一种I纤维植入装置及I纤维植入设备

摘要

本发明公开了一种I纤维植入装置及I纤维植入设备。I纤维植入装置包括夹线器、压线气缸安装板、压线气缸、气动剪刀进给气缸、气动剪刀、气动剪刀安装板、针管座、植入针管、针管座安装板、穿线针管、气动剪刀进给气缸安装板、导向机构、针管座支撑板、主支撑板、储纱器、送线气缸和储纱器连接板。I纤维植入设备包括植入平台、I纤维植入装置、机器人和机器人底座；机器人通过机器人底座安装于水平面上；I纤维植入装置与机器人的机械臂末端固定连接；植入平台设置于水平面上，用于安装待植入的预制体。本装置实现了I纤维的自动化植入，弥补了此领域的空白，同时满足复杂曲面构件的I纤维植入，结构简单、维护方便、操作简单、灵活高效。

权利要求

1.一种I纤维植入装置，其特征在于，该I纤维植入装置包括夹线器、压线气缸安装板、压线气缸、气动剪刀进给气缸、气动剪刀、气动剪刀安装板、针管座、植入针管、针管座安装板、穿线针管、气动剪刀进给气缸安装板、导向机构、针管座支撑板、主支撑板、储纱器、送线气缸和储纱器连接板；

送线气缸的缸体固定于主支撑板上，活塞杆与压线气缸安装板固定连接；压线气缸的缸体固定于压线气缸安装板上，活塞杆与压线气缸安装板配合，将纱线夹紧在活塞杆与压线气缸安装板之间，使得纱线在送线气缸的活塞杆的带动下向前输送；夹线器设置于主支撑板上，按照纱线的输送方向位于送线气缸的后方，用于纱线夹紧和导向作用；

气动剪刀进给气缸安装板固定于主支撑板上；气动剪刀进给气缸的缸体固定于气动剪刀进给气缸安装板上，活塞杆与气动剪刀安装板固定连接；气动剪刀固定于气动剪刀安装板上；

针管座安装板与主支撑板固定连接；针管座固定于针管座安装板上，其植入端固定安装有植入针管，其穿线端固定安装有穿线针管；导向机构设置于针管座安装板或主支撑板上，按照纱线的输送方向位于针管座与压线气缸之间，用于对纱线起导向作用，使得纱线水平进入穿线针管；

储纱器连接板固定于主支撑板上；储纱器可转动安装于储纱器连接板上，储纱器用于对纱线进行缠绕储存。

2.根据权利要求1所述的I纤维植入装置，其特征在于，夹线器、压线气缸、针管座和导向机构的中心位于同一竖直面内。

3.根据权利要求1所述的I纤维植入装置，其特征在于，所述导向机构采用夹线器。

4.根据权利要求1所述的I纤维植入装置，其特征在于，植入针管的内径比穿线针管的内径大，植入针管为尖头，穿线针管为平头。

5.根据权利要求1所述的I纤维植入装置，其特征在于，压线气缸、送线气缸、针管座、气动剪刀进给气缸和气动剪刀外接压缩空气设备。

6.根据权利要求1所述的I纤维植入装置，其特征在于，所述I纤维植入装置还包括连接法兰；连接法兰固定于主支撑板上，用于与机器人的机械臂连接。

7.根据权利要求1所述的I纤维植入装置，其特征在于，所述I纤维植入装置还包括储纱器固定杆、安装垫片和锁紧螺母；所述储纱器固定杆的一端与储纱器连接板固定连接，中部转动安装有储纱器，另一端设置安装垫片并通过锁紧螺母固定。

8.一种I纤维植入设备，其特征在于，该设备包括植入平台、权利要求1‑7任一所述的I纤维植入装置、机器人和机器人底座；机器人通过机器人底座安装于水平面上；I纤维植入装置与机器人的机械臂末端固定连接；植入平台设置于水平面上，用于安装待植入的预制体。

9.根据权利要求8所述的I纤维植入设备，其特征在于，所述植入平台包括机架、伺服电机、预制体装夹机构、装夹机构安装卡盘和联轴器；伺服电机的壳体固定于机架上，其输出端通过联轴器与装夹机构安装卡盘的自转轴固定连接；预制体装夹机构可拆卸式固定在装夹机构安装卡盘上。

10.根据权利要求8所述的I纤维植入设备，其特征在于，所述机器人的型号是Kawasaki RS30N的六自由度机器人；所述装夹机构安装卡盘为三爪卡盘。

说明书

一种I纤维植入装置及I纤维植入设备

技术领域

[0001] 本发明涉及复合材料预制体厚度方向纤维植入技术，具体为一种I纤维植入装置及I纤维植入设备。

背景技术

[0002] 缝合技术可以有效提高预制体及其复合材料的层间性能，一直是国内外研究的热点。预制体缝合主要包括锁式缝合、链式缝合、改进锁式缝合以及簇绒缝合，现有的缝合工艺对纤维弯折较为严重，所以难以采用高刚度、脆性的高性能纤维如碳纤维、碳化硅、氮化硅和氧化铝等进行缝合，而且现有的缝合设备结构复杂，成本高，维护较为困难。

[0003] 文献《Process Variables of I‑fiber Stitching in Mode I Failure》提出了一种新型的缝合技术，即I纤维缝合技术(I纤维是贯穿织物全厚度的连续纤维，形似字母“I”，故取名I纤维)，通过中空针管和压缩空气将纱线植入到预浸料或干纤维预制体的厚度方向，起到厚度方向性能的增强作用，I纤维植入可有效提高预制体的层间性能，通过I纤维植入后的预制体称为I纤维缝合预制体，是后续复合所需半成品。由于I纤维缝合过程中纱线未受到弯折作用，所以可以采用高刚度、脆性的高性能纤维。目前，关于I纤维植入设备的报道较少，文献《Process Variables of I‑fiber Stitching in Mode I Failure》中提到了手持式I纤维植入装置和适用于小型平板的I纤维植入设备，但是其设备的详细技术细节并未公开，而且，现有的I纤维植入设备无法满足复杂曲面构件的I纤维植入。

发明内容

[0004] 针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种I纤维植入装置及I纤维植入设备。

[0005] 本发明解决所述I纤维植入装置技术问题的技术方案是，提供一种I纤维植入装置，其特征在于，该I纤维植入装置包括夹线器、压线气缸安装板、压线气缸、气动剪刀进给气缸、气动剪刀、气动剪刀安装板、针管座、植入针管、针管座安装板、穿线针管、气动剪刀进给气缸安装板、导向机构、针管座支撑板、主支撑板、储纱器、送线气缸和储纱器连接板；

[0006] 送线气缸的缸体固定于主支撑板上，活塞杆与压线气缸安装板固定连接；压线气缸的缸体固定于压线气缸安装板上，活塞杆与压线气缸安装板配合，将纱线夹紧在活塞杆与压线气缸安装板之间，使得纱线在送线气缸的活塞杆的带动下向前输送；夹线器设置于主支撑板上，按照纱线的输送方向位于送线气缸的后方，用于纱线夹紧和导向作用；

[0007] 气动剪刀进给气缸安装板固定于主支撑板上；气动剪刀进给气缸的缸体固定于气动剪刀进给气缸安装板上，活塞杆与气动剪刀安装板固定连接；气动剪刀固定于气动剪刀安装板上；

[0008] 针管座安装板与主支撑板固定连接；针管座固定于针管座安装板上，其植入端固定安装有植入针管，其穿线端固定安装有穿线针管；导向机构设置于针管座安装板或主支撑板上，按照纱线的输送方向位于针管座与压线气缸之间，用于对纱线起导向作用，使得纱线水平进入穿线针管；

[0009] 储纱器连接板固定于主支撑板上；储纱器可转动安装于储纱器连接板上，储纱器用于对纱线进行缠绕储存。

[0010] 本发明解决所述设备技术问题的技术方案是，提供一种I纤维植入设备，其特征在于，该设备包括植入平台、I纤维植入装置、机器人和机器人底座；机器人通过机器人底座安装于水平面上；I纤维植入装置与机器人的机械臂末端固定连接；植入平台设置于水平面上，用于安装待植入的预制体。

[0011] 与现有技术相比，本发明有益效果在于：

[0012] (1)本装置实现了I纤维的自动化植入，弥补了此领域的空白，同时满足复杂曲面构件的I纤维植入，结构简单、维护方便、操作简单、灵活高效。

[0013] (2)本装置多采用气动结构，响应时间短，互换性高，非标件少，成本低廉。

[0014] (3)本设备采用多关节机器人带动I纤维植入装置到达空间任意方向和位置，可实现复杂空间曲面预制件的I纤维植入，适应性更强。

[0015] (4)采用本发明进行预制体缝合的过程中纱线未受到弯折作用，所以可以采用高刚度、脆性的高性能纤维进行缝合，而且可以实现高厚度预制体的层间加强。

附图说明

[0016] 图1是本发明一种实施例的设备整体结构立体示意图；

[0017] 图2是本发明一种实施例的I纤维植入装置的立体结构示意图；

[0018] 图3是本发明一种实施例的I纤维植入装置的另一角度立体结构示意图；

[0019] 图4是本发明一种实施例的I纤维植入装置的主视示意图；

[0020] 图5是本发明一种实施例的储纱器安装爆炸图；

[0021] 图6是本发明一种实施例的植入平台左视示意图。

[0022] 图中，1、植入平台；2、I纤维植入装置；3、机器人；4、机器人底座；5、已植入的I纤维；6、预制体；7、纱线；

[0023] 1.1、机架；1.2、伺服电机；1.3、预制体装夹机构；1.4、装夹机构安装卡盘；1.5、联轴器；

[0024] 2.1、连接法兰；2.2、夹线器；2.3、压线气缸安装板；2.4、压线气缸；2.5、气动剪刀进给气缸；2.6、气动剪刀；2.7、气动剪刀安装板；2.8、针管座；2.9、植入针管；2.10、针管座安装板；2.11、穿线针管；2.12、气动剪刀进给气缸安装板；2.13、导向机构；2.14、针管座支撑板；2.15、主支撑板；2.16、储纱器；2.17、储纱器固定杆；2.18、送线气缸；2.19、储纱器连接板；2.20、安装垫片；2.21、锁紧螺母。

具体实施方式

[0025] 下面给出本发明的具体实施例。具体实施例仅用于进一步详细说明本发明，不限制本申请权利要求的保护范围。

[0026] 本发明提供了一种I纤维植入装置，其特征在于，该I纤维植入装置包括夹线器2.2、压线气缸安装板2.3、压线气缸2.4、气动剪刀进给气缸2.5、气动剪刀2.6、气动剪刀安装板2.7、针管座2.8、植入针管2.9、针管座安装板2.10、穿线针管2.11、气动剪刀进给气缸安装板2.12、导向机构2.13、针管座支撑板2.14、主支撑板2.15、储纱器2.16、送线气缸2.18和储纱器连接板2.19；

[0027] 送线气缸2.18的缸体固定于主支撑板2.15上，活塞杆与压线气缸安装板2.3固定连接；压线气缸2.4的缸体固定于压线气缸安装板2.3上，活塞杆与压线气缸安装板2.3配合，将纱线7夹紧在活塞杆与压线气缸安装板2.3之间，使得纱线7在送线气缸2.18的活塞杆的带动下向前输送；夹线器2.2设置于主支撑板2.15上，按照纱线的输送方向位于送线气缸2.18的后方，夹线器2.2用于调整纱线7的张力，固定纱线7的位置，防止由于机械震动以及储纱器旋转造成的纱线回缩，同时防止纱线7在压缩空气高速气流作用下吹飞失控；

[0028] 气动剪刀进给气缸安装板2.12固定于主支撑板2.15上；气动剪刀进给气缸2.5的缸体固定于气动剪刀进给气缸安装板2.12上，活塞杆与气动剪刀安装板2.7固定连接；气动剪刀2.6固定于气动剪刀安装板2.7上；

[0029] 针管座安装板2.10通过针管座支撑板2.14与主支撑板2.15固定连接；针管座2.8固定于针管座安装板2.10上，其植入端螺纹固定安装有植入针管2.9，其穿线端螺纹固定安装有穿线针管2.11；导向机构2.13设置于针管座安装板2.10、针管座支撑板2.14或主支撑板2.15(优选针管座支撑板2.14)上，按照纱线的输送方向位于针管座2.8的后方(即位于针管座2.8与压线气缸2.4之间)，用于对纱线7起导向作用，使得纱线7水平进入穿线针管2.11；

[0030] 储纱器连接板2.19固定于主支撑板2.15和针管座支撑板2.14上；储纱器2.16可转动安装于储纱器连接板2.19上，储纱器2.16用于对纱线7进行缠绕储存，以保证在植入过程中的顺滑以及减少增添纱线所需的停机时间。

[0031] 优选地，植入针管2.9的内径比穿线针管2.11的内径大，保证高速气流流动时产生足够的向前牵引力；且植入针管2.9为尖头，便于刺入预制体，穿线针管2.11为平头，防止对纱线的刮蹭。

[0032] 优选地，所述导向机构2.13可采用夹线器，用于在送线气缸2.18进给后，导向机构2.13夹紧纱线7，保证压缩空气吹出针管座2.8中的纱线7的过程中纱线7的水平进给，同时与夹线器2.2共同作用，共同防止纱线7在压缩空气高速气流作用下吹飞失控。

[0033] 优选地，夹线器2.2、压线气缸2.4、针管座2.8和导向机构2.13的中心位于同一竖直面内，好处是减少输送纱线的过程中纱线7与部件之间不必要的摩擦，防止部件刮伤纱线；优选地，该竖直面位于I纤维植入装置2的中心线上。

[0034] 优选地，压线气缸安装板2.3为L形。

[0035] 优选地，压线气缸2.4、送线气缸2.18、针管座2.8、气动剪刀进给气缸2.5和气动剪刀2.6需要外接压缩空气设备，压缩空气设备压缩空气驱动，提供动力。

[0036] 优选地，所述气动剪刀进给气缸2.5和送线气缸2.18采用具有导向功能的气缸。

[0037] 优选地，所述I纤维植入装置还包括连接法兰2.1；连接法兰2.1固定于主支撑板2.15上；连接法兰2.1用于与机器人3的机械臂连接。

[0038] 优选地，所述I纤维植入装置还包括储纱器固定杆2.17、安装垫片2.20和锁紧螺母2.21；所述储纱器固定杆2.17的一端与储纱器连接板2.19螺纹固定连接，中部通过轴套转动安装有储纱器2.16，另一端设置安装垫片2.20并通过锁紧螺母2.21螺纹固定。

[0039] 本发明同时提供了一种I纤维植入设备(简称设备)，其特征在于，该设备包括植入平台1、I纤维植入装置2、机器人3和机器人底座4；机器人3通过机器人底座4安装于水平面上；I纤维植入装置2的连接法兰2.1与机器人3的机械臂末端固定连接，I纤维植入装置2通过机器人3能够到达其工作范围内的空间任意方向和任意位置，能够针对任一工作范围内的位置进行I纤维的植入；植入平台1设置于水平面上，用于安装待植入的预制体6。

[0040] 优选地，所述机器人3的型号是Kawasaki RS30N的六自由度机器人。

[0041] 优选地，所述植入平台1包括机架1.1、伺服电机1.2、预制体装夹机构1.3、装夹机构安装卡盘1.4和联轴器1.5；伺服电机1.2的壳体固定于机架1.1上，其输出端通过联轴器1.5与装夹机构安装卡盘1.4的自转轴固定连接；预制体装夹机构1.3可拆卸式固定(卡装)在装夹机构安装卡盘1.4上。

[0042] 优选地，所述装夹机构安装卡盘1.4为三爪卡盘。

[0043] 使用所述I纤维植入设备对预制体6进行I纤维植入的步骤是：

[0044] (1)将预制体6固定在预制体装夹机构1.3上，将预制体装夹机构1.3卡装在装夹机构安装卡盘1.4上；本实施例中采用190tex石英纤维纱线；待植入的预制体6为底面直径200mm、高425mm、壁厚10mm的圆锥形石英纤维针刺预制体；

[0045] (2)将纱线7均匀缠绕在储纱器2.16上；再将纱线7依次穿过夹线器2.2、放置于压线气缸2.4的活塞杆与压线气缸安装板2.3之间、穿过导向机构2.13、再穿入穿线针管2.11、针管座2.8和植入针管2.9中，纱线7的末端与植入针管2.9的刺入端平齐；本实施例中，穿线针管2.11的型号为21G，植入针管2.9的型号为10#；

[0046] (3)启动设备，机器人3带动I纤维植入装置2按照预设程序进行I纤维植入，植入过程中，植入针管2.9始终与植入位置的法面重合(即始终垂直于植入位置的切平面)；

[0047] 机器人3带动I纤维植入装置2到达预植入点，预植入点是目标植入点的法向方向的正上方位置，本实施例中预植入点的位置是植入针管2.9的针尖与目标植入点的距离为20mm的位置；随后机器人3带动I纤维植入装置2从预植入点开始沿法向方向运动40mm，刺透预制体6；然后压线气缸2.4输出，与压线气缸安装板2.3配合，将纱线7夹紧在其活塞杆与压线气缸安装板2.3之间；紧接着送线气缸2.18输出，拽动纱线7向前运动30mm；然后，连接针管座2.8的压缩空气设备打开，压线气缸2.4复位，送线气缸2.18复位，压缩空气的高速气流带动纱线7向前运动30mm，此时夹线器2.2和导向机构2.13对纱线起到夹紧和导向作用，防止纱线7在压缩空气高速气流作用下吹飞失控；然后机器人3带动I纤维植入装置2沿法向方向退回到预植入点；然后，气动剪刀进给气缸2.5输出，带动气动剪刀2.6至目标位置；随后气动剪刀2.6输出，根据工艺要求的长度剪断纱线7，留在预制体6中的纱线形成已植入的I纤维5；随后气动剪刀进给气缸2.5复位，完成一个植入动作过程；

[0048] (4)机器人3带动I纤维植入装置2按预先规划好的运动轨迹运动到下一个植入位置，同时可以配合PLC程序控制伺服电机1.2的转动带动预制体装夹机构1.3转动，进而带动预制体6转动完成预定角度的进给，优化机器人3的运动轨迹，减少机器人3的大幅度动作，防止无效动作，提高效率；重复步骤(3)进行下一个植入位置的植入；

[0049] (5)重复步骤(4)直至完成整个预制体6的I纤维植入。

[0050] 本发明未述及之处适用于现有技术。