陳小明， 李 皎， 張一帆， 謝軍波， 李晨陽， 陳 利

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 紡織科學(xué)與工程學(xué)院， 天津 300387； 2. 天津工業(yè)大學(xué) 先進(jìn)紡織復(fù)合材料教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300387)

紡織工業(yè)構(gòu)建了多種三維預(yù)制體成型技術(shù)[1]，包括三維機(jī)織[2]、三維編織[3]、三維針織[4]、三維針刺[5]及縫合等技術(shù)，其中三維針刺成型技術(shù)具有自動(dòng)化程度高、制造成本低的優(yōu)勢[6]，得到了廣泛的應(yīng)用。目前三維針刺技術(shù)已用于制造復(fù)合材料構(gòu)件中的各種預(yù)制體，包括火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管擴(kuò)散段[7]、出口錐體[8-9]、腔室、飛機(jī)剎車盤[10]、葉片[11]、喉襯[12]以及復(fù)合材料中的其他碳/碳(或碳/陶瓷)組件[13]等。

隨著三維針刺復(fù)合材料應(yīng)用的發(fā)展，三維針刺裝備技術(shù)也得到了長足的發(fā)展，形成系列技術(shù)，包括平板預(yù)制體針刺成型技術(shù)[14-15]、圓環(huán)預(yù)制體針刺成型技術(shù)[16]及異型預(yù)制體針刺成型技術(shù)[17-19]，其中異型針刺成型技術(shù)一直以來都是國內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。Olry[17]發(fā)明了“Novoltex”針刺技術(shù)，適用于軸對稱圓錐預(yù)制體的針刺成型；房坤鵬等[18]提出了一種變直徑回轉(zhuǎn)預(yù)制體針刺機(jī)。然而，上述2種針刺機(jī)的針刺頭不具有角度調(diào)整功能，可用于特定外形的針刺預(yù)制體的批量生產(chǎn)，難以適用于小批量、多品種回轉(zhuǎn)預(yù)制體的針刺成型。在回轉(zhuǎn)體加工制造方面，郝宏大[19]研究了全自動(dòng)薄壁回轉(zhuǎn)體幾何參數(shù)測量設(shè)備和軌跡規(guī)劃軟件。楊紅紅[20]研究了適用于四自由度纏繞機(jī)的線型和運(yùn)動(dòng)軸的運(yùn)動(dòng)軌跡；Chen等[21-22]發(fā)明了針刺機(jī)器人，并用于回轉(zhuǎn)預(yù)制體和自由曲面預(yù)制體的制備，但采用6關(guān)節(jié)機(jī)器人針刺需要相對較高的裝備成本。

針對現(xiàn)有異型針刺成型裝備專用性強(qiáng)，成本高，難以適應(yīng)小批量、多品種回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料預(yù)制體的針刺成型要求的問題，本文提出一種復(fù)合材料回轉(zhuǎn)預(yù)制體柔性針刺成型系統(tǒng)。通過設(shè)計(jì)四軸柔性針刺機(jī)的機(jī)械構(gòu)型，以及基于可編程控制器(PLC)和觸摸屏得到柔性針刺成型控制系統(tǒng)，以期將該系統(tǒng)應(yīng)用于火箭發(fā)動(dòng)機(jī)噴管、高超聲速飛行器天線罩等回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料預(yù)制體的小批量、多品種針刺成型織造。

1 柔性針刺成型系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1．1 設(shè)計(jì)思路

本文設(shè)計(jì)的針刺成型系統(tǒng)需要能夠?qū)崿F(xiàn)回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料預(yù)制體的三維針刺成型織造，該類織物一般由基布層、網(wǎng)胎層和厚度方向纖維組成，其中厚度方向纖維通過針刺運(yùn)動(dòng)形成。分析回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)預(yù)制體的外形特征，采用四軸運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)可以滿足針刺點(diǎn)位姿的運(yùn)動(dòng)合成要求；同時(shí)，為了提高針刺效率，提出去除剝網(wǎng)板運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，采用基于單氣缸的針刺頭新構(gòu)型。

1．2 柔性針刺機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料預(yù)制體柔性針刺機(jī)由主框架結(jié)構(gòu)、針刺頭單元、回轉(zhuǎn)工作臺組件、針刺頭單元水平運(yùn)動(dòng)部件、針刺頭單元垂直運(yùn)動(dòng)部件以及針刺頭單元擺動(dòng)組件組成，分別由回轉(zhuǎn)工作臺電動(dòng)機(jī)、X軸電動(dòng)機(jī)、Y軸電動(dòng)機(jī)和針刺頭擺動(dòng)軸電動(dòng)機(jī)伺服驅(qū)動(dòng)，如圖1所示。

圖1 柔性針刺機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Flexible needle punching machine

1.2.1 針刺頭設(shè)計(jì)

傳統(tǒng)的針刺機(jī)針刺運(yùn)動(dòng)由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過皮帶或偏心輪連接到曲柄機(jī)構(gòu)，曲柄機(jī)構(gòu)控制針板和剝網(wǎng)板的往復(fù)直線針刺運(yùn)動(dòng)。傳統(tǒng)的針刺頭結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜，質(zhì)量大，難以滿足輕量化機(jī)器人末端執(zhí)行器的要求，因此，Chen等[21]提出針刺頭使用壓縮空氣作為動(dòng)力源，并且氣缸作為針板和剝網(wǎng)板運(yùn)動(dòng)的執(zhí)行器，大大簡化了裝配結(jié)構(gòu)并減輕了末端執(zhí)行器的質(zhì)量，如圖2(a)所示。本文提出新型的針刺頭結(jié)構(gòu)，去除剝離板的運(yùn)動(dòng)，進(jìn)一步簡化了針刺頭的結(jié)構(gòu)，如圖2(b)所示，采用單氣缸四導(dǎo)柱結(jié)構(gòu)，并且通過調(diào)整塊調(diào)整剝網(wǎng)板位置實(shí)現(xiàn)針刺深度的柔性調(diào)節(jié)。根據(jù)實(shí)際經(jīng)驗(yàn)，單針需要約10 N的進(jìn)給力， 在當(dāng)前項(xiàng)目中，針板上的最大針數(shù)為45，根據(jù)式(1)，可計(jì)算選擇針刺氣缸的直徑為40 mm。

F=πD2Pη/4

(1)

式中：F為氣缸的實(shí)際輸出力，N；η為氣缸力的輸出效率；D為氣缸直徑，mm；P為壓縮空氣的壓力，Pa。

圖2 針刺頭結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Needle-punching head. (a) Double cylinder needle-punching head; (b) Single cylinder needle-punching head

1.2.2 回轉(zhuǎn)工作臺和各軸驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)

回轉(zhuǎn)工作臺及其主要部件如圖3所示，主要包括伺服電動(dòng)機(jī)、行星減速器、回轉(zhuǎn)支承、三爪卡盤，其中伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)定位精度高，回轉(zhuǎn)支承承載彎矩能力強(qiáng)，能夠克服大型回轉(zhuǎn)預(yù)制體針刺產(chǎn)生的針刺力矩。

負(fù)載和電動(dòng)機(jī)的慣性需要滿足式(2)[19]，系統(tǒng)的最大慣性為0.9 kg·m2，旋轉(zhuǎn)工作臺選擇松下的伺服電動(dòng)機(jī)(750 W)，其電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)子慣量為1.51×10-4kg·m2，選用減速比為60，慣性為0.51×10-4kg·m2的行星齒輪減速器，可以匹配慣性要求。由于旋轉(zhuǎn)工作臺的阻力主要由滾動(dòng)摩擦引起，一般來說滾動(dòng)摩擦相對較小，因此主要考慮的是慣性匹配計(jì)算。此外，針刺過程產(chǎn)生巨大的反作用力，絲杠需要產(chǎn)生足夠的保持力，約450 N，根據(jù)絲杠軸向力Fa計(jì)算公式(3)[19]，匹配恰當(dāng)?shù)膮?shù)，X軸運(yùn)動(dòng)選用相同的伺服電動(dòng)機(jī)，配置齒輪減速比為12、慣性為0.72×10-4kg·m2的行星齒輪減速器；Y軸需要克服針刺頭和擺動(dòng)軸的重力作用，共計(jì)約300 N，選用750 W伺服電動(dòng)機(jī)，額定扭矩為2.4 N·m，伺服電動(dòng)機(jī)輸出610 N軸向力，可以滿足使用要求，此外Y軸伺服電動(dòng)機(jī)帶有斷電剎車功能，保證了安全性；擺動(dòng)軸主要受針刺頭的質(zhì)量扭矩作用，最大值約為6 N·m，配置750 W伺服電動(dòng)機(jī)和減速比為12的彎頭行星減速器，其中伺服電動(dòng)機(jī)的額定扭矩為2.4 N·m，根據(jù)式(4)，伺服電動(dòng)機(jī)經(jīng)過減速器后輸出扭矩TOUT增至28.8 N·m，可以滿足使用要求，選擇的氣缸和伺服電動(dòng)機(jī)的詳細(xì)參數(shù)如表1所示。

圖3 回轉(zhuǎn)工作臺Fig.3 Rotary table

(2)

Fa=2 πη1TmIη2/L

(3)

TOUT=TmI

(4)

式中：Jload為負(fù)載的慣性，kg·m2；Jg為行星齒輪單元的慣性，kg·m2；I為行星齒輪減速比；Jm為電動(dòng)機(jī)的慣性，kg·m2；η1為絲杠傳動(dòng)效率；η2為減速器傳動(dòng)效率；Tm為伺服電動(dòng)機(jī)額定扭矩,N·m；L為絲杠螺距,mm。

表1 氣缸和伺服系統(tǒng)參數(shù)Tab.1 Parameters of cylinder and servo system

1.3 柔性針刺機(jī)控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1.3.1 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

本機(jī)采用可編程控制器(PLC)作為控制器控制伺服電動(dòng)機(jī)和氣缸運(yùn)動(dòng)，并使用連接PLC單元的人機(jī)界面(HMI)操作針刺機(jī)，完整的控制系統(tǒng)硬件組成如圖4所示。 PLC使用Omron CP1H-X-40-DT，含4路脈沖輸出口，分別用于控制4個(gè)伺服電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)。HMI使用HITECH 6700T-P觸摸屏，通過串口與PLC通信，該HMI主要用于電動(dòng)機(jī)和氣缸的手動(dòng)調(diào)試，系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置，報(bào)警瀏覽等。伺服驅(qū)動(dòng)器采用Panasonic的E系列驅(qū)動(dòng)器。針刺氣缸為AirTAC的SDAS40-40-S，電磁閥和磁性開關(guān)分別為AirTAC的4V210和CS1-J。

圖4 PLC控制系統(tǒng)硬件組成Fig.4 Hardware composition of PLC control system

圖5 針刺軌跡計(jì)算模型Fig.5 Trajectory planning model of needle-punching

1.3．2 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

1.3.2.1針刺點(diǎn)位置和各軸運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算 針刺軌跡計(jì)算模型如圖5所示。首先，根據(jù)回轉(zhuǎn)預(yù)制體CAD模型和針刺步進(jìn)量S，基于AUTOCAD軟件沿預(yù)制體的母線產(chǎn)生系列針刺點(diǎn)Pi，輸出針刺點(diǎn)的位置信息Pi(Xi,Yi)；進(jìn)一步計(jì)算相鄰針刺點(diǎn)在X、Y軸方向的位移步進(jìn)量ΔXi、ΔYi，以及針刺頭的擺動(dòng)步進(jìn)量Δθi，其中ΔXi=Xi-Xi-1，ΔYi=Yi-Yi-1，Δθi=θi-θi-1；此外，回轉(zhuǎn)工作臺的旋轉(zhuǎn)步進(jìn)量βi采用式(5)計(jì)算獲得。

βi=-180S/(πXi)

(5)

式中：βi為回轉(zhuǎn)工作臺的旋轉(zhuǎn)步進(jìn)量，(°)；S為針刺步進(jìn)量，mm；Xi為針刺點(diǎn)的X軸坐標(biāo)值。

基于絲杠螺距L、伺服電動(dòng)機(jī)單圈脈沖數(shù)N，以及各軸行星減速器減速比I， PLC根據(jù)式(6)和(7)分別計(jì)算各軸伺服運(yùn)動(dòng)所需脈沖數(shù)Ps，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)X軸、Y軸、針刺頭擺動(dòng)軸位置和回轉(zhuǎn)工作臺位置的伺服控制，其中ΔD為X軸、Y軸位移步進(jìn)量，Δθ為角度步進(jìn)量，N=10 000，L=20 mm，X軸和針刺頭擺動(dòng)軸行星減速器減速比I=12，回轉(zhuǎn)工作臺行星減速器減速比I=60。

Ps=ΔDNI/L

(6)

Ps=ΔθNI/360

(7)

式中：Ps是各軸伺服運(yùn)動(dòng)所需脈沖數(shù)；ΔD是X軸、Y軸位移步進(jìn)量，mm；N是伺服電動(dòng)機(jī)運(yùn)動(dòng)1圈所需脈沖數(shù)；L是絲杠螺距，mm。

1.3.2.2程序運(yùn)行流程 程序啟動(dòng)前先通過觸摸屏輸入各針刺刀位點(diǎn)的相對位移ΔXi和ΔYi、擺動(dòng)角增量Δθi和回轉(zhuǎn)工作臺步進(jìn)量βi，并手動(dòng)對刀，將針刺頭定位至初始刀位點(diǎn)P0(如圖5所示)，針刺頭方向垂直預(yù)制體表面；程序啟動(dòng)后，進(jìn)入子程序開始執(zhí)行針刺動(dòng)作，針刺子程序運(yùn)行流程圖如圖6所示。

圖6 針刺子程序運(yùn)行流程圖Fig.6 Program running flow chart of needle-punching subroutine

首先，啟動(dòng)機(jī)器，程序進(jìn)入子程序；進(jìn)一步，針刺氣缸輸出，到達(dá)終點(diǎn)后氣缸退回，然后回轉(zhuǎn)工作臺旋轉(zhuǎn)步進(jìn)，程序進(jìn)入下一個(gè)針刺循環(huán)，直到針刺1圈完成，針刺頭移動(dòng)到下一個(gè)刀位點(diǎn)以繼續(xù)針刺，直到達(dá)到目標(biāo)圈數(shù)，1層刺完，程序結(jié)束。

2 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

使用前述構(gòu)建的四軸柔性針刺成型系統(tǒng)制備錐形回轉(zhuǎn)預(yù)制體，驗(yàn)證系統(tǒng)的可行性，四軸柔性針刺機(jī)樣機(jī)如圖7所示。

圖7 柔性針刺機(jī)樣機(jī)Fig.7 Flexible needle punching machine

實(shí)驗(yàn)原料為石英短纖維網(wǎng)胎(100 g/m2)和斜紋機(jī)織基布(208 g/m2)，針刺采用逐層接力針刺，1層布加1層網(wǎng)胎為1個(gè)單元層。針刺步進(jìn)量為7 mm×7mm，針刺密度為25針/ cm2，針刺深度為20 mm，針刺速度為110次 / min，刺針為三角形截面刺針。本實(shí)驗(yàn)中使用的短纖維網(wǎng)胎由天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所提供，基布由湖北菲利華石英玻璃有限公司提供。

柔性針刺機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證如圖8所示，錐形旋轉(zhuǎn)預(yù)制體高度約為1.2 m，最大直徑約為0.5 m。其中圖8(a)為針刺模擬圖，圖8(b)為實(shí)體機(jī)針刺實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證過程圖及制備完成的回轉(zhuǎn)預(yù)制體。采用圖8(a)左側(cè)中的針板，可以安裝15枚針；圖8(a)右側(cè)的圖為針刺針跡模擬圖。

圖8 柔性針刺機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證Fig.8 Experimental verification of flexible needle punching machine. (a) Needle-punching simulation; (b) Needle-punching experiment

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)預(yù)制件的針刺成型，實(shí)驗(yàn)針刺針跡和模擬針跡高度一致，針刺步進(jìn)量為7 mm×7mm，針刺密度為25針/ cm2，如圖8所示，證明了四軸柔性針刺系統(tǒng)的可行性。本柔性針刺機(jī)采用圖2(b)的新型單氣缸針刺頭單元，由于去除了剝離板的運(yùn)動(dòng)，節(jié)省了運(yùn)動(dòng)時(shí)間，與圖2(a)的針刺頭相比，針刺效率加倍，針刺頻率達(dá)到每分鐘110次。與傳統(tǒng)的異形針刺機(jī)和機(jī)器人針刺機(jī)相比，本文的四軸柔性針刺機(jī)具有相對簡單的針刺頭結(jié)構(gòu)和較低的制造成本，以及簡單的針刺位置和各軸運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算方法，適用于不同形狀、尺寸回轉(zhuǎn)預(yù)制體的針刺成型，是一種靈活的回轉(zhuǎn)預(yù)制體針刺成型織造系統(tǒng)。

3 結(jié) 論

1)本文介紹了一種用于制造回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)復(fù)合材料預(yù)制體的新型四軸柔性針刺成型系統(tǒng)。提出采用四軸聯(lián)動(dòng)的針刺機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)和氣動(dòng)針刺頭構(gòu)型，并基于PLC和HMI構(gòu)建了柔性針刺成型控制系統(tǒng)，針刺實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，該系統(tǒng)可以實(shí)現(xiàn)回轉(zhuǎn)預(yù)制體的針刺成型，實(shí)驗(yàn)針刺針跡和模擬針跡高度一致，證明了四軸柔性針刺系統(tǒng)的可行性。

2)采用單氣缸新型針刺頭，該四軸柔性針刺機(jī)可大大提高針刺效率。通過去除剝網(wǎng)板運(yùn)動(dòng)，針刺效率比采用雙氣缸針刺頭提高1倍，針刺頻率達(dá)到每分鐘110次。

3)新型的四軸異形柔性針刺機(jī)具有相對簡單的針刺頭結(jié)構(gòu)和較低的制造成本，以及簡單的針刺位置和各軸運(yùn)動(dòng)參數(shù)計(jì)算方法，適用于不同形狀、尺寸回轉(zhuǎn)預(yù)制體的針刺成型，是一種靈活的回轉(zhuǎn)預(yù)制體針刺成型制造系統(tǒng)。未來將在雙頭或多頭多軸柔性針刺成型系統(tǒng)進(jìn)一步開展研究，以進(jìn)一步提高針刺成型效率。