用于将复合板层成形到成型工具表面上的方法和设备与流程

本公开总体上涉及复合结构的制造，并且更具体地涉及将复合板层成形到具有复杂轮廓的工具表面上。

背景技术：

具有高度成型表面的复合叠层结构在制造期间可能存在挑战，特别是在高生产率环境中。在结构的铺设期间，复合板层必须单独铺设并向下扫过具有复杂轮廓的工具表面而没有起褶或起皱。已开发出自动取放设备以部分地自动化铺设过程，但是具有有限的成形能力。还已开发出更先进的自动铺设/成形设备，其采用复杂致动器和控制系统。然而，该设备还具有有限的成形能力，并且可能无法使板层与需要显著板层剪切的复杂工具表面相符。

因此，期望提供一种用于将板层传送和成形到具有复杂轮廓的工具表面上的成本有效的、高效的设备和方法。

技术实现要素：

本公开总体上涉及复合叠层结构的制造，并且更具体地涉及用于将复合板层传送和成形到具有复杂轮廓的工具表面上的自动化设备和方法。设备包括全自动末端执行器，其配置为安装在机器人或其它类型的操纵器上。末端执行器能够提升复合材料(例如预浸料)板层，将复合板层传送至成形工具(例如芯轴)，将复合板层定位和夹紧在工具上，并且然后将复合板层向下成形到工具上的复杂表面轮廓上。末端执行器使用真空吸杯和伯努利杯、结合柔性成形膜夹持并提升复合板层。末端执行器上的致动器根据需要拉伸并拉动成形膜，以将复合板层向下成形在工具表面上和上方。在成形过程中，成形膜和复合板层在伯努利杯下方滑动，以防止复合板层的打皱或起皱。可以使用增强件局部地定制成形膜的硬度，以提供最佳成形特性。

所公开的实施例的优点之一是拾取、运输、放置和成形板层的过程是完全自动化的。另一个优点是末端执行器的结构相对简单并且是成本有效的。另一个优点是复合材料(例如预浸料)板层可以在包括封闭轮廓的复杂工具表面上成形。

根据一个方面，提供了一种用于将复合板层传送和成形到成型工具表面上的末端执行器。末端执行器包括配置成夹持复合板层的至少一个真空夹持器。提供至少一个伯努利夹持器，其配置为还能够夹持复合板层，同时在复合板层成形时允许复合板层相对于伯努利夹持器滑动。末端执行器进一步包括配置为放置在复合板层上的成形膜、以及用于将成形膜和复合板层向下接合并成形在成型工具表面上的成形装置。

根据另一个方面，提供了一种用于将复合板层放置和成形到成型工具表面上的设备。设备包括操纵器和安装在操纵器上并可由操纵器传送的框架。设备还包括由框架支撑的柔性成形膜，该柔性成形膜配置为放置在成型工具表面上。至少一个真空吸杯安装在柔性成形构件上并配置为接合并夹持复合板层，从而固定复合板层在框架上的位置。框架上的夹紧装置配置为将柔性成形膜和复合板层的一部分夹紧在成型工具表面上。多个伯努利杯安装在柔性成形膜上，并且配置为夹持复合板层，同时在板层成形到成型工具表面上时允许板层在伯努利杯下方滑动。设备还包括安装在框架上的多个成形装置，这些成形装置配置为将柔性成形膜和复合板层向下成形到成型工具表面上。

根据再一个方面，提供了一种用于将复合板层传送和成形到成型工具表面上的方法。方法包括使用末端执行器上的多个夹持杯夹持复合板层，该末端执行器配置为安装在操纵器上。方法包括使用末端执行器将复合板层传送到成型工具表面，并且使用末端执行器将复合板层放置在成型工具表面上。方法进一步包括使用末端执行器将成形膜放置在成型工具表面上的复合板层上。方法还包括将成形膜和复合板层的一部分夹紧在成型工具表面上，并且然后将复合板层向下成形到成型工具表面上，同时复合板层的一部分保持夹紧在成型工具表面上。在复合板层的成形期间，允许复合板层相对于至少某些夹持杯滑动。

特征、功能和优点可以在本公开的各种实施例中独立地实现，或者可以在另外其它实施例中组合，参考以下描述和附图可以看到其中进一步的细节。

附图说明

被认为是示例性实施例的特性的新颖特征在所附权利要求中阐述。然而，当结合附图阅读时，通过参考本公开的示例性实施例的以下详细描述，将最好地理解示例性实施例以及优选的使用模式、其进一步目标和优点，其中：

图1是用于将复合板层传送和成形到成型工具表面上的设备的透视图的图示，示出了将复合板层放置在工具上的末端执行器。

图2是图1中所示的末端执行器的图示。

图3是设备的框图的图示。

图4是夹持复合板层的伯努利杯的横截面图的图示，为了清楚起见未示出成形膜。

图5是安装在成形膜上并夹持复合板层的真空吸杯的横截面图的图示。

图6是安装在成形膜上并夹持复合板层的伯努利杯的横截面图的图示。

图7是包含增强棒的成形膜的一个实施例的平面图的图示。

图8是包含中心定位的柔性板条的成形膜的另一个实施例的平面图的图示。

图9是包含柔性边缘板条的成形膜的另一个实施例的平面图的图示。

图10是定位成将复合板层放置在工具上的末端执行器的图解端视图的图示。

图11是类似于图10的图示，但示出了成形膜和复合板层被夹紧在工具的表面上。

图12是类似于图11的图示，但示出了将复合板层向下成形到工具表面上。

图13是类似于图12的图示，其中，在复合板层周围已安装有可选的压力反应箱，以准备将复合板层压实在工具上。

图14是将复合板层放置和成形到工具上的方法的流程图的图示。

图15是将复合板层放置和成形到工具上的替代方法的流程图的图示。

图16是飞行器生产和维修方法的流程图的图示。

图17是飞行器的框图的图示。

具体实施方式

图1-图3示出了一种用于将诸如预浸料片材的扁平复合板层24传送和成形到工具28或类似芯轴的成型工具表面30上的设备36。在图示的实例中，工具28安装在旋转支架29上，旋转支架29包括用于通过电机40旋转的支撑件38，然而具有复杂表面轮廓的其它形式的工具以及其它形式的工具安装布置也是可能的。设备36主要包括操纵器20，例如但不限于关节型机器人22、末端执行器32和可编程控制器102(图3)，例如plc(可编程逻辑控制器)或pc(个人计算机)，其自动地控制关节型机器人22和末端执行器32的操作。虽然图示了传送和成形单个复合板层24，但是可以采用末端执行器32来将一组或一叠板层传送并成形为期望轮廓。

末端执行器32包括安装在关节型机器人22的臂34的腕部35上的可调节框架42。框架42包括支柱，在支柱上安装有一对横向间隔地横向构件46。可以提供电动、气动或液压电机48、50和相关联的驱动器(未示出)以调节腕部35上的支柱44的线性位置以及横向构件46的横向位置，以适应复合板层24的尺寸和形状。然而，取决于应用，各种其它框架配置是可能的。此外，在其它实施例中，下面描述的末端执行器32的功能元件可以在不使用框架的情况下布置和安装在末端执行器32上。末端执行器32进一步包括安装在框架42上的柔性成形膜60，其具有期望的硬度和在成形期间拉伸的能力。成形膜60有助于传送和放置复合板层24，并将其向下成形在成型工具表面30上。成形膜60可以包含例如但不限于可局部透气的可拉伸机织或针织织物或弹性体材料。成形膜60的硬度可以在其区域上局部定制，以最佳地适合特定的工具表面几何形状，以优化复合板层成形。

末端执行器32进一步包括一个或多个真空夹持器52和多个间隔的伯努利夹持器54，其附接至成形膜60。当复合材料24被拾取、传送和放置在工具28上时，真空夹持器52和伯努利夹持器54用于夹持并保持复合板层24抵靠成形膜60。真空夹持器52固定并保持复合板层24在末端执行器32上的位置，并且可以包括传统的真空吸杯，该真空吸杯与合适的真空源84(图3)耦合，该真空源使用真空力将复合板层24拉向成形膜60。

真空夹持器52基本上沿成形膜60的中心线定位，而伯努利夹持器54沿其相对边缘定位。伯努利夹持器54可以包含传统的伯努利杯，其与合适的压力源82(图3)耦合并且使用众所周知的伯努利效应产生提升力f(图4)，该提升力将复合板层24提升并保持在成形膜60下方。如下面将更详细地讨论的，伯努利夹持器54不与复合板层24物理接触，因为在伯努利夹持器54下方逸出的加压空气流在复合板层24与伯努利夹持器54之间产生空气间隙，这允许复合板层24在复合板层成形过程中在伯努利夹持器54下方横向地滑动或移位。在一些实施例中，可以采用真空夹持器代替伯努利夹持器54来保持和成形板层24。

操纵器20进一步包括承载在框架42上的至少一个夹紧装置57和一个或多个成形装置55。夹紧装置57(参见图3和图10)可以包括机械致动器或设置有夹紧构件59的类似机构。夹紧装置57在工具表面30的索引位置处将成形膜60和复合板层24的一部分夹紧在工具28上，并将其保持在该位置以准备进行成形操作。在图示的实例中，夹紧装置57沿其中心线接合并夹紧成形膜60，然而，取决于应用，成形膜60可以在其它位置处夹紧到工具28。如图1和图2所示，夹紧装置57可以附接至真空夹持器52，在这种情况下，真空夹持器52用于将成形膜60夹紧在工具28上。

成形装置55分别安装在横向构件46上，在成形膜60的两个相对边缘上方对齐。每个成形装置55可以包括例如但不限于电动、气动或液压操作的线性致动器，其具有可伸展臂58，该可伸展臂在其外端处设置有成形构件80。成形构件80具有允许其在成形操作期间在成形膜60的一部分表面上平滑地滑移或滚动的几何形状。成形构件80可以由低摩擦材料成形或者可以包括辊。在一些实施例中，成形构件80可以附接至成形膜60，以便将成形膜60和板层24成形到工具表面30上。如图3和图12所示，可选地，压力反应箱90可以安装在框架42上，其用于在已发现复合板层24向下成形到工具28上之后压实该复合板层。

图4图示了伯努利夹持器54的一种合适形式。在该实施例中，每个伯努利夹持器54包括伯努利杯体62，其具有与压力源82耦合的中心空气入口68。内部锥形件72在杯体62的底部处形成环形喷嘴74。进入入口68的空气通过环形喷嘴74离开杯体62，并在脂肪中流动76，使空气流横向向外通过杯体62的底部与复合板层24之间的间隙g。横向空气流76导致产生提升力f，提升力f向上拉动复合板层24并将其以悬置的方式保持在杯体62正下方。在下面更详细描述的复合板层成形过程期间，复合板层24由于间隙g而在伯努利夹持器54下方横向地滑动，但是继续由伯努利夹持器54夹持，即使在位于成型工具表面30的形状上的同时复合板层24弯曲24a时。当到达伯努利夹持器54的加压空气流终止时，移除提升力f，释放复合板层24。

参照图5，真空夹持器52可以使用任何合适的技术(例如通过粘合剂)安装在成形膜60的表面上。替代地，真空夹持器52可以与膜60成一体，例如通过插入物模塑或类似的制造技术。

如图6所示，每个伯努利夹持器54可以通过与那些用于安装真空夹持器52的技术类似的技术安装在成形膜60上。伯努利夹持器54凹入到成形膜60内，使得它们的底部表面大致与成形膜60的底部表面齐平。如前所述，在复合板层24和伯努利夹持器54的底部之间存在间隙g，这允许复合板层24在复合板层成形过程期间在伯努利夹持器54下方滑动98。在一些实施例中，可能需要或期望也使真空夹持器52凹入到成形膜60内。

成形膜60可以包括局部增强件，从而导致局部定制的硬度，其允许成形膜60更好地符合工具表面30的特定区域。例如，如图7所示，棒92可以结合到成形膜60中，在该实例中，这些棒定位于成形膜60的纵向中心线的相对侧上。类似地，成形膜60的某些区域，例如如图8所示沿着其中心线，或者如图9所示沿着外边缘，可以设置有柔性板条(spline)94，其降低了这些区域中的成形膜60的硬度。

现在将注意力转向图10、图11和图12，其示意性地图示了使用先前描述的末端执行器32将复合板层24放置、成形和压实到成型工具表面30上的顺序。在这些图中，为了清楚地说明，放大了机械致动器56从工具28的中心线100的外侧位置。在图10中，先前已通过末端执行器32将复合板层24拾取并移动到工具28正上方的位置，用工具中心线100进行索引。接下来，如图11所示，末端执行器32将复合板层24降低到工具28上，并且致动夹紧装置57，致使夹紧构件59将成形膜60和复合板层24夹紧在工具28上。此时，复合板层24的中部在工具表面30上的索引位置处保持静止，而复合板层24的其余区域由伯努利夹持器54保持但不与之接触。

参照图12，在复合板层24的中部被夹紧在工具表面30上的情况下，使机械致动器56通电，使成形臂58伸展并使成形构件80移动成与成形膜60和复合板层24接合并向下扫过工具表面30上和上方。取决于由复合板层成形过程产生的压实量，复合板层24的进一步压实可能是需要的或期望的。因此，可选地，如图13所示，压力反应箱90可以安装在成形膜60和复合板层24周围。压力反应箱90的内部88可以被加压，例如使用压力源82(图3)，使得将附加的压实力施加至复合板层24。在一些实施例中，压力反应箱90可以安装在末端执行器32上并由末端执行器32承载。在复合板层24的成形/压实之后，使成形臂58缩回，从真空夹持器52移除真空并从伯努利夹持器54移除压力，允许通过末端执行器32提升成形膜60离开复合板层24。

尽管未在图中示出，但是可以采用背衬膜提取器以在将附加板层24铺设在工具28上之前从复合板层24移除背衬膜。重复上述顺序，以便根据适合于待制造的结构的板层目录来铺设附加板层24。可以根据需要对工具28进行索引，以便相对于末端执行器重新定向工具28。例如，参照图1，在随后铺设附加板层24时，工具28可以稍微旋转到不同的索引位置。

现在将注意力转向图14，其主要示出了将复合板层24传送和成形到成型工具表面30上的方法的步骤。从93开始，使用末端执行器32上的多个夹持杯52、54夹持复合板层24。在95处，使用末端执行器32将复合板层24传送到成型工具表面30。在97处，使用末端执行器32将复合板层24放置在成型工具表面30上。在99处，使用末端执行器32将成形膜60放置在工具表面30上的复合板层24上。在101处，将成形膜60和复合板层24的一部分夹紧在成型工具表面30上。然后，在103处，将复合板层24向下成形到成型工具表面30上，同时复合板层24的一部分保持夹紧在工具表面30上。在成形期间，允许复合板层24相对于夹持杯54滑动。

图15主要图示了将复合板层24传送和成形到复杂工具表面30上的替代方法的步骤。从104开始，将工具28安装在旋转支架29或类似的支撑件上。在106处，使用末端执行器32将复合板层24定位在工作台26上或另一位置处。在108处，使用末端执行器32使用真空和伯努利夹持器52、54的组合来提升和转移复合板层24。在110处，使用末端执行器32将复合板层24索引并放置在工具28上。在112处，致动夹紧装置57，其将成形膜60和复合板层24夹紧在工具28上。在114处，致动成形装置55，使得成形构件80将成形膜60和复合板层24向下成形到工具表面30上和上方。当正在成形板层24时，允许成形膜60和复合板层24在伯努利夹持器54下方滑动。可选地，在116处，将压力反应箱90放置在成形的复合板层24周围，并且在压力反应箱90内施加压力，该压力反应箱将复合板层24压实在工具28上。在118处，使成形构件80返回到它们的起始位置，从夹持器52、54移除真空和压力，并且从工具28松开成形膜60。在120处，末端执行器32提升成形膜60离开工具28。在122处，使用背衬膜提取器或类似装置从复合板层24移除背衬膜。在124处，重新索引工具28以准备成形另一复合板层24。在126处，重复铺设和成形板层24的步骤。

进一步，本公开包括如以下列举的段落中描述的实例：

a1.一种用于将复合板层(24)传送和成形到成型工具表面(30)上的末端执行器(32)，包括：至少一个真空夹持器(52)，配置为夹持复合板层(24)；至少一个伯努利夹持器(54)，配置为夹持复合板层(24)，同时允许复合板层(24)相对于伯努利夹持器(54)滑动；成形膜(60)，其配置为放置在复合板层(24)上；以及成形装置(55)，可与成形膜(60)接合，用于将成形膜(60)和复合板层(24)向下成形到成型工具表面(30)上。

a2.根据a1的末端执行器(32)，其中，真空夹持器(52)和伯努利夹持器(54)各自附接至成形膜(60)。

a3.根据a1或a2的末端执行器(32)，其中，成形膜(60)是柔性的且可渗透的，并且允许空气从中穿过，并且真空夹持器(52)和伯努利夹持器(54)附接至成形膜(60)，使得空气可以在真空夹持器(52)和伯努利夹持器(54)与柔性成形构件(60)之间通过。

a4.根据a1、a2或a3的末端执行器(32)，其中，真空夹持器(52)和伯努利夹持器(54)各自凹入到成形膜(60)内，使得它们与板层(24)的表面齐平。

a5.根据a1至a4中任一项的末端执行器(32)，其中：真空夹持器(52)是配置为与真空源(84)耦合的吸杯，并且伯努利夹持器(54)是配置为与空气压力源(82)耦合的伯努利杯。

a6.根据a1至a5中任一项的末端执行器(32)，进一步包括：至少一个夹紧装置(57)，其配置为将成形膜(60)和复合板层(24)的一部分夹紧在成型工具表面(30)上，并且由此在成形期间保持复合板层(24)在成型工具表面(30)上的位置。

a7.根据a1至a6中任一项的末端执行器(32)，其中，成形装置(55)包括：具有可伸展臂(58)的机械致动器(56)；以及可伸展臂(58)上成形构件(80)，配置为向下接触并扫过成型工具表面(30)上或上方的成形膜(60)和复合板层(24)。

a8.根据a1至a7中任一项的末端执行器(32)，进一步包括：彼此间隔开并附接至成形膜(60)的多个伯努利夹持器(54)，每个伯努利夹持器(54)被配置为与压力源(82)耦合；以及彼此间隔开的多个成形装置(55)，每个成形装置(55)包括具有成形构件(80)的可伸展臂(58)，该成形构件配置为在接合并扫过成型工具表面(30)上的成形膜(60)。

b1.一种用于将复合板层(24)放置和成形到成型工具表面(30)上的设备，包括：操纵器(20)；框架(42)，安装在操纵器(20)上并可由操纵器(20)传送；柔性成形膜(60)，由框架(42)支撑并配置为放置在成型工具表面(30)上；至少一个真空吸杯(52)，安装在柔性成形膜(60)上并配置为接合并夹持复合板层(24)；夹紧装置(57)，由框架(42)支撑并配置为将柔性成形膜(60)和复合板层(24)的一部分夹紧在成型工具表面(30)上；多个伯努利杯(54)，安装在柔性成形膜(60)上并配置为夹持复合板层(24)，同时允许复合板层(24)在复合板层(24)成形到成型工具表面(30)上期间在伯努利杯下方滑动；以及多个成形装置(55)，安装在框架(42)上并配置为将柔性成形膜(60)和复合板层(24)向下成形到成型工具表面(30)上。

b2.根据b1的设备，其中，柔性成形膜(60)是可渗透的并允许空气通过其中，并且真空吸杯(52)附接至柔性成形膜(60)。

b3.根据b1或b2的设备，其中，伯努利杯(54)凹入到柔性成形膜(60)内。

b4.根据b1、b2或b3的设备，其中：每个成形装置(55)包括具有可伸展臂(58)的致动器(56)、以及可伸展成与一部分柔性成形膜(60)接合的成形构件(80)。

b5.根据b1至b4中任一项的设备，其中，柔性成形膜(60)包括为柔性成形膜(60)提供局部定制硬度的结构(92，94)。

b6.根据b1至b5中任一项的设备，其中，结构(92、94)包括以下中的至少一个：结合到柔性成形膜(60)中的棒(92)、以及结合到柔性成形膜中的板条(94)。

b7.根据b1至b6中任一项的设备，进一步包括：配置为围绕柔性成形膜(60)和成型工具表面(30)的压力反应箱(90)，压力反应箱(90)与真空源(84)耦合，用于将复合板层(24)压实在成型工具表面(30)上。

b8.根据b7的设备，其中，压力反应箱(90)安装在框架(42)上。

c1.一种将复合板层(24)传送和成形到成型工具表面(30)上的方法，包括：使用末端执行器(32)上的多个夹持杯(52、54)夹持复合板层(24)，该末端执行器配置为与操纵器(20)耦合；使用末端执行器(32)将复合板层(24)传送到成型工具表面(30)；使用末端执行器(32)将复合板层(24)放置在成型工具表面(30)上；使用末端执行器(32)将成形膜(60)放置在成型工具表面(30)上的复合板层(24)上；将成形膜(60)和复合板层(24)的一部分夹紧在成型工具表面(30)上；以及将复合板层(24)向下成形到成型工具表面(30)上，同时复合板层(24)的一部分保持夹紧在成型工具表面(30)上，包括当复合板层(24)向下成形在成型工具表面(30)上时允许复合板层(24)相对于夹持杯(52、54)中的至少某些夹持杯(54)滑动。

c2.根据c1的方法，其中，使用承载在末端执行器(32)上的多个成形装置(55)来执行成形复合板层(24)。

c3.根据c1或c2的方法，其中，使用承载在末端执行器(32)上的多个伯努利杯(54)来执行夹持复合板层(24)。

c4.根据c1、c2或c3的方法，进一步包含将成形膜(60)安装在末端执行器(32)上。

本公开的实施例可以用于各种可能的应用，特别是在运输工业中，包括例如航空航天、海运、汽车应用和其它应用，其中可以使用加压流体管，例如飞行器中的燃料系统和液压系统。因此，现在参照图16和图17，本公开的实施例可以用于如图16所示的飞行器制造和维修方法128以及如图17所示的飞行器130的背景中。所公开实施例的飞行器应用可以包括例如但不限于具有复杂特征和表面的复合结构。在生产前期间，示例性方法128可以包括飞行器130的规格和设计132以及材料采购134。在生产期间，发生飞行器130的部件和子组件制造136和系统集成138。此后，飞行器130可以通过认证和交付140以便投入使用142。在由客户使用期间，飞行器130被安排进行例行维护和维修144，其还可以包括修改、重新配置、翻新等。

方法128的每个过程可以由系统集成商、第三方和/或运营商(例如，客户)执行或实行。出于本说明书的目的，系统集成商可以包括但不限于任何数量的飞行器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销售商、分包商和供应商；并且运营商可以是航空公司、租赁公司、军事实体、服务机构等。

如图17所示，通过示例性方法128生产的飞行器130可以包括具有多个系统148和内部150的机身146。高级系统148的实例包括推进系统152、电力系统154、液压系统156和环境系统158中的一个或多个。可以包括任何数量的其它系统。尽管示出了航空航天实例，但是本公开的原理可以应用于其它行业，例如海运和汽车工业。

可以在制造和维修方法128的任何一个或多个阶段期间采用本文所体现的系统和方法。例如，对应于生产过程136的部件或子组件可以以与飞行器130在投入使用时生产的部件或子组件类似的方式构造或制造。而且，可以在生产阶段136和138期间利用一个或多个设备实施例、方法实施例或其组合，例如，通过极大加速飞行器130的组装或降低飞行器130的成本。类似地，当飞行器130在投入使用时，例如但不限于维护和维修144，可以利用一个或多个设备实施例、方法实施例或其组合。

如本文所使用的，短语“至少一个”在与项目列表一起使用时意味着可以使用一个或多个所列项目的不同组合，并且可能仅需要列表中的每个项目中的一个。例如，“项目a、项目b和项目c中的至少一个”可以包括但不限于项目a、项目a和项目b、或项目b。该实例还可以包括项目a、项目b和项目c、或项目b和项目c。项目可以是特定对象、事物或类别。换句话说，可以从列表中使用任何组合项目和项目数量中的至少一个，但不需要列表中的所有项目。

已出于示例和描述的目的呈现了对不同示例性实施例的描述，并且并非旨在穷举或限制于所公开形式的实施例。许多修改和变型对于本领域普通技术人员来说是显而易见的。进一步，与其它示例性实施例相比，不同示例性实施例可以提供不同的优点。选择和描述所选择的一个或多个实施例以便最好地解释实施例的原理、实际应用，并且使本领域普通技术人员能够理解本公开的各种实施例，其具有适合于所预期的特定使用的各种修改。