三維間隔機織物的設計及織機開發(fā)

三維間隔機織物的設計及織機開發(fā)*

韓斌斌王益軒

(西安工程大學機電工程學院，西安，710048)

摘要：以碳纖維矩形截面間隔機織物為研究對象，介紹其織物結構、織造過程及原理，并進行織機的開發(fā)，為三維間隔機織物復合材料的開發(fā)、預成型件織造及織機的開發(fā)提供參考依據。

關鍵詞：碳纖維，矩形截面間隔機織物，織機，復合材料，預成型件

中圖分類號：TS103.3文獻標志碼：A

收稿日期：2014-05-16

作者簡介：韓斌斌，男，1985年生，在讀碩士研究生。研究方向為CAD/CAE/CAM及虛擬樣機技術。

傳統(tǒng)的輕質復合材料多為蜂窩夾心結構和泡沫夾心結構。復合材料預成型件的加工主要是采用鋪層縫制的方法，這種預成型件在使用過程中通常會因低速沖擊或剪切載荷等原因發(fā)生分層破壞[1]。為了克服這些不足，可采用三維織造方法織造三維間隔織物結構作為復合材料預成型件。該結構不僅具有輕質高強的特性，還具有良好的整體性、層間性及抗沖擊等性能[2]。

目前關于針織間隔織物的研究比較成熟，機織間隔織物的報道還比較少[3]。三維編織技術可生產各種形式的間隔織物，但對復合材料的損傷較大，不適合生產復合材料織物。非織造方式生產的間隔織物以短纖維為主，對材料力學性能的利用率較低。而三維機織間隔織物由于可在普通設備或稍加改造的普通設備及專用設備上生產，生產效率較高，并且容易實現(xiàn)產業(yè)化，因此是所有三維紡織品中最有應用前景的產品[4]。

三維間隔機織物的截面形狀有很多種，例如矩形、鋸齒形、六邊形等。我們開發(fā)的三維織機是在傳統(tǒng)織機的基礎上改造而成的，主要針對開口機構、引緯機構及打緯機構進行改造。開口機構中可采用多頁綜框或多眼綜絲；引緯機構根據織機幅寬的不同而有所不同，如織機幅寬為100 cm時，可采用多劍桿剛性引緯和導桿機構，幅寬為190 cm時，可采用導桿機構和電磁引緯；打緯機構主要采用六連桿機構，該機構有長筘座腳和短筘座腳之分。

*陜西省教育廳產業(yè)化培育項目(2013JC17)

通信作者：王益軒，E-mail: wyingping886@126.com

本文所設計的三維間隔機織物的截面形狀為矩形，該織物具有良好的綜合性能。織機的幅寬為100 cm，開口機構采用多頁綜框方式，引緯機構采用多劍桿剛性引緯方式，打緯機構采用長筘座腳的六連桿機構。矩形截面三維間隔機織物的設計和織機開發(fā)，可為更復雜織物結構的設計及不同幅寬織機的開發(fā)提供參考。

1間隔機織物的結構設計

織物結構的設計要根據織物的用途,選擇相應性能的材料,確定工藝參數(shù),使織物最終獲得最佳的性能,并具有良好的尺寸穩(wěn)定性、適應性和成型性[2]。本文所設計的矩形截面三維間隔機織物的結構主要由上、下層織物及中間織物組成，如圖1所示。從機織物的主視圖(a)中可以看出，中間織物和上、下層織物連續(xù)交織，使織物在交織處具有較高的強度；中間織物的經紗在高度的一半處進行交織，使其具有良好的穩(wěn)定性。

間隔機織物結構的上層和下層織物的結構形式采用緯肋組織，與其他組織結構相比，緯肋組織具有良好的抵抗滑移變形的能力，如圖1(c)所示。采用兩層緯紗織造的方式，減小了經向紗線在交織處的卷曲率，大大提高了織物的力學性能；與此同時，在經向加入了非交織的直經紗，提高了織物在經向的拉伸強度及彈性模量。(經向是指供應經紗的方向，緯向是指供應緯紗的方向。)

圖1　矩形截面三維間隔機織物結構

由于上、下層織物上經紗和緯紗交織的結果，使中間織物的經密度明顯小于上、下層織物，如圖1(b)所示，降低了中間織物的力學性能。為了避免在經密度上存在較大的差異，選擇平紋組織作為中間織物的結構，因為平紋組織具有最大的經緯紗交織點數(shù)，和其他組織結構相比具有最高的強度和硬度。但平紋組織易出現(xiàn)高度卷曲的纖維，與相似的直纖維部分相比，剛度下降可高達15%。

織物中的經紗層數(shù)越多，其力學性能越好，且緯向力學性能優(yōu)于經向[2]。采用兩根緯紗的交織方式，可減小經紗的彎曲程度，降低中間織物上經紗的卷曲率，提高平紋組織的剛度。中間織物在厚度方向上填充的直經紗，使其具有較好的抗壓性能。為了避免由于上、下層織物經緯交織率明顯高于中間織物而造成織物之間性能的差異較大，中間織物采用四層緯紗與經紗交織的方式。采用這種方式織造的間隔織物，中間織物和上、下層織物的力學性能相差不多，甚至更優(yōu)于它們，真正實現(xiàn)了對間隔織物結構輕質高強的要求。

2間隔機織物的織造過程

矩形截面間隔機織物的結構見圖2，其織造由三個過程組成：①上、下層織物的織造，見圖3；②中間織物的織造，見圖4；③間隔織物的形成，見圖5。箭頭方向代表織物的運動方向。

圖2　矩形截面間隔機織物結構

圖3　上、下層織物的織造

圖4　中間織物的織造

圖5　間隔織物的形成

3間隔機織物的織造原理

矩形截面間隔機織物的織造原理如圖6所示：經紗從經軸1、2、3、4上退繞下來，通過張力調節(jié)桿5、6、7、8的調節(jié)后，使經紗保持一定的張力，再經過分紗裝置9分紗，進入織造區(qū)域進行織造。經軸3、4供應的紗線用于中間織物的織造，經軸1、2供應的紗線用于上、下層織物的織造。在織造上、下層織物(圖3)時，額外卷取輥12保持靜止，卷取裝置15憑借卷取輥14和織物之間的摩擦力驅動織物向前運動，移動的距離等于中間織物的間距。為了保持間隔織物的形狀，在織物和卷取輥14接觸前將支撐桿16插入到織物中，織物和卷取裝置15完全脫離后才將支撐桿16取出。在織造中間織物(圖4)時，卷取裝置15保持靜止，額外卷取輥12向上運動，移動的距離等于中間織物高度的一半。在形成間隔織物(圖5)時，額外卷取輥12向下運動回到初始位置，同時經軸1、2在伺服電機的控制下反轉，將在織造中間織物時送出的經紗再次卷繞到經軸上，形成間隔織物。上述過程的循環(huán)即可織造出間隔機織物。

1、2、3、4——經軸；　5、6、7、8——張力調節(jié)桿； 9——分紗裝置；　　10——綜框；　　11——鋼筘； 12——額外卷取輥；13——導布輥；　14——卷取輥； 15——卷取裝置；　16——支撐桿 圖6　矩形截面間隔織物的織造原理

4織機的開發(fā)

目前我們已經完成三維織機虛擬樣機整機模型的建立。為了保證模型的準確性，各機構尤其是開口、引緯及打緯機構中連桿的尺寸均是在參照現(xiàn)有織機連桿尺寸的基礎上，在ADAMS中進行仿真及優(yōu)化，并在ANSYS中進行靜、動態(tài)分析后確定的。但是整機的外觀和造型還有待改進，同時尚未進行整機的仿真及調試。

織造間隔機織物的織機主要由開口機構、引緯機構、打緯機構、送經機構、卷取機構及控制系統(tǒng)組成，下面分別進行介紹。

4.1　開口機構

4.1.1開口裝置

三維矩形截面間隔機織物的織造需要配備20頁綜框，其中8頁綜框用于中間織物的織造，處于3個位置；其余12頁綜框用于上、下層織物的織造，處于2個位置。

開口機構是織機的五大機構之一，是形成織物所必需的重要機構。開口機構采用電子開口裝置，最多可安裝32頁綜框，每頁綜框單獨由一臺伺服電機驅動,即在電子開口機構上安裝多少頁綜框,就能產生多少種不同的運動軌跡,不僅可以織造矩形截面間隔機織物，還可以織造更加復雜的三維織物。綜框間距為12 mm，整個開口裝置只占384 mm的空間，使機構更加緊湊。最大開口量為157 mm，較大的開口量增加了織造織物品種的適應性。

4.1.2綜框

綜框是開口機構中最重要的部件，同時也是最薄弱的部件。綜框動態(tài)特性的好壞不僅影響織物的質量，也影響織造效率，因此選用哪種材質的綜框很重要。碳纖維復合材料綜框比碳纖維與鋁合金復合綜框及鋁合金綜框的動態(tài)特性好，但是碳纖維復合材料綜框的價格昂貴；碳纖維與鋁合金復合綜框的動態(tài)特性介于兩者之間，而價格僅比同規(guī)格的鋁合金綜框高30%左右。相比之下，碳纖維與鋁合金復合綜框的性價比較高，因此選用這種材質的綜框。

4.2　引緯機構

針對不同幅寬的織物，采用不同的引緯方式，如剛性劍桿引緯、導桿機構引緯、電磁引緯等。本文僅介紹織造幅寬為100 cm織物的引緯方式，可以使用剛性劍桿引緯和導桿機構引緯，這里著重介紹前者。

采用PL-SSRR型剛性劍桿引緯機構(但是打緯機構并未采用圖7中的四連桿打緯機構，即四連桿機構O5GIO4)，雙側布置，送緯劍裝于供緯側，接緯劍裝于另一側，每側同時引4支劍，采用中央交接的引緯方式。該機構主要由平面四連桿機構O5GIO4和O6EHO7、搖桿滑塊機構O1CDF及空間連桿AB組成。W平面是指XO4Y平面，代表兩組平面四連桿機構的運動平面；V平面是指YO4Z平面；V’平面是指搖桿滑塊機構O1CDF相對于搖桿(筘座)O4NM的運動平面，且該平面始終垂直于平面W,V’的鉛垂位置是V平面，如圖7所示。

W平面——XO 4Y平面；V平面——YO 4Z平面； V’平面——Y’NZ’平面；O 5GIO 4——W平面曲柄搖桿機構； O 6EHO 7——W平面曲柄搖桿機構； O 1CDF——V’平面搖桿滑塊機構； AB——連接W平面的連桿EHB和V’平面的搖桿O 1A空間運動的連桿 圖7　PL-SSRR型剛性劍桿引緯機構

引緯機構的工作原理：主軸O5通過曲柄搖桿機構O5GIO4使搖桿O4NM相對于O4點擺動，同時借助帶傳動方式傳動軸O6。軸O6通過曲柄搖桿機構O6EHO7帶動連桿EHB作平面運動。空間連桿AB通過球面副A和B將連桿EHB與角形擺臂CO1A連接起來，并將連桿運動傳遞給角形擺臂。角形擺臂CO1A的短臂O1A繞O1點上下擺動時，角形擺臂的長臂O1C就帶動投劍桿FD左右擺動，驅動劍桿FK往復擺動，投劍桿的D點則在滑槽內上下運動[5-6]。

4.3　打緯機構

織機的打緯機構一般采用四連桿、六連桿及共軛凸輪打緯機構。四連桿打緯機構結構簡單,制造容易,但不能保證在打緯后死心位置有較長的停頓時間;共扼凸輪打緯機構可使筘座在后死心位置處完全靜止，并且根據需要靜止時間可達200°以上，較長的靜止時間非常有利于引緯，但凸輪的安裝及制造精度很高；六連桿打緯機構既能保證筘座在打緯后死心位置附近有較長的停頓時間，又具有良好的機構動態(tài)性能及制造安裝性能[7-8]。

六連桿打緯機構的筘座腳又有長短之分，對于長筘座腳的六連桿打緯機構與四連桿機構相比優(yōu)勢并不是非常明顯，但是短筘座腳的六連桿打緯機構的性能明顯地優(yōu)于四連桿機構，該機構的筘座在后死心位置處的靜止時間可達160°，同時機構運動較為平衡，具有良好的動態(tài)特性。

引緯機構采用導桿機構和電磁引緯方式時，可以使用短筘座腳的六連桿打緯機構。本文采用PL-SSRR型剛性劍桿引緯機構，因此可以使用長筘座腳的六連桿或四連桿打緯機構。

4.4　送經機構

采用積極式送經方式，經軸通過伺服電機的控制將經紗順利地退繞下來，然后借助張力桿的調節(jié)作用達到織造過程中對經紗張力的要求后進入織造區(qū)域。采用4個經軸供應紗線，保證織造時充足的紗線供應。每個經軸由單獨的伺服電機控制，有利于對每個經軸靈活地控制。織造上、下層織物的經紗張力大于織造中間織物的經紗張力，為了滿足不同的經紗張力要求，在每個經軸上配置一個張力裝置。

4.5　卷取機構

4.5.1卷取裝置

由于織物具有一定的厚度，相比較而言織物的重量增大，如果采用常規(guī)的卷取輥進行卷取，可能會出現(xiàn)織物和卷取輥之間出現(xiàn)打滑的現(xiàn)象(即織物的牽引力不能克服織物的阻力，此牽引力由卷取輥和織物之間的摩擦力提供)，不僅不能將織物順利地引離，而且還會損傷織物表面。

為了避免這種現(xiàn)象的發(fā)生，我們開發(fā)了一種卷取裝置，見圖6中的15。該裝置由三對卷取輥14組成，上、下一對卷取輥由一臺伺服電機驅動，該裝置安裝3臺相同的伺服電機，既保證了每排卷取輥運動的同步，又保證了每對卷取輥運動的同步，有利于織物平整、順利地引離。在卷取過程中為了保持織物的形狀，在織物和卷取輥接觸前插入支撐桿16，等織物與卷取裝置完全脫離后再將支撐桿16取出。還可以在織物卷取前涂上樹脂，在卷取的同時對織物進行加熱固化，直接制成預制件。

4.5.2額外卷取機構

額外卷取機構也是織造間隔織物所必需的機構，見圖6。該機構主要由額外卷取輥12和導向輥13組成。額外卷取輥12由伺服電機控制在豎直方向上移動，其動程等于中間織物高度的一半。在織造中間織物時額外卷取輥向上運動，在形成間隔織物時額外卷取輥向下運動回到初始位置。

4.6　控制系統(tǒng)

三維織機上共配備了44臺伺服電機，每臺電機在不同的時段運動情況有所不同。為了保證織機準確的時序控制，以及織造過程的順利進行，控制系統(tǒng)采用了貝加萊伺服器。貝加萊伺服控制器采用模塊化設計，擁有強大的多軸控制功能及強大的集成軟件平臺Automation Studio的支持等優(yōu)點[9]。

5間隔織物與織機的特點

本文設計的矩形截面間隔機織物的材料為碳纖維，上、下兩層織物之間的距離為30 mm，中間織物的間距為45 mm。

5.1　間隔織物與織機的優(yōu)點

(1)在間隔機織物結構設計上，中間織物和上、下層織物連續(xù)交織，使織物在交織處具有較高的強度；中間織物的經紗在高度的一半處進行交織，使其具有良好的穩(wěn)定性；整個織物都填充了直經紗，提高了上、下層織物在經向的拉伸強度和中間織物在厚度方向的抗壓強度；織物上采用了雙緯紗與經紗交織的方式，既降低了經紗的卷曲率，又大大提高了織物的力學性能；中間織物的緯紗數(shù)量是上、下層織物的2倍，克服了以往間隔織物厚度方向強度低的缺陷；織物的經緯密度都比較大。總之，該織物結構具有優(yōu)良的性能。

(2)采用4個經軸送經的方式，為織造過程提供大量充足的紗線，克服了2個經軸分紗困難的缺陷。每個經軸上退繞下來紗線的張力分別由單獨的張力桿控制，容易實現(xiàn)織造時對紗線張力的要求，即上、下層織物的經紗張力較中間織物的經紗強力大。

(3)采用最多可安裝32頁綜框的電子開口裝置，保證了開口的清晰度、機構的緊湊性，以及織物品種的適應性。較多的綜框頁數(shù)足以保證矩形截面間隔機織物的順利織造，但為了提高開口的清晰程度以及滿足織造更復雜織物的需要，在經紗進入織造區(qū)域前安裝了分紗裝置。

(4)織機的引緯機構上不僅僅只能安裝4支劍，還可以安裝更多的劍，同時配合32頁綜框的電子開口機構，織造的織物緯密度更大、組織結構更加復雜、力學性能更加優(yōu)良。

(5)卷取過程中為了保持織物的形狀，在織物和卷取輥接觸前插入支撐桿，等織物與卷取裝置完全脫離后將支撐桿取出。也可以在織物卷取前涂上樹脂，在卷取的同時對織物進行加熱固化，直接進行預成型。

(6)獨特的額外卷取機構是織造間隔織物的關鍵機構。

(7)開發(fā)了卷取裝置，采用3對卷取輥進行卷取，并且各個卷取輥的運動同步，保證了織物順利、平整地引離。

(8)選用性價比較高的碳纖維與鋁合金復合綜框，為減少碳纖維在綜框中的磨損，采用德國生產的適織碳纖維的綜絲。

(9)控制系統(tǒng)采用了貝加萊伺服器，保證織機準確的時序控制，以及織造過程的順利進行。

5.2　存在的不足

(1)當織物的幅寬為100 cm時，采用剛性劍桿引緯方式。如果織物的幅寬增大，則必須考慮采用其他引緯方式，如導桿引緯、電磁引緯等。

(2)織機的運動配合復雜，紗線之間的交織摩擦力大，而且碳纖維的脆性較大，在織造過程中纖維極易被損傷，因此極大地限制了織造的效率。

(3)適織碳纖維綜絲的價格昂貴。

(4)支撐桿在間隔織物中要能順利地插入和取出且不損傷織物，因此要合理設計支撐桿的外形、插入端的形狀以及支撐桿的運動控制機構。

(5)整機運動的時序控制比較復雜，進行虛擬樣機仿真時費時、費力。

參考文獻

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[9]李寧波.貝加萊運動控制技術在多軸向鋪緯經編機中的應用[J].伺服控制，2012(7)：93-96.

The design of three-dimensional spacer fabrics and

the development of related loom

HanBinbin,WangYixuan

(School of Mechanical and Electrical Engineering, Xi’an Polytechnic University)

Abstract:The rectangular spacer woven fabric of carbon fiber was studied and its structure, weaving process and principle were also introduced. Meanwhile, the research and development of related loom were discussed mainly to provide the references for the development of three-dimensional spacer fabric composite and the weaving of preform in future.

Keywords:carbon fiber, rectangular spacer fabric, loom, composite material, preform