U型天线罩预制体织物的缝合模具、缝合装置及缝合方法

本发明属于纤维预制体成型加工，特别涉及一种u型天线罩预制体织物的缝合模具、缝合装置及缝合方法。

背景技术：

1、天线罩是雷达的重要组成部分，对于飞机、导弹等飞行器的雷达系统来说，雷达天线罩除了保护雷达天线在恶劣环境下正常工作外，还需要满足高速飞行中气动力和气动热带来的力学和热学性能要求。因此，天线罩需要具有耐高温、高强度、透波等性能。

2、研究人员对于天线罩预制体织物的制备方法开展了较多的研究，专利名称为一种锥形高性能纤维天线罩预制织物的制备方法(专利号cn201910602618.8)，提供了一种外形为锥形的天线罩预制体织物的成型方法，通过模具上面打定位孔，手工插定位针进行缝合点的定位，定位针很难完全垂直织物表面，同时缝合点的间距也很难精确控制，成型质量难以保证。专利名称为天线罩用纤维织物的缝合编织及专用缝合模具(专利号cn201510413474.3)，提供了一种回转类锥形天线罩织物的缝合模具及缝合方法，在模具表面打长条缝合孔进行缝合，缝合轨迹难以控制，缝合质量难以保证，同时，每逢一遍需要更换一套上、下压模，模具数量多，频繁拆装模具影响生产效率，使用也不便。现有技术中的关于缝合天线罩的研究多以锥形为主，针对顶部为球面的u型天线罩织物的缝合技术还不成熟，此外应用于锥形天线罩的缝合模具和缝合装置与u型天线罩预制体织物并不适配。

技术实现思路

1、本发明为解决公知技术中存在的技术问题提供一种u型天线罩预制体织物的缝合模具、缝合装置及缝合方法，能够实现u型天线罩高精度高质量的缝合成型。

2、本发明包括如下技术方案：

3、一种u型天线罩预制体织物的缝合模具，包括用于u型天线罩预制体织物的圆柱面缝合成型的圆柱面缝合模具和用于u型天线罩预制体织物的顶部球面缝合成型的顶部球面缝合模具；所述圆柱面缝合模具由底座法兰、组合芯模及第一外压板组成；所述底座法兰连接机器人；所述组合芯模外表面与织物内型面相吻合，第一外压板内表面与织物外型面相吻合，二者组合后型腔尺寸为织物尺寸，通过二者的加压从而实现对织物压缩定型；所述组合芯模和第一外压板均为分层可拆卸结构，每层第一外压板对应一段组合芯模；在缝合时，根据缝合需要拆除对应位置的第一外压板和组合芯模，利用其余的第一外压板和组合芯模固定织物，从而对织物的圆柱面区域进行缝合；

4、所述顶部球面缝合模具由机器人法兰、芯模、第二外压板及定位针组成；所述机器人法兰连接机器人；所述芯模外表面、第二外压板内表面与织物的圆柱面表面相吻合；所述芯模与第二外压板在圆周方向同一位置上配有定位孔，所述定位孔中插入定位针以防止织物在缝合过程中来回窜动；芯模和第二外压板对已缝合完成的织物圆柱面加压固定，从而便于对裸露在外的织物顶部球面进行缝合。

5、进一步的，所述第一外压板分为三层，按照其空间位置分为外层外压板、中间层外压板和里层外压板；每层第一外压板均由两个相同的半圆型外压板组成；所述组合芯模分为四段，每段组合芯模按照其空间位置分别与第一外压板的对应层相配合。所述底座法兰一端通过法兰螺栓与机器人连接固定，另一端通过螺栓与第一外压板和组合芯模连接固定。底座法兰、三层第一外压板和四段组合芯模均采用3d打印技术制造。

6、进一步的，所述第二外压板和芯模均采用薄壁中空结构；所述机器人法兰一端通过法兰螺栓与机器人连接固定，另一端通过螺栓与第二外压板和芯模连接固定。机器人法兰、第二外压板和芯模均采用3d打印技术制造。

7、一种u型天线罩预制体织物的缝合装置，包括六自由度机器人、单针穿刺机和上述缝合模具；所述六自由度机器人通过螺纹连接安装到机器人底座上；所述六自由度机器人的机器人第六关节通过螺纹连接安装圆柱面缝合模具的底座法兰或顶部球面缝合模具的机器人法兰。

8、一种u型天线罩预制体织物的缝合方法，使用上述缝合装置，包括以下步骤：

9、s1、准备缝合设备：将六自由度机器人、单针穿刺机安装并移动到工作位置，单针穿刺机与六自由度机器人的机器人第六关节安装在同一方向上；

10、s2、缝合轨迹规划：根据技术要求确定织物轴向和径向缝合点间距，从而确定织物缝合轨迹，由织物缝合轨迹进而确定机器人运动轨迹；机器人第六关节在圆周方向的每一次转动角度确定了相邻径向缝合点间距、在轴线方向的每一次移动距离确定了相邻轴向缝合点间距，进行机器人程序编程调试并加载进机器人控制柜；

11、s3、铺层设计及原料准备：根据天线罩的结构尺寸和厚度要求，确定天线罩预制体织物的形状、尺寸、厚度、纤维体积含量及缝合密度等参数，根据得到的参数确定单元层铺层的展平形状及单元层铺层的数量，单元层铺层数＝(预制体织物的纤维体积含量×预制体织物的厚度×纤维布的纤维密度)/纤维的面密度；最后在基布上裁出相应的单元层铺层；

12、s4、铺覆单元层铺层：将制备好的单元层铺层在圆柱面缝合模具的第一外压板内表面指定位置进行铺覆，直至所有单元层铺层铺覆完成；铺覆完成后用一打孔针在织物顶部球面圆心位置处打一通孔，然后用螺栓穿过织物通孔将圆柱面缝合模具进一步安装，等待缝合；

13、s5、缝合：对完成铺覆的织物由下到上从第一缝合区域到第二缝合区域再到第三缝合区域依次进行区域缝合；

14、s6、后处理：将s4中织物顶部球面上的通孔进行后处理从而将该通孔覆盖。

15、进一步的，所述s1中将六自由度机器人和单针穿刺机分别移动到工作位置；将圆柱面缝合模具中的底座法兰连接固定在机器人第六关节上，再将圆柱面缝合模具中的第一外压板组装好并与底座法兰连接固定，为织物单元层铺层的铺覆做准备。

16、进一步的，所述s3包括s3-1单元层铺层设计和s3-2原料的制备；所述s3-1为在建模软件中等比例绘出3d织物模型，沿着织物模型的任一母线方向将其分割，分割出两对称曲面，然后将分割生成的两曲面展平得到两对称的单元层铺层；将分割展平的单元层铺层导出到绘图软件中，在绘图软件中将两个对称的单元层铺层沿着扇形顶部进行拼接，形成一个完整、连续的单元层铺层，拼接完的单元层铺层展平形状呈双扇形结构。天线罩需满足高速飞行中气动力和气动热带来的力学和热学性能要求，为了确保u型天线罩织物顶部球面的耐高温、高强度等性能，则需保证其顶部纤维的连续性，因此需要对铺层进行优化设计将两个对称单元层铺层进行拼接，形成一个完整、连续的单元层铺层。

17、所述s3-2具体为根据s3-1中单元层铺层的尺寸形状裁好相应形状的纸膜，本着节省原料的原则，预先将纸膜在基布上进行合理的位置排布，最后根据纸膜在基布上裁出对应的单元层铺层，重复s3-2直到制备出所有所需的单元层铺层。

18、进一步的，所述s4具体为将s3中制备好的单元层铺层进行第一层铺覆，确保单元层铺层与第一外压板内表面紧密贴合；铺覆下一层单元层铺层时，将其在扇形开口位置处相对于上一层错开一定角度进行铺覆，该角度通常为大于0度、小于等于20度；铺覆完成后，用一打孔针在织物顶部球面圆心位置处打一通孔，然后用螺栓穿过织物通孔将最里侧的组合芯模固定到底座法兰上，然后依次用螺栓组装其余组合芯模，通过组合芯模和第一外压板加压将织物固定在模具中，准备缝合。织物顶部球面留下的一个通孔需要在织物全部缝合完成后进行后处理。

19、进一步的，所述s5包括s5-1织物圆柱面缝合和s5-2织物顶部球面缝合；所述s5-1包括第一缝合区域缝合和第二缝合区域缝合，待完成铺覆的织物在圆柱面缝合模具中固定好之后，拆除圆柱面缝合模具中的外层外压板及其对应的一段组合芯模，预先加载好程序的六自由度机器人带动圆柱面缝合模具位于初始位置，用机针以改进锁式缝合方式进行第一缝合区域的缝合；第一缝合区域缝合完成后，拆除中间层外压板及其对应的一段组合芯模，重复上述第一缝合区域缝合过程，直至预制体织物第二缝合区域缝合完成，至此天线罩预制体织物圆柱面缝合完成；然后进行s5-2织物顶部球面缝合，卸下未完工的织物和圆柱面缝合模具，将顶部球面缝合模具中的机器人法兰通过法兰螺栓与机器人第六关节连接固定，通过螺栓将芯模底部与机器人法兰连接固定，将已完成圆柱面缝合的织物套在芯模上，再将第二外压板套在该织物上并通过螺栓将第二外压板与机器人法兰连接固定；透过第二外压板、织物及芯模在定位孔中插入定位针，防止织物在缝合过程中来回窜动，织物被芯模与第二外压板加压固定在中间，织物顶部球面裸露在外，重复上述第一缝合区域缝合过程，直至织物第三缝合区域(顶部球面)缝合完成，至此天线罩预制体织物全部缝合完成。

20、进一步的，所述s5-1中的第一缝合区域缝合过程具体为将机针安装在单针穿刺机三爪卡盘上，在机针针尖处的穿线孔中穿入纤维纱线，单针穿刺机带动机针刺入织物内部，然后机针沿原路径略微退出，在针尖处形成线环，用细长钩针勾取线环并穿入底线，机针进一步退出织物，细长钩针释放线环，将织物内腔的线环与底线锁紧，完成一点处缝合，通过示教器单步运行程序，机器人第六关节带动缝合模具在圆周方向上转过指定角度，每转过一个角度，进行一点处缝合，织物一圆周方向缝合完成后，机器人第六关节带动缝合模具沿着模具轴向方向步进一个量，继续下一圆周方向上的缝合，重复上述缝合步骤，直至织物第一缝合区域缝合完成。

21、进一步的，所述s6具体为使用一根细小的刺针，在通孔周围轻而均匀地进行多次刺入，随着刺针的反复刺入和挤压，通孔周围的纤维会发生膨胀和重组，使得周围纤维能够充分填充并覆盖微小的通孔。上述通孔的直径很小，通过后处理操作将其覆盖不会对织物整体性能造成影响。

22、本发明具有的优点和积极效果：

23、1、本发明针对u型天线罩预制体织物的结构特征，采用两套专用缝合模具，对预制体织物圆柱面、顶部球面进行分区缝合，相较于一套缝合模具，两套专用缝合模具对不同结构的缝合区域的针对性更强，缝合效果更好。

24、2、本发明进行了铺层优化设计，通过将两个单元层铺层进行拼接形成一个完整、连续的单元层铺层，保证了u型天线罩织物顶部纤维的连续性，进而有效提高了天线罩织物顶部球面的耐高温、高强度等力学性能，此外，在原料的制备过程中进行了合理的排版，有效提高了材料的利用率。

25、3、本发明在铺覆单元层铺层时，通过偏转单元层铺层角度提高了预制体织物的整体均匀性；采用在定位孔中插定位针的方式，有效防止了缝合过程中织物的滑移，保证了缝合效果。

26、4、本发明采用机器人、单针穿刺机协调配合的缝合方式，与传统的人工确定缝合点位的方法相比，机器人与单针穿刺机精准的运动能够有效保证预制体织物缝合轨迹的精确性,从而保证天线罩预制体织物的缝合均匀性，所制备出的预制体织物结构精细、均匀，整体性能好。

27、5、本发明采用机器人带动缝合模具运动形成相应的缝合轨迹，机器人选用川崎六自由度关节机器人，采用as语言进行编程，编程简单，机器人柔性好，这种轨迹规划方法适用于不同缝合参数的u型天线罩预制体织物的缝合成型。

28、6、本发明的两套缝合模具均采用3d打印技术制造，制造成本低，且在螺纹连接部位采用镶嵌钢丝螺套的方式，增强了连接的稳定性及缝合装置的耐用性。