立體織物整體穿刺鋼針陣列布放裝置研制及實驗驗證

董九志， 蔣秀明， 楊建成， 趙世海， 袁汝旺

(天津工業大學 天津市現代機電裝備技術重點實驗室， 天津 300387)

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立體織物整體穿刺鋼針陣列布放裝置研制及實驗驗證

董九志， 蔣秀明， 楊建成， 趙世海， 袁汝旺

(天津工業大學 天津市現代機電裝備技術重點實驗室， 天津 300387)

針對立體織物整體穿刺鋼針陣列大量超長，穿刺鋼針由人工布放的不足，設計了適用于鋼針陣列自動化布放的穿刺模板工裝，研制了用于立體織物整體穿刺鋼針陣列布放的裝置。這種裝置由高重復定位精度水平移動平臺、機身、鋼針存儲及施放機構等組成，通過紅光十字激光器對穿刺模板等距密排精密微小孔進行定位?？刂葡到y采用觸摸屏為人機交互界面，運用具有多路脈沖輸出的PLC控制移動平臺的伺服電動機和鋼針施放機構的閉環步進電動機，以保證整體穿刺鋼針陣列布放工作可靠、持續進行。為驗證整體穿刺鋼針陣列布放裝置工作原理的可行性，進行了T形截面整體穿刺鋼針陣列的布放實驗，結果表明布放裝置原理可行，工作可靠。

整體穿刺； 鋼針陣列； 布放裝置； 立體織物

整體穿刺是制造立體織物的一種工藝技術，整體穿刺成型立體織物最早由美國AVCO公司研究成功[1]，是一種結構特殊的碳纖維立體織物，具有良好的整體結構和較高的纖維體積分數，可制作高性能防熱隔熱碳/碳復合材料的優良基材[2]。我國的整體穿刺技術最先由南京玻璃纖維研究院實現重大技術突破[3]，該院生產的整體穿刺立體織物經碳復合制成先進的碳/碳復合材料已成功用作高性能防熱材料，使我國在該領域躋身于世界先進水平[4-6]。

為配合整體穿刺立體織物的生產，南京玻璃纖維研究院研制的整體穿刺機用于實施疊層機織碳布與Z向鋼針陣列整體刺布、移布、加壓密實等操作，提高了立體織物生產的自動化程度及效率[7]。目前，我國的整體穿刺織物生產仍存在以手工或半機械化生產方式為主，生產效率低，周期過長等問題。如用于整體穿刺的鋼針陣列常由工人手工布放，其鋼針排列密度高，使用數量巨大，一般大于10根/cm2，少則成百上千根，多則數萬根[8]。隨著整體穿刺立體織物技術的進步，多種異形截面的整體穿刺立體織物不斷被開發出來，除矩形、環形、正多邊形外還有馬蹄形、T形、L形等[9-10]，以往手工布放鋼針陣列工作強度大，異形截面圖形布放難度大，產品適應性差，容易漏針且出錯率高，難以滿足整體穿刺工藝中Z向纖維缺束率等重要指標的苛刻要求。針對整體穿刺鋼針陣列手工布放的不足，本文研制了適用于超長穿刺鋼針的整體穿刺鋼針陣列布放裝置。

1 穿刺模板工裝簡介及分析

1.1 穿刺模板工作簡介

立體織物整體穿刺成型工藝過程如圖1所示。采用碳纖維疊層機織布與Z向鋼針陣列整體穿刺，再由連續碳纖維逐一替代Z向鋼針形成碳纖維穿刺織物。

整體穿刺成型工藝中，Z向鋼針作為立體織物的一個纖維方向，鋼針陣列對于立體織物的穿刺成型非常重要，其關鍵技術是鋼針陣列的規整性控制。帶有等距密排精密微小孔的穿刺模板是實現鋼針陣列規整性的重要工裝，將穿刺鋼針逐一放入穿刺模板的等距密排精密微小孔中形成穿刺鋼針陣列。為便于超長穿刺鋼針陣列的自動化布放設計了穿刺模板工裝，該工裝由帶有等距密排精密微小孔的穿刺模板、底板及4根等高立柱組成，穿刺模板工裝示意圖如圖2所示。

1.2 穿刺模板工裝高度與鋼針尺寸關系

在超長穿刺鋼針布放過程中，由于穿刺模板等距密排微孔直徑略大于鋼針直徑，已經被置入穿刺模板工裝的鋼針不會自動與微孔中心線重合而呈一定角度，如圖3所示。為避免已經進入穿刺模板工裝的鋼針針桿及針尖過長而影響其他鋼針從穿刺模板工裝頂部豎直方向置入周邊空置微孔，需根據鋼針及穿刺模板的相關尺寸設計穿刺模板工裝的高度。設穿刺模板工裝高度為H，穿刺模板及底板高度均為h，等距密排微孔直徑為d，中心距為ld，穿刺鋼針長度為l，直徑為dz，針尖高度為hj，假設超長穿刺鋼針的剛度較高且在布放過程中始終保持直線狀態，不會發生彎曲變形。

圖1 整體穿刺立體織物工藝流程圖Fig.1 Process chart of integrated piercing 3-D fabric

圖2 穿刺模板工裝示意圖Fig.2 Sketch map of piercing template frock

由圖3可知：

(1)

(2)

圖3 進入穿刺模板工裝的鋼針狀態圖Fig.3 State diagram of steel needle into piercing template frock

式(1)中僅θ為未知數，且

(3)

(4)

最終可得對應不同超長穿刺鋼針尺寸的穿刺模板工裝高度為

(5)

本文穿刺模板工裝適用于直徑為1.2 mm，長度為360 mm的穿刺鋼針，其頂部穿刺模板微孔直徑為2 mm，孔間距為(2.3±0.1)mm。

2 布放裝置機構組成及結構

2.1 布針裝置功能要求及工作空間

由整體穿刺工藝可知對鋼針陣列布放裝置的功能要求為：將直徑為1.2 mm的超長穿刺針逐一有序地置入穿刺模板工裝頂部水平放置的穿刺模板等距密排精密微小孔中，能夠連續工作將鋼針布滿整個穿刺模板微小孔，同時能夠利用穿刺模板等距密排精密微小孔布放出異形截面的鋼針陣列，如環形、T形、L形等。

由工作要求可知，布針裝置的工作空間為穿刺模板等距密排精密微小孔所在平面。

2.2 鋼針陣列布放裝置的組成及結構

通過對鋼針陣列布放裝置的功能要求及工作空間進行分析，鋼針陣列布放系統應包括：水平移動機構、機身、鋼針儲存及施放機構。

2.2.1 水平移動平臺結構設計

水平移動平臺用于帶動鋼針存儲及施放機構在穿刺模板平面運動，使其到達需要布放超長鋼針的穿刺模板等距密排精密微小孔上方。水平移動平臺的運動可分解為X、Y2個方向的直線運動。

穿刺模板等距密排精密微小孔數量多且位置精度高，為保證每根超長穿刺鋼針都能夠順利布放在微孔中，為X、Y方向分別配置具有高重復定位精度的線性模組并采用伺服電動機直接驅動方案。該裝置以平面尺寸為100 mm×100 mm的立體織物穿刺模板工裝為布放對象，同時要求其具備布放平面尺寸為200 mm×200 mm立體織物穿刺模板工裝的能力，并以此為依據確定X向、Y向線性模組的行程，水平移動平臺結構設計如圖4所示。X向、Y向線性模組選用NSK公司的MCM系列P級(精密級)線性模組，其性能參數見表1。驅動電動機選用安川SGMJV系列小慣量交流伺服電動機，由于X軸承載Y軸及鋼針施放機構的質量，因此其電動機功率略大，其中X方向伺服電動機的功率為200 W，Y方向伺服電動機的功率為100 W。

圖4 水平移動平臺Fig.4 Mobile platform表1 水平移動平臺參數Tab.1 Parameters of mobile platform

方向規格有效行程/mm重復定位精度/mmX向MCM06240±0.003Y向MCM05300±0.003

2.2.2 布針裝置機身結構設計

布針裝置機身用于安裝水平移動平臺，放置并固定穿刺模板工裝。為適于長度為360 mm穿刺鋼針的布放，布針裝置機身采用平面尺寸為100 mm×100 mm方形及15 mm×90 mm矩形工業用鋁型材組合搭建而成，其中1590工業鋁型材除具有輔助固定機身的作用外，還能與最下方2根方形鋁型材形成工作臺用于放置穿刺模板工裝，其凹槽便于放置T型螺栓用以固定穿刺工裝，布針裝置機身結構如圖5所示。

2.2.3 鋼針存儲及施放機構設計

鋼針存儲及施放機構用于預先存儲需要布放的超長穿刺鋼針，同時按順序將鋼針逐一施放，在水平移動平臺的驅動下布放整體穿刺鋼針陣列。

為提高鋼針的施放效率，避免頻繁停車補充鋼針，需要存儲及施放機構能夠存儲一定數量的鋼針。生產平面尺寸為100 mm×100 mm立體織物時布放穿刺模板工裝1行需要43根鋼針，現從布放2行鋼針所需的數量參考，按照一次存儲100根鋼針為目標，同時參考槍支彈夾的工作原理及使用方式，將儲針機構設計成可更換結構使將存儲的鋼針排成一行。儲針機構底板前側開有直徑為1.3 mm的小孔以便鋼針掉落，后側為敞開式并采用螺釘連接以便于推板進入。鋼針存儲及施放機構底板開有槽道，其寬度及深度尺寸與可更換儲針機構寬度及高度尺寸相同，工作時可更換儲針機構嵌入底板槽道中，使鋼針與存儲及施放機構底板處于同一平面，如圖6所示。

圖6 鋼針存儲及施放機構結構圖Fig.6 Structure of steel needles storage and launching mechanism. (a) Front view; (b) Top view

推板與推桿連接，推桿上安裝的彈簧將鋼針依次推至落針孔位置逐一施放。彈簧一端與推板接觸，另一端與擋板接觸，推桿的尾部與拉繩連接，拉繩纏繞在絞輪上，絞輪由電動機驅動實現鋼針在可更換儲針機構中在推桿及彈簧的作用下緊密排列，當施放鋼針時電動機反轉驅動絞輪回轉將推板拉回鋼針直徑的距離，使處于落針孔上方鋼針在自身重力的作用下豎直下落，鋼針下落后電動機正轉使推板在彈簧的作用下前進至比原來位置靠前相當于鋼針直徑的距離，使落針孔上方的鋼針在推板摩擦力的作用下保持靜止，即電動機通過絞輪及拉繩在彈簧的配合下使推板進行往復運動實現穿刺鋼針的依次有序下落。為保證推板每次移動位置的準確性，拉繩采用拉伸無變形的凱夫拉繩。

可更換儲針機構嵌入底板對應的槽中其落針孔與底板落針孔重合，底板安裝有3個豎直放置的十字激光器用于穿刺模板等距密排微小孔的定位。

3 控制系統設計

3.1 控制系統的設計準則

通過對整體穿刺鋼針陣列布放裝置技術特點分析可知，控制系統須實現以下技術要求：1)控制精度高。布針裝置水平移動平臺電動機與鋼針施放電動機聯動性能好，對穿刺模板等距密排精密微小孔定位精確，滿足鋼針陣列布放要求。2)可靠性高。鋼針施放可靠，符合鋼針陣列布放工作要求，且能持續實施鋼針布放工作。3)接口豐富?？蓪崿FPC機編制程序下載及觸摸屏人機交互。

3.2 控制系統硬件設計

根據上述設計準則，考慮PLC具有執行邏輯運算，順序控制能力強，可靠性好，能夠進行定時/計數和算術運算，可進行兩軸直線插補，滿足布針裝置控制系統要求，因此，選擇PLC作為整體穿刺鋼針陣列布放裝置的控制器。操作人員通過觸摸屏完成人機對話，選擇需要布放的鋼針陣列的界面形狀，輸入尺寸參數，控制器計算出需要布放鋼針的數量，根據預先編制好的程序進行超長穿刺鋼針的布放工作。布針裝置具有3個軸，水平移動平臺采用安川小慣量交流伺服電動機，鋼針存儲及施放機構絞輪驅動電動機采用韓國EZI-Servo系列閉環步進電動機。水平移動平臺X向、Y向線性模組都具有2個限位開關及1個原點開關。鋼針存儲及施放機構配置1個限位開關及1個原點開關。立體織物整體穿刺鋼針陣列布放裝置控制系統結構如圖7所示。

圖7 鋼針陣列布放裝置控制系統結構Fig.7 Control system structure of steel needles array laying device

PLC控制器：采用豐煒公司的VB1-24MT系列PLC，具有14個輸入點，10個輸出點，其中有4點快速脈沖輸出，2點輸出頻率為20 kHz，2點輸出頻率為200 kHz，能夠進行直線插補計算。

電動機及驅動器：水平移動平臺采用安川公司的SGMJV系列交流伺服動電動機，該機特點是中慣量小容量、無需調整操作且低振動，驅動器為SGDV型。鋼針存儲及施放機構采用FASTECH公司的EZI- Servo系列閉環步進電動機，具有高轉矩、精度高、響應快，不需調增益、運行平穩不振動等性能。以上3臺電動機驅動器均為位置工作模式且采用脈沖加方向信號控制方式。

3.3 控制系統軟件設計

利用豐煒PLCmate編程軟件開發鋼針陣列布放裝置的工作程序使其能夠滿足不同工藝、不同尺寸要求，布放矩形、正三角形、環形、T形、L型等不同截面形狀的鋼針陣列。根據鋼針陣列布放裝置的工作空間，確定穿刺模板基準孔與布針裝置落針孔的相對位置，明確鋼針陣列布放任務后進行鋼針陣列布放工作?？刂破饔嬎愦┐棠０逍枰挤诺牡染嗝芘啪芪⑿】紫鄬β溽樋椎奈恢煤蟀l出控制信號，最終實現布針裝置的運動控制，其控制系統軟件流程如圖8所示。

圖8 控制系統軟件流程圖Fig.8 Software flowchart of control system

布針裝置控制系統程序及工作數據均在斷電保持區運行及存儲，以避免鋼針陣列布放過程中發生系統斷電導致數據丟失影響鋼針布放工作持續進行。

4 實驗驗證

立體織物整體穿刺鋼針陣列布放裝置樣機如圖9所示。

圖9 立體織物整體穿刺鋼針陣列 布放裝置樣機Fig.9 Prototype of 3-D fabric integrated piercing steel needles array laying device

為驗證整體穿刺鋼針陣列布放裝置工作原理的正確性，進行了T形截面整體穿刺鋼針陣列布放實驗。將穿刺模板工裝放置于鋼針陣列布放裝置工作臺上，使其處于移動平臺具有平面最大工作空間的位置，利用鋼針存儲及施放機構上的3臺紅光十字激光器完成對工裝頂部穿刺模板相應微小孔定位，固定穿刺模板工裝并進行鋼針陣列布放實驗。實驗中2次交替使用2個裝滿鋼針的可更換儲針機構，鋼針布放情況見表2。

表2 實驗中鋼針布放情況統計表Tab.2 Statistical table of steel needles laying experiment

鋼針陣列布放實驗中，在交替更換不同儲針機構的情況下，100根超長穿刺鋼針被順利地布放置入穿刺模板工裝，成功率為100%，表明整體穿刺鋼針陣列布放裝置工作原理正確，可更換儲針機構設計實用可行，紅光十字激光器定位穿刺模板等距密排微孔位置準確，能夠滿足鋼針陣列布放精度要求，控制系統工作正常。

5 結束語

針對立體織物整體穿刺鋼針陣列大量超長穿刺鋼針由人工布放的不足，研制了用于整體穿刺成型立體織物的鋼針陣列布放的裝置，使用可更換的儲針機構預先存儲鋼針，使排成一列的超長穿刺鋼針逐一豎直落入穿刺模板等距密排精密微小孔中，形成整體穿刺鋼針陣列。T形截面整體穿刺鋼針陣列布放實驗結果表明該裝置原理可行，工作可靠。

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Experimental study and development of integrated piercing steel needles array laying device of 3-D fabric

DONG Jiuzhi， JIANG Xiuming， YANG Jiancheng， ZHAO Shihai， YUAN Ruwang

(AdvancedMechatronicsEquipmentTechnologyTianjinAreaMajorLaboratory，TianjinPolytechnicUniversity，Tianjin300387，China)

In view of the defect that large super-long piercing steel needles of the integrated piercing steel needles array to produce 3-D fabric are laid by manual operation, a piercing template frock used for steel needles laying automatically is designed, and the 3-D fabric integrated piercing steel needles array laying device also is developed. The device is composed of a high level of repeat accuracy mobile platform, fuselage and steel needle storage and launching mechanism, et al. The device locates the isometric and close-packing precise micro holes of piercing template by red cross lasers. the control system uses a touch screen as the human-machine interface, and uses PLC which can output multi-channel pulse to control the servo motor of the mobile platform and the closed loop stepping motor of the steel needles storage the launching mechanism. The control system guarantees the working reliability of the device. In order to verify the feasibility of working principle of laying device, a T-shaped cross section steel needles array laying experiment is achieved. The result shows that the laying device has feasible principle and reliable operation.

integrated piercing； steel needles array； laying device； 3-D fabric

10.13475/j.fzxb.20140200806

2014-02-10

2014-05-26

董九志(1981—)，男，講師，博士。主要研究方向為新型紡織機械設計制造及自動化、機電一體化技術。蔣秀明，通信作者，E-mail:jxjxm@163.com。

TS 152.7

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