自动层板铺设系统的制作方法

自动层板铺设系统的制作方法
【专利摘要】自动层板铺设系统和方法，其使用机器人（22）和末端执行器（20），以便自箱中拾取层板（48），并将该层板放置在工具（28）上的预定位置处。
【专利说明】自动层板铺设系统
【技术领域】
[0001]本公开大体涉及层状结构尤其是由复合材料形成的层状结构的制造，并且更具体涉及用于在工具上自动铺设层板的系统。
【背景技术】
[0002]在大尺寸的层状结构的制作期间，布置成箱(kit)的成组的层板可以被顺序地铺设在工具的特定位置处，以便强化、硬化或否则为结构提供期望的结构特性或性能特性。在一些应用中，层板箱的使用可能是有效的，因为其无需将许多相对小的层板铺设在局部区域中的自动带铺设设备。例如但不限于，在期望利用复合填充物填充机身的纵梁与框架之间的间隙的情况下，可以使用层板箱。填充物包含一组层积的填充物层板，在全部层板被铺设在填充物上面之前填充物层板被顺序地放置在工具上。填充物层板可以被放置在工具中的凹槽内，所述凹槽被特别成形并且被定位以便在凹槽填充满层板时形成某种形状的填充物。在过去，通过人工来执行铺设过程。
[0003]在其他应用中可能需要人工铺设技术。例如，可能需要将层板(诸如复板)铺设在基板上的相对于彼此准确的位置中。利用人工铺设技术，技术人员必须在相对于其他层板的准确位置处将各个层板放置在基板上。而且，人工铺设技术需要一次一个地放置层板，并且层板的尺寸受限于技术人员能够手动操控的层板的尺寸。在其他应用中，在当被AFP机器处理时层板材料相对易碎和/或遭受起皱、起折痕或者撕裂的情况下，会需要人工铺设。例如，通过将薄铜箔片的网格应用于飞机的外部蒙皮，可以实现飞机防雷击的保护。通过人工铺设在铺设过程中可能遭受起皱、凹陷、起折痕或者撕裂的数百件相当小的薄铜箔片，以一次一件的形式组装网格。
[0004]上述的人工铺设技术是耗时的、劳动密集的，并且可能不适合于更高的生产环境。因此，存在对如下自动铺设系统的需要，该自动铺设系统减少人工劳动以及铺设时间，并且提供材料层板在基板(诸如工具)上的准确可靠的放置。还存在对允许放置更大层板以减少需要被放置以形成结构的层板总数的铺设工艺的需要。

【发明内容】

[0005]公开的实施例提供了适合于铺设成组的层板的自动铺设系统，成组的层板诸如为成箱的填充物、复板以及用于各种应用的其他类型的层板。通过机器人控制的末端执行器自动执行以下过程，即自层板箱(Ply kit)中按顺序选择期望的层板，将所选层板传递给工具，并将层板放置在工具上的正确位置处。末端执行器在视觉上识别将要从箱中提升的正确的层板，并检测工具上的被用来在层板放置以及压紧期间定位层板的特征。该系统可以减少或消除层板起皱，并且可以提供更精确的铺设过程的控制。末端执行器可以拾取并放置各种层板，诸如但不限于热塑性塑料、预浸材料、金属箔以及粘结层等等。末端执行器可以被用来在层板被放置在工具上之前预检查工具的局部区域，或在后检查被放置的层板以确保恰当的对齐。[0006]根据一个公开的实施例，提供了用于将复合层板铺设在预选择的位置处的系统。机器人上的末端执行器提升层板，并将层板放置在预选择的位置处。提供了用于记录末端执行器上的层板的位置的装置，并且与记录装置耦合的控制器控制机器人和末端执行器放置层板。末端执行器可以包括真空操作的夹持器，该夹持器用于在层板被提升以为放置作准备时夹持该层板。记录装置可以包括固定式摄像机，其用于观察末端执行器上的层板。该系统还可以包含在末端执行器上的摄像机，该摄像机与控制器耦合，以用于在层板被末端执行器提升之前观察该层板，并且控制器可以包括用于自多个层板识别并选择层板的软件。该系统还可以包括在末端执行器上的检测器，该检测器用于在放置位置处检测被用来调整层板的放置的特征的位置。在一个实施例中，所述检测器可以包含3-D激光扫描仪。当层板被放置时，机器人上的末端执行器用于将压紧力施加到层板，并且该系统还包含在末端执行器上的传感器，该传感器用于感测压紧力的大小。
[0007]根据另一实施例，提供了用于将层板自动铺设在基板上的系统。该系统包含末端执行器和机器人，所述末端执行器用于将层板中的每一个放置在基板上，所述机器人用于操纵末端执行器。检测器被提供在末端执行器上，以用于检测工具上的特征。与机器人上的检测器耦合的控制器控制末端执行器将层板放置基板上的基于基板上的被检测的特征的位置处。在一个实施例中，检测器是激光扫描仪，该激光扫描仪适合于扫描基板的表面。该系统还可以包含在末端执行器上的摄像机，其用于在层板被提升之前记录层板的图像，并且控制器可以包括用于识别被摄像机记录的图像的对象识别软件。该系统还可以包含用于记录末端执行器上的层板的图像的摄像机，其中控制器可操作为在层板被提升之后确定末端执行器上的层板的位置。
[0008]根据另一实施例，提供了将层板铺设在基板上的预定位置处的方法。该方法包含拾取层板，将层板移动至邻近基板上的预定位置的区域，使层板相对于层板将要被放置的预定位置取向，以及将层板放置在基板上的预定位置处。末端执行器被用来拾取层板，并将其移动至邻近基板的区域。末端执行器被用来检测基板上的代表层板将要被放置的预定位置的特征。末端执行器也被用来基于被检测的特征而将层板放置在基板上。拾取层板可以包括通过以真空将层板抵靠末端执行器保持而在末端执行器上夹持所述层板。利用自动控制的机器人操纵器来执行将末端执行器移动至邻近工具的区域。利用末端执行器检测基板上的特征包括使用非接触扫描仪扫描基板的表面。该方法还可以包含利用末端执行器将层板抵靠基板压紧，以及利用末端执行器上的传感器来感测由末端执行器施加到层板的压紧力。
[0009]根据另一实施例，提供了制造飞机复合结构的方法。该方法包含提供多个复合层板，以及利用机器人控制的末端执行器拾取层板中的一个。该方法还包括确定末端执行器上的层板的位置，以及利用末端执行器将层板移动至工具的区域。末端执行器被用来基于末端执行器上的层板的位置而将层板放置在工具上。末端执行器还可以被用来识别将要被拾取的层板。
[0010]根据另一实施例，一种减少制作多层板复合结构所需时间的方法包含:利用自动控制的带铺设机器铺设在工具上形成层板的复合带的路线，以及利用机器人控制的末端执行器将层板放置在工具的局部区域上。
[0011]根据另一实施例，提供了将层板铺设在基板上的方法，该方法包含利用电吸附夹持器夹持层板，以及将被夹持的层板放置在基板上。利用电吸附夹持器夹持层板包括通过在夹持器与层板之间产生静电吸附力而将层板吸附至夹持器。将被夹持的层板放置在基板上包括:利用机器人操纵器移动被夹持的层板以与基板接触，以及自电吸附夹持器释放层板。释放层板包括消除夹持器与层板之间的静电吸附力。产生静电吸附力包括:在夹持器上产生静电场，以及利用静电场在层板上感应出静电荷。
[0012]根据另一实施例，提供了将导电金属箔的层板铺设在飞机蒙皮上的方法。该方法包含利用末端执行器拾取层板，包括利用静电吸附力夹持层板，以及将末端执行器移动至蒙皮上的区域。该方法还包含利用末端执行器将层板放置在蒙皮上。将层板放置在蒙皮上包括释放在末端执行器上夹持层板的静电吸附力。夹持层板包括:在夹持器上产生静电场，以及利用静电场在层板上感应出静电荷。
[0013]根据另一实施例，提供了用于将层板铺设在基板上的系统，其包含末端执行器和机器人操纵器，所述末端执行器包括用于利用静电吸附力可释放地夹持层板的静电夹持器，所述机器人操纵器用于操纵末端执行器。该系统还包含被编程的控制器，其用于自动控制机器人操纵器和静电夹持器的运行。静电夹持器包括适合于与电源耦合的多个正负交替的电极极板。夹持器包括垫板，而电极极板位于垫板上。聚合物涂层保护性地覆盖电极极板。该系统还包含用于记录末端执行器上的层板的位置的装置和在末端执行器上的检测器，该检测器用于检测层板将要被放置的基板上的特征。
[0014]根据本发明的一个方面，提供了用于将复合层板铺设在预选择的位置处的系统，该系统包括:机器人；在机器人上用于提升层板并将层板放置在预选择的位置处的末端执行器；用于记录末端执行器上的层板的位置的装置；以及与位置记录装置耦合的控制器，其用于控制机器人和末端执行器以将层板放置在所述位置处。
[0015]有利地，在该系统中，末端执行器包括真空操作的夹持器，其用于夹持层板。
[0016]有利地，在该系统中，末端执行器包括电吸附夹持器，其用于夹持层板。
[0017]有利地，在该系统中，电吸附夹持器包括一组电极极板，其适于与用于在层板上感应出静电荷的电源耦合。
[0018]有利地，在该系统中，位置记录装置包括固定式摄像机，其用于成像末端执行器上的层板。
[0019]有利地，该系统还包括在末端执行器上的摄像机，该摄像机与控制器耦合以用于在层板被末端执行器提升之前观察该层板，并且其中控制器包括用于自多个层板识别并选择所述层板的软件。
[0020]有利地，该系统还包括在末端执行器上的检测器，其用于检测与层板将要被放置的位置有关的特征。
[0021]有利地，在该系统中，特征位置检测装置是激光扫描仪。
[0022]有利地，在该系统中，当层板被放置在工具上时，末端执行器和机器人将压紧力施加到层板，并且该系统还包括在末端执行器上的传感器，该传感器用于感测压紧力的大小。
[0023]根据本发明的另一方面，提供了用于将层板自动铺设在基板上的系统，该系统包括:末端执行器，其用于将每一个层板放置在基板上；在末端执行器上的检测器，其用于检测基板上的与层板将要被放置的位置有关的特征；机器人，其用于操纵末端执行器；以及与检测器和机器人耦合的控制器，该控制器用于控制末端执行器将层板放置在基板上的基于基板上的被检测的特征的位置处。
[0024]有利地,在该系统中,检测器是激光扫描仪，其适于扫描基板的表面。
[0025]有利地，该系统还包括在末端执行器上的摄像机，其用于在层板被提升之前记录层板的图像，并且其中控制器包括用于识别被摄像机记录的图像的对象识别软件。
[0026]有利地，该系统还包括用于记录末端执行器上的层板的图像的摄像机，并且其中控制器可操作为确定末端执行器上的层板的位置。
[0027]有利地，该系统还包括在末端执行器上用于夹持层板的真空夹持器；以及与真空夹持器耦合的真空系统。
[0028]有利地，该系统还包括在末端执行器上的电吸附夹持器，其用于利用静电吸附力夹持层板。
[0029]有利地，在该系统中，末端执行器可操作为将层板抵靠基板压紧，并且该系统还包括在末端执行器上的力传感器，其用于感测施加于层板的压紧力。
[0030]根据本发明的另一方面，提供了将层板铺设在基板上的预定位置处的方法，该方法包括:拾取层板；将层板移动至邻近层板将要被放置的预定位置的区域；使层板相对于层板将要被放置的预定位置取向；以及将被取向的层板放置在基板上的预定位置处。
[0031 ] 有利地，在该方法中，利用静电吸附力夹持层板来执行拾取层板。
[0032]有利地，在该方法中，通过用末端执行器夹持层板来执行拾取层板，通过将末端执行器移动至邻近预定位置的区域来执行移动层板，以及利用末端执行器来执行放置层板。
[0033]有利地，该方法还包括，利用末端执行器检测与层板将要被放置的位置有关的特征，其中利用末端执行器放置层板是基于被检测的特征的，以及利用自动控制的机器人操纵器来执行将末端执行器移动至邻近预定位置的区域。
[0034]有利地，在该方法中，利用末端执行器检测特征包括使用非接触性扫描仪扫描基板的表面。
[0035]有利地，该方法还包括:利用末端执行器将层板抵靠基板压紧；以及利用末端执行器上的传感器来感测由末端执行器施加于层板的压紧力。
[0036]有利地，在该方法中，基板是工具，并且其中基板上的位置是工具中的凹槽。
[0037]有利地，该方法还包括:利用末端执行器来识别将要被拾取和移动的层板。
[0038]根据本发明的另一方面，提供了制造飞机复合结构的方法，该方法包括:提供多个复合层板；利用机器人控制的末端执行器拾取层板中的一个；确定末端执行器上的层板的位置；以及基于末端执行器上的层板的位置，利用末端执行器将层板放置在预定位置处。有利地，在该方法中，确定末端执行器上的层板的位置包括记录末端执行器上的层板的图像。有利地，该方法利用末端执行器将层板移动至工具。有利地，在该方法中，拾取层板包括利用静电吸附力在末端执行器上夹持层板。
[0039]有利地，该方法还包括:利用末端执行器来识别将要被拾取的层板中的一个。
[0040]有利地，在该方法中，通过利用末端执行器记录层板的图像并且利用图像识别软件来识别被记录的图像，执行识别将要被拾取的层板中的一个。
[0041]根据本发明的另一方面，提供了减少制作多层板复合结构所需的时间的方法，该方法包括:利用自动控制的带铺设机器铺设在工具上形成层板的复合带的路线；以及利用机器人控制的末端执行器将层板放置在工具的局部区域上。[0042]有利地，在该方法中，被末端执行器放置的层板形成复板和填充物中的一个。
[0043]有利地，在该方法中，在带铺设机器铺设带的路线之前，末端执行器将层板放置在工具上。
[0044]有利地，在该方法中，带铺设机器在被末端执行器放置的层板上面铺设带的路线。
[0045]根据本发明的另一方面，提供了将层板铺设在基板上的方法，该方法包括:利用电吸附夹持器夹持层板；以及将被夹持的层板放置在基板上。
[0046]有利地，在该方法中，利用电吸附夹持器夹持层板包括:通过在夹持器与层板之间产生静电吸附力而将层板吸附至夹持器。
[0047]有利地，在该方法中，将被夹持的层板放置在基板上包括:利用机器人操纵器移动被夹持的层板以与基板接触，以及自电吸附夹持器释放层板。
[0048]有利地，在该方法中，释放层板包括消除夹持器与层板之间的静电吸附力。
[0049]有利地，在该方法中，产生静电吸附力包括:在夹持器上产生静电场，以及利用静电场在层板上引起静电荷。
[0050]有利地，将导电金属箔的层板铺设在飞机蒙皮上的方法包括:利用末端执行器拾取层板，包括利用静电吸附力夹持层板；将末端执行器移动至蒙皮上的区域；以及利用末端执行器将层板放置蒙皮上。
[0051]有利地，在该方法中，将层板放置蒙皮上包括释放在末端执行器上夹持层板的静电吸附力。
[0052]有利地，在该方法中，利用静电吸附力夹持层板包括:在夹持器上产生静电场，以及利用静电场在层板上感应出静电荷。
[0053]根据本发明的另一方面，提供了用于将层板铺设在基板上的系统，该系统包括末端执行器，其包括用于利用静电吸附力可释放地夹持层板的静电夹持器；以及机器人操纵器，其用于操纵末端执行器。
[0054]有利地，该系统还包括被编程的控制器，其用于自动控制机器人操纵器和静电夹持器的运行。
[0055]有利地,在该系统中，静电夹持器包括适于与电源稱合的多个正负交替的电极极板。
[0056]有利地，在该系统中，夹持器包括垫板，电极极板位于垫板上，并且夹持器还包括保护性地覆盖电极极板的聚合物涂层。
[0057]有利地，该系统还包括用于记录末端执行器上的层板的位置的装置和在末端执行器上的用于检测层板将要被放置的基板上的特征的检测器。
[0058]根据本发明的另一方面，提供了将层板自动铺设在工具上的方法，该方法包括:提供一箱层板；利用机器人控制的末端执行器选择箱中的层板中的一个并自箱中提升选择的层板，包括记录层板的图像并利用图像识别软件和被记录的图像以自箱中的其他层板识别所述层板；利用摄像机记录末端执行器上的层板的图像；利用末端执行器上的层板的图像来确定末端执行器上的层板的位置；基于被确定的末端执行器上的层板的位置确定层板在控制末端执行器的机器人使用的3-D空间坐标系统中的位置；利用末端执行器将选择的层板移动至工具的区域；利用3-D激光扫描仪检测工具上的与层板将要被放置的工具的期望位置有关的特征；利用末端执行器将被识别的层板放置在工具上的期望的位置处；利用末端执行器将层板抵靠工具压紧；感测在压紧期间施加于层板的力；以及基于由力传感器感测的力而调整施加于层板的压紧力。
[0059]根据本发明的另一方面，提供了用于将复合层板自动铺设在工具上的系统，该系统包括:一箱层板，其被需要以预定顺序铺设在工具上；末端执行器；机器人，其用于操纵末端执行器；在末端执行器上用于夹持层板的真空夹持器；在末端执行器上的第一摄像机，其用于记录箱中的层板的图像；第二固定式摄像机，其用于记录由末端执行器自箱中提升的真空夹持器上的层板的图像；在末端执行器上的激光扫描仪，其用于扫描工具，并且检测工具上与层板将要被放置的工具上的位置有关的特征；在末端执行器上的力传感器，其用于在末端执行器将层板放置在工具上时感测由末端执行器施加于层板的力；以及控制器，其用于控制机器人、真空夹持器、第一和第二摄像机，控制器包括用于识别被第一摄像机记录的层板的图像的图像识别软件。
[0060]当根据附图以及所附权利要求考虑时，参照以下实施例的描述，所公开的实施例的其他特征、益处以及优势将会变得显而易见。
【专利附图】

【附图说明】
[0061]图1是根据公开的实施例的自动层板铺设系统的功能方框图的图示说明。
[0062]图2是图1所示的自动层板铺设系统的透视图的图示说明。
[0063]图3是形成图1和图2所示的系统的一部分的末端执行器的透视图的图示说明。
[0064]图4是示出了扫描工具的表面以识别工具凹槽的特征的末端执行器的透视图的图示说明。
[0065]图5是一种用于自动铺设填充物层板的方法的流程图的图示说明。
[0066]图6是与图5相似的图不说明，但不出了一种用于自动铺设复板层板的方法。
[0067]图7是用于铺设层板的设备的功能方框图的图示说明。
[0068]图8是一种使用图7所示的设备铺设层板的方法的流程图的图示说明。
[0069]图9是形成图7所示的设备的一部分的末端执行器的透视图的图示说明。
[0070]图10是与图9相似的透视图的图示说明，但示出了已经被末端执行器拾取并夹持的层板。
[0071]图11是沿图10中的线11-11截取的截面图的图示说明。
[0072]图12是图7中所示的电吸附夹持器的可替代的实施例的截面图的图示说明。
[0073]图13是与图9和图10相似的透视图的图示说明，但示出了被电磁夹持器夹持的
三个层板。
[0074]图14是与图13相似的图示说明，但示出了已经被末端执行器拾取以准备放置在基板上的导电金属的条带。
[0075]图15是飞机生产与维护方法的流程图的图示说明。
[0076]图16是飞机的方框图的图示说明。
【具体实施方式】
[0077]首先参照图1，公开的实施例涉及由数字18大体指示的自动层板铺设系统，其自动将层板48放置25在基板21上，基板21诸如工具28或之前在工具28上放置的层板(未示出)。层板48可以形成层板箱24的一部分，层板箱24包含具有相同或不同纤维取向的预定数量的层板48，所述层板被意图以预定顺序铺设在工具28上，以便在复合结构(未示出)上形成诸如复板(未示出)或填充物(未示出)等特征。在铺设过程中，层板48被放置25在工具28上的特定位置处。在所示的实施例中，层板48被顺序地放置25在工具中的一个或更多个凹槽26中。尽管在图示的示例中描述了复合层板48的铺设，但公开的实施例可以被用来铺设或放置其他物体，并且特别是具有柔性或非柔性板状或扁平材料形式的物体，包括但不限于:塑料、陶瓷与金属以及各种形式的复合材料，其可以是导电的或不导电的。因此，本文中使用的术语“层板”意图包括各种各样的形状以及材料。
[0078]自动层板放置系统18大体包含被安装在机器人22或相似的自动控制操纵器上的末端执行器20、固定式摄像机42和控制器44。末端执行器20包含扫描仪36、摄像机30、真空夹持器32和力传感器34。摄像机30用来记录箱24中的层板40的图像，该图像由形成控制器44的一部分的图像识别软件45处理，以便以恰当的铺设顺序识别并选择27各层板48。真空夹持器32可以与真空系统40耦接，并且用来可释放地夹持29各层板48，以便将层板48保持29在末端执行器20上，直至准备放置25在工具28上。真空夹持器32也可以被连接至加压的气源43。气源43可以被用来将正压力施加于层板48，这可以在层板48的放置之后辅助释放层板48。末端执行器20可以配备有其他类型的层板夹持器，这将在下面进行讨论。
[0079]扫描仪36可以包含例如但不限于2-D或3_D激光扫描仪,其扫描工具28的表面，以识别特征(诸如凹槽26)的位置。在末端执行器22被用来将层板48抵靠工具28压紧31的应用中，末端执行器20上的力传感器34用来感测被施加在层板48的压紧力的大小。该感测到的压紧力被反馈到控制器44，控制器44可以通过调整由机器人22施加的压紧力而作出响应。固定式摄像机42用来记录被末端执行器夹持的层板48的图像，该图像被控制器44使用以确定末端执行器20上的层板48的位置，即放置和/或取向。末端执行器20和机器人22与控制器44耦合，控制器44接收来自扫描仪36、摄像机30、力传感器34以及固定式摄像机42的输入，并且用来控制末端执行器20和机器人22的运行。
[0080]在使用中，机器人22将末端执行器20移动至工作单元50，在工作单元50中，托盘30被定位为使得层板箱24中的层板48在摄像机30的视野内。利用图像识别软件45，控制器44识别并选择27将要被铺设在工具28上的下一个层板48。在一些实施例中，摄像机30可以记录工作单元50内反映其他信息(诸如一个或更多个层板48的尺寸和/或形状)的图像。在其他实施例中，末端执行器20可以包括其他感测设备，诸如但不限于RFID(射频识别)阅读器(未示出)，其感测与层板48的选择和/或放置有关的有用的信息，这些信息可以被存储在RFID标签(未示出)或其他装置中。
[0081]基于层板选择25，末端执行器20使用真空夹持器32以提升以及保持29末端执行器20上的选择的层板48，同时机器人22将选择的层板移动至在固定式摄像机42的视野内的位置。固定式摄像机42用作这样的装置，其用于通过记录被末端执行器20夹持的层板48的图像来记录末端执行器20上的层板48的位置(放置和/或取向)。被记录的层板48的图像被输送至控制器44，该控制器44使用被记录的图像确定末端执行器20上的层板48的位置。通过将偏移施加于被记录的层板48的位置或利用其他技术，控制器44然后将被记录的层板48的位置转换为机器人22使用的3-D空间坐标系统54 (图2)。[0082]机器人22将末端执行器20从固定式摄像机42移动至在工具28的区域内的位置，通常面向工具28。末端执行器20上的扫描仪36然后被用来扫描工具28，以识别可以被用来确定所选择的层板将要被放置在工具28上的位置的特征(诸如凹槽26)。在本示例中，扫描仪36可以被用来定位凹槽26的边缘26a (参见图4)。边缘26a的位置被控制器44用来控制移动末端执行器20的机器人22，直至选择的层板48被定位为将层板48放置在工具28上的期望位置，在图示的示例中，所述期望位置对应于凹槽26。末端执行器20然后将选择的层板48放置25在工具28上的凹槽26内，与边缘26a或与凹槽26的其他特征对齐。末端执行器20然后以期望大小的力将层板48抵靠工具28压紧31，该期望大小的力由末端执行器20上的力传感器34测量。末端执行器20上的扫描仪36还可以被用来在层板放置之前预检查工具28的局部区域，以及在层板48已经被放置之后进行层板48和/或工具28的后置检查，以核实被铺设的特征(诸如复板以及填充物)被正确地定位在工具28上和/或相对于其他铺设特征被正确地定位。工具28的预检查可以是期望的，其中变化可能在某些工具特征的位置中发生。例如但不限于，由于原始工具的制造公差和/或由于工具在其生命周期中的返工或维修，从工具到工具的变化可以在凹槽26的准确位置中发生。因此，与依赖于作为层板放置位置的基础的凹槽26的标称(被指定的)位置相比，末端执行器20上的扫描仪36的使用允许在特定工具28上的凹槽26的实际的(测量的)位置的确定。
[0083]如前所述，将由力传感器34测量的力用作反馈信号，控制器44控制由机器人22施加以压紧31层板48的力的大小。一旦层板48已经被放置25并且被压紧31，则真空夹持器32释放层板48，并且末端执行器20从工具28离开，回到工作单元50，以便拾取箱24中的下一顺序的层板48。气源43可以被用来在末端执行器从工具28离开之前产生层板48从夹持器32的积极释放(positive release)。
[0084]图2图示说明了图1中所示的自动层板铺设系统18的一个典型的实施方式。数字54标出3-D空间坐标系统，其被机器人22用来提升、运输以及将层板48放置在工具28上的期望位置处。机器人22可以包含任何合适的自动操纵器，包括但不限于输送带与运输机，但在所图示的实施例中被描述为具有铰接臂22a的铰接类型，在放置过程中，铰接臂22a可以辅助使层板48取向在工具28上的位置。臂22a提供有可旋转的腕部22b，末端执行器20被安装到腕部22b。机器人22具有从工作单元50延伸到工具28的范围，根据该范围铺设层板48。在图示的示例中，层板箱24包含被放置在可移动托盘30上的层板48的阵列，其中层板48面朝上并且在机器人22的范围内。
[0085]固定式摄像机42被安装在工作单元50与工具28之间的支架52上，然而，摄像机42的其他位置是可能的。因为机器人22枢转，并且末端执行器20以从工作单元50到工具28的圆弧摆动，所以摄像机42在工作单元50与工具28之间的放置允许机器人22将层板48移入摄像机42的视野内。摄像机42可以包含能够产生被末端执行器20提升的层板48的数字图像的任何合适的成像装置。在一些实施例中，多于一个摄像机42的使用可以是期望的。
[0086]在图示的示例中，工具28被描述为弯曲的芯轴，其在工具表面28a中具有多个对齐的凹槽26。一个或更多个光学反射器55可以被放置在工具28的表面28a上，以便在层板48被放置之前辅助末端执行器20在工具28上的大致定位。反射器55可以被激光扫描仪36 (图1)检测，然而，为了大致定位末端执行器20的目的，激光扫描仪36可以感测工具28的其他特征，诸如检测工具28的边缘28b。
[0087]图3图示说明了末端执行器20的另外的细节。激光扫描仪36、真空夹持器32和摄像机30被安装在安装板58的一个面58a上。真空夹持器32可以包括多孔面32a，其与真空系统40 (图1)耦接，并且适于在其上保持层板48。多孔面32a也可以与图1所示的气源43耦接，以便在层板48被从夹持器32释放时允许正空气压力施加于层板48。力传感器34被安装在板58的相对面58b上，并且可以包含例如但不限于压电装置。固定至板58的适配器56使末端执行器20适于与机器人22的腕部22b耦接。
[0088]图4图示说明了已经被大致定位在工具28中的一个凹槽26上以便为将层板48放置在凹槽26中作准备的末端执行器20。在这个示例中，凹槽26可以包括倾斜的侧壁26a。激光扫描仪36被用来扫描凹槽26a，以便确定该凹槽在工具28上以及在3-D空间坐标系统54内的位置。如前所述，激光扫描仪36可以是产生凹槽26的三维模型的3-D扫描类型,所述三维模型包括凹槽26的倾斜的侧壁26b以及边缘26a。基于由激光扫描仪36产生的凹槽26的3-D模型，控制器44 (图1)可以控制末端执行器20的移动，以便准确地将层板48放置在凹槽26的边界内，与凹槽26的边缘26a对齐。
[0089]现在关注图5，其图示说明了铺设层板48 (诸如填充物层板)的自动方法的全部步骤。在步骤64处开始，操作者将具有层板48的箱24的托盘30放置在工作单元50处。接着，在步骤66处，操作者利用控制器44启动机器人循环。在步骤68处，机器人22将末端执行器20移动至位于工作单元50处的托盘30上方的位置。在步骤70处，末端执行器20上的摄像机30选择27箱24中的下一顺序将要被铺设的特定层板48。在步骤72处，机器人22移动真空夹持器48以与选择的层板48接触，由此当机器人20使末端执行器20移动离开工作单元50并朝向固定式摄像机42移动时，夹持29层板48，并且提升层板48。在步骤74处，机器人22将选择的27层板48呈现给固定式摄像机42，固定式摄像机42记录显示层板48相对于末端执行器22的位置的图像。在步骤76处，固定式摄像机42配合控制器44将层板48定位在机器人22的3-D坐标参考系54内。
[0090]在步骤78处，机器人22将选择的层板48移动至在工具28之上的位置，并且激光扫描仪36通过检测反射器35或检测其他特征(诸如工具28的边缘28b)来测量凹槽26的大致位置。接着，在步骤80处，机器人22移动激光扫描仪36与凹槽26邻近，并且扫描仪36然后扫描凹槽26，如之前结合图4所讨论的。由于凹槽26在3-D坐标参考系54内的精确位置已知，如在步骤82中示出的，机器人22然后将层板48精确地放置25在工具28上的凹槽26中或之前已经被放置在凹槽26中的层板48上。在步骤84处，力传感器34被用来在压紧过程中产生反馈信号，该反馈信号被控制器40用来确定当层板48被压紧29在工具28上时由机器人施加于层板48的力的大小。正空气压力可以由气源43 (图1)施加于层板48，以便确保层板48从夹持器32释放。如在步骤86处示出的，针对层板48中的每一个，步骤66-84按顺序重复，直至填充物已经被完成。
[0091]图6图示说明了一种用于层板复板的自动铺设的方法的全部步骤。在步骤88处开始，复合带铺设机器或自动纤维放置机器(未示出)将初始的层板放置在诸如图2中所示的工具28的芯轴上。其次，在步骤90处，复板层板48的箱被放置在工作单元50中。在步骤92处，操作者启动机器人循环，并且在步骤94处，机器人22将末端执行器20移动至箱30之上。在步骤96处，摄像机30定位并选择27箱30中的下一顺序的复板层板48。在步骤98处，机器人22然后移动末端执行器20上的真空夹持器32以与复板层板48接触，并且在步骤100处，机器人22利用真空夹持器32从箱30中提升所选的复板层板48。在步骤102处，机器人22将复板层板48呈现给固定式摄像机42，并且在步骤104处，固定式摄像机42将复板层板48精确地定位在真空夹持器32的面32a上。
[0092]在步骤106处，机器人22将末端执行器20移动至在芯轴工具28之上的位置，并且激光扫描仪36可以被用来检测如下特征，所述特征被用来确定复板层板48将要被放置的准确位置。被检测的特征可以包含但不限于工具28上的反射器55、工具28的边缘28b或之前放置的层板48的边缘(未示出)。在步骤108处，机器人22将复板层板48放置25在工具表面28a上或放置在已经放置的复板层板48上。在步骤110处，机器人22利用力传感器34为控制器44提供反馈，该反馈在压紧过程29中指示施加于复板层板48的压紧力的大小。在步骤112处，步骤92-110被重复，直至所有复板层板48都已经被放置在芯轴工具28上。在步骤114处，复合带铺设机器或自动纤维放置机器继续全部层板在复板层板48之上的铺设过程，并且在步骤116处，根据需要或按照预定层板计划的指示，重复复板层板48的放置。
[0093]现在关注图7，其大体图示说明了可以用于自动层板铺设系统(诸如图2所示的系统54)的设备107。设备107可以用来拾取并运输层板48，以及将其放置23在基板21 (诸如工具28 (图2))、之前铺设的层板48或其他基板(未示出)上。设备107包含末端执行器20，其可以由与之前结合图1-3描述的机器人22相似的机器人22操纵。末端执行器20包括电吸附夹持器108，其利用可逆的静电吸附来夹持末端执行器20上的一个或更多个层板48，同时被运输以及被放置在工具28上。电吸附夹持器108由电源110提供动力，并产生静电吸附力“F”，其被用来将层板(多个层板)48可释放地吸附至末端执行器20。
[0094]图8大体图示说明了一种利用图7所示的设备107铺设层板38的方法的步骤。在112处开始，末端执行器20与一个或更多个层板48接触，诸如图1中所示的形成托盘30上的层板箱24的一部分的那些层板。在步骤114处，夹持器108利用将层板吸附至夹持器108的静电吸附力“F”拾取并夹持层板48。在步骤116处，末端执行器20和机器人22将被夹持的层板48移动至基板21 (诸如图2所示的工具28)。在步骤118处，末端执行器20被用来将层板48放置23在基板21上的期望位置处。例如，末端执行器20可以将层板48放置在图2所示的工具28的一个凹槽26中。在步骤120处，通过消除将层板吸附至夹持器108的静电吸附力“F”，层板48在步骤118中被放置23之后从末端执行器20释放。通过关闭供应给夹持器108的电源来消除静电吸附力“F”。
[0095]如前所述，图7中所示的设备107和在图8中图示的方法可以用于图1所示的自动铺设系统50，其中摄像机30、42被用来识别、顺序地选择以及拾取用于铺设的层板48，以及确定在层板被放置之前末端执行器20上的层板的取向。然而，图7所示的设备107和在图8中图示的方法可以用于其他自动铺设系统，其中由机器人22操纵的末端执行器20被用来将层板48自动放置在基板21上。
[0096]图9和图10图示说明了图7所示的设备的一个实施例的另外的细节。电吸附夹持器108包含多个正负分别交替的细长电极极板122、124。电极极板122、124可以包含间隔开的基本平行的导电材料(例如但不限于铜或其他合适的金属)的条带。电极极板122、124交错延伸并且被支撑在垫板126上，垫板126被安装在末端执行器20上的延伸物128上。正负电极极板122、124分别被耦接至电源110 (图7)，电源110可以是定位为与末端执行器20在同一板上或离板的DC电源。在图示的示例中，垫板126和电极极板122、124是基本平坦的，然而，其可以具有其他几何形状，包括简单的或复杂的轮廓，这取决于层板48将要被放置的层板48和/或工具28或其他基板21的形状。
[0097]参照图11，电极极板122、124的截面为基本矩形的，然而，其他电极截面几何形状是可能的。在所图示的实施例中，电极极板122、124嵌入在压板115中，压板115包含一层合适的不导电材料，诸如附连至垫板126的聚合物。压板115可以包含基本刚性的材料，或可以是稍微可变形的材料，其允许压板115的表面135基本遵从被夹持的层板48的表面不均匀性(未示出)。
[0098]当电源供应给电吸附夹持器108时，正负交替的电极极板122、124产生在层板48的表面137上感应出静电+与-电荷的静电场120。层板48上的+与-电荷的极性与电极极板122、124的极性相反，从而导致静电吸附力“F”的产生，静电吸附力“F”吸引并且由此将层板48吸附至夹持器108的表面135。电吸附夹持器108可以使用相对小量的功率产生相对大的静电吸附力“F”。例如但不限于，功率要求可以为约每牛顿重量20微瓦的量级。可以通过控制供应给电极极板122、124的功率来调整以及打开和关闭静电吸附力“F”。开启-关闭切换时间可以为小于约50毫秒的量级。
[0099]电吸附夹持器108可以被用来夹持由各种材料中的任意材料形成的导电或不导电层板48，其中层板48具有粗糙或光滑的表面，和/或层板48可以在其表面上具有灰尘和/或碎片。例如但不限于，电吸附夹持器108可以被用来夹持层板材料，诸如仅作为数个示例的热塑性塑料、预浸材料、金属箔、金属与非金属网孔以及粘结层。
[0100]图12图示说明了夹持器108的可替代形式，其中电极极板122、124是被直接粘结至不导电垫板126的极板。聚合的或其他类型的涂层132保护性地覆盖电极极板122、124。可替代地，尽管在附图中未示出，但电极极板122、124可以被独立密封在不导电材料(诸如聚合物)的保护性涂层中或被所述保护性涂层包围。
[0101]如前所述，所公开的具有电吸附夹持器108的末端执行器20可以用来拾取、夹持、运输以及放置单个层板48，或如在图13图示说明的，多个层板48a、48b、48c可以被末端执行器20同时拾取、夹持以及放置。多个层板48a、48b、48c可以彼此精确的关系被预先布置在形成站50的一部分的托盘40 (图1)上或其他表面上。与一次一个的自动或人工铺设放置过程相比，当被电吸附夹持器同时夹持以及拾取时，层板48a、48b、48c保持其预先布置的关系，同时其作为预先布置的组被末端执行器20放置以及压紧在工具28或其他基板21上。
[0102]图14图示说明了使用电吸附夹持器108拾取以及夹持多个薄金属箔的条带134，所述条带134可以被末端执行器20单独或作为一组放置在基板21 (诸如飞机机翼(未示出))上。可替代地，之前描述的真空夹持器32 (图1)可以用在末端执行器20上，以拾取以及夹持金属箔条带134。然而，在一些应用中，在通过将金属网孔(未示出)板应用于飞机蒙皮(未示出)来实施雷击防护的情况下，可以优选在末端执行器20上使用静电夹持器108。
[0103]本公开的实施例可以应用于各种潜在应用，尤其是应用于运输行业中，包括例如航空航天、船舶、汽车应用以及可以使用自动铺设设备的其他应用。因此，现在参照图15和图16，本公开的实施例可以用于在图15中示出的飞机制造与维护方法136以及在图16中示出的飞机138的背景中。仅举几例，所公开的实施例的飞机应用可以包括例如但不限于:加强构件(诸如机身蒙皮、机翼蒙皮、控制面、舱口、地板镶板、门板、罩板以及尾翼)的铺设、粘结层的铺设以及用于雷击应用的金属箔的薄板的铺设。在预生产期间，示例性方法108可以包括飞机138的规格与设计140以及材料采购142。在生产期间，进行飞机138的组件与子配件制造144以及系统整合146。其后，飞机138可以经历认证与交付148，以便使其投入使用150。在由客户使用时，飞机138被安排进行日常的维修与维护152 (其还可以包括改进、重新配置、翻新等)。
[0104]可以由系统集成商、第三方和/或操作者(例如，客户)执行或实施方法108中的每个处理。为了本说明书的目的，系统集成商可以包括但不限于任意数量的飞机制造商和主系统转包商；第三方可以包括但不限于任意数量的销售商、转包商和供应商；而操作者可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务机构等。
[0105]如在图16中示出的，通过示例性方法136生产的飞机138可以包括机身154以及多个系统156和内部结构158。高级系统156的示例包括推进系统160、电气系统162、液压系统164和环境系统166中的一个或更多个。可以包括任意数量的其它系统。尽管示出了航空示例，但是本公开的原理可以应用于其它行业，诸如船舶以及汽车工业。
[0106]在本文中呈现的系统和方法可以在生产与维护方法136的任意一个或更多个阶段期间使用。例如，对应于生产过程144的组件或子配件可以类似于飞机110在使用中时生产的组件或子配件的方式被制作或制造。同样，例如通过充分加快飞机138的装配或降低飞机138的成本，可以在生产阶段144和146期间利用一个或更多个设备实施例、方法实施例或其组合。类似地，在飞机138在使用中时，一个或更多个设备实施例、方法实施例或其组合可以例如但不限于被用于维修与维护152。
[0107]尽管已经关于某些示例性实施例描述了本公开的实施例，但应理解，具体实施例是为图示说明而非限制的目的，因为本领域技术人员将会想到其他变体。
【权利要求】
1.一种用于将复合层板铺设在预选择的位置的系统，所述系统包含: 机器人； 在所述机器人上的末端执行器，其用于提升层板并将所述层板放置在预选择的位置； 用于记录所述末端执行器上的所述层板的位置的装置；以及 与位置记录装置耦合的控制器，该控制器用于控制所述机器人和所述末端执行器以将所述层板放置在所述位置。
2.根据权利要求1所述的系统，其中所述末端执行器包括用于夹持所述层板的真空操作的夹持器。
3.根据权利要求1或权利要求2所述的系统，其中所述末端执行器包括用于夹持所述层板的电吸附夹持器。
4.根据前述任一权利要求所述的系统，其中所述电吸附夹持器包括一组电极极板，该电极极板适于与用于在所述层板上感应出静电荷的电源耦合。
5.根据前述任一权利要求所述的系统，其中所述位置记录装置包括固定式摄像机，所述固定式摄像机用于成像所述末端执行器上的所述层板。
6.根据前述任一权利要求所述的系统，其还包含: 在所述末端执行器上与所述控制器耦合的摄像机，其用于在层板被所述末端执行器提升之前观察所述层板，并且 其中所述控制器包括用 于自多个层板识别并选择所述层板的软件。
7.根据前述任一权利要求所述的系统，其还包含: 在所述末端执行器上的检测器，所述检测器用于检测与所述层板将要被放置的位置有关的特征。
8.根据前述任一权利要求所述的系统，其中所述特征位置检测装置是激光扫描仪。
9.根据前述任一权利要求所述的系统，其中当所述层板被放置在所述工具上时，所述末端执行器和所述机器人将压紧力施加到所述层板，并且所述系统还包含: 在所述末端执行器上的传感器，其用于感测所述压紧力的大小。
10.一种将层板铺设在基板上的预定位置的方法，该方法包含: 拾取层板； 将所述层板移动至邻近所述层板将要被放置的预定位置的区域； 使所述层板相对于所述层板将要被放置的所述预定位置取向；以及 将被取向的所述层板放置在所述基板上的所述预定位置处。
11.根据权利要求10所述的方法，其中利用静电吸附力夹持所述层板，从而执行所述层板的拾取。
12.根据权利要求10所述的方法，其中: 通过用末端执行器夹持所述层板来执行所述层板的拾取， 通过将所述末端执行器移动至邻近所述预定位置的所述区域而执行所述层板的移动，以及 利用所述末端执行器来执行所述层板的放置。
13.根据权利要求12所述的方法，其还包含: 利用所述末端执行器来检测与所述层板将要被放置的位置有关的特征，其中利用所述末端执行器放置所述层板是基于被检测的所述特征的，并且利用自动控制的机器人操纵器来执行将所述末端执行器移动至邻近所述预定位置的所述区域。
14.根据权利要求12所述的方法，其还包含: 利用所述末端执行器将所述层板抵靠所述基板压紧；以及 利用所述末端执行器上的传感器来感测由所述末端执行器施加到所述层板的所述压紧力。
15.根据权利要求12所述的方法，其还包含: 利用所述末端执行器来识别将要被`拾取和移动的层板。
【文档编号】B25J13/08GK103619567SQ201280030394
【公开日】2014年3月5日 申请日期:2012年5月16日 优先权日:2011年6月22日
【发明者】S·S·桑加尔, K·S·威尔登, J·M·科布, G·M·巴库斯, C·克雷斯波, S·F·派得戈 申请人:波音公司