三維編織機虛擬樣機研究*

西安工程大學(xué)機電工程學(xué)院，陜西 西安 710048

編織是由三組或多組紗線沿著編織預(yù)成型件的軸線方向(平行于最終三維編織物的最長尺寸方向)對角交錯的過程，可獲得很厚、很寬、強度很高的編織預(yù)成型件。編織技術(shù)可以用來生產(chǎn)具有相同或不同橫截面的線形產(chǎn)品(如繩索)，如圖1(a)所示。彎曲、平面殼或三維結(jié)構(gòu)的編織預(yù)成型件(分別對應(yīng)一維、二維或三維編織物)，具有封閉或開放外形。

對角交錯編織意味著紗線和編織預(yù)成型件的軸線之間可以形成一個1°～89°的角α，如圖1(b)所示。但是，α的變化范圍通常為30°～80°。這個角被稱為編織角，是編織物最重要的編織參數(shù)[1]。

在傳統(tǒng)的編織機上，攜紗器沿一個環(huán)形軌道旋轉(zhuǎn)，其中一半攜紗器以順時針方向旋轉(zhuǎn)，另一半攜紗器以逆時針方向旋轉(zhuǎn)，類似于五月柱編織機的排列方式。因此，兩組紗線分別與機器的軸線方向形成一個斜角并相互交錯編織，形成二維編織物。傳統(tǒng)的編織技術(shù)一般用來生產(chǎn)軟管、繩索、電纜等類似的管狀產(chǎn)品。近年來，三維編織技術(shù)在纖維增強復(fù)合材料、醫(yī)療移植等領(lǐng)域都有很大的應(yīng)用前景，可以用來生產(chǎn)飛行器轉(zhuǎn)子葉片、人工氣管支架[圖1(c)]等先進復(fù)合材料的三維編織物。但是，三維編織技術(shù)仍然沒有像纖維纏繞和機織技術(shù)那樣廣泛地應(yīng)用于復(fù)合材料行業(yè)。本文主要介紹三維編織機在復(fù)合材料生產(chǎn)等方面的潛在應(yīng)用價值，詳細介紹編織成型技術(shù)和由同步齒形帶傳動的帶“8”字形軌道板的三維編織機。

圖1 編織預(yù)成型件

1 編織成型技術(shù)

1.1 編織角

編織成型技術(shù)可以用簡單的數(shù)學(xué)關(guān)系描述，每根紗線繞著三維編織機的芯軸做螺旋形運動，在編織過程中，編織角(α)是一個最重要的參數(shù)。

從圖2(a)可以看出，紗線的運動路徑和攜紗器的旋轉(zhuǎn)角速度ω及卷取速度ν有關(guān)。圖2(b)顯示了速度矢量關(guān)系。編織角(α)計算式：

圖2 編織角相關(guān)參數(shù)示意

其中：α為編織角(°)(紗線和垂直方向的夾角)；R為芯軸有效半徑(cm)；v為卷取速度(cm/s)；ω為紗線筒管的平均角速度(°/s)。

紗線筒管的平均角速度(ω)計算式：

其中：t為角導(dǎo)輪旋轉(zhuǎn)一周所用的時間(s)；θ為兩個相鄰的角導(dǎo)輪與機器中心形成的角度(°)[圖2(c)]。

其中：ωh為角導(dǎo)輪的自轉(zhuǎn)角速度(°/s)；Nh為角導(dǎo)輪個數(shù)。

由上面的計算式可以推導(dǎo)出：

根據(jù)角導(dǎo)輪的自轉(zhuǎn)角速度速度，可以得到編織角(α)：

1.2 覆蓋因子和紗線體積分數(shù)

1.2.1 覆蓋因子

覆蓋因子廣泛應(yīng)用于紡織工業(yè)，用來描述纖維的凝聚程度。覆蓋因子定義為覆蓋在三維編織機的芯軸表面的紗線面積占芯軸全部表面積的百分比。覆蓋因子是體現(xiàn)編織預(yù)成型件均勻性的重要指標。

編織物的結(jié)構(gòu)沿著圓周方向形成一系列的平行四邊形，其數(shù)量為Nc/2(Nc為攜紗器數(shù)量)。A—B—C—D代表一個編織單元，可以用來分析編織物的幾何結(jié)構(gòu)(圖3)。

圖3 編織單元示意

覆蓋因子的計算式：

其中：Wy為紗線寬度(cm)；R為芯軸有效半徑(cm)；α為編織角(°)。

1.2.2 紗線體積分數(shù)

以固結(jié)后的編織預(yù)成型件為例，忽略其內(nèi)部紗線空隙，紗線體積分數(shù)定義為紗線體積占固結(jié)后編織預(yù)成型件體積的百分比：

上式是假設(shè)紗線橫截面呈矩形推導(dǎo)出的，為了準確地描述實際上紗線橫截面呈菱形的幾何形狀，引入了修正系數(shù)Lf，C表示紗線交織所產(chǎn)生的卷曲度。

其中：Ff為紗線的孔隙比。

估算出Lf和Ff的值并不容易，因為它們在編織過程中受到大量參數(shù)的影響。因此，本文提出另一種紗線體積分數(shù)的計算方法，不需要引入修正系數(shù)：

其中：T為紗線線密度(tex)；ρ為編織預(yù)成型件密度(g/cm3)；tc為編織預(yù)成型件厚度(cm)。

C值可以用皮爾斯幾何邏輯學(xué)、正弦擬合算法或通過試驗估算出來。最終的編織預(yù)成型件厚度還取決于固化處理過程，而且固化處理過程會影響紗線體積分數(shù)。另外，紗線體積分數(shù)和彎曲扭轉(zhuǎn)特性也受編織角的影響，因此編織預(yù)成型件厚度會隨著編織角的變化而變化[2]。

2 三維編織機的開發(fā)

2.1 三維編織機的工藝過程

當(dāng)前三維編織機的開發(fā)方向主要是能編織出多種類型的編織預(yù)成型件和復(fù)雜的三維形狀等。資料表明，國外開發(fā)的專用三維編織機很昂貴，而且不通用，通常受到編織預(yù)成型件的截面輪廓的限制(除非采用復(fù)雜的控制系統(tǒng))。本文設(shè)計的三維編織機采用紗線在芯軸上編織的方式，編織紗和經(jīng)紗(穿過角導(dǎo)輪中心)穿過編織環(huán)，通過芯軸的軸向運動和攜紗器的旋轉(zhuǎn)運動，編織紗和經(jīng)紗交錯地編織在芯軸上，同時填充紗也編織在芯軸上，但不與編織紗和經(jīng)紗交織，最終形成三維編織物(圖4)。

圖4 芯軸上的3D編織原理

三維編織機可以通過改變編織紗、經(jīng)紗和填充紗的數(shù)量及類型，編織出各種不同的三維編織物。此外，因芯軸具有特殊的結(jié)構(gòu)和形狀，且可以設(shè)計成多種不同的結(jié)構(gòu)，所以三維編織機可以采用不同的芯軸進行編織，并通過縫紉機縫合，快速制成等厚度或變厚度的不同外形和截面的編織預(yù)成型件(圖5)。

圖5 先編織再縫合的不同外形和截面的編織預(yù)成型件

2.2 三維編織機的工作原理

如圖6所示，在三維編織機上，紗線運動路徑由軌道決定，但攜紗器是由角導(dǎo)輪(也稱角齒輪)驅(qū)動前進的。角導(dǎo)輪安裝在齒輪傳動軸上，和對應(yīng)的齒輪連接。電機的運動通過齒輪傳遞到角導(dǎo)輪和相鄰的齒輪上。每個角導(dǎo)輪的圓盤上有幾個缺口，和攜紗器的腳底部分相匹配，因此角導(dǎo)輪驅(qū)動攜紗器沿著軌道移動。同時，攜紗器釋放紗線時應(yīng)盡可能使紗線張力保持恒定。開始編織時，所有紗線都穿過編織環(huán)并集中交織在編織點上。一旦攜紗器開始運動，通過編織環(huán)的紗線便開始相互交織，在編織點處形成編織物，再經(jīng)卷取系統(tǒng)輸出，即完成整個編織過程。若在編織過程中有紗線斷裂，攜紗器必須識別并停止運行。此外，攜紗器和編織點之間的距離不是恒定的，它會隨著所需的紗線長度的變化而變化[3]。

圖6 三維編織機的工作原理示意

2.3 三維編織機的構(gòu)成和編織過程

本文設(shè)計的三維編織機虛擬樣機模型包含一個載體集成模塊化的編織系統(tǒng)和一塊編織基板。這種三維編織機在簡易性、靈活度和耐久性等性能方面得到了很大的改善。該載體集成模塊化的編織系統(tǒng)提高了運行速度，縮短了編織機的運行時間。

本文利用UG三維建模軟件設(shè)計的三維編織機虛擬樣機模型如圖7所示，主要由機械臂(1)、三角形底座(2)、蓋板(3)、六邊形基板(4)、四缺口角導(dǎo)輪(5)、攜紗器(6)、紗嘴(7)、芯軸(8)、軌道基板及傳動裝置(圖7中未畫出)等部分組成。其中經(jīng)紗(9)從送紗架上釋放，穿過蓋板和四缺口角導(dǎo)輪的中孔，與攜紗器上釋放的編織紗交錯編織在芯軸上。

1—機械臂；2—三角形底座；3—蓋板；4—六邊形基板；5—四缺口角導(dǎo)輪；6—攜紗器；7—紗嘴；8—芯軸；9—經(jīng)紗圖7 三維編織機裝配示意

圖7中沒有畫出經(jīng)紗和填充紗的送紗架結(jié)構(gòu)。如圖7所示，本文設(shè)計的三維編織機虛擬樣機模型有36個攜紗器，載體集成模塊化的編織系統(tǒng)安裝在一塊垂直的六邊形基板上，這便于在芯軸上編織。四缺口角導(dǎo)輪通過布置在六邊形基板上的三個不同位置的三臺伺服電動機傳動(圖7中未畫出)。伺服電動機通過三維編織機的傳動裝置，將動力傳遞到四缺口角導(dǎo)輪。攜紗器由四缺口角導(dǎo)輪驅(qū)動，圍繞著芯軸做圓周運動。四缺口角導(dǎo)輪的圓盤上有四個半圓形缺口，均勻分布在圓周上。四缺口角導(dǎo)輪通過這些半圓形槽口來撥動攜紗器上的載體軸將動力從一個轉(zhuǎn)子傳遞到相鄰的轉(zhuǎn)子，帶動攜紗器運動。此外，四缺口角導(dǎo)輪以圓周的形式排列，且相鄰的轉(zhuǎn)子以相反的方向圍繞著自身的軸線旋轉(zhuǎn)。也就是說，一對攜紗器A和B被相反方向的力驅(qū)動，其中攜紗器A以逆時針方向沿著一個轉(zhuǎn)子的一邊的半圓形虛線軌跡移動，而攜紗器B以順時針方向沿著同一個轉(zhuǎn)子的另一邊的半圓形實線軌跡移動，如圖8所示。通過四缺口角導(dǎo)輪的圓盤上的半圓形缺口和攜紗器上的腳爪，攜紗器從一個轉(zhuǎn)子上釋放，進入下一個相鄰的轉(zhuǎn)子。因此，攜紗器通過連續(xù)旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子，沿著連續(xù)交替的半圓形軌跡移動。

圖8 攜紗器運動軌跡示意

本文利用UG三維建模軟件設(shè)計的軌道是由一系列獨立的模塊化軌道基板組成的“8”字形軌道(圖9)，而不是圍繞六邊形基板的一個大軌道。每塊模塊化軌道基板安裝在對應(yīng)的一個基板孔上。攜紗器在“8”字形軌道上運動。攜紗器上的筒管通過紗線張力調(diào)節(jié)裝置釋放編織紗，同時經(jīng)紗從紗架上釋放，穿過蓋板和角導(dǎo)輪的中心，兩組紗線交織編織在芯軸上。此時，填充紗也從外部紗架上獲得并編織在芯軸8上，形成三維編織物。機械臂和芯軸相連接，控制芯軸做不同方向的移動，實現(xiàn)預(yù)成型件的卷取，即完成整個編織工作。通過計算機系統(tǒng)的集成控制(圖7中未畫出)，可以編織不同紗線覆蓋因子和纖維體積分數(shù)的編織物[4]。

圖9 “8”字形軌道示意

2.4 三維編織機的傳動裝置

圖10 同步齒形帶傳動示意

本文利用UG三維建模軟件設(shè)計的三維編織機虛擬樣機模型采用同步齒形帶傳動(圖10)。電動機安裝在六邊形基板下，鄰近帶輪的邊緣。傳送帶由大量的齒形成，交叉繞在帶輪上，相鄰帶輪運動方向相反。雙面齒帶的齒形大小和帶輪的齒形大小吻合，確保電動機傳遞的運動同步。同步齒形帶傳動使得帶輪的轉(zhuǎn)動方向和電動機的驅(qū)動方向相反。電動機的動力，通過幾級的齒輪減速、鏈傳動、軸承連接和同步齒形帶傳動，最終實現(xiàn)角導(dǎo)輪的旋轉(zhuǎn)運動。與相互連接的齒輪傳動比較，同步齒形帶傳動減少了摩擦，降低了阻力和噪聲。這大大提高了編織機的編織速度，減少了噪聲和振動，且電動機的使用數(shù)量可以隨著攜紗器數(shù)量的不同而改變。

如圖11所示，本文利用UG三維建模軟件設(shè)計的三維編織機虛擬樣機模型的傳動裝置，主要由帶輪(1)、輪軸(2)、球軸承(3)、軸承體鎖緊環(huán)(4)、軸承座(6)及四缺口角導(dǎo)輪(8)構(gòu)成。輪軸和帶輪相連接。輪軸內(nèi)部有花鍵，與四缺口角導(dǎo)輪的端部采用花鍵聯(lián)接，以便向四缺口角導(dǎo)輪傳遞旋轉(zhuǎn)扭矩。因此，四缺口角導(dǎo)輪通過六邊形基板(5)上的孔和帶輪安裝在一起。六邊形基板孔決定了軸承座的安裝位置，軸承座通過軸承體鎖緊環(huán)固定。軸承座能在六邊形基板的兩邊固定球軸承(或圓錐滾子軸承)。帶輪能向四缺口角導(dǎo)輪同步地提供適當(dāng)?shù)倪\動。四缺口角導(dǎo)輪通常安裝在模塊化的軌道基板(7)之上。一個四缺口角導(dǎo)輪支撐相應(yīng)的兩個攜紗器。這種傳動裝置屬于非密封性。

1—帶輪；2—輪軸；3—球軸承；4—軸承體鎖緊環(huán)；5—六邊形基板；6—軸承座；7—軌道基板；8—四缺口角導(dǎo)輪圖11 傳動裝置示意

2.5 三維編織機的攜紗器

如圖12所示，本文設(shè)計的攜紗器由載體和腳爪兩個部分組成。載體是一個組件，包括一個中心柱、一個安裝基座和一塊腳底板。其中，中心柱包括筒管安裝部分和長柄凸緣部分，而且長柄凸緣的直徑大于筒管安裝部分的直徑。紗錠的底部放置在安裝基座的凸起表面，錠桿套在筒管安裝部分。攜紗器能繞著載體軸線自由旋轉(zhuǎn)，并且能被軸向固定且通過中心柱頂端的頂部墊圈和螺栓連接。也就是說，中心柱能從腳底板的底面延伸通過安裝基座。其中，腳底板和安裝基座被分隔開，通過中心柱和腳底板、安裝基座之間的過盈配合，都對中心柱提供支撐。攜紗器的載體可以是機械零部件，而不是鍛造部件，因此制造成本減少，耐久性和可靠性增加。

圖12 攜紗器示意

通過載體的使用，整個攜紗器幾乎支撐在四缺口角導(dǎo)輪上。每個載體有兩個輪緣表面(即腳底板的上表面和安裝基座的下表面)，它們之間由長柄連接。其中，一個輪緣表面和四缺口角導(dǎo)輪的頂面接觸，另一個輪緣表面和四缺口角導(dǎo)輪的底面接觸。因此，載體的輪緣表面囊括了部分四缺口角導(dǎo)輪，且對整個攜紗器提供支撐。四缺口角導(dǎo)輪對攜紗器施加全部的傾覆力矩，因此四缺口角導(dǎo)輪轉(zhuǎn)動，即推動攜紗器繞四缺口角導(dǎo)輪軸線做圓周運動。當(dāng)四缺口角導(dǎo)輪轉(zhuǎn)動到某一位置時，相鄰兩個四缺口角導(dǎo)輪的半圓形缺口組成一個圓形。通過四缺口角導(dǎo)輪的缺口和“8”字形軌道的引導(dǎo)，攜紗器從一個轉(zhuǎn)子定向滑到另一個轉(zhuǎn)子(圖13)。

(a) 攜紗器在左邊轉(zhuǎn)子

(b) 攜紗器開始進入兩個轉(zhuǎn)子缺口相交處

(c) 攜紗器進入兩個轉(zhuǎn)子缺口相交處

(d) 攜紗器開始滑向右邊轉(zhuǎn)子

(e) 攜紗器徹底離開左邊轉(zhuǎn)子進入右邊轉(zhuǎn)子

2.6 三維編織機的應(yīng)用

拉擠工藝是一種生產(chǎn)線型纖維增強復(fù)合材料的技術(shù)，它是在牽引裝置的帶動下，將無捻增強纖維(即粗紗)和其他連續(xù)增強材料進行膠液浸漬、預(yù)成型，然后通過加熱的模具固化成型，實現(xiàn)纖維增強復(fù)合材料構(gòu)件的連續(xù)化生產(chǎn)。材料成型與結(jié)構(gòu)成型是一次完成的(即材料的制備和制品的成型是同時完成的)，材料的制備過程也就是整體制品的生產(chǎn)過程。本文設(shè)計的三維編織機的編織過程，可以結(jié)合拉擠工藝，制備成纖維增強復(fù)合材料預(yù)成型件，如碳纖維綜框[圖14(a)]。三維編織機編織的任何復(fù)雜截面的直線型橫截面復(fù)合材料型材和各種類型的擠壓結(jié)構(gòu)零件，都可以用拉擠工藝成型。

(a) 碳纖維綜框示意

(b) 箱梁結(jié)構(gòu)

樹脂傳遞模塑成型(RTM)工藝是一種先進的復(fù)合材料成型技術(shù)。它是將增強體(即纖維)按一定的排列方式，有規(guī)律地填滿抗壓抗破損的密封模腔中，然后用壓力驅(qū)動樹脂溶液注入密封模腔，使樹脂溶液全面滲透纖維，待纖維被樹脂溶液完全浸透后，在室溫環(huán)境中固化成型。RTM工藝操作簡單，產(chǎn)品的孔隙率低，重現(xiàn)性較好，且整個工藝系統(tǒng)均處于密閉環(huán)境中，減少了操作者與有害物質(zhì)接觸的機會，改善了勞動條件。本文設(shè)計的三維編織機和RTM工藝相結(jié)合，可制備纖維增強復(fù)合材料預(yù)成型件，如箱梁結(jié)構(gòu)[圖14(b)][6]。

3 三維編織技術(shù)及編織物的優(yōu)點和不足

3.1 優(yōu)點

(1) 本文設(shè)計的三維編織機編織的纖維增強復(fù)合材料預(yù)成型件具有良好的韌性和抗疲勞強度。在纖維纏繞復(fù)合材料中，裂紋很容易沿著纖維方向傳播；而在編織結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料中，每一個編織點如同一個止裂器，防止裂紋傳播。

(2) 編織角的范圍很大，可以在10°～85°范圍內(nèi)變化。在三維編織機的編織過程中添加軸向紗線，可使得編織預(yù)成型件更加穩(wěn)固且具有各向同性的特性。

(3) 三維編織機能生產(chǎn)帶有連續(xù)性鑲邊的無縫管或平面織物。由于纖維的連續(xù)性，編織的預(yù)成型件具有良好的抗裂性。

(4) 編織結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料中，孔的強度是鉆孔的1.8倍，因為鉆孔不能保持纖維的連續(xù)性。

(5) 運用編織技術(shù)很容易生產(chǎn)帶有分支結(jié)構(gòu)的織物，并且保證了纖維的連續(xù)性。

(6) 三維編織機可以生產(chǎn)橫向?qū)挾认鄬φ木幙椢?。目前，使用大量的攜紗器和粗糙的短亞麻纖維，能夠生產(chǎn)幾厘米寬的三維編織物。Mills[7]的研究表明纖維的損耗水平和編織物的橫向?qū)挾瘸烧?，因此，窄的三維編織物將受到廣泛關(guān)注。

(7) 編織技術(shù)可以和擠壓成型工藝相結(jié)合，生產(chǎn)出各種類型的擠壓結(jié)構(gòu)零件。

3.2 不足

(1) 計算機的集成控制比較復(fù)雜，還不夠成熟，無法實現(xiàn)全自動生產(chǎn)。

(2) 編織技術(shù)還沒有廣泛地應(yīng)用于復(fù)合材料領(lǐng)域，目前的應(yīng)用范圍還比較狹窄。

4 結(jié)論及建議

一般來說，常見的三維編織機的編織速度較慢，并且比較昂貴，通常用來編織一些專用零件，比如飛行器上的零件。本文設(shè)計的三維編織機的成本相對較低，編織速度快，耐久性和可靠性也有提高。今后的研究重點是結(jié)合虛擬樣機的方法，細化現(xiàn)有的三維編織機的結(jié)構(gòu)，并完成傳動部分的三維設(shè)計，創(chuàng)建一個完整的三維編織機的虛擬樣機模型，仿真攜紗器的運動軌跡，對整機不斷地進行改進、優(yōu)化和創(chuàng)新設(shè)計。

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