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一种具有多台机器并可快速为大型构件铺丝的铺丝设备
摘要
一种自动铺丝设备已经被部署用来生产飞机的大型基础部件，这种机器由两个自动铺丝机构组成，每一个机构包括输送机构和剪切机构，可以水平放置，铺丝速率达到45.7m/min。
这个机器的控制架构是这样的，部分控制程序是机器独立运行且可以同时在两个机器同时运行，中央控制器将部分程序传输给每个AFP机器并协调机器运行。
这两台机器的体积精度低于0.008英寸(0.2mm)的径向误差，在整个补偿系统中，每台机器大约有64 #39; x 21 #39; x 14 #39; (19.5m x 640 m x 430 m)的体积。这是通过利用线性数值求解器优化体积运动学补偿参数来实现的。这些机器参考了一个共同的坐标系统，这让程序具有很大的灵活性。
一种头部可拆卸结构被应用在每个机构上并使这些机构可以在1/4托和1/2托之间变换宽度，并且这些变化可以在120秒内完成。铺丝头中包含了很短的两条路径和轴架，并将AFP的部分机构转移到可拆卸的部分上，这使得铺丝头的维护、修复和升级和轴架的重新装填可以在不中断生产的情况下完成。
介绍
如图1所示，一个围绕控制体系结构的单元，它允许两台机器同时运行或单独使用可以在两台机器上运行的通用程序，除此之外一台机器的故障不会导致另一台机器不能正常运行，所以两台机器之间是相互独立的，而且因为可拆卸、模块化铺丝头结构的应用，允许可以离开工作环境对铺丝头进行清理和维护，并且允许机构快速切换宽度。
现有的技术——一些传统的AFP机器技术的知识有助于理解这台机器的不同寻常的特点。一般来说大型的AFP机构都有一个轴架空间，它可以在一个空调环境中存储多个线轴，并在20 #39; -30 #39; (6.1m- 91m)的两条路径上通过一系列的空转来将它们输送到头部，这种设计需要注意的地方是，拖长的距离增加了预浸束被扭曲的可能性，使穿线束变得困难和费时。改变拖带宽度是一个相关的过程，大多数的AFP路径维护需要在机器上停机，复杂的牵引路径也可能排除在所有两个方向上的真正双向铺放，因为当末端执行器旋转时，拖曳路径必须被扭曲。
相比之下，电信号控制的AFP机器使用的是一个独立的AFP头，将所有的AFP元件——包括“轴架空间”——放在可拆卸的头部。头部可以通过换刀器更换，可以在120秒内更换到一个新的头部或者一个不同尺寸的头部。
一些多机器系统通常有一台控制转子和机器的单一数控机床。如果在这样一个单元中使用两台机器且可以快速将工作转移到另一台机器上，那将是令人非常满意的。但是使用单一的CNC机器系统，需要程序员的干预或额外的程序来切换运行的机器的数量。
主要装置
这台机器被分为三个主要单元：
（1）机体单元；
（2）准确性和补偿单元；
（3）控制单元；
机体单元
该单元由两台机器、一个旋转器、一个维护区域和一个控制站组成，该单元专门设计用于机身前部部分宽体复合机身(包括座舱区域，图2)的叠层。此外,该单元上还安装了3个frac12;铺丝头,两个frac14;铺丝头,和一个探测头。这些铺丝头是用机器人更换的。维修区由4个头部转向架和头部转运车元由两台机器、一个旋转器、一个维护区域和一个控制站组成。
主要机构
两个移动的柱式铺丝头布置在机构的两个部分 如图3 、图4。这个巨大机器占据的空间铺丝头可以移动的空间，Y轴长6.77m，z轴长4.35m，x轴长14.6m 并可实现A向2700°每分钟 、B像1800°每分钟、C向12000°每分钟的转动，线性轴在2000rsquo;/分钟(508米/分钟)移动，加速度为0.18g，这也允许机器在每个位置都能正常工作。高加速度对短行程的机器和大型机器的性能至关重要。
旋转器-旋转器装备在要求旋转(U轴)定位的芯棒组件，这种旋转器大而精准，旋转器由一个独立驱动的主轴承和机床尾座组成，如图2。尾架X轴允许它容纳各种各样的工具。
这台机器可以铺放1/4和1/2两种宽度，通过模块化设计的自动铺丝头，可以完成多个宽度的铺丝工作，自动铺丝的工作完全在自动铺丝头内完成，每个铺丝头包含16个线轴，一个红外加热器，用于高度控制和响应的加热和空气冷却系统。图五，一个高速的PLC控制器，提供了低延迟的铺丝头控制方案，所有的AFP工艺元素都是设计为非常快速的响应，要求设计层的速度为2000英寸/分钟。
模块化设计的AFP头部优势-可拆卸的模块头提供了几个特殊的设计的优势：
（1）铺丝头可以实现在C轴的360°定位，因此可以双向铺丝。由于自动铺丝系统与机器无关，所以头部不“关心”方向，牵引路径不受头部方向的影响
（2）可拆卸头部可以使头部在在120S内快速更换宽度，每个铺丝头都可以铺放两种宽度，内含16个线轴，迄今为止，1/2，1/4，1/8宽度的铺丝头已经装备在铺丝机上，其他宽度和材料的铺丝头暂时还没有制造出来。
（3）大约一米长的两条路径在需要重送预浸束时提供了显著的好处。所有的纤维放置元件均位于操作者臂的范围内，任何操作——拖拽、清洗、诊断、刀具更换等都得以简化。
（4）快速的头部更换意味着几乎所有的纤维铺放维护任务(装载新拖、清洗、刀具更换等)都可以脱机完成，而另一个头安装在机器上并铺设预浸束。
自动铺丝头的未来发展趋势是更加容易装配，新一代的自动铺丝头已经研发出来并且可以应用到生产中而且可以和现有的铺丝头同时并存工作。用于其他特殊用途的铺丝头也有可能制造出来，目前，一个用于探测模具形状的探针正在使用，还有其他种类的探头，例如，如NDI头或超声探查器。
中转站：中转站允许机器快速更换头部。铺丝头被安置在维修区域，方便使用头部维修工具和线轴维护铺丝头，中转站提供完全自动化的安全和安全的铺丝头交换，并为新准备的铺丝头提供一个准备位置。此外，中转站提供了电源和空气到头部的完全的离线功能。图5显示了在下降位置的中转站中的自动铺丝头。
头部转运车：头部转运车被用于提供装载和卸载自动铺丝头头，从图6和图7可以看出头部传送车可以在机器之间交换头部，或在离线状态下进行维修。它们的目的是为了使头部易于维护，并通过提供电力和空气向头部提供充分的动力。
探头使用与自动铺丝头相同的快速拆卸方法连接到机器上。该探头用于探测与一个REMISHAW探针和巢1.5“球安装的反射器(SMR)”，用来探测机器补偿探针头的详细信息。
单元操作——每台机器都独立于单元中的其他机器运行。其结果是，一个系统可以在不打断其他机器单元工作的情况下，随时增加或减少参与工作的机器的数量。
机器有两种操作模式
静态模式；
动态模式；
机器由控制单元，协调各单元工作。控制系统将程序分别推送到每个AFP机器上。位置给定以后，芯轴将被定位，随后程序推送到两台机器上被执行到完成。然后，控制系统自动推进机器到下一个位置，并将下一组程序推送到机器上。如果一台机器在任何一点上停止工作，另一台机器就可以继续生产，所以两台机器可以执行所有的程序。
机器性能：该机器符合波音AFP的相关规格，最低铺丝速度为1600英寸/分钟，最高普斯速度则可达1800英寸/分钟。这一数据包括静态和动态两种操作模式。在这种铺丝速度下，材料的添加和切割品质都是合格的。工艺的改进能使机器能够达到更高的自动铺丝速度，因此机器性能超过了标准速度。
准确性和补偿单元
机器补偿传统上是通过单轴补偿来实现的，但这台机器采用体积补偿系统来达到更高的精度，并且缩短了机器补偿的时间。该补偿系统仅用一个法罗激光跟踪器直接在机器参考系统(MRS)中收集数据。在验收测试期间，一台机器需要进行机械调整并要求重新补偿，这种补偿是完整的，且在两个工作日内满足精度要求。
共同坐标系统：单元格中的机器参考一个共同的坐标系，如图8所示。引用共同的MRS坐标很容易通过使用体积补偿来实现多台机器共同工作，与使用两个独立的坐标系统相比，这个坐标参考系统不需要额外的工作。因为只需要参考一个共同的坐标系，补偿系统被大大简化了。然而，参考一个共同坐标系统的机器最大的好处是，任何程序都可以在没有额外偏移量的机器上执行。同样的坐标系统可以用于所有的机器。即使它被多次补偿，机器也总是补偿到相同的坐标系统，这种灵活性可以在机器的生产过程中一直保持。
机器定位系统：这个MRS是通过参考地板上的一系列点来定位的，如图9所示。大量的1.5“SMR巢，光学工装点(OTP)，被永久地安装在地板上以便在机器的任何位置都可应用MRS系统，所有这些点的标准值都是基于MRS系统的，所以一旦跟踪器探测到了地板点，在之后的探测和补偿中中，机器会补偿到相同的坐标系统。这种一致性允许任何引用MRS的程序在对机器进行重新补偿后继续运行，并允许程序在添加到单元格的机器上直接运行。
单定位系统测量：这些机器运动由独立的轴向运动组成，整台机器将近900个点被收集，这些都是基于MRS系统收集的，这些数据被收集从而用来补偿机器运动的误差，
数据在探针头的安装点和其他固定位置处被采集，以提供方向定位。对于单独的轴数据，每个轴都是通过预定的增量，例如10英寸(250mm)的线性轴移动。旋转轴测量则是在每个轴位置测量3点以充分定义位置和方向。
使用第三方线性数字求解器收集补偿数据和工具所在位置，然后发送给第三方的线性数字求解器。求解器计算最优运动参数，使机器在整个数据包络中达到最大精度。然后预测该机器的补偿精度，这已证明是机器精度验证的可靠指标，如图12所示。如果补偿是有效的，那么预测的准确性就会很容易地显示出来，从而进一步减少补偿时间，防止不必要地检查不精确的机器。请记住，图12所示的数据是对6轴在整个空间上的位置精度的量化，而不是单个的轴或相对的精度。这包括旋转轴的所有位置误差。将补偿数据加载到机器上，然后将补偿数据直接加载到CNC上，这一过程只需几秒钟。应该强调的是，没有人工输入数字，大大减少了出错的可能性。
控制单元
每台机器和旋转器都有自己的 CNC。该控制体系结构的特点是将单独的两个命令包含到CNC管理器的主内插循环中。该插值的分辨率为2000rsquo;/分钟。此外，机器在动态模式时的部分程序允许机器跟踪独立运动的部分，并在空间和时间的精确位置预测和拦截部件，使在动态模式或静态模式下执行的路径得以区分。由于动态模式程序是在独立的机器上执行的不需要重新发布或其他编程，机器可以退出并重新进入工作区域并且不影响单元中的移动部分或另一台机器。
控制单元使用了一个独特的控制架构，可以在单元中同时使用多台机器。这个多机单元必须可以实现以下功能。
（1）任何程序都可以在机器AFP头组合上运行。
（2）在指定机器不可用的情况下，必须很容易地将指定的程序切换到另一台机器上。另一台的机器不会阻止AFP移动。
（3)芯棒的位置要准确定位。只有这样，零件程序的包络线就在机器的工作包络内。单元内的机器将会在必要的情况下，对程序进行动态的转换，
这个问题被分成两种模式
静态:芯棒被定位在一个指定的指标上，机器在零件周围移动以产生AFP上移。
动态:芯棒移动，机器通过动态引用芯棒的位置和速度来执行他们的部分程序
所有的电控设备的一个共同的特点是部分兼容性。这在现代飞机装配中很重要。
程序一旦被证明不需要改变，因为以下原因:1)不一致的部分加载2)部分移动或定位不同于NC编程。3)机器1、机器2或机器N进行工作
静态模式——因为机器单元有一个共同的参考系统,所以每台机器是知道它的具体位置的。在这个系统可以利用多个机器AFP头组合运行相同的程序，在静态模式下一般情况下只需要添加少量的功能。尽管在主体AFP单元中使用的移动轴或工具单元略有不同，但在工具单元中使用的程序是相同的。因为机器通过一个特定于工具单元的通用校正转换计算了onthe-fly中所需的位置，所以这个方案是可行的。此外，有几个转换适用于部分程序控制的位置。一系列简单的六自由度转换占芯棒的位置,工具单元在芯棒上利用数控编程命令工具位置变换到目标位置运行单个项目。所有AFP头的置是通过组合和主管toolpoint控制架构用于所有设备。由于机器可以很容易地将程序位置转换为MRS，因此设计一个功能，将程序从一台机器移到另一台机器是很简单的事情。有了这个功能，我们就满足了静态模式的既定目标。
动态模式-动态模式只是静态模式的扩展。即使在动态模式下，当超过一台AFP组合在工作时，它也是一个单独的通用案例程序，由一台机器运行。所以当两台机器以动态模式运行时，它们各自运行自己的程序，这不是一个通用的程序。每台机器执行必要的转换，以便正确地执行这个程序。在程序中，没有关于速度或位置的信息但系统具有一个独特的运行模式,允许执行数控部分程序速度同步移动的芯棒通过观察芯轴的位置,速度和加速度可以改变以满足移动芯棒在对于位置精度和时间精度的要求。由于每台机器都在观察mandrel位置，所以在零件程序中不需要包含关于芯棒速度的信息。同样，在程序中不需要关于单元中另一台机器上的的信息。该控制方案的开发确保了机器的独立性和一般的案例程序。由于这个功能，多台机器同时运行动态模式是可行的。例如，这台机器的独立性允许机器在不影响另一台机器的程序执行的情况下进行拖放。此外，一旦采取纠正措施，错误的机器就可以无缝地插入到活动的工作单元中hellip;hellip;同样不会影响另一台机器在单元中的性能。由于某些原因，机器在一段时间内无法使用，计划在不可用机器上运行的一般情况程序很容易被另一台机器转移到并运行。
结论
目前，AFP机器正在生产中成功运行。各种概念和技术都被证明可以成功实现,如多台机器上运行常见项目,真正的机器独立性,快速替换,多个牵引宽度使用(frac12;”和frac14;”)，离线线轴负载,清洗和维护,成功地实现了体积补偿，并在整个单元的最大0.008“径向误差”中获得了非常好的精度。此外，还演示了整个机器可以在不到
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