碳纖維疊層布縫紉機(jī)輔助機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

陳 晨,李 晶，劉 站,毛世凱,楊茜寧

(西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院,陜西 西安 710048)

0 引 言

由于碳纖維的高強(qiáng)度、高模量和耐腐蝕性,其復(fù)合材料越來(lái)越多地用于工程加固[1-4]。在碳纖維布層之間使用黏合劑可以延遲剝離損傷的發(fā)生[5]。然而,這類(lèi)加工方法成本較高,不僅層與層之間斷裂韌性差且抗損傷能力低[6]。通過(guò)縫紉技術(shù),對(duì)碳纖維疊層布進(jìn)行縫紉加工可以降低成本,有效解決層間斷裂問(wèn)題[7]。當(dāng)碳纖維布用高強(qiáng)度復(fù)合纖維縫制時(shí),其縫紉質(zhì)量取決于縫紉線的物理機(jī)械性能以及縫制的材料[8]。若縫紉線的材料與碳纖維織物的材料不一致,在后處理過(guò)程中碳纖維疊層布的整體質(zhì)量將受到嚴(yán)重影響。為了提高疊層布的整體質(zhì)量,應(yīng)首選碳纖維為縫紉線。然而碳纖維單絲本身具有高脆性和低斷裂韌性的特點(diǎn)[9],在縫紉時(shí)會(huì)被布料和針眼等機(jī)器部件磨損,進(jìn)而造成縫紉線的纖維損傷和結(jié)構(gòu)破壞[10]。因此,碳纖維縫紉線一旦受到過(guò)大的動(dòng)態(tài)張力或剪切力時(shí),就會(huì)產(chǎn)生斷裂[11-12],影響縫紉工作的順利進(jìn)行。目前，有很多學(xué)者針對(duì)此問(wèn)題做了相關(guān)研究。在碳纖維表面處理方面，通過(guò)上漿的方法在碳纖維表面形成一層薄膜,對(duì)纖維起到保護(hù)作用,減少絲束在織造、縫合過(guò)程中的摩擦,但過(guò)量的漿料會(huì)增加纖維脆斷的幾率,反而降低其力學(xué)和耐磨性能[13];通過(guò)對(duì)碳纖維線加捻的方式,加大絲束抱合力,改善斷線產(chǎn)生,但在加捻過(guò)程中纖維會(huì)受到一定的損傷并且隨著縫合線捻度的增加,樹(shù)脂浸潤(rùn)縫合線的效果變差,縫合纖維絲束與樹(shù)脂結(jié)合情況變差[14-15]。除了針對(duì)碳纖維本身的改性研究外,國(guó)外有專(zhuān)門(mén)縫紉碳纖維的設(shè)備,但價(jià)格昂貴。在國(guó)內(nèi)，通過(guò)改進(jìn)機(jī)械機(jī)構(gòu)來(lái)降低碳纖維斷線率方面的研究文獻(xiàn)較少。有學(xué)者在縫針中加裝滾輪,變滑動(dòng)摩擦為滾動(dòng)摩擦；或改進(jìn)縫紉機(jī),在縫紉過(guò)程中減少碳纖維所受的剪切應(yīng)力[16-18],以降低斷線率。本文結(jié)合工業(yè)縫紉機(jī)特點(diǎn)，通過(guò)設(shè)計(jì)適合碳纖維縫紉的輔助機(jī)構(gòu)消除或減小縫紉中的動(dòng)態(tài)張力和剪切力[19]，以降低斷線率，并應(yīng)用Pro/E軟件時(shí)行仿真分析[20]。

1 輔助機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

1.1三維設(shè)計(jì)與仿真

輔助機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的基本要求:在縫制厚度為16 mm的碳纖維疊層布時(shí),其縫紉線跡為3 mm,使碳纖維縫紉線不受剪切力的作用或僅受極小剪切力的作用。

為除去碳纖維縫紉線在縫紉過(guò)程中出現(xiàn)的高頻率動(dòng)態(tài)張力和剪切力,在原有普通工業(yè)用縫紉機(jī)的基礎(chǔ)上增加一套輔助機(jī)構(gòu),輔助機(jī)構(gòu)有單獨(dú)的動(dòng)力源。其三維模型見(jiàn)圖1。動(dòng)力由獨(dú)立電機(jī)輸出給輔助機(jī)構(gòu)皮帶輪1,皮帶輪1帶動(dòng)軸10轉(zhuǎn)動(dòng)。軸10一方面帶動(dòng)移凸輪2推動(dòng)繞線叉7前移、后移運(yùn)動(dòng)(前移繞線叉使之回轉(zhuǎn)繞線、放線,后移繞線叉使縫紉線能順利地形成線跡);一方面,軸10帶動(dòng)圓柱齒輪9把動(dòng)力傳遞給軸5。軸5的回轉(zhuǎn)帶動(dòng)槽型圓柱凸輪6和槽型圓柱凸輪12同時(shí)運(yùn)轉(zhuǎn),2個(gè)槽型圓柱凸輪分別帶動(dòng)兩對(duì)齒輪齒條3，11往復(fù)運(yùn)動(dòng),進(jìn)而完成輔助機(jī)構(gòu)中繞線環(huán)14和繞線叉7的回轉(zhuǎn)。繞線叉和繞線環(huán)分別與齒輪4和齒輪13固定在一起,其回轉(zhuǎn)軸線分別與其對(duì)應(yīng)的齒輪軸線重合。

圖 1改進(jìn)的輔助機(jī)構(gòu)的三維模型Fig.1 Three-dimensional model of improved mechanism

此輔助機(jī)構(gòu)安裝在原有縫紉機(jī)機(jī)頭下方左側(cè)位置,繞線環(huán)在縫紉針的一邊。與之配合的繞線叉在縫紉線線跡形成的一邊,輔助機(jī)構(gòu)的獨(dú)立原動(dòng)機(jī)與工業(yè)縫紉機(jī)的原動(dòng)機(jī)以相同的運(yùn)轉(zhuǎn)速度帶動(dòng)皮帶輪1運(yùn)轉(zhuǎn),以使繞線叉、繞線環(huán)與縫針相互配合并保持相同的運(yùn)動(dòng)周期。碳纖維縫紉線未放松與放松受力的對(duì)比如圖2所示。由圖2可知，在刺布階段,未放松的碳纖維縫紉線相對(duì)于放松后的縫紉線需要承受更大的張力和剪切力。

1.2輔助機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)配合

碳纖維疊層布縫紉機(jī)的縫紉針頭自由度為1,做垂直直線的上下運(yùn)動(dòng)；輔助機(jī)構(gòu)中繞線叉自由度為2,做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)及前移、后移運(yùn)動(dòng)；繞線環(huán)自由度為1,做回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。首先以機(jī)器上的縫紉針為主體,繞線環(huán)和繞線叉周期性地配合縫紉針運(yùn)動(dòng)并放松碳纖維縫紉線,以消除或減小縫紉中的動(dòng)態(tài)張力、剪切力,保證縫合工藝的順利進(jìn)行,進(jìn)而提高碳纖維疊層布的力學(xué)性能。凸輪配合縫針運(yùn)動(dòng)循環(huán)見(jiàn)圖3；凸輪各階段轉(zhuǎn)角見(jiàn)表1。

(a) 未放松 (b) 放松圖 2未放松與放松碳纖維縫紉線受力對(duì)比Fig.2 Unrelaxed and relaxed carbon fiber sewing thread

圖 3機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖Fig.3 The cycle of the mechanism movement

表1凸輪各階段轉(zhuǎn)角

Table 1 Cam rotation angle at each stage rad

凸輪類(lèi)型φi1φi2φi3φi4φi5移凸輪7π6π3π6π3—圓柱凸輪aπ4π929π365π6—圓柱凸輪bπ4π3π935π36π3

注：i=1,2,3分別表示移凸輪及圓柱凸輪a,b

由圖3,表1可知,該工作循環(huán)由4部分組成?？p針由最上端位置1開(kāi)始進(jìn)針工作,到達(dá)位置2時(shí),縫針剛好與縫料接觸。到達(dá)位置3時(shí),縫針處于最下端?？p針由最下端位置3開(kāi)始回針工作,到達(dá)位置4時(shí),縫針剛好與縫料分離。到達(dá)位置1時(shí),縫針處于最上端。在該機(jī)構(gòu)中,各凸輪軸以相同的轉(zhuǎn)速勻速運(yùn)轉(zhuǎn)。縫針由位置1到達(dá)位置3,移凸輪處于遠(yuǎn)休止?fàn)顟B(tài)?？p針由位置3到達(dá)位置1,移凸輪依次完成回程、近休止、推程運(yùn)動(dòng)來(lái)帶動(dòng)繞線叉的前移、后移運(yùn)動(dòng)。繞線叉后移、靜止,保證線跡順利形成?？p針由位置4到達(dá)位置1,移凸輪完成推程工作,控制繞線叉前移、靜止?？p針由位置1到達(dá)位置3,移凸輪遠(yuǎn)休止,控制繞線叉先后完成繞線、放線工作。在圓柱凸輪(繞線叉) 推程結(jié)束后(即繞線叉繞線完畢),圓柱凸輪(繞線環(huán))開(kāi)始完成推程、遠(yuǎn)休、回程以及近休,控制繞線環(huán)完成繞線、放線運(yùn)動(dòng)?？p針由位置1到達(dá)位置2,繞線叉和繞線環(huán)先后進(jìn)行繞線,同時(shí)挑線機(jī)構(gòu)復(fù)位;繞線叉和繞線環(huán)先后開(kāi)始放線。當(dāng)縫針處于位置4時(shí),繞線叉和繞線環(huán)完成最終送線轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.3輔助機(jī)構(gòu)放松量的控制

通過(guò)小齒輪4和小齒輪13的分度圓直徑、圓柱凸輪(a,b)推程及繞線叉和繞線環(huán)的尺寸大小可對(duì)輔助機(jī)構(gòu)的放松量進(jìn)行控制。在機(jī)構(gòu)送線時(shí),根據(jù)碳纖維疊層布的最大厚度和縫針的行針位置來(lái)調(diào)節(jié)繞線環(huán)和繞線叉的轉(zhuǎn)動(dòng)幅度,使供線量和需線量相一致,在收線時(shí),輔助機(jī)構(gòu)配合挑線桿工作。這樣在整個(gè)縫紉過(guò)程中既避免了放松量不夠引起的斷線問(wèn)題,又防止因放松量過(guò)大造成縫紉后的碳纖維布不牢固。

在控制放松量時(shí),不僅需要考慮一個(gè)線跡長(zhǎng)度(3 mm)及碳纖維疊層布厚度(16 mm),還應(yīng)涉及到勾線、引線機(jī)構(gòu)及旋梭的需線量,即總需線量45 mm。經(jīng)計(jì)算,繞線叉與繞線環(huán)的轉(zhuǎn)動(dòng)幅度約為2π,繞線叉與繞線環(huán)轉(zhuǎn)1周的繞線量分別為24 mm和21 mm,因此縫紉時(shí)將提供 45 mm 的放松量,滿足45 mm的供線需求。

2 輔助機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)分析

傳動(dòng)過(guò)程中產(chǎn)生的加速度對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)曲線的光滑性及連續(xù)性有著重要影響。為了降低凸輪產(chǎn)生的加速度沖擊,保證機(jī)構(gòu)平穩(wěn)運(yùn)轉(zhuǎn),凸輪選用正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律,可使曲線具有良好的運(yùn)動(dòng)特性。

將凸輪的運(yùn)動(dòng)規(guī)律與其他傳動(dòng)組合后得到運(yùn)動(dòng)規(guī)律, 該運(yùn)動(dòng)規(guī)律表達(dá)式為分段函數(shù),表達(dá)式為

(1)

式中:sf為繞線叉前后位移；ω1為移凸輪軸的角速度，rad·s-1;t為輔助機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的時(shí)間，s;h1為移凸輪的行程，mm;T1j為移凸輪各階段時(shí)間終止點(diǎn)，角速度ωf表達(dá)式為s。

(2)

式中:ω2為圓柱凸輪軸的角速度， rad/s， (ω2=-ω1);d1為小齒輪4分度圓直徑, mm;h2為圓柱凸輪a的行程，mm;T2j為圓柱凸輪 a 各階段時(shí)間終止點(diǎn)，s。繞線環(huán)的角速度ωr為表達(dá)式為

(3)

式中:d2為小齒輪13分度圓直徑，mm;h3為圓柱凸輪b的行程，mm;T3j為圓柱凸輪b各階段時(shí)間終止點(diǎn)，s。

以上不同運(yùn)動(dòng)規(guī)律的時(shí)間初始點(diǎn)均為0,但各階段時(shí)間終止點(diǎn)的Tij取值各不相同,通過(guò)時(shí)間Tij(i=1,2,3;j=1,2,3,…)的變化,運(yùn)動(dòng)曲線也隨之改變,其中各階段時(shí)間終止點(diǎn)Tij值為

(4)

根據(jù)數(shù)學(xué)知識(shí),可對(duì)角速度ω求導(dǎo),求導(dǎo)后所得表達(dá)式即為角加速度α。同理,對(duì)繞線叉位移sf求一階導(dǎo)、二階導(dǎo)可以分別得出繞線叉前后移動(dòng)的速度vf與加速度af。即

(5)

利用Matlab軟件對(duì)解析法編程處理后得出繞線叉與繞線環(huán)運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線,并與Pro/E仿真的運(yùn)動(dòng)曲線進(jìn)行對(duì)比,結(jié)果見(jiàn)圖4～6。

由圖 4～6 可以看出, 解析法與仿真結(jié)果具有相同的運(yùn)動(dòng)規(guī)律, 且一致性比較好, 驗(yàn)證了建模的正確性。

(a) Matlab解析法

(b) Pro/E仿真法圖 4繞線叉角速度與角加速度曲線Fig.4 The curve of velocity and acceleration of the dial fork

2.1繞線叉的角速度與角加速度分析

繞線叉的角速度、角加速度曲線如圖4所示?？梢钥闯?，在0.012 s時(shí),繞線叉開(kāi)始繞線,角速度達(dá)到最大值168.8 rad·s-1;在0.007 s和0.018 9 s時(shí),角加速度有最大值404.2 rad·s-2; 在0.04 s時(shí),繞線叉開(kāi)始放線,此時(shí)的速度與角速度都趨向平穩(wěn)且數(shù)值不大,此階段有利于放線工作。

2.2繞線叉的位移、速度與加速度分析

由圖5繞線叉位移運(yùn)動(dòng)曲線可知，繞線叉伸縮運(yùn)動(dòng)周期為0.2 s。在該工作循環(huán)周期內(nèi),結(jié)合凸輪配合縫針運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖得知,在0 s～0.117 s時(shí)間內(nèi),為縫針進(jìn)針工作時(shí)間，而移凸輪處于遠(yuǎn)休止?fàn)顟B(tài)。在移凸輪的控制下繞線叉遠(yuǎn)離線跡并靜止在位移最大值處,其位移最大值為10 mm。在0.117 s～0.2 s時(shí)間內(nèi),繞線叉依次完成前移、靜止、后退工作。在0.133 s及0.183 s時(shí),速度達(dá)到最大為275.32 mm·s-1。

(a) Matlab解析法

(b) Pro/E仿真法圖 5繞線叉位移圖Fig.5 The displacement diagram of the dial fork

2.3繞線環(huán)的角速度與角加速度分析

由圖6繞線環(huán)角速度與角加速度曲線可知,在t=0.041 s時(shí),繞線環(huán)的角速度達(dá)到最大值為 130.82 rad·s-1,同時(shí)繞線環(huán)開(kāi)始繞線;在t=0.036 s和0.055 s時(shí),繞線環(huán)的角加速度達(dá)到最大值為223.34 rad·s-2,之后繞線環(huán)開(kāi)始放線。為配合縫針工作,角速度及角加速度逐漸降低趨于平緩。由圖4～6可以看出,曲線光滑連續(xù),機(jī)構(gòu)運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn),各部件之間配合緊密,繞線叉、繞線環(huán)運(yùn)動(dòng)既無(wú)剛性沖擊,也無(wú)柔性沖擊,有利于繞線、放線工作。

(a) Matlab解析法

(b) Pro/E仿真法圖 6繞線環(huán)角速度與角加速度曲線Fig.6 The curve of velocity and acceleration of the dial pole

3 結(jié) 語(yǔ)

本文設(shè)計(jì)了一套便于碳纖維縫紉線放松的輔助機(jī)構(gòu),在縫紉過(guò)程中能減少縫紉線所受的動(dòng)態(tài)張力和瞬時(shí)沖擊力,以降低碳纖維縫紉線在縫紉過(guò)程中的斷線率,提高效率,降低成本。為了更好地解決碳纖維縫紉線在縫制過(guò)程中出現(xiàn)的斷線問(wèn)題,后續(xù)要加強(qiáng)兩方面的研究：一方面輔助機(jī)構(gòu)中傳動(dòng)件的尺寸參數(shù)需要進(jìn)一步優(yōu)化；另一方面還應(yīng)提高碳纖維縫紉線本身的耐磨性能。