，

其中，所述张力机构包括：

缆线，所述缆线延伸穿过所述螺旋弹簧轴；

螺纹部分，所述螺纹部分位于所述缆线的末端；以及

螺钉，所述螺钉被接纳在所述螺纹部分中并且是能够转动的以调节所述缆线的长度、并且由此调节所述可弯曲的轴的可弯曲度，

其中，所述张力机构能够调节至特定长度以防止所述螺旋弹簧轴变长超出特定长度值，所述特定长度值对应于与所述工具的轮廓相符的特定弯曲半径。

2.如权利要求1所述的辊子装置，其中，所述辊子覆盖件具有一定长度和厚度，并且所述厚度在所述长度上是变化的。

3.如权利要求2所述的辊子装置，其中，所述长度的中心处的厚度大于所述长度的端部处的厚度。

4.如权利要求1所述的辊子装置，进一步包括第一端盖和第二端盖，所述第一端盖和所述第二端盖被配置成用于使所述缆线在所述螺旋弹簧轴内保持居中。

5.如权利要求4所述的辊子装置，进一步包括一个或多个附加的间隔件，所述一个或多个附加的间隔件被配置成用于使所述缆线的一个或多个中间部分在所述螺旋弹簧轴内保持居中。

6.如权利要求1所述的辊子装置，其中，所述张力机构是随着所述辊子装置在所述工具上移动而能够手动地调节的。

7.如权利要求1所述的辊子装置，其中，所述张力机构包括马达，并且所述张力机构是能够使用所述马达而半手动地调节的。

8.如权利要求1所述的辊子装置，其中，所述张力机构是随着所述辊子装置在所述工具上移动而能够自动地调节的。

9.如权利要求8所述的辊子装置，进一步包括：

致动器；

伺服马达，所述伺服马达被配置成用于致动所述致动器；以及

电子控制器，所述电子控制器被配置成用于控制所述伺服马达和控制所述致动器的致动、并且由此随着所述辊子装置在所述工具上移动而自动地调节所述张力机构。

10.一种用于在自动化纤维铺放工艺使用的辊子装置，所述辊子装置涉及具有可变轮廓的工具，所述辊子装置包括：

螺旋弹簧轴，所述螺旋弹簧轴具有沿中心线轴线大致圆柱形安排的多匝弹簧材料、并且被配置成用作可弯曲的轴；

辊子覆盖件，所述辊子覆盖件具有一定长度和厚度，其中，所述长度的中心处的厚度大于所述长度的端部处的厚度，并且所述辊子覆盖件具有空心内部并且被配置成用于将所述螺旋弹簧轴接纳在所述空心内部中；以及

张力机构，所述张力机构包括

缆线，所述缆线延伸穿过所述螺旋弹簧轴，

螺纹部分，所述螺纹部分位于所述缆线的末端，以及

螺钉，所述螺钉被接纳在所述螺纹部分中并且是能够转动的以调节所述缆线的长度、并且由此调节所述螺旋弹簧轴的可弯曲度，

其中，所述缆线能够调节至特定长度以防止所述螺旋弹簧轴变长超出预先确定的长度值，所述预先确定的长度值对应于与所述工具的轮廓相符的特定弯曲半径。

11.如权利要求10所述的辊子装置，进一步包括第一端盖和第二端盖，所述第一端盖和所述第二端盖被配置成用于使所述缆线在所述螺旋弹簧轴内保持居中。

12.如权利要求11所述的辊子装置，进一步包括一个或多个附加的间隔件，所述一个或多个附加的间隔件被配置成用于使所述缆线的一个或多个中间部分在所述螺旋弹簧轴内保持居中。

13.如权利要求10所述的辊子装置，其中，所述螺钉是能够手动地转动的。

14.如权利要求10所述的辊子装置，其中，所述张力机构包括马达，并且所述螺钉是能够使用所述马达而半手动地转动的。

15.如权利要求10所述的辊子装置，其中，所述螺钉是随着所述辊子装置在所述工具上移动而能够自动地转动的。

16.如权利要求10所述的辊子装置，进一步包括-

致动器，所述致动器与所述螺钉相联接；

伺服马达，所述伺服马达被配置成用于致动所述致动器；以及

电子控制器，所述电子控制器被配置成用于控制所述伺服马达和控制所述致动器的致动、并且由此随着所述辊子装置在所述工具上移动而自动地转动所述螺钉。

17.一种用于在自动化纤维铺放工艺中使用的辊子装置，所述辊子装置涉及具有可变轮廓的工具，所述辊子装置包括：

螺旋弹簧轴，所述螺旋弹簧轴具有沿中心线轴线大致圆柱形安排的多匝弹簧材料、并且被配置成用作可弯曲的轴；

辊子覆盖件，所述辊子覆盖件具有一定长度和厚度，其中，所述长度的中心处的厚度大于所述长度的端部处的厚度，并且所述辊子覆盖件具有空心内部、并且被配置成用于将所述螺旋弹簧轴接纳在所述空心内部中；

张力机构，所述张力机构包括

缆线，所述缆线延伸穿过所述螺旋弹簧轴，所述缆线能够调节至特定长度以防止所述螺旋弹簧轴变长超出预先确定的长度值，所述预先确定的长度值对应于与所述工具的轮廓相符的特定弯曲半径，

螺纹部分，所述螺纹部分位于所述缆线的末端，以及

螺钉，所述螺钉被接纳在所述螺纹部分中并且是能够转动的以调节所述张力机构的长度、并且由此调节所述螺旋弹簧轴的可弯曲度，

致动器，所述致动器与所述螺钉相联接，

伺服马达，所述伺服马达被配置成用于致动所述致动器，以及

电子控制器，所述电子控制器被配置成用于控制所述伺服马达和控制所述致动器的致动、并且由此随着所述辊子装置在所述工具上移动而自动地转动所述螺钉；

其中，所述张力机构能够调节至特定长度以防止所述螺旋弹簧轴变长超出特定长度值，所述特定长度值对应于与所述工具的轮廓相符的特定弯曲半径；以及

第一端盖和第二端盖，所述第一端盖和所述第二端盖被配置成用于使所述缆线在所述螺旋弹簧轴内保持居中，以及一个或多个附加的间隔件，所述一个或多个附加的间隔件被配置成用于使所述缆线的一个或多个中间部分在所述螺旋弹簧轴内保持居中。

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