本发明涉及根据权利要求1的前序部分所述的用于生产飞机的纤维金属层压部件的方法以及涉及根据权利要求16所述的操纵器系统。
纤维金属层压件（fml）的材料类已经越来越多地被应用于实现飞机部件，尤其是实现结构性飞机部件。这样做的原因在于，利用纤维金属层压件，可以以极其轻质的设计实现非凡的机械性能。纤维金属层压件包括金属层和纤维层，其堆叠到彼此上且通过通常热固性树脂定界。
飞机的纤维金属层压部件的制造过程是复杂的，因为待堆叠到彼此上的层至少就纤维层而言是柔性的。由于层的柔韧性，所以在将层堆叠到彼此上期间实现稳定的操纵过程是有挑战性的。另一个挑战是，在将一层堆叠到另一层上时，防止生成腔。
出于上文中提到的原因，所以很大程度上手动地执行制造过程。
然而，已经采取了引入用于飞机的纤维金属层压部件的自动化制造过程的方法。作为本发明的出发点的已知方法（de102012000508a1）依赖于操纵器系统，其带有用于操纵金属层的一个末端执行器且带有用于操纵纤维层的第二末端执行器。利用该操纵器系统，相应的层在模具中以堆叠顺序被堆叠到彼此上。每一个堆叠循环包括从供应堆叠拾取层，将该层运输至模具，将该层置放在模具中的安置/沉积表面处，以及将如此置放的层安置到安置表面上。
为了防止在堆叠多个层期间构建腔，层被通过静电电荷固定到模具。
虽然已知方法大体允许飞机的纤维金属层压部件的自动制造，但是该方法的缺点是所得到的制造系统的高复杂度，以及因此建立这种制造系统所涉及的高成本。
本发明的目的是改善已知的方法，以便利用低复杂度的制造系统来实现稳定的自动化制造过程。
对于根据权利要求1的前序部分的方法通过权利要求1的特征部分的特征实现了上述目的。
本发明的基本构思是，在安置相应的层之前，使待堆叠的层的形式适应模具的形式。利用这一点，可能能够在层的表面和安置表面的表面之间实现平面接触。在此类接触的情况下，可以防止或至少有效地减少腔的构建。
详细而言，提出在从供应堆叠被拾取之后且在被安置到位置表面上之前，通过末端执行器使待堆叠的层变形，以便使层的形式适应安置表面的形式。已经发现，层的上文中提及的变形可以通过末端执行器本身实现。这是尤其有利的，因为不需要额外的工具用于变形，以及不需要额外的操纵步骤用于使层的形式适应安置表面。
根据3至5所述的优选实施例经由夹持布置提供对待堆叠的层的改善的夹持。尤其优选的是，夹持布置沿着层的表面至少部分地提供层的浮置夹持，使得在层的所提出的变形期间，在层内不构建非期望的机械张力（权利要求4）。
根据权利要求6所述的尤其优选的实施例涉及在低机械复杂度的情况下使相应的层变形。
根据权利要求8所述的优选实施例所基于的一般构思是经由同一个末端执行器来拾取相应的层并使其变形。已经发现，尤其是在使用用于夹持布置的吸力夹持元件时，很可能甚至使用同一个夹持元件来夹持金属层以及纤维层。与在现有技术中教导的那些相反，现在能够利用同一个末端执行器来操纵金属层和纤维层，使得可以以尤其有效的方式应用相应的末端执行器。
根据权利要求14所述的进一步优选的实施例允许相应的层的无气穴安置，因为可以在层的表面和安置表面之间建立完全地平面接触。
然而，取决于模具的设计，可能有利的是，在层安置之前层的形式至少略微偏离安置表面的形式。这可以防止在将层置放到模具中期间，在层和安置表面之间产生摩擦。此类摩擦可以再次导致在层之间构建非期望的腔。
根据权利要求16，用于执行所提出的方法的操纵器系统本身被要求保护。参考即使是关于所提出的方法的所有解释，只要那些解释适于描述操纵器系统。
在下文中，将参考附图基于示例描述本发明。在附图中示出：
图1用于执行所提出的方法的提出的制造系统，
图2所提出的方法的各种步骤：a）拾取层，b）运输该层，c）运输该层并使其变形，以及d）在其安置之前置放该层，以及
图3处于其拆卸状态的图1的操纵器系统的末端执行器，a）是根据图2a和图2b的构造，并且b）是根据图2c和图2d的构造。
在附图中示出的制造系统1用于生产飞机的纤维金属层压部件。优选地，此类部件是飞机的结构部件的部分，尤其是飞机的机身或机翼的部分。此处且优选地，部件是机身的外层的部分。部件相应地具有半壳形状。
制造系统1包括带有末端执行器3的操纵器系统2和分配到操纵器系统2的控制器4。控制器4是电子控制器，其不仅控制操纵器系统2的运动，而且还控制末端执行器3的动作。制造系统1此处且优选地被构造为机器人单元。
在制造期间，至少一个金属层5和至少一个未硬化的纤维层6通过操纵器系统2以堆叠顺序在模具7中被堆叠到彼此上。层5、6的种类以及堆叠顺序取决于所得到的部件将由其制成的纤维金属层压件材料的种类。金属层5可以是任何种类的金属片材，纤维层6可以是任何种类的纤维片材，其可以是干燥纤维材料或预浸渍纤维材料，也称为预浸材料。
尤其优选的是，纤维金属层压部件是所谓的glare®材料（玻璃层压铝强化环氧树脂）。此处，金属层5至少部分地是铝层。也可以应用诸如钛的其他金属材料。通常，纤维金属层压部件的外层是金属层5。金属层的厚度低于1.0mm，优选地在0.2mm和0.5mm之间，更优选地在0.3mm和0.4mm之间。为了预防腐蚀，其被阳极氧化。为了提供良好的结合特性，其进一步被利用适当的底漆涂覆。
纤维层6可以是预浸渍纤维材料或干燥纤维材料，其在制造期间在任何情况下都未硬化。其可以包括不同种类的纤维，诸如玻璃纤维、聚芳基酰胺纤维等。
除了操纵金属层5或纤维层6之外，粘合带层也能够被操纵并且被安置在两个金属层5之间或在两个纤维层6之间或在纤维层6和金属层5之间。优选地，如果两个金属层5部分叠置地安置到彼此上，则粘合带层定位在这两个金属层5之间的叠置区域中。粘合带层能够在相应的两层之间提供密封。
每一个堆叠循环均包括，根据相应的堆叠顺序，从相应的供应堆叠8拾取金属层5或纤维层6或粘合带层。此处且优选地，提供两个供应堆叠8、9。一个供应堆叠8用于提供金属层5，且一个供应堆叠9提供纤维层6。两种类型的层5、6还能在一个供应堆叠上供应。不管是从供应堆叠8拾取金属层5还是从供应堆叠9拾取纤维层6都取决于堆叠顺序，所述堆叠顺序很大程度上取决于待制造的纤维金属层压部件的层结构。在图2a中示出相应的层的拾取。
随后在堆叠循环内，所拾取的层5、6被运输至模具，如在图2b中所示。层5、6的运输之后是根据堆叠顺序层5、6在模具7中的安置表面10处的置放，再次，其之后是将如此置放的层5、6安置到安置表面10上，如在图2d中所示。安置表面10可以是模具7的表面或相应的层5、6的表面，相应的层5、6已经在先前的堆叠循环中被堆叠。相应地，安置表面10的精确位置取决于堆叠顺序。在任何情况下，安置表面10的形式很大程度上通过模具7的形式限定。
取决于待生产的纤维金属层压部件，模具7、相应地安置表面10可以具有凸面和/或凹面形式。模具7、相应地安置表面10可以具有凸面以及凹面区段两者，例如，当用于机身和机翼之间的飞机区段的纤维金属层压部件待被生产时。
对于本发明尤其重要的是，在被从供应堆叠8、9拾取之后且在被安置到安置表面10上之前，待堆叠的层5、6通过末端执行器3变形，以便使层5、6的形式适应安置表面10的形式。这在图2c中示出。此处，安置表面具有凹面形式，通过末端执行器3使层5、6适应该凹面形式。
可以指出，使相应的层5、6变形的步骤可以在拾取该层5、6和安置该层5、6之间的任何时间处发生。在所提出的方法的优选实施例中，在移动操纵器系统2的同时，尤其是在运输步骤期间，执行变形步骤。然而，对于变形步骤，可能有利地的是停止操纵器系统2的运动，例如以便实现变形的更高精度。已经在说明书的前序部分中解释了提供变形步骤的优势。当观察图2c、图2d时，在层5、6之间防止腔的可能性变得尤其显而易见。
操纵器系统2通常可能包括多于一个的末端执行器3，例如，在并行执行某些过程步骤的情况下。针对一个所示的末端执行器3给出的所有解释完全适用于带有两个或多于两个的末端执行器3的操纵器系统2。
在附图中示出的操纵器系统2包括操纵器11，其通过控制器4驱动。此处且优选地，操纵器11是具有连续轴线的机器人。其还可以是带有任何种类的其他运动学的机器人，例如门式机器人的运动学。操纵器11也可以是一种构造，其针对上文中解释的制造过程被定制。
末端执行器3优选地包括夹持布置12，用于在拾取期间夹持层5、6。夹持布置12此处且优选地包括若干夹持元件13，其各自提供与相应的层5、6的局部夹持相互作用。夹持布置12限定夹持平面14，沿着其，与相应的层5、6的夹持相互作用是可能的。夹持元件13分布在夹持布置12的夹持平面14上。
通过控制器4激活夹持布置12。夹持布置12的激活不仅包括打开和关闭夹持相互作用，而且也包括调整末端执行器3的操作参数，如下文将提到的那样。
尤其重要的是，当夹持元件13分布在夹持平面14上时，夹持元件13通过控制器4分离地或成组地被激活。利用这一点，能够选择性地激活夹持元件13，例如以便防止没有使用的夹持元件13与已经安置的层5、6非期望地相互作用。能够操纵小于夹持布置12的轮廓的层5、6。
如从图3可见，夹持布置12包括第一类型的至少一个夹持元件13a，此处且优选地，若干夹持元件13a，以及第二类型的至少一个夹持元件13b，此处且优选地，若干夹持元件13b。这大体上提供了夹持布置12的灵活性的增加，因为可以通过控制器4设置不同的夹持特性。在图3中示出的优选实施例中，第一类型的夹持元件13a沿着层5、6的表面提供对层5、6的浮置夹持，使得夹持力仅垂直于层5、6的表面起作用，且在沿着层5、6的表面的方向上仅是最小限度的。这允许在变形期间相对于夹持布置12在层5、6之间的补偿运动，使得防止在层5、6内的非期望特殊处理（attention）。为了沿着其表面来限定层5、6的位置，第二类型的夹持元件13b提供对层5、6的刚性夹持。为了明确限定层5、6的位置，需要至少两个第二类型的夹持元件13b，其定位成彼此相距特定距离。在该距离情况下，夹持布置能够提供对层5、6的支撑，同样考虑层5、6的可能的旋转。
为了实现夹持布置12的夹持元件13，存在可能的不同可能性。示例是钳夹持件、针夹持件、冷冻夹持件等。然而，此处且优选地，夹持元件是吸力夹持元件。尤其，第一类型的夹持元件13a是伯努利（bernoulli）吸力夹持元件，同时第二类型的夹持元件13b是文丘里（venturi）吸力夹持元件。吸力夹持元件的应用在目前是有利的，因为可以有效地防止对层5、6的损坏，因为这对于飞机部件来说尤其重要。
如上所述，通过末端执行器3本身来执行层5、6的变形。为此，末端执行器3包括可变形的承载器布置15，夹持布置12定位在所述承载器布置15上。此处且优选地，承载器布置包括夹持元件13定位在其上的可弯曲的承载器条16。
末端执行器3还包括致动器布置17，用于承载器布置15的基于致动器的变形。为了使被夹持的层5、6变形，通过控制器4驱动致动器布置17。从图3a和图3b的比较，这变得显而易见。
图3还示出，致动器布置17包括至少两个致动器18，此处且优选地，若干致动器18，其通过控制器4驱动。
以不同的有利方式实现致动器布置17是可能的。此处且优选地，致动器布置17的致动器18是线性致动器，其分别通过控制器4驱动。此处且优选的，致动器18部分地是气动肌肉类型的，且部分地是气动活塞驱动类型的。相应地，致动器布置17包括不同类型的至少两个致动器18。气动肌肉类型的致动器18利用附图标记18a指明，同时气动活塞驱动类型的致动器18利用附图标记18b指明。利用第一类型的致动器18a，精确的牵拉力可以被引入到承载器布置15中，同时提供特定弹性。利用第二类型的致动器18b，牵拉力和推动力可以被引入到承载器布置15中，使得第二种类的致动器18b为通过第一种类的致动器18a生成的力提供支撑点。利用彼此相互作用的致动器18a、18b的该组合，承载器布置15的变形的高灵活性且同时高精度及其被夹持的层5、6的风险是可能的。
关于在图3中示出的详细描述的构造，上文中提及的不同类型的致动器18的应用尤其有利，因为致动器18主要在相对于夹持平面14垂直的方向上，各自作用在承载器布置15上，此处作用在承载器条16上，所述承载器条16对准夹持平面14。致动器18布置成一排或多排，且在其相应的一端处附接至接口布置19，以及在其相应的另一端上附接至承载器布置15，此处是承载器条16。致动器18中的至少一个设有复位弹簧20，其可以是与线性致动器18的纵向延伸部对准的盘簧。
关于夹持布置12的更多结构上的细节可以从us2014/0199153a1得到，其被转让给本申请人，且其通过引用被包括在本文中。
用于提出的操纵器系统2的所示夹持布置12的应用允许大量的灵活性。这是尤其真实的，因为依赖于通过控制器4驱动上文中提及的致动器18，承载器布置15可以变成不同形式。这包括凸面形式、凹面形式和那些的组合。同样，承载器布置15以及随其的相应的层5、6的变形程度可以以连续尺度改变。因为可以如上所述基于致动器实现变形，所以在生产期间的，尤其是在两个堆叠循环之间的任何时间处，可以毫不费力地改变变形。
因此，利用不同几何形状的模具7，能够将用于生产一个纤维金属层压部件的模具7改变为用于生产另一纤维金属层压部件的另一模具7。这可以在不必机械地调整操纵器系统2的情况下完成。为了生产不同的纤维金属层压部件，仅在控制器4中和/或通过控制器4做出改变。尤其，控制器4改变了操纵器的驱动运动和/或致动器18的驱动运动和/或夹持布置12的操作参数。
所提出的方法和所提出的操纵器系统2的优点是如下事实：能够在相应的供应堆叠8、9中，将待堆叠的层5、6提供为平坦预裁剪的层。因为通过末端执行器3提供层5、6的变形，所以不必使在供应堆叠8、9中提供的层5、6为已经预成型的层5、6。这使得制造过程的物流不那么复杂，且因此有成本效益。相应的层5、6的轮廓可以彼此不同。尤其，预裁剪的金属层5和预裁剪的纤维层6的轮廓可以彼此不同。优选地，在纤维金属层压部件的生产期间，末端执行器3操纵具有不同宽度和/或长度的层5、6。在一个纤维金属层压部件的生产期间，从一个堆叠循环至下一个堆叠循环，金属层5的宽度和/或长度分别与纤维层6的宽度、长度相比可以改变。优选地，纤维层6的表面面积小于金属层5的表面面积。额外地或替代地，不同金属层5或不同纤维层6的表面面积可以从一个堆叠循环至下一个堆叠循环改变。
还通过如下事实实现有效性的增加：至少一个金属层5和至少一个纤维层6，此处且优选地，所有金属层5和所有纤维层6各自经由同一个末端执行器3拾取并变形。因此，已经发现，通常不需要具有不同的末端执行器3用于纤维金属层压部件的不同层。这对于上文中提及的glare®材料的那些层尤其适用。在制造期间，能够通过控制器4优化各种操作参数。此处且优选地，取决于层5、6是金属层还是纤维层，通过控制器4调整末端执行器3的至少一个操作参数。尤其优选的是，取决于待操纵的层5、6，可以通过控制器4设置不同的夹持力。
操作参数的另一调整在于，在待堆叠的层5、6的变形期间，取决于层5、6是金属层5还是纤维层6，通过控制器4激活不同的夹持元件13。上文中已经提及，很可能通过控制器4分离地或成组地激活夹持元件13。尤其优选的是，在纤维层6的运输和/或变形期间，然后在金属层5、6的运输和/或形成期间，激活不同数量的夹持元件。还可以指出，待堆叠的层5、6的表面通常小于模具7的表面。相应地，层5、6的堆叠意味着，跨模具表面构建分层结构（tilestructure）。
纤维金属层压结构的具体优点在于，可以设置特定机械性能，所述机械性能可以取决于被引入到结构中的力的方向。这可以简单地通过沿特定定向置放纤维层6来实现。
优选地，在纤维层6内，纤维同样地定向。优选地，所有纤维基本上对准一个方向。利用这一点，可能容易通过沿不同纤维定向将至少两个纤维层6安置到彼此上来限定上文中提及的机械性能。
然而，如果纤维层6属于交错织物的针织织物的类型等，则将至少两个纤维层5、6沿不同纤维定向安置到彼此上可以也是有利的。
优选的是，至少一个纤维层6被堆叠到另一纤维层6上，使得两层6的纤维定向彼此偏移90°。在制造过程中，这意味着，第一纤维层6以第一角度安置，且第二纤维层6以第二角度安置，而第一角度和第二角度是不同的。优选地，在两个角度之间的差异高于10°，优选地高于45°，更优选地45°和尤其优选地90°。可以通过所提出的操纵器系统2简单地通过相应地经由操纵器11转动末端执行器3，实现用于安置层5、6的角度的全部范围。
取决于待制造的部件的复杂度，在层5、6的变形中，可以存在不同自由。此处且优选地，纤维层5和金属层6沿至少两个笛卡尔维度变形。甚至也许可能的是纤维层5和金属层6沿三个笛卡尔维度变形。此处且优选地，纤维层5和金属层6通过围绕至少一个弯曲轴线弯曲而变形，在图3中粗略指示该弯曲轴线。更优选地，弯曲轴线21基本上平行于相应的层5、6的表面布置，且基本上平行于夹持平面14，如也可以从图3看到。
在将层5、6安置到安置表面10上之前，可以以各种有利方式执行待堆叠的层5、6的置放。在第一优选实施例中，待堆叠的层5、6的置放随层5、6沿着接触线或接触点接触安置表面10一起发生。优选地，接触线或接触点是单个接触线或单个接触点。利用这一点，取决于模具7的形式，可以防止腔的构建。作为替代选择，待堆叠的层5、6的置放随层5、6均匀接触整个安置表面一起发生。这在图2中示出。因为在附图中示出的制造系统提供末端执行器3的高精度定位，所以在层5、6的表面和安置表面10之间的平面接触防止腔的构建。作为另一替代选择，待堆叠的层5、6的置放随层5、6浮置在位置表面10正上方一起发生。层5、6轻微地掉落到安置表面10上。由于非常短的掉落距离以及上文中提及的层5、6的形式对安置表面10的形式的适应，所以同样利用该替代选择，防止腔的构建。
相应的层的所提出的变形可以以各种方式执行，其取决于模具7的形式可以是有利的。
在第一优选实施例中，在安置待堆叠的层5、6之前，通过末端执行器3执行待堆叠的层5、6的变形，使得层5、6的形式与安置表面的形式相同。这在图2中示出。
还可能有利的是，在安置待堆叠的层5、6之前，通过末端执行器3执行待堆叠的层5、6的变形，使得层5、6的形式至少略微偏离安置表面10的形式。如果在将层5、6置放在安置表面10处期间将防止任何摩擦的话，这可能是有利的。在凸面安置表面10的情形中，实现为执行层5、6的变形，使得相比安置表面10，层5、6不那么凸出。在凹面安置表面10的情形中（图1），这可以通过层5、6的变形，使得相比安置表面10，层5、6的表面更凹入来完成。对于其他设计的模具7，可以相应地应用该原理。
在上文中提及的层5、6到彼此上的堆叠之后，堆叠布置优选地被压缩，以便尤其进一步减少可能的腔。优选地，与模具7一起，堆叠布置然后被优选地传递到高压釜中，在其中，其在压力下被加热，从而激活纤维层6的基质，直到那些纤维层6变成预浸材料。在大约10巴的高压下，执行3至10小时的该热处理。根据所应用的层材料，之后可以是随后的热处理或加压处理。可以指出，如果纤维层6属于干燥纤维材料，则在每一次置放之后，其可以被浸渍，或者在高压釜之前，基质材料可以被应用到纤维层6。
根据具有独立的重要性的第二教导，用于执行所提出的方法的操纵器系统2本身被要求保护。如上所述，操纵器系统2包括末端执行器3，且可通过控制器4控制。关于所提出的方法给出的所有解释都完全适用于所提出的操纵器系统2。