CN112297282B - 一种复合材料预制体z向纤维自动化植入方法 - Google Patents

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Abstract

本发明设计一种复合材料预制体Z向纤维自动化植入方法，属于先进制造技术领域，其过程包括替纱针在机械臂上的夹持机构夹持下，通过视觉定位移动到立体织物阵列钢针处，与阵列钢针夹持机构共同作用完成对阵列钢针替换过程，立体织物一侧设计可升降纱线架，通过张力控制使纱线处于张紧状态，通过替纱针钩取该纱线完成对立体织物Z向纤维的引入，Z向纤维引入后形成线环，通过线环成形机构将线环开口增大，携带纱线的金属棒通过金属棒输送机构移动至线环处，当穿过一排线环后，将金属棒沿线环取出，纱线留在线环中，从而完成对立体织物的缝合，本发明通过提出了一种复合材料预制体Z向纤维自动化植入方法，提高了Z向纤维引入过程的精准性和效率。

Description

一种复合材料预制体Z向纤维自动化植入方法
技术领域
本发明利用视觉定位指导机械臂运动，机械臂与不同模组机构的协同运动，实现一种复合材料预制体Z向纤维自动化植入方法属于数字化制造技术领域。
背景技术
复合材料构件广泛应用于航空航天、军工等领域，因此对复合材料结构和性能的要求也在不断提高，三维结构复合材料预制体相比于二维结构预制体结构，在Z向引入了增强纤维，提高了预制体的层间强度，解决了复合材料构件易分层，冲击韧性和损伤容限较低等问题。在替换预制体阵列钢针仍为人工操作。这种Z向纤维引入的方法，劳动强度高，生产效率低，人工成本昂贵，Z向纤维植入后，在复合材料预制体缝合过程中，主要采用锁扣缝合及链式缝合，均为纤维与纤维之间的缝合，这种缝合方式在缝合较大尺寸预制体时效率偏低。为了实现Z向纤维的高质量高效率植入，急需一种复合材料预制体Z向纤维自动化植入方法，完成自动化生产。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种新的Z向纤维引入至立体织物的工艺方法，在预制体尺寸可变，预制体中阵列钢针直径1.2mm，阵列钢针间距2.4mm的条件下，实现Z向纤维数字化自动化地植入至预制体中，提高生产效率和预制体成形质量。
1.一种Z向纤维替换方法及装置主要包括以下步骤：
(1)Z向纤维替换前的准备：调节工作台夹具尺寸与立体织物大小相同，保证立体织物在Z向纤维替换过程中的稳定性，立体织物的一侧有带动替纱针运动的机械臂，机械臂通过工业相机视觉定位夹持替纱针到指定位置，纱线架在模组的作用下将纱线上升到立体织物阵列钢针第一排位置，在立体织物另一侧设计有阵列钢针夹持机构，通过三轴移动模组将夹持机构移动到待替换的阵列钢针位置处完成钢针置换的准备工作。
(2)Z向纤维替换过程：替纱针进入立体织物并替换阵列钢针，同时钢针夹持器将该阵列钢针拔出，当替纱针替换掉阵列钢针后，钩取纱线架上的纱线并返回至初始位置，在立体织物一侧形成线环。
(3)线环锁紧过程：线环成形机构的钩针在移动模组作用下至线环处，启动电机，钩针钩取线环并旋转，增大线环尺寸，同时带有纱线的金属棒在电机作用下平稳移动至线环位置，在穿过一排立体织物线环后，将金属棒拔出，纱线便留在线环中，完成对线环的锁紧。
(4)重复上述步骤，完成对立体织物Z向纤维的引入。
2.所述机械臂形成线环后令其沿Y方向向上移动，保证与纱线线环成形机构和金属棒输送机构在运动过程中不发生干涉；
3.所述纱线线环成形机构(6)和金属棒输送机构(7)设计在工件两侧，且上下交错向线环方向移动，不会发生干涉；
4.所述视觉定位机构通过对阵列钢针图像做基于直方图的灰度处理和滤波处理，首先利用Hough变换对圆柱形阵列钢针检测识别，然后根据相机图像像素坐标与世界坐标的对应关系求取目标实际位姿，最后得到机械臂末端夹持替纱针的坐标系相对于机械臂基坐标系的位资，实现替纱钩针的精确定位；
5.所述一种复合材料预制体Z向纤维自动化植入方法，其特征在于，预制体一侧每成形一个线环，都会由金属棒穿过，且金属棒与线环之间不发生干涉；
6.所述一种复合材料预制体Z向纤维自动化植入方法，其特征在于，可将直径1.2mm的替纱钩针精准定位到阵列钢针同轴处，阵列钢针最小直径为1.2mm，中心间距为2.4mm；
7.所述一种复合材料预制体Z向纤维自动化植入方法，其特征在于，本次设计采用的是单目视觉定位，也可用双目、多目视觉定位增加定位处理速度；
8.所述一种复合材料预制体Z向纤维自动化植入方法，其特征在于，预制体一侧阵列钢针由于伸出预制体较长，多呈发散状态，因此需要视觉定位，预制体另一侧阵列钢针伸出预制体较短，位置固定，因此阵列钢针夹持器通过控制移动模组便可完成该侧阵列钢针的拔出；
9.所述纱线辊升降机构，两个纱线辊内部分别设计有扭矩弹簧，纱线固定在扭矩弹簧上，保证纱线架上的纱线处于张紧状态，不会与其他阵列钢针发生干涉。
本发明的有益效果为：
1.采用视觉定位搭配机械手保证替纱钩针的精准定位，搭配阵列钢针拔出及纱线可升降的方法，可保证Z向纤维在植入预制体中精准，高效。
2.复合材料预制体缝合采用金属棒携带纱线穿过线环的方法提高了工作效率。
附图说明
图1示出了本发明的立体结构示意图；
图2示出了本发明的替纱钩针替换阵列钢针示意图；
图3示出了本发明替纱针钩取线环示意图；
图4示出了本发明金属棒穿过线环示意图；
图5示出了本发明阵列钢针图像灰度处理示意图；
图6示出了本发明阵列钢针图像滤波处理示意图。
图中：
1—工作台；2—纱线3—机械臂；
4—工业相机；5—阵列钢针夹持机构；
6—线环成形机构；7—金属棒输送机构；8—纱线辊升降机构；
9—工件夹持装置；10—替纱钩针；
11—阵列钢针；12—线环；13—金属棒。
具体实施方式
为了更好的理解本发明，下面结合实施案例进一步阐明本发明内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施案例。此外，本技术领域人员在阅读了本发明阐述的内容后可对本发明作各种改动或修改，这些等价形式同样适用于本申请所附权利要求书所限定的范围。
(1)Z向纤维替换前的准备：调节工作台夹具尺寸与立体织物大小相同，保证立体织物在Z向纤维替换过程中的稳定性，立体织物的一侧有带动替纱针运动的机械臂，机械臂通过工业相机视觉定位夹持替纱针到指定位置，纱线架在模组的作用下将纱线上升到立体织物阵列钢针第一排位置，在立体织物另一侧设计有阵列钢针夹持机构，通过三轴移动模组将夹持机构移动到待替换的阵列钢针位置处完成钢针置换的准备工作；
(2)Z向纤维替换过程：替纱针进入立体织物并替换阵列钢针，同时钢针夹持器将该阵列钢针拔出，当替纱针替换掉阵列钢针后，钩取纱线架上的纱线并返回至初始位置，在立体织物一侧形成线环；
(3)线环锁紧过程：线环成形机构的钩针在移动模组作用下至线环处，启动电机，钩针钩取线环并旋转，增大线环直径，同时带有纱线的金属棒在电机作用下平稳移动至线环位置，在穿过一排立体织物线环后，将金属棒拔出，纱线便留在线环中，完成对线环的锁紧；
(4)重复上述步骤，完成对立体织物Z向纤维的引入。

Claims (9)

1.一种复合材料预制体Z向纤维自动化植入方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1，将碳纤维预制体工件放置于工作台(1)上，工作台上有工件夹持装置(9)保证工件工作时的稳定，启动纱线辊升降机构(8)，将纱线(2)升至预制体阵列钢针(11)第一排处；
步骤2，工业相机(4)通过视觉定位，指导机械臂(3)，夹持替换阵列钢针的替纱钩针(10)定位到第一排第一根阵列钢针轴向延长线上，沿阵列钢针轴向移动，阵列钢针在轴向推力作用下移出预制体工件，通过阵列钢针夹持机构(5)，将阵列钢针从预制体工件中拔出，完成替纱钩针对阵列钢针的替换；
步骤3，替纱钩针钩取住步骤1中预留好的纱线(2)，在机械臂的作用下原路返回形成线环(12)；然后将替纱钩针向前移动至与线环脱离，并用机械臂沿X方向移开，保证替纱钩针前端与预制体的初始距离不变；
步骤4，启动纱线线环成形机构(6)，将钩取纱线环的钩针移动到线环处，钩取纱线，将线环开口增大，金属棒输送机构(7)，将携带纱线的金属棒(13)输送到线环处；
步骤5，将替纱钩针再次移动至同一排相邻导向阵列处，重复步骤3和步骤4；
步骤6，金属棒穿过第一排线环后，将金属棒从线环处拔出，纱线留在线环处；
步骤7，重复上述步骤1至步骤5，完成对预制体工件Z向纤维的植入。
2.根据权利要求1所述一种复合材料预制体Z向纤维自动化植入方法，其特征在于，所述机械臂(3)形成线环后令其沿Y方向向上移动，保证与纱线线环成形机构(6)和金属棒输送机构(7)在运动过程中不发生干涉。
3.根据权利要求1所述一种复合材料预制体Z向纤维自动化植入方法，其特征在于，所述纱线线环成形机构(6)和金属棒输送机构(7)设计在工件两侧，且上下交错向线环方向移动，不会发生干涉。
4.根据权利要求1所述一种复合材料预制体Z向纤维自动化植入方法，其特征在于，所述机械臂夹持替纱钩针通过视觉定位及机械臂坐标相对变换，将替纱钩针精准定位到阵列钢针轴向延长线上，具体表现为通过对阵列钢针图像做基于直方图的灰度处理和滤波处理，利用Hough变换对圆柱形阵列钢针检测识别，然后根据相机图像像素坐标与世界坐标的对应关系求取目标实际位姿，最后得到机械臂末端夹持替纱钩针的坐标系相对于机械臂基坐标系的位姿实现替纱钩针的精确定位。
5.根据权利要求1所述一种复合材料预制体Z向纤维自动化植入方法，其特征在于，预制体一侧每成形一个线环，都会由金属棒穿过，且金属棒与线环之间不发生干涉。
6.根据权利要求1所述一种复合材料预制体Z向纤维自动化植入方法，其特征在于，可将直径1.2mm的替纱钩针(10)精准定位到阵列钢针同轴处，阵列钢针最小直径为1.2mm，中心间距为2.4mm。
7.根据权利要求1所述一种复合材料预制体Z向纤维自动化植入方法，其特征在于，本次设计采用的是单目视觉定位，也可用双目、多目视觉定位，增加定位处理速度。
8.根据权利要求1所述一种复合材料预制体Z向纤维自动化植入方法，其特征在于，预制体一侧阵列钢针由于伸出预制体较长，多呈发散状态，因此需要视觉定位来确定替纱钩针的位姿，预制体另一侧阵列钢针伸出预制体较短，坐标位置固定，因此阵列钢针夹持机构通过控制移动模组便可完成该侧阵列钢针的拔出。
9.根据权利要求1所述一种复合材料预制体Z向纤维自动化植入方法，其特征在于，所述纱线辊升降机构(8)，两个纱线辊内部分别设计有扭矩弹簧，纱线固定在扭矩弹簧上，保证纱线架上的纱线处于张紧状态，不会与其他阵列钢针发生干涉。
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