[发明专利]一种热固性复合材料结构的损伤监测及在线维修系统

权利要求书

1.一种热固性复合材料结构的损伤监测及在线维修系统，其特征在于，包括热固复材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；热固复材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；热固复材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、清理装置；热固复材结构损伤区域维修子系统、光固化3D打印控制系统、激光器、激光扫描系统、激光束、升降器、升降台、成型中零件、液态光敏树脂、容器、已成型零件、供胶管、胶粘剂盒；热固复材结构损伤区域维修后处理子系统、维修后表面处理系统、粘接线；含损伤热固复材部件、损伤区域、机械手、待修的热固复材结构、修后的热固复材结构、维修完成的热固复材结构；

所述热固复材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，即在含损伤热固复材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阵列，相比于目前的方形或菱形布置形式，圆柱形布置的监测范围更大，更为立体，而且可以与圆柱坐标系配合使用，利于损伤的准确定位；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；

所述热固复材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；三维激光扫描仪得到损伤定位系统传来的损伤位置信息后，对含损伤热固复材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，与计算机中存储的热固性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光固化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)；

所述热固复材结构损伤区域预处理子系统，由损伤区域预处理控制系统、表面毛化装置和清理装置组成，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、砂纸等对机械手抓取的待修的热固复材结构上的损伤区域进行刷擦、打磨等操作，使损伤区域的待粘接复合材料表面粗糙化，有利于3D打印制造的补片与损伤区域的粘接结合更加牢固，提高粘接强度；然后，损伤区域预处理控制系统控制清理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；

所述热固复材结构损伤区域维修子系统，由光固化3D打印控制系统、激光器、激光扫描系统、激光束、升降器、升降台、成型中零件、液态光敏树脂、容器、已成型零件、供胶管和胶粘剂盒组成；光固化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生成激光扫描系统和升降器的运动指令；容器中盛放液态光敏树脂，激光器发出的355nm波长的激光经过激光扫描系统的偏转和动态聚焦成激光束，激光束在光固化3D打印控制系统的控制下根据切片的截面信息在光敏树脂表面进行逐点扫描，使被扫描区域的树脂产生光聚合反应而固化成树脂薄层，树脂薄层置于升降台的工作台上，一层固化完毕后，升降器控制工作台下移一个层厚的距离，以使在已经固化好的树脂表面成型一层新的树脂，新固化的一层可以牢固地粘接在前一层树脂层上，树脂薄片叠加堆积形成成型中零件，如此重复直至3D打印完毕，得到已成型零件；胶粘剂盒中存放有环氧胶粘剂、酚醛胶粘剂、甲基丙烯酸胶粘剂、聚氨酯胶粘剂等胶粘剂，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，为供胶管送胶，这种设计可以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；光固化3D打印控制系统控制供胶管将胶粘剂涂抹在复合材料损伤区域，机械手将已成型零件放到待修复的损伤区域中，实现与热固性复合材料结构的粘接，胶粘剂固化完毕，即完成损伤区域的修补工作。