三維異型整體編織底盤裝置的設(shè)計(jì)

張志毅， 賀辛亥， 張 婷， 楊宏蕾， 程稼稷

(西安工程大學(xué) 材料工程學(xué)院， 陜西 西安 710048)

三維異型整體編織技術(shù)是20世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的一種新型紡織技術(shù)，通過將高性能纖維空間分布且相互交織形成網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)預(yù)制件，將此預(yù)制件作為增強(qiáng)體形成的高級(jí)復(fù)合材料具備強(qiáng)度高、整體性能好和結(jié)構(gòu)易設(shè)計(jì)等優(yōu)點(diǎn)[1-4]。該技術(shù)可一次凈尺寸整體成型各種異型結(jié)構(gòu)件，避免了后續(xù)因機(jī)械加工而損傷材料特性，有效地保障了構(gòu)件力學(xué)性能的穩(wěn)定性與可靠性，因而得到宇航、武器裝備等諸多領(lǐng)域的高度重視[5-7]。

在工程實(shí)際應(yīng)用中，三維編織復(fù)合材料構(gòu)件多數(shù)為異型橫截面，如工字型、L型、T型等[8-10]。采用異型編織工藝技術(shù)進(jìn)行編織時(shí)，編織初始陣列由預(yù)制件截面形狀相同的異型面主體陣和四周邊界組成，這樣得到的理論編織陣列的四周邊界并不完全相等，實(shí)際編織時(shí)的可行性較差。采用異型編織設(shè)備進(jìn)行編織時(shí)，由于底盤結(jié)構(gòu)布局與驅(qū)動(dòng)裝置限制，使得所織造預(yù)制件的結(jié)構(gòu)形式及編織品種適應(yīng)性差。為提高三維異型整體編織的自動(dòng)化程度及編織效率，解決預(yù)制件產(chǎn)品結(jié)構(gòu)及品種單一、均勻性和可重復(fù)性差等問題，其整體成型編織工藝和設(shè)備受到了高度重視。本文在分析三維異型編織工藝及設(shè)備的基礎(chǔ)上提出一種編織底盤裝置，可對(duì)其控制系統(tǒng)通過軟件編程與編織參數(shù)修改，自動(dòng)化控制整行(列)攜紗器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)實(shí)現(xiàn)多種異型預(yù)制件的柔性化制造。

1 三維異型整體編織技術(shù)

1.1 異型整體編織工藝

三維異型整體編織技術(shù)是運(yùn)用編織工藝和設(shè)備的技術(shù)特點(diǎn)，通過改變底盤上攜紗器的陣列形狀及運(yùn)動(dòng)形式，實(shí)現(xiàn)一次整體編織成型各種異型預(yù)制件的過程[11-13]。根據(jù)底盤攜紗器的初始排列形狀與編織模式，異型預(yù)制件的編織工藝可分為通用法和混合法[14-15]，如圖1所示。

圖1 三維工字型立體織物整體編織工藝原理圖Fig.1 Principle diagram of general braiding method (a) and mixed style braiding method (b) of 3-D 工-shaped overall braiding technology

由圖1(a)通用法編織工字型立體織物原理可知，攜紗器初始陣列按1×1的運(yùn)動(dòng)式樣排列，將工字型橫截面分為兩端矩形和中間矩形2組，分別先后經(jīng)過4步編織共8步循環(huán)，攜紗器縱橫步進(jìn)時(shí)只移動(dòng)一個(gè)位置數(shù)，編織方案設(shè)計(jì)比較簡(jiǎn)單，但編織速度較慢。由圖1(b)混合法編織工字型立體織物原理可知，攜紗器初始陣列按1×3和3×1混合運(yùn)動(dòng)式樣排列，攜紗器縱橫步進(jìn)時(shí)移動(dòng)1個(gè)與3個(gè)2種位置數(shù)，一個(gè)循環(huán)為4步，編織速度較快，然而編織方案較難設(shè)計(jì)。2種編織工藝中攜紗器運(yùn)動(dòng)式樣與步進(jìn)循環(huán)數(shù)不同，最終得到的立體織物的結(jié)構(gòu)性能也不同。

1.2 異型整體編織設(shè)備

天津工業(yè)大學(xué)復(fù)合材料研究所[16-17]獨(dú)立設(shè)計(jì)出一種由計(jì)算機(jī)控制的可掛40 000根紗線的三維整體編織機(jī)。該編織機(jī)底盤采用行列式結(jié)構(gòu)，為實(shí)現(xiàn)整行(列)攜紗器的獨(dú)立運(yùn)動(dòng)，在底盤的四周分別安裝一臺(tái)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，電動(dòng)機(jī)通過絲杠拖動(dòng)氣閥左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)到指定位置進(jìn)行打閥動(dòng)作，氣閥連桿推動(dòng)攜紗器上下或左右運(yùn)動(dòng)，可自動(dòng)化編織矩形及矩形組合異型截面預(yù)制件，為先進(jìn)智能復(fù)合材料的研發(fā)與應(yīng)用提供了依據(jù)，但該底盤行(列)攜紗器縱橫步進(jìn)時(shí)的不同步運(yùn)動(dòng)使得循環(huán)周期延長(zhǎng)，降低了編織效率，且沒有解決靠編織工藝實(shí)現(xiàn)異型預(yù)制件編織中存在的攜紗器運(yùn)動(dòng)式樣等問題，所得預(yù)制件結(jié)構(gòu)形式單一，底盤與最終成型立體編織物的尺寸相差較大，編織機(jī)的制造難度和開發(fā)成本也增加。針對(duì)上述問題，本文研究設(shè)計(jì)出一種能夠改變底盤初始布局與攜紗器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，可實(shí)現(xiàn)異型件多模式多試樣織造的異型整體編織底盤裝置。

2 三維異型整體編織底盤裝置

2.1 異型編織底盤的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

三維異型編織底盤的整體結(jié)構(gòu)如圖2所示。主要包括編織軌道1、驅(qū)動(dòng)裝置2和機(jī)架3。編織軌道1實(shí)現(xiàn)攜紗器在平面內(nèi)的導(dǎo)向移動(dòng)，可以是固定式或移動(dòng)式軌道，固定式軌道僅起控制攜紗器運(yùn)動(dòng)方向的作用，攜紗器步進(jìn)的動(dòng)力來(lái)自于縱橫2個(gè)方位4個(gè)方向的推動(dòng)力，方便引入軸向纖維束[18]，故本文研究編織軌道選用固定式。編織軌道1中的固定導(dǎo)塊以縱橫等距方式排列在底板上，它們的間隔組成了攜紗器的步進(jìn)軌道。攜紗器可根據(jù)異型件編織模式及式樣靈活布局在軌道交叉處，當(dāng)步進(jìn)運(yùn)動(dòng)時(shí)為防止其間隔距離發(fā)生變化，在相鄰攜紗器錠座之間放置一補(bǔ)償塊控制攜紗器錠座縱橫等距排列，以保證編織的順利實(shí)施。

1—編織軌道；2—驅(qū)動(dòng)裝置；3—機(jī)架。圖2 三維異型編織底盤整體結(jié)構(gòu)圖Fig.2 Whole structure diagram of 3-D complex shaped braiding chassis

驅(qū)動(dòng)裝置2通過機(jī)架3與編織軌道1連接，為提高編織效率使其分布于底盤東、西、南、北4個(gè)方位，各機(jī)械裝置是基于DMC5 400A型四軸軌跡卡，其能夠精確控制步進(jìn)電動(dòng)機(jī)實(shí)現(xiàn)往復(fù)直線運(yùn)動(dòng)的特性并配合STM32F103型微控制器控制定位機(jī)構(gòu)動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制任意整行(列)攜紗器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)而設(shè)計(jì)。其中，STM32F103型微控制器可實(shí)時(shí)接收主機(jī)發(fā)出的指令信號(hào)，然后有序控制相關(guān)定位機(jī)構(gòu)動(dòng)作，輔助完成整行(列)攜紗器的運(yùn)動(dòng)或靜止?fàn)顟B(tài)。四軸軌跡卡與微控制器的配合使用有效縮短了控制系統(tǒng)的開發(fā)周期。底盤運(yùn)動(dòng)狀態(tài)通過IO擴(kuò)展卡控制位置傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)，消除了異型編織過程中通過目測(cè)方式獲取底盤信息，為底盤異常的及時(shí)排除提供了保障，使三維異型整體編織機(jī)實(shí)現(xiàn)完全自動(dòng)化編織成為可能。

2.2 底盤驅(qū)動(dòng)裝置的設(shè)計(jì)

驅(qū)動(dòng)裝置的結(jié)構(gòu)如圖3所示。可知：底盤4個(gè)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)由四軸軌跡卡控制，為縮小編織機(jī)整體結(jié)構(gòu)尺寸，該電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置安裝在底盤四周之下；步進(jìn)電動(dòng)機(jī)11通過聯(lián)軸器8帶動(dòng)滾珠絲杠1，由絲杠螺母的嚙合傳動(dòng)來(lái)推動(dòng)驅(qū)動(dòng)橫梁3隨滑塊沿導(dǎo)軌移動(dòng)；驅(qū)動(dòng)橫梁上設(shè)置有多組凹形通槽，與推板2間隙配合，以保證運(yùn)動(dòng)推板在垂直于步進(jìn)方向上精確定位，每組推板上配有可供控制整行(列)攜紗器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的定位機(jī)構(gòu)；定位機(jī)構(gòu)由一對(duì)直流電磁鐵12與復(fù)位彈簧9配合使用，當(dāng)需要某些整行(列)攜紗器運(yùn)動(dòng)時(shí)，相應(yīng)定位機(jī)構(gòu)中的電磁鐵12帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)銷4沿定位孔14下降到驅(qū)動(dòng)槽13中，使該推板與驅(qū)動(dòng)橫梁建立機(jī)械連接，驅(qū)動(dòng)橫梁帶動(dòng)推板隨彈簧沿凹形滑槽同步步進(jìn)推動(dòng)整行(列)攜紗器縱橫交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)；當(dāng)需要某些整行(列)攜紗器靜止時(shí)，相應(yīng)定位機(jī)構(gòu)的電磁鐵12帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)銷4沿驅(qū)動(dòng)槽13上升到定位孔14中，使橫梁與推板脫離機(jī)械連接，驅(qū)動(dòng)橫梁步進(jìn)時(shí)由于復(fù)位彈簧的拉力作用使其始終限位于固定橫梁6的凸形槽中處于靜止?fàn)顟B(tài)，并不影響驅(qū)動(dòng)橫梁帶動(dòng)其他推板的移動(dòng)。每組定位機(jī)構(gòu)上的復(fù)位彈簧9一端固定在機(jī)架上的角鋁10上，一端固定在推板上的D型拉環(huán)5上，處于拉伸狀態(tài)，防止在驅(qū)動(dòng)橫梁運(yùn)動(dòng)時(shí)靜止推板由于摩擦力作用沿步進(jìn)方向滑動(dòng)產(chǎn)生錯(cuò)位現(xiàn)象，導(dǎo)致后續(xù)編織時(shí)驅(qū)動(dòng)銷不能順利進(jìn)入驅(qū)動(dòng)槽而影響該推板的運(yùn)動(dòng)；固定橫梁6通過角件7固定于機(jī)架上，開有多組凸形通槽，凸槽大尺寸端與推板間隙配合，小尺寸端在彈簧拉力作用下使推板處于極限位置，防止驅(qū)動(dòng)槽與驅(qū)動(dòng)銷發(fā)生錯(cuò)位，保證編織過程中定位機(jī)構(gòu)動(dòng)作的順利實(shí)施。

1—滾珠絲杠；2—推板；3—驅(qū)動(dòng)橫梁；4—驅(qū)動(dòng)銷；5—D型拉環(huán)；6—固定橫梁；7—角件；8—聯(lián)軸器；9—復(fù)位彈簧；10—角鋁；11—步進(jìn)電動(dòng)機(jī)；12—直流電磁鐵；13—驅(qū)動(dòng)槽；14—定 位孔。圖3 底盤驅(qū)動(dòng)裝置結(jié)構(gòu)圖Fig.3 Structure diagram of main (a) and partial (b) view of chassis driving device

2.3 定位機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

定位機(jī)構(gòu)是整個(gè)底盤裝置的主要構(gòu)件，其結(jié)構(gòu)如圖4所示。

1—推板；2—驅(qū)動(dòng)橫梁；3—驅(qū)動(dòng)銷；4—定位孔；5—驅(qū)動(dòng)槽； 驅(qū)動(dòng)槽尺寸：S1—1/4步長(zhǎng)；S2—1/8步長(zhǎng)；A—初始位置；B—推程與回程位置。圖4 定位機(jī)構(gòu)原理圖Fig.4 Principle diagram of positioning mechanism. (a) Main view of positioning mechanism; (b) Vertical view of positioning mechanism

定位機(jī)構(gòu)的功能是使驅(qū)動(dòng)銷3沿定位孔4進(jìn)入或脫離驅(qū)動(dòng)槽5，為推板1提供驅(qū)動(dòng)力。為保證驅(qū)動(dòng)銷順利進(jìn)入或脫離驅(qū)動(dòng)槽而又不致其卡死，驅(qū)動(dòng)槽5設(shè)計(jì)成兩端為半圓形且中心距離為1/4個(gè)步長(zhǎng)的長(zhǎng)槽，與驅(qū)動(dòng)銷間隙配合于初始位置A，驅(qū)動(dòng)銷距離槽的兩端各為1/8個(gè)步長(zhǎng)。推程運(yùn)動(dòng)時(shí)驅(qū)動(dòng)橫梁2步進(jìn)1/8個(gè)步長(zhǎng)使驅(qū)動(dòng)槽與驅(qū)動(dòng)銷配合于推程位置B，為其推板1提供驅(qū)動(dòng)力，回程運(yùn)動(dòng)時(shí)由于復(fù)位彈簧的作用使驅(qū)動(dòng)銷始終與驅(qū)動(dòng)槽配合于回程位置B并且成預(yù)緊狀態(tài)，為保證后續(xù)編織時(shí)電磁鐵驅(qū)動(dòng)力足以帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)銷脫離驅(qū)動(dòng)槽，因此，當(dāng)推板到達(dá)極限位置時(shí)驅(qū)動(dòng)橫梁繼續(xù)運(yùn)動(dòng) 1/8 個(gè)步長(zhǎng)回到到初始置A，所以驅(qū)動(dòng)橫梁在推程與回程運(yùn)動(dòng)相同距離。編織過程中為實(shí)時(shí)檢測(cè)底盤的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)以防止驅(qū)動(dòng)銷卡死使編織發(fā)生異常，由于定位結(jié)構(gòu)限制直接對(duì)其檢測(cè)比較困難，通過給推板前后端裝有位置傳感器間接檢測(cè)推板的位置，實(shí)現(xiàn)對(duì)定位機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)銷到位狀態(tài)的實(shí)時(shí)檢測(cè)，提高了系統(tǒng)的可靠性。

2.4 異型編織底盤的工作過程

本文結(jié)合圖3來(lái)說(shuō)明異型編織底盤的工作過程。攜紗器橫向步進(jìn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，底盤每行兩端定位機(jī)構(gòu)的電磁鐵同時(shí)接受到主機(jī)發(fā)出的指令信號(hào)，帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)銷沿定位孔脫離或進(jìn)入驅(qū)動(dòng)槽中，驅(qū)動(dòng)銷到位后，東、西電動(dòng)機(jī)同時(shí)接收到主機(jī)發(fā)出的驅(qū)動(dòng)信號(hào)，通過絲杠螺母嚙合傳動(dòng)推動(dòng)驅(qū)動(dòng)橫梁運(yùn)動(dòng)1/8個(gè)步長(zhǎng)為推板提供動(dòng)力，并隨滑塊沿導(dǎo)軌同步移動(dòng)，推板的步進(jìn)使攜紗器同時(shí)向右和向左運(yùn)動(dòng)所需位置數(shù)，回程時(shí)東、西電動(dòng)機(jī)沿相反方向運(yùn)動(dòng)相同距離到達(dá)初始位置。攜紗器縱向步進(jìn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，底盤每列兩端定位機(jī)構(gòu)的工作過程與橫向運(yùn)動(dòng)相似，此時(shí)南、北電動(dòng)機(jī)工作，推動(dòng)攜紗器同時(shí)向上和向下運(yùn)動(dòng)所需位置數(shù)，回程時(shí)同理。每個(gè)循環(huán)周期內(nèi)縱橫交錯(cuò)運(yùn)動(dòng)，且橫向步進(jìn)回程(推程)與縱向步進(jìn)推程(回程)同時(shí)進(jìn)行互不影響，極大地提高了編織底盤的運(yùn)行速度。由于各種異型預(yù)制件采用不同方法進(jìn)行編織時(shí)底盤運(yùn)動(dòng)規(guī)律截然不同，主要在于行(列)兩端定位機(jī)構(gòu)動(dòng)作狀態(tài)及電動(dòng)機(jī)步進(jìn)距離的變化，即四軸軌跡卡與微控制器接受的上位機(jī)指令不同。為實(shí)現(xiàn)各種異型預(yù)制件的自動(dòng)柔性化編織，將每行(列)兩端對(duì)應(yīng)定位機(jī)構(gòu)與東、西、南、北電動(dòng)機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律轉(zhuǎn)換為計(jì)算機(jī)可識(shí)別的符號(hào)，按照一定順序進(jìn)行排列并以文件形式存儲(chǔ)在計(jì)算機(jī)中，編織之前只需調(diào)用即可，提高了系統(tǒng)的可擴(kuò)展性。

2.5 異型編織底盤的應(yīng)用案例

由于該異型編織底盤裝置是基于縱橫步進(jìn)編織底盤設(shè)計(jì)的，因此，適應(yīng)于采用通用法和混合法編織異型立體織物。該底盤可根據(jù)異型預(yù)制件的編織模式與試樣需求改變攜紗器布局，并可單獨(dú)控制任意行(列)攜紗器的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，只需按編織規(guī)律給相應(yīng)定位機(jī)構(gòu)與電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置發(fā)出指令信號(hào)，即可實(shí)現(xiàn)異型立體織物的整體編織。下面以實(shí)施橫截面為工字型的立體織物的異型編織為例。

圖5示出編織8×6模式工字型織物時(shí)攜紗器在該底盤的排列狀態(tài)。采用八步法1×1試樣編織(見圖5(a))時(shí)，兩端矩形截面單元編織過程中：第1步控制第2、3、8、9行兩端定位機(jī)構(gòu)動(dòng)作，東、西電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置使不同行攜紗器交替地以不同方向向左或右運(yùn)動(dòng)1個(gè)位置數(shù)；第2步控制第2、3、4、5、6、7列兩端定位機(jī)構(gòu)動(dòng)作，南、北電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置使不同列攜紗器交替地以不同方向向上或下運(yùn)動(dòng)一個(gè)位置數(shù)；第3步、第4步分別與第1步、第2步中行(列)兩端定位機(jī)構(gòu)動(dòng)作狀態(tài)與運(yùn)動(dòng)方向相反，經(jīng)過4步；中間矩形截面單元編織過程中，第1、3步控制第4、5、6、7行兩端定位機(jī)構(gòu)動(dòng)作，第2、4步控制第4、5列兩端定位機(jī)構(gòu)動(dòng)作，東、西(南、北)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)規(guī)律與上述同理，先后共經(jīng)過8步編織達(dá)到一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)，攜紗器布局回到初始狀態(tài)。

a—主體載紗攜紗器；b—附加載紗攜紗器；c—空載 攜紗器；d—軌道空擋；e—驅(qū)動(dòng)裝置。圖5 8×6模式工字型立體織物的編織底盤初始陣列圖Fig.5 Chassis initial array diagram of braiding 工-shaped fabric 8×6 patterns. (a) initial braiding array of eight-step 1×1 style; (b) initial braiding array of four-step 1×3 and 3×1 styles

采用四步法1×3和3×1試樣編織(見圖5(b))時(shí)，由于四步循環(huán)中行(列)攜紗器縱橫步進(jìn)運(yùn)動(dòng)距離不完全相同，其相差2個(gè)位置數(shù)，而電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置沿步進(jìn)方向運(yùn)動(dòng)最大步長(zhǎng)，因此，通過在只運(yùn)動(dòng)一個(gè)位置數(shù)的行(列)攜紗器的起始端放置空載攜紗器，使其與底盤邊界形成2個(gè)軌道空擋，如第 7行與第3列、第8行與第10列軌道交叉處的空載攜紗器，編織過程中當(dāng)?shù)?、10行(第5、11行)攜紗器同時(shí)向右(左)運(yùn)動(dòng)2個(gè)位置時(shí)，與第7行(第8行)攜紗器繼續(xù)同步運(yùn)動(dòng)一個(gè)位置數(shù)，列方向同理，使得東、西(南、北)驅(qū)動(dòng)裝置沿步進(jìn)方向同時(shí)實(shí)現(xiàn)所需行(列)攜紗器運(yùn)動(dòng)，充分發(fā)揮了底盤結(jié)構(gòu)功能，進(jìn)而提高了異型編織效率。工字型截面編織過程中第1、3步控制第4、5、7、8、10、11行兩端定位機(jī)構(gòu)動(dòng)作，第2、4步控制第4、6、7、9列兩端定位機(jī)構(gòu)動(dòng)作，東、西(南、北)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置運(yùn)動(dòng)規(guī)律與上述同理，經(jīng)過四步一個(gè)運(yùn)動(dòng)循環(huán)之后，步進(jìn)規(guī)律達(dá)到重復(fù)狀態(tài)。在此只列舉了工字型預(yù)制件進(jìn)行編織時(shí)的具體應(yīng)用，根據(jù)需要也可對(duì)其他L型、T型等異型預(yù)制件采用通用法和混合法進(jìn)行編織。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于三維異型整體編織原理提出一種編織底盤裝置，為異型橫截面預(yù)制件編織提供了一種新的依據(jù)。該底盤東、西、南、北4組步進(jìn)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)裝置與對(duì)應(yīng)(行)列攜紗器兩端定位機(jī)構(gòu)配合使用，不僅使得異型預(yù)制件實(shí)現(xiàn)了凈尺寸整體編織，避免后續(xù)因機(jī)械加工而損傷構(gòu)件的力學(xué)性能，而且異型編織時(shí)，整行(列)攜紗器運(yùn)動(dòng)狀態(tài)的單獨(dú)自動(dòng)化控制方式在各種異型預(yù)制件的多模式多試樣編織中更加實(shí)用。該底盤裝置的使用一方面可通過四軸軌跡卡與STM32F103型微控制器接受主機(jī)發(fā)送的異型編織工藝文件信號(hào)，實(shí)現(xiàn)多種異型預(yù)制件的自動(dòng)柔性化編織；另一方面可通過IO擴(kuò)展卡控制底盤位置傳感器實(shí)時(shí)檢測(cè)底盤的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)，避免了異型編織過程中通過目測(cè)方式獲取底盤信息，顯著提高了其自動(dòng)化編織效率，具有廣闊的應(yīng)用前景和實(shí)用價(jià)值。

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