一种塑料及复合材料结构的损伤监测和在线维修系统

1.本发明涉及航空航天设备、机械设备、大型车辆运输设备、化工专用设备、特种设备等设备中的塑料及复合材料零部件损伤的实时测量、评估、定位和在线维修系统，尤其涉及一种塑料及复合材料结构的损伤监测和在线维修系统，属于新材料、智能制造技术领域。


背景技术：

2.目前，飞机、高铁、汽车、轮船、机械设备等都在大力开展轻量化设计与工程应用工作。工程塑料、复合材料属于典型的轻量化材料，具有密度小、比强度和比模量高、耐腐蚀、成型工艺灵活且易于成型，可设计性好等优点，塑料、复合材料的零部件在设备中越来越多。设备的检测和维修，是智能制造的一个重要方面，但是其发展水平远落后于生产设备的智能制造，需要大力发展设备检修相关的技术。此外，还存在一些不适合人工检修的场合和情况，例如：太空的空间站，有毒有害的环境中工作的设备等。这些设备中，很多零部件都是由塑料或复合材料制造而成的。因此，需要发展适用于塑料结构、复合材料结构的损伤监测和在线维修技术及系统，以提高其自动化程度，为无人工厂、无人电站、无人舰船、空间站等应用提供基础。


技术实现要素：

3.1、发明目的：
4.本发明的目的在于提供一种塑料及复合材料结构的损伤监测和在线维修系统，实现塑料及复合材料结构的损伤监测和自动化在线维修，为工作中设备上的塑料及复合材料零部件的损伤识别、评估、定位和修复提供一种自动化的、高效率的在线检修系统，保障设备的运行安全可靠。
5.2、技术方案：
6.一种塑料及复合材料结构的损伤监测和在线维修系统，包括塑料或复合材料结构损伤识别及定位和评估子系统、声发射传感器、低噪声信号线、前置信号放大器、信号采集分析装置、损伤识别和评估系统、损伤定位系统；塑料或复合材料结构损伤区域扫描成像子系统、三维激光扫描仪、计算机、需修补区域的模型；塑料或复合材料结构损伤区域预处理子系统、损伤区域预处理控制系统、表面毛化装置、除尘装置；塑料或复合材料结构损伤区域维修子系统、粉末粘接3d打印控制系统、供粉模块、粉料盒、供粉泵、喷头运动控制模块、供粉管、打印喷头、压头运动控制模块、压头、供胶管、供胶模块、胶粘剂盒、供胶泵、堵盖；复合材料结构损伤区域维修后处理子系统、固化渗透剂注射系统、维修后表面处理系统；含损伤塑料或复合材料部件、损伤区域、机械手、待修的塑料或复合材料结构、修中的塑料或复合材料结构、修后的塑料或复合材料结构；
7.所述塑料或复合材料结构损伤识别及定位和评估子系统，由声发射传感器、低噪声信号线、前置信号放大器、信号采集分析装置、损伤识别和评估系统和损伤定位系统组成；声发射传感器的具体型号根据使用环境而定，声发射传感器采用圆柱形阵列布置，即在
含损伤塑料或复合材料部件的表面或近表面成上圆周阵列和下圆周阵列布置，从而形成一个圆柱形，相比于目前的方形和菱形布置形式，圆柱形布置的监测范围更大，更为立体，与圆柱坐标系配合使用，实现损伤的精确定位；声发射传感器通过低噪声信号线或无线通讯方式与前置信号放大器连接，信号经过放大后传至信号采集分析装置，信号采集分析装置对信号进行滤波，对滤波后的波形信号进行分析得到不同传感器通道的波达时刻和振幅；损伤识别和评估系统将振幅与预先设定的损伤阈值进行比较，超过阈值即表示损伤已经产生，当振幅是阈值的1.5 倍时，就需要对损伤区域进行维修了；损伤定位系统根据不同传感器通道的波达时刻的差值、声发射传感器的空间坐标和声速来计算判断损伤的位置；
8.所述塑料或复合材料结构损伤区域扫描成像子系统，由三维激光扫描仪、计算机和需修补区域的模型组成，主要功能是对损伤区域进行扫描成像和建模；三维激光扫描仪收到损伤定位系统传来的损伤位置信息后，对含损伤塑料或复合材料部件上的损伤区域进行激光扫描，在计算机中创建损伤区域几何表面的点云，使用这些点云数据插值建成损伤区域的三维模型，与计算机中存储的塑料或复合材料结构完整模型做布尔运算，得到需修补区域的模型，将需修补区域的模型转化为3d打印可识别的stl格式文件，得到需修补区域的模型(stl格式)；
9.所述塑料或复合材料结构损伤区域预处理子系统，由损伤区域预处理控制系统、表面毛化装置和除尘装置组成，主要功能是对需修补的损伤区域进行表面粗糙化处理和灰尘杂质清理；首先，损伤区域预处理控制系统控制表面毛化装置使用钢丝刷子对机械手抓取的待修的塑料或复合材料结构上的损伤区域进行刷擦，使损伤区域的表面粗糙化，方便3d打印维修时的材料粉末和胶粘剂粘接结合；然后，损伤区域预处理控制系统控制除尘装置对损伤区域吹压缩空气，压缩空气的气压在0.1-0.3mpa之间，清理损伤区域表面的灰尘和杂质；
10.所述塑料或复合材料结构损伤区域维修子系统，由粉末粘接3d打印控制系统、供粉模块、粉料盒、供粉泵、喷头运动控制模块、供粉管、打印喷头、压头运动控制模块、压头、供胶管、供胶模块、胶粘剂盒、供胶泵和堵盖组成；粉末粘接3d打印控制系统对需修补区域的模型(stl格式)进行切片处理，根据各层切片的平面几何信息分别生成喷头运动控制模块和压头运动控制模块的数控运动指令，喷头运动控制模块控制打印喷头的运动，压头运动控制模块控制压头的运动；体积小于125cm3的模型的层厚取0.1mm，体积大于125cm3的模型的层厚取0.2mm；粉料盒中存放有聚丙烯塑料粉末、聚醚醚酮塑料粉末、聚酰亚胺塑料粉末、聚苯硫醚塑料粉末、尼龙塑料粉末、环氧树脂粉末以及添加了纤维增强材料的复合材料粉末，每种粉末置于一个盒内，这些盒子呈圆周阵列排布，需要使用某一种塑料及复合材料时，粉料盒旋转，将这种材料转到出料口，满足不同种类结构的用材需求，提高维修系统的适应性和通用性；胶粘剂盒中存放有环氧胶粘剂、丙烯酸胶粘剂、聚氨酯胶粘剂，每种胶粘剂置于一个盒内，这些盒子呈圆周阵列排布，需要使用某一种胶粘剂时，胶粘剂盒旋转，将这种胶粘剂转到出胶口，满足不同材料结构的粘接需求，提高维修系统的适应性和通用性；粉末粘接3d打印控制系统根据切片厚度及平面尺寸得到单层的铺粉量，控制供粉模块从粉料盒中提取所需种类的材料和粉末输出量，供粉泵提供粉料盒向供粉管输送粉末的动力，粉末进入打印喷头内部，粉末粘接3d打印控制系统根据切片厚度及平面尺寸得到单层的胶粘剂使用量，控制供胶模块从胶粘剂盒中提取所需种类的胶粘剂和胶粘剂输出量，供胶泵
提供胶粘剂盒向供胶管输送胶粘剂的动力，胶粘剂进入打印喷头的末端的粉-胶混合腔中，粉末与胶粘剂混合均匀后从打印喷头的喷嘴挤出，在损伤区域扫描铺放，打印喷头距离铺层的距离为1.5mm，避免粉末溅起而堵塞喷嘴，保证铺层的精度；打印喷头完成一层打印后，压头运动控制模块控制压头对3d打印铺层进行压实处理，以减少空隙，提高3d结构的强度；重复上述的动作，根据切片的信息逐层堆积，直至在损伤区域完成需修补区域的模型的3d打印，整体结构固化后，完成损伤区域的修补工作；
11.所述打印喷头，内部设置有两个通道，一个通道是供应粉末，另一个通道是供应胶粘剂，在喷头的喷嘴端部的圆形空腔中二者相遇混合，然后将粉末和胶粘剂的混合体挤出；喷嘴端部的圆形混料型腔的设计，有利于粉末与胶粘剂的充分混合；在喷头的末端，圆形混料型腔的非进料侧，设置有堵盖，采用螺纹旋拧的设计，方便地拧紧和旋出，同时作为添加剂的预留添加口，当喷嘴堵塞时，可将堵盖拧下，便于使用金属丝工具疏通喷嘴，解决3d打印喷头喷嘴堵塞后难疏通的问题；
12.所述塑料或复合材料结构损伤区域维修后处理子系统，由固化渗透剂注射系统和维修后表面处理系统组成；为了进一步提高3d打印区域的强度，使用固化渗透剂注射系统向3d打印成型的结构注入一定量的固化渗透剂，待模型固化完毕后，使用维修后表面处理系统对维修后的区域的表面进行打磨、清理和补漆操作；
13.所述含损伤塑料或复合材料部件，上面含有损伤区域，当塑料或复合材料部件尺寸较大时，使用机械手将含有损伤区域的零件拆卸下来进行维修；当塑料或复合材料部件尺寸较小时，直接对含损伤复合材料部件进行维修；
14.所述机械手，由计算机控制，主要作用是塑料或复合材料结构在设备中的部件上的拆卸、安装以及损伤区域扫描、预处理、维修和维修后处理操作中的移动塑料及复合材料结构，机械手端部的爪子内侧设置有橡胶材料制成的山丘状阵列凸起，提高抓取的摩擦力，避免塑料或复合材料结构脱落，因为塑料或复合材料结构的硬度远低于钢铁，这种设计能避免抓伤复合材料结构表面；
15.所述修后的塑料或复合材料结构，为已经完成维修和安装完毕的塑料或复合材料结构件，其上的损伤区域已经被维修好，维修后塑料或复合材料部件的使用功能与未损伤的部件相同，在拉压弯剪扭和疲劳的力学性能方面，不低于未损伤的部件力学性能的85％。
16.3、本发明“一种塑料及复合材料结构的损伤监测和在线维修系统”，其优点如下：
17.(1).本发明适用范围广，通用性强，可以为机械设备、运输设备、矿山专用设备、化工专用设备、航空航天专用设备、特种设备等设备提供维修服务；
18.(2).本发明柔性高，维修效率高，成本低，不需要模具，不需要毛坯，对维修件的数量没有要求，不需要存储备用件，大大降低了后勤补给和物料仓储的压力；
19.(3).本发明有利于提高设备的智能化程度和安全可靠性，有利于实现装备服役过程中损伤信息的在线收集和汇总，为塑料及复合材料零部件的优化设计提供数据支持。
20.总之，本发明可以实现运行设备中塑料及复合材料部件的损伤识别、评估、定位和在线维修，自动化程度高，效率高，成本低，特别适合于有毒有害危险环境等不适宜人类作业的情况下使用，可以助力智能制造的发展，具有非常广阔的工程应用前景。
附图说明
21.结合附图，通过对下述非限定性优选实施例的描述，可以更好地理解本发明；
22.图1是本发明的子系统框图；
23.图2是本发明的组成示意图；
24.图3是本发明的打印喷头的截面示意图；
25.附图中符号说明如下：1-复合材料结构损伤识别及定位和评估子系统、101-声发射传感器、102-低噪声信号线、103-前置信号放大器、104-信号采集分析装置、105-损伤识别和评估系统、106-损伤定位系统；2-复合材料结构损伤区域扫描成像子系统、201-三维激光扫描仪、 202-计算机、203-需修补区域的模型；3-复合材料结构损伤区域预处理子系统、301-损伤区域预处理控制系统、302-表面毛化装置、303-除尘装置；4-复合材料结构损伤区域维修子系统、 401-粉末粘接3d打印控制系统、402-供粉模块、403-粉料盒、404-供粉泵、405-喷头运动控制模块、406-供粉管、407-打印喷头、408-压头运动控制模块、409-压头、410-供胶管、411
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供胶模块、412-胶粘剂盒、413-供胶泵、414-堵盖；5-复合材料结构损伤区域维修后处理子系统、501-固化渗透剂注射系统、502-维修后表面处理系统；6-含损伤复合材料部件、7-损伤区域、8-机械手、9-待修的复合材料结构、10-修中的复合材料结构、11-修后的复合材料结构。
具体实施方式
26.下面结合附图对本发明实施例作进一步详细说明：
27.如附图所示，本发明一种塑料及复合材料结构的损伤监测和在线维修系统包括：复合材料结构损伤识别及定位和评估子系统1、声发射传感器101、低噪声信号线102、前置信号放大器103、信号采集分析装置104、损伤识别和评估系统105、损伤定位系统106；复合材料结构损伤区域扫描成像子系统2、三维激光扫描仪201、计算机202、需修补区域的模型203；复合材料结构损伤区域预处理子系统3、损伤区域预处理控制系统301、表面毛化装置302、除尘装置303；复合材料结构损伤区域维修子系统4、粉末粘接3d打印控制系统401、供粉模块402、粉料盒403、供粉泵404、喷头运动控制模块405、供粉管406、打印喷头407、压头运动控制模块408、压头409、供胶管410、供胶模块411、胶粘剂盒412、供胶泵413、堵盖414；复合材料结构损伤区域维修后处理子系统5、固化渗透剂注射系统501、维修后表面处理系统502；含损伤复合材料部件6、损伤区域7、机械手8、待修的复合材料结构9、修中的复合材料结构10、修后的复合材料结构11；
28.所述复合材料结构损伤识别及定位和评估子系统1，由声发射传感器101、低噪声信号线 102、前置信号放大器103、信号采集分析装置104、损伤识别和评估系统105和损伤定位系统106组成；声发射传感器101的具体型号根据使用环境而定，声发射传感器101采用圆柱形阵列布置，即在含损伤复合材料部件6的表面或近表面成上圆周阵列和下圆周阵列布置，从而形成一个圆柱形，相比于目前的方形和菱形布置形式，圆柱形布置的监测范围更大，更为立体，与圆柱坐标系配合使用，实现损伤的精确定位；声发射传感器101通过低噪声信号线102或无线通讯方式与前置信号放大器103连接，信号经过放大后传至信号采集分析装置104，信号采集分析装置104对信号进行滤波，对滤波后的波形信号进行分析得到不同传感器通道的波达时刻和振幅；损伤识别和评估系统105将振幅与预先设定的损伤阈值进
行比较，超过阈值即表示损伤已经产生，当振幅是阈值的1.5倍时，就需要对损伤区域进行维修了；损伤定位系统106根据不同传感器通道的波达时刻的差值、声发射传感器的空间坐标和声速来计算判断损伤的位置；
29.所述复合材料结构损伤区域扫描成像子系统2，由三维激光扫描仪201、计算机202和需修补区域的模型203组成，主要功能是对损伤区域进行扫描成像和建模；三维激光扫描仪201 收到损伤定位系统106传来的损伤位置信息后，对含损伤复合材料部件6上的损伤区域7进行激光扫描，在计算机202中创建损伤区域几何表面的点云，使用这些点云数据插值建成损伤区域的三维模型，与计算机中存储的复合材料结构完整模型做布尔运算，得到需修补区域的模型，将需修补区域的模型转化为3d打印可识别的stl格式文件，得到需修补区域的模型203(stl格式)；
30.所述复合材料结构损伤区域预处理子系统3，由损伤区域预处理控制系统301、表面毛化装置302和除尘装置303组成，主要功能是对需修补的损伤区域进行表面粗糙化处理和灰尘杂质清理；首先，损伤区域预处理控制系统301控制表面毛化装置302使用钢丝刷子对机械手8抓取的待修的复合材料结构9上的损伤区域进行刷擦，使损伤区域的复合材料表面粗糙化，有利于3d打印维修时的材料粉末和胶粘剂粘接结合；然后，损伤区域预处理控制系统 301控制除尘装置303对损伤区域吹压缩空气，压缩空气的气压在0.1-0.3mpa之间，清理损伤区域表面的灰尘和杂质；
31.所述复合材料结构损伤区域维修子系统4，由粉末粘接3d打印控制系统401、供粉模块 402、粉料盒403、供粉泵404、喷头运动控制模块405、供粉管406、打印喷头407、压头运动控制模块408、压头409、供胶管410、供胶模块411、胶粘剂盒412、供胶泵413和堵盖 414组成；粉末粘接3d打印控制系统401对需修补区域的模型203(stl格式)进行切片处理，根据各层切片的平面几何信息分别生成喷头运动控制模块405和压头运动控制模块408 的数控运动指令，喷头运动控制模块405控制打印喷头407的运动，压头运动控制模块408 控制压头409的运动；体积小于125cm3的模型的层厚取0.1mm，体积大于125cm3的模型的层厚取0.2mm；粉料盒403中存放有聚丙烯塑料粉末、聚醚醚酮塑料粉末、聚酰亚胺塑料粉末、聚苯硫醚塑料粉末、尼龙塑料粉末、环氧树脂粉末以及添加了纤维增强材料的复合材料粉末，每种粉末置于一个盒内，这些盒子呈圆周阵列排布，需要使用某一种塑料及复合材料时，粉料盒403旋转，将这种材料转到出料口，满足不同种类结构的用材需求，提高维修系统的适应性和通用性；胶粘剂盒412中存放有环氧胶粘剂、丙烯酸胶粘剂、聚氨酯胶粘剂胶粘剂，每种胶粘剂置于一个盒内，这些盒子呈圆周阵列排布，需要使用某一种胶粘剂时，胶粘剂盒412旋转，将这种胶粘剂转到出胶口，
32.满足不同材料结构的粘接需求，提高维修系统的适应性和通用性；粉末粘接3d打印控制系统401根据切片厚度及平面尺寸得到单层的铺粉量，控制供粉模块402从粉料盒403中提取所需种类的材料和粉末输出量，供粉泵404提供粉料盒403向供粉管406输送粉末的动力，粉末进入打印喷头407内部，粉末粘接3d打印控制系统401根据切片厚度及平面尺寸得到单层的胶粘剂使用量，控制供胶模块411从胶粘剂盒412中提取所需种类的胶粘剂和胶粘剂输出量，供胶泵413提供胶粘剂盒412向供胶管410输送胶粘剂的动力，胶粘剂进入打印喷头407的末端的粉-胶混合腔中，粉末与胶粘剂混合均匀后从打印喷头407的喷嘴挤出，在损伤区域扫描铺放，打印喷头407距离铺层的距离为1.5mm，避免粉末溅起而堵塞喷嘴，保
证铺层的精度；打印喷头407完成一层打印后，压头运动控制模块408控制压头409对3d 打印铺层进行压实处理，以减少空隙，提高3d结构的强度；重复上述的动作，根据切片的信息逐层堆积，直至在损伤区域完成需修补区域的模型的3d打印，整体结构固化后，完成损伤区域的修补工作；
33.所述打印喷头407，内部设置有两个通道，一个通道是供应粉末，另一个通道是供应胶粘剂，在喷头的喷嘴端部的圆形空腔中二者相遇混合，然后将粉末和胶粘剂的混合体挤出；喷嘴端部的圆形混料型腔的设计，有利于粉末与胶粘剂的充分混合；在喷头的末端，圆形混料型腔的非进料侧，设置有堵盖414，采用螺纹旋拧的设计，方便地拧紧和旋出，同时作为添加剂的预留添加口，当喷嘴堵塞时，将堵盖414拧下，便于使用金属丝工具疏通喷嘴，解决3d打印喷头喷嘴堵塞后难疏通的问题；
34.所述复合材料结构损伤区域维修后处理子系统5，由固化渗透剂注射系统501和维修后表面处理系统502组成；为了进一步提高3d打印区域的强度，使用固化渗透剂注射系统501 向3d打印成型的结构注入一定量的固化渗透剂，待模型固化完毕后，使用维修后表面处理系统502对维修后的区域的表面进行打磨、清理和补漆操作；
35.所述含损伤复合材料部件6，上面含有损伤区域7，当或复合材料部件尺寸较大时，使用机械手8将含有损伤区域7的零件拆卸下来进行维修；当或复合材料部件尺寸较小时，直接对含损伤复合材料部件6进行维修；
36.所述机械手8，由计算机202控制，主要作用是或复合材料结构在设备中的部件上的拆卸、安装以及损伤区域扫描、预处理、维修和维修后处理操作中的移动塑料及复合材料结构，机械手8端部的爪子内侧设置有橡胶材料制成的山丘状阵列凸起，提高抓取的摩擦力，避免复合材料结构脱落，因为复合材料结构的硬度远低于钢铁，这种设计能避免抓伤复合材料结构表面；
37.所述修后的复合材料结构11，为已经完成维修和安装完毕的复合材料结构件，其上的损伤区域7已经被维修好，维修后复合材料部件的使用功能与未损伤的复合材料部件相同，在拉压弯剪扭和疲劳的力学性能方面，不低于未损伤的合材料部件力学性能的85％。
38.本发明按照设想实施特例进行了说明，但不局限于上述实例，凡是符合本发明的思路，采用相似结构及材料替换的方法所获得的技术方案，都属于本发明的保护范围之内。