ES2557451T3 - Procedimiento de control de la holgura entre cintas depositadas por un cabezal distribuidor y subconjunto de cabezal distribuidor con dispositivo de control integrado - Google Patents

Abstract

Subconjunto de cabezal distribuidor (20) para depositar en una herramienta de colocación una cinta preimpregnada (1) llevada al subconjunto, que tiene más abajo al menos un órgano de colocación (23) y un órgano de compactación (30 y 30') de la cinta preimpregnada, y un dispositivo de control (10) de la superficie de la cinta y, especialmente, de la holgura entre cintas, siendo este dispositivo (10) un dispositivo de perfilometría que consta de una fuente de luz láser (11) que proyecta un haz luminoso sobre la superficie inspeccionada y de una cámara (13) para captar la imagen del haz de luz proyectado, caracterizado porque el dispositivo cuenta con un prisma (16) situado cerca de la superficie inspeccionada en el eje de la cámara (13) para enviar a la cámara (13) la imagen del haz luminoso proyectado que le llega desde un ángulo determinado.

Description

DESCRIPCION

Procedimiento de control de la holgura entre cintas depositadas por un cabezal distribuidor y subconjunto de cabezal distribuidor con dispositivo de control integrado.

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[0001] La presente invencion se refiere a la fabricacion de componentes utilizando cintas colocadas por un

cabezal distribuidor y, en concreto, al control de calidad de esa colocacion, en especial comprobando la holgura entre las cintas.

10 [0002] En la fabricacion de diversos componentes como las alas de avion, es una practica conocida por

ejemplo la del documento US 4842684, a nombre del solicitante, en la que se pone automaticamente en un molde o herramienta de colocacion, gracias a un robot o a una maquina equipada con un cabezal distribuidor, una cinta compuesta formada por elementos de fibras (carbono, vidrio, Kevlar®, etc.) adheridas por impregnacion con una resina termoendurecible (en cuyo caso los elementos suelen sostenerse en una cinta de soporte de papel o de film 15 plastico) o con una resina termoplastica. La cinta de material compuesto se desenrolla de una bobina para pasar por el cabezal distribuidor, donde la cinta de fibras preimpregnadas se separa de la cinta de soporte, que pasa a un mandril de enrollamiento, mientras que la preimpregnada se aplica al molde o a las capas ya colocadas por medio de un instrumento de compactacion constituido normalmente por un rodillo o un aplicador unido al cabezal distribuidor. Se grna mediante los medios adecuados a la preimpregnada hasta la zona de colocacion, mas baja que 20 el circuito de la cinta, y se garantiza la separacion de la preimpregnada y de su soporte lo mas cerca posible del organo de colocacion. El cabezal distribuidor se monta movil en varios ejes (generalmente cinco o seis ejes) de manera que se adapte a las formas cada vez mas complejas de los componentes que se vayan a realizar utilizando esta tecnica. Este cabezal se mueve a gran velocidad, por ejemplo a 1 m/s.

25 [0003] Teniendo en cuenta las formas de los componentes producidos, y en particular de sus bordes,

conviene no solo colocar porciones de cinta de «ancho completo», con cuatro lados, sino tambien secciones de diversas formas, obtenidas mediante cortes complejos de la cinta.

[0004] Para los cortes transversales de formas simples, se utiliza un proceso de colocacion de una sola etapa 30 que implica el corte in situ de las cintas que se van a colocar y su inmediata colocacion por la misma maquina. Una

cuchilla mecanica o de ultrasonido corta la cinta preimpregnada directamente en su papel de soporte pero sin cortar este ultimo, que tras la separacion se enrollara de nuevo en el mandril.

[0005] Para las cintas que se vayan a cortar con formas complejas, se utiliza un proceso de dos etapas, en el 35 que el corte se hace en una fase anterior del procedimiento, con una primera maquina especializada y donde o bien

se dejan los sucesivos trozos previamente cortados en la cinta de soporte inicial o bien se colocan entre dos protectores y se enrollan en un carrete instalado a continuacion en el cabezal distribuidor.

[0006] Tanto si se trata del proceso de una sola etapa como del de dos, para colocar las cintas 40 preimpregnadas se utiliza un cabezal distribuidor que puede ser simple o doble. Dicho cabezal incluye dos circuitos

de distribucion de cinta que desembocan mas abajo en una zona de colocacion del extremo inferior del cabezal. Los documentos FR2888156, FR2894510 y FR2949378, a nombre del solicitante, presentan ejemplos de realizacion de cabezales distribuidores dobles, generalmente con dos organos de compactacion (rodillos en este caso), uno por circuito, que pueden ser de diferentes anchuras. Estos dos rodillos suelen estar muy proximos entre sf, dejando 45 apenas un estrecho espacio entre ambos, por lo general de menos de dos centimetros.

[0007] Es importante comprobar constantemente la calidad de la colocacion de la cinta por parte del cabezal distribuidor y en particular verificar que los distintos segmentos de cinta no se superpongan sino que, por el contrario, exista entre ellos la holgura necesaria.

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[0008] Esta inspeccion puede hacerse de modo puramente visual, con ayuda de unas lupas de medicion. Pero resulta muy diffcil porque las cintas de carbono son negras y no se distinguen bien las holguras; los componentes examinados pueden ser muy grandes y anchos, lo que obliga al operador encargado de la inspeccion visual a subirse a los componentes a riesgo de danarlos; por ultimo, el numero de holguras que se deben comprobar

55 es sumamente elevado, ya que puede haber, por ejemplo, 10 000 cintas complejas que comprobar en un componente.

[0009] Por tanto, es conveniente encontrar un procedimiento y un dispositivo automatico de control de la holgura.

[0010] Se ha intentado comprobar las holguras mediante la adecuada iluminacion de la superficie y la observacion de la misma a traves de una camara, cuyas imagenes (contrastes) se analizan: la experiencia demuestra la baja fiabilidad de los resultados, que no supera el 70 %.

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[0011] Ademas, se comprobo que las variaciones de la distancia entre la camara y la superficie observada podfan causar dificultades para enfocar la camara de control y obligaban a corregir la altura medida, teniendo en cuenta esa distancia.

10 [0012] Por otra parte, la zona ideal en la que se puede efectuar el control, justo en la parte de los dos rodillos

de compactacion en el caso de un cabezal distribuidor doble, es bastante estrecha y deja poco espacio para instalar equipos de inspeccion.

[0013] El documento US 2007/271064 da a conocer un subconjunto de distribucion que tiene las 15 caractensticas de dispositivo y procedimiento mencionadas en los preambulos de las reivindicaciones adjuntas 1 y 6.

[0014] El documento US 2007/229805 da a conocer un dispositivo de control incluido en un cabezal distribuidor.

20 [0015] Pero hay que encontrar un dispositivo y un procedimiento que mejoren la fiabilidad de los sistemas

existentes y que se puedan instalar en una zona estrecha del dispositivo distribuidor.

[0016] El objetivo de la invencion es por tanto proporcionar un procedimiento y un dispositivo integrado de control de las holguras entre las cintas o, de forma mas general, de la superficie de las cintas colocadas, que

25 superen estas dificultades.

[0017] La invencion consigue su objetivo gracias a un subconjunto de cabezal distribuidor para depositar en una herramienta de colocacion una cinta preimpregnada llevada al subconjunto, que tiene mas abajo al menos un organo de colocacion y un organo de compactacion de la cinta preimpregnada, y un dispositivo de control de la

30 superficie de la cinta y, especialmente, de la holgura entre cintas, siendo este dispositivo un dispositivo de perfilometna que consta de una fuente de luz laser que proyecta un haz luminoso sobre la superficie inspeccionada y de una camara para captar la imagen del haz de luz proyectado. Dicho dispositivo se caracteriza porque dispone de un prisma situado cerca de la superficie inspeccionada en el eje de la camara para enviar a la camara la imagen del haz luminoso proyectado que le llega desde un angulo determinado.

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[0018] Los metodos de perfilometna 2D que emplean la triangulacion laser son conocidos per se y suelen utilizarse en diversos sectores industriales, como se describe por ejemplo en los documentos US 6621060 y US7423734. Consisten en proyectar una lmea laser sobre una superficie y analizar la imagen de la misma con una camara generalmente posicionada oblicuamente respecto al haz de laser. La empresa Keyence comercializa

40 tambien perfilometros 2d en forma de unidades compactas pero estas no se pueden instalar en la zona de colocacion debajo del cabezal distribuidor, dada su particular geometna y el escaso espacio disponible en dicha zona de colocacion. La invencion permite superar esta dificultad utilizando un prisma cerca de la superficie inspeccionada, en la zona de colocacion, para dirigir oblicuamente la imagen hacia la camara; entonces se puede colocar esta ultima donde se prefiera y, en especial, trasladarla junto con la fuente luminosa y el resto del dispositivo 45 a una zona mas espaciosa del cabezal distribuidor.

[0019] Como resultado, en la version preferida de la invencion, la camara y la fuente de luz laser se alojan juntas en una unidad remota ubicada a distancia muy por encima del organo o de los organos de compactacion, estando el prisma conectado a la unidad y a la camara mediante un cajetm alargado colocado en vertical cerca del

50 organo o de los organos de compactacion. La expresion «muy por encima» de los organos de compactacion significa que no solo estan por encima de los propios organos de compactacion, como los rodillos de compactacion, sino tambien del sistema de soporte y arrastre que les permite moverse libremente en lo alto.

[0020] Cuando se aplica la invencion a un cabezal distribuidor doble con dos organos de compactacion, el 55 cajetm alargado se coloca, para su mayor aprovechamiento, en el espacio que separa los dos organos de

compactacion.

[0021] Otra ventaja radica en que el dispositivo de control consta de dos conjuntos de unidad y prisma destinados a enmarcar los dos bordes de una cinta colocada.

[0022] Los dos conjuntos de unidad y prisma se montan, preferiblemente, con una separacion modificable

para que se adapten a la anchura de la cinta colocada.

5 [0023] La invencion tambien se refiere a un procedimiento de control de la holgura entre cintas existente

entre dos cintas preimpregnadas colocadas por un subconjunto de cabezal distribuidor para depositar en una herramienta de colocacion una cinta preimpregnada llevada al subconjunto, que tiene mas abajo al menos un organo de colocacion y un organo de compactacion de la cinta preimpregnada. El procedimiento de control de la holgura entre cintas utiliza un dispositivo de perfilometna que consta de una fuente de luz laser que proyecta un haz 10 luminoso sobre la superficie inspeccionada y de una camara para captar la imagen del haz de luz proyectado. Dicho dispositivo se caracteriza porque dispone de un prisma situado cerca de la superficie inspeccionada en el eje de la camara para enviar a la camara la imagen del haz luminoso proyectado que le llega desde un angulo determinado.

[0024] La invencion permite emplear un equipo relativamente convencional y robusto, en especial en el caso 15 de la camara, que no tiene que ser una microcamara ni una o una camara-lapiz.

[0025] El procedimiento de la invencion se pone en practica de la mejor manera posible despues de un paso previo de deteccion de posibles engrosamientos de los bordes de la cinta (debido a una superposicion). El perfil del borde de una cinta (o del extremo de una cinta) es similar a un perfil de superposicion y es util que el programa

20 incluya la localizacion de los bordes de la cinta de modo que no las confunda con engrosamientos.

[0026] El procedimiento de deteccion automatica de perfil segun la invencion se puede utilizar en primer lugar en un contexto preventivo para memorizar los controles y utilizarlos para optimizar la programacion del cabezal distribuidor y luego, una vez efectuada la programacion idonea, en un marco reparador, para enviar avisos cuando

25 se haya inspeccionado la superficie de cada capa y se encuentren deficiencias. El software de programacion define que zonas se inspeccionaran teniendo en cuenta las cintas ya colocadas.

[0027] Naturalmente, la invencion se puede utilizar no solo para inspeccionar la holgura entre cintas sino tambien para controlar otros aspectos detectables mediante perfilometna, como los extremos de la cinta («end-of-

30 ply») o los contornos de la capa.

[0028] Otras caractensticas y ventajas de la invencion se desprenderan de la siguiente descripcion de un ejemplo de realizacion. Se hara referencia a los dibujos adjuntos, en los cuales:

35 La figura 1 es una vista esquematica frontal de un cabezal distribuidor doble con el dispositivo de medicion incorporado conforme a la invencion.

La figura 2 es una vista en perspectiva del dispositivo de medicion de la invencion, aislado del cabezal distribuidor.

40 La figura 3 es una vista esquematica frontal en la que se ilustra el principio de la medicion con el dispositivo de la invencion.

Las figuras 4A y 4B son vistas esquematicas en perspectiva frontal y lateral de la parte baja del cabezal distribuidor doble con el dispositivo de la invencion, en una primera posicion de los rodillos de compactacion y con una primera 45 separacion de las dos partes del dispositivo.

Las figuras 5A y 5B son vistas esquematicas en perspectiva frontal y lateral de la parte baja del cabezal distribuidor doble con el dispositivo de la invencion, en una segunda posicion de los rodillos de compactacion y con una segunda separacion de las dos partes del dispositivo.

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La figura 6 representa cuatro disposiciones convencionales de cintas de carbono vistas desde arriba.

Las figuras 7A y 7B son representaciones esquematicas laterales de dos cintas de carbono colocadas en situacion de holgura y de superposicion respectivamente.

55

[0029] Se empezara remitiendose a las figuras. 6, 7A y 7B, que ilustran los esquemas de colocacion de cintas compuestas (1) de fibras de carbono adheridas. Un componente se forma apilando en una herramienta de colocacion (4) capas formadas por cintas colocadas. Para dar propiedades isotropicas al producto, estas capas tienen distintas orientaciones -por ejemplo, respectivamente, a 0 °, 90 °, -45 ° y +45 °- y el cabezal distribuidor las

apila alternandolas. Como se observa, se coloca una cinta (1) junto a una capa adyacente (1) dejando cierta holgura (2), del valor (d), que suele estar entre 0 y 2,5 mm. Conviene respetar y comprobar esa holgura, asf como evitar el recubrimiento o la superposicion (3), representada en la figura 7B.

5 [0030] La distribucion de las capas unas encima de otras puede provocar inclinaciones localizadas, inferiores

al 10%, respecto al perfil constituido. Esas inclinaciones y la diferencia de niveles superficiales hacen que la observacion que se puede hacer segun un eje vertical (presuponiendo que la superficie apilada se deposita en un soporte horizontal) adolezca de errores: la superficie real observada puede estar unos milfmetros por delante o por detras de la superficie teorica observada y falsear la medicion. Por eso el procedimiento y el dispositivo de la 10 invencion dan prioridad a una observacion oblicua de la superficie inspeccionada, iluminada por un haz de laser normal en la superficie de la herramienta (4). Este principio se representa en la figura 3.

[0031] El dispositivo de control (10) consta de un dispositivo de iluminacion o fuente de luz laser (11) que proyecta un haz luminoso colimado (12) verticalmente sobre la superficie de la cinta (1) depositada en la herramienta

15 horizontal (4) o sobre varias capas ya apiladas sobre dicha herramienta (4). La fuente de laser (11) esta junto a una camara instalada en un eje vertical (14) paralelo y adyacente al haz de laser (12). La camara (13) puede de este modo captar la cara oblicua (15) de un prisma derecho (16) que recibe los rayos (17) reflejados por la superficie de la cinta (1) tras ser refractados por el prisma (16). La fuente luminosa (11) y la camara (13) estan dentro de una unidad (18) y se coloca un cajetm alargado (19) de la altura adecuada bajo la unidad (18) para que sostenga el 20 prisma (16) en su extremo y proteja la imagen observada. Este prisma (16) tiene, por ejemplo, 10 mm de ancho en su cara horizontal y aplica una desviacion de 27° a la imagen. La iluminacion colimada (11) se puede lograr mediante LED laser, que proporcionan mayor precision que una fuente de laser convencional. El cajetm alargado (19) tambien tiene aproximadamente 10 mm de ancho, lo que permite pasar entre los rodillos de una maquina distribuidora doble cuyos rodillos apenas esten separados. Asf es posible «subir» todo el dispositivo de control, 25 excepto el prisma y su cajetm, por encima de los rodillos, hasta una zona protegida y mas amplia, de modo que se obtenga la estructura que se describe a continuacion, con las figuras 1, 2, 4A, 4B, 5A y 5B como referencias. El prisma (16), no obstante, sigue siendo de facil acceso para su limpieza o sustitucion.

[0032] La figura 1 muestra esquematicamente el dispositivo (10) integrado en un cabezal distribuidor doble 30 (20) utilizado para un procedimiento de colocacion de una o dos etapas. Este cabezal (20) esta destinado a ser

montado, con capacidad de moverse en distintos ejes (5 o incluso 6), en la parte inferior de una viga suspendida de un bastidor movil por encima de la herramienta de colocacion. La cinta compuesta se desenrolla de uno de los carretes (35 o 35') y, pasando por los terminales de corte (22), y en su caso de calentamiento, y por diversos elementos de grna y colocacion (23), llega a la seccion mas baja del cabezal, el propio terminal de colocacion (25), 35 que consta en especial de dos rodillos de compactacion (30 y 30') montados mediante unas varillas retractiles (31 y 31') en un conjunto de soporte y control de los rodillos (26). Los rodillos (30 y 30') tienen, por ejemplo, 60 mm de diametro y, respectivamente, 300 mm y 150 mm de largo. Pueden replegarse hasta 25 mm hacia arriba. El espacio que queda horizontalmente entre las superficies de los rodillos (30 y 30') es, por ejemplo, de 14 mm: las figuras 1, 4A, 4B, 5A y 5B no estan dibujadas a escala y, para mayor claridad, se ha exagerado el espacio entre los rodillos 40 (30 y 30'). En efecto, por ese espacio puede pasar el cajetm (19) del dispositivo de control (10) de forma que su prisma (16) llegue hasta la zona de colocacion (25) entre los rodillos (30 y 30'). Por su parte, la unidad (18) que contiene la fuente de luz (11) y la camara (13) esta situada por encima de los rodillos. Puede sujetarse, por ejemplo, al conjunto (26) de soporte de los rodillos (30 y 30') mediante una escuadra (27).

45 [0033] La figura 2 representa de forma mas detallada el montaje del dispositivo de control (10) en la escuadra

(27). Por un lado, el dispositivo de control (10) es doble y consta de dos unidades (18), cada una con su fuente de luz (11), que emite un haz (12), y su camara (13), situada por encima del cajetm alargado (19). Se monta cada unidad (18) en la pared vertical de la escuadra (27) de modo que pueda deslizarse horizontalmente gracias a unas correderas (28). El desplazamiento horizontal de las unidades (18) por esas grnas correderas (28) se logra con unos 50 embolos horizontales (29) sujetos a la escuadra (27) y cuyas varillas (29a) estan conectadas a sus respectivas unidades (18).

[0034] Como muestran las figuras 4A, 4B, 5A y 5B, las dos unidades (18) del dispositivo de control (10)

pueden adoptar configuraciones:

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- de separacion maxima, en las figuras 4A y 4B, con una separacion (L1) por ejemplo de 300 mm (o unas 12 pulgadas) que permite controlar las holguras de bordes de cintas de 300 mm de ancho, o

- de separacion minima, en las figuras 5A y 5B, con una separacion (L2) por ejemplo de 150 mm (o unas 6 pulgadas) que permite controlar las holguras de bordes de cintas de 150 mm de ancho.

[0035] Gracias al dispositivo de control integrado conforme a la invencion, se pueden efectuar muchas

mediciones por segundo, por ejemplo de 10 a 100, que luego son procesadas por un ordenador adaptado conectado al automata que dirige el cabezal distribuidor, y controlar asf la calidad de la colocacion de las capas.

5

Claims (5)

1. REIVINDICACIONES

   1. Subconjunto de cabezal distribuidor (20) para depositar en una herramienta de colocacion una cinta preimpregnada (1) Nevada al subconjunto, que tiene mas abajo al menos un organo de colocacion (23) y un organo

   5 de compactacion (30 y 30') de la cinta preimpregnada, y un dispositivo de control (10) de la superficie de la cinta y, especialmente, de la holgura entre cintas, siendo este dispositivo (10) un dispositivo de perfilometna que consta de una fuente de luz laser (11) que proyecta un haz luminoso sobre la superficie inspeccionada y de una camara (13) para captar la imagen del haz de luz proyectado, caracterizado porque el dispositivo cuenta con un prisma (16) situado cerca de la superficie inspeccionada en el eje de la camara (13) para enviar a la camara (13) la imagen del 10 haz luminoso proyectado que le llega desde un angulo determinado.
2. 2. Subconjunto segun la reivindicacion 1, caracterizado porque la camara (13) y la fuente luminosa (11) estan juntas dentro de una unidad (18) remota ubicada a distancia muy por encima del organo o de los organos (30 y 30') de compactacion, estando el prisma (16) conectado a la unidad (18) y a la camara (13) mediante un cajetm

   15 alargado (19) colocado en vertical cerca del organo o de los organos de compactacion (30 y 30').
3. 3. Subconjunto segun la reivindicacion 2, caracterizado porque el cabezal distribuidor (10) es doble y el cajetm alargado (19) esta en el espacio que separa los dos organos de compactacion (30 y 30').

   20 4. Subconjunto segun cualquiera de las reivindicaciones 1 a 3, caracterizado porque el dispositivo de

   control (10) consta de dos conjuntos de unidad (18) y prisma (16).
4. 5. Subconjunto segun la reivindicacion 4, caracterizado porque los dos conjuntos de unidad (18) y prisma (16) se montan con una separacion modificable.

   25
5. 6. Procedimiento de control de la holgura entre cintas existente entre dos cintas preimpregnadas colocadas por un subconjunto de cabezal distribuidor (20) para depositar en una herramienta de colocacion una cinta preimpregnada (1) llevada al subconjunto, que tiene mas abajo al menos un organo de colocacion (23) y un organo de compactacion (30 y 30') de la cinta preimpregnada. El procedimiento de control de la holgura entre cintas

   30 utiliza un dispositivo de perfilometna que proyecta un haz luminoso sobre la superficie inspeccionada y de una camara (13) para captar la imagen del haz de luz proyectado, caracterizado porque la imagen se refracta con determinado angulo en un prisma (16) situado cerca de la superficie inspeccionada y se orienta hacia el eje de la camara (13).