高性能Z-pin過渡植入裝置的研發*

段學俊，吳慶堂，商偉輝，鄒 陽，王利彬，楊 柳，王 強，趙國法，范 悅，郭 波

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

目前，縫合技術、三維編織技術、穿刺技術以及Z-pin增強技術是比較常用的層間增強技術。前3種技術只適用于干法鋪層或者織物，不適用于預浸料成型工藝。目前，包括很多飛機結構件在內的先進復合材料構件都采用預浸料成型工藝[1-3]。與這幾種三維增強技術相比，Z-pin增強技術更適用于預浸料成型工藝，并且操作簡單，工藝質量更容易控制，因此受到廣泛關注[4]。目前，Z-pin廣泛采用的是復合材料連續拉擠成型的微徑桿，與金屬微徑桿相比，連續拉擠成型的復合材料微徑桿與樹脂基復合材料層合板性能更為相似，有利于相互之間的結合[5]。

Z-pin過渡植入技術是采用平面內兩垂直坐標軸對植入頭組件進行進給運動，確定坐標位置后，植入頭組件完成Z-pin的輸送、植入、剪斷等動作，目前普遍存在植入效率低、可靠性差、精度差等技術難題[6-10]。本文通過研發一種高性能的Z-pin過渡植入裝置，針對功能性試驗過程中出現的問題對系統結構進行優化，通過試驗驗證，解決了當下普遍存在的技術問題，證明了方案的合理性。

1 Z-pin過渡植入裝置的設計

1.1 裝置功能

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

1.2 指標要求

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切斷后預留切面角度：45°。

1.3 系統構成

裝置共包括4個伺服軸系統，分別為直線軸X、Y、Z和Z-pin輸送軸A，由Y、Z軸搭建的十字進給機構安裝于龍門式機座上，X軸安裝于機座平臺上，植入頭組件與Z軸滑臺聯接作為最終輸出端，集成了Z-pin的定長輸送、壓緊、切割等功能，并可將所有動作進行自動化控制，可完成5根Z-pin的同時植入。裝置的總體結構如圖1所示。

1.3.1 龍門式機座

龍門式機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，通過加強筋的合理布置保證了框架的整體強度。橫梁用于安裝Z軸和Y軸搭建的十字滑臺，底座用于安裝X軸進給機構。龍門式機座的總體結構如圖2所示。

1.3.2 伺服軸進給系統

通過表1中的參數要求，選取直線模組搭建伺服軸進給機構。

表1 設計要求參數表

通過總旋轉負載慣量、直線移動負載慣量、電機軸換算負載扭矩計算式：

計算后，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

直線模組基體結構為鋁合金材質，在保證載荷強度的前提下能夠最大限度減小重量。模組集成了電機座、導軌、絲杠、支承等部件，保證了各部件的組裝精度，同時包含了防塵罩、接近開關等部件，具有強度高、精度高、造型美觀、裝調方便等優點[11]。其中，Y軸、Z軸搭建的十字結構用于安裝植入頭組件部分，并提供其Y軸、Z軸2個方向的往復進給功能，X軸用于安裝待植入的泡沫基板，可實現其在X軸方向上的往復運動。搭建的和獨立的直線模組結構如圖3所示。

1.3.3 植入頭組件

植入頭組件主要包括料盤機構、變間距限位柱、過渡輥、動力輥、導向塊和壓緊切割機構等部件。主動力輥旋轉帶動輔助輥同步轉動，利用摩擦力將Z-pin從料盤拉出，通過變位限位柱實現間距的改變，再經過過渡輥實現Z-pin的90°變向，并且垂直通過導向塊植入泡沫基板，然后通過壓緊切割機構完成切斷，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。導向塊兼顧了導向及Z-pin的壓入部件功能，為裝置能夠高可靠性同時植入5根Z-pin提供了可靠保障。整個植入頭組件結構緊湊，空間排布合理，上料便捷且后期維修與保養方便。植入頭組件的總體結構如圖4所示。

1.3.4 電氣控制系統

采用臺達公司生產的觸摸屏、PLC控制單元以及伺服系統，在觸摸屏上呈現多畫面切換以實現工藝參數設置，實時監測，以及手動自動切換等。以控制單元PLC為核心，分別對X軸、Y軸方向伺服系統1、伺服系統2實現在X、Y平面進行位置控制，Z軸方向實現伺服系統3在植入驅動軸方向上進行深度控制，在此基礎上采用第二編碼器對位置進行閉環精確控制。基本操作分為單步操作和連續操作。電氣控制方案框圖如圖5所示。

2 Z-pin過渡植入裝置結構優化

利用自行研發的裝置進行Z-pin過渡植入功能性試驗，總結發現方案存在的問題，提出合理解決方案，對結構進行結構優化。

2.1 切割刀具驅動裝置的改進

改進前，金剛石切刀利用氣磨機驅動，這種驅動裝置如果長時間連續運轉，需要高頻率次數的保養來保證其內部結構不受損壞，而這種裝置的轉軸部件采用的是開放式的保養形式，在工作過程中潤滑油會飛濺至Z-pin表面而導致廢品產生。采用一種高性能的具有封閉潤滑結構的電動磨削裝置代替原氣磨機，可進行長期連續運轉，不需高頻率的保養，解決了因保養而產生廢品的問題，并提高了加工效率。改進前后刀具驅動裝置實物對比如圖6所示。

2.2 導向塊結構及加工工藝優化

導向塊因其原有的加工工藝導致了該零件的關鍵位置強度薄弱，在Z-pin過渡植入試驗過程中，薄弱部位發生了斷裂的情況。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度。優化前與優化后的走線方式如圖7所示。

除此之外，其他局部部位發生了變形情況，在滿足空間尺寸要求的前提下進行了局部加強設計，薄弱部位如圖8所示。

2.3 壓緊裝置結構優化

在試驗過程中，壓緊裝置導桿的鎖緊螺母時常會出現松動的情況，經分析是由于導桿的傳動副結構存在強度薄弱部位，薄弱部位如圖9所示。采取了增加導桿直徑及止口深度、更改結構布局減小導桿懸伸長度的措施，達到了提高傳動副整體強度的目的。

3 試驗驗證

通過工藝試驗對自行研發的Z-pin過渡植入設備進行驗證。結果表明，設備機械系統工作平穩，一次循環可同時進行5根Z-pin的過渡植入，植入角度、深度滿足技術指標要求，可靠性高，植入效率高，同時也驗證了植入工藝的可行性與先進性。所試制的典型矩陣合格樣件如圖10所示。

4 結語

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