KR100967494B1 - 복합재료 물품을 제조하는 장치 - Google Patents

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더 보잉 컴파니
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Abstract

복합재료 물품이 장치로 제조된다. 이 장치는 엔드 이펙터와 위치결정 장치를 포함한다. 이 엔드 이펙터는 토우를 배치시킨다. 엔드 이펙터는 스핀들, 압착장치, 및 통로를 포함한다. 스핀들은 토우 스풀을 분리가능하게 체결하며 통로는 스풀로부터 압착장치까지 배치된다. 위치결정 장치는 엔드 이펙터의 위치를 결정한다. 엔드 이펙터는 위치결정 장치에 분리가능하게 체결된다.
복합재료 물품, 엔드 이펙터, 토우, 위치결정장치

Description

복합재료 물품을 제조하는 장치{MODULAR HEAD LAMINATION DEVICE}
본 발명은 일반적으로 라미네이션 장치에 관한 것이다. 더 상세하게는 본 발명은 복합재료 물품을 제조하는 시스템과 장치 및 방법에 관한 것이다.
복합재료 물품들은 함께 적층된 재료의 층들로 전형적으로 이루어진다. 복합재료 물품들을 제조 또는 레이업(layup)하는데 사용되는 재료들의 범주로는 예컨대 섬유, 직물, 테이프, 필름 및 호일(foil)을 포함한다. 이 범주들의 각각 내에서 다수의 다양한 재료들이 사용된다. 예컨대, 사용된 섬유들은 유리, 탄소, 아라미드, 석영 등을 포함한다. 이 섬유들이 직조시트(woven sheet)와 일방향 리본으로 준비되는 경우, 이들을 각각 직물과 테이프라 한다.
섬유 배치(placement)는 복합재료 물품들을 구성 또는 제조하는데 사용되는 공정이다. 이 복합재료 물품들은 비교적 간단한 평면 쉬트 또는 패널 내지 비교적 큰 복합구조물을 포함한다. 일반적으로 복합재료 물품들은 경화되지 않은 수지로 미리 함침된 복합재료들의 다수 층 또는 플라이(ply)들("프리프레그")로부터 만들어진다.
7축 매니퓰레이터(manipulator)의 헤드는 일군의 프리프레그 토우를 연속 밴 드로 배열시키고 이들을 폼이나 레이업의 표면을 향하여 압착한다. 섬유 배치는 필라멘트 와인딩과 자동 테이프 라미네이션 각각의 단점을 피하면서 이들 모두의 장점을 결합한다. 종래의 섬유 배치기계들은 복합재료 프리프레그 재료 또는 토우를 저장하는데 사용되는 커다란 냉장 크릴(creel) 하우스를 가진다. 이 크릴 하우스는 통상적으로 헤드로부터 분리되며 그리고 재료나 헤드를 교환할 때 크릴로부터 헤드로 토우들을 재장착하는데 한 시간까지 걸린다. 또한 수지가 종종 크릴로부터 헤드로 토우를 이송하는 부품들 상에 또는 주변에 축적되어 제조시에 작업중단을 야기할 수 있다.
따라서 적어도 어느 정도 상술한 단점들을 극복할 수 있는 방법 및 장치를 제공하는 것이 요구된다.
상술한 필요성은 대부분 본 발명에 의해 충족되는데, 여기에서 한편으로 몇몇 실시예에서는 통합형 크릴을 가진 모듈 방식의 헤드를 가지고 기판에 토우를 배치시키는 장치, 시스템 및 방법이 제공된다.
본 발명의 실시예는 복합재료 물품을 제조하기 위한 장치에 관한 것이다. 이 장치는 엔드 이펙터와 위치결정 장치를 포함한다. 이 엔드 이펙터는 토우를 배치시킨다. 엔드 이펙터는 스핀들, 토우 통로, 및 압착장치를 포함한다. 스핀들은 토우 스풀(spool)을 분리가능하게 체결하며 통로는 스풀로부터 압착장치까지 배치된다. 위치결정 장치는 엔드 이펙터의 위치를 결정한다. 엔드 이펙터는 위치결정 장치에 분리가능하게 체결된다.
본 발명의 다른 실시예는 복합재료 물품을 제조하기 위한 시스템에 관한 것이다. 이 시스템은 공구와 엔드 이펙터 및 위치결정 장치를 포함한다. 공구는 굴대와 축받이를 포함한다. 토우는 굴대에 적용된다. 축받이는 축주위로 굴대를 회전시킨다. 엔드 이펙터는 토우를 배치시킨다. 엔드 이펙터는 스핀들, 압착장치, 및 통로를 포함한다. 스핀들은 토우 스풀을 분리가능하게 체결한다. 압착장치는 굴대위에서 토우를 누른다. 통로는 스풀로부터 압착장치까지 배치된다. 위치결정 장치는 공구에 대하여 엔드 이펙터를 위치결정시키기 위하여 축받이와 협동하여 작동하며 엔드 이펙터는 위치결정 장치에 분리가능하게 체결된다.
본 발명의 또 다른 실시예는 복합재료 물품을 제조하는 방법에 관한 것이다. 이 방법에서는, 폼에 토우를 적용하기 위하여 복수의 엔드 이펙터중에서 제1 엔드 이펙터가 선택된다. 제1 엔드 이펙터는 위치결정 장치에 체결되며 토우가 폼에 적용된다.
따라서 본 명세서의 상세한 설명이 더 잘 이해될 수 있도록 그리고 당업계에의 기여가 더 잘 이해할 수 있도록 본 발명의 약간의 실시예들이 다소 폭넓게 약술된다. 물론 본 발명의 추가 실시예들이 아래에서 설명될 것인바, 이것들이 본 명세서에 첨부된 청구항의 주제를 형성할 것이다.
이 점에서, 본 발명의 적어도 일실시예를 상세히 설명하기 전에 본 발명은 그 응용에 있어서 이하의 설명에 기술되거나 또는 도면에 도시된 부품들의 배치와 상세한 구성에 한정되지 않는다는 것을 이해하여야 한다. 본 발명은 설명된 실시예들에 추가하여 다양한 방법으로 실시되고 실행될 실시예들을 수용할 수 있다. 또한, 본 명세서는 물론 요약서에 채택된 표현과 용어는 설명을 하기 위한 것이며 한정을 하기 위한 것이 아니라는 점을 이해하여야 한다.
이와 같이, 본 명세서의 개시의 기초를 이루는 개념은 본 발명의 여러 가지 목적들을 실행하기 위한 다른 구조들, 방법들 및 시스템들의 설계를 위한 기초로서 용이하게 사용될 수 있다는 점을 당업자가 이해할 것이다. 따라서 본 발명의 정신과 범위로부터 벗어나지 않는 한에 있어서는 청구항들이 균등한 구성을 포함하는 것으로 간주된다는 점에서 중요하다.
복합재료 물품을 제조하기 위한 시스템으로서,
위에 토우를 적용하기 위한 굴대와, 축주위로 상기 굴대를 회전시키기 위한 축받이를 구비하는 공구와;
토우 스풀을 분리가능하게 체결하기 위한 스핀들과, 상기 굴대 위에서 토우를 누르기 위한 압착장치와, 상기 스풀로부터 상기 압착 롤러로의 통로를 구비하는, 토우를 배치하기 위한 엔드 이펙터; 및
공구에 대하여 상기 엔드 이펙터를 위치결정시키기 위하여 상기 축받이와 협동하여 작동하는 위치결정 장치;를 구비하고,
여기에서 상기 엔드 이펙터는 위치결정 장치에 분리가능하게 체결되고, 릴리즈가 엔드 이펙터와 위치결정장치를 체결하고 분리시키기 위하여 전자적으로 제어가능하고;
진공 소스와;
상기 진공 소스에 유체적으로 접속되고 토우로부터 백킹을 제거하도록 구성된 진공노즐;을 더 구비하고;
여기에서 상기 엔드 이펙터는 하나 이상의 섬유, 호일, 미리 절단된 프리프레그 조각, 직물, 슬릿 테이프, 테이프, 접착 필름 및 서피서(surfacer) 필름을 분배하도록 구성되고;
토우로부터 백킹을 제거하도록 구성된 테이크엎(take-up) 스풀;
오프라인 스테이션; 및
상기 오프라인 스테이션에 배치된 복수의 상호교환가능한 엔드 이펙터;를 더 구비하고,
여기에서 상기 위치결정장치는 복수의 상호교환가능한 엔드 이펙터들중의 엔드 이펙터들을 분리가능하게 체결하도록 구성된다.
도 1은 본 발명의 실시예에 따른 자동화된 라미네이션 장치의 사시도이다.
도 2는 도 1의 라미네이팅 장치와 함께 사용하기에 적합한 엔드 이펙터의 정면의 사시도이다.
도 3은 도 1의 라미네이팅 장치와 함께 사용하기에 적합한 시스템의 블록도이다.
도 4는 도 1의 라미네이팅 장치에 사용하기에 적합한 제어기를 위한 시스템 아키텍쳐를 나타내는 도면이다.
도 5는 도 1의 라미네이팅 장치에 따라서 복합재료 물품을 제조하기 위하여 토우를 배치시키는 방법에 관한 단계들을 나타내는 도면이다.
이제 도면을 참조하면서 본 발명을 설명하는 바, 본 명세서에서 동일한 참조번호는 동일한 부재를 나타낸다. 도 1에 도시된 바와 같이, 본 발명의 실시예에서 사용하기에 적절한 라미네이팅 장치(10)는 위치결정 장치(12)와 엔드 이펙터(14)를 포함한다. 위치결정 장치(12)는 엔드 이펙터(14)의 이동을 위치결정하거나 다르게는 제어하도록 구성된다. 본 발명의 실시예에서, 위치결정 장치(12)는 3 내지 10개 또는 그 이상의 이동 축을 제어하도록 구성된 로봇 아마쳐 또는 갠트리(gantry) 타입의 위치결정장치이다. 그러나 축의 특정 개수는 특별한 작업조건에 좌우될 수 있고 따라서 제어되는 축들의 개수는 본 발명에서 중요한 것이 아님을 이해하여야 한다.
라미네이팅 장치(10)는 폼(20) 위에 코스(course) 재료(18)를 적용함으로써 물품(16)을 제조하도록 구성된다. 전형적으로 물품(16)은 다수의 플라이(ply) 또는 다수의 층으로 된 코스 재료(18)로부터 제조된다. 여러 가지 형태에 있어서, 엔드 이펙터(14)는 압착 롤러(22) 및/또는 폼(20)에 코스 재료(18)를 적용하기 위한 스위프(sweep)를 포함한다. 폼(20)은 플라이를 배치하기 위하여 적절히 안정성 있고 마감처리된 표면을 제공하도록 구성된다. 도 1에 도시된 것과 같이 폼(20)은 축 둘레를 회전하도록 제어된다. 이와 같이 회전하도록 제어되는 경우에, 전형적으로 폼(20)을 굴대라 한다. 다른 실시예에서, 폼(20)은 정지하거나 또는 여러 축에서 움직이도록 제어될 수 있다. 예를 들면, 폼(20)은 미끄럼이동가능한 테이블 또는 X-Y 테이블에 체결될 수 있다. 이런 점에서, 폼(20) 및/또는 엔드 이펙터(14)가 서로에 대해 상대적으로 이동하도록 제어되는 본 실시예 및 다른 실시예들은 본 발명의 범위내에 있다. 또한, 폼(20)과 위치결정장치(12) 모두의 이동은 엔드 이펙터(14)를 위치결정시키도록 작용한다. 더욱이, 폼(20)과 위치결정장치(12)의 이동은 이 장치들이 근본적으로는 단일 유닛으로서 작동하는 정도로 일반적으로 조정되며, 따라서 이를 위하여 위치결정장치(12) 및/또는 폼(20)의 조절은 위치결정장치(12)에 관해서 언급될 것이다. 크기, 모양, 윤곽 등의 폼(20)의 특성은 물품(16)의 디자인 파라미터에 의거한다. 물품(16)은 도 1에 도시되어 있는데, 복수의 코스(24)로 이루어진다. 폼(20) 또는 기판(26) 위에 놓인 코스(24)들의 각 층을 플라이(ply)라고 기술하는데 물품(16)은 전형적으로 복수의 플라이로부터 제조된다. 기판(26)은 폼(20) 표면 및/또는 이전에 적용된 코스(24)를 포함한다.
도 1의 실시예에 따르면, 라미네이팅 장치(10)는 한 세트의 오프라인 엔드 이펙터들(30)을 보유하도록 구성된 오프라인 스테이션(28)을 더 포함한다. 오프라인 엔드 이펙터들(30)은 제어가능한 퀵 릴리즈 커플링을 통해 엔드 이펙터(14)와 교환되도록 각각이 작동가능하다. 본 발명의 여러 실시예의 장점으로는 한 세트의 오프라인 엔드 이펙터들(30)이 생산성을 크게 증가시키는데 조력한다는 것이다. 즉, 서비스 동작이 엔드 이펙터(14)에서 수행되어야 하는 경우에, 이 엔드 이펙터(14)는 오프라인 스테이션(28)에 배치되어 위치결정장치(12)로부터 연결해제함으로써 "오프라인"으로 된다. 이어서 위치결정장치(12)는 오프라인 엔드 이펙터(30)에 연결되고 라미네이팅 장치가 물품(16)을 계속 제조한다.
도 2는 라미네이팅 장치(10)와 함께 사용하기에 적절한 엔드 이펙터(14)의 정면 사시도이다. 도 2에 도시된 바와 같이, 엔드 이펙터(14)는 토우(36)를 분배하기 위하여 한 세트의 스풀(34)을 포함한다. 토우(36)는 임의의 적절한 코스 재료를 포함한다. 적절한 코스 재료의 예로는 여러 가지 섬유들, 필름들, 호일들 및/또는 이와 유사한 것들을 포함한다. 섬유들의 특별한 예들은 유리, 아라미드, 탄소 및 다양한 다른 섬유들을 포함한다. 토우(36)는 개별적인 섬유들, 번들(bundle), 코드들, 플레이트(plait), 단반향 "테이프" 형태의 리본들, 직조 직물, 양축 클로스(biaxial cloth) 등을 포함한다. 또한 토우(36)는 수지나 다른 결합물질과 함께 미리 함침될 수 있다. 이어서, 스풀들(34) 각각은 각 스핀들 또는 텐셔너(38)에 장착된다. 텐셔너(38)는 각 스풀(34)을 엔드 이펙터(14)에 분리가능하게 체결하며, 예컨대 브레이크나 모터와 같은 임의의 적절한 장력 장치를 포함하여 장력을 가하며 그리고 토우(36)가 분배되는 속도를 조절한다. 적절한 장력장치의 특정 예로는 텐셔너(38)의 주변부를 둘러싸고 텐셔너(38)의 회전을 늦추는 마찰을 발생시키는 벨트를 포함한다. 이 마찰은 벨트에 작용하는 솔레노이드나 서보의 작용을 통해 조절된다. 종래의 섬유 배치 시스템에서는, 엔드 이펙터가 크릴에 대하여 1 미터 이상 이동할 수 있고 그에 합당하게 텐셔너가 느슨함을 죄어야만 한다. 이와 대조적으로, 본 발명의 실시예는 엔드 이펙터(14)에 크릴을 포함하므로, 죄여야 할 어떠한 느슨함도 없다. 따라서, 본 발명의 여러 실시예들의 장점으로는 텐셔너(38)가 종래의 섬유배치 시스템에 의해 요구되는 장력장치들에 비하여 상대적으로 간단하고 저렴하며 믿을 수 있는 장력장치를 사용할 수 있다는 점을 들 수 있다.
엔드 이펙터(14)는 스풀(34)로부터 압착롤러(22)로 이동할 때 따라가기 위한 토우(40)용 통로(40)를 더 포함한다. 이 통로(40)는 토우 공급속도의 빠른 변화를 막는 댄서 롤러(42)를 포함한다. 통로(40)는 절단 어셈블리(46)로 토우(36)를 안내하는 방향바꿈 도르래(44)를 더 포함한다. 실시예에 따르면, 댄서 롤러(42)와 방향바꿈 도르래(44)는 본질적으로는 서로에 대하여 각을 두고 고정된다. 따라서, 토우(36)가 방향바꿈 도르래(44)로 인입되는 각도는 스풀(34)의 반경이 토우(36)의 제거에 따라 감소하여도 실질적으로는 일정하게 유지된다. 댄서 롤러(42)는 스풀(34)로부터 토우(36)를 매끄럽게 제거하는 것을 더 용이하게 하며 임의선택적인 토우 백킹(48; backing)이 만약 존재한다면 그 제거를 더 용이하게 할 수 있다. 토우 백킹(48) 또는 분리자 필름은 만약 이것들이 존재한다면 스풀(34)에 위치하는 동안에 또는 롤 형상으로 있는 동안에 토우(36)가 그 자신에 들러붙는 것을 실질적으로 방지한다. 토우 백킹(48)을 제거하기 위하여, 엔드 이펙터(14)는 백킹 제거 시스템을 임의선택적으로 포함한다. 백킹 제거 시스템은 토우(36)로부터 토우 백킹(48)을 빼내도록 작동가능한 임의의 적절한 시스템을 포함한다. 적절한 백킹 제거 시스템은 테이크엎(take up) 스풀 또는 릴(reel) 등을 포함한다. 특별한 실시예에서, 엔드 이펙터(14)는 진공 소스와 유체소통하며 그리고 토우 백킹(48)을 빼내기에 충분한 흡인을 생성하도록 구성된 진공 노즐(50)을 포함한다.
방향바꿈 도르래(44)로부터는 토우(36)가 통로(40)를 따라서 더 유도되어 예컨대 빗형상부재, 절단 어셈블리, 클램프, 댄서, 아이들러 등과 같은 일련의 임의선택적인 부품들을 지나친다. 그 후, 토우(36)는 압착롤러(22)로 향한다.
토우(36)의 재료적 특성에 따라서는, 예컨대 온도, 습도 등과 같은 환경 변수를 조절하는 것이 유리할 수 있다. 또한, 제조회사의 상품사양서 및/또는 실험적으로 유도된 데이터에 의거하여, 저장 및/또는 응용 조건들이 다를 수 있다. 이 점에서, 엔드 이펙터(14)는 하우징(52), 환경 제어 조립체(56; 도 3에 도시함), 히터(56; 도 3에 도시) 및 냉각장치(58; 도 3에 도시)를 임의선택적으로 포함한다. 도 2에 도시한 바와 같이, 하우징(52)은 스풀(34) 세트를 둘러싸고 있으며 따라서 환경 제어 조립체(56)에 의해 공급된 공기의 흐름을 실질적으로 보유 및/또는 유도함으로써 토우(36)가 존재하는 환경에 대하여 제어를 용이하게 한다. 하우징(52)은 폼(form; 20)을 어드레스(address)하기 위하여 압착 롤러(22)용의 개구(60)를 포함한다. 여러 실시예에서는, 하우징이 불투명하거나, 투명하거나 또는 적어도 부분적으로 투명하다. 예를 들면 스풀(34) 세트와 그리고 엔드 이펙터(14)의 다른 부품들의 시각적 검사를 용이하게 하기 위하여, 하우징(52)은 아크릴, 폴리카보네이트, 폴리에틸렌, 렉산(lexan®), 플렉시글라스(Plexiglas®) 등의 반투명 또는 실질적으로 투명한 재료를 포함한다.
본 발명의 실시예에 따르면, 압착롤러(22)는 엔드 이펙터에 대하여 축("A")을 따라서 이동하도록 임의선택적으로 구성된다. 축(A)은 일반적으로 순응 축이라 하는데, 라미네이션 장치(10)가 폼(20) 및/또는 폼(20) 상에 형성된 예상하지 않은 토우의 약간(±1 내지 20 mm)의 오정렬(misalignment)을 수용하게끔 한다. 이 점에서, 압착롤러 조립체(64)는 한 쌍의 브래킷(66)에 미끄럼이동가능하게 체결된다. 압착롤러 조립체(64)는 하나 이상의 공압식 실린더(68)의 작용을 매개로 폼(20)을 향해 가압된다.
도 3은 라미네이팅 장치(10)와 함께 사용하기에 적절한 시스템(70)의 블록도이다. 도 3에 도시된 바와 같이, 시스템(70)은 제어기(72)를 포함한다. 이 제어기(72)는 컴퓨터에서 판독가능한 코드를 실행하도록 작동가능하다. 이 점에서 시스템(70)은 한 세트의 컴퓨터 판독가능한 명령들 또는 코드(74)를 포함한다. 코드(74)에 따르면, 제어기(72)는 화일(76)에 접근하도록 구성된다. 이 화일(76)은 다음 중 하나 이상을 포함한다: 즉, 복합재료 물품(16)의 컴퓨터 판독가능한 모델, 레이업 폼 또는 폼(20)의 표면의 컴퓨터 판독가능한 표시, 폼(20) 모서리들의 컴퓨터 판독가능한 표시, 복합재료 물품(16)의 두께; 복합재료 물품(16)과 폼(20)중 적어도 하나에 의거한 소스 코드, 소스 코드에 의거한 한 세트의 이동 명령, 복합재료 물품(16)을 레이업하는 동안에 축적된 데이터, 타임스탬프 정보, 위치정보, 식별 개수 등. 제어기(72)는 네트워크(78)를 통해 통신하도록 더 구성된다. 이 네트워크(78)는 추가 데이터 저장 및/또는 처리 능력을 제공하도록 임의선택적으로 포함된다. 이 점에서 네트워크는 데이터베이스(80)와 서버(82)를 포함한다. 데이터베이스(80)는 코드(74) 및/또는 화일(76)의 복사본을 저장하도록 구성된다. 서버(82)는 코드(74) 및/또는 화일(76)의 임의의 적절한 처리를 생성, 저장 및 수행하도록 구성된다. 이런 방식으로 예컨대 복합재료 물품(16)과 같은 복합재료 물품들이 서버(82) 등의 캐드(CAD) 기계에서 생성되는데, 예컨대 라미네이팅 장치(10)로 보내질 수 있다. 또한, 서버(82)는 네트워트(78)를 통해 코드(74) 및/또는 화일(76)을 위한 갱신들을 전송하도록 작동가능하다. 또한 시스템(70)은 메모리(84)를 임의선택적으로 포함한다. 메모리(84)는 만약 존재한다면, 코드(74) 및/또는 화일(76)의 복사본을 저장하도록 구성된다.
도 3에 역시 도시된 것은 위치결정 장치 제어기(86)이다. 위치결정 장치 제어기(86)는 라미네이팅 장치(10)의 여러 액츄에이터 및/또는 서보 모터들의 요구조건에 따라서 시스템(70)에 임의선택적으로 포함된다. 즉, 라미네이팅 장치(10)의 특별한 구성에 따라서, 복수의 액츄에이터 및/또는 서보 모터들이 라미네이팅 장치(10)의 여러 부품들의 회전, 위치, 속도, 방향 등을 조절한다. 더 상세하게는, 이 위치결정 장치(12)의 액츄에이터들 및/또는 서보 모터들이 엔드 이펙터(14) 및/또는 라미네이팅 장치(10)의 여러 축들을 조절하도록 적어도 구성된다. 만약 존재하는 경우에, 위치결정장치 제어기(86)의 파라미터들은 여러 액츄에이터, 서보 및/또는 제어기(72)의 상품사양서에 의거한다. 위치결정장치 제어기(86)는 존재하는 경우 이 액츄에이터 및/또는 서보 모터들 중 일부 또는 모두를 제어하도록 구성된다. 또한 이 액츄에이터 및/또는 서보 모터들은 제어기(72)에 의해 직접 조절되도록 임의선택적으로 작동가능하고, 따라서 시스템(70)은 위치결정장치 제어기(86)를 생략할 수 있다.
또한, 제어기(72)는 복수의 텐셔너(38)를 조절하도록 구성된다. 예를 들면, 속도, 이동방향, 회전 반경 등에 따라서, 제어기(72)는 각 텐셔너(38)가 제공하는 마찰량을 개별적으로 제어하도록 구성된다. 이러한 방식으로, 각 토우(36)가 제어된다. 마찬가지로 제어기(72)는 절단 조립체(46)와 한 세트의 클램프(90A 내지 90n)를 제어하도록 구성된다. 이 점에서, 엔드 이펙터(14)는 일반적으로 각 토우(36)용 클램프(90A 내지 90n)와 절단기를 포함한다. 제어기(72)는 절단 조립체(46)와 클램프(90A 내지90n)를 제어하여 개별 토우들이 대응되는 코스(24)로부터 추가되거나 제거될 수 있도록 구성된다.
제어기(72)는 릴리즈(92)를 제어하도록 더 구성된다. 릴리즈(92)는 엔드 이펙터(14)를 위치결정장치(12)에 제어가능하게 그리고 해제가능하게 체결한다. 예컨대 릴리즈(92)는 록킹 핀 등과 같은 베어링 표면에 힘을 가하도록 작동가능한 임의의 적절한 액츄에이터를 포함한다. 이 방식으로, 제어기(72)는 엔드 이펙터(14)로부터 재빠르게 자동적으로 분리되도록 그리고 오프라인 엔드 이펙터(30) 세트중 하나에 재부착되도록 작동가능하다.
임의선택적으로, 제어기(72)는 환경 제어기(56), 히터(56), 냉각장치(58), 진공 소스(94) 등과 같은 여러 가지 다른 장치를 제어 및/또는 통신하도록 구성된다. 본 명세서에 설명된 것처럼, 환경 제어기(56)는 하우징(52) 내에서 환경을 조절하도록 임의선택적으로 제공된다. 이 점에서 환경 제어기(56)는 센서(96)로부터 신호를 수신하고 이 신호에 의거하여 공조기("A/C") 유닛(98)을 제어하도록 구성된다. 센서(96)는 하우징(52) 내에서 환경을 감지하고 환경 조건에 의거한 신호를 생성하도록 구성된다. A/C 유닛(98)은 하우징(52) 내에서 냉난방 조절된 공기의 흐름을 유도하도록 구성된다. 히터(56)는 코스 재료(18)의 온도를 조절하도록 임의선택적으로 제공된다. 냉각장치(58)는 절단 조립체(46), 클램프 세트(90A 내지90n), 통로 및 예컨대 재시작 롤러 등과 같은 여러 가지 다른 부품들의 온도를 낮추도록 임의선택적으로 제공된다. 진공 소스(94)가 진공 노즐(55)에 진공을 공급하기 위해 임의선택적으로 제공된다.
시스템(70)은 라미네이팅 장치(10)의 여러 적절한 동작 조건들 또는 속성들을 감지하도록 구성된 복수의 센서를 임의선택적으로 더 포함한다. 적절한 속성들 의 예로는 토우(36)의 온도, 분리자 필름(22)이 토우(36)에서 분리되는 위치(릴리즈 지점)에서의 온도, 공급속도와 방향, 재료 배치, 백킹 완전성, 토우(36)의 공급 및/또는 이와 유사한 것중 일부 또는 모두를 포함한다.
도 4는 시스템(70)에서 사용하기에 적절한 제어기(72)용 시스템 아키텍쳐이다. 도 4에 도시된 바와 같이, 제어기(72)는 프로세서(100)를 포함한다. 이 프로세서(100)는 전원공급장치(102), 메모리(104), 클록(106), 아날로그 디지털 변환기(A/D; 108) 및 입력/출력(I/O) 포트(110)에 작동가능하게 연결된다. I/O 포트(110)는 임의의 적절히 부착된 전자장치로부터 신호를 수신하고 이 신호를 A/D(108) 및/또는 프로세서(100)로 전송하도록 구성된다. 신호들이 아날로그 형식인 경우에는, 이 신호들이 A/D(108)를 통해 나아갈 수 있다. 이 점에서, A/D(108)는 아날로그 형식의 신호를 수신하여 이 신호를 대응하는 디지털 형식의 신호로 변환하도록 구성된다. 이와 반대로, A/D(108)는 프로세서(100)로부터 디지털 형식의 신호를 수신하여 이 신호를 아날로그 형식으로 변환하고 아날로그 신호를 I/O 포트(110)로 전송하도록 구성된다. 이 방식으로, 아날로그 신호를 수신하도록 구성된 전자장치들은 프로세서(100)와 서로 통신할 수 있다.
프로세서(100)는 A/D(108) 및/또는 I/O 포트(110)에서 신호를 수신하고 이들로 신호를 전송하도록 구성된다. 프로세서(100)는 클록(106)으로부터 타임 신호를 수신하도록 더 구성된다. 또한, 프로세서(100)는 메모리(104)에 전자 데이터를 저장하고 메모리(104)로부터 전자 데이터를 검색하도록 구성된다. 더욱이, 프로세서(100)는 위치결정장치 제어기(86)를 조절하고 이에 따라 라미네이팅 장치(10)의 여러 액츄에이터 및/또는 서보 모터를 제어하여 특별한 힘을 가하거나 및/또는 특별한 각도로 회전하도록 하기 위하여 작동가능한 신호들을 판별하도록 구성된다.
본 발명의 실시예에 따르면, 프로세서(100)는 코드(74)를 실행하도록 구성된다. 라미네이팅 장치(10)의 여러 부품들로부터 나오는 이 명령들과 신호들 세트에 의거하여, 프로세서(100)는 한 세트의 이동 명령을 판별하고, 히터(80), 냉각장치(58), 절단 조립체 등을 조절하도록 구성된다.
도 5는 복합재료 물품(16)을 제조하기 위하여 토우(36)를 위치시키는 방법(120)에 포함된 단계들을 도시한다. 방법(120)을 시작하기 전에, 복합재료 제품이 설계되고, 이 설계에 따라서 물품(16)과 같은 복합재료 제품의 속성들을 특정하는 일련의 컴퓨터 판독가능한 명령이 생성된다. 또한, 토우(36)의 속성이나 특성들은 물품(16)의 특성에 의거하여 결정된다. 예컨대, 물품(16)은 다른 복합재료의 층들이나 플라이들을 포함할 수 있다. 더 상세하게는, 비행기 동체는 구조물을 제공하기 위한 다수의 탄소섬유 플라이들, 번개로부터 보호하기 위한 와이어 메쉬 플라이, 및 매끄러운 표면을 제공하기 위한 표면 플라이를 포함할 수 있다. 이 다른 복합재료는 오프 라인 엔드 이펙터(30) 세트 각각에 독립적으로 로딩될 수 있고, 적절한 경우 각각의 오프라인 엔드 이펙터(30)가 선택되어 토우(36)를 위치시키는데 사용될 수 있다. 이 파라미터들과 그리고 그러한 다른 파라미터들은, 컴퓨터 판독가능한 명령을 포함하며 그리고 물품(16)을 제조하기 위하여 접속되는 화일(70)에 포함된다.
더욱이, 스풀(34) 세트중 하나 이상의 스풀이 고갈될 것이라는 평가들이 임 의선택적으로 계산되고, 물품(16)을 제조하는 동안에 스풀이 고갈될 것 같다고 판단되면 오프라인 엔드 이펙터(30) 세트가 재배치를 포함하도록 구성될 수 있다. 이런 방식으로, 스풀 재배치에 따른 작업중단시간이 최소화되거나 또는 근본적으로 제거될 수 있다. 게다가, 오프라인 엔드 이펙터(30) 세트는 제조시에 사용되도록 하기 위하여 하나 이상의 예비품을 포함하도록 구성될 수 있다. 이러한 방식으로 스풀 재배치에 따른 작업중단시간이 더욱 최소화되거나 또는 근본적으로 제거될 수 있다.
또한, 폼(20)과 같은 폼이나 공구(tool)가 복합재료 제품의 설계에 의거하여 설계 및 구성된다. 더욱이 스풀들(34)이 엔드 이펙터(14)에 설치되고 토우(36)가 엔드 이펙터(14)를 관통한다.
단계(122)에서는, 방법(120)이 상술한 라미네이팅 장치(10)의 여러 부품들에 전원을 공급하거나 턴온시키고 화일(76)내의 컴퓨터 판독가능한 명령들을 실행함으로써 개시된다.
단계(124)에서는, 시스템이 적절한 작동을 보장하도록 체크된다. 예컨대, 제어기(72)는 부품들의 각각에 질의하고 그리고 부품들로부터의 응답에 의거하여 제어기(72)가 작동 상태를 결정한다. 제어기(72)는 스풀(32) 세트의 각각의 토우 공급 및 엔드 이펙터(14)에 로딩된 복합재료의 타입을 더 결정할 수 있다.
단계 126에서는, 엔드 이펙터(14)가 적절하고 정상가동하고 있는지를 판정한다. 예컨대, 제어기(72)가 화일(76)에 접속하여 엔드 이펙터(14)에 로딩된 복합재료가 적절한지를 판정한다. 복합재료가 적절하지 않다고 판정되면 엔드 이펙터(14) 는 단계(128)에서 적절한 오프라인 엔드 이펙터(30)와 교환된다. 복합재료가 적절하다고 판정되면 토우(36)가 단계(130)에서 적용된다.
단계(128)에서, 엔드 이펙터(14)는 적절한 오프라인 엔드 이펙터(30)와 교환된다. 예컨대, 위치결정 장치(12)가 오프라인 스테이션(28)에서 엔드 이펙터(14)의 위치를 결정하며 제어기(72)가 릴리즈(92)를 제어하여 결합해제시킨다. 위치결정 장치는 적절한 오프라인 엔드 이펙터(30)를 선택하여 결합하도록 더 제어되며, 제어기(72)는 릴리즈(92)를 제어하여 결합시킨다. 적절한 엔드 이펙터를 선택하는 것과 관련하여, 여러 가지 실시예에서는, 특별한 타입의 토우를 구비한 엔드 이펙터들이 오프라인 스테이션(28)에서 소정의 위치를 가질 수 있고 및/또는 엔드 이펙터가 그 안에 로딩된 토우 타입을 결정하도록 구성될 수도 있으며 오프라인 스테이션(28)에서 그 상대위치를 결정하도록 더 구성될 수 있다. 이 정보는 제어기(72)로 전송되어 오프라인 엔드 이펙터(30) 세트들 중에서 적절한 엔드 이펙터를 선택하는데 사용된다. 이런 방식으로, 엔드 이펙터(14)는 재빨리 그리고 자동적으로 교환되어 적어도 토우 재료의 변화, 토우 재료의 재공급 및 장착(threading)에 기인한 작업중단시간을 줄이거나 제거할 수 있다. 단계(128)에 이어서, 새로 설치된 엔드 이펙터(14)의 시스템 체크가 단계(124)에서 수행된다.
단계(130)에서는, 토우(36)가 폼(20)에 적용된다. 더 상세하게는 화일(76)에 따라서 제어기(72)가 라미네이션 장치(10)를 조절하여 토우(36)를 기판(26)에 적용시킨다. 예컨대, 코스를 위한 시작위치, 통로, 및 종단 위치가 화일(76)에서 검색되고, 제어기(72)는 라미네이팅 장치(10)의 여러 부품들을 조절하여 토우(36)를 시 작위치에 고정시키고, 통로를 따라서 토우(36)를 인출하여 압착하고, 종단위치에서 토우(36)를 절단한다.
단계(132)에서는, 물품(16)을 위한 레이업이 완료되었는지를 판정한다. 예컨대 제어기(72)가 화일의 끝("EOF") 스테이트먼트가 화일(76)로부터 검색되었다고 판정하면 물품(16)의 레이업이 완료된 것으로 판정하고 추가 명령이 검색될 때까지 라미네이터(10)가 아이들(idle) 상태로 제어된다. 추가 레이업 프로토콜이 화일(76)에 존재하는 것으로 판정되면 단계(126)에서 엔드 이펙터(14)가 작동가능하고 토우(36)를 적절히 공급받는지 더 판정될 수 있다.
방법(120)을 따르면, 물품(16) 또는 복합재료 제품은 임의의 적절한 방식으로 경화될 수 있다. 항공산업분야에 있어서, 열경화성 수지들이 예비-함침 플라이 재료에 일반적으로 사용된다. 이 열경화성 수지들은 소정의 시간동안 높은 온도 및 압력에서 전형적으로 경화된다. 사용된 수지, 복합재료 제품의 크기와 두께 등에 따라서 시간들, 압력들 및 온도들이 선택될 수 있다.
엔드 이펙터(14)의 예로서 위치결정 장치(12)에 의해 제어되는 것으로 하였지만, 다른 제어 시스템이 사용될 수도 있다는 것을 이해할 것이다. 이 점에서, 갠트리 시스템, 가이드되는 운반수단, 또는 임의의 적절한 엔드 이펙터의 이동을 지지하고 제어하는 다른 위치결정장치들이 엔드 이펙터(14)와 함께 사용하기에 적합하다. 또한, 라미네이팅 장치(10)가 항공산업분야에서 복합재료 제품들을 위한 플라이들을 배치하기에 유용하지만, 복합재료 제품을 제조하는 다른 산업분야에서도 역시 사용될 수 있다. 이 산업분야들은 자동차, 해양, 우주선 및 소비 제품 분야를 포함하지만 이에 한정되는 것은 아니다.
본 발명의 많은 특징과 장점들이 상세한 설명으로부터 명백하고 따라서 첨부되는 청구항들은 본 발명의 진정한 정신과 범위에 속하는 본 발명의 이러한 특징들과 장점들을 다루도록 의도된 것이다. 더욱이, 무수한 변형예와 수정예가 당업자에 의해 용이하게 고안될 수 있으므로 도시되고 설명된 정확한 구성과 동작으로 본 발명을 제한하려고 하는 것은 아니며, 따라서 모든 적절한 변형예와 균등물들이 본 발명의 범위에 속하는 것으로 분류될 수 있다.

Claims (21)

  1. 복합재료 물품을 제조하는 장치로서,
    토우를 배치하기 위한 엔드 이펙터와 이 엔드 이펙터를 위치결정하기 위한 위치결정 장치를 구비하고,
    상기 엔드 이펙터는 토우 스풀을 분리가능하게 체결하기 위한 스핀들과, 고정수단에 미끄럼이동 가능하게 체결되고 그리고 그 위에 코스재료가 적용되어 물품을 제조하도록된 폼의 오정렬을 수용하기 위한 공압 실린더를 포함하는 압착 장치및, 상기 스풀로부터 상기 압착장치로의 통로를 구비하며,
    상기 엔드 이펙터는 위치결정장치에 분리가능하게 체결되는 것을 특징으로 하는 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 엔드 이펙터와 위치결정장치를 체결하고 분리시키기 위하여 전자적으로 제어가능한 릴리즈를 더 구비하는 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    복수의 상호교환가능한 엔드 이펙터를 더 구비하고, 여기에서 상기 위치결정장치는 복수의 상호교환가능한 엔드 이펙터들중의 엔드 이펙터들을 분리가능하게 체결하도록 구성되는 장치.
  4. 제3항에 있어서,
    상기 위치결정장치는 복수의 상호교환가능한 엔드 이펙터들중 하나를 대략 20초 내에 복수의 상호교환가능한 엔드 이펙터들중 다른 것으로 대체하도록 구성되는 장치.
  5. 제1항에 있어서,
    상기 엔드 이펙터는 하나 이상의 섬유, 호일, 미리 절단된 프리프레그 조각, 직물, 슬릿 테이프, 테이프, 접착 필름 및 서피서(surfacer) 필름을 분배하도록 구성되는 장치.
  6. 제1항에 있어서,
    상기 통로는 방향바꿈 도르래와, 토우의 이동을 실질적으로 정지시키기 위한 클램프와, 토우를 절단하기 위한 절단 조립체, 및 압착장치 쪽으로 토우를 공급하기 위한 재시작 롤러를 더 구비하는 장치.
  7. 제1항에 있어서,
    상기 압착장치는 기판 위에서 토우를 누르기 위한 롤러를 포함하는 장치.
  8. 제1항에 있어서,
    상기 압착장치는 기판 위에서 토우를 누르기 위한 스위프(sweep)를 포함하는 장치.
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