三維編織機的研究現(xiàn)狀與發(fā)展趨勢

中國紡織科學研究院有限公司 生物源纖維制造技術國家重點實驗室北京 100025

1 編織技術由來已久

編織技術由來已久，有證據(jù)表明，早在公元前4000年就有繩索的使用記載，人們把頭發(fā)分成三股并將其互相交叉編織在一起，這就是最簡單的手工編織。模仿編辮子的機器被稱為編織機，由簡單到復雜，逐步發(fā)展。由于三維編織設備自動化水平較低，目前，我國的編織產(chǎn)業(yè)主要集中在二維編織的繩、帶、纜等方面，三維編織設備已成為制約三維編織技術在復合材料領域廣泛應用的瓶頸。

2 編織機的分類與國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀

三維編織機主要分為三類：步進式、角導輪式、機械臂式，每類編織機各有特點，適用的預制件的形狀和結構不同。

2.1 步進式三維編織機

步進式三維編織機是由二維編織發(fā)展而來，其機械結構簡單，設備成本低，通用性較高，但設備擴展后卡紗現(xiàn)象嚴重，且需要將編織紗一個90°的旋轉動作拆分成縱、橫兩步完成，編織效率低。

1971年General Electric 的研究人員最早提出用縱、橫步進法代替角導輪的編織工藝方法，并開發(fā)出了適用于該方法的“omni.weave”編織機；1982年Floretlne 對“omni.weave”編織機進一步完善，申請了名為“Magnaweave”的編織設備專利[1]，其編織底盤如圖1所示；為應對航空航天部門大尺寸三維編織部件的需求，1985年，美國Atlantic Research 公司研制生產(chǎn)一臺64×194 的大型三維編織機，這臺編織機一直處于嚴格保密狀態(tài)[2]；為應對較長部件的需求，1989年，北卡州立大學研制了一種適用于步進式編織機使用的攜紗裝置，在編織過程中連續(xù)喂紗[3]，至此步進式三維編織機已相當完善。

最近幾年，美國 ALBANY 公司將縱橫步進的編織機設計為圓形，用于編織各類管件織物，其攜紗量為1000根編織紗[4]，如圖2所示。雖然外形和結構上有很大差異，但步進式的基本原理是一致的。

國內(nèi)三維編織起步較晚，但發(fā)展迅速，像東華大學、中國紡織科學研究院有限公司、天津工業(yè)大學、北京航空航天大學、南京玻璃纖維研究院等都做了大量研究工作。1996年天津工業(yè)大學研制出一臺三維編織機，編織紗2 萬根，周紗2 萬根，共計可掛紗線4 萬根，如圖3所示。但所研制設備結構復雜，通用性差，即每臺設備只能編織一種預制件，不能實現(xiàn)一機多用。

2.2 旋轉式三維編織機

2000年，Laourine 等對角導輪式編織機進行改進，發(fā)明的Herzog 旋轉式三維編織機[5-6]，通過離合裝置控制攜紗器的啟動和停止，可根據(jù)編織工藝設置紗線器是否參與編織或者那段時間參與編織，如圖4所示；2002年，Mungalov 等在此基礎上增加了轉換裝置，使得相鄰角輪間允許兩個攜紗器同時通過而不發(fā)生沖突，圖5為 3TEX公司據(jù)此生產(chǎn)的旋轉式三維編織機的樣機[7]。

2009年，加拿大英屬哥倫比亞大學AFML 實驗室和德國亞琛工業(yè)大學ITA 研究所合作發(fā)明的六角形三維編織機[8-10]，如圖6所示。其旋轉角度為60 的倍數(shù)，如60°、120°、180°，可以根據(jù)工藝選擇所需的旋轉角度，可兼容的工藝種類進一步提高，且攜紗器密度增加了，為后續(xù)的設備大型化奠定了基礎。

國內(nèi)柏瑞鼎研制的旋轉式三維編織機，其編織機為模塊化設計，可根據(jù)需求，與用戶共同搭建適合用戶生產(chǎn)的、可方便重組、可擴展的三維編織平臺，包括矩形及其組合形狀三維編織平臺，以及圓形三維編織平臺,如圖7所示。但不同形狀織物編織前的設備重組耗時耗力，延長了編織物的生產(chǎn)周期。

2.3 機械臂式三維編織機

中國紡織科學研究院有限公司針對目前我國三維編織裝備相對落后的狀態(tài)，組織了專門的開發(fā)團隊，研制開發(fā)出機械臂式三維編織機的驗證機。其目標是在同一臺設備上，根據(jù)產(chǎn)品需求輸入不同的編織工藝參數(shù)，可高效實現(xiàn)不同結構的三維編織預制件的編織。

其中最為關鍵的是模塊化設計和零傳動設計。該設計結構中,每一個攜紗器可通過編織工藝指令，到達設備上任意指定位置，以豐富攜紗器的運行軌跡。這樣的設計結構，可以解決齒輪傳動關系所帶來的問題，使三維編織設備的大型或超大型化能夠得以實現(xiàn)，從而為編織大型、復雜結構的三維編織預制件的織造創(chuàng)造條件。

2.4 各類編織機對比

步進式三維編織機結構緊密，但運行必須是整行整列的移動形式，不適用于變截面、異性、分支等結構，且自動化水平低，效率低。

旋轉式三維編織機多為一個驅動帶動多個角導輪運動，導致攜紗器的運行單一，且攜紗器的分布密度較低。雖然離合器裝置的加入增加了角導輪的選用自由度，六角形角導輪的設計增加了角導輪旋轉角度的可選擇性，但依然沒能從本質上改變其運行方式受限的問題。

機械臂式三維編織機每個攜紗器都被單獨驅動，且驅動攜紗器的單元之間不存在傳動關系，每一個攜紗器通過編織工藝指令，可以到達設備上任意指定位置，但其攜紗器的分布密度較步進式三維編織機低很多。

3 新型三維編織機的發(fā)展方向

三維編織機作為獲取三維編織預制件的重要工具，隨著新工藝的發(fā)展和應用的深入，對三維編織機的發(fā)展提出以下需求：

（1）自動化，可自動實現(xiàn)增紗和減紗操作，可自動編織異性結構件；

（2）喂紗連續(xù)化，實現(xiàn)較大長度預制件的編織；

（3）進一步減小攜紗器驅動的尺寸，提高攜紗器的分布密度；

（4）人機交互，無線控制，并實時監(jiān)測編織機的狀態(tài)。