CN103290534A - 一种整体穿刺钢针阵列布放装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种穿刺钢针阵列布放装置，包括控制系统、多台十字激光器和带有工作台的机架，机架上设有X-Y移动平台，X-Y移动平台上设有穿刺钢针布放机构；穿刺钢针布放机构包括底板上面一端设有与闭环步进电机连接的绞轮，绞轮上缠绕有凯夫拉绳；底板上面的另一端设有可更换的储针机构，从可更换的储针机构的中插装有一推板，底板的中间部位固定有挡板，挡板上穿过一推杆，推杆的两端与推板和凯夫拉绳连接，推杆上套有弹簧；闭环步进电机驱动绞轮转动，实现推板做直线往复运动；使得钢针连续竖直掉落进入穿刺模板微小孔中，形成穿刺钢针阵列。本发明实现了穿刺钢针阵列布放的自动化，提高了钢针布放的灵活性、准确性，降低了工人的劳动强度。

Description

一种整体穿刺钢针阵列布放装置

技术领域

本发明涉及一种三维织物整体穿刺成型的成套加工设备，尤其涉及一种整体穿刺钢针阵列布放装置。

背景技术

三维织物是近40年来发展起来的性能最优的纤维增强结构，主要用于航空、航天、汽车、医疗及新技术领域。整体穿刺技术是三维织物的一种成型技术，整体穿刺的钢针阵列是指将钢针放入穿刺模板数千至数万个精密微小孔中形成的穿刺阵列。

随着科学技术的进步，人们逐步将以往手工操作的流程、工艺与信息、微电子、自动化、精密制造等技术有机结合起来，以提高生产效率、降低劳动强度。与传统的手工操作相比，自动化生产装备具有操作准确，生产效率高，降低劳动强度，节省生产成本的优点。为此，人们研制了各种穿刺设备。

科技论文“立体编制预制体用自动单针插刺机设计”（玻璃纤维2011（3）：18-20）介绍了一种自动单针插刺机用于三维编织预制体成型工艺过程中的单针插刺，实现单针插刺的自动化。该设备与传统手工单针插刺工艺相比，虽然具有单针插刺间距一致性好，生产效率高，劳动强度低等特点，可更好的适应三维编制预制体形状复杂化、大型化趋势要求等优点。但其不足之处在于：不能满足整体穿刺工艺，仅能实现单根钢针对多层碳布的插刺。

专利号为200680023363.0的中国专利文献中公开了一种微针阵列施放器装置，用于有关治疗药物或其他物质给药至皮肤或者其他表面。微针可使用带有能够促进治疗药物和其他物质给药的微针阵列的贴片来给药。微针阵列和贴片一般是一次性使用然后废弃，施放器装置可重复装填新微针阵列和贴片。其不足之处在于，施放微针阵列用于医疗领域，不能用于超长钢针的布放。

发明内容

针对上述现有技术，本发明提供一种整体穿刺钢针阵列布放装置，用于三维织物整体穿刺成型，将单根钢针逐一布放在穿刺模板的数千乃至数万个等距密排的微小孔中，同时实现钢针阵列按照需要的几何图形进行准确布放。本发明实现了整体穿刺钢针阵列布放的自动化，钢针阵列布放形式的灵活性、多样性、准确性，降低了生产人员的劳动强度。

为了解决上述技术问题，本发明一种整体穿刺钢针阵列布放装置予以实现的技术方案是：包括控制系统、多台十字激光器和带有工作台的机架，所述机架上设有X-Y移动平台，所述X-Y移动平台上设有穿刺钢针布放机构；所述X-Y移动平台包括由交流伺服电机驱动的两套正交的线性模组；所述穿刺钢针布放机构包括底板，所述底板上面的一端设有闭环步进电机，所述闭环步进电机的输出端设有绞轮，所述绞轮上缠绕有凯夫拉绳；所述底板上面的另一端设有可更换的储针机构，从所述可更换的储针机构的中插装有一推板，所述底板的中间部位固定有挡板，所述挡板上穿过一推杆，所述推杆的一端与所述推板固定，所述推杆的另一端与所述凯夫拉绳连接，所述推杆上套装有弹簧，所述弹簧的两端被限定在推板和挡板之间；所述闭环步进电机驱动绞轮转动，从而实现推板做直线往复运动；多台十字激光器设在底板上，且位于所述可更换的储针机构的周边；所述交流伺服电机、所述闭环步进电机和十字激光器均由所述控制系统控制。

本发明一种整体穿刺钢针阵列布放装置，所述控制系统包括：人机界面、PLC可编程逻辑控制器、与交流伺服电机联接的交流伺服电机驱动器、与所述闭环步进电机联接的闭环步进电机驱动器；所述人机界面用于钢针阵列布放参数的输入及显示，所述人机界面通过数据线与PLC可编程逻辑控制器相连，将信号传输到负责数据处理及发送脉冲信号的PLC可编程逻辑控制器中，PLC可编程逻辑控制器向所述交流伺服电机驱动器、步进电机驱动器发出脉冲信号，从而控制X-Y工作平台及绞轮的运动，使得储针机构中的钢针连续并有规律的竖直掉落进入穿刺模板微小孔中，最终形成整体穿刺钢针阵列。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明用于布放碳纤维三维织物整体穿刺的钢针阵列，实现整体穿刺钢针阵列的自动化布放，同时实现钢针阵列按照需要的几何图形进行准确布放。提高三维织物整体穿刺钢针阵列布放的自动化程度，实现穿刺钢针阵列按照几何图形布放的准确性，提高生产效率，降低操作人员的劳动强度。

附图说明

图1是本发明整体穿刺钢针阵列布放装置结构示意图；

图2-1是本发明中穿刺钢针阵列布放机构主视图；

图2-2是图2-1所示穿刺钢针阵列布放机构的俯视图；

图3是本发明整体穿刺钢针阵列布放装置控制系统框图；

图4是本发明中十字激光器定位原理示意图；

图5是本发明中穿刺模板的等距密排微小孔布局示意图；

图6是本发明中L形钢针阵列图；

图7是本发明中同心圆钢针阵列图。

图中：

1-机架                   2-X-Y移动平台            3-穿刺钢针布放机构

31-储针机构              32-推板                  33-弹簧

34-挡板                  35-推杆                  36-凯夫拉绳

37-绞轮                  38-闭环步进电机          39-底板

40-落针孔                4-十字激光器             5-钢针

6-交流伺服电机           71-人机界面              72-PLC可编程逻辑控制器

73-交流伺服电机驱动器    74-闭环步进电机驱动器。

具体实施方式

下面结合具体实施方式对本发明作进一步详细地描述。

如图1所示，本发明一种整体穿刺钢针阵列布放装置，包括控制系统、多台十字激光器4和带有工作台的机架1，所述机架1上设有X-Y移动平台2，所述X-Y移动平台上设有穿刺钢针布放机构3；所述X-Y移动平台2包括两套正交的线性模组，线性模组由固定在连接法兰的交流伺服电机6通过联轴器驱动。

如图1和图2-1所示，所述穿刺钢针布放机构3包括底板39，底板39固装在X-Y移动平台2的滑块上，所述底板39上面的一端设有闭环步进电机38，所述闭环步进电机38的输出端设有绞轮37，所述绞轮37上缠绕有拉伸不变形的凯夫拉绳36；所述底板39上面的另一端设有可更换的储针机构31，可更换的储针机构31用于储存布放的钢针5，从所述可更换的储针机构31的中插装有一推板32，即推板32放置在可更换的储针机构31中，如图2-2所示，一列钢针5竖直放入储针机构31中，处于储针机构31的中心，推板32从储针机构31的后端插入并顶住该列钢针5，推板32做直线往复运动，使钢针5连续掉落。所述底板39的中间部位固定有挡板34，所述挡板34上穿过一推杆35，所述推杆35的一端与所述推板34固定，所述推杆35的另一端与所述凯夫拉绳36连接，所述推杆35上套装有弹簧33，所述弹簧33的两端被限定在推板32和挡板34之间，在弹簧33的作用下挡板34将单根钢针5推出，实现单根穿刺钢针5在重力的作用下连续并按照预设的穿刺钢针阵列有规律的竖直地通过落针孔40掉入穿刺模板的微小孔中；所述闭环步进电机38驱动绞轮37转动，从而实现推板32做直线往复运动，使得钢针5连续并有规律的布放。

多台十字激光器4设在底板39上，且位于所述可更换的储针机构31的周边；所述交流伺服电机6、所述闭环步进电机38和十字激光器4均由所述控制系统控制。如图3所示，所述控制系统包括：人机界面71、PLC可编程逻辑控制器72、与交流伺服电机6联接的交流伺服电机驱动器73、与所述闭环步进电机38联接的闭环步进电机驱动器74；

所述人机界面71作为控制面板用于钢针阵列布放参数的输入及显示，钢针阵列布放图形形式选择以及穿刺模板小孔定位等，所述人机界面71固装在控制箱的侧上方并通过数据线与PLC可编程逻辑控制器72相连，将信号传输到负责数据处理及发送脉冲信号的PLC可编程逻辑控制器72中，PLC可编程逻辑控制器72向所述交流伺服电机驱动器73、步进电机驱动器74发出脉冲信号，从而控制X-Y工作平台2及绞轮37的运动，使得储针机构31中的钢针5连续并有规律的竖直掉落进入穿刺模板微小孔中，最终形成整体穿刺钢针阵列。

所述可编程逻辑控制器72选用的型号为VIGOR VB1-24MT-D和Delta DVP-EH2系列中的一种。所述交流伺服电机6和所述交流伺服电机驱动器73选用的型号为YASKAWASGMJV-02A、SGDV-1R6A和Delta ECMA系列中的一种。所述闭环步进电机38和闭环步进电机驱动器74选用EZI-Servo-60L-A型、57BYG系列和常州双杰SJ-240M型中的一种。所述十字激光器4选用远大激光器YD-C650W5-9-22型和AVOID EXPOSURELD-G650A23型中的一种。所述人机界面选用昆仑通态TPC1062KS型触摸屏和TPC7062KS系列触摸屏中的一种。

下面分别以布放L形钢针阵列和同心圆形钢针阵列的为例，介绍可编程逻辑控制器72的控制过程。

如图5所示，设穿刺模板的精密微小孔的半径为r，相邻小孔的中心距为dr，穿刺模板的等距密排微小孔的布局，穿刺模板每行小孔数量为X，则第一行第一个小孔对应的该列小孔的数量为Y。

如图6所示，当布放L形钢针阵列时，控制系统将L形钢针阵列确定为“长阵列”与“短阵列”的组合，通过人机界面分别输入长阵列、短阵列的长度L_1a、L_2a、宽度尺寸L_1b、L_2b，及其底边的对接尺寸l，系统则在分析对比L_1a、L_2a、L_1b、L_2b是否超出可布穿刺板孔数，是否为d_r的整数倍，如果为整数倍则按照输入尺寸布放，若不是整数倍则换算成比输入尺寸最接近且稍大的尺寸进行布放。L形钢针阵列的布放要在可布放穿刺模板微小孔区域中靠左靠上布放。

如图7所示，当布放同心圆钢针阵列时，操作者通过人机界面分别输入同心圆的内径r_a和外径R_a，同时R_a-r_a≥d_r。系统判断2R_a是否超出布完最外侧两周钢针阵列后孔板尺寸的长度宽度尺寸。若未超过，则以预先设定孔板的几何中心处小孔的圆心为布放同心圆形钢针阵列的圆心。若穿刺板小孔圆心与预定同心圆圆心之间的距离满足nd_r≤r_a<R_a，则在该小孔处布放钢针。

使用时，将由平底板、穿刺模板、支架固连（如图4所示）组成的钢针阵列工装放置在本发明整体穿刺钢针阵列布放装置的工作台上，并由螺栓固定，保持钢针阵列工装与工作台位置固定不动。底板39上的定位孔与十字激光器4配合用于放置钢针的穿刺模板微小孔的定位，按下人机界面中的定位按钮，通过方向键控制X-Y移动平台2运动，并使3台十字激光器4透过底板39上的定位孔的同时发出的十字激光分别穿过穿刺模板左上角小孔（即布针基准孔）、横排第10个小孔，纵列第10个小孔后每个十字光标的四条直线光标长度相等。本发明中通过定位孔与布针基准孔同轴后，确定的落针孔与布针基准孔的位置关系最简单。通过人机界面71（触摸屏）选择需要布放的钢针阵列的图形形式，并输入穿刺模板的几何尺寸，操作完成后，穿刺钢针布放机构开始工作，自动逐根布放钢针，钢针布放过程中，操作人员须对布针装置的工作状况进行监控。可更换的储针机构31一次可以容纳100根钢针，储针机构中的钢针布放完后，按下暂停按钮更换放满穿刺钢针的储针机构31后继续进行钢针的布放工作，直到将需要的钢针阵列布放完成。根据布放完成整体穿刺钢针阵列所需钢针的多少，多次更换储针机构31。

为了保证钢针5在整体穿刺过程中始终保持竖直状态，在钢针阵列布放过程中无论选择何种图形形式布放钢针阵列，穿刺模板上最外两周小孔都要放入钢针5。因此，根据需要布放具有图形形式的钢针阵列时，控制系统计算时要去掉最外两周的穿刺模板的小孔。本发明结构和控制原理简单，制作成本相对不高，便于产品开发和生产。

尽管上面结合图对本发明进行了描述，但是本发明并不局限于上述的具体实施方式，上述的具体实施方式仅仅是示意性的，而不是限制性的，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不脱离本发明宗旨的情况下，还可以作出很多变形，这些均属于本发明的保护之内。

Claims (7)

1.一种整体穿刺钢针阵列布放装置，其特征在于：包括控制系统、多台十字激光器（4）和带有工作台的机架（1），所述机架（1）上设有X-Y移动平台（2），所述X-Y移动平台上设有穿刺钢针布放机构（3）；

所述X-Y移动平台（2）包括由交流伺服电机（6）驱动的两套正交的线性模组；

所述穿刺钢针布放机构（3）包括底板（39），所述底板（39）上面的一端设有闭环步进电机（38），所述闭环步进电机（38）的输出端设有绞轮（37），所述绞轮（37）上缠绕有凯夫拉绳（36）；所述底板（39）上面的另一端设有可更换的储针机构（31），从所述可更换的储针机构（31）的中插装有一推板（32），所述底板（39）的中间部位固定有挡板（34），所述挡板（34）上穿过一推杆（35），所述推杆（35）的一端与所述推板（34）固定，所述推杆（35）的另一端与所述凯夫拉绳（36）连接，所述推杆（35）上套装有弹簧（33），所述弹簧（33）的两端被限定在推板（32）和挡板（34）之间；所述闭环步进电机（38）驱动绞轮（37）转动，从而实现推板（32）做直线往复运动；

多台十字激光器（4）设在底板（39）上，且位于所述可更换的储针机构（31）的周边；

所述交流伺服电机（6）、所述闭环步进电机（38）和十字激光器（4）均由所述控制系统控制。

2.根据权利要求1所述整体穿刺钢针阵列布放装置，其特征在于：所述控制系统包括：人机界面（71）、PLC可编程逻辑控制器（72）、与交流伺服电机（6）联接的交流伺服电机驱动器（73）、与所述闭环步进电机（38）联接的闭环步进电机驱动器（74）；

所述人机界面（71）用于钢针阵列布放参数的输入及显示，所述人机界面（71）通过数据线与PLC可编程逻辑控制器（72）相连，将信号传输到负责数据处理及发送脉冲信号的PLC可编程逻辑控制器（72）中，PLC可编程逻辑控制器（72）向所述交流伺服电机驱动器（73）、步进电机驱动器（74）发出脉冲信号，从而控制X-Y工作平台（2）及绞轮（37）的运动，使得储针机构（31）中的钢针（5）连续并有规律的竖直掉落进入穿刺模板微小孔中，最终形成整体穿刺钢针阵列。

3.根据权利要求2所述整体穿刺钢针阵列布放装置，其特征在于：所述可编程逻辑控制器（72）选用的型号为VIGOR VB1-24MT-D和Delta DVP-EH2系列中的一种。

4.根据权利要求2所述整体穿刺钢针阵列布放装置，其特征在于：所述交流伺服电机（6）和所述交流伺服电机驱动器（73）选用的型号为YASKAWA SGMJV-02A、SGDV-1R6A和Delta ECMA系列中的一种。

5.根据权利要求2所述整体穿刺钢针阵列布放装置，其特征在于：所述闭环步进电机（38）和闭环步进电机驱动器（74）选用EZI-Servo-60L-A型、57BYG系列和常州双杰SJ-240M型中的一种。

6.根据权利要求2所述整体穿刺钢针阵列布放装置，其特征在于：所述十字激光器（4）选用远大激光器YD-C650W5-9-22型和AVOID EXPOSURE LD-G650A23型中的一种。

7.根据权利要求2所述整体穿刺钢针阵列布放装置，其特征在于：所述人机界面选用昆仑通态TPC1062KS型触摸屏和TPC7062KS系列触摸屏中的一种。

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