Ｚピンの動的挿入データを解析し自動化された許容可能な挿入が実行されたか否かを判定するための方法
【課題】本発明により、複合材料積層材中への１つ以上のＺピンの許容可能な挿入を自動的に確認する方法が提供される。
【解決手段】
この方法には、複合材料積層材上に１つ以上のＺピンを配置する最初の工程が含まれる。その後、第１の挿入速度にて複合材料積層材の中へＺピンを押し進める挿入プロセスを開始するのに充分な第１のレベルの挿入力がＺピンに対し加えられる。Ｚピンに対し加えられる挿入力は連続的に監視され、挿入力の第１のレベルから第２のレベルまでの増大を監視することに応答して、第１の挿入速度は第２の挿入速度まで減少される。挿入力の第２のレベルから第３のレベルまでの増大を監視することに応答して、Ｚピンに挿入力を加えることが中断され、挿入プロセスは中断される。許容可能な挿入を確認するため、第１の挿入速度から第２の挿入速度までの減少と、挿入力の第３のレベルまでの増大とが確認される。
【解決手段】
この方法には、複合材料積層材上に１つ以上のＺピンを配置する最初の工程が含まれる。その後、第１の挿入速度にて複合材料積層材の中へＺピンを押し進める挿入プロセスを開始するのに充分な第１のレベルの挿入力がＺピンに対し加えられる。Ｚピンに対し加えられる挿入力は連続的に監視され、挿入力の第１のレベルから第２のレベルまでの増大を監視することに応答して、第１の挿入速度は第２の挿入速度まで減少される。挿入力の第２のレベルから第３のレベルまでの増大を監視することに応答して、Ｚピンに挿入力を加えることが中断され、挿入プロセスは中断される。許容可能な挿入を確認するため、第１の挿入速度から第２の挿入速度までの減少と、挿入力の第３のレベルまでの増大とが確認される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は強化複合材料に関する。より詳細には、本発明は未硬化複合材料積層物を互いにＺピン挿着／接合するための２速度挿入プロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
航空宇宙産業においては、航空宇宙用途の基本構造物として複合材料を使用することが次第に普及しつつある。従来の複合材料は樹脂マトリクス材料と、Ｘ−Ｙ軸方向に連続する２次元の若干の繊維材料とからなるが、材料の厚みを得るために複数層に積層される。ガラス繊維、炭素繊維またはアラミド繊維などの繊維材料を熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂などのマトリクス材料と組み合わせた複合材料構成は、従来の２次元構造物の一例である。
【０００３】
機体構造用複合材料など多くの構造用複合材料には、通常、様々な補強材が含まれる。補強材によって、一定の飛行荷重条件下において必要な剛性が与えられる。典型的な補強材の１つはハット（ｈａｔ）型補強材と呼ばれる。ハット型補強材は、その形状から命名されており、通常、その表面を介して航空宇宙構造用複合材料コンポーネントに対し取着されている。
【０００４】
従来、複合材料のハット型補強材は従来型の機械的固定具を用いてコンポーネントの表面に対し取着されていた。時々用いられる別の取着プロセスでは、ハット型補強材は構造用複合材料自体による硬化と同時に、構造用複合材料の表面に対し共硬化（ｃｏ−ｃｕｒｅ）されていた。しかしながら、この両方のプロセスや、ハット型補強材が表面に対し機械的に締結されるプロセスまたは接着剤により接合されるプロセスでは、通常、表面に対して内部のハット型補強材において故障が発生していた。
【０００５】
先述の取着プロセスを用いる故障の発生を解決するために、現在、航空宇宙産業においては、１つ以上の補強材を複合材料表面へ取着するためにＺピン挿着が頻繁に用いられる。これに関して、Ｚピンの開発、担体中にてＺピンを支持するための方法、および未硬化複合材料中へＺピンを挿入するための方法により、ハット型補強材と表面とを硬化するより前に互いに接合することが可能となった。Ｚピンを用いて複合材料部品を一体に接合することにより、軽量化、付加の分散の均一化、コスト低下、および両部品の共硬化など、従来の機械的固定具を超える幾つかの利点が提示される。ハット型補強材と共に用いられる現行のＺピン挿着プロセスの１つでは、基礎となる構造用複合材料、即ち、積層材の表面に対し固定されるハット型補強材の表面に、Ｚピン担体プリフォームが配置される。このプリフォームは、通常、複数のＺピンがその中へ埋め込まれている低密度フォームおよび高密度フォームの連続層からなる。このＺピンは、流体圧プレス装置または超音波装置（例えば、超音波励起ホーン）などの装置を用いて、担体プリフォームからハット型補強材を通じて基礎積層材の中へと、押し進められる。超音波装置は高周波エネルギーを用いて担体プリフォーム内でＺピンを振動させ、補強材を通じて基礎積層材の中へと押し進める。
【０００６】
Ｚピン挿着プロセスにおいて効率化を図る目的では、ロボットを用いてＺピンを自動的に挿入することは非常に望ましい。しかしながら、Ｚピン挿着プロセスに伴う多くの変数に適応するには特殊な手法が必要であるため、Ｚピン挿着プロセスを自動化する試みは困難であることが判明した。より詳細には、自動化挿入における主要な変数は、挿入速度、挿入力、材料の経時、材料厚、積層材のホット・デバルク量、ホーンの励起の振幅、（超
音波ホーンを用いる場合）、Ｚピンの耐荷重性能、および挿入時間である。Ｚピンの挿入が速すぎると、ピンに過度な力が加えられることにより、ピンを破壊するか、または、接合されている部品にピンを完全には貫通させないことになる。Ｚピンの挿入が遅すぎると、余分な時間がかかることにより、妥当な投資収益が得られないか、または、プリフォームを過熱して火災の恐れを生じる。超音波ホーンが用いられる場合、ホーン振動の振幅を増大させることにより挿入をより速めることが可能であるが、プリフォームに過剰なエネルギーを与え、Ｚピンの過剰挿入と、プリフォームの溶融とを生じる恐れは増大する。さらに、条件の１つのセットが、新しい、全厚の小さい材料に対して良好であっても、経時後の最大厚の材料（例えば、３０日経時後の材料）に対しては最適でない場合がある。実際、先述の変数のうちの多くは非線形的に相互作用するため、所与の組み合わせにより挿入の成功を予測することは非常に困難である。さらなる制限として、プロセスにおいて良好な投資収益を生じるために挿入時間は充分に速いことが必要である。したがって、製造環境における自動化Ｚピン挿入では、設計仕様において遭遇し得る全ての変動に適応する、挿入パラメータの単一のセット（汎用パラメータ）の必要が存在する。
【０００７】
自動化Ｚピン挿入プロセスにおいて用いられる挿入パラメータの単一のセットの必要は、本出願人の同時継続出願である「汎用挿入パラメータを用いる自動化Ｚピン挿入方法（ＡＵＴＯＭＡＴＥＤ Ｚ−ＰＩＮ ＩＮＳＥＲＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ ＵＳＩＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＡＬ ＩＮＳＥＲＴＩＯＮ ＰＡＲＡＭＥＴＥＲＳ）」と題する２００５年６月２２日出願の特許文献１において対処されている。この出願の開示を引用により本明細書に援用する。しかしながら、現行の既知の手動挿入プロセスを用いると、Ｚピンが完全に適正な深度まで挿入されたことを確認するためには、通常、さらに手動の追跡検査工程が必要である。より詳細には、現行で実施されている手動の検査プロセスにおいては、挿入プロセスが完了すると、Ｚピンが複合材料積層材の中へ充分に押し込まれ全深度に到達したか否かを判定するために、簡単な計器を用いてＺピン担体プリフォームの高さが測定される。この場合の「全深度」は、Ｚピンが複合材料積層材を完全に貫通し、接合用具表面に達したことを意味している。硬化に続き、Ｚピンが実際に複合材料積層材のプライを接合用具表面まで貫通したことを確認するため、さらなる目視検査が行われる。Ｚピンが全深度まで挿入されたことを確認するために、特許文献１に記載の自動化Ｚピン挿入プロセス／システムに関して、同様の手動検査プロセスが実施され得ると想定される。これに関して、自動化挿入プロセス／システムでは、検査者がこの検査プロセスを実行するための新規な計器が設計及び製造される必要があり得る。
【特許文献１】米国特許出願第１１／１５８，４００号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、必要な全深度挿入を自動的に実行し、許容不能な挿入の発生を警告するオペレータへ警告するための、自動化Ｚピン挿入プロセス／システムと共に用いられ得る方法が必要である。本発明では、以下でさらに詳細に説明するようにして、この必要に対処する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明により、未硬化複合材料積層物を互いにＺピン挿着／接合するための２速度挿入プロセスを実施するためのシステムが提供される。本発明の挿入プロセスでは、Ｚピン担体プリフォーム内のＺピンに超音波エネルギーを供給するために超音波ホーンが用いられる。この挿入プロセスでは、挿入中に遭遇される抵抗力に基づき挿入速度をより低い挿入速度へと変更する、触覚フィードバックシステムが提供される。システムは一般的な条件に適合するので、オペレータの介入は不要である。この２速度プロセスを用いることにより、１速度挿入手法を用いては不可能な種々の条件の複合材料積層材中へＺピンを挿入することが可能である。
【００１０】
本発明の挿入プロセスは、Ｚピン挿入プロセス中に存在する条件に基づき、上述の変数、即ち、パラメータのうちの１つ以上を効果的に変化させる。本発明のプロセスは、Ｚピンを積層材の中へ押し進めるために加えられる力を監視し、この情報を用いて挿入速度を変化させるのに効果的であるように、初期条件、即ち、材料の経時および厚さに関するパラメータを無視する。本発明の一実施形態では、最初にＺピンは約６．３５ｍｍ（０．２５インチ）毎秒の率で挿入され、挿入力が約１７８Ｎ（４０ポンド）に達すると、挿入速度は即座に約１．２７ｍｍ（０．０５０インチ）毎秒まで減少される。挿入力が約２２２Ｎ（５０ポンド）に達すると、Ｚピンは積層材を貫通し、硬い用具表面（またはバリアシート）に接触していると仮定される。
【００１１】
本発明の挿入プロセスの一部として、超音波ホーンがプリフォームに接触する瞬間が検出されると、誤ったトリガを防止するために、挿入のうちの最初の１０％の読取値は無視される。これに加えて、挿入プロセス中に約２２２Ｎ（５０ポンド）のトリガが認識されない場合のバックアップとして、製造システム安全条件も監視される。挿入プロセスを中断するために本発明のプロセスに用いられ得る他の安全機能には、挿入時間の長さと、超音波ホーンの移動の最大距離とが含まれる。最大設定時間に達した場合、挿入は中断される。同様に、最大設定深度に達した場合も挿入は中断される。さらなる安全機能の１つには、挿入ホーンの温度の遠隔監視が含まれる。ホーン温度が所与の閾値を超えた場合、現在の挿入に続く挿入プロセスは停止され、さらなる挿入に進む前にホーンが冷却される。
【００１２】
さらに本発明により、上述の自動化挿入プロセスと共に用いられ必要な全深度検査を自動的に実行し得る方法が提供され、ロボットオペレータは許容不能な挿入の発生を警告する。上述のように、本発明の自動化挿入プロセスでは汎用挿入パラメータのセットが用いられることにより、一定の挿入力閾値に基づき２速度挿入プロセスが実施される。本発明の自動化検査方法では挿入速度が必須の最低レベルまで低下しているか否か、さらには、挿入プロセス中に必須の最終挿入力に達したか否かが自動的に検査される。これらの特定のパラメータは、挿入プロセス中に生成されるデータを解析することにより、自動的に検査される。より詳細には、この自動化検査方法は、約１７８Ｎ（４０ポンド）の挿入力閾値に達することにより挿入速度が約６．３５ｍｍ（０．２５インチ）毎秒から減少され、かつ、約２２２Ｎ（５０ポンド）の挿入力限界閾値にも達するときには常に、許容可能な挿入がなされるという原理による。許容不能なＺピン挿入では、第１の条件が満たされても、両方の条件が満たされることはない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１，１Ａはそれぞれ、以下でさらに詳細に説明する本発明のＺピン挿着プロセスにおいて用いられる、代表的なＺピン担体プリフォーム１０の断面図、上面斜視図である。担体プリフォーム１０は低密度フォームからなる上層１２と、高密度フォームからなる下層１４とを備える。下層１４は上層１２と連続している。これに関して、下層１４の上面は上層１２の下面に隣接している。上層１２の上面を覆っているのはポリオレフィンからなる層１６である。層１６はペーパーから作られる層１８により覆われている。したがって、層１６は層１８と上層１２との間に位置する。
【００１４】
層１２，１４，１６，１８に加えて、担体プリフォーム１０は複数のＺピン２０を備える。複数のＺピン２０は上層１２および下層１４内に埋め込まれている。より詳細には、Ｚピン２０は上層１２の上面（層１６により覆われている）と、下層１４の露出している下面との間に、ほぼ直立して伸びている。また好適には、Ｚピン２０は互いに関してほぼ平行に離間して伸びており、上層１２および下層１４内に、多様な所定のパターンのうちの１つにより埋め込まれてよい。したがって、上層１２および下層１４内のＺピン２０の数、間隔および全体の配置は用途により異なるため、図１に示すＺピン２０の特定のパタ
ーン、即ち、配置は、単なる例である。Ｚピン２０に一般的に用いられる材料の１つはグラファイトであり、通常、Ｚピン２０はビスマレイミド（ＢＭＩ）樹脂により硬化された炭素繊維である。図１Ａに示すように、担体プリフォーム１０はほぼ方形の構成であり、長さＬは約３０．５ｃｍ（１２インチ）、幅Ｗは約２．７９ｃｍ（１．１インチ）、高さＨは約１．２７ｃｍ（０．５インチ）である。しかしながら、担体プリフォーム１０は特定の用途に応じて多様な異なった構成により提供され得るため、図１Ａに示す担体プリフォーム１０の構成も単なる例であることを、当業者は認めるであろう。代表的な担体プリフォーム１０の１つは、アズテックス社（Ａｚｔｅｘ，Ｉｎｃ．）により提供されるＺ−Ｆｉｂｅｒ（商標）である。
【００１５】
上述のように、本発明のＺピン挿着システムおよびプロセスは、未硬化複合材料積層材を互いに接合するために適切に用いられる。ここで図２，２Ａを参照する。本発明の挿入システムおよびプロセスの典型的な用途は、基礎となる複合材料積層材２４へ複合材料のハット型補強材２２を取着することである。図２に示すように、ハット型補強材２２は長尺状の拡がった中央部分２６と、中央部分２６に一体に接続され、かつ、中央部分２６のそれぞれの側に沿って伸びている一対のフランジ部分２８とを備える。各フランジ部分２８の底面は積層材２４の上面に沿って伸び、積層材２４の上面に接触している。底面に加えて、各フランジ部分２８は、積層材２４の上面に対してわずかに傾いて伸びている上面を有する。図２，２Ａに示すように、積層材２４の上面に対する各フランジ部分２８の上面の角度は、ほぼ１２度である。以下では、特に積層材２４へのハット型補強材２２の取着に関し、本発明のＺピン挿着システムおよびプロセスを説明するが、そうしたシステムおよびプロセスは任意の複合材料積層材構造物を互いに固定するために適切に用いられ、積層材２４へのハット型補強材２２の固定に用いることに限定されないことを当業者は認めるであろう。
【００１６】
ここで図３を参照する。図３には、本発明のＺピン挿着プロセスを実施するために用いられる挿入システム２９に含まれる種々の構成要素の概略図を示す。好適な一実施形態では、システム２９は超音波ホーン３０を備える。超音波ホーン３０を図４Ａ，４Ｂに詳細に示す。超音波ホーン３０はコンバータ３２を備え、コンバータ３２はブースタ３４に動作可能に接続されている。ブースタ３４は挿入ホーン３６に動作可能に接続されており、挿入ホーン３６の先端は、ほぼ平らなアンビル３８を形成している。
【００１７】
超音波ホーン３０に加えて、システム２９はロードセル４０を備える。ロードセル４０は超音波ホーン３０のコンバータ３２に隣接して配置されており、プログラマブル論理コントローラ（ＰＬＣ）４２と電気的に通信している。また、ＰＬＣ４２は超音波出力源４４とも電気的に通信しており、超音波出力源４４は超音波ホーン３０のコンバータ３２と電気的に通信している。さらにＰＬＣ４２は、ロボットコントローラ４８と通信するＨＭＩインタフェース４６を装備している。ロボットコントローラ４８は多軸ロボット５０と電気的に通信する。多軸ロボット５０は、本発明の挿入／Ｚピン挿着プロセスを用いて互いに固定される複合材料積層材に対する超音波ホーン３０の移動を制御および調整することが可能であるように、超音波ホーン３０に動作可能に接続されている。
【００１８】
再び図２，２Ａを参照する。図３に示すシステム２９を用いてハット型補強材２２を積層材２４へ取着する際、最初に担体プリフォーム１０をハット型補強材２２のフランジ部分２８の上面の上に配置すると想定される。次に、ロボット５０はロボット５０のロボットエンドエフェクタを所定の位置、即ち、担体プリフォーム１０のうちの１つに対する位置へと誘導する。エンドエフェクタには、超音波ホーン３０、単軸のサーボモータ、即ち、駆動装置５４及びＰＬＣ４２用のドライバが配置されている。より詳細には、超音波ホーン３０のアンビル３８は第１の位置Ｐ１（図２Ａに示す）へと誘導される。第１の位置Ｐ１は、担体プリフォーム１０のうちの１つの約５．０８ｍｍ（０．２００インチ）上方
である。エンドエフェクタが初期位置に到達すると、ロボットコントローラ４８は、ロボット５０の位置を「静止（ｆｒｅｅｚｅ）」させ、挿入プロセスの制御をＰＬＣ４２へ渡す。ＰＬＣ４２はエンドエフェクタの単軸の駆動装置５４と通信し、単軸の駆動装置５４にアンビル３８を第２の位置Ｐ２へ移動させる。第２の位置Ｐ２は、隣接する担体プリフォーム１０の約２．５４ｍｍ（０．１００インチ）上方である。第２の位置Ｐ２へのアンビル３８の移動により、担体プリフォーム１０内からハット型補強材２２の対応するフランジ部分２８を通じて基礎積層材２４の中へのＺピン２０の挿入プロセスの開始がトリガされる。
【００１９】
Ｚピン挿着プロセスが開始すると、超音波ホーン３０はエンドエフェクタ（及び詳細には駆動装置５４）により上下方向のＺ軸（図２Ａに示す）に沿って下向きに移動され、アンビル３８が担体プリフォーム１０の一部と直に接触する。超音波ホーン３０が担体プリフォーム１０へ向けて移動され、アンビル３８が担体プリフォーム１０に接触し、ロードセル４０により約１３．３Ｎ（約３ポンド重）が測定されるとき、超音波エネルギーが発生され、挿入プロセスが継続する。このＺ軸に沿って下向きの移動は、アンビル３８がアンビル３８の直下に位置する担体プリフォーム１０のＺピン２０に下向きの圧力を働かせる／保持するように継続される。認められるであろうように、超音波ホーン３０による機械的運動（即ち、超音波ホーン３０のＺ軸に沿って下向きの移動）と、超音波エネルギーとの組み合わせにより、Ｚピン２０は担体プリフォーム１０からハット型補強材を通じてハット型補強材２２の中へと効果的に押し進められる。これに関して、Ｚピン挿入プロセス中、アンビル３８により担体プリフォーム１０に対し加えられる、ハット型補強材２２の対応するフランジ部分２８を通じて基礎積層材２４の中へとＺピン２０を押し進める力は、ロードセル４０により監視される。上述のように、ロードセル４０はＰＬＣ４２と電気的に通信している。ロードセル４０によりＰＬＣ４２へ伝送されるデータはＺピン２０の挿入速度を変化させるために用いられる。認められるであろうように、挿入速度は、Ｚ軸に沿って下向きの超音波ホーン３０の移動、したがって、アンビル３８の移動の率に相当する。そうした移動の率は、ＰＬＣ４２により制御される駆動装置５４により支配される。
【００２０】
本発明のＺピン挿着／挿入プロセスの一実施形態では、超音波ホーン３０が駆動装置５４によりＺ軸に沿って下向きに移動され、アンビル３８は隣接する担体プリフォーム１０の複数のＺピン２０のうちの一定のものを、最初に対応するフランジ部分２８を通じて基礎積層材２４の中へと約６．３５ｍｍ（０．２５インチ）毎秒の率で挿入するように作用する。通常、図２Ａに示す第１の距離Ｄ１を通じて、Ｚピン２０の挿入は約６．３５ｍｍ（０．２５インチ）毎秒の率で起こる。
【００２１】
ロードセル４０によりＰＬＣ４２へ伝送されるデータによって、超音波ホーン３０によりＺピン２０に対し加えられる挿入力の量が約１７８Ｎ（４０ポンド）に達することが示されるとき、駆動装置５４によるＺ軸に沿って下向きの超音波ホーン３０の移動の率、したがって挿入速度は、即座に約１．２７ｍｍ（０．０５０インチ）毎秒まで減少される。通常、やはり図２Ａに示す第２の距離Ｄ２を通じて、Ｚピン２０の挿入は約１．２７ｍｍ（０．０５０インチ）毎秒の率で起こる。このとき、ロードセル４０はＰＬＣ４２へ、アンビル３８により担体プリフォーム１０内のＺピン２０に対し加えられている下向きの力のレベルを表すデータの伝送を継続する。この力が約２２２Ｎ（５０ポンド）に達すると、Ｚピン２０は担体プリフォーム１０の上層１２および下層１４からハット型補強材２２の対応するフランジ部分２８を通じ下向きに押し進められ、基礎積層材２４を貫通して硬い用具表面またはバリアシート５６に接触したと仮定される。挿入力と挿入速度との間の関係を図５のグラフに示す。
【００２２】
本発明のＺピン挿着／挿入プロセスに関連して上で述べたように、挿入速度の変動性は
、ＰＬＣ４２へプログラムされているサーボ回路ソフトウェア５２により調整される。サーボ回路ソフトウェア５２は駆動装置５４の機能を調整するように適合されており、超音波ホーン３０の、したがってアンビル３８のＺ軸に沿って上下方向の運動を正確に制御／調整する。挿入の完了後、ロボット５０のエンドエフェクタの次の挿入の位置決定のため、ＰＬＣ４２は制御をロボットコントローラ４８へ返す。サーボモータ５４によりサーボ回路ソフトウェア５２へ伝送されるサーボループフィードバック５６は、ロードセル４０によりＰＬＣ４２へ、したがってサーボ回路ソフトウェア５２へ伝送されるデータと共に用いられ、上述の２速度挿入プロセスを実行するとともに、一定の安全機能を提供する。この安全機能を以下でさらに詳細に説明する。サーボループフィードバック５６と、ロードセル４０により伝送されるデータとによって、上述のようにして挿入プロセスを効果的に調整する、触覚フィードバック機構が提供される。
【００２３】
本発明のＺピン挿着／挿入プロセスではさらに、図３に示すＺピン挿入システム２９は、挿入ホーン３６の形成するアンビル３８がプリフォーム１０に接触する瞬間を検出することが可能な構成要素を備え得ると想定される。これに関して、ＰＬＣ４２へプログラムされているサーボ回路ソフトウェア５２は、誤ったトリガを防止するために、Ｚピン２０の挿入のうちの最初の約１０％の読取値（即ち、ロードセル４０またはサーボ回路フィードバック５６から伝送されるデータ）を無視するように適合されてよい。また、挿入プロセスを中断する約２２２Ｎ（５０ポンド重）のトリガがＰＬＣ４２により認識されない場合のバックアップとして、一定の製造システム安全条件が監視され得ると想定される。挿入プロセスを中断するためにシステム２９に組み込まれ（例えば、ＰＬＣ４２へプログラムされ）得る他の安全機能には、挿入時間の長さと、超音波ホーン３０により、したがってアンビル３８によりＺ軸に沿って移動される最大距離とが含まれる。これに関して、最大設定時間に達した場合、挿入は中断される。同様に、Ｚ軸に沿ったアンビル３８の移動距離により最大設定深度に達したことが示される場合も、挿入は中断される。
【００２４】
さらになお、さらなる安全機能の１つとして、挿入ホーン３６の温度が監視され得ると想定される。これに関して、挿入ホーン３６の温度が所与の閾値を超えた場合、現在の挿入に続くＺピン２０の挿入プロセスは停止され、さらなる挿入を進めるより前に挿入ホーン３６が冷却され得る。図５に示す挿入グラフは、Ｚピン２０がハット型補強材２２のフランジ部分２８および基礎積層材２４を完全に貫通したことの記録としても用いられ、それによって、検査者による手動検査の必要は除去される。全てのＺピン挿入が良好であった（即ち、完全に貫通した）か否かを自動的に判定するためのソフトウェアプログラムを作成し、ＰＬＣ４２へプログラムすることも可能である。このソフトウェアプログラムでは、全てのＺピン挿入が良好であったとのメッセージをオペレータへ送信するか、或いは、いずれの挿入がサーボ回路ソフトウェア５２のソフトウェア基準を満たさなかったかを後に再調査するためのエラーメッセージを記録する。認められるように、ハット型補強材２２を積層材２４へＺピン挿着するプロセスを完全に完了させるには、最終的にハット型補強材２２のフランジ部分２８を通じて基礎積層材２４の中へ全てのＺピン２０が進められるように、超音波ホーン３０のアンビル３８を全ての担体プリフォーム１０の全てのＺピン２０に対し連続的に作用させる必要に応じて、エンドエフェクタの駆動装置５４を移動させるようにＰＬＣ４２をプログラムすることが必要となる。
【００２５】
さらに本発明により、上述の自動化挿入プロセスと共に用いられ必要な全深度検査を自動的に実行し得る手法が提供され、ロボット５０のオペレータは許容不能な挿入の発生を警告する。上述のように、本発明の自動化挿入プロセスでは汎用挿入パラメータのセットが用いられることにより、一定の挿入力閾値に基づき２速度挿入プロセスが実施される。本発明の自動化検査方法では、超音波ホーン３０によりＺピン２０に対し加えられる挿入力が約１７８Ｎ（４０ポンド）に達することにより、挿入速度が初期の約６．３５ｍｍ（０．２５インチ）毎秒の率から約１．２７ｍｍ（０．０５０インチ）毎秒の必須の最低レ
ベルまで低下しているか否かを、さらには、挿入プロセス中に約２２２Ｎ（５０ポンド）の必須の最終挿入力に達したか否かが自動的に検査される。これらの特定のパラメータは、挿入プロセス中に生成されるデータを解析することにより、自動的に検査される。上述のように、そうしたデータはロードセル４０により生成され、ＰＬＣ４２へ伝送される。
【００２６】
したがって、本発明の自動化検査手法は（１）挿入速度が初期の約６．３５ｍｍ（０．２５インチ）毎秒の率から約１．２７ｍｍ（０．０５０インチ）毎秒の必須の最低レベルまで減少され、かつ、（２）約２２２Ｎ（５０ポンド）の挿入力限界閾値にも達するときには常に、許容可能な挿入がなされるという原理による。許容不能なＺピン挿入では、第１の条件（１）が満たされても、両方の条件（１，２）が満たされることはない。本発明の自動化検査手法を用いる許容可能および許容不能なＺピン挿入に関する挿入力と挿入速度との間の関係を、図６Ａ〜６Ｅのグラフに示す。これに関して、図６Ａ，６Ｄには許容可能な挿入を表す関係を示し、図６Ｂ，６Ｃ，６Ｅには許容不能な挿入を表す関係を示す。ＰＬＣ４２は、許容不能な挿入が発生したことをロボット５０のオペレータに警告する信号を提供するか、または、品質目的で挿入システム２９により生成される挿入データに警告メッセージを提供するようにプログラムされると想定される。本発明の自動化検査手法の実施により、Ｚピン２０の全深度挿入の手動検査は製造プロセスから除去され、コストが実質的に節約されると想定される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】複数のＺピンがその中へ埋め込まれている代表的なＺピン担体プリフォームの断面図。
【図１Ａ】図１に示すＺピン担体プリフォームの上面斜視図。
【図２】本発明の挿入システムおよびプロセスを用いてハット型補強材を基礎積層材に固定するためにハット型補強材上に担体プリフォームを配置する手法を示す断面図。
【図２Ａ】挿入システムの超音波ホーンの一部と、挿入プロセス中のプリフォームのうちの１つに対するその配向とをさらに示す、図２に示す円で囲まれた領域２の拡大図。
【図３】本発明の挿入プロセスを実施するために用いられる挿入システムに含まれる種々の構成要素を示す概略図。
【図４Ａ】本発明の挿入プロセスを実施するために用いられる挿入システムの超音波ホーンの側面図。
【図４Ｂ】本発明の挿入プロセスを実施するために用いられる挿入システムの超音波ホーンの端面図。
【図５】本発明の挿入プロセスを用いて達成される挿入力と挿入速度との間の関係を示すグラフ。
【図６Ａ】本発明の挿入プロセスを用いて達成される許容可能、許容不能なＺピン挿入に関連する挿入力と挿入速度との間の関係を示すグラフ。
【図６Ｂ】本発明の挿入プロセスを用いて達成される許容可能、許容不能なＺピン挿入に関連する挿入力と挿入速度との間の関係を示すグラフ。
【図６Ｃ】本発明の挿入プロセスを用いて達成される許容可能、許容不能なＺピン挿入に関連する挿入力と挿入速度との間の関係を示すグラフ。
【図６Ｄ】本発明の挿入プロセスを用いて達成される許容可能、許容不能なＺピン挿入に関連する挿入力と挿入速度との間の関係を示すグラフ。
【図６Ｅ】本発明の挿入プロセスを用いて達成される許容可能、許容不能なＺピン挿入に関連する挿入力と挿入速度との間の関係を示すグラフ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は強化複合材料に関する。より詳細には、本発明は未硬化複合材料積層物を互いにＺピン挿着／接合するための２速度挿入プロセスに関する。
【背景技術】
【０００２】
航空宇宙産業においては、航空宇宙用途の基本構造物として複合材料を使用することが次第に普及しつつある。従来の複合材料は樹脂マトリクス材料と、Ｘ−Ｙ軸方向に連続する２次元の若干の繊維材料とからなるが、材料の厚みを得るために複数層に積層される。ガラス繊維、炭素繊維またはアラミド繊維などの繊維材料を熱可塑性樹脂または熱硬化性樹脂などのマトリクス材料と組み合わせた複合材料構成は、従来の２次元構造物の一例である。
【０００３】
機体構造用複合材料など多くの構造用複合材料には、通常、様々な補強材が含まれる。補強材によって、一定の飛行荷重条件下において必要な剛性が与えられる。典型的な補強材の１つはハット（ｈａｔ）型補強材と呼ばれる。ハット型補強材は、その形状から命名されており、通常、その表面を介して航空宇宙構造用複合材料コンポーネントに対し取着されている。
【０００４】
従来、複合材料のハット型補強材は従来型の機械的固定具を用いてコンポーネントの表面に対し取着されていた。時々用いられる別の取着プロセスでは、ハット型補強材は構造用複合材料自体による硬化と同時に、構造用複合材料の表面に対し共硬化（ｃｏ−ｃｕｒｅ）されていた。しかしながら、この両方のプロセスや、ハット型補強材が表面に対し機械的に締結されるプロセスまたは接着剤により接合されるプロセスでは、通常、表面に対して内部のハット型補強材において故障が発生していた。
【０００５】
先述の取着プロセスを用いる故障の発生を解決するために、現在、航空宇宙産業においては、１つ以上の補強材を複合材料表面へ取着するためにＺピン挿着が頻繁に用いられる。これに関して、Ｚピンの開発、担体中にてＺピンを支持するための方法、および未硬化複合材料中へＺピンを挿入するための方法により、ハット型補強材と表面とを硬化するより前に互いに接合することが可能となった。Ｚピンを用いて複合材料部品を一体に接合することにより、軽量化、付加の分散の均一化、コスト低下、および両部品の共硬化など、従来の機械的固定具を超える幾つかの利点が提示される。ハット型補強材と共に用いられる現行のＺピン挿着プロセスの１つでは、基礎となる構造用複合材料、即ち、積層材の表面に対し固定されるハット型補強材の表面に、Ｚピン担体プリフォームが配置される。このプリフォームは、通常、複数のＺピンがその中へ埋め込まれている低密度フォームおよび高密度フォームの連続層からなる。このＺピンは、流体圧プレス装置または超音波装置（例えば、超音波励起ホーン）などの装置を用いて、担体プリフォームからハット型補強材を通じて基礎積層材の中へと、押し進められる。超音波装置は高周波エネルギーを用いて担体プリフォーム内でＺピンを振動させ、補強材を通じて基礎積層材の中へと押し進める。
【０００６】
Ｚピン挿着プロセスにおいて効率化を図る目的では、ロボットを用いてＺピンを自動的に挿入することは非常に望ましい。しかしながら、Ｚピン挿着プロセスに伴う多くの変数に適応するには特殊な手法が必要であるため、Ｚピン挿着プロセスを自動化する試みは困難であることが判明した。より詳細には、自動化挿入における主要な変数は、挿入速度、挿入力、材料の経時、材料厚、積層材のホット・デバルク量、ホーンの励起の振幅、（超
音波ホーンを用いる場合）、Ｚピンの耐荷重性能、および挿入時間である。Ｚピンの挿入が速すぎると、ピンに過度な力が加えられることにより、ピンを破壊するか、または、接合されている部品にピンを完全には貫通させないことになる。Ｚピンの挿入が遅すぎると、余分な時間がかかることにより、妥当な投資収益が得られないか、または、プリフォームを過熱して火災の恐れを生じる。超音波ホーンが用いられる場合、ホーン振動の振幅を増大させることにより挿入をより速めることが可能であるが、プリフォームに過剰なエネルギーを与え、Ｚピンの過剰挿入と、プリフォームの溶融とを生じる恐れは増大する。さらに、条件の１つのセットが、新しい、全厚の小さい材料に対して良好であっても、経時後の最大厚の材料（例えば、３０日経時後の材料）に対しては最適でない場合がある。実際、先述の変数のうちの多くは非線形的に相互作用するため、所与の組み合わせにより挿入の成功を予測することは非常に困難である。さらなる制限として、プロセスにおいて良好な投資収益を生じるために挿入時間は充分に速いことが必要である。したがって、製造環境における自動化Ｚピン挿入では、設計仕様において遭遇し得る全ての変動に適応する、挿入パラメータの単一のセット（汎用パラメータ）の必要が存在する。
【０００７】
自動化Ｚピン挿入プロセスにおいて用いられる挿入パラメータの単一のセットの必要は、本出願人の同時継続出願である「汎用挿入パラメータを用いる自動化Ｚピン挿入方法（ＡＵＴＯＭＡＴＥＤ Ｚ−ＰＩＮ ＩＮＳＥＲＴＩＯＮ ＴＥＣＨＮＩＱＵＥ ＵＳＩＮＧ ＵＮＩＶＥＲＳＡＬ ＩＮＳＥＲＴＩＯＮ ＰＡＲＡＭＥＴＥＲＳ）」と題する２００５年６月２２日出願の特許文献１において対処されている。この出願の開示を引用により本明細書に援用する。しかしながら、現行の既知の手動挿入プロセスを用いると、Ｚピンが完全に適正な深度まで挿入されたことを確認するためには、通常、さらに手動の追跡検査工程が必要である。より詳細には、現行で実施されている手動の検査プロセスにおいては、挿入プロセスが完了すると、Ｚピンが複合材料積層材の中へ充分に押し込まれ全深度に到達したか否かを判定するために、簡単な計器を用いてＺピン担体プリフォームの高さが測定される。この場合の「全深度」は、Ｚピンが複合材料積層材を完全に貫通し、接合用具表面に達したことを意味している。硬化に続き、Ｚピンが実際に複合材料積層材のプライを接合用具表面まで貫通したことを確認するため、さらなる目視検査が行われる。Ｚピンが全深度まで挿入されたことを確認するために、特許文献１に記載の自動化Ｚピン挿入プロセス／システムに関して、同様の手動検査プロセスが実施され得ると想定される。これに関して、自動化挿入プロセス／システムでは、検査者がこの検査プロセスを実行するための新規な計器が設計及び製造される必要があり得る。
【特許文献１】米国特許出願第１１／１５８，４００号明細書
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
したがって、必要な全深度挿入を自動的に実行し、許容不能な挿入の発生を警告するオペレータへ警告するための、自動化Ｚピン挿入プロセス／システムと共に用いられ得る方法が必要である。本発明では、以下でさらに詳細に説明するようにして、この必要に対処する。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明により、未硬化複合材料積層物を互いにＺピン挿着／接合するための２速度挿入プロセスを実施するためのシステムが提供される。本発明の挿入プロセスでは、Ｚピン担体プリフォーム内のＺピンに超音波エネルギーを供給するために超音波ホーンが用いられる。この挿入プロセスでは、挿入中に遭遇される抵抗力に基づき挿入速度をより低い挿入速度へと変更する、触覚フィードバックシステムが提供される。システムは一般的な条件に適合するので、オペレータの介入は不要である。この２速度プロセスを用いることにより、１速度挿入手法を用いては不可能な種々の条件の複合材料積層材中へＺピンを挿入することが可能である。
【００１０】
本発明の挿入プロセスは、Ｚピン挿入プロセス中に存在する条件に基づき、上述の変数、即ち、パラメータのうちの１つ以上を効果的に変化させる。本発明のプロセスは、Ｚピンを積層材の中へ押し進めるために加えられる力を監視し、この情報を用いて挿入速度を変化させるのに効果的であるように、初期条件、即ち、材料の経時および厚さに関するパラメータを無視する。本発明の一実施形態では、最初にＺピンは約６．３５ｍｍ（０．２５インチ）毎秒の率で挿入され、挿入力が約１７８Ｎ（４０ポンド）に達すると、挿入速度は即座に約１．２７ｍｍ（０．０５０インチ）毎秒まで減少される。挿入力が約２２２Ｎ（５０ポンド）に達すると、Ｚピンは積層材を貫通し、硬い用具表面（またはバリアシート）に接触していると仮定される。
【００１１】
本発明の挿入プロセスの一部として、超音波ホーンがプリフォームに接触する瞬間が検出されると、誤ったトリガを防止するために、挿入のうちの最初の１０％の読取値は無視される。これに加えて、挿入プロセス中に約２２２Ｎ（５０ポンド）のトリガが認識されない場合のバックアップとして、製造システム安全条件も監視される。挿入プロセスを中断するために本発明のプロセスに用いられ得る他の安全機能には、挿入時間の長さと、超音波ホーンの移動の最大距離とが含まれる。最大設定時間に達した場合、挿入は中断される。同様に、最大設定深度に達した場合も挿入は中断される。さらなる安全機能の１つには、挿入ホーンの温度の遠隔監視が含まれる。ホーン温度が所与の閾値を超えた場合、現在の挿入に続く挿入プロセスは停止され、さらなる挿入に進む前にホーンが冷却される。
【００１２】
さらに本発明により、上述の自動化挿入プロセスと共に用いられ必要な全深度検査を自動的に実行し得る方法が提供され、ロボットオペレータは許容不能な挿入の発生を警告する。上述のように、本発明の自動化挿入プロセスでは汎用挿入パラメータのセットが用いられることにより、一定の挿入力閾値に基づき２速度挿入プロセスが実施される。本発明の自動化検査方法では挿入速度が必須の最低レベルまで低下しているか否か、さらには、挿入プロセス中に必須の最終挿入力に達したか否かが自動的に検査される。これらの特定のパラメータは、挿入プロセス中に生成されるデータを解析することにより、自動的に検査される。より詳細には、この自動化検査方法は、約１７８Ｎ（４０ポンド）の挿入力閾値に達することにより挿入速度が約６．３５ｍｍ（０．２５インチ）毎秒から減少され、かつ、約２２２Ｎ（５０ポンド）の挿入力限界閾値にも達するときには常に、許容可能な挿入がなされるという原理による。許容不能なＺピン挿入では、第１の条件が満たされても、両方の条件が満たされることはない。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図１，１Ａはそれぞれ、以下でさらに詳細に説明する本発明のＺピン挿着プロセスにおいて用いられる、代表的なＺピン担体プリフォーム１０の断面図、上面斜視図である。担体プリフォーム１０は低密度フォームからなる上層１２と、高密度フォームからなる下層１４とを備える。下層１４は上層１２と連続している。これに関して、下層１４の上面は上層１２の下面に隣接している。上層１２の上面を覆っているのはポリオレフィンからなる層１６である。層１６はペーパーから作られる層１８により覆われている。したがって、層１６は層１８と上層１２との間に位置する。
【００１４】
層１２，１４，１６，１８に加えて、担体プリフォーム１０は複数のＺピン２０を備える。複数のＺピン２０は上層１２および下層１４内に埋め込まれている。より詳細には、Ｚピン２０は上層１２の上面（層１６により覆われている）と、下層１４の露出している下面との間に、ほぼ直立して伸びている。また好適には、Ｚピン２０は互いに関してほぼ平行に離間して伸びており、上層１２および下層１４内に、多様な所定のパターンのうちの１つにより埋め込まれてよい。したがって、上層１２および下層１４内のＺピン２０の数、間隔および全体の配置は用途により異なるため、図１に示すＺピン２０の特定のパタ
ーン、即ち、配置は、単なる例である。Ｚピン２０に一般的に用いられる材料の１つはグラファイトであり、通常、Ｚピン２０はビスマレイミド（ＢＭＩ）樹脂により硬化された炭素繊維である。図１Ａに示すように、担体プリフォーム１０はほぼ方形の構成であり、長さＬは約３０．５ｃｍ（１２インチ）、幅Ｗは約２．７９ｃｍ（１．１インチ）、高さＨは約１．２７ｃｍ（０．５インチ）である。しかしながら、担体プリフォーム１０は特定の用途に応じて多様な異なった構成により提供され得るため、図１Ａに示す担体プリフォーム１０の構成も単なる例であることを、当業者は認めるであろう。代表的な担体プリフォーム１０の１つは、アズテックス社（Ａｚｔｅｘ，Ｉｎｃ．）により提供されるＺ−Ｆｉｂｅｒ（商標）である。
【００１５】
上述のように、本発明のＺピン挿着システムおよびプロセスは、未硬化複合材料積層材を互いに接合するために適切に用いられる。ここで図２，２Ａを参照する。本発明の挿入システムおよびプロセスの典型的な用途は、基礎となる複合材料積層材２４へ複合材料のハット型補強材２２を取着することである。図２に示すように、ハット型補強材２２は長尺状の拡がった中央部分２６と、中央部分２６に一体に接続され、かつ、中央部分２６のそれぞれの側に沿って伸びている一対のフランジ部分２８とを備える。各フランジ部分２８の底面は積層材２４の上面に沿って伸び、積層材２４の上面に接触している。底面に加えて、各フランジ部分２８は、積層材２４の上面に対してわずかに傾いて伸びている上面を有する。図２，２Ａに示すように、積層材２４の上面に対する各フランジ部分２８の上面の角度は、ほぼ１２度である。以下では、特に積層材２４へのハット型補強材２２の取着に関し、本発明のＺピン挿着システムおよびプロセスを説明するが、そうしたシステムおよびプロセスは任意の複合材料積層材構造物を互いに固定するために適切に用いられ、積層材２４へのハット型補強材２２の固定に用いることに限定されないことを当業者は認めるであろう。
【００１６】
ここで図３を参照する。図３には、本発明のＺピン挿着プロセスを実施するために用いられる挿入システム２９に含まれる種々の構成要素の概略図を示す。好適な一実施形態では、システム２９は超音波ホーン３０を備える。超音波ホーン３０を図４Ａ，４Ｂに詳細に示す。超音波ホーン３０はコンバータ３２を備え、コンバータ３２はブースタ３４に動作可能に接続されている。ブースタ３４は挿入ホーン３６に動作可能に接続されており、挿入ホーン３６の先端は、ほぼ平らなアンビル３８を形成している。
【００１７】
超音波ホーン３０に加えて、システム２９はロードセル４０を備える。ロードセル４０は超音波ホーン３０のコンバータ３２に隣接して配置されており、プログラマブル論理コントローラ（ＰＬＣ）４２と電気的に通信している。また、ＰＬＣ４２は超音波出力源４４とも電気的に通信しており、超音波出力源４４は超音波ホーン３０のコンバータ３２と電気的に通信している。さらにＰＬＣ４２は、ロボットコントローラ４８と通信するＨＭＩインタフェース４６を装備している。ロボットコントローラ４８は多軸ロボット５０と電気的に通信する。多軸ロボット５０は、本発明の挿入／Ｚピン挿着プロセスを用いて互いに固定される複合材料積層材に対する超音波ホーン３０の移動を制御および調整することが可能であるように、超音波ホーン３０に動作可能に接続されている。
【００１８】
再び図２，２Ａを参照する。図３に示すシステム２９を用いてハット型補強材２２を積層材２４へ取着する際、最初に担体プリフォーム１０をハット型補強材２２のフランジ部分２８の上面の上に配置すると想定される。次に、ロボット５０はロボット５０のロボットエンドエフェクタを所定の位置、即ち、担体プリフォーム１０のうちの１つに対する位置へと誘導する。エンドエフェクタには、超音波ホーン３０、単軸のサーボモータ、即ち、駆動装置５４及びＰＬＣ４２用のドライバが配置されている。より詳細には、超音波ホーン３０のアンビル３８は第１の位置Ｐ１（図２Ａに示す）へと誘導される。第１の位置Ｐ１は、担体プリフォーム１０のうちの１つの約５．０８ｍｍ（０．２００インチ）上方
である。エンドエフェクタが初期位置に到達すると、ロボットコントローラ４８は、ロボット５０の位置を「静止（ｆｒｅｅｚｅ）」させ、挿入プロセスの制御をＰＬＣ４２へ渡す。ＰＬＣ４２はエンドエフェクタの単軸の駆動装置５４と通信し、単軸の駆動装置５４にアンビル３８を第２の位置Ｐ２へ移動させる。第２の位置Ｐ２は、隣接する担体プリフォーム１０の約２．５４ｍｍ（０．１００インチ）上方である。第２の位置Ｐ２へのアンビル３８の移動により、担体プリフォーム１０内からハット型補強材２２の対応するフランジ部分２８を通じて基礎積層材２４の中へのＺピン２０の挿入プロセスの開始がトリガされる。
【００１９】
Ｚピン挿着プロセスが開始すると、超音波ホーン３０はエンドエフェクタ（及び詳細には駆動装置５４）により上下方向のＺ軸（図２Ａに示す）に沿って下向きに移動され、アンビル３８が担体プリフォーム１０の一部と直に接触する。超音波ホーン３０が担体プリフォーム１０へ向けて移動され、アンビル３８が担体プリフォーム１０に接触し、ロードセル４０により約１３．３Ｎ（約３ポンド重）が測定されるとき、超音波エネルギーが発生され、挿入プロセスが継続する。このＺ軸に沿って下向きの移動は、アンビル３８がアンビル３８の直下に位置する担体プリフォーム１０のＺピン２０に下向きの圧力を働かせる／保持するように継続される。認められるであろうように、超音波ホーン３０による機械的運動（即ち、超音波ホーン３０のＺ軸に沿って下向きの移動）と、超音波エネルギーとの組み合わせにより、Ｚピン２０は担体プリフォーム１０からハット型補強材を通じてハット型補強材２２の中へと効果的に押し進められる。これに関して、Ｚピン挿入プロセス中、アンビル３８により担体プリフォーム１０に対し加えられる、ハット型補強材２２の対応するフランジ部分２８を通じて基礎積層材２４の中へとＺピン２０を押し進める力は、ロードセル４０により監視される。上述のように、ロードセル４０はＰＬＣ４２と電気的に通信している。ロードセル４０によりＰＬＣ４２へ伝送されるデータはＺピン２０の挿入速度を変化させるために用いられる。認められるであろうように、挿入速度は、Ｚ軸に沿って下向きの超音波ホーン３０の移動、したがって、アンビル３８の移動の率に相当する。そうした移動の率は、ＰＬＣ４２により制御される駆動装置５４により支配される。
【００２０】
本発明のＺピン挿着／挿入プロセスの一実施形態では、超音波ホーン３０が駆動装置５４によりＺ軸に沿って下向きに移動され、アンビル３８は隣接する担体プリフォーム１０の複数のＺピン２０のうちの一定のものを、最初に対応するフランジ部分２８を通じて基礎積層材２４の中へと約６．３５ｍｍ（０．２５インチ）毎秒の率で挿入するように作用する。通常、図２Ａに示す第１の距離Ｄ１を通じて、Ｚピン２０の挿入は約６．３５ｍｍ（０．２５インチ）毎秒の率で起こる。
【００２１】
ロードセル４０によりＰＬＣ４２へ伝送されるデータによって、超音波ホーン３０によりＺピン２０に対し加えられる挿入力の量が約１７８Ｎ（４０ポンド）に達することが示されるとき、駆動装置５４によるＺ軸に沿って下向きの超音波ホーン３０の移動の率、したがって挿入速度は、即座に約１．２７ｍｍ（０．０５０インチ）毎秒まで減少される。通常、やはり図２Ａに示す第２の距離Ｄ２を通じて、Ｚピン２０の挿入は約１．２７ｍｍ（０．０５０インチ）毎秒の率で起こる。このとき、ロードセル４０はＰＬＣ４２へ、アンビル３８により担体プリフォーム１０内のＺピン２０に対し加えられている下向きの力のレベルを表すデータの伝送を継続する。この力が約２２２Ｎ（５０ポンド）に達すると、Ｚピン２０は担体プリフォーム１０の上層１２および下層１４からハット型補強材２２の対応するフランジ部分２８を通じ下向きに押し進められ、基礎積層材２４を貫通して硬い用具表面またはバリアシート５６に接触したと仮定される。挿入力と挿入速度との間の関係を図５のグラフに示す。
【００２２】
本発明のＺピン挿着／挿入プロセスに関連して上で述べたように、挿入速度の変動性は
、ＰＬＣ４２へプログラムされているサーボ回路ソフトウェア５２により調整される。サーボ回路ソフトウェア５２は駆動装置５４の機能を調整するように適合されており、超音波ホーン３０の、したがってアンビル３８のＺ軸に沿って上下方向の運動を正確に制御／調整する。挿入の完了後、ロボット５０のエンドエフェクタの次の挿入の位置決定のため、ＰＬＣ４２は制御をロボットコントローラ４８へ返す。サーボモータ５４によりサーボ回路ソフトウェア５２へ伝送されるサーボループフィードバック５６は、ロードセル４０によりＰＬＣ４２へ、したがってサーボ回路ソフトウェア５２へ伝送されるデータと共に用いられ、上述の２速度挿入プロセスを実行するとともに、一定の安全機能を提供する。この安全機能を以下でさらに詳細に説明する。サーボループフィードバック５６と、ロードセル４０により伝送されるデータとによって、上述のようにして挿入プロセスを効果的に調整する、触覚フィードバック機構が提供される。
【００２３】
本発明のＺピン挿着／挿入プロセスではさらに、図３に示すＺピン挿入システム２９は、挿入ホーン３６の形成するアンビル３８がプリフォーム１０に接触する瞬間を検出することが可能な構成要素を備え得ると想定される。これに関して、ＰＬＣ４２へプログラムされているサーボ回路ソフトウェア５２は、誤ったトリガを防止するために、Ｚピン２０の挿入のうちの最初の約１０％の読取値（即ち、ロードセル４０またはサーボ回路フィードバック５６から伝送されるデータ）を無視するように適合されてよい。また、挿入プロセスを中断する約２２２Ｎ（５０ポンド重）のトリガがＰＬＣ４２により認識されない場合のバックアップとして、一定の製造システム安全条件が監視され得ると想定される。挿入プロセスを中断するためにシステム２９に組み込まれ（例えば、ＰＬＣ４２へプログラムされ）得る他の安全機能には、挿入時間の長さと、超音波ホーン３０により、したがってアンビル３８によりＺ軸に沿って移動される最大距離とが含まれる。これに関して、最大設定時間に達した場合、挿入は中断される。同様に、Ｚ軸に沿ったアンビル３８の移動距離により最大設定深度に達したことが示される場合も、挿入は中断される。
【００２４】
さらになお、さらなる安全機能の１つとして、挿入ホーン３６の温度が監視され得ると想定される。これに関して、挿入ホーン３６の温度が所与の閾値を超えた場合、現在の挿入に続くＺピン２０の挿入プロセスは停止され、さらなる挿入を進めるより前に挿入ホーン３６が冷却され得る。図５に示す挿入グラフは、Ｚピン２０がハット型補強材２２のフランジ部分２８および基礎積層材２４を完全に貫通したことの記録としても用いられ、それによって、検査者による手動検査の必要は除去される。全てのＺピン挿入が良好であった（即ち、完全に貫通した）か否かを自動的に判定するためのソフトウェアプログラムを作成し、ＰＬＣ４２へプログラムすることも可能である。このソフトウェアプログラムでは、全てのＺピン挿入が良好であったとのメッセージをオペレータへ送信するか、或いは、いずれの挿入がサーボ回路ソフトウェア５２のソフトウェア基準を満たさなかったかを後に再調査するためのエラーメッセージを記録する。認められるように、ハット型補強材２２を積層材２４へＺピン挿着するプロセスを完全に完了させるには、最終的にハット型補強材２２のフランジ部分２８を通じて基礎積層材２４の中へ全てのＺピン２０が進められるように、超音波ホーン３０のアンビル３８を全ての担体プリフォーム１０の全てのＺピン２０に対し連続的に作用させる必要に応じて、エンドエフェクタの駆動装置５４を移動させるようにＰＬＣ４２をプログラムすることが必要となる。
【００２５】
さらに本発明により、上述の自動化挿入プロセスと共に用いられ必要な全深度検査を自動的に実行し得る手法が提供され、ロボット５０のオペレータは許容不能な挿入の発生を警告する。上述のように、本発明の自動化挿入プロセスでは汎用挿入パラメータのセットが用いられることにより、一定の挿入力閾値に基づき２速度挿入プロセスが実施される。本発明の自動化検査方法では、超音波ホーン３０によりＺピン２０に対し加えられる挿入力が約１７８Ｎ（４０ポンド）に達することにより、挿入速度が初期の約６．３５ｍｍ（０．２５インチ）毎秒の率から約１．２７ｍｍ（０．０５０インチ）毎秒の必須の最低レ
ベルまで低下しているか否かを、さらには、挿入プロセス中に約２２２Ｎ（５０ポンド）の必須の最終挿入力に達したか否かが自動的に検査される。これらの特定のパラメータは、挿入プロセス中に生成されるデータを解析することにより、自動的に検査される。上述のように、そうしたデータはロードセル４０により生成され、ＰＬＣ４２へ伝送される。
【００２６】
したがって、本発明の自動化検査手法は（１）挿入速度が初期の約６．３５ｍｍ（０．２５インチ）毎秒の率から約１．２７ｍｍ（０．０５０インチ）毎秒の必須の最低レベルまで減少され、かつ、（２）約２２２Ｎ（５０ポンド）の挿入力限界閾値にも達するときには常に、許容可能な挿入がなされるという原理による。許容不能なＺピン挿入では、第１の条件（１）が満たされても、両方の条件（１，２）が満たされることはない。本発明の自動化検査手法を用いる許容可能および許容不能なＺピン挿入に関する挿入力と挿入速度との間の関係を、図６Ａ〜６Ｅのグラフに示す。これに関して、図６Ａ，６Ｄには許容可能な挿入を表す関係を示し、図６Ｂ，６Ｃ，６Ｅには許容不能な挿入を表す関係を示す。ＰＬＣ４２は、許容不能な挿入が発生したことをロボット５０のオペレータに警告する信号を提供するか、または、品質目的で挿入システム２９により生成される挿入データに警告メッセージを提供するようにプログラムされると想定される。本発明の自動化検査手法の実施により、Ｚピン２０の全深度挿入の手動検査は製造プロセスから除去され、コストが実質的に節約されると想定される。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】複数のＺピンがその中へ埋め込まれている代表的なＺピン担体プリフォームの断面図。
【図１Ａ】図１に示すＺピン担体プリフォームの上面斜視図。
【図２】本発明の挿入システムおよびプロセスを用いてハット型補強材を基礎積層材に固定するためにハット型補強材上に担体プリフォームを配置する手法を示す断面図。
【図２Ａ】挿入システムの超音波ホーンの一部と、挿入プロセス中のプリフォームのうちの１つに対するその配向とをさらに示す、図２に示す円で囲まれた領域２の拡大図。
【図３】本発明の挿入プロセスを実施するために用いられる挿入システムに含まれる種々の構成要素を示す概略図。
【図４Ａ】本発明の挿入プロセスを実施するために用いられる挿入システムの超音波ホーンの側面図。
【図４Ｂ】本発明の挿入プロセスを実施するために用いられる挿入システムの超音波ホーンの端面図。
【図５】本発明の挿入プロセスを用いて達成される挿入力と挿入速度との間の関係を示すグラフ。
【図６Ａ】本発明の挿入プロセスを用いて達成される許容可能、許容不能なＺピン挿入に関連する挿入力と挿入速度との間の関係を示すグラフ。
【図６Ｂ】本発明の挿入プロセスを用いて達成される許容可能、許容不能なＺピン挿入に関連する挿入力と挿入速度との間の関係を示すグラフ。
【図６Ｃ】本発明の挿入プロセスを用いて達成される許容可能、許容不能なＺピン挿入に関連する挿入力と挿入速度との間の関係を示すグラフ。
【図６Ｄ】本発明の挿入プロセスを用いて達成される許容可能、許容不能なＺピン挿入に関連する挿入力と挿入速度との間の関係を示すグラフ。
【図６Ｅ】本発明の挿入プロセスを用いて達成される許容可能、許容不能なＺピン挿入に関連する挿入力と挿入速度との間の関係を示すグラフ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
複合材料積層材中への１つ以上のＺピンの許容可能な挿入を自動的に確認する方法であって、
（ａ）複合材料積層材上に１つ以上のＺピンを配置する工程と、
（ｂ）第１の挿入速度にて複合材料積層材の中へＺピンを押し進める挿入プロセスを開始するのに充分な第１のレベルの挿入力をＺピンに加える工程と、
（ｃ）Ｚピンに対し加えられる挿入力を監視する工程と、
（ｄ）挿入力の第１のレベルから第２のレベルまでの増大を監視することに応答して、第１の挿入速度を第２の挿入速度まで減少する工程と、
（ｅ）挿入力の第２のレベルから第３のレベルまでの増大を監視することに応答して、Ｚピンに挿入力を加えることを中断し、挿入プロセスを中断する工程と、
（ｆ）工程（ｄ）における第１の挿入速度から第２の挿入速度までの減少及び工程（ｅ）における挿入力の第３のレベルまでの増大を確認する工程とからなる方法。
【請求項２】
工程（ｂ）におけるＺピンの第１の挿入速度は約６．３５ｍｍ（０．２５インチ）毎秒である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
工程（ｄ）におけるＺピンの第２の挿入速度は約１．２７ｍｍ（０．０５０インチ）毎秒まで減少される請求項２に記載の方法。
【請求項４】
工程（ｄ）においてＺピンに加えられる第２のレベルの挿入力は約１７８Ｎ（４０ポンド）である請求項３に記載の方法。
【請求項５】
工程（ｅ）においてＺピンに加えられる第３のレベルの挿入力は約２２２Ｎ（５０ポンド）である請求項４に記載の方法。
【請求項６】
工程（ｂ）及び（ｄ）においてＺピンに挿入力を加えるために超音波ホーンを用いる請求項１に記載の方法。
【請求項７】
工程（ｃ）において監視したＺピンに対し加えられる挿入力に対応する読取値は挿入プロセスのうちの所定の初期増加を通じて無視される請求項１に記載の方法。
【請求項８】
工程（ｅ）は、挿入プロセスの完了に対する最大設定時間の経過に応答して、Ｚピンに挿入力を加えることを中断し、挿入プロセスを中断する工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項９】
工程（ｅ）は、Ｚピンが最大設定深度まで複合材料積層材の中へ押し進められていることに応答して、Ｚピンに挿入力を加えることを中断し、挿入プロセスを中断する工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
工程（ｂ）及び（ｄ）においてＺピンに挿入力を加えるために超音波ホーンを用いることと、
工程（ｅ）は、超音波ホーンが所定の最大温度レベルに達していることに応答して、Ｚピンに挿入力を加えることを中断し、挿入プロセスを中断する工程を含むことと、を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
第１及び第２の複合材料積層材中への複数のＺピンの許容可能な挿入を自動的に確認する方法であって、
（ａ）第１の複合材料積層材上にＺピンを配置する工程と、
（ｂ）第１の挿入速度にて第１の複合材料積層材を通じて第２の複合材料積層材の中へＺピンを押し進める挿入プロセスを開始するのに充分な第１のレベルの挿入力をＺピンに加える工程と、
（ｃ）Ｚピンに対し加えられる挿入力を監視する工程と、
（ｄ）挿入力の第１のレベルから第２のレベルまでの増大を監視することに応答して、第１の挿入速度を第２の挿入速度まで減少する工程と、
（ｅ）挿入力の第２のレベルから第３のレベルまでの増大を監視することに応答して、Ｚピンに挿入力を加えることを中断し、挿入プロセスを中断する工程と、
（ｆ）工程（ｄ）における第１の挿入速度から第２の挿入速度までの減少及び工程（ｅ）における挿入力の第３のレベルまでの増大を確認する工程とからなる方法。
【請求項１２】
工程（ｂ）及び（ｄ）においてＺピンに挿入力を加えるために超音波ホーンを用いる請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
工程（ｃ）において監視したＺピンに対し加えられる挿入力に対応する読取値は挿入プロセスのうちの所定の初期増加を通じて無視される請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
工程（ｅ）は、挿入プロセスの完了に対する最大設定時間の経過に応答して、Ｚピンに挿入力を加えることを中断し、挿入プロセスを中断する工程を含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
工程（ｅ）は、各Ｚピンが最大設定深度まで第１及び第２の複合材料積層材の中へ押し進められていることに応答して、Ｚピンに挿入力を加えることを中断し、挿入プロセスを中断する工程を含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
工程（ｂ）及び（ｄ）においてＺピンに挿入力を加えるために超音波ホーンを用いることと、
工程（ｅ）は、超音波ホーンが所定の最大温度レベルに達していることに応答して、Ｚピンに挿入力を加えることを中断し、挿入プロセスを中断する工程を含むことと、を含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
工程（ａ）において第１の複合材料積層材上に位置する共通の担体プリフォーム内にＺピンが配置される請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
工程（ｂ）におけるＺピンの第１の挿入速度は約６．３５ｍｍ（０．２５インチ）毎秒である請求項１１に記載の方法。
【請求項１９】
工程（ｄ）におけるＺピンの第２の挿入速度は約１．２７ｍｍ（０．０５０インチ）毎秒まで減少される請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
工程（ｄ）においてＺピンに加えられる第２のレベルの挿入力は約１７８Ｎ（４０ポンド）であることと、
工程（ｅ）においてＺピンに加えられる第３のレベルの挿入力は約２２２Ｎ（５０ポンド）であることと、を含む請求項１９に記載の方法。
【請求項１】
複合材料積層材中への１つ以上のＺピンの許容可能な挿入を自動的に確認する方法であって、
（ａ）複合材料積層材上に１つ以上のＺピンを配置する工程と、
（ｂ）第１の挿入速度にて複合材料積層材の中へＺピンを押し進める挿入プロセスを開始するのに充分な第１のレベルの挿入力をＺピンに加える工程と、
（ｃ）Ｚピンに対し加えられる挿入力を監視する工程と、
（ｄ）挿入力の第１のレベルから第２のレベルまでの増大を監視することに応答して、第１の挿入速度を第２の挿入速度まで減少する工程と、
（ｅ）挿入力の第２のレベルから第３のレベルまでの増大を監視することに応答して、Ｚピンに挿入力を加えることを中断し、挿入プロセスを中断する工程と、
（ｆ）工程（ｄ）における第１の挿入速度から第２の挿入速度までの減少及び工程（ｅ）における挿入力の第３のレベルまでの増大を確認する工程とからなる方法。
【請求項２】
工程（ｂ）におけるＺピンの第１の挿入速度は約６．３５ｍｍ（０．２５インチ）毎秒である請求項１に記載の方法。
【請求項３】
工程（ｄ）におけるＺピンの第２の挿入速度は約１．２７ｍｍ（０．０５０インチ）毎秒まで減少される請求項２に記載の方法。
【請求項４】
工程（ｄ）においてＺピンに加えられる第２のレベルの挿入力は約１７８Ｎ（４０ポンド）である請求項３に記載の方法。
【請求項５】
工程（ｅ）においてＺピンに加えられる第３のレベルの挿入力は約２２２Ｎ（５０ポンド）である請求項４に記載の方法。
【請求項６】
工程（ｂ）及び（ｄ）においてＺピンに挿入力を加えるために超音波ホーンを用いる請求項１に記載の方法。
【請求項７】
工程（ｃ）において監視したＺピンに対し加えられる挿入力に対応する読取値は挿入プロセスのうちの所定の初期増加を通じて無視される請求項１に記載の方法。
【請求項８】
工程（ｅ）は、挿入プロセスの完了に対する最大設定時間の経過に応答して、Ｚピンに挿入力を加えることを中断し、挿入プロセスを中断する工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項９】
工程（ｅ）は、Ｚピンが最大設定深度まで複合材料積層材の中へ押し進められていることに応答して、Ｚピンに挿入力を加えることを中断し、挿入プロセスを中断する工程を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１０】
工程（ｂ）及び（ｄ）においてＺピンに挿入力を加えるために超音波ホーンを用いることと、
工程（ｅ）は、超音波ホーンが所定の最大温度レベルに達していることに応答して、Ｚピンに挿入力を加えることを中断し、挿入プロセスを中断する工程を含むことと、を含む請求項１に記載の方法。
【請求項１１】
第１及び第２の複合材料積層材中への複数のＺピンの許容可能な挿入を自動的に確認する方法であって、
（ａ）第１の複合材料積層材上にＺピンを配置する工程と、
（ｂ）第１の挿入速度にて第１の複合材料積層材を通じて第２の複合材料積層材の中へＺピンを押し進める挿入プロセスを開始するのに充分な第１のレベルの挿入力をＺピンに加える工程と、
（ｃ）Ｚピンに対し加えられる挿入力を監視する工程と、
（ｄ）挿入力の第１のレベルから第２のレベルまでの増大を監視することに応答して、第１の挿入速度を第２の挿入速度まで減少する工程と、
（ｅ）挿入力の第２のレベルから第３のレベルまでの増大を監視することに応答して、Ｚピンに挿入力を加えることを中断し、挿入プロセスを中断する工程と、
（ｆ）工程（ｄ）における第１の挿入速度から第２の挿入速度までの減少及び工程（ｅ）における挿入力の第３のレベルまでの増大を確認する工程とからなる方法。
【請求項１２】
工程（ｂ）及び（ｄ）においてＺピンに挿入力を加えるために超音波ホーンを用いる請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】
工程（ｃ）において監視したＺピンに対し加えられる挿入力に対応する読取値は挿入プロセスのうちの所定の初期増加を通じて無視される請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】
工程（ｅ）は、挿入プロセスの完了に対する最大設定時間の経過に応答して、Ｚピンに挿入力を加えることを中断し、挿入プロセスを中断する工程を含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１５】
工程（ｅ）は、各Ｚピンが最大設定深度まで第１及び第２の複合材料積層材の中へ押し進められていることに応答して、Ｚピンに挿入力を加えることを中断し、挿入プロセスを中断する工程を含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１６】
工程（ｂ）及び（ｄ）においてＺピンに挿入力を加えるために超音波ホーンを用いることと、
工程（ｅ）は、超音波ホーンが所定の最大温度レベルに達していることに応答して、Ｚピンに挿入力を加えることを中断し、挿入プロセスを中断する工程を含むことと、を含む請求項１１に記載の方法。
【請求項１７】
工程（ａ）において第１の複合材料積層材上に位置する共通の担体プリフォーム内にＺピンが配置される請求項１１に記載の方法。
【請求項１８】
工程（ｂ）におけるＺピンの第１の挿入速度は約６．３５ｍｍ（０．２５インチ）毎秒である請求項１１に記載の方法。
【請求項１９】
工程（ｄ）におけるＺピンの第２の挿入速度は約１．２７ｍｍ（０．０５０インチ）毎秒まで減少される請求項１８に記載の方法。
【請求項２０】
工程（ｄ）においてＺピンに加えられる第２のレベルの挿入力は約１７８Ｎ（４０ポンド）であることと、
工程（ｅ）においてＺピンに加えられる第３のレベルの挿入力は約２２２Ｎ（５０ポンド）であることと、を含む請求項１９に記載の方法。
【図１】
【図１Ａ】
【図２】
【図２Ａ】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図６Ｅ】
【図１Ａ】
【図２】
【図２Ａ】
【図３】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図６Ａ】
【図６Ｂ】
【図６Ｃ】
【図６Ｄ】
【図６Ｅ】
【公開番号】特開２００７−１３０７（Ｐ２００７−１３０７Ａ）
【公開日】平成１９年１月１１日（２００７．１．１１）
【国際特許分類】
【外国語出願】
【出願番号】特願２００６−１７１４１０（Ｐ２００６−１７１４１０）
【出願日】平成１８年６月２１日（２００６．６．２１）
【出願人】（３９７０１７１９１）ノースロップ グラマン コーポレーション (30)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成１９年１月１１日（２００７．１．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００６−１７１４１０（Ｐ２００６−１７１４１０）
【出願日】平成１８年６月２１日（２００６．６．２１）
【出願人】（３９７０１７１９１）ノースロップ グラマン コーポレーション (30)
【Ｆターム（参考）】
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