用于自动纤维铺放机器的刀具刀片的制作方法

本公开涉及复合结构制造的领域，并且更具体地涉及自动纤维铺放(afp)机器。afp机器也指高级纤维铺放机器。

背景技术：

afp机器自动地执行复合结构制造过程，以在组成材料固化成复合部件之前层压这些组成材料。例如，afp机器可以用于通过精确地以预定图案铺开组成材料形成或层置复杂形状。在此类过程中，所述afp机器从用光固化树脂浸渍的纤维束(丝束)分配组成材料，并将所述丝束放置在预定位置中。然后纤维丝束可以通过滚筒被固结在一起，以构成以待进一步处理的层压件，所述进一步处理可以包括压缩/固结、挥发物的移除以及固化。

在此过程期间，在所述afp机器处的刀具可以在由所述afp机器分配和层压各个丝束时切割各个丝束，以便将这些丝束定位在所述复合部件上。所述切割过程本身可以涉及夹紧所述丝束、切割所述丝束以及将所述丝束的切割部分分配到所述复合部件上。然后所完成的组成材料的层压件可以被加热和/或压缩(例如，在与所述afp分离的高压釜中)，以将其固化成复合部件。现有技术的afp机器甚至可以在材料丝束连续地穿过正在制造的复合部件移动的同时切割并开始材料丝束。

技术实现要素：

本文所述的实施例改善由afp机器使用的刀具，以在复合部件的层置期间切割组成材料的丝束。这些刀具经改善包括多个刀片，所述多个刀片中每个均被定向成在不同方向上执行切割。因此，随着所述刀具被前后驱动(例如，通过空气活塞的操作)，其在运动的两个方向上而不是在运动的单个方向上切割。这增加在所述刀具的寿命内能够由所述刀具执行的总切割量(因为其具有多个刀片而不是单个刀片来接受磨损)，并且也增加所述刀具操作的速度(因为能够在不重置所述刀具到准备位置的情况下执行每次切割)。

一个实施例包括用于自动纤维铺放(afp)制造的双向刀具。所述刀具包括刀具体，其具有上边缘和下边缘，并且具有放置在所述上边缘和所述下边缘之间的开口，所述开口的尺寸设定成允许纤维丝束穿过所述刀具体。所述刀具也包括：设置在所述刀具体的所述下边缘上的第一刀片，所述第一刀片被定向成在所述刀具被向下驱动时切割所述丝束；和设置在所述刀具体中的所述开口的边缘上的第二刀片，所述第二刀片被定向成在所述刀具被向上驱动时切割所述丝束。

另一实施例是一种设备。所述设备包括afp机器。所述afp机器包括经配置将所述afp机器定位成接近复合部件的机器臂、多个纤维丝束和具有每个均与致动器联接的多个双向刀具的面。每个刀具包括刀具体，所述刀具体具有上边缘和下边缘并具有放置在所述上边缘和所述下边缘之间的开口，所述开口的尺寸设定成允许所述丝束之一穿过所述刀具体。第一刀片设置在所述刀具体的所述下边缘上并被定向成当所述刀具被向下驱动时切割所述丝束。第二刀片设置在所述刀具体中的所述开口的边缘上并被定向成当所述刀具被向上驱动时切割所述丝束。所述afp机器也包括控制器，所述控制器经配置引导所述致动器的操作，以向上和向下驱动所述刀具。

另一实施例是一种用于自动纤维铺放(afp)机器的切割的方法。所述方法包括向下驱动所述afp机器的刀具，以用定位在所述刀具的外边缘上的所述刀具的第一刀片切割在所述afp机器处的纤维丝束。所述方法也包括向上驱动所述afp机器的所述刀具，以用定位在所述开口的边缘上的所述刀具的第二刀片切割在所述afp机器处的纤维丝束。

其他示例性实施例(例如，与前述实施例相关的方法和计算机可读介质)可以在下面进行描述。已经讨论的特征、功能和优点可以在各种实施例中独立地实现，或者可以在其他实施例中组合，其进一步细节可以参照下列描述和附图看到。

附图说明

现在仅通过示例的方式并参照附图描述本公开的一些实施例。相同的参考标号在所有附图上表示相同元件或相同类型的元件。

图1示出在示例性实施例中的afp机器。

图2示出在示例性实施例中的在afp机器的一面处的一组刀具。

图3-4是在示例性实施例中的用于afp机器的切割纤维丝束的刀具的图示。

图5-7是在示例性实施例中的刀具的视图。

图8-9是在示例性实施例中的在下行冲程期间切割纤维丝束的刀具的图示。

图10-11是在示例性实施例中的在上行冲程期间切割纤维丝束的刀具的图示。

图12是示出在示例性实施例中的用于操作afp机器的刀具的方法的流程图。

图13是在示例性实施例中的afp机器的方框图。

图14是在示例性实施例中的飞机生产和使用方法的流程图。

图15是在示例性实施例中的飞机的方框图。

具体实施方式

所述附图和下列描述示出了本公开的具体示例性实施例。因此将理解的是本领域的技术人员将能够设想各种布置，虽然未明确地描述或在本文示出，但是所述各种布置体现本公开的原理并且包括在本公开的范围内。此外，本文所述的任何示例意在帮助理解本公开的原理并且应当理解的是不限于此类具体阐述的示例和条件。因此，本公开不限于下面描述的具体实施例或示例，而是通过权利要求及其等同物限制。

图1示出在示例性实施例中的afp机器40。afp机器40在复合部件20上操作，所述复合部件20在此实施例中是用于经由旋转支架30保持在适当位置中的飞机的机身区段。afp机器40由机器臂50重新定位，以从面41将组成材料的纤维丝束(图2-11中所示)铺放到复合部件20上。afp机器40层铺并切割丝束，以布置来自一个或多个内部线轴的纤维，以便层压复合部件20用于固化。此过程可以涉及层铺多个层片，直到复合部件20被完成。任何合适的形状可以用于复合部件20，并且任何合适的组成材料可以用于afp机器40的丝束，以便组装诸如飞机机翼、机身、门、控制表面等的组件。

图2示出如图1的视图箭头2所示在示例性实施例中的在afp机器40的面41处的一组刀具130。在此实施例中，面41包括被置于接近剪切板42的多个双向刀具130。响应于由控制器170提供的电指令和/或电子指令，刀具130被致动器160驱动向上和向下。来自于控制器170的指令可以经由电子通信通路提供，从而提供引导空气压力至致动器160的应用以改变致动器160的位置(即向上或向下)的电气输入，或者通过发送电子信号以激活(或停用)驱动致动器160的电动机。随着丝束120向外伸出(即伸出到纸面之外)，这导致刀具130在具体编程的位置处切割丝束120，这确保丝束120由afp机器40施加时被切割至期望的长度。控制器170可以例如作为定制电路、作为执行编程指令的处理器或它们的一些组合实施。

各个刀具130的操作的进一步细节相对于图3-4被提供。图3-4是如图2的视图箭头3所示在示例性实施例中的用于afp机器40的切割纤维丝束120的刀具130的图示。在此实施例中，在afp机器40的操作期间(参见图1)，丝束120朝向刀具130从线轴110抽出。当刀具130被致动器160向下驱动时，丝束120由刀具130的刀片150切割，并且当刀具130被致动器160向上驱动时，丝束120由刀具130的刀片140切割(例如，在位置122处)。因此，刀片140被定向成在向上方向上切割，而刀片150被定向成在向下方向上切割。以这种方式，刀具130在作出每次切割之前不需要经由致动器160被重新设置到“开始”位置。无论何时致动器160在任一方向上驱动，均能够产生切割。如图3-4中所示，刀具130包括具有上边缘131和下边缘133的刀具体132。

致动器160在固定元件162处联接到刀具130。致动器160可以包括双止动空气活塞、线性致动器或能够向上和向下移动刀具130的任何合适驱动系统。例如，在一个实施例中致动器160包括通过空气逻辑管理的一个或多个活塞。图2的控制器170提供命令，以驱动致动器160。例如，控制器170的内部存储器(未示出)可以包括用于在复合部件的组装期间何时切割丝束120的指令，并且之后可以只要应该产生切割就引导致动器160从伸出位置移动到缩回位置(或反之亦然)。

图5-7是在示例性实施例中的刀具130的进一步视图。具体地，图5是刀具130的透视图500，图6是刀具130的前视图600，并且图7是刀具130的侧视图700。如图5-7中所示，刀具130包括刀具体132、刀片140和150、开口134和附接孔138。在此实施例中，刀片140和150与刀具体132是一体的，而在进一步的实施例中，刀片140和150可以被安装到刀具体132。当刀片140和150与刀具体132是一体的时，刀具130可以被制造作为单个件而不需要组装。

附接孔138是刀具130可以固定到致动器160的固定元件162(例如，通过滑动刀具130到固定元件162上)的位置。附接孔138的尺寸设定成经由致动器160的固定元件162将刀具130安装到afp机器40。

开口134由侧边缘135、顶边缘136和刀片140限定。此外，开口134的尺寸设定成允许实现纤维丝束通过所述刀具体的通路。在此实施例中，开口134由边缘135、边缘136和刀片140包围。然而，在进一步的实施例中，开口134可以延伸穿过这些边缘中的一个或多个，或者甚至穿过刀片140。当刀具130已经伸出时，图1-2的丝束120滑动穿过开口134(例如，如图3中所示)。当刀具130已经缩回时，丝束120在刀具134下方滑动(例如，如图4中所示)。在进一步的实施例中，在刀具130缩回的同时丝束120可以延伸穿过开口134，并且当刀具130伸出时丝束120可以在刀具130下方滑动。

图8-9是在示例性实施例中的在下行冲程910期间切割丝束120的刀具130的图示800-900。图8示出在下行冲程910启动之前，刀具130是在丝束120上方的缩回位置中。因此，在刀具130缩回的同时，刀具130的下边缘133的尺寸设定成使得丝束120能够继续不受阻碍。在图9中，刀具130被驱动向下，以使得刀片150与丝束120接触并用刀片150切割丝束120。在此实施例中，丝束120具有宽度w和厚度t。刀片150相对于下行冲程910形成角度，使得在切割期间，位置152是刀片150接触丝束120的左侧边缘的第一位置。以这种方式，下行冲程910的全部力首先集中在位置152上，而不是分布在刀片152的整体上。随着下行冲程910继续并产生切割，刀片150的产生切割的部分从位置152朝向右侧转移。在作出下行冲程910之后，丝束120可以继续被进给穿过刀具130，从而允许在刀具130的上行冲程期间切割丝束120的又一部分。

图10-11是在示例性实施例中的在上行冲程1110期间切割纤维丝束120的刀具130的图示1000-1100。图10示出在上行冲程1110启动之前，刀具130是在伸出位置，其中丝束120穿过开口134伸出。在图11中，刀具130被驱动向上，以使得刀片140与丝束120接触并用刀片140切割丝束120。刀片150相对于上行冲程1110形成角度，使得在切割期间，位置142是刀片140的接触丝束120的右侧边缘的第一部分。以这种方式，上行冲程1110的全部力首先集中在位置142上，而不是分布在刀片152的整体上。随着上行冲程1110继续并且作出切割，刀片140的作出切割的部分从位置142朝向左侧转移。在进一步的实施例中，刀具130的刀片中的任何刀片可以被定向成从右至左、从左至右等等切割丝束120。例如，随着开始切割丝束120，使刀片140和150被定向成在丝束120的左侧边缘和/或右侧边缘处开始与丝束120接触是可能的。进一步可能的是，使刀片150定向成在丝束120的右侧边缘处发起切割并使刀片140被定向成在丝束120的左侧边缘处发起切割，并且反之亦然。

如本文所用，所述方向“向上”和“向下”不用于具体地指重力的方向，而是用于指示在本质上基本上相反的方向(例如，在相反方向上指向的矢量)。

刀具130的操作的说明性细节将相对于图12讨论。对于此实施例，假设操作员已经用指令编程afp机器40，以层压复合部件。所述指令包括指导控制器170以沿丝束120在各种位置处作出切割，并且也包括用于经由机器臂(未示出)将丝束120的各部分层铺成复杂形状的指令。

图12是在示例性实施例中示出用于操作afp机器40的刀具130的方法1200的流程图。方法1200的步骤参照图1的afp机器40被描述，但是本领域的技术人员将理解到方法1200可以在其他系统中执行。本文所述的流程图的步骤并不是全包括的并且可以包括未示出的其他步骤。本文所述的步骤也可以以可替代的顺序执行。

在步骤1202中，控制器170指导致动器160以便使得刀具130向下伸出，从而用刀片150切割丝束120。致动器160向外伸出，从而如图8-9中所示推动刀片150到丝束120中并切割丝束120。此动作可以被非常快速地执行(例如，在几厘米的距离上是在纳秒范围内)。

在步骤1204中，在刀具130在伸出位置的同时，丝束120经由线轴110被进给穿过刀具130的开口134。因此，在一时间段之后，一段长度的丝束120准备好由刀具130切割，即使刀具130尚未改变位置。

在步骤1206中，控制器170指导致动器160向上缩回刀具130，以用刀片140切割丝束120。致动器140向后缩回，从而如图10-11中所示拉动刀片140至丝束120中并切割丝束120。如同在步骤1202中，此动作也可以非常快速地执行(例如，在几厘米的距离上是在纳秒范围内)。

在步骤1208中，在刀具130在缩回位置的同时，丝束120经由线轴110在刀具130下方进给。再次，在一时间段之后，丝束120准备好由刀具130切割，即使刀具130尚未从其在前面完成最后切割的地方移走。

方法1200提供优于现有方法的优点，因为其允许致动器通过突出或缩回刀具来切割丝束。因此，方法1200利用一半数量的物理运动来执行与现有系统相同数量的切割。此外，由于切割均匀地分布在刀具130处的刀片140和150之间，所以刀具130的使用寿命(就切割的数量而言)有效地翻倍。这进而节省新刀具的成本，并且减少花费在替换刀具上的afp机器100的停工时间。

刀具130可以用于切割任何合适的纤维材料，如树脂浸渍碳纤维、玻璃纤维等。刀具130可以由诸如钢、钛、陶瓷、合金等任何合适的材料制成。

图13是在示例性实施例中的afp机器1300的方框图。如图13中所示，afp机器1300包括刀具1330、线轴1310、丝束1320、控制器1370和致动器1360。控制器1370管理致动器1360的操作，以重新定位刀具1330，而线轴1310经操作朝向刀具1330向外伸出丝束1320。在此实施例中，刀具1330包括刀具体1332。刀具体1332包括上边缘1331和下边缘1333。第一刀片1350包括刀具体1332的下边缘1333。开口1334由第二刀片1340部分地限定，其中第二刀片1340用作开口1334的下边缘。附接孔1338的尺寸设定成用于附接到致动器1360。因此，当在操作中时，致动器1360的运动直接地导致刀具1330的运动。

更具体地参照附图，本公开的实施例可以在如图14中所示的飞机制造和使用方法1400和如图15中所示的飞机1402的背景下描述。在预生产期间，示例性方法1400可以包括飞机1402的规格和设计1404和材料采购1406。在生产期间，飞机1402的组件和子组件制造1408和系统集成1410发生。其后，飞机1402可以通过认证和交付1412，以便投入使用1414。当由客户在使用时，飞机1402经安排用于例程维护和维修1416(其也可以包括修改、重新配置、翻新等)。

方法1400的过程中的每个过程可以由系统集成商、第三方和/或操作员(例如，客户)执行或实行。为了此描述的目的，系统集成商可以包括但不限于任何数量的飞机制造商和主系统分包商；第三方可以包括但不限于任何数量的厂商、分包商和供应商；并且操作者可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务组织等。

如图15中所示，通过示例性方法1400生产的飞机1402可以包括具有多个系统1420的机身1418和内部1422。高级系统1420的示例包括推进系统1424、电气系统1426、液压系统1426和环境系统1430中的一个或多个。可以包括任何数量的其他系统。虽然示出了航天航空示例，但是本发明的原理可以应用于其他行业，如汽车行业。

本文所体现的设备和方法可以在生产和使用方法1400的各阶段中的任何一个或多个期间采用。例如，与生产阶段1408对应的组件或子组件可以以与当飞机1402是在使用中时生产的组件或子组件的方式制作或制造。另外，一个或多个设备实施例、方法实施例或它们的组合可以在生产阶段1406、1408和1410期间被使用，例如通过基本上加速飞机1402的机身1418的组装或降低飞机1402的机身1418的成本。类似地，当飞机1402在使用中，例如但不限于维护和维修1416时，可以使用设备实施例、方法实施例或它们的组合中的一个或多个。

在一个实施例中，复合部件基于上述操作并通过利用上述刀具在组件和子组件制造1108期间被产生以用于机身1218的机翼、机体和/或发动机罩。然后此复合部件可以在系统集成1110中被组装到飞机中，且然后在使用1114中被使用，直到磨损使得所述复合件不可用。然而，在维护和维修1116中，复合部件可以被丢弃、修补和/或用新制造的部件替换。afp机器(例如，afp机器40)可以在组件和子组件制造1108期间被使用，以便制造部件20。

附图中所示的或本文所述的各种电子元件中的任何电子元件可以作为硬件、软件、固件或这些的一些组合实施。例如，元件可以作为专用硬件实施。专用硬件元件可以指“处理器”、“控制器”或一些类似的术语。当由处理器提供时，所述功能可以由单个专用处理器、单个共享处理器或多个单独处理器提供，所述多个单独处理器中的一些可以被共享。此外，术语“处理器”或“控制器”的明确使用不应该理解为特定地指能够执行软件的硬件，并且可以暗示地包括但不限于数字信号处理器(dsp)硬件、网络处理器、专用集成电路(asic)或其他电路、现场可编程门阵列(fpga)、用于存储软件的只读存储器(rom)、随机存取存储器(ram)、非易失性存储器、逻辑或一些其他物理硬件组件或模块。

另外，元件可以被实施为由处理器或计算机可执行的指令，以执行所述元件的功能。指令的一些示例是软件、程序代码和固件。所述指令当由处理器执行时是操作性的，以指导处理器执行所述元件的功能。所述指令可以存储在由处理器可读取的存储装置上。所述存储装置的一些示例是数字的或固态的存储器、诸如磁盘和磁带等磁性存储介质、硬盘驱动器或光学可读取的数字数据存储介质。

因此，总之，根据本发明的第一方面提供了：

a1.一种设备，所述设备包括：

用于自动纤维铺放(afp)制造的双向刀具，所述双向刀具包括：

刀具体，所述刀具体包括上边缘和下边缘并具有放置在所述上边缘和所述下边缘之间的开口，所述开口的尺寸设定成允许纤维丝束穿过所述刀具体；

设置在所述刀具体的所述下边缘上的第一刀片，该第一刀片被定向成当所述刀具被驱动向下时所述第一刀片切割所述丝束；和

设置在所述刀具体中的所述开口的边缘上的第二刀片，该第二刀片被定向成当所述刀具被驱动向上时所述第二刀片切割所述丝束。

a2.还提供了段落a1所述的设备，其中：

所述刀具与驱动所述刀具向上和向下的致动器联接。

a3.还提供了段落a2所述的设备，其中：

所述致动器是空气活塞。

a4.还提供了段落a1所述的设备，其中：

所述第一刀片和所述第二刀片与所述刀具体是一体的。

a5.还提供了段落a1所述的设备，其中：

所述刀具体的所述下边缘的尺寸设定成在所述刀具被驱动向上之后允许所述丝束在所述刀具体下方通过。

a6.还提供了段落a1所述的设备，其中：

所述刀具体还限定被定位在所述开口上方的附接孔，

所述附接孔的尺寸设定成将所述刀具安装到afp机器。

a7.还提供了段落a1所述的设备，其中：

所述第一刀片和所述第二刀片相对于所述下行冲程的方向和所述上行冲程的方向是倾斜的。

a8.还提供了段落a1所述的设备，所述设备还包括：

所述丝束，其中所述丝束包括树脂浸渍碳纤维。

a9.还提供了段落a1所述的设备，其中：

所述第二刀片包括所述开口的下边缘。

a10.还提供了段落a1所述的设备，其中：

所述第一刀片形成一定角度，以便当所述刀具被驱动向下时，该第一刀片在切割所述丝束的第二侧之前切割所述丝束的第一侧，以及

所述第二刀片形成一定角度，以便当所述刀具被驱动向上时，该第二刀片在切割所述丝束的所述第一侧之前切割所述丝束的所述第二侧。

根据本发明的又一方面，提供了：

b1.一种设备，所述设备包括：

机器臂，所述机器臂经配置将所述afp机器定位成邻近复合部件；和

自动纤维铺放(afp)机器，所述afp机器包括：

多个纤维丝束；

包括每个均与致动器联接的多个双向刀具的面，每个刀具包括：

刀具体，所述刀具体包括上边缘和下边缘并具有放置在所述上边缘和所述下边缘之间的开口，所述开口的尺寸设定成允许所述丝束中的一个穿过所述刀具体；

设置在所述刀具体的所述下边缘上的第一刀片，所述第一刀片被定向成当所述刀具被驱动向下时该第一刀片切割所述丝束；和

设置在所述刀具体中的所述开口的边缘上的第二刀片，所述第二刀片被定向成当所述刀具被驱动向上时该第二刀片切割所述丝束；和

控制器，所述控制器经配置指导所述致动器的操作，以驱动所述刀具向上和向下。

b2.还提供了段落b1所述的设备，其中：

所述致动器包括空气活塞。

b3.还提供了段落b1所述的设备，其中：

所述第一刀片和第二刀片与所述刀具体是一体的。

b4.还提供了段落b1所述的设备，其中：

所述刀具体的所述下边缘的尺寸设定成在所述刀具被驱动向上之后允许所述丝束在所述刀具体下方通过。

b5.还提供了段落b1所述的设备，其中：

所述刀具体还限定定位在所述开口上方的附接孔，

所述附接孔的尺寸设定成将所述刀具安装到afp机器。

b6.还提供了段落b1所述的设备，其中：

所述第一刀片和所述第二刀片相对于所述下行冲程的方向和所述上行冲程的方向是倾斜的。

b7.还提供了段落b1所述的设备，所述设备还包括：

所述丝束，其中所述丝束包括树脂浸渍碳纤维。

b8.还提供了段落b1所述的设备，其中：

所述第二刀片包括所述开口的下边缘。

b9.还提供了段落b1所述的设备，其中：

所述第一刀片形成一定角度，以便当所述刀具被驱动向下时，该第一刀片在切割所述丝束的第二侧之前切割所述丝束的第一侧，以及

所述第二刀片形成一定角度，以便当所述刀具被驱动向上时，该第二刀片在切割所述丝束的所述第一侧之前切割所述丝束的所述第二侧。

根据本发明的又一方面，提供了：

c1.一种用于自动纤维铺放(afp)机器的切割的方法，所述方法包括：

驱动所述afp机器的刀具向下，以用所述刀具的第一刀片切割在所述afp机器处的纤维丝束；以及

驱动所述afp机器的所述刀具向上，以用所述刀具的第二刀片切割在所述afp机器处的所述丝束。

c2.还提供了段落c1所述的方法，所述方法还包括：

随着所述刀具被驱动，连续地进给所述丝束。

c3.还提供了段落c1所述的方法，所述方法还包括：

在所述刀具被驱动向下之后，穿过所述刀具中的开口进给所述丝束。

c4.还提供了段落c1所述的方法，所述方法还包括：

在所述刀具被驱动向上之后，在所述刀具下方进给所述丝束。

c5.还提供了段落c1所述的方法，所述方法还包括：

在所述刀具已经被驱动向下之后，穿过所述刀具进给所述丝束；以及

通过驱动所述刀具向上，切割穿过所述刀具进给的所述丝束。

虽然本文描述了具体实施例，但是本公开的范围不限于那些具体实施例。本公开的范围由所附权利要求和它们的任何等同物限定。