高性能Z-pin過渡植入裝置的研發(fā)*

段學(xué)俊，吳慶堂，商偉輝，鄒 陽，王利彬，楊 柳，王 強(qiáng)，趙國法，范 悅，郭 波

(1.長春設(shè)備工藝研究所，吉林 長春 130012；2.長春長光宇航復(fù)合材料有限公司，吉林 長春 130102)

目前，縫合技術(shù)、三維編織技術(shù)、穿刺技術(shù)以及Z-pin增強(qiáng)技術(shù)是比較常用的層間增強(qiáng)技術(shù)。前3種技術(shù)只適用于干法鋪層或者織物，不適用于預(yù)浸料成型工藝。目前，包括很多飛機(jī)結(jié)構(gòu)件在內(nèi)的先進(jìn)復(fù)合材料構(gòu)件都采用預(yù)浸料成型工藝[1-3]。與這幾種三維增強(qiáng)技術(shù)相比，Z-pin增強(qiáng)技術(shù)更適用于預(yù)浸料成型工藝，并且操作簡單，工藝質(zhì)量更容易控制，因此受到廣泛關(guān)注[4]。目前，Z-pin廣泛采用的是復(fù)合材料連續(xù)拉擠成型的微徑桿，與金屬微徑桿相比，連續(xù)拉擠成型的復(fù)合材料微徑桿與樹脂基復(fù)合材料層合板性能更為相似，有利于相互之間的結(jié)合[5]。

Z-pin過渡植入技術(shù)是采用平面內(nèi)兩垂直坐標(biāo)軸對植入頭組件進(jìn)行進(jìn)給運(yùn)動(dòng)，確定坐標(biāo)位置后，植入頭組件完成Z-pin的輸送、植入、剪斷等動(dòng)作，目前普遍存在植入效率低、可靠性差、精度差等技術(shù)難題[6-10]。本文通過研發(fā)一種高性能的Z-pin過渡植入裝置，針對功能性試驗(yàn)過程中出現(xiàn)的問題對系統(tǒng)結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，通過試驗(yàn)驗(yàn)證，解決了當(dāng)下普遍存在的技術(shù)問題，證明了方案的合理性。

1 Z-pin過渡植入裝置的設(shè)計(jì)

1.1 裝置功能

該裝置是以復(fù)合材料Z-pin及泡沫基板為加工對象，利用輸送、導(dǎo)向、壓緊、切斷等功能部件完成Z-pin不同密度、深度的自動(dòng)化植入。

1.2 指標(biāo)要求

植入密度：3 mm×3 mm，5 mm×5 mm，10 mm×10 mm；植入Z-pin直徑：0.4～0.6 mm；Z-pin突出泡沫板長度：5～7 mm；Z-pin切斷后預(yù)留切面角度：45°。

1.3 系統(tǒng)構(gòu)成

裝置共包括4個(gè)伺服軸系統(tǒng)，分別為直線軸X、Y、Z和Z-pin輸送軸A，由Y、Z軸搭建的十字進(jìn)給機(jī)構(gòu)安裝于龍門式機(jī)座上，X軸安裝于機(jī)座平臺(tái)上，植入頭組件與Z軸滑臺(tái)聯(lián)接作為最終輸出端，集成了Z-pin的定長輸送、壓緊、切割等功能，并可將所有動(dòng)作進(jìn)行自動(dòng)化控制，可完成5根Z-pin的同時(shí)植入。裝置的總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

1.3.1 龍門式機(jī)座

龍門式機(jī)座主要由龍門式橫梁和底座兩部分組成，分別采用40×40鋁型材拼接而成，通過加強(qiáng)筋的合理布置保證了框架的整體強(qiáng)度。橫梁用于安裝Z軸和Y軸搭建的十字滑臺(tái)，底座用于安裝X軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)。龍門式機(jī)座的總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。

1.3.2 伺服軸進(jìn)給系統(tǒng)

通過表1中的參數(shù)要求，選取直線模組搭建伺服軸進(jìn)給機(jī)構(gòu)。

表1 設(shè)計(jì)要求參數(shù)表

通過總旋轉(zhuǎn)負(fù)載慣量、直線移動(dòng)負(fù)載慣量、電機(jī)軸換算負(fù)載扭矩計(jì)算式：

計(jì)算后，主要功能部件選型情況見表2。

表2 主要功能部件選型一覽表

直線模組基體結(jié)構(gòu)為鋁合金材質(zhì)，在保證載荷強(qiáng)度的前提下能夠最大限度減小重量。模組集成了電機(jī)座、導(dǎo)軌、絲杠、支承等部件，保證了各部件的組裝精度，同時(shí)包含了防塵罩、接近開關(guān)等部件，具有強(qiáng)度高、精度高、造型美觀、裝調(diào)方便等優(yōu)點(diǎn)[11]。其中，Y軸、Z軸搭建的十字結(jié)構(gòu)用于安裝植入頭組件部分，并提供其Y軸、Z軸2個(gè)方向的往復(fù)進(jìn)給功能，X軸用于安裝待植入的泡沫基板，可實(shí)現(xiàn)其在X軸方向上的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。搭建的和獨(dú)立的直線模組結(jié)構(gòu)如圖3所示。

1.3.3 植入頭組件

植入頭組件主要包括料盤機(jī)構(gòu)、變間距限位柱、過渡輥、動(dòng)力輥、導(dǎo)向塊和壓緊切割機(jī)構(gòu)等部件。主動(dòng)力輥旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)輔助輥同步轉(zhuǎn)動(dòng)，利用摩擦力將Z-pin從料盤拉出，通過變位限位柱實(shí)現(xiàn)間距的改變，再經(jīng)過過渡輥實(shí)現(xiàn)Z-pin的90°變向，并且垂直通過導(dǎo)向塊植入泡沫基板，然后通過壓緊切割機(jī)構(gòu)完成切斷，從而完成完整的植入過程。為了提高植入精度，過渡輥后端加入了編碼器，用于控制植入的深度精度。導(dǎo)向塊兼顧了導(dǎo)向及Z-pin的壓入部件功能，為裝置能夠高可靠性同時(shí)植入5根Z-pin提供了可靠保障。整個(gè)植入頭組件結(jié)構(gòu)緊湊，空間排布合理，上料便捷且后期維修與保養(yǎng)方便。植入頭組件的總體結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1.3.4 電氣控制系統(tǒng)

采用臺(tái)達(dá)公司生產(chǎn)的觸摸屏、PLC控制單元以及伺服系統(tǒng)，在觸摸屏上呈現(xiàn)多畫面切換以實(shí)現(xiàn)工藝參數(shù)設(shè)置，實(shí)時(shí)監(jiān)測，以及手動(dòng)自動(dòng)切換等。以控制單元PLC為核心，分別對X軸、Y軸方向伺服系統(tǒng)1、伺服系統(tǒng)2實(shí)現(xiàn)在X、Y平面進(jìn)行位置控制，Z軸方向?qū)崿F(xiàn)伺服系統(tǒng)3在植入驅(qū)動(dòng)軸方向上進(jìn)行深度控制，在此基礎(chǔ)上采用第二編碼器對位置進(jìn)行閉環(huán)精確控制?；静僮鞣譃閱尾讲僮骱瓦B續(xù)操作。電氣控制方案框圖如圖5所示。

2 Z-pin過渡植入裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化

利用自行研發(fā)的裝置進(jìn)行Z-pin過渡植入功能性試驗(yàn)，總結(jié)發(fā)現(xiàn)方案存在的問題，提出合理解決方案，對結(jié)構(gòu)進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化。

2.1 切割刀具驅(qū)動(dòng)裝置的改進(jìn)

改進(jìn)前，金剛石切刀利用氣磨機(jī)驅(qū)動(dòng)，這種驅(qū)動(dòng)裝置如果長時(shí)間連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，需要高頻率次數(shù)的保養(yǎng)來保證其內(nèi)部結(jié)構(gòu)不受損壞，而這種裝置的轉(zhuǎn)軸部件采用的是開放式的保養(yǎng)形式，在工作過程中潤滑油會(huì)飛濺至Z-pin表面而導(dǎo)致廢品產(chǎn)生。采用一種高性能的具有封閉潤滑結(jié)構(gòu)的電動(dòng)磨削裝置代替原氣磨機(jī)，可進(jìn)行長期連續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，不需高頻率的保養(yǎng)，解決了因保養(yǎng)而產(chǎn)生廢品的問題，并提高了加工效率。改進(jìn)前后刀具驅(qū)動(dòng)裝置實(shí)物對比如圖6所示。

2.2 導(dǎo)向塊結(jié)構(gòu)及加工工藝優(yōu)化

導(dǎo)向塊因其原有的加工工藝導(dǎo)致了該零件的關(guān)鍵位置強(qiáng)度薄弱，在Z-pin過渡植入試驗(yàn)過程中，薄弱部位發(fā)生了斷裂的情況。通過改變穿線孔的加工方式，保證加工切槽后零件的整體封閉性，從而提高工件的整體強(qiáng)度。優(yōu)化前與優(yōu)化后的走線方式如圖7所示。

除此之外，其他局部部位發(fā)生了變形情況，在滿足空間尺寸要求的前提下進(jìn)行了局部加強(qiáng)設(shè)計(jì)，薄弱部位如圖8所示。

2.3 壓緊裝置結(jié)構(gòu)優(yōu)化

在試驗(yàn)過程中，壓緊裝置導(dǎo)桿的鎖緊螺母時(shí)常會(huì)出現(xiàn)松動(dòng)的情況，經(jīng)分析是由于導(dǎo)桿的傳動(dòng)副結(jié)構(gòu)存在強(qiáng)度薄弱部位，薄弱部位如圖9所示。采取了增加導(dǎo)桿直徑及止口深度、更改結(jié)構(gòu)布局減小導(dǎo)桿懸伸長度的措施，達(dá)到了提高傳動(dòng)副整體強(qiáng)度的目的。

3 試驗(yàn)驗(yàn)證

通過工藝試驗(yàn)對自行研發(fā)的Z-pin過渡植入設(shè)備進(jìn)行驗(yàn)證。結(jié)果表明，設(shè)備機(jī)械系統(tǒng)工作平穩(wěn)，一次循環(huán)可同時(shí)進(jìn)行5根Z-pin的過渡植入，植入角度、深度滿足技術(shù)指標(biāo)要求，可靠性高，植入效率高，同時(shí)也驗(yàn)證了植入工藝的可行性與先進(jìn)性。所試制的典型矩陣合格樣件如圖10所示。

4 結(jié)語

本文闡述了一種高性能Z-pin過渡植入裝置的研發(fā)過程，解決了Z-pin過渡植入可靠性低、效率低及植入深度、角度、位置精度差的技術(shù)難題，在未來深入開展Z-pin植入裝備及工藝技術(shù)研究以及工程化應(yīng)用方面具有重要參考價(jià)值。