JP7122092B2 - 自動繊維配置機のための動的ヒータ制御 - Google Patents

Description

本開示は、複合材料製造の分野に関し、より具体的には自動繊維配置（ＡＦＰ）機に関する。

構成材料（例：炭素繊維強化ポリマー（ＣＦＲＰ））の多層積層板を任意の様々な形状に成形して、硬化させ、複合部品を形成することができる。複合部品の製造を促進するために、例えばＡＦＰ機等のロボットを用いることができる。例えば、ＡＦＰ機は、構成材料のトウの一又は複数の層をレイアップして積層板を形成し、その後硬化させることができる。

ＡＦＰ機の動作は、トウのレイアップが続いているときにＡＦＰ機の動きを操作する数値制御（ＮＣ）プログラムによって案内されうる。ＡＦＰ機は、単一コース（ｃｏｕｒｓｅ）（例えば、積層板を通過する一回運転）で一度に複数のトウを積層板上に分配することができ、ＡＦＰ機は、ＮＣプログラムからの命令に応じて、コース内で個々のトウを開始する又は終了することができる。

ＡＦＰ機によって置かれているトウが下の積層板に適切に付着するようにするために、ＡＦＰ機のヒータにより積層板を加熱する。積層板を加熱することにより、トウが所望の留め具合で積層板に適切に付着するようになる。しかしながら、複合部品の設計者は加熱プロセスを改善し、積層板の過熱及び／又は加熱不足の可能性を減らすシステム及び装置を追求し続ける。

本書に記載される実施形態は、ヒータから下の積層板までの距離と、ＡＦＰ機のエンドエフェクタ／ヘッドが移動する速度に基づいて、ＡＰＦ機のヒータに印加される電力の量を動的に調節する。これにより、レイアップの間にＡＦＰ機のヘッドによって実施される動作に関わらず、積層板が所望の温度に到達するようになる／所望の熱の量を受けるようになる。この技術は特に、ＡＦＰ機が複雑な形状を有する積層板をレイアップする環境において有益である。

一実施形態は、レイアップの間に加熱表面が積層板表面の上を移動する経路に沿った複数の位置の各位置において、自動繊維配置（ＡＦＰ）機のヒータの加熱表面からＡＦＰ機によってレイアップされる積層板の表面までの予測された距離を示す距離データを読み出すことを含む方法である。本方法はまた、数値制御（ＮＣ）プログラムにしたがって積層板をレイアップするようにＡＦＰ機を案内することと、レイアップの間に経路内のヒータの現在の位置を識別することと、ＡＦＰ機のヒータが現在の位置において移動する速度を決定することと、ヒータの現在の位置を予測された距離のうちの１つと関連付けすることと、現在の位置と関連付けられた予測された距離と、現在の位置における速度に基づいて、現在の位置におけるレイアップの間のヒータへの電力の量を調節することとも含む。

別の実施形態は、積層板をレイアップする自動繊維配置（ＡＦＰ）機を備えるシステムである。ＡＦＰ機は、構成材料のトウを積層板上に分配するガイドを備えるヘッドと、トウが積層板上に分配される前に積層板を加熱するヒータとを含む。ＡＦＰ機は更に、レイアップの間に加熱表面が積層板表面の上を移動する経路に沿った複数の位置の各位置において、ヒータの加熱表面から積層板の表面までの予測された距離を示す距離データを読み出し、数値制御（ＮＣ）プログラムにしたがって積層板をレイアップするようにＡＦＰ機を案内し、レイアップの間に経路内のヒータの現在の位置を識別し、ＡＦＰ機のヒータが現在の位置において移動する速度を決定し、ヒータの現在の位置を予測された距離のうちの１つと関連付けし、現在の位置と関連付けられた予測された距離と、現在の位置における速度に基づいて、現在の位置におけるレイアップの間のヒータへの電力の量を調節するコントローラを含む。

別の実施形態は、少なくとも１つのセンサから距離データを取得することと、距離データに基づいて自動繊維配置（ＡＦＰ）機のヒータの加熱表面からある位置においてＡＦＰ機によってレイアップされている積層板の表面までの距離を決定することと、積層板の上のヒータの速度を決定することと、その位置における距離と速度に基づいて、ヒータへの電力の量を調節することとを含む方法である。

別の実施形態は、ＡＦＰ機を含むシステムである。ＡＦＰ機は、構成材料のトウを積層板上に分配するガイドと、トウが積層板上に分配される前に積層板の表面を加熱するヒータと、距離データを提供する少なくとも１つのセンサとを備えるヘッドを含む。ＡＦＰ機は更に、数値制御（ＮＣ）プログラムにしたがって積層板をレイアップするようにＡＦＰ機を案内し、ＡＦＰ機のヒータがレイアップの間に移動する速度を決定し、少なくとも１つのセンサからの距離データに基づいて、ある位置における加熱表面から積層板表面までの距離を決定し、位置における距離と速度に基づいてヒータへの電力の量を調節するコントローラを含む。

他の例示的な実施形態（例えば、上述の実施形態に関連する方法及びコンピュータ可読媒体）が、後述される。上述の特徴、機能、及び利点は、様々な実施形態において単独で実現することが可能である、又は更に別の実施形態において組み合わせることが可能であるが、これらの実施形態は、以下の説明及び添付図面を参照することによって更に詳細に理解することができる。

ここで本開示の幾つかの実施形態を、例示としてのみ、添付図面を参照して説明する。全ての図面において、同じ参照番号は同じエレメント又は同じタイプのエレメントを表す。

例示的な実施形態における材料のトウをレイアップするＡＦＰ機を示す図である。 例示的な実施形態におけるロボットのエンドエフェクタの拡大図である。 例示的な実施形態における構成材料のトウをレイアップしているエンドエフェクタの斜視図である。 例示的な実施形態におけるヒータの側面図である。 例示的な実施形態における積層板をレイアップするＡＦＰ機 のブロック図である。 例示的な実施形態におけるヒータから積層板までの距離を示す既定の情報に基づいて、ヒータへの電力を動的に調節する方法を示すフロー図である。 例示的な実施形態におけるヒータから積層板までの距離を示すセンサ入力に基づいて、ヒータへの電力を動的に調節する方法を示すフロー図である。 例示的な実施形態における積層板までの距離を測定しているヒータの側面図である。 例示的な実施形態における電力プロファイルについての定義を示す表である。 例示的な実施形態における様々な温度及び距離についての電力プロファイルを示すグラフである。 例示的な実施形態における様々な温度及び距離についての電力プロファイルを示すグラフである。 例示的な実施形態における航空機の製造及び保守方法のフロー図である。 例示的な実施形態における航空機のブロック図である。

図面及び下記の記載により、本開示の特定の例示的実施形態が示される。従って、当業者は、本明細書に明示的に記載又は図示されていない様々な装置を考案して本開示の原理を具現化することができるが、それらは本開示の範囲に含まれることを理解されたい。更に、本明細書に記載のいかなる実施例も、本開示の原理の理解を助けるためのものであり、具体的に記載された実施例や諸条件を限定しないものとして理解されるべきである。結果として、本開示は、下記の具体的な実施形態又は実施例に限定されず、特許請求項の範囲及びその均等物によって限定される。

図１は、例示的な実施形態における支持体１７０に装着されたＡＦＰ機１００を示す図である。ＡＦＰ機１００は、構成材料のトウ１５２をレイアップして硬化させ、複合部品を形成することができる任意のシステム又は装置を備える。ＡＦＰ機１００は、レイアップの間に（例えば同時に）硬化性構成材料（例：ＣＦＲＰ）のトウ１５２を分配する、エンドエフェクタ／ヘッド２００を含む。トウ１５２は、硬化されて１つのモノシリック複合部品を形成する一または複数の材料層を含む積層板１５０を形成するようにレイアップされる。この実施形態では、積層板１５０は、航空機の胴体セクションを含み、回転ホルダー１６０によって適所に保持される。

ＡＦＰ機１００が積層板１５０上にトウ１５２をレイアップするように動作するときは、ＡＦＰ機１００は、軸Ｘ１６６に沿って積層板１５０に向かって／積層板１５０からまっすぐに、軸Ｙ１６４に沿って上向き／下向きに垂直に、及び／又は軸Ｚ１６２に沿って横に移動しうる。本書で使用するように、ヘッド２００がひと「振り」する間にＡＦＰ機１００が複数のトウ１５２を同時にレイアップするときに、これらのトウ１２２はまとめて１つの「コース」と称される。連続して配置される一連のコースは、層と称されうる。積層板１５０に層が追加されると、出来上がった複合部品の強度が有益に向上する。

例えば胴体のセクション等の大きな積層板１５０の材料をレイアップすることは、時間のかかる複雑なプロセスである。トウ１５２を迅速に、また効率的にレイアップできるようにするために、ＡＦＰ機１００の動作はＮＣプログラムで制御される。一実施形態では、ＮＣプログラムは、ＡＦＰ機１００を位置調整する／再配置する、ヘッド２００を動かす、及び積層板１５０上にトウ１５２をレイアップするために、コースごとに命令を送る。このように、ＮＣプログラムの命令を実施することによって、ＡＦＰ機１００は積層板を組み立てて硬化させ、複合部品を形成する。

図２は、図１の図面矢印２によって示す、ＡＦＰ機１００のヘッド２００の拡大前面図である。図２に示すように、ヘッド２００は、トウ１５２を積層板１５０に適切に留める／付着させるために、積層板１５０に熱を加えるヒータ２１０を含む。ヒータ２１０は、積層板１５０上に熱を放射するために、加熱エレメント２１２（例：電流の印加に応じて、熱放射／赤外線放射を生成する電気抵抗フィラメント）に電力を加える。この実施形態では、ヒータ２１０には、トウ１５２がレイアップされている間に図示したヘッドの方向にヒータ２１０が進むときにヒータ２１０から積層板１５０までの距離を測定するセンサ２４０が付属する。図２は更に、ヘッド２００が一または複数のトウ１５２を分配するためのガイド２２０、及び積層板１５０上にトウ１５２を圧密化する圧密化ローラ２３０を含むところを示す。

図３は、例示的な実施形態のヘッド２００によって積層板１５０上にトウ１５２を配置しているところを示す斜視図である。具体的には、図３は、図２の図面矢印３によって示される図である。図３に示すように、ヘッド２００は、センサ２４０と、ヒータ２１０（加熱エレメント２１２を含む）と、ガイド２２０と、圧密化ローラ２３０とを含む。ヘッド２００は、経路３００に沿って積層板１５０上を図示したヘッド方向に進み、積層板１５０上に圧密化するためのトウ１５２をレイアップする。ヘッド２００はコースの間に複数のトウ１５２を同時に分配し、圧密化ローラ２３０はトウ１５２を積層板１５０の表面１５６上に押し付けて、層１５４を形成する。図３に更に、トウ１５２を分配するガイド２２０の前方を行くヒータ２１０を示す。このため、ヒータ２１０は、積層板１５０がトウ１５２を受け入れられる状態になるように、（例えば、トウ１５２を直接加熱する代わりに）積層板１５０に熱２１４を加える。これにより、積層板１５０が所望の温度まで加熱されやすくなり、大きな利益がもたらされる。積層板１５０に加えられたこの熱は次に、トウ１５２が積層板１５０と接触した後、また積層板１５０上に圧密化された後に、トウ１５２が所望の温度に加熱される助けとなりうる。同時に、ヒータ２１０がトウ１５２と圧密化ローラ２３０の前方を行くことから、トウ１５２は圧密化ローラ２３０と接触する前には加熱されないようになる。上記の結果、トウ１５２が積層板１５０の代わりに圧密化ローラ２３０に付着する、望ましくないことが起きる可能性がある。

図４は、図３の図面矢印４によって示すヒータ２１０の側面図である。図４に、これを介してヒータ２１０から積層板１５０上に熱が放射される、加熱表面４００（例えばガラス又はプラスチック面）を示す。この実施形態では、加熱表面４００は、ヒータ２１０の最下部の平面であるが、加熱表面４００は、これを通してヒータ２１０から積層板１５０に放射熱が伝達されるいずれかの任意の形状の表面を含みうる。図４に、積層板１５０の非均一表面１５６においては、ヒータ２１０の加熱表面４００と積層板１５０の表面１５６との間の距離が変動しうることを示す。これは、ヒータ２１０が図４に示すように完全に平らに／水平に保持されたとしても、同じことが言える。したがって、ヒータ２１０を点／位置１５７において表面１５６からの距離Ｄ１に示したが、ヒータ２１０は、点／位置１５８において表面１５６からもっと短い距離Ｄ２にある。これにより、放射熱が距離の二乗関数だけ低下するため、問題になる。したがって、ヒータ２１０が一定量の熱を加えながら、一定速度で移動して積層板１５０を通過した場合、点１５８が過熱する、又は点１５７が加熱不足になる。ＡＦＰ機１００は、過熱又は加熱不足を減らすために、ヒータ２１０への電力の量を動的に変動させることによって、この懸案事項に有益に対処する。

図５は、ＡＦＰ機１００とともに用いられうる別の構成要素を示すブロック図である。具体的には、図５に、ＡＦＰ機１００が、メモリ５０４内のＮＣプログラム５０５にしたがって、ＡＦＰ機１００の動作を管理するコントローラ５００を含みうることを示す。例えば、コントローラ５００のプロセッサ５０２は、ＡＦＰ機１００の運動学的連鎖５１０においてアクチュエータ５１４（例えば回転又は拡張アクチュエータ）の動作を案内するために、ＮＣプログラム５０５の命令を用いうる。コントローラ５００は、命令をアクチュエータ５１４に送信し、アクチュエータ５１４からフィードバックを受信するために、インターフェース（Ｉ／Ｆ）５０６（例えばイーサネットケーブル、ユニバーサルシリアルバス（ＵＳＢ）ケーブル、米国電気電子学会（ＩＥＥＥ）ＩＥＥＥ ８０２．１１無線プロトコルを用いた送受信機等）を用いうる。このように、トウを分配する、あるいはヘッド２００を再配置して新たなコースを開始するために、コントローラ５００によって積層板１５０を通過するようにヘッド２００を移動させて、剛性本体５１２の位置が変更されうる。コントローラ５００は例えば、カスタム回路として、プログラムされた命令を実行するプロセッサとして、又はこれらの何らかの組み合わせとして実装され得る。

図５に更に、ＡＦＰ機１００が支持体１７０によって保持されるところを図解し、センサ２４０と、トウ１５２を分配するガイド２２０と、トウ１５２を圧密化するローラ２３０とを示す。加熱エレメント２１２及び加熱表面４００も図５に示す。図５に更に、トウ１５２の複数の層１５４、及び表面１５６を含む積層板１５０を示す。

パーツ設計ユニット５２０も図５に示す。パーツ設計ユニット５２０は、硬化されて複合部品を形成する積層板１５０をレイアップするためのレイアップ命令を生成する。パーツ設計ユニット５２０は、例えばＮＣプログラム５０５等のＮＣプログラムを生成するために用いることができる。パーツ設計ユニット５２０は、積層板１５０の表面１５６の形状（例えば、積層板１５０に各層が形成された後／される時の積層板１５０の表面形状）へのアクセスを有する。レイアップの間の積層板１５０の形状の推測的な知識を前提として、パーツ設計ユニット５２０は、ヘッドが積層板１５０上に（例えば層ごとに）トウ１５２をレイアップする複数の位置の各位置における、ヒータ２１０から表面１５６までの距離を予測しうる。パーツ設計ユニット５２０はしたがって、経路に沿った各位置における加熱表面４００と積層板表面１５６との間の一または複数の予測された距離（例えば、平均予測距離、最長予測距離、及び／又は最短予測距離）を示す距離データ５２５を生成しうる。図５に示すように、パーツ設計ユニット５２０は、プロセッサ５２２、メモリ５２４、及びインターフェース（Ｉ／Ｆ）５２６（例えば、イーサネット又は無線インターフェース）を含む。

ＡＦＰ機１００の動作の例示的な詳細を、図６～７に関して説明する。具体的には、図６に、ヒータ２１０への電力を調整するために既定の距離データを用いる方法を示し、図７に、ヒータ２１０への電力を調整するために（例えばセンサ２４０からの）未処理のセンサデータを用いる方法を示す。図６において、複合部品は、ＮＣプログラム５０５の一連の命令として設計されていると仮定する。一式の命令の各命令には、ヘッド２００の開始位置、ヘッド２００の向き／角度、向きによって示される方向にヘッド２００を介して移動するコース、ヘッド２００がコースに沿って進むときに、どこでトウ１５２を分配及び／又は切断すべきかを示す情報が示される。

図６は、例示的な実施形態においてヒータ２１０から積層板１５０までの距離を示す既定情報に基づいて、ヒータ２１０への電力を動的に調節する方法６００を示すフロー図である。つまり、方法６００は、ＡＦＰ機１００を案内するためのＮＣプログラム（例えばＮＣプログラム５０５）に付与された命令に基づいて、ヒータ２１０から積層板１５０の表面１５６までの距離を予測的に決定する。

方法６００のステップを図１の（及び図５に更に示す）ＡＦＰ機１００を参照して説明したが、当業者は方法６００が他のシステムで実施され得ることを理解するであろう。本明細書に記載のフロー図のステップは、網羅的なものではなく、図示していない他のステップを含んでもよい。本明細書に記載のステップはまた、他の順序で実施することも可能である。

ステップ６０２において、パーツ設計ユニット５２０は次に、加熱表面４００と積層板表面１５６とを定義するデータを取得する（ステップ６０２）。加熱表面４００と積層板表面１５６を定義するデータは、（例えば、コンピュータ支援設計（ＣＡＤ）ファイルによって示すような）これらの特徴の三次元（３Ｄ）モデルを含みうる。この情報に基づいて、パーツ設計ユニット５２０は、積層板１５０をレイアップする方法を定義する、あるいはそうでなければ、レイアップの間に加熱表面４００と積層板表面１５６が共有空間／共有座標系内をどのように移動するかを特定するＮＣプログラムを生成しうる。パーツ設計ユニット５２０は更に、レイアップの間に加熱表面４００が積層板表面１５６を通過してたどる経路（例えば経路３００）を識別しうる（ステップ６０４）。経路は、ヒータ２１０が（例えばコースに対応する）積層板表面１５６を通過して移動するときの、複数の位置におけるヒータ２１０の位置を定義しうる。経路が既知であれば、パーツ設計ユニット５２０は、ヘッド２００の経路に沿った複数の位置の各位置における、レイアップの間の加熱表面４００から積層板表面１５６までの距離をプログラムで予測する。例えば、多層積層板では、パーツ設計ユニット５２０は、層をレイアップするためにヘッド２００が移動する各コースにおける経路を識別し、各経路に沿った複数の位置の各位置における加熱表面４００と積層板表面１５６との間の一または複数の距離を予測しうる。この距離情報は次に、レイアッププロセスの間ずっと、加熱表面４００と積層板表面１５６との間の距離（例えば平均距離、最短距離、最長距離）がどのくらいになるかを予測的に決定するために、パーツ設計ユニット５２０によって集められうる。これは図５において、距離データ５２５と称される。

パーツ設計ユニット５２０が、ＡＦＰ機１００によって使用されるＮＣプログラム５０５を生成した後に、及び／又は距離データ５２５を取得した後に、ＡＦＰ機１００のコントローラ５００はＮＣプログラム５０５と距離データ５２５とを読み出して、両方をメモリ５０４に記憶させる（ステップ６０８）。コントローラ５００は更に、ＮＣプログラム５０５にしたがって積層板１５０を組み立てるために、ヘッド２００を再配置するようにアクチュエータ５１４を案内し、表面１５６上にトウ１５２をレイアップするようにヘッド２００を案内する（ステップ６１０）。各層がレイアップされると、積層板１５０のサイズが大きくなる。

経路に沿った複数の位置の各位置において積層板表面１５６の温度が所望の温度範囲（例えば、下限と上限の間の温度）に達するように動的に制御するために、コントローラ５００はレイアップの間に経路内のヒータ２００の現在の位置を識別する（ステップ６１２）。経路に沿った現在の位置は、命令を完了することにおけるＡＦＰ機１００の進行具合を示す、アクチュエータ５１４からのフィードバックに加えて、ＡＦＰ機１００によって実施されるＮＣプログラム５０５からの命令に基づいて決定されうる。次にコントローラ５００は、（レイアップの間に）ヒータ２１０が現在の位置において積層板表面１５６を通過して移動する速度を決定する（ステップ６１４）。ヒータ２１０によって積層板表面１５６に加えられる熱の量は、加熱表面４００と積層板表面１５６との間の距離と、積層板表面１５６の上に加熱表面４００がとどまる時間の二乗関数である。したがって、現在の位置でのヒータ２１０の速度を（例えばアクチュエータ５１４、ヘッド２００からの入力、及び／又はＮＣプログラム５０５の命令によって示すように）決定することによって、コントローラ５００は、積層板１５６の位置に加えられる熱の量を調整しうる。ヒータ２１０の速度は変動しうることに留意されたい。つまり、ヘッド２００は、効率的な方法で移動しながらレイアッププロセスを促進するために、コースを開始したときは低速で開始し、最大速度まで増加し、その後コースの終わりで減速しうる。レイアップの間、コントローラ５００は、経路内のヒータ２１０の現在の位置を、ステップ６０６からの予測された距離のうちの１つに関連付けする（ステップ６１６）。このように、コントローラ５００は、ＮＣプログラム５０５によって定義される経路内のヒータ２１０の位置に基づいて、加熱表面４００から積層板表面１５６までの距離を決定する。

加熱表面４００から積層板表面１５６までの距離と、レイアップの間にヒータ２１０が移動する速度との両方に基づいて、ヒータ２１０によって積層板表面１５６のある位置に加えられる熱流束の量が決定されうる。したがって、レイアップの間、コントローラ５００は、現在の位置と、現在の位置での速度に関連づけられた予測された距離に基づいて、ヒータ２１０への電力の量（例えば、ヒータ２１０に印加される電力の量又はヒータ２１０によって熱として放射される電力の量）を選択する（ステップ６１６）。例えば、このステップは、距離及び速度に基づく電力の既定値を含む加熱プロファイルにアクセスすることが伴いうる。別の実施例において、このステップは、式に基づいて、ヒータ２１０に印加される電力を動的に計算することが伴いうる。更に、積層板１５０を加熱する基準には、望ましい温度の範囲、及び上限と下限が示されうる。

積層板１５０の一部が高温になりすぎた場合、積層板１５０が固化し始め、（例えば、積層板１５０が熱硬化性樹脂を含む実施形態において）局所的に硬化してしまうため、望ましくない。したがって、コントローラ５００は、積層板１５０のいかなる部分も上限温度を超えないようにするために、加熱表面４００と積層板表面１５６との間の最短距離（例えば最短の経路の距離）によって、ヒータ２１０によって加えられる電力の量を制限しうる。これにより積層板表面１５６の他の部分が、所望の下限温度未満のまま保たれることになっても、これを実施することは可能である。ヒータ２１０が経路に沿って進むときにステップ６１２～６１６を引き続き繰り返すことができ、これにより表面１５６が複数の位置の各位置で均一に加熱され、トウがレイアップされたときに留められやすくなりうる。

図７に、ヒータ２１０によって積層板１５０に加えられる熱の量を動的に調節するための代替方法７００を示す。具体的には、方法７００は、ヘッド２００が、ヒータ２１０と積層板１５０との間の距離を追跡するためのセンサ２４０を含む実施形態に注目する。この実施形態においては、ＡＦＰ機１００がＮＣプログラム５０５にしたがってトウ１５２を能動的にレイアップしていると仮定する。ヘッド２００が、コントローラ５００によって設定された所望の（及び変動する）速度でＮＣプログラム５０５によって定義された経路に沿って移動し続けるときに、コントローラ５００がセンサ２４０から距離データを取得する。この実施形態では、距離データは、ヘッド２００が移動する経路に沿った特定位置におけるセンサ２４０から積層板表面１５６までの一または複数の距離の測定を含む。例えば図８に示すように、距離Ｄ１、Ｄ２、及びＤ３を決定するために、各センサ２４０によって距離が取得されうる。距離データは、ある時間にわたって経路３００に沿った複数の位置（例：Ｌ１、Ｌ２，Ｌ３）の各位置において取得することができ、各位置における距離データを処理して、各測定距離を、加熱表面４００と積層板表面１５６との間の距離に変換することができる。例えば、センサ２４０が加熱表面４００からずれている、あるいは特定の方法で角度をなす場合、コントローラ５００は距離データを変換して、加熱表面４００と積層板表面１５６との間の距離を正確に示すことができる。

この距離データは更に、加熱表面４００と積層板表面１５６との間の平均距離（例：中間又は中央）、最短距離、及び／又は最長距離を決定するために、コントローラ５００によって解析され及び／又は処理されうる。コントローラ５００は更に、例えばアクチュエータ５１４からの入力及び／又はＮＣプログラム５０５の命令に基づいて、ヒータ２１０が積層板１５０を通過して移動する速度を決定する（ステップ７０６）。その後、コントローラ５００は、速度及び距離に基づいてヒータ２１０への電力の量を選択する（ステップ７０８）。このプロセスは、図６のステップ６１６と同様のやり方で実施されうる。

方法６００及び７００を用いて、加熱されている積層板の表面形状の変化を考慮するために、ＡＦＰ機のヒータによって加えられる熱の量が有益に動的に調整されうる。これにより、積層板に対するヒータの距離と速度が徐々に変化する状況においても、積層板が均一に加熱されるようになる。これによりさらに、硬化が局所的に始まる時点まで積層板１５０が過熱されることをなくすことができる。

以下の実施例において、追加のプロセス、システム及び方法を、ＡＦＰ機１００によって用いられうる電力／加熱プロファイルに照らして説明する。具体的には、図９～１１は、図２の加熱エレメント２１２への電力の量を調整するために用いられうる電力プロファイルを示す実施例である。したがって、本明細書に記載される電力プロファイルは、コントローラ５００が、加熱表面４００と積層板表面１５６との間の距離に関わらず、積層板１５０に既定の熱の量を加える、あるいは積層板１５０を既定温度まで加熱する電力の量を選択するように、コントローラ５００によって用いられうる。

図９に、例示的な実施形態の電力プロファイル（９１０、９２０）を示す。具体的には、図９に、各電力プロファイル（９１０、９２０）がヒータ２１０の異なる速度範囲に関連付けられ、各電力プロファイル（９１０、９２０）が加熱表面４００から積層板表面１５６までの距離に基づいて、ヒータ２１０に供給される電力の量の既定値を含む実施形態を示す。

図１０～１１は、例示的な実施形態の、様々な温度及び距離における電力プロファイルを示すグラフである。図１０の電力プロファイル１０００は、加熱表面４００と、積層板表面１５６との間の長距離に対応する。電力プロファイル１０００は、図９に示す電力プロファイルとは電力プロファイル１０００が複数の区分線形関数１０１０及び１０２０を含むところが異なっており、各区分線形関数は、種々の所望のターゲット温度に対応し、速度の関数に基づくものであるプロファイル１０００は更に、ヒータ２１０の速度に基づく遮断領域を含み、特定の速度レベル未満では、ヒータ２１０に電力が供給されないようになっている。これにより、低速では、ヒータ２１０は積層板１５０を硬化させる累計量の熱を加えることはない。図１０と同様に、図１１に、加熱表面４００と積層板表面１５６との間の短距離に対応し、区分関数１１１０及び１１２０を更に含む電力プロファイル１１００を示す。図１１の遮断領域は、大きな速度範囲に対応し、更に、線形関数１１１０及び１１２０は急こう配を呈し、これにより電力は速度の関数としてより急速に増加する。別の実施形態では、積層板１５０が意図せずに硬化することを防ぐために、加熱表面４００から積層板表面１５６までの最短距離に基づいて、ヒータ２１０への電力が選択される／（例えば所望のレベル未満に）制限される。このように、加熱エレメント２１２に供給される電力は、加熱表面４００と積層板表面１５６との間の最短距離に基づいて制限されうる。

本開示の実施形態は、図面を更に具体的に参照しながら、図１２に示す航空機の製造及び保守方法１２００、及び図１３に示す航空機１２０２に照らして説明され得る。製造前の段階では、例示的な方法１２００は、航空機１２０２の仕様及び設計１２０４と、材料の調達１２０６とを含み得る。製造段階では、航空機１２０２の、構成要素及びサブアセンブリの製造１２０８とシステムインテグレーション１２１０とが行われる。その後、航空機１２０２は、認可及び納品１２１２を経て、運航１２１４に供され得る。顧客による運航中、航空機１２０２には、（改造、再構成、改修なども含み得る）定期的な整備及び保守１２１６が予定されている。本明細書で具現化される装置及び方法は、製造及び保守方法１２００（例えば、仕様及び設計１２０４、材料の調達１２０６、構成要素及びサブアセンブリの製造１２０８、システムインテグレーション１２１０、認可及び納品１２１２、運航１２１４、整備及び保守１２１６）及び／又はいずれかの好適な航空機１２０２の構成要素（例えば、機体１２１８、システム１２２０、内装１２２２、推進１２２４、電気１２２６、油圧１２２８、環境１２３０）のいずれかの一または複数の好適な段階に用いられうる。

方法１２００の各プロセスは、システムインテグレータ、第三者、及び／またはオペレータ（例えば顧客）によって実施され、または実行され得る。本明細書の目的のために、システムインテグレータとは、限定しないが、任意の数の航空機製造者及び主要システムの下請業者を含んでもよく、第三者とは、限定しないが、任意の数のベンダー、下請業者、及び供給業者を含んでもよく、オペレータとは、航空会社、リース会社、軍事団体、サービス機関などであってもよい。

図１３に示すように、例示的な方法１２００によって製造された航空機１２０２は、複数のシステム１２２０及び内装１２２２を備えた機体１２１８を含み得る。高レベルのシステム１２２０の例には、推進システム１２２４、電気システム１２２６、油圧システム１２２８、及び環境システム１２３０のうちの一又は複数が含まれる。任意の数の他のシステムが含まれてよい。航空宇宙産業の例を示したが、本発明の原理は、自動車産業などの他の産業にも適用されうる。

上述したように、本明細書中で具現化される装置及び方法は、製造及び保守方法１２００の任意の一又は複数の段階において用いられうる。例えば、製造段階１２０８に対応する構成要素又はサブアセンブリは、航空機１２０２の運航期間中に製造される構成要素又はサブアセンブリと類似の方法で作製又は製造されうる。また、一又は複数の装置の実施形態、方法の実施形態、又はそれらの組み合わせは、例えば、航空機１２０２の組立てを実質的に効率化するか、又は航空機１２０２のコストを削減することにより、製造段階１２０８及び１２１０で利用されうる。同様に、装置の実施形態、方法の実施形態、或いはそれらの組み合わせのうちの一又は複数を、航空機１２０２の運航中に、例えば限定しないが、整備及び保守１２１６に利用することができる。例えば、本明細書に記載される技術及びシステムは、ステップ１２０６、１２０８、１２１０、１２１４、及び／又は１２１６で使用され、及び／又は機体１２１８及び／又は内装１２２２において使用されうる。これらの技術及びシステムは、例えば、推進１２２４、電気１２２６、油圧１２２８、及び／又は環境１２３０を含むシステム１２２０に対してさえも用いることが可能である。

一実施形態では、ＡＦＰ機１００は、構成要素及びサブアセンブリの製造１２０８の間に、硬化されて機体の一部からなる複合部品を形成する積層板をレイアップする。この構成部品は次に、システムインテグレーション１２１０において組み立てられて航空機が形成され、その後摩耗によりこの部品が使用不能となるまで運航１２１４において用いられうる。その後、整備及び保守１２１６において、部品が廃棄され、ＡＦＰ機１００によってレイアップされた新たに製造された部品に置き換えられうる。ヒータ２１０は、ＡＦＰ機１００によって実施されるレイアップを促進するために、構成要素及びサブアセンブリの製造１２０８の間ずっと用いられうる。

図示され、又は本明細書に記載される様々な制御エレメント（例えば、電気部品又は電子部品）のうちの任意のものが、ハードウェア、プロセッサが実装するソフトウェア、プロセッサが実装するファームウェア、又はこれらの何らかの組み合わせとして実装され得る。例えば、あるエレメントは専用ハードウェアとして実装され得る。専用ハードウェアエレメントは、「プロセッサ」、「コントローラ」、又は同様の何らかの専門用語で称されうる。プロセッサによって提供される場合、単一の専用プロセッサによって、単一の共有プロセッサによって、又はそのうちの幾つかが共有となりうる複数の個別のプロセッサによって機能が提供されうる。更に、「プロセッサ」又は「コントローラ」という用語の明示的な使用は、ソフトウェアの実行が可能なハードウェアのみを表わすと解釈されるべきでなく、限定するものではないが、デジタル信号プロセッサ（ＤＳＰ）ハードウェア、ネットワークプロセッサ、特定用途向け集積回路（ＡＳＩＣ）、もしくは他の回路、フィールドプログラマブルゲートアレイ（ＦＰＧＡ）、ソフトウェア記憶用のリードオンリメモリ（ＲＯＭ）、ランダムアクセスメモリ（ＲＡＭ）、不揮発性ストレージ、ロジックもしくは何らかの他の物理的ハードウェアコンポーネントもしくはモジュールなどを黙示的に含みうる。

また、制御エレメントは、そのエレメントの機能を実施するためにプロセッサ又はコンピュータによって実行可能な命令として実装されうる。命令の幾つかの例は、ソフトウェア、プログラムコード、及びファームウェアである。命令は、そのエレメントの機能を実施するようにプロセッサに指示するためにプロセッサによって実行されるときに動作可能である。命令は、プロセッサが読むことができる記憶装置に記憶されうる。記憶装置の幾つかの例は、デジタルもしくはソリッドステートメモリ、磁気ディスク及び磁気テープなどの磁気記憶媒体、ハードドライブ、又は光学式可読デジタルデータ記憶媒体である。

本発明はまた、特許請求の範囲と混同すべきではない下記の条項にも表される。

Ａ１．方法であって、
レイアップの間に加熱表面が積層板表面の上を移動する経路に沿った複数の位置の各位置における、自動繊維配置（ＡＦＰ）機のヒータの加熱表面から、ＡＦＰ機によってレイアップされている積層板の表面までの予測された距離を示す距離データを読み出すこと（６０６，６０８）と、
数値制御（ＮＣ）プログラムにしたがって積層板をレイアップするように、ＡＦＰ機を案内すること（６１０）と、
レイアップの間に、経路内のヒータの現在の位置を識別すること（６１２）と、
現在の位置において、ＡＦＰ機のヒータが移動する速度を決定すること（６１４）と、
ヒータの現在の位置を、予測された距離のうちの１つに関連付けすること（６１６）と、
現在の位置に関連付けされた予測された距離と、現在の位置における速度に基づいて、現在の位置における、レイアップの間のヒータへの電力の量を調節すること（６１８）と
を含む方法。

Ａ２．ヒータの加熱表面を定義するデータを取得すること（６０２）と、
積層板表面を定義するデータを取得すること（６０２）と、
加熱表面が積層板表面の上を移動する経路を決定すること（６０４）と、
経路に沿った複数の位置の各位置における、加熱表面から積層板表面までの距離を予測すること（６０６）と、
予測された距離を距離データとしてメモリに記憶させることと
を更に含む、段落Ａ１に記載の方法も提供される。

Ａ３．ある位置における加熱表面から積層板表面までの平均距離を識別することと、
平均距離に基づいて電力の量を選択することと
を更に含む、段落Ａ１に記載の方法も提供される。

Ａ４．その位置における加熱表面から積層板表面までの最短距離を識別することと、
最短距離に基づいて電力の量を選択することと
を更に含む、段落Ａ１に記載の方法も提供される。

Ａ５．加熱表面と積層板表面との間の距離に関わらず、積層板表面に既定量の熱を加えるために電力の量の調節が実施される、段落Ａ１に記載の方法も提供される。

Ａ６．加熱表面と積層板表面との間の距離に関わらず、積層板表面を既定温度まで加熱するために電力の量の調節が実施される、段落Ａ１に記載の方法も提供される。

本発明のさらなる態様によれば、下記が提供される。

Ｂ１．システムであって、
積層板（１５０）をレイアップする自動繊維配置（ＡＦＰ）機（１００）を備え、
ＡＦＰ機（１００）は、
ヘッド（２００）であって、
構成材料のトウ（１５２）を積層板上に分配するガイド（２２０）と、
トウが積層板上に分配される前に積層板を加熱するヒータ（２１２）と
を備えるヘッド（２００）と、
レイアップの間に加熱表面が積層板表面の上を移動する経路（３００）に沿った複数の位置の各位置において、ヒータの加熱表面（４００）から積層板の表面（１５６）までの予測された距離を示す距離データ（５２５）を読み出し、数値制御（ＮＣ）プログラムにしたがって積層板をレイアップするようにＡＦＰ機を案内し、レイアップの間に経路内のヒータの現在の位置（Ｌ１）を識別し、ＡＦＰ機のヒータが現在の位置において移動する速度を決定し、ヒータの現在の位置を予測された距離のうちの１つと関連付けし、現在の位置と関連付けられた予測された距離と、現在の位置における速度に基づいて、現在の位置におけるレイアップの間のヒータへの電力の量を調節するコントローラ（５００）と
を備える、システム。

Ｂ２．パーツ設計ユニット（５２０）であって、
メモリ（５２０）と、
ＡＦＰ機を案内するためのＮＣプログラムを生成し、加熱表面が積層板表面の上を移動する経路を決定し、経路に沿った複数の位置の各位置における加熱表面から積層板表面までの距離を予測し、予測された距離を距離データとしてメモリに記憶させるプロセッサ（５２２）と
を備えるパーツ設計ユニット（５２０）
を更に備える、段落Ｂ１に記載のシステムも提供される。

Ｂ３．コントローラが、その位置における加熱表面から積層板表面までの平均距離を識別し、平均距離に基づいて電力の量を選択する、段落Ｂ１に記載のシステムも提供される。

Ｂ４．コントローラが、その位置における加熱表面から積層板表面までの最短距離を識別し、最短距離に基づいて電力の量を選択する、段落Ｂ１に記載のシステムも提供される。

Ｂ５．コントローラが、加熱表面と積層板表面との間の距離に関わらず積層板表面に既定量の熱を加えるために、電力の量を調節する、段落Ｂ１に記載のシステムも提供される。

Ｂ６．コントローラが、加熱表面と積層板表面との間の距離に関わらず積層板表面を既定温度まで加熱するために、電力の量を調節する、段落Ｂ１に記載のシステムも提供される。

Ｂ７．ＡＦＰ機は更に、積層板上にトウを圧密化する圧密化ローラ（２３０）を備える、段落Ｂ１に記載のシステムも提供される。

本発明のさらなる態様によれば、下記が提供される。

Ｃ１．方法であって、
少なくとも１つのセンサから距離データを取得すること（７０２）と、
距離データに基づいて、ある位置における自動繊維配置（ＡＦＰ）機のヒータの加熱表面からＡＦＰ機によってレイアップされている積層板の表面までの距離を決定すること（７０４）と、
積層板の上のヒータの速度を決定すること（７０６）と、
その位置における距離及び速度に基づいてヒータへの電力の量を調節すること（７０８）と
を含む方法。

Ｃ２．距離データに基づいて、その位置における加熱表面から積層板表面までの平均距離を識別することと、
平均距離に基づいて電力の量を選択することと
を更に含む、段落Ｃ１に記載の方法も提供される。

Ｃ３．距離データに基づいて、その位置における加熱表面から積層板表面までの最短距離を識別することと、
最短距離に基づいて電力の量を選択することと
を更に含む、段落Ｃ１に記載の方法も提供される。

Ｃ４．加熱表面と積層板表面との間の距離に関わらず、積層板表面に既定量の熱を加えるために電力の量の調節が実施される、段落Ｃ１に記載の方法も提供される。

Ｃ５．加熱表面と積層板表面との間の距離に関わらず、積層板表面を既定温度まで加熱するために電力の量の調節が実施される、段落Ｃ１に記載の方法も提供される。

本発明のさらなる態様によれば、下記が提供される。

Ｄ１．ＡＦＰ機（１００）を備えるシステムであって、
ＡＦＰ機（１００）は、
ヘッド（２００）であって、
構成材料のトウ（１５２）を積層板（１５０）上に分配するガイド（２２０）と、
トウが積層板上に分配される前に積層板の表面（１５６）を加熱するヒータ（２１２）と、
距離データを提供する少なくとも１つのセンサ（２４０）と
を備えるヘッド２００と、
数値制御（ＮＣ）プログラムにしたがって積層板をレイアップするようにＡＦＰ機を案内し、レイアップの間にＡＦＰ機のヒータが移動する速度を決定し、少なくとも１つのセンサからの距離データに基づいて、ある位置における加熱表面から積層板表面までの距離を決定し、その位置における距離と速度に基づいてヒータへの電力の量を調節するコントローラ（５００）と
を備える、システム。

Ｄ２．コントローラが、距離データに基づいてその位置における加熱表面から積層板表面までの平均距離を識別し、平均距離に基づいて電力の量を調節する、段落Ｄ１に記載のシステムも提供される。

Ｄ３．コントローラが、距離データに基づいてその位置における加熱表面から積層板表面までの最短距離を識別し、最短距離に基づいて電力の量を選択する、段落Ｄ１に記載のシステムも提供される。

Ｄ４．コントローラが、加熱表面と積層板表面との間の距離に関わらず積層板表面を既定温度まで加熱するために、電力の量を調節する、段落Ｄ１に記載のシステムも提供される。

Ｄ５．コントローラが、加熱表面と積層板表面との間の距離に関わらず積層板を既定温度まで加熱するために、電力の量を調節する、段落Ｄ１に記載のシステムも提供される。

Ｄ６．積層板上にトウを圧密化する圧密化ローラ（２３０）を更に備える、段落Ｄ１に記載のシステムも提供される。

特定の実施形態が本明細書に記載されたが、本開示の範囲はそれら特定の実施形態に限定されるものではない。本開示の範囲は、下記の特許請求の範囲及びその全ての均等物によって規定されるものである。

Claims (13)

1. 自動繊維配置（ＡＦＰ）機（１００）によって積層板（１５０）をレイアップするための方法であって、
   前記ＡＦＰ機（１００）は、
   構成材料のトウ（１５２）を前記積層板上に分配するガイド（２２０）と、
   前記トウが前記積層板上に分配される前に前記積層板を加熱するヒータ（２１２）と、
   を備えるヘッド（２００）を備え、
   方法は、
   レイアップの間に加熱表面が積層板表面の上を移動する経路に沿った複数の位置の各位置における、前記ＡＦＰ機のヒータの前記加熱表面から、前記ＡＦＰ機によってレイアップされている前記積層板の表面までの予測された距離を示す距離データを読み出すこと（６０６、６０８）と、
   数値制御（ＮＣ）プログラムにしたがって前記積層板をレイアップするように、前記ＡＦＰ機を案内すること（６１０）と、
   レイアップの間に、前記経路内の前記ヒータの現在の位置を識別すること（６１２）と、
   前記現在の位置において、前記ＡＦＰ機の前記ヒータが移動する速度を決定すること（６１４）と、
   前記ヒータの前記現在の位置を、前記予測された距離のうちの１つに関連付けすること（６１６）と、
   前記現在の位置に関連付けされた前記予測された距離と、前記現在の位置における速度に基づいて、前記現在の位置におけるレイアップの間の前記ヒータへの電力の量を調節して（６１８）、前記積層板がトウを受け入れられる状態になるように前記積層板に熱を加えることと
   を含む方法。
2. 前記ヒータの前記加熱表面を定義するデータを取得すること（６０２）と、
   前記積層板表面を定義するデータを取得すること（６０２）と、
   前記加熱表面が前記積層板表面の上を移動する前記経路を決定すること（６０４）と、
   前記経路に沿った前記複数の位置の各位置における、前記加熱表面から前記積層板表面までの距離を予測すること（６０６）と、
   前記予測された距離を前記距離データとしてメモリに記憶させることと
   を更に含む、請求項１に記載の方法。
3. 前記位置における前記加熱表面から前記積層板表面までの平均距離を識別することと、
   前記平均距離に基づいて前記電力の量を選択することと
   を更に含む、請求項１に記載の方法。
4. 前記位置における前記加熱表面から前記積層板表面までの最短距離を識別することと、
   前記最短距離に基づいて前記電力の量を選択することと
   を更に含む、請求項１に記載の方法。
5. 前記加熱表面と前記積層板表面との間の距離に関わらず、前記積層板表面に既定量の熱を加えるために前記電力の量の調節が実施される、請求項１に記載の方法。
6. 前記加熱表面と前記積層板表面との間の距離に関わらず、前記積層板表面を既定温度まで加熱するために前記電力の量の調節が実施される、請求項１に記載の方法。
7. 積層板（１５０）をレイアップする自動繊維配置（ＡＦＰ）機（１００）を備えるシステムであって、
   前記ＡＦＰ機（１００）は、
   構成材料のトウ（１５２）を前記積層板上に分配するガイド（２２０）と、
   前記トウが前記積層板上に分配される前に前記積層板を加熱するヒータ（２１２）と
   を備えるヘッド（２００）と、
   レイアップの間に加熱表面（４００）が積層板表面の上を移動する経路（３００）に沿った複数の位置の各位置において、前記ヒータの前記加熱表面から前記積層板の表面（１５６）までの予測された距離を示す距離データ（５２５）を読み出し、数値制御（ＮＣ）プログラムにしたがって前記積層板をレイアップするように前記ＡＦＰ機を案内し、レイアップの間に前記経路内の前記ヒータの現在の位置（Ｌ１）を識別し、前記ＡＦＰ機の前記ヒータが前記現在の位置において移動する速度を決定し、前記ヒータの前記現在の位置を前記予測された距離のうちの１つと関連付けし、前記現在の位置と関連付けられた前記予測された距離と、前記現在の位置における前記速度に基づいて、前記現在の位置におけるレイアップの間の前記ヒータへの電力の量を調節するコントローラ（５００）と
   を備え、
   前記ヒータ（２１２）が、前記積層板がトウを受け入れられる状態になるように前記積層板に熱を加える、システム。
8. パーツ設計ユニット（５２０）であって、
   メモリ（５２０）と、
   前記ＡＦＰ機を案内するための前記ＮＣプログラムを生成し、前記加熱表面が前記積層板表面の上を移動する前記経路を決定し、前記経路に沿った前記複数の位置の各位置における前記加熱表面から前記積層板表面までの距離を予測し、前記予測された距離を前記距離データとしてメモリに記憶させるプロセッサ（５２２）と
   を備えるパーツ設計ユニット（５２０）
   を更に備える、請求項７に記載のシステム。
9. 前記コントローラが、前記位置における前記加熱表面から前記積層板表面までの平均距離を識別し、前記平均距離に基づいて前記電力の量を選択する、請求項７に記載のシステム。
10. 前記コントローラが、前記位置における前記加熱表面から前記積層板表面までの最短距離を識別し、前記最短距離に基づいて前記電力の量を選択する、請求項７に記載のシステム。
11. 前記コントローラが、前記加熱表面と前記積層板表面との間の距離に関わらず前記積層板表面に既定量の熱を加えるために、前記電力の量を調節する、請求項７に記載のシステム。
12. 前記コントローラが、前記加熱表面と前記積層板表面との間の距離に関わらず前記積層板表面を既定温度まで加熱するために、前記電力の量を調節する、請求項７に記載のシステム。
13. 前記ＡＦＰ機は更に、前記積層板上にトウを圧密化する圧密化ローラ（２３０）を備える、請求項７に記載のシステム。
    

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