CN112301536A - 一种复合材料预制体z向纤维自动化植入装置 - Google Patents

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Abstract

本发明设计一种复合材料预制体Z向纤维自动化植入装置，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，将其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，并通过张力控制使其处于张紧状态，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直径增大，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，将金属棒沿着线环取出，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向纤维自动化植入装置，提高了Z向纤维引入过程的精准性和工作效率。

Description

一种复合材料预制体Z向纤维自动化植入装置
技术领域
本发明设计一种复合材料预制体Z向纤维自动化植入装置，属于先进制造技术领域。
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，三维结构复合材料构件相比于二维复合材料构件，再Z向引入了增强纤维，提高了碳纤维立体织物厚度方向的层间强度，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。目前，复合材料预制体编织后在Z向仍有按照一定规则形状阵列形成的阵列钢针，需要通过Z向纤维将阵列钢针置换出来，但是在Z向纤维引入的过程中还是人工操作。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，而且由于人手与纤维之间的接触以及纤维与传统替纱针的摩擦，造成了纤维质量的下降，从而影响了预制体的整体质量。因此，人工手动引入Z向纤维至立体织物已不能满足市场的需求，急需一种复合材料预制体Z向纤维自动化植入装置，完成自动化生产。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种复合材料预制体Z向纤维自动化植入装置，提高了预制体织造质量和织造效率。
为了解决上述问题，本发明采用的技术方案是：包括工作台，纱线辊升降机构，机械臂结构，视觉定位机构，阵列钢针夹持机构，线环成型机构，金属棒输送机构，所述工作台包括预制体夹紧装置，伺服电机，导轨；所述纱线升降机构包括伺服电机控制纱线辊升降到指定阵列位置，纱线辊机构提供Z向纤维的纱线并控制纱线张紧；所述替纱针输送机构包括机械臂结构，替纱针夹持机构，夹持替纱针穿过预制体后用来钩取张紧的纱线至预制体的一侧形成线环；所述视觉定位机构包括工业相机，相机底座用于保证机械臂精准移动到指定位置；所述阵列钢针夹持机构包括三轴移动模组，阵列钢针夹持器用于在替纱针替换阵列钢针时将钢针夹取出来；线环成形机构包括移动模组将钩针移动到指定线环处，在电机作用下对线环进行钩取；所述金属棒输送机构，包括移动模组可携带碳纤维金属棒，通过金属棒稳定机构准确插入到线环中，完成对预制体一层的缝合。
所述工作台上上设计有立体织物夹紧装置可适用于不同尺寸的预制体在Z向纤维替换时保持稳定，工作台设计一槽口，用于放置纱线辊支架从而满足纱线的升降。
所述替纱针运输机构在立体织物一侧，通过机械臂的法兰盘连接替纱针夹持机构夹持替纱针，所述视觉定位机构用于控制机械臂携带替纱针精准定位到指定位置。
所述纱线辊升降装置由移动模组控制纱线升降到指定位置，两个纱线辊固定于纱架上，保持纱线处于张紧状态。替纱针前端设计成类似钩针结构用于钩取纱线至预制体一侧形成线环。
所述阵列钢针夹持机构包括三轴移动模组，移动到阵列钢针夹持器到指定第一根阵列钢针处，夹持器将第一根阵列钢针夹取出来。
所述线环成型机构由移动模组将钩针移动到第一个线环处，钩针通过电机旋转，挑动线环，增大线环开口尺寸。
所述金属棒输送机构在第一个线环成形后将金属棒推送至线环内，在输送位置处设计有稳定机构保证金属棒输送过程中不会发生弯曲导致位置偏差。
本发明的有益效果为：
1.纱线辊之间纱线保持张紧状态，保证替纱针钩取纱线后精准进入到立体织物中，保证Z向纤维植入的准确性。
2.通过Z向纤维自动化植入装置，避免了人与纤维的接触，减少了纱线的磨损，提高了预制体的质量。
3.通过Z向纤维自动化植入装置实现了Z向纤维的连续植入及缝合，提高了工作效率，减少了纱线与纱线，纱线与金属的摩擦，提高了预制体的成形质量及效率。
附图说明
图1示出本发明的主视结构示意图；
图2示出本发明的俯视结构示意图；
图3示出本发明的右视结构示意图；
图4示出本发明的立体结构示意图；
图5示出本发明工作台结构示意图；
图6示出本发明纱线升降结构示意图；
图7示出本发明替纱针替换阵列钢针结构示意图；
图8示出本发明纱线环成形及缝合结构示意图。
图中：
1—工作台；2—纱线升降机构；3—替纱针输送机构；
4—视觉定位机构；5—阵列钢针夹持机构；
6—线环成形机构；7—金属棒输送机构；
101—预制体夹紧装置；102—伺服电机；103—导轨；
201—伺服电机；202—纱线辊；
301—机械臂；302—替纱针夹持机构；303—替纱针；
401—工业相机；402—相机底座；
501—三轴移动模组；502—阵列钢针夹持器；
601—移动模组；602—电机；603—钩针；
701—伺服电机；702—金属棒夹紧机构；703—金属棒；
704—金属棒稳定机构。
具体实施方式
下面结合具体实施方式对本发明进一步详细地描述。
如图1至图8所示，针对不同尺寸预制体，最小阵列钢针直径 1.2mm，最小阵列钢针中心间距2.4mm，设计了一种Z向纤维替换方法及装置，包括工作台1，纱线升降机构2；替纱针输送机构3，视觉定位机构4，阵列钢针夹持机构5，线环成形机构6，金属棒输送机构7，所述工作台1包括工件夹持机构101，伺服电机102，轴承 103，所述纱线升降机构2包括移动模组201，纱线辊202，替纱针输送机构3包括机械臂结构301，替纱针夹持机构302，替纱针303，视觉定位机构4包括工业相机401，相机底座402，阵列钢针加持机构5包括三轴移动模组501，阵列钢针夹持机构502，线环成形机构 6包括移动模组601，电机602，钩针603，金属棒输送机构7包括伺服电机701，金属棒夹紧机构702，金属棒703，金属棒稳定机构704。
所述工作台1包括工件夹持机构101，伺服电机102，轴承103。电机102启动后，工件夹紧机构101在电机的作用下沿着轴承103移动，用于对不同尺寸的工件夹紧。
所述纱线升降机构2包括移动模组201，纱线辊202，纱线辊内有纱线的张力夹紧机构，两个纱线辊在纱线架204的支撑下保持纱线 203水平张紧状态。纱线辊202在移动模组的作用下进行升降，首先将纱线203保持与第一排待置换钢针等高，待第一排Z向纤维替换后，移动模组201下降至第二排钢针阵列高度，依次进行。
所述替纱针输送机构3包括机械臂结构301，替纱针夹持机构302，替纱针303，工业相机401在底座402上保持稳定，替纱针夹持机构 302夹持住替纱针303，机械臂机构301在工业相机401的算法下将替纱针303移动到指定的位置处，完成对工件上阵列钢针的替换，然后钩取纱线203。
所述阵列钢针夹持机构5包括三轴移动模组501，阵列钢针夹持器502，三轴移动模组501将阵列钢针夹持器502移动到第一排第一根阵列钢针的位置，替纱针303进入预制体后替换掉阵列钢针503，钢针夹持器502夹持住阵列钢针503向外拔出，协同运动完成对阵列钢针503的替换。
线环成形机构6包括移动模组601，电机602，钩针603，金属棒输送机构7包括伺服电机701，金属棒夹紧机构702，携带纱线的金属棒703，金属棒稳定机构704。当替纱针303将纱线203钩取回到初替纱针初始位置会形成线环，但由于此时线环形状无法满足锁紧的需求，因此需要钩针603在移动模组601的带动下移动到线环处，此时启动电机602，钩针603会转动90°，将线环拉成圆形，此时启动伺服电机701，携带纱线的金属棒703在金属棒夹紧机构进行向线环方向的移动，704可以保证金属棒703在运动过程中的稳定性，待金属棒穿过纱线环时停止运动。待穿过一排线环后将金属棒拔出，金属棒携带的纱线就会留在线环中，完成预制体一层的锁紧，重复进行，完成对预制体Z向纤维替换的过程。
上述实施例只为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种复合材料预制体Z向纤维自动化植入装置，其特征在于：包括工作台(1)，纱线升降机构(2)，替纱针输送机构(3)，视觉定位机构(4)，阵列钢针夹持机构(5)，线环成型机构(6)，金属棒输送机构(7)；
所述工作台(1)包括预制体夹紧装置(101)，伺服电机(102)，导轨(103)；
所述纱线升降机构(2)包括伺服电机(201)控制纱线辊升降到指定阵列位置，纱线辊机构(202)提供Z向纤维的纱线并控制纱线张紧；
所述替纱针输送机构(3)包括机械臂结构(301)，替纱针夹持机构(302)，夹持替纱针(303)穿过预制体后用来钩取张紧的纱线至预制体的一侧形成线环；
所述视觉定位机构(4)包括工业相机(401)，相机底座(402)用于保证机械臂精准移动到指定位置；
所述阵列钢针夹持机构(5)包括三轴移动模组(501)，阵列钢针夹持器(502)用于在替纱针替换阵列钢针时将钢针夹取出来；
所述线环成形机构(6)包括移动模组(601)将钩针(603)移动到指定线环处，在电机(602)作用下对线环进行钩取；
所述金属棒输送机构(7)，包括移动模组(701)，移动模组上设计有金属棒夹持器可携带碳纤维金属棒(703)移动，移动模组前端设计有金属棒稳定机构(704)保证金属棒插入到线环不发生弯曲。
2.根据权利要求1所述一种复合材料预制体Z向纤维自动化植入装置，其特征在于，所述工作台(1)上设计有立体织物夹紧装置(101)，可适用于不同尺寸的预制体在Z向纤维替换时保持稳定；所述工作台(1)上设计一槽口，用于放置纱线辊支架，从而满足纱线的升降。
3.根据权利要求1所述一种复合材料预制体Z向纤维自动化植入装置，其特征在于，所述替纱针运输机构(3)在立体织物一侧，通过机械臂(301)的法兰盘连接替纱针夹持机构(303)夹持替纱针(302)；所述视觉定位机构(4)用于控制机械臂(301)携带替纱针(302)精准定位到指定位置。
4.根据权利要求1所述一种复合材料预制体Z向纤维自动化植入装置，其特征在于，所述纱线辊升降装置(2)由移动模组控制纱线(203)升降到指定位置，两个纱线辊固定于纱架(204)上，保持纱线处于张紧状态。替纱针前端设计成类似钩针结构用于钩取纱线(203)至预制体一侧形成线环。
5.根据权利要求1所述一种复合材料预制体Z向纤维自动化植入装置，其特征在于，所述阵列钢针夹持机构(5)包括三轴移动模组(501)，移动到阵列钢针夹持器(502)到指定第一根阵列钢针处，夹持器将第一根阵列钢针夹取出来。
6.根据权利要求1所述，其特征在于所述一种复合材料预制体Z向纤维自动化植入装置，其特征在于，所述线环成型机构(6)由移动模组(601)将钩针(603)移动到第一个线环处，钩针通过电机(602)旋转，挑动线环，增大线环开口尺寸。
7.根据权利要求1所述，其特征在于所述一种复合材料预制体Z向纤维自动化植入装置，其特征在于，所述金属棒输送机构(7)在第一个线环成形后将金属棒(703)推送至线环内，在输送位置处设计有稳定机构(704)保证金属棒输送过程中不会发生弯曲导致位置偏差。
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