一种用于Z-pin低损伤自动化植入装置及其工作方法与流程

本发明属于复合材料z-pin自动化植入装备技术领域，具体涉及一种用于z-pin低损伤自动化植入装置及其工作方法。

背景技术：

由于复合材料层合板的厚度方向(z向)缺乏增强纤维，当复合材料层合板厚度方向存在应力时极易发生分层破坏。目前，由缝合技术发展而来的z-pin层间增强技术在工程中应用广泛。z-pin层间增强技术是在复合材料层合板厚度方向植入细短棒(z-pin)，利用细短棒的“钉扎”桥联效应来显著提高复合材料层合板的层间断裂韧性、损伤容限和搭接强度。

目前，工程中多采用超声辅助植入工艺和预制孔植入工艺等方法来实现z-pin植入。但采用超声辅助植入工艺将z-pin植入到层合板时，会造成层合板产生更多的初始损伤。mouritz(mouritz.reviewofz-z-pinnedcompositelaminates[j].composites:parta,2007,38:2383–2397)研究表明，这些损伤主要包括两大类：纤维的稀释(局部区域或者层合板整体纤维体积含量的降低)和纤维的断裂等。采用预制孔植入工艺进行z-pin植入虽然会减少层合板内初始损伤，但此种植入工艺目前多为人工进行植入，自动化程度低，植入效率不高，且目前查阅的文献表明：关于使用预制孔z-pin植入工艺对复合材料层合板进行z-pin植入的装置及其使用方法未见报道或提及。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种用于z-pin低损伤自动化植入装置及其工作方法，以解决现有人工植入工艺自动化程度低、植入效率不高的问题。

本发明采用以下技术方案：一种用于z-pin低损伤自动化植入装置，包括：

一制孔装置，其包括制孔针，制孔针垂直待处理的层合板设置；

一植z-pin装置，其包括与制孔针平行设置的导管，导管用于作为导入待植入z-pin线材的通道，导管靠近层合板的一端为z-pin线材的出口；

一同步动作机构，包括连接机构、升降机构和平移机构，其具体为：

连接机构，设置在制孔针与导管之间，用于使得制孔针与导管保持一定间距；

升降机构，设置在连接结构上，用于带动制孔针与导管在垂直待处理层合板方向上的同步往复移动；

平移机构，设置在连接结构上，用于带动制孔针与导管在水平方向上的同步移动；

其中，升降机构，用于带动制孔针下移、并在层合板上完成本次制孔，同时导管同步下移、并向上一次制得孔中植入z-pin线材；平移机构，用于带动制孔针平移至下一制孔位置，同时导管同步移动至本次制得孔的位置处。

进一步的，还包括一裁剪装置，裁剪装置包括一刀片，刀片设置在导管旁的，导管的管壁上设置有一开口槽；刀片，用于通过其自转以切断位于开口槽内的z-pin线材。

进一步的，导管的管壁上沿其轴向均匀间隔设置有多个开口槽；刀片的位置可调，其用于根据待植入z-pin的目标长度、来选择位于某个开口槽位置处对z-pin线材进行裁剪。

进一步的，连接机构包括分别设置在制孔装置和植z-pin装置上的滑块导轨结构，用于实现制孔针与导管的间距可调节。

进一步的，植z-pin装置还包括：

一料盘，位于植z-pin装置的上方，用于通过其自转导入连续的z-pin线材；

一送丝动力装置，位于料盘的下方，用于供z-pin线材通过，并提供z-pin线材行进的动力；

导管，分为同轴间隔设置的上导管和下导管，分别设置在送丝动力装置的上方和下方；上导管紧邻料盘的z-pin线材出口设置，用于使z-pin线材从上导管引入、并从下导管穿出。

进一步的，送丝动力装置包括并列间隔设置的主动辊子和从动辊子，主动辊子和从动辊子之间留有间隙用于供z-pin线材穿出；主动辊子与从动辊子用于利用共同对z-pin线材的摩擦力以实现z-pin线材从上导管向下导管移动。

进一步的，主动辊子与从动辊子之间的间距可根据从中通过z-pin线材的不同直径来调节。

进一步的，升降机构包括分别设置在连接机构和平移机构上的滑块导轨结构，用于通过滑块导轨结构的相对移动、来实现制孔装置与植z-pin装置的同步升降动作。

本发明采用的第二种技术方案是，一种用于z-pin低损伤自动化植入装置的工作方法，其特征在于，包括以下内容：

在层合板上第一位置处制孔；

移动至层合板的第二位置继续制孔，同时在层合板的第一位置所制孔中植入z-pin线材。

本发明的有益效果是：将预制孔制备操作、z-pin放置到预制孔内操作、以及裁剪操作在一个工步内完成，进一步提高了z-pin的植入效率；制孔装置和植z-pin装置通过滑块导轨结构，实现所述制孔针与所述导管的间距可调节，进而可以调节植入密度；通过升降机构的调节可以调节预置孔深度，通过裁剪装置的配合可以裁剪不同长度的z-pin线材，实现植入深度可调。通过本发明的一种用于z-pin低损伤自动化植入装置，z-pin植入质量控制相较于人工植入也更容易把控，解决了人工制备预制孔时费时费力的问题，制孔效率大大提高。

附图说明

图1是本发明一种用于z-pin低损伤自动化植入装置的结构示意图；

图2是本发明一种用于z-pin低损伤自动化植入装置植z-pin装置的结构图；

图3是本发明一种用于z-pin低损伤自动化植入装置裁剪装置结构示意图；

图4是本发明一种用于z-pin低损伤自动化植入装置辊距调节机构的结构图；

图5是本发明一种用于z-pin低损伤自动化植入装置位移调节机构的结构图；

图6是本发明一种用于z-pin低损伤自动化植入装置z-pin待植入试件尺寸示意图。

其中，1.第一伺服电机，2.工作台，3.工作台导轨，4.架体，5.第二伺服电机，6.滑枕导轨，7.滑枕丝杠，8.滑枕，9.第三伺服电机，10.料盘，11.第四伺服电机，12.固定架，13.导管，14.制孔针，15.层合板，16.夹具，17.刀架，18.第五伺服电机，19.刀片，20.导轨，21.主动辊子，22.从动辊子，23.从动辊子轴，24.滑块，25.第一滑杆，26.第一顶块，27.第一调节螺栓，28.弹簧，29.锁紧滑块，30.固定块，31.第二滑杆，32.第二顶块，33.第二调节螺栓，34.挡板，35.滑杆。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供了一种用于z-pin低损伤自动化植入装置，主要包括制孔装置、植z-pin装置和同步动作机构。其采用制孔针14剥开层合板15的纤维结构，进行植入时可以实现对层合板15的低损伤效果。

如图1所示，制孔装置包括制孔针14，制孔针14按照垂直待处理层合板15的方向设置。植z-pin装置，其包括与所述制孔针14平行设置的导管13，所述导管13用于作为导入待植入z-pin线材的通道，所述导管13靠近所述层合板15的一端为z-pin线材的出口。

同步动作机构，包括连接机构、升降机构和平移机构。连接机构，设置在所述制孔针14与所述导管13之间，用于使得所述制孔针14与所述导管13保持一定间距；升降机构，设置在所述连接结构上，用于带动所述制孔针14与所述导管13在垂直待处理层合板15方向上的同步往复移动；平移机构，设置在所述连接结构上，用于带动所述制孔针14与所述导管13在水平方向上的同步移动。其中，所述升降机构，用于带动所述制孔针14下移、并在所述层合板15上完成本次制孔，同时所述导管13同步下移、并向上一次制得孔中植入z-pin线材；所述平移机构，用于带动所述制孔针14平移至下一制孔位置，同时所述导管13同步移动至本次制得孔的位置处。

植z-pin装置与制孔装置通过同步动作机构，可以保持与植入密度需要匹配的固定间距，且可以同时升降和水平移动。由于制孔之后的7s～8s之内，预置孔就会闭合，所以需要尽快的在制孔完成后进行植入，本发明一种用于z-pin低损伤自动化植入装置的制孔针14先在层合板15上第一位置处完成制孔，然后制孔针14在移动至层合板15的下一位置继续制孔时，就可以通过导管13在层合板15的上一位置预制孔中植入z-pin线材，速度快，效率高。

其中，植z-pin装置可以包括固定架12、料盘10、导管13和裁剪装置。植z-pin装置与制孔装置保持可调的固定间距，且可以同时升降和水平移动。制孔针14先在层合板15上第一位置处完成制孔，然后制孔针14移动至层合板15的下一位置继续制孔，每次制孔的同时可以通过导管13在层合板15的上一位置所制孔中植入z-pin线材。

植z-pin装置的固定架12连接设置于制孔装置的一侧，固定架12的结构无严格的要求，固定架12主要作为一安装平台，为了实现与其他部件的安装和连接。固定架12作为植z-pin装置的主体，从上到下依次安装在固定架12上的是料盘10，导管13与料盘10配合安装，主动辊子21和从动辊子22安装在导管13上下两段之间的两侧，如图2所示，料盘10安装在固定架12的上部，料盘10可以进行自转，通过料盘10的自转可以导入连续的z-pin线材。导管13与制孔针14平行，导管13包括同轴设置的上导管和下导管两段，这两段间隔设置在固定架12的上方和下方；上导管紧邻料盘10的z-pin线材出口设置，用于使z-pin线材从上导管引入、并从下导管穿出，从下导管穿出的z-pin线材用于进行植入。

在一些实施例中，一种用于z-pin低损伤自动化植入装置还包括一裁剪装置，所述裁剪装置包括一刀片19，所述刀片19设置在所述导管13旁的，所述导管13的管壁上设置有一开口槽；所述刀片19，用于通过其自转以切断位于所述开口槽内的z-pin线材。通过刀片19的设置使得在完成同步制孔植入的过程中，也实现了同步裁剪，工作效率极大的提高。

在一些实施例中，导管13的管壁上沿其轴向均匀间隔设置有多个开口槽；所述刀片19的位置可调，根据待植入z-pin的目标长度，可以选择将刀片19置于某个开口槽的旁边，在不同位置处对z-pin线材进行裁剪，可以得到不同长度的z-pin线材，这样可以满足不同工作场景对对z-pin线材植入长度的需求。

具体的，刀片19可以连接有第五伺服电机18，第五伺服电机18设置在刀架17上，刀架17安装在固定架12上、且位于下导管旁。刀架17的纵向位置可调，可以使刀片19设置在任意需要的某个开口槽位置处。调整刀片19与导管13开口处的位置，使刀片19旋转时不会与导管13接触。

在一些实施例中，连接机构包括分别设置在所述制孔装置和所述植z-pin装置上的滑块导轨结构，用于实现所述制孔针14与所述导管13的间距可调节。

具体的，如图5所示，用于调节间距的滑块导轨结构可以包括在制孔针14顶端设置的固定块30，固定块30上并列、贯穿设置有两个第二滑杆31，第二滑杆31与制孔针14垂直。每个第二滑杆31的一端固连至第二顶块32上，每个第二滑杆31的另一端上套设有弹簧28、且固连至固定架12上。第二顶块32上贯穿设置有第二调节螺栓33，第二调节螺栓33与第二滑杆31平行，第二调节螺栓33的一端顶至固定块30靠近第二顶块32的一侧，第二调节螺栓33与第二顶块32为螺纹连接。如图2所示，固定架12上水平设置有导轨20。如图4所示，固定块30上设置有锁紧滑块29，锁紧滑块29用于沿导轨20往复移动，以实现对制孔针14与导管13之间间距的调节。

在一些实施例中，送丝动力装置包括并列间隔设置的主动辊子21和从动辊子22，所述主动辊子21和所述从动辊子22之间留有间隙用于供所述z-pin线材穿出；所述主动辊子21与所述从动辊子22用于利用共同对z-pin线材的摩擦力以实现z-pin线材从上导管向下导管移动。

在一些实施例中，所述主动辊子21与所述从动辊子22之间的间距可根据从中通过所述z-pin线材的不同直径来调节。如图4所示，从动辊子22的外侧设置有辊距调节机构，根据所需z-pin线材的直径，调节主动辊子21和从动辊子22之间的间隙距离。辊距调节机构包括滑块24、第一滑杆25、第一顶块26和第一调节螺栓27。主动辊子21和从动辊子22左右配合安装，第四伺服电机11与主动辊子21配合，同时安装在固定架12上，从动辊子轴23与从动辊子22配合安装，挡板34安装在固定架12左侧，第一调节螺栓27穿过第一顶块26安装在挡板34上，滑块24中间安装从动辊子轴23，同时滑块24外围与固定架12配合安装，第一滑杆25一端安装在第一顶块26上，另一端穿过挡板34顶紧滑块24。

在一些实施例中，升降机构包括分别设置在所述连接机构和所述平移机构上的滑块导轨结构，用于通过滑块导轨结构的相对移动、来实现所述制孔装置与所述植z-pin装置的同步升降动作。具体的，升降机构可以包括在固定架12上固定设置的滑杆35，滑杆35与导管13平行；在平移机构上设置有滑枕8，滑枕8内设置有空心轨道，滑杆35用于沿滑枕8往复移动，以实现固定架12的升降，进而实现制孔针14与导管13的升降动作。

在一些实施例中，平移机构可以包括工作台2、架体4、滑枕丝杠7、滑枕导轨6和滑枕8。其中，工作台2水平设置，上面放置待处理的层合板15。两个工作台导轨3间隔设置在工作台2底部的两侧。一u形架体4的底部水平段穿到两个工作台导轨3上，该u形架体4的两个竖直段垂直工作台2向上设置。u形架体4可以沿着两个工作台导轨3往复移动。滑枕丝杠7横穿架体4的两个竖直段的顶部，滑枕丝杠7的一端连接有第二伺服电机5。两个滑枕导轨6横穿架体4的两个竖直段的顶部，并分别位于滑枕丝杠7的上下两侧。滑枕8安装在两个滑枕导轨6上，用于沿导轨6往复移动，以实现制孔针14与导管13沿层合板15的水平位置移动。

本发明还提供了一种用于z-pin低损伤自动化植入装置的工作方法：在层合板15上第一位置处制孔；移动至层合板15的第二位置继续制孔，同时在层合板15的第一位置所制孔中植入z-pin线材。

其中，z-pin线材从料盘10经过导管13运动到导管13最底面，根据纤维直径，通过调整第一调节螺栓27来调整主动辊子21和从动辊子22之间的间距，使其夹紧纤维，根据层合板的叠层厚度6mm，调整刀架17的高度，保证刀片19顺利切削纤维，并且不会与导管13产生接触，根据植入密度5×5，通过调整第二调节螺栓33来调整制孔装置与植z-pin装置之间的距离，调整合适后通过锁紧滑块29对制孔装置进行锁紧，至此调整完毕；工作过程中，第一伺服电机1带动架体4实现x方向的间歇运动，然后第二伺服电机5通过滑枕丝杠7带动滑枕8实现y方向的间歇运动，运动到对应的制孔、植z-pin位置后，第三伺服电机9带动制孔装置和植z-pin装置实现z方向的往复运动，根据植z-pin的高度调整往复运动的行程，当运动到最底端时第五伺服电机18带动刀片19回转，对z-pin线材进行剪切，整个过程中第四伺服电机11一直缓慢运行带动z-pin线材向下运动同时顶下剪切好的z-z-pin，如此重复运动，实现制孔及对前一排制好的孔进行植z-pin；但要注意，当第三伺服电机9带动制孔装置和植z-pin装置运动到最底端时，z-pin线材下端一定要运动到导管13最底端。

制孔针14可以跟随升降机构上下移动，在每次下移过程中，可以在待处理层合板15上进行制孔；裁剪装置的刀片19连续自转，可以将导管13内的z-pin线材按照目标长度进行切断；制孔针14在第一位置制孔结束后，水平机构带着制孔装置移动至下一位置制孔；植z-pin装置与制孔针14同步上下移动，在制孔针14向下移动的同时，植z-pin装置会同时将切断的z-pin植入上一位置制好的孔内。

实施例

取由t800碳纤维/epoxy预浸料铺叠而成的复合材料层合板，铺层顺序为[0/45/0/-45]6s，层数为48层，厚度为6mm。z-pin的待植入区域如图6所示，图6中空心圆代表z-pin，含空心圆的区域为z-pin待植入区域，取z-pin为直径为0.5mm的聚酰亚胺纤维z-pin。z-pin植入间距取5mm×5mm，以矩形排布的方式进行全厚度植入。

直径为0.5mm的聚酰亚胺纤维的z-pin线材35从料盘10经过导管13运动到导管13最底面，根据纤维直径，通过调整第一调节螺栓27来调整主动辊子21和从动辊子22之间的间距，使其夹紧纤维，根据层合板的叠层厚度6mm，调整刀架17的高度，使刀片19与导管13上的6mm处的切削口保持平齐，使刀片19顺利切削z-pin线材35，并且不会与导管13产生接触，根据植入间距取5mm×5mm，通过调整第二调节螺栓33顶紧制孔装置，使其沿滑轨20向置z-pin装置移动，调整制孔装置与植z-pin装置之间的距离为5mm，调整合适后通过锁紧滑块29对制孔装置进行锁紧，至此调整完毕；工作过程中，第一伺服电机1带动架体4实现x方向的间歇运动，然后第二伺服电机5通过滑枕丝杠7带动滑枕8实现y方向的间歇运动，运动到对应的制孔、植z-pin位置后，第三伺服电机9带动制孔装置和植z-pin装置实现z方向的往复运动，根据植z-pin的高度调整往复运动的行程，当运动到最底端时第五伺服电机18带动刀片19回转，对z-pin线材进行剪切，整个过程中第四伺服电机11一直缓慢运行带动z-pin线材向下运动同时顶下剪切好的z-pin，如此重复运动，实现制孔及对前一排制好的孔进行植z-pin；但要注意，当第三伺服电机9带动制孔装置和植z-pin装置运动到最底端时，z-pin线材下端一定要运动到导管13最底端。

本发明的一种用于z-pin低损伤自动化植入装置可以实现制孔和植z-pin同步进行，一边制孔，一边对刚制完的孔进行植z-pin；将z-pin线材通过料盘输入到导管中；根据所需z-pin线材的直径调节从动辊子上的辊距调节机构进而调节两辊子间的距离，利用电机带动主动辊子转动通过摩擦力带动z-pin线材向下运动；根据层合板的厚度调整刀架的高度来控制植入z-pin线材的高度；调节制孔装置中的调节螺栓，通过螺栓顶着制孔装置运动来调节制孔针与植z-pin导管之间的距离，进而调节植z-pin密度；制孔针和导管的植入头设置同一高度，实现运动的同步。

综上，本发明的一种用于z-pin低损伤自动化植入装置实现了制孔、裁剪和植入的三个动作同步完成，植入效率大大提高；同时，在工作过程中，可以调节辊距来适应不同直径的z-pin线材、可以调节制孔针和导管的间距，来实现不同的植入密度；还可以通过升降机构以及刀片的高度调节，来实现不同深度的z-pin线材植入。

该一种用于z-pin低损伤自动化植入装置实现了z-pin的自动化植入，很大程度上提高了生产效率；采用制孔植pin同时进行的工艺，制孔针和植pin导管之间的相对位置保持不变，制孔的同时植上一个刚制完孔的pin，在孔收缩前完成植pin，满足了工艺要求大大提高了生产效率。设计了植入密度，制孔深度，植pin长度，pin丝直径可调节的装置，满足各种工况需求。采用小型丝杠实现水平及竖直方向移动，大大提高了生产效率。