[发明专利]铺设筒形复合结构的方法和器械

说明书

本申请是申请日为2011年09月16日、发明名称为“铺设筒形复合结构的方法和器械”的中国专利申请201110282077.9的分案申请。

技术领域

本发明一般涉及复合零件的制造，更具体地涉及铺设筒形复合结构的方法和器械，例如飞行器的机身部分。

背景技术

诸如机身筒形部分的回转体复合结构可以铺设在心轴的外部工具表面上，其代表了完成结构的内模线(IML)。当心轴旋转时，自动纤维铺放(AFP)机床可以用于将纤维带或纤维束形式的复合材料铺在工具表面。这些心轴是自支持的，且必须在同时有AFP机床和开始/停止制动减速施加的力下起作用，因此，心轴是相对笨重的、复杂的和制造昂贵的。而且，需要外部加工来形成结构的外模线(OML)上的所需表面。例如，在飞行器机身部分的情形中，可能需要外部加工来产生在结构的OML(外模线)上的空气动力学表面。此外，可能需要大量的机座和大型马达和制动器来支撑和旋转心轴的相对大的旋转质量，和需要大型起重机来移动在工厂地面上的心轴。除了以上讨论的缺点以外，由于可以旋转具有大的动态质量的心轴的速度限制，铺层速度和生产率是受限的。

已经设计了其他生产设备用于将复合材料铺设在对应于复合结构OML的心轴的内部筒形工具表面上。该设备使用安装在悬臂支撑的门架上的AFP头，以便当旋转心轴时将复合材料施加于内部工具表面(内模线)。因此，该设备还依赖于相对重的心轴的旋转，为的是在工具表面周向内施加复合材料，因此呈现出在复合材料被施加于旋转心轴的外部工具表面的生产技术的许多缺点。

因此，需要一种形成可以不依赖于相对重的心轴旋转的筒形复合结构的方法和器械。还需要一种降低加工花费同时增加复合材料的沉积率和提高生产效率的方法和器械。

发明内容

所公开的实施例提供了通过利用AFP(自动纤维铺放)头将复合材料施加于静止OML模具工具而铺设筒形复合结构的方法和器械。在OML模具工具上形成复合铺层可以降低额外加工以修改完成结构的OML表面的需求。OML模具的静止安装消除了对旋转工具所需的机构的需求。使用连续旋转操纵器在工具表面之上移动AFP头允许复合材料的连续铺层，因而增加了铺层速度和生产效率。通过使用PKM(并联运动机床)类型的操纵器进一步提高生产效率，PKM提供了AFP头在工具表面之上的高速动态运动。使用静止OML模具工具更适用于反作用于由PKM操纵器产生的大重力。当铺层速度增加时，由PKM操纵器产生的大重力可以用于提供对于复合材料的额外附着压力。OML模具工具的静止安装可以降低工具的质量，因为OML模具不需要是自支持的，或者不需要反作用于旋转期间由工具的紧急停止减速所产生的惯性载荷。

根据一个公开的实施例，提供了制造回转体复合结构的方法。该方法包含：提供具有内部工具表面的OML模具，复合铺层可以在内部工具表面上形成；和移动操纵器穿过模具的内部。该方法进一步包含使用操纵器上的末端执行器从而将复合材料施加到工具表面，包括在工具表面之上周向地移动末端执行器。该方法进一步包含保持OML模具静止同时形成铺层。移动操纵器穿过模具包括沿着OML模具的纵轴线基本线性地移位操纵器。基本线性地移动操纵器是通过将操纵器安装在支架上和利用支架来引导操纵器的线性移动来实现的。

根据另一个实施例，提供了制造筒形复合结构的方法。该方法包含：提供具有定义了结构外模线的内表面的筒形模具；和保持模具基本静止。该方法进一步包括在模具的内表面上形成复合铺层，同时保持模具基本静止。形成铺层包括利用自动化的涂敷器头将复合材料施加到模具的内表面，和利用操纵器来移动涂敷器头穿过模具的内部以及将复合材料施加到内表面。

根据进一步的实施例，提供了制造飞行器的筒形机身部分的方法。该方法包含：提供具有筒形内模具表面的模具，复合铺层在筒形内模具表面上形成；和基本线性地移动操纵器穿过模具的内部。该方法进一步包含利用操纵器上的涂敷器头将复合材料施加于模具表面，包括在模具表面之上周向地移动涂敷器头同时模具保持静止。

根据另一个实施例，提供了将复合材料铺设在心轴上的方法。该方法包含：提供OML模具，定位铺层头以用于沿着OML模具内的轴线轴向地移动和关于OML模具内的轴线旋转，以及将复合材料铺设在OML心轴上。该方法进一步包含将铺层头末端执行器与肘节连接在一起，和将肘节与至少一个臂连接在一起。该方法进一步包含环绕轴线连接至少一个臂，以便于臂可以关于该轴线旋转地和/或轴向地移动，以及或改变其关于该轴线的取向。