一种异形曲面自适应针刺装置及方法

本发明涉及复合材料三维结构预制体成形，尤其涉及一种异形曲面自适应针刺装置及方法。

背景技术：

1、复合材料具有性能比高、可设计性强以及轻量化等优势，是当前航空航天领域的研究热点。三维针刺复合材料成形技术原理简单，适合复杂结构预制体的快速、低成本制造，是预制体大规模生产应用的关键技术。

2、目前面向刹车盘、坩埚等典型构件的专用针刺设备发展已较为成熟，可快速生产出相应典型型号构件的预制体，但可柔性化生产不同种类构件预制体的针刺设备研究尚不成熟，仍依赖人工干预更换不同的针刺头来满足不同尺寸形状、不同工艺参数需求的预制体针刺工作，生产效率低，无法实现小批量、定制化、快速成形的需求。面向航空航天特种构件的异形曲面预制体具有外形复杂、性能区域分布的特征，当前针刺装置难以实现自适应异形曲面针刺，缺少可以在生产工作中按工艺需求及时更换刺针数量、排布的装置与方法。

技术实现思路

1、发明目的：针对现有针刺设备无法根据不同曲面预制体调整针刺头的缺点，本发明提供一种异形曲面自适应针刺装置及方法。

2、技术方案：为解决上述问题，本发明采用一种异形曲面自适应针刺装置，包括自适应针刺头，所述自适应针刺头包括变形机构和安装于变形机构内的针刺模块；所述变形机构包括固定板、副板和安装于固定板上的第一驱动装置，所述固定板包括第一连接板和自第一连接板两端同向弯折延伸出的两个主板，至少一个针刺模块安装于副板上且针刺模块位于两个主板之间，所述副板两端分别与两个主板铰接；所述主板上设有弧形槽，所述第一驱动装置安装于其中一个主板上，第一驱动装置输出端连接有主动杆，所述主动杆一端与第一驱动装置铰接，另一端通过第一铰接件与副板铰接，所述第一铰接件安装于弧形槽内；第一驱动装置带动主动杆摆动以改变针刺模块摆动角度。

3、进一步的，所述针刺模块包括第一安装板和若干针刺单元，所述针刺单元包括第二驱动装置、与第二驱动装置连接的刺针安装板和安装于刺针安装板上的若干刺针，所述第二驱动装置安装于第一安装板上。

4、进一步的，还包括视觉分析处理模块和控制系统，所述视觉分析处理模块用于获取预制体外形轮廓信息并生成针刺工作路径；所述控制系统用于根据针刺工作路径控制自适应针刺头进行针刺；所述视觉分析处理模块包括三维扫描仪和上位机，所述三维扫描仪用于获取预制体外形轮廓信息并生成三维模型，所述上位机用于根据三维模型生成针刺工作路径。

5、进一步的，两个主板上均设有弧形槽且该两个主板上相对的两个弧形槽对称设置；副板一端通过第一铰接件插入一个弧形槽内，副板另一端通过一个从动销轴插入相对的另一个弧形槽内。

6、进一步的，所述自适应针刺头还包括进给机构，所述进给机构包括法兰座、与法兰座连接的第二连接板、安装于第二连接板上的第三驱动装置、第一导向杆和第三连接板，所述第三连接板与第一连接板固定连接，第一连接板上设有固定座，所述第一导向杆一端穿过第一连接板和第三连接板安装于固定座内，另一端穿过第二连接板位于法兰座内；所述第三驱动装置的推杆穿过第三连接板与第一连接板固定连接。

7、进一步的，所述针刺模块还包括压实机构，所述压实机构包括第二安装板、与第二安装板平行的压板，所述第二安装板上设有开孔，所述第一安装板安装于开孔内，第二安装板与压板通过若干第二导向杆连接，所述第二导向杆上设有挡块，第二导向杆上套设有弹簧，所述弹簧位于挡块和第二安装板之间，所述压板上设有供刺针穿过的针槽；当自适应针刺头压紧预制体时，第二安装板沿第二导向杆滑动并下压弹簧，自适应针刺头脱离预制体时，压板在弹簧作用下继续压紧预制体一段时间后脱离预制体。

8、进一步的，固定板上设有两个副板，且该两个副板分别对称的位于第一连接板两侧；每个主板上设有两个弧形槽，每个弧形槽分别与一个第一连接板配合，每个自适应针刺头中至少包括三个针刺模块，其中一个固定于第一连接板；另外两个分别位于两侧的副板上；

9、所述针刺模块的第二安装板侧边上设有耳座，相邻两个针刺模块通过安装于耳座内的销轴铰接。

10、本发明还提供一种使用上述异形曲面自适应针刺装置的针刺方法，包括以下步骤：

11、步骤1、获取预制体的三维模型；

12、步骤2、对预制体三维模型进行拟合处理及切片分层，计算每个工作层的曲面轮廓参数；

13、步骤3、根据曲面轮廓参数生成针刺工作路径；

14、步骤4、根据针刺工作路径控制自适应针刺头的位置及摆动角进行针刺直至完成当前工作层针刺；

15、步骤5、完成一个工作层针刺后将自适应针刺头移动至下一工作层进行针刺，直至整个预制体完成针刺。

16、进一步的，所述曲面轮廓参数包括工作层母线长度l、拟合直线段的斜率k、回转半径r。

17、进一步的，所述工作层母线长度l与针刺模块的针刺工作宽度相等。

18、有益效果：本发明相对于现有技术，其显著优点是(1)通过变形机构实现针刺模块摆动角度的自动调整，使针刺模块适应预制体表面的起伏变化，无需更换针刺头，提高了针刺工作效率；(2)通过设置多个针刺模块及针刺单元，各针刺模块及针刺单元阵列排布、独立控制，实现了针刺“点-线-面”集成可调，提高了针刺精度及装置灵活度；(3)通过视觉处理模块、控制模块协同配合，采用切片分层策略，针对不同异形体预制体生成个性化针刺工作路径，满足了异形曲面预制体的小批量、定制化、快速成形的需求。

技术特征：

1.一种异形曲面自适应针刺装置，其特征在于，包括自适应针刺头(1)，所述自适应针刺头(1)包括变形机构(12)和安装于变形机构(12)内的针刺模块(11)；所述变形机构(12)包括固定板(125)、副板(126)和安装于固定板(125)上的第一驱动装置(123)，所述固定板(125)包括第一连接板(1251)和自第一连接板(1251)两端同向弯折延伸出的两个主板(1252)，至少一个针刺模块(11)安装于副板(126)上且针刺模块(11)位于两个主板(1252)之间，所述副板(126)两端分别与两个主板(1252)铰接；所述主板(1252)上设有弧形槽(1253)，所述第一驱动装置(123)安装于其中一个主板(1252)上，第一驱动装置(123)输出端连接有主动杆(122)，所述主动杆(122)一端与第一驱动装置(123)铰接，另一端通过第一铰接件(121)与副板(126)铰接，所述第一铰接件(121)安装于弧形槽(1253)内；第一驱动装置(123)带动主动杆(122)摆动以改变针刺模块(11)摆动角度。

2.如权利要求1所述的异形曲面自适应针刺装置，其特征在于，所述针刺模块(11)包括第一安装板(112)和若干针刺单元(111)，所述针刺单元(111)包括第二驱动装置(1111)、与第二驱动装置(1111)连接的刺针安装板(1113)和安装于刺针安装板(1113)上的若干刺针(1114)，所述第二驱动装置(1111)安装于第一安装板(112)上。

3.如权利要求1所述的异形曲面自适应针刺装置，其特征在于，还包括视觉分析处理模块(2)和控制系统，所述视觉分析处理模块(2)用于获取预制体外形轮廓信息并生成针刺工作路径；所述控制系统用于根据针刺工作路径控制自适应针刺头(1)进行针刺；所述视觉分析处理模块(2)包括三维扫描仪和上位机，所述三维扫描仪用于获取预制体外形轮廓信息并生成三维模型，所述上位机用于根据三维模型生成针刺工作路径。

4.如权利要求1或2所述的异形曲面自适应针刺装置，其特征在于，两个主板(1252)上均设有弧形槽(1253)且该两个主板(1252)上相对的两个弧形槽对称设置；副板(126)一端通过第一铰接件(121)插入一个弧形槽(1253)内，副板(126)另一端通过一个从动销轴(124)插入相对的另一个弧形槽内。

5.如权利要求1所述的异形曲面自适应针刺装置，其特征在于，所述自适应针刺头(1)还包括进给机构(13)，所述进给机构(13)包括法兰座(131)、与法兰座(131)连接的第二连接板(138)、安装于第二连接板(138)上的第三驱动装置(132)、第一导向杆(133)和第三连接板(136)，所述第三连接板(136)与第一连接板(1251)固定连接，第一连接板(1251)上设有固定座(135)，所述第一导向杆(133)一端穿过第一连接板(1251)和第三连接板(136)安装于固定座(135)内，另一端穿过第二连接板(138)位于法兰座(131)内；所述第三驱动装置(132)的推杆穿过第三连接板(136)与第一连接板(1251)固定连接。

6.如权利要求5所述的异形曲面自适应针刺装置，其特征在于，所述针刺模块(11)还包括压实机构(113)，所述压实机构(113)包括第二安装板(1131)、与第二安装板(1131)平行的压板(1135)，所述第二安装板(1131)上设有开孔，所述第一安装板(112)安装于开孔内，第二安装板(1131)与压板(1135)通过若干第二导向杆(1134)连接，所述第二导向杆(1134)上设有挡块(1133)，第二导向杆(1134)上套设有弹簧(1132)，所述弹簧(1132)位于挡块(1133)和第二安装板(1131)之间，所述压板(1135)上设有供刺针(1114)穿过的针槽；当自适应针刺头(1)压紧预制体时，第二安装板(1131)沿第二导向杆(1134)滑动并下压弹簧(1132)，自适应针刺头(1)脱离预制体时，压板(1135)在弹簧(1132)作用下继续压紧预制体一段时间后脱离预制体。

7.如权利要求6所述的异形曲面自适应针刺装置，其特征在于，固定板(125)上设有两个副板(126)，且该两个副板(126)分别对称的位于第一连接板(1251)两侧；每个主板(1252)上设有两个弧形槽(1253)，每个弧形槽(1253)分别与一个第一连接板(1251)配合，每个自适应针刺头(1)中至少包括三个针刺模块(11)，其中一个固定于第一连接板(1251)；另外两个分别位于两侧的副板(126)上；

8.一种使用如权利要求1-7任一项所述异形曲面自适应针刺装置的针刺方法，其特征在于，包括以下步骤：

9.如权利要求8所述的针刺方法，其特征在于，步骤2中所述拟合处理及切片分层具体为：将获取的数字化三维模型采用最小二乘法进行拟合处理得到曲面光滑的三维模型，将拟合处理后的三维模型沿回转轴线方向划分为若干工作层，每个工作层回转曲面的母线长度l相等，所述母线长度l与针刺模块11针刺工作区域s的宽度相等；所述曲面轮廓参数包括工作层母线长度l、拟合直线段的斜率k、回转半径r。

10.如权利要求9所述的针刺方法，其特征在于，所述针刺模块(11)内包括若干针刺单元(111)，步骤4所述控制自适应针刺头(1)匹配当前工作层具体为：调整针刺模块摆动角度使摆动角度与工作层曲面匹配，以及选择与工作层匹配的针刺单元(111)进行针刺，进行针刺时，相邻针刺模块(11)为异步针刺，相邻针刺单元(111)为同步针刺。

技术总结本发明公开了一种异形曲面自适应针刺装置及方法，针刺装置包括自适应针刺头，所述自适应针刺头包括变形机构和安装于变形机构内的针刺模块；变形机构用于调整针刺模块摆动角度使其与预制体曲面匹配。本发明的方法首先获取预制体的三维模型并将三维模型拟合处理及切片分层，将预制体分为若干工作层；通过机械臂带动针刺装置到达初始针刺位置并调整针刺模块，使针刺模块的角度及针刺数量与工作层匹配并逐层进行针刺直至完成整个预制体针刺。本发明通过变形机构实现针刺模块摆动角度的自动调整，使针刺模块适应预制体表面的起伏变化，无需更换针刺头，提高针刺工作效率。技术研发人员：单忠德,耿逢辰,郭子桐,周征西,庄智淇,孙正受保护的技术使用者：南京航空航天大学技术研发日：技术公布日：2024/7/15