本發(fā)明涉及碳纖維剎車(chē)盤(pán)制造，具體涉及一種碳纖維剎車(chē)盤(pán)預(yù)制體的針刺減力方法及針刺裝置。

背景技術(shù)：

1、碳纖維材料因其輕質(zhì)、高強(qiáng)度和優(yōu)良的耐熱性，廣泛應(yīng)用于航空航天、汽車(chē)以及高性能剎車(chē)盤(pán)的制造。這種材料的優(yōu)越性能使其在高負(fù)載和高溫環(huán)境下表現(xiàn)出色，然而在生產(chǎn)過(guò)程中，材料內(nèi)部往往出現(xiàn)應(yīng)力集中現(xiàn)象，嚴(yán)重影響了剎車(chē)盤(pán)的整體力學(xué)性能和使用壽命。應(yīng)力集中不僅會(huì)導(dǎo)致材料強(qiáng)度降低，還可能引發(fā)裂紋和疲勞失效，從而縮短產(chǎn)品的使用周期。

2、碳纖維預(yù)制體制造現(xiàn)在主要依賴(lài)半人工半機(jī)械針刺制造成型，針刺技術(shù)在改善材料性能上表現(xiàn)良好，能夠通過(guò)機(jī)械刺激降低應(yīng)力集中并優(yōu)化纖維排列。然而，開(kāi)展針刺操作要么依賴(lài)人工手動(dòng)操作，要么是傳統(tǒng)的針刺設(shè)備通常采用固定模式針刺作業(yè)，無(wú)法根據(jù)預(yù)制體的不同區(qū)域施加適宜的針刺力和深度，導(dǎo)致纖維排列不均勻，進(jìn)而影響最終產(chǎn)品的一致性和強(qiáng)度。因此，亟需一種能夠在針刺作業(yè)過(guò)程中，根據(jù)實(shí)際情況調(diào)整減力的方法及裝置，進(jìn)一步精細(xì)化預(yù)制體制造加工，從而提高產(chǎn)品的質(zhì)量。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、發(fā)明目的：為解決背景技術(shù)中提到的問(wèn)題，本發(fā)明公開(kāi)一種碳纖維剎車(chē)盤(pán)預(yù)制體的針刺減力方法及針刺裝置，通過(guò)預(yù)制體準(zhǔn)備與定位模塊結(jié)合針刺模式算法、符合漸變針刺算法以及動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)針刺算法，進(jìn)一步精確控制針刺作業(yè)中刺針力度與頻率等參數(shù)，減少因預(yù)制體厚度等客觀因素對(duì)最終產(chǎn)物的影響，優(yōu)化針刺工藝，改善碳纖維剎車(chē)盤(pán)的整體性能和耐用性。

2、技術(shù)方案：

3、本發(fā)明公開(kāi)一種碳纖維剎車(chē)盤(pán)預(yù)制體的針刺減力方法，所述方法包括如下步驟：

4、s1構(gòu)建預(yù)制體準(zhǔn)備與定位模塊和控制模塊對(duì)碳纖維預(yù)制體進(jìn)行定位，所述預(yù)制體準(zhǔn)備與定位模塊動(dòng)態(tài)調(diào)整夾緊力和實(shí)時(shí)反饋位置信息，控制后續(xù)針刺工作；

5、s2對(duì)定位完成的碳纖維預(yù)制體進(jìn)行厚度和密度分析，采集各層厚度密度數(shù)據(jù)并對(duì)每層厚度進(jìn)行分層劃分，以用于針刺力度的精確計(jì)算；

6、s3根據(jù)s2分析數(shù)據(jù)，設(shè)置每層的針刺模式，根據(jù)不同層厚度與密度定義針刺模式算法；

7、s4對(duì)不同層的碳纖維預(yù)制體實(shí)施不同力度、頻率、深度的針刺操作，當(dāng)預(yù)制體的厚度增加時(shí)，基于復(fù)合漸變針刺算法對(duì)針刺力度進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整；

8、s5在針刺操作過(guò)程中，通過(guò)預(yù)制體準(zhǔn)備與定位模塊的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)反饋，根據(jù)針刺實(shí)際效果，構(gòu)建動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)針刺算法進(jìn)一步調(diào)整針刺力度與頻率。

9、進(jìn)一步地，所述預(yù)制體準(zhǔn)備與定位模塊包括高精度夾具與傳感系統(tǒng)，通過(guò)精確的多點(diǎn)夾緊及實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)定位方式，將碳纖維預(yù)制體精準(zhǔn)固定于針刺裝置內(nèi)，所述預(yù)制體準(zhǔn)備與定位模塊能夠動(dòng)態(tài)調(diào)整夾緊力和實(shí)時(shí)反饋位置信息，確保預(yù)制體在針刺過(guò)程中的位置穩(wěn)定性和針刺位置準(zhǔn)確性，當(dāng)傳感系統(tǒng)檢測(cè)到預(yù)制體位置偏差超出設(shè)定閾值時(shí)，控制模塊可自動(dòng)調(diào)整或暫停針刺操作，實(shí)現(xiàn)針刺力分布的精確調(diào)控。

10、進(jìn)一步地，位置偏差檢測(cè)的具體步驟如下：

11、計(jì)算當(dāng)前預(yù)制體位置與目標(biāo)位置的偏差算法為：

12、δp＝pcurrent-pgarget

13、如果偏差超出設(shè)定閾值，即|δp>∈|，進(jìn)入s2；否則繼續(xù)進(jìn)行針刺操作；

14、式中，δp為位置偏差；pcurrent為傳感系統(tǒng)反饋的預(yù)制體當(dāng)前位置信息；pgarget為預(yù)設(shè)的理想位置；∈為預(yù)設(shè)的偏差閾值；

15、通過(guò)比例控制或pid控制來(lái)調(diào)整夾緊力：

16、fadjusted＝ftarget+kp.δp

17、式中，fadjusted為調(diào)整后的夾緊力；ftarget為預(yù)設(shè)的夾緊力范圍；kp是比例增益；如果位置偏差過(guò)大，可以考慮暫停針刺操作，直到夾緊力調(diào)整后，重新校準(zhǔn)位置：如果位置偏差在可接受范圍內(nèi)，則繼續(xù)進(jìn)行針刺；如果位置偏差或夾緊力出現(xiàn)不符合預(yù)期的波動(dòng)，進(jìn)行動(dòng)態(tài)調(diào)整：

18、if|δp|>∈or|fcurrent-ftarget|>δ→adjustparameters

19、式中，δ為夾緊力的容差閾值，用于判斷當(dāng)前夾緊力是否與目標(biāo)夾緊力有顯著偏差，如果夾緊力的差值大于δ，則認(rèn)為夾緊力不在可接受的范圍內(nèi)，需要調(diào)整。

20、進(jìn)一步地，s2通過(guò)所述傳感系統(tǒng)在s1定位完成后對(duì)碳纖維預(yù)制體進(jìn)行厚度和密度分析，精確采集預(yù)制體各層的厚度及密度數(shù)據(jù)，依據(jù)采集的數(shù)據(jù)對(duì)每層厚度進(jìn)行分層劃分，自動(dòng)確定各層的實(shí)際厚度，用于針刺力度的精確計(jì)算，確保針刺工藝針對(duì)不同厚度區(qū)域?qū)崿F(xiàn)均勻分布的減力效果。

21、進(jìn)一步地，s3所述所述不同層數(shù)厚度的針刺模式算法定義實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：將層厚度與針設(shè)定碳纖維預(yù)制體的總厚度為h，將其分為n層，每層厚度為hi(i＝1,2,...,n)，針刺力度f(wàn)i可按以下公式計(jì)算：

22、fi＝k·ei·ai

23、所有層的針刺力度總和如下表示：

24、

25、隨后計(jì)算每層針刺力度

26、

27、式中，ei為第i層的彈性模量，考慮到不同層可能存在不同的材料特性；ai為針刺頭在第i層的有效接觸面積；k為與材料特性相關(guān)的系數(shù)；總厚度h被分為n層，hi為層厚度。

28、進(jìn)一步地，s4所述復(fù)合漸變針刺算法實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下：

29、對(duì)不同層的碳纖維剎車(chē)盤(pán)預(yù)制體實(shí)施不同力度、頻率、深度的針刺操作，當(dāng)預(yù)制體的厚度h增加時(shí)，為針刺力度需要?jiǎng)討B(tài)調(diào)整以保持有效性，使用如下公式進(jìn)行計(jì)算：

30、

31、式中，fadjusted為調(diào)整后的針刺力度；fbase為在系統(tǒng)啟動(dòng)時(shí)設(shè)定的初始針刺力度；

32、針刺過(guò)程分為三個(gè)階段：初始刺入階段時(shí)表面刺入，針刺較淺，針刺力度快速增加；中間階段時(shí)針刺深度增加，力度逐漸穩(wěn)定，力度適中，保持恒定；最終階段時(shí)深度接近最大，力度減小：針刺力度逐漸減小，給出分段函數(shù)：

33、

34、式中，t為針刺時(shí)間；d為針刺深度；ρ為針刺密度；f0·為初始針刺力度；dmax為最大針刺深度；α為時(shí)間的增量系數(shù)，表明在初始階段隨著時(shí)間的增加，力度略微增加；fmid為針刺力度的中間常數(shù)值；d1和d2為分段的臨界深度值，表示中間階段的開(kāi)始和結(jié)束；β為控制力度減小的衰減系數(shù)，決定在最后階段力度減小的速度。

35、進(jìn)一步地，為了確保力度在動(dòng)態(tài)調(diào)整過(guò)程中滿(mǎn)足實(shí)際操作的需求，避免過(guò)大或過(guò)小的力度，同時(shí)符合深度、時(shí)間和密度的約束條件以確保針刺力度的合理性和適應(yīng)性，給出以下函數(shù)：

36、

37、式中，力度必須為非負(fù)值，即f(t，d，ρ)≥0；當(dāng)t超過(guò)最大允許時(shí)間tmax時(shí)，力度歸零或保持恒定；當(dāng)深度d超過(guò)最大允許深度dmax時(shí)，力度停止或保持恒定；密度ρ應(yīng)在合理范圍內(nèi)：ρmin≤ρ≤ρmax。

38、進(jìn)一步地，s5所述動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)針刺的方法的實(shí)現(xiàn)過(guò)程如下所示：

39、對(duì)針刺頻率進(jìn)行調(diào)整從而實(shí)現(xiàn)電機(jī)功率平穩(wěn)輸出：

40、

41、式中，f(t)為針刺頻率隨時(shí)間變化的動(dòng)態(tài)函數(shù)，初期針刺頻率flow隨時(shí)間增大，減少電機(jī)瞬時(shí)沖擊；中期保持恒定頻率fmid，適用于大部分針刺工作；后期接近底層時(shí)，頻率fhigh漸減，功率波動(dòng)；

42、為確保負(fù)載合理分布，針刺數(shù)量n隨時(shí)間變化可以設(shè)定以下算法：

43、

44、式中，初期針刺數(shù)量n0隨時(shí)間增加；中期保持最大針刺數(shù)量nmid；后期針刺數(shù)量逐漸減少nmax，適應(yīng)底層需求；

45、通過(guò)動(dòng)態(tài)調(diào)整針刺單元，可以控制每組針刺的負(fù)載和頻率，將針板分為組，分批下刺，控制每組針的下刺頻率fi和數(shù)量ni，避免瞬時(shí)高負(fù)載，各組針刺時(shí)間錯(cuò)開(kāi)，確保電機(jī)功率輸出平穩(wěn)，針刺單元數(shù)表達(dá)式如下：

46、

47、每組針刺的時(shí)間間隔δt根據(jù)電機(jī)響應(yīng)速度設(shè)定，確保每組針的下刺動(dòng)作有序進(jìn)行，以三段時(shí)間劃分的方式設(shè)定漸變針刺模式：初期針刺單元的下刺頻率和數(shù)量逐漸增加；中期保持每單位時(shí)間內(nèi)下刺的針數(shù)量和頻率穩(wěn)定；后期針刺單元數(shù)量逐漸減少，避免過(guò)度沖擊。

48、進(jìn)一步地，本發(fā)明公開(kāi)一種碳纖維剎車(chē)盤(pán)預(yù)制體的針刺裝置，所述裝置包括復(fù)合漸變針板和分布式控制與反饋系統(tǒng)，針板表面按照不同的功能區(qū)域進(jìn)行劃分，每個(gè)單元格對(duì)應(yīng)特定的針刺模式與強(qiáng)度，通過(guò)控制模塊對(duì)各單元格進(jìn)行針刺力度和頻率的動(dòng)態(tài)調(diào)節(jié)，確保在不同區(qū)域內(nèi)根據(jù)預(yù)制體的厚度、密度及層數(shù)要求，執(zhí)行不同的針刺工藝；

49、每個(gè)單元格通過(guò)所述分布式控制系統(tǒng)進(jìn)行針刺過(guò)程的精細(xì)調(diào)控，并結(jié)合傳感系統(tǒng)的反饋數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)調(diào)整針刺參數(shù)，維持裝置操作，減少功率波動(dòng)。

50、有益效果：

51、1.本發(fā)明采用動(dòng)態(tài)調(diào)整的針刺力度計(jì)算方法，結(jié)合了深度、時(shí)間和密度的分段控制，使得每層的針刺力度可以精準(zhǔn)匹配預(yù)制體不同層的厚度需求，從而避免了受力峰值過(guò)大等現(xiàn)象的發(fā)生，提高了針刺過(guò)程的穩(wěn)定性。

52、2.本發(fā)明通過(guò)復(fù)合漸變針刺算法，將針刺分為多個(gè)獨(dú)立單元，根據(jù)不同區(qū)域的厚度和密度參數(shù)設(shè)計(jì)個(gè)性化的針刺模式，使裝置能夠精確控制各個(gè)區(qū)域的力度和密度，增強(qiáng)碳纖維剎車(chē)盤(pán)預(yù)制體的整體力學(xué)性能和產(chǎn)品一致性。

53、3.本發(fā)明通過(guò)合理設(shè)定的分段函數(shù)和復(fù)合漸變策略，減少了電機(jī)在非必要功率下的運(yùn)作，優(yōu)化了針刺工藝的效率和能耗，降低了整體能耗，展現(xiàn)出良好的節(jié)能和低碳效果。