回转结构预制体柔性针刺成型系统设计

陈小明， 李 皎， 张一帆， 谢军波， 李晨阳， 陈 利

(1. 天津工业大学 纺织科学与工程学院， 天津 300387； 2. 天津工业大学 先进纺织复合材料教育部重点实验室， 天津 300387)

纺织工业构建了多种三维预制体成型技术[1]，包括三维机织[2]、三维编织[3]、三维针织[4]、三维针刺[5]及缝合等技术，其中三维针刺成型技术具有自动化程度高、制造成本低的优势[6]，得到了广泛的应用。目前三维针刺技术已用于制造复合材料构件中的各种预制体，包括火箭发动机喷管扩散段[7]、出口锥体[8-9]、腔室、飞机刹车盘[10]、叶片[11]、喉衬[12]以及复合材料中的其他碳/碳(或碳/陶瓷)组件[13]等。

随着三维针刺复合材料应用的发展，三维针刺装备技术也得到了长足的发展，形成系列技术，包括平板预制体针刺成型技术[14-15]、圆环预制体针刺成型技术[16]及异型预制体针刺成型技术[17-19]，其中异型针刺成型技术一直以来都是国内外研究的热点。Olry[17]发明了“Novoltex”针刺技术，适用于轴对称圆锥预制体的针刺成型；房坤鹏等[18]提出了一种变直径回转预制体针刺机。然而，上述2种针刺机的针刺头不具有角度调整功能，可用于特定外形的针刺预制体的批量生产，难以适用于小批量、多品种回转预制体的针刺成型。在回转体加工制造方面，郝宏大[19]研究了全自动薄壁回转体几何参数测量设备和轨迹规划软件。杨红红[20]研究了适用于四自由度缠绕机的线型和运动轴的运动轨迹；Chen等[21-22]发明了针刺机器人，并用于回转预制体和自由曲面预制体的制备，但采用6关节机器人针刺需要相对较高的装备成本。

针对现有异型针刺成型装备专用性强，成本高，难以适应小批量、多品种回转结构复合材料预制体的针刺成型要求的问题，本文提出一种复合材料回转预制体柔性针刺成型系统。通过设计四轴柔性针刺机的机械构型，以及基于可编程控制器(PLC)和触摸屏得到柔性针刺成型控制系统，以期将该系统应用于火箭发动机喷管、高超声速飞行器天线罩等回转结构复合材料预制体的小批量、多品种针刺成型织造。

1 柔性针刺成型系统设计

1．1 设计思路

本文设计的针刺成型系统需要能够实现回转结构复合材料预制体的三维针刺成型织造，该类织物一般由基布层、网胎层和厚度方向纤维组成，其中厚度方向纤维通过针刺运动形成。分析回转结构预制体的外形特征，采用四轴运动机构可以满足针刺点位姿的运动合成要求；同时，为了提高针刺效率，提出去除剥网板运动机构，采用基于单气缸的针刺头新构型。

1．2 柔性针刺机整体结构设计

回转结构复合材料预制体柔性针刺机由主框架结构、针刺头单元、回转工作台组件、针刺头单元水平运动部件、针刺头单元垂直运动部件以及针刺头单元摆动组件组成，分别由回转工作台电动机、X轴电动机、Y轴电动机和针刺头摆动轴电动机伺服驱动，如图1所示。

图1 柔性针刺机整体结构图Fig.1 Flexible needle punching machine

1.2.1 针刺头设计

传统的针刺机针刺运动由电动机驱动，通过皮带或偏心轮连接到曲柄机构，曲柄机构控制针板和剥网板的往复直线针刺运动。传统的针刺头结构比较复杂，质量大，难以满足轻量化机器人末端执行器的要求，因此，Chen等[21]提出针刺头使用压缩空气作为动力源，并且气缸作为针板和剥网板运动的执行器，大大简化了装配结构并减轻了末端执行器的质量，如图2(a)所示。本文提出新型的针刺头结构，去除剥离板的运动，进一步简化了针刺头的结构，如图2(b)所示，采用单气缸四导柱结构，并且通过调整块调整剥网板位置实现针刺深度的柔性调节。根据实际经验，单针需要约10 N的进给力， 在当前项目中，针板上的最大针数为45，根据式(1)，可计算选择针刺气缸的直径为40 mm。

F=πD2Pη/4

(1)

式中：F为气缸的实际输出力，N；η为气缸力的输出效率；D为气缸直径，mm；P为压缩空气的压力，Pa。

图2 针刺头结构图Fig.2 Needle-punching head. (a) Double cylinder needle-punching head; (b) Single cylinder needle-punching head

1.2.2 回转工作台和各轴驱动设计

回转工作台及其主要部件如图3所示，主要包括伺服电动机、行星减速器、回转支承、三爪卡盘，其中伺服电动机运动定位精度高，回转支承承载弯矩能力强，能够克服大型回转预制体针刺产生的针刺力矩。

负载和电动机的惯性需要满足式(2)[19]，系统的最大惯性为0.9 kg·m2，旋转工作台选择松下的伺服电动机(750 W)，其电动机转子惯量为1.51×10-4kg·m2，选用减速比为60，惯性为0.51×10-4kg·m2的行星齿轮减速器，可以匹配惯性要求。由于旋转工作台的阻力主要由滚动摩擦引起，一般来说滚动摩擦相对较小，因此主要考虑的是惯性匹配计算。此外，针刺过程产生巨大的反作用力，丝杠需要产生足够的保持力，约450 N，根据丝杠轴向力Fa计算公式(3)[19]，匹配恰当的参数，X轴运动选用相同的伺服电动机，配置齿轮减速比为12、惯性为0.72×10-4kg·m2的行星齿轮减速器；Y轴需要克服针刺头和摆动轴的重力作用，共计约300 N，选用750 W伺服电动机，额定扭矩为2.4 N·m，伺服电动机输出610 N轴向力，可以满足使用要求，此外Y轴伺服电动机带有断电刹车功能，保证了安全性；摆动轴主要受针刺头的质量扭矩作用，最大值约为6 N·m，配置750 W伺服电动机和减速比为12的弯头行星减速器，其中伺服电动机的额定扭矩为2.4 N·m，根据式(4)，伺服电动机经过减速器后输出扭矩TOUT增至28.8 N·m，可以满足使用要求，选择的气缸和伺服电动机的详细参数如表1所示。

图3 回转工作台Fig.3 Rotary table

(2)

Fa=2 πη1TmIη2/L

(3)

TOUT=TmI

(4)

式中：Jload为负载的惯性，kg·m2；Jg为行星齿轮单元的惯性，kg·m2；I为行星齿轮减速比；Jm为电动机的惯性，kg·m2；η1为丝杠传动效率；η2为减速器传动效率；Tm为伺服电动机额定扭矩,N·m；L为丝杠螺距,mm。

表1 气缸和伺服系统参数Tab.1 Parameters of cylinder and servo system

1.3 柔性针刺机控制系统设计

1.3.1 控制系统硬件设计

本机采用可编程控制器(PLC)作为控制器控制伺服电动机和气缸运动，并使用连接PLC单元的人机界面(HMI)操作针刺机，完整的控制系统硬件组成如图4所示。 PLC使用Omron CP1H-X-40-DT，含4路脉冲输出口，分别用于控制4个伺服电动机的运动。HMI使用HITECH 6700T-P触摸屏，通过串口与PLC通信，该HMI主要用于电动机和气缸的手动调试，系统参数设置，报警浏览等。伺服驱动器采用Panasonic的E系列驱动器。针刺气缸为AirTAC的SDAS40-40-S，电磁阀和磁性开关分别为AirTAC的4V210和CS1-J。

图4 PLC控制系统硬件组成Fig.4 Hardware composition of PLC control system

图5 针刺轨迹计算模型Fig.5 Trajectory planning model of needle-punching

1.3．2 控制系统软件设计

1.3.2.1针刺点位置和各轴运动参数计算 针刺轨迹计算模型如图5所示。首先，根据回转预制体CAD模型和针刺步进量S，基于AUTOCAD软件沿预制体的母线产生系列针刺点Pi，输出针刺点的位置信息Pi(Xi,Yi)；进一步计算相邻针刺点在X、Y轴方向的位移步进量ΔXi、ΔYi，以及针刺头的摆动步进量Δθi，其中ΔXi=Xi-Xi-1，ΔYi=Yi-Yi-1，Δθi=θi-θi-1；此外，回转工作台的旋转步进量βi采用式(5)计算获得。

βi=-180S/(πXi)

(5)

式中：βi为回转工作台的旋转步进量，(°)；S为针刺步进量，mm；Xi为针刺点的X轴坐标值。

基于丝杠螺距L、伺服电动机单圈脉冲数N，以及各轴行星减速器减速比I， PLC根据式(6)和(7)分别计算各轴伺服运动所需脉冲数Ps，进而实现X轴、Y轴、针刺头摆动轴位置和回转工作台位置的伺服控制，其中ΔD为X轴、Y轴位移步进量，Δθ为角度步进量，N=10 000，L=20 mm，X轴和针刺头摆动轴行星减速器减速比I=12，回转工作台行星减速器减速比I=60。

Ps=ΔDNI/L

(6)

Ps=ΔθNI/360

(7)

式中：Ps是各轴伺服运动所需脉冲数；ΔD是X轴、Y轴位移步进量，mm；N是伺服电动机运动1圈所需脉冲数；L是丝杠螺距，mm。

1.3.2.2程序运行流程 程序启动前先通过触摸屏输入各针刺刀位点的相对位移ΔXi和ΔYi、摆动角增量Δθi和回转工作台步进量βi，并手动对刀，将针刺头定位至初始刀位点P0(如图5所示)，针刺头方向垂直预制体表面；程序启动后，进入子程序开始执行针刺动作，针刺子程序运行流程图如图6所示。

图6 针刺子程序运行流程图Fig.6 Program running flow chart of needle-punching subroutine

首先，启动机器，程序进入子程序；进一步，针刺气缸输出，到达终点后气缸退回，然后回转工作台旋转步进，程序进入下一个针刺循环，直到针刺1圈完成，针刺头移动到下一个刀位点以继续针刺，直到达到目标圈数，1层刺完，程序结束。

2 实验验证

使用前述构建的四轴柔性针刺成型系统制备锥形回转预制体，验证系统的可行性，四轴柔性针刺机样机如图7所示。

图7 柔性针刺机样机Fig.7 Flexible needle punching machine

实验原料为石英短纤维网胎(100 g/m2)和斜纹机织基布(208 g/m2)，针刺采用逐层接力针刺，1层布加1层网胎为1个单元层。针刺步进量为7 mm×7mm，针刺密度为25针/ cm2，针刺深度为20 mm，针刺速度为110次 / min，刺针为三角形截面刺针。本实验中使用的短纤维网胎由天津工业大学复合材料研究所提供，基布由湖北菲利华石英玻璃有限公司提供。

柔性针刺机实验验证如图8所示，锥形旋转预制体高度约为1.2 m，最大直径约为0.5 m。其中图8(a)为针刺模拟图，图8(b)为实体机针刺实验验证过程图及制备完成的回转预制体。采用图8(a)左侧中的针板，可以安装15枚针；图8(a)右侧的图为针刺针迹模拟图。

图8 柔性针刺机实验验证Fig.8 Experimental verification of flexible needle punching machine. (a) Needle-punching simulation; (b) Needle-punching experiment

实验结果表明：该系统可以实现回转预制件的针刺成型，实验针刺针迹和模拟针迹高度一致，针刺步进量为7 mm×7mm，针刺密度为25针/ cm2，如图8所示，证明了四轴柔性针刺系统的可行性。本柔性针刺机采用图2(b)的新型单气缸针刺头单元，由于去除了剥离板的运动，节省了运动时间，与图2(a)的针刺头相比，针刺效率加倍，针刺频率达到每分钟110次。与传统的异形针刺机和机器人针刺机相比，本文的四轴柔性针刺机具有相对简单的针刺头结构和较低的制造成本，以及简单的针刺位置和各轴运动参数计算方法，适用于不同形状、尺寸回转预制体的针刺成型，是一种灵活的回转预制体针刺成型织造系统。

3 结 论

1)本文介绍了一种用于制造回转结构复合材料预制体的新型四轴柔性针刺成型系统。提出采用四轴联动的针刺机运动机构和气动针刺头构型，并基于PLC和HMI构建了柔性针刺成型控制系统，针刺实验结果表明，该系统可以实现回转预制体的针刺成型，实验针刺针迹和模拟针迹高度一致，证明了四轴柔性针刺系统的可行性。

2)采用单气缸新型针刺头，该四轴柔性针刺机可大大提高针刺效率。通过去除剥网板运动，针刺效率比采用双气缸针刺头提高1倍，针刺频率达到每分钟110次。

3)新型的四轴异形柔性针刺机具有相对简单的针刺头结构和较低的制造成本，以及简单的针刺位置和各轴运动参数计算方法，适用于不同形状、尺寸回转预制体的针刺成型，是一种灵活的回转预制体针刺成型制造系统。未来将在双头或多头多轴柔性针刺成型系统进一步开展研究，以进一步提高针刺成型效率。