C/C復合材料預制體縫合裝置鎖扣機構研制

宋宗建，董九志，陳云軍，王書舟

(天津工業(yè)大學 a.天津市現(xiàn)代機電裝備技術重點實驗室；b.電工電能新技術天津市重點實驗室：天津 300387)

0 引言

復合材料縫合技術，是針對傳統(tǒng)預制體成型方法不足而開發(fā)的一種全新技術，通過縫合使復合材料在垂直于鋪層平面方向得到增強，從而提高材料層間損傷容限[1-2]。該技術起源于20世紀70年代，80年代時美國人L.A.Mingenery等在環(huán)氧樹脂/碳纖維體系固化前將碳纖維縫入層合板的厚度方向起承力作用，顯著提高了層間強度，之后縫合技術得到了各國的重視和研究[3]。近年來，我國北京航空制造工程研究所已在縫合復合材料計算機模擬仿真、復雜構件預制體成型等方面取得了突破性進展[4-5]，相應的縫合設備迅猛發(fā)展，從最原始的工業(yè)縫紉機發(fā)展到由計算機控制的大型縫合設備[6]。

鎖扣機構用鉤針是單線鏈式縫合裝置的關鍵件，其作用是鉤取由引線針送至縫料底部的紗線線環(huán)并與上一線環(huán)形成環(huán)環(huán)相套的鎖扣線跡，其鉤取功能直接關系到縫合裝置是否研制成型。傳統(tǒng)的鏈式鎖扣裝置采用旋轉(zhuǎn)線鉤，在鎖扣過程中紗線線環(huán)始終被線鉤鉤取，紗線與線鉤的摩擦強度很大，極易導致紗線產(chǎn)生損傷甚至折斷，嚴重影響縫合質(zhì)量和縫合效率、甚至導致失敗。

1 碳纖維縫合裝置鎖扣機構設計

在C/C復合材料預制體縫合裝置設計中，為使縫合裝置適用于碳纖維紗線，同時確保形成鏈式線跡的套三角動作可靠實現(xiàn)，縫合裝置鎖扣機構鉤針應按照特定的工作運動要求、即小幅度擺動又移動，以使鉤針尖在空間形成所需的運動軌跡。為滿足此要求，設計出鎖扣機構鉤針與引線針配合形成鏈式線跡過程，如圖1所示。

a) b) c)

d) e) f)

鎖扣機構鉤針的擺動和移動運動分別由盤形凸輪和圓柱形凸輪控制，其結(jié)構如圖2所示。而兩個凸輪的從動件為鎖扣機構的鉤針，安裝在能由兩個凸輪同時控制擺動和移動的安裝架上，其結(jié)構如圖3所示。同時，在主軸凸輪的廓線設計時，為滿足鉤針尖運動軌跡要求，需要對鉤針擺動和移動的軌跡進行循環(huán)優(yōu)選設計。

1—盤形凸輪；2—圓柱形凸輪。圖2 鎖扣機構主軸凸輪

1—鉤針安裝架；2—鉤針。圖3 凸輪從動件(鉤針)結(jié)構

2 鎖扣機構鉤針運動規(guī)律設計

2.1 鉤針運動規(guī)律規(guī)劃

根據(jù)鉤針鎖扣動作設計，結(jié)合縫合裝置引線機構運動，設計出鉤針的運動規(guī)律，如圖4所示。

圖4 鉤針運動規(guī)律

圖4中橫坐標為引紗機構主軸轉(zhuǎn)角，縱坐標為引線針針尖刺入碳布底面深度。M，N點為凸輪軸起止轉(zhuǎn)動點；從A1點鉤針開始移動，見圖1e)，到A2點鉤針停止移動；從C1點鉤針開始擺動，見圖1f)，到C2點鉤針停止擺動；從B1點鉤針開始往回移動，見圖1b)，到B2點鉤針停止移動。

2.2 鉤針移動規(guī)律

在確定鉤針移動規(guī)律前，首先應確定鉤針最大移動距離，如圖5所示，鉤針最大移動距離S1為：

S1=m/2+h+d/2

(1)

式(1)中，設鉤針厚度m為4 mm，機針直徑d為2.5 mm，鉤針與機針最大間隙h為0.55 mm，計算得S1=3.8 mm。

圖5 鉤針移動距離

結(jié)合前述對于鉤針運動規(guī)律的規(guī)劃，由鉤針最大移動距離可得鉤針移動規(guī)律，如圖6所示。

圖6 鉤針移動規(guī)律

A1-A2及B1-B2段運動曲線方程分別為：

yA1A2=-(1.9/π)sin[9(φ-2π/9)]+

(17.1/π)(φ-2π/9)

(2)

yB1B2=(1.9/π)sin[9(φ-35π/18)]-

(17.1/π)(φ-35π/18)

(3)

式(2)、(3)中，φ為凸輪軸轉(zhuǎn)角/rad。

2.3 鉤針擺動規(guī)律

根據(jù)鉤針鎖扣動作設計，鉤針順時針擺動到最右端后，向前移動時鉤針應不與引線針發(fā)生干涉，見圖1b)、圖1d)；鉤針逆時針擺動到最左端時，線環(huán)應能順利從鉤針上脫離，見圖1f)，并且線環(huán)脫離后鉤針能順利鉤取下一個線環(huán)，見圖1a)，結(jié)合引線針直徑及鉤針安裝架結(jié)構尺寸，可得鉤針擺角S2應大于13°，取S2=18°，進而得到鉤針擺動規(guī)律，見圖7(擺角逆時針為正)。

圖7 鉤針擺動規(guī)律

yC1C2=-9cos[180/103(φ-97π/180)]+9

(4)

式(4)中，φ為凸輪軸轉(zhuǎn)角/rad。

3 凸輪輪廓線設計

3.1 鉤針移動凸輪設計

在直角坐標系中展開圓柱形凸輪理論廓線為：

(5)

式(5)中：

Rb——圓柱形凸輪最小外圓柱半徑/mm；

φ——凸輪軸轉(zhuǎn)角/rad；

S——鉤針移動動程/mm。

則，圓柱形凸輪展開的實際輪廓坐標為：

(6)

式(6)中：

Rr——滾子半徑/mm，取Rr=4 mm；

λ——凸輪輪廓類型系數(shù)，對于主廓線λ=1，對于副廓線，λ=-1；

α——壓力角/rad。

將相關參數(shù)代入式(6)中，利用Pro/E參數(shù)化建模功能可得到鉤針移動凸輪的實際廓線及三維模型，如圖8所示。

圖8 移動凸輪實際廓線及三維模型

3.2 鉤針擺動凸輪設計

鉤針擺動凸輪機構，如圖9所示。

圖9 擺動凸輪機構

圖9中βb，ψb為起始位置時(即凸輪軸轉(zhuǎn)角為0°時)的角度，計算公式為：

(7)

(8)

式(7)、(8)中，Rb為凸輪基圓半徑/mm。則，擺動凸輪的理論廓線為：

(9)

式(9)中：

η——相對位置符號系數(shù)；

φ——凸輪軸轉(zhuǎn)角/rad；

ψ——鉤針擺角/rad。

擺動凸輪實際廓線為：

(10)

式(10)中：

Rr——滾子半徑/mm；

λ——凸輪輪廓類型系數(shù)；

α——壓力角/rad。

擺動從動件許用壓力角α為35°～45°，取45°；取Rb為5 mm，步長為0.5 mm，利用Matlab軟件進行迭代計算，得到滿足壓力角小于許用壓力角的最小基圓半徑Rb,min為14.5 mm，取17 mm。根據(jù)以上參數(shù)，繪制出擺動凸輪實際輪廓線，如圖10所示。

圖10 擺動凸輪實際廓線

4 試驗驗證

鎖扣裝置主動件為凸輪軸，因其受力不大，故對電機扭矩要求較低，僅需要實現(xiàn)精確控制即可，故選用型號為57BYGH56-401A型步進電機驅(qū)動鎖扣裝置凸輪軸。鎖扣機構整體實物裝配圖見圖11。

為了驗證縫合裝置鎖扣機構功能的可行性，將裝配完成的鎖扣機構安裝在碳布縫合裝置上進行縫合鎖扣工作，縫合鎖扣效果如圖12所示。經(jīng)試驗驗證，鎖扣機構與縫合裝置引線機構配合性好，能夠?qū)崿F(xiàn)碳纖維紗線自動化縫合鎖扣工作。

圖11 鎖扣裝置實物

圖12 縫合鎖扣效果

5 結(jié)語

針對C/C復合材料預制體縫合裝置碳纖維紗線單線鏈式鎖扣的實際需求，結(jié)合自主研制的縫合裝置，設計出專用的鉤針鎖扣機構。該機構通過同一旋轉(zhuǎn)主軸上的兩凸輪分別控制鉤針小范圍擺動和移動，完成鏈式縫合鎖扣，控制精度高，工作可靠，結(jié)構緊湊，大大減小了碳纖維縫線的摩擦長度，確保縫線不損傷，并配合縫合裝置進行C/C復合材料預制體縫合鎖扣試驗驗證，表明其原理可行、工作可靠。