碳纖維多層角聯(lián)機(jī)織裝備的集成設(shè)計(jì)

劉 薇， 蔣秀明， 楊建成， 劉國輝， 侯仰強(qiáng)

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300387； 2. 天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 天津 300387)

碳纖維多層角聯(lián)機(jī)織裝備的集成設(shè)計(jì)

劉 薇1，2， 蔣秀明1，2， 楊建成1，2， 劉國輝2， 侯仰強(qiáng)2

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室, 天津 300387； 2. 天津工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院, 天津 300387)

針對(duì)碳纖維多層角聯(lián)織物的特殊要求，運(yùn)用三維建模及虛擬樣機(jī)模擬仿真，優(yōu)化零部件設(shè)計(jì)和動(dòng)力學(xué)性能，研制了一套碳纖維多層角聯(lián)機(jī)織裝備。設(shè)計(jì)的30層多經(jīng)軸張力補(bǔ)償送經(jīng)系統(tǒng)適用于不同織造工藝要求；電子提花與多臂復(fù)合式開口裝置，實(shí)現(xiàn)了多層經(jīng)紗三位置開口；引緯機(jī)構(gòu)采用自動(dòng)尋口技術(shù)，解決了一套機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)高低不同梭口的逐層引緯問題；打緯機(jī)構(gòu)可實(shí)現(xiàn)逐層、多層一次及多次重復(fù)打緯，解決了打緯對(duì)經(jīng)向碳纖維磨損及織物緯密的問題。研究成果可降低碳纖維織物的制造成本，并為碳纖維復(fù)合材料骨架織造技術(shù)提供了機(jī)織裝備解決方案。

碳纖維； 多層角聯(lián)； 織機(jī)； 張力補(bǔ)償

由于碳纖維復(fù)合材料獨(dú)特卓越的性能，在航空領(lǐng)域，特別是飛機(jī)制造業(yè)中被應(yīng)用廣泛[1]。角聯(lián)機(jī)織技術(shù)是在多層經(jīng)紗織造技術(shù)基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新型復(fù)合材料骨架織造技術(shù)。碳纖維織物成品具有厚度厚、表面不耐磨及層數(shù)多等特點(diǎn)，織造時(shí)要求經(jīng)紗始終具有張力并保持張緊狀態(tài)，因此對(duì)裝備的設(shè)計(jì)研究有特殊的要求。

為研究碳纖維多層織造技術(shù)，本文研制了具有完全獨(dú)立知識(shí)產(chǎn)權(quán)的碳纖維角聯(lián)機(jī)織裝備。整個(gè)裝備包括多經(jīng)軸恒張力送經(jīng)機(jī)構(gòu)、電子提花和氣動(dòng)驅(qū)動(dòng)綜框配合的開口機(jī)構(gòu)、雙向雙劍桿引緯機(jī)構(gòu)、曲柄搖桿與連桿滑塊組合的打緯機(jī)構(gòu)、用于變厚度織物卷取的機(jī)上配羅拉、機(jī)外配鋼絲繩牽拉卷取機(jī)構(gòu)。

1 碳纖維多層織機(jī)整機(jī)分析

1.1 織物結(jié)構(gòu)特性分析

由于碳纖維具有：1)質(zhì)量輕但強(qiáng)度高； 2)剛度大但伸長小；3)不能承受較大的徑向摩擦等特征[2]，普通的織機(jī)無法完成對(duì)碳纖維的編織，尤其角聯(lián)鎖增強(qiáng)織物的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，如圖1所示。碳纖維角聯(lián)機(jī)織裝備是根據(jù)織物組織結(jié)構(gòu)的特殊性能要求而設(shè)計(jì)出的多層織造裝備。

1.2 整機(jī)裝備工作原理

碳纖維角聯(lián)機(jī)織裝備是一種全新的設(shè)計(jì)，在織造工藝動(dòng)作要求和機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)上比以往的織機(jī)更為復(fù)雜，解決了多層織物逐層引緯一次成型等相關(guān)技術(shù)難題，整機(jī)裝備由開口、送經(jīng)、引緯、打緯和卷取五大核心裝置組成。根據(jù)碳纖維的材料特性及多層角聯(lián)鎖織物的組織結(jié)構(gòu)，系統(tǒng)的設(shè)計(jì)遵循多電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)為主，減少機(jī)械結(jié)構(gòu)，采用鋼件減少鑄件，使用更多標(biāo)準(zhǔn)件的原則。系統(tǒng)的工作原理如圖2所示。經(jīng)紗從織軸上退繞下來，通過張力補(bǔ)償裝置及攏紗，再穿過綜絲孔眼，由綜絲控制其上下運(yùn)動(dòng)形成梭口，此時(shí)引緯器夾著緯紗引緯并在織口處交織形成織物，最終卷取形成布卷[3]。

圖1 角聯(lián)鎖增強(qiáng)織物結(jié)構(gòu)圖Fig.1 Angle interlock fabric reinforced structure diagram

圖2 碳纖維多層角聯(lián)織機(jī)原理示意圖Fig.2 Carbon fiber multilayer diagonal loom schematic diagram

2 送經(jīng)機(jī)構(gòu)原理

2.1 送經(jīng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

碳纖維多層角聯(lián)織物的特點(diǎn)為經(jīng)紗密度高、根數(shù)多、經(jīng)紗張力可控、損傷少、碳纖維保持平展形態(tài)等，因此送經(jīng)機(jī)構(gòu)可采用多織軸積極式連續(xù)送經(jīng)、消極式張力補(bǔ)償控制，從而滿足不同織物結(jié)構(gòu)及不同經(jīng)紗種類的送經(jīng)要求。

比較筒子架和經(jīng)軸式送經(jīng)裝置，經(jīng)軸式送經(jīng)有利于保持經(jīng)紗平展，可主動(dòng)控制張力，較好地滿足碳纖維多層角聯(lián)織機(jī)的送經(jīng)要求。在送經(jīng)機(jī)構(gòu)中，通過張力部件提供恒定的紗線張力，保證碳纖維在織造過程中的繃緊狀態(tài)，在儲(chǔ)存開口運(yùn)動(dòng)時(shí)所需要的紗線用量同時(shí)，也可保證在進(jìn)行開口運(yùn)動(dòng)時(shí)多余紗線用量可由張力部件進(jìn)行補(bǔ)償。

在碳纖維多層角聯(lián)織機(jī)中，送經(jīng)機(jī)構(gòu)為開口運(yùn)動(dòng)提供了保持紗線張力恒定的儲(chǔ)存量，而且可有效地降低碳纖維的磨損。送經(jīng)機(jī)構(gòu)作為織機(jī)五大核心裝置之一，直接關(guān)系到其余4個(gè)部分的運(yùn)動(dòng)，在保證紗線恒張力、無磨損上起著至關(guān)重要的作用。相比普通織機(jī)的送經(jīng)機(jī)構(gòu)，多層角聯(lián)織機(jī)的多經(jīng)軸恒張力送經(jīng)機(jī)構(gòu)更為復(fù)雜。在碳纖維多層經(jīng)紗的角聯(lián)交織過程中，送經(jīng)機(jī)構(gòu)保證了多層碳纖維在輸送中的平展，在較少磨損紗線的同時(shí)，保證每層經(jīng)紗的紗線張力恒定。

2.2 送經(jīng)機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)

在送經(jīng)部件的傳動(dòng)設(shè)計(jì)中，為便于更換經(jīng)紗盤頭，送經(jīng)主軸采用中間支撐、兩端懸臂的支撐方式。為保證織造速度、織造種類可調(diào)以及剎車靈敏等優(yōu)點(diǎn)，系統(tǒng)采用伺服電動(dòng)機(jī)加2級(jí)減速的傳動(dòng)方案，第1級(jí)為行星齒輪減速器，第2級(jí)為蝸輪蝸桿減速箱，由蝸輪帶動(dòng)送經(jīng)主軸傳動(dòng)。

以60根送經(jīng)主軸為例，為盡量降低送經(jīng)部件高度，設(shè)計(jì)時(shí)采用單元式布置方式，圖3示出紗路設(shè)計(jì)圖。采用6×10的行列布置方式，縱向每6根主軸組成1個(gè)小裝配單元，2個(gè)小裝配單元組成1個(gè)大裝配單元，送經(jīng)部分共包括5個(gè)大裝配單元，這樣不僅方便經(jīng)紗對(duì)稱進(jìn)入張力補(bǔ)償裝置，同時(shí)還減少占地面積。在張力部件的設(shè)計(jì)中，為避免經(jīng)紗與過紗輥之間產(chǎn)生滑動(dòng)摩擦，減少碳纖維的磨損，將過紗輥設(shè)計(jì)成內(nèi)外獨(dú)立式結(jié)構(gòu)，內(nèi)層為支撐軸，內(nèi)外層之間由滾針軸過渡。張力部件的作用是提供經(jīng)紗織造時(shí)的張力，并儲(chǔ)存因開口、綜平及卷取運(yùn)動(dòng)引起的經(jīng)紗長度的變化量。為使經(jīng)紗織造時(shí)始終保持緊繃狀態(tài)，在擺動(dòng)輥上設(shè)置回?cái)[彈簧，結(jié)構(gòu)如圖4所示。通過調(diào)節(jié)回?cái)[彈簧的壓縮長度實(shí)現(xiàn)對(duì)經(jīng)紗上機(jī)張力的調(diào)節(jié)。

圖3 紗路設(shè)計(jì)圖Fig.3 Yarn path design

圖4 雙輥擺動(dòng)式張力補(bǔ)償裝置機(jī)構(gòu)示意圖Fig.4 Schematic diagram of double roller swing type tension compensation device mechanism

其中，回?cái)[彈簧剛度系數(shù)的計(jì)算是根據(jù)開口處提綜機(jī)構(gòu)對(duì)單根紗線施加的提綜力與最大擺動(dòng)時(shí)彈簧壓縮量來計(jì)算的，并留有30%的安全域度。在織造幅寬較低即每層紗線數(shù)量較少時(shí)，紗輥連接件的提綜力矩難以克服回?cái)[彈簧的回?cái)[力矩，此時(shí)，可在配重輥處增加配重，以達(dá)到平衡彈簧恢復(fù)力矩的作用，保證織造的正常進(jìn)行。

2.3 紗路圖設(shè)計(jì)

碳纖維多層角聯(lián)織機(jī)送經(jīng)機(jī)構(gòu)各部件的排列順序依次為：送經(jīng)部件→張力部件→攏紗機(jī)構(gòu)。

攏紗部件的主要作用是將送經(jīng)機(jī)構(gòu)送出的多層經(jīng)紗集中到一定高度范圍內(nèi)，方便出入主機(jī)。由于紗線層數(shù)較多，需合理分配每根主軸對(duì)應(yīng)的張力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)與攏紗輥，保證各層經(jīng)紗不出現(xiàn)交叉和黏連，且不能產(chǎn)生過大折角，遵照上述原則，整體紗路設(shè)計(jì)見圖3。

3 開口裝置設(shè)計(jì)

3.1 開口機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

由于電子提花開口機(jī)構(gòu)的幅寬是由電子提花機(jī)龍頭的寬度決定的，且要求每根經(jīng)紗運(yùn)動(dòng)都可單獨(dú)控制，因此系統(tǒng)能適應(yīng)不同織物幅寬與織物花型的織造[4]，同時(shí)電子提花機(jī)能實(shí)現(xiàn)對(duì)上萬根經(jīng)紗的單獨(dú)控制，這是其他開口機(jī)構(gòu)不可能完成的任務(wù)。對(duì)于30層碳纖維增強(qiáng)角聯(lián)織物，經(jīng)紗達(dá)到89層(其中60層接結(jié)紗和29層襯經(jīng)紗)，如果使用綜框控制，將最少需要60頁綜框，每頁綜框?qū)挾劝?2 mm計(jì)算，排列起來寬度為708 mm，則最后1頁綜框的開口量將很大，根本無法織造，所以必須采用電子提花開口機(jī)構(gòu)解決上述問題。

以4層角聯(lián)鎖織物織造為例，如圖5所示，需要對(duì)2排經(jīng)紗加大提升動(dòng)程，以便這2層經(jīng)紗能夠?qū)⒄麄€(gè)織物上下捆綁形成整體結(jié)構(gòu)。為此，設(shè)計(jì)帶有4頁綜框的串聯(lián)式氣缸多臂開口機(jī)構(gòu)，利用串聯(lián)式氣缸的活塞桿伸縮拉動(dòng)鋼絲繩，通過鋼絲繩來帶動(dòng)綜框上下運(yùn)動(dòng)，由連接在綜框上的綜絲帶動(dòng)穿在綜絲內(nèi)的經(jīng)紗實(shí)現(xiàn)經(jīng)紗提升[5]。

圖5 4層角聯(lián)鎖織物側(cè)向截面圖Fig.5 Four layers of angle interlock fabric lateral section

3.2 提花-多臂開口機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)了一套專門適用于30層碳纖維織造的提花-多臂復(fù)合式開口裝置，滿足了特殊開口要求。在確定提花機(jī)針數(shù)與提花機(jī)龍頭的安裝高度基礎(chǔ)上，對(duì)提花機(jī)主軸進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析，確定主軸力矩的大小及串聯(lián)式多臂開口機(jī)構(gòu)具體結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)采用自下而上的設(shè)計(jì)方法進(jìn)行產(chǎn)品建模，逐級(jí)向上遞推，最后完成產(chǎn)品的總裝配圖，如圖6所示。

注：1、16—串聯(lián)式氣缸； 2、15—提綜臂； 3、4、7、10、13、14—滑輪； 5、6、8、9、11、12—提綜鋼絲。圖6 串聯(lián)式多臂開口機(jī)構(gòu)裝配與模型圖Fig.6 Assembly drawing (a) and model diagram (b) of tandem dobby shedding mechanism

串聯(lián)式氣缸多臂開口機(jī)構(gòu)以串聯(lián)式氣缸為動(dòng)力源，氣缸一端與提綜臂鉸接，工作時(shí)氣缸軸伸長，開口臂的左端受壓而繞固定軸旋轉(zhuǎn)，提綜臂右端與提綜鋼絲相連，繞過2個(gè)滑輪與綜框連接。由于鋼絲繩的另一端和綜框連接，只要開口臂轉(zhuǎn)動(dòng)，綜框就能實(shí)現(xiàn)上下移動(dòng)。每1個(gè)氣缸控制1頁綜框，共有4頁綜框。每個(gè)提綜臂控制2根提綜鋼絲，2根提綜鋼絲分別連接在綜框的左右兩端，通過一個(gè)串聯(lián)式氣缸控制綜框的提升運(yùn)動(dòng)。下降運(yùn)動(dòng)采用消極式彈簧回綜。開口機(jī)構(gòu)通過鋼絲繩與導(dǎo)輪的連接可把開口臂的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換成鋼絲繩的垂直移動(dòng)[6]。此外，通過調(diào)節(jié)鋼絲繩的長短以及氣缸的動(dòng)程可控制開口的位置。本文設(shè)計(jì)保證了氣缸、提綜臂、帶輪，以及該氣缸控制的綜框在一個(gè)平面內(nèi)，從而保證綜框能夠順利地提升且不會(huì)對(duì)綜框兩側(cè)滑道產(chǎn)生過大的摩擦，進(jìn)而避免引起提綜臂受力過大，影響提綜臂壽命。

提花機(jī)可實(shí)現(xiàn)同時(shí)對(duì)2萬多根經(jīng)紗的運(yùn)動(dòng)控制，而且每根經(jīng)紗的運(yùn)動(dòng)都是通過單獨(dú)的綜絲控制，適用于多層復(fù)雜角聯(lián)織物的織造。

3.3 系統(tǒng)仿真分析

采用Solidworks軟件進(jìn)行碳纖維多層角聯(lián)織機(jī)各機(jī)構(gòu)部件的三維建模，并利用ANSYS軟件進(jìn)行結(jié)構(gòu)靜力分析，最后應(yīng)用ADAMS軟件進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真，在碳纖維多層角聯(lián)織機(jī)送經(jīng)機(jī)構(gòu)的現(xiàn)代設(shè)計(jì)與制造過程中，提高了設(shè)計(jì)工作效率，降低了設(shè)計(jì)成本，確保了產(chǎn)品質(zhì)量[7]。仿真流程如圖7所示。

圖7 聯(lián)合仿真流程圖Fig.7 Flow chart of combined simulation

系統(tǒng)仿真時(shí)，在ANSYS中生成柔性體文件.mnf，導(dǎo)出來的.mnf文件可直接在ADAMS中打開，完成了2個(gè)軟件完美對(duì)接[8]。應(yīng)用Solidworks軟件對(duì)串聯(lián)式多臂開口機(jī)構(gòu)的提綜臂建模，保存的文件導(dǎo)入到ADAMS軟件中，對(duì)滑輪、綜框以及回綜彈簧進(jìn)行簡化處理。由于柔性體鋼絲繩與滑輪是一個(gè)無滑動(dòng)的摩擦連接，在ADAMS中可采用齒輪齒條的約束方式替代，并假設(shè)綜框是一個(gè)質(zhì)量方塊，鋼絲繩一端連接在方塊的重心處。彈簧加入到質(zhì)量塊的下表面中間位置，將各部件導(dǎo)入到ADAMS中并施加好約束，串聯(lián)式多臂開口機(jī)構(gòu)連接方式如圖8(a)所示。

圖8 開口機(jī)構(gòu)ADAMS動(dòng)力學(xué)分析Fig.8 ADAMS Dynamics analysis of shedding mechanism. (a) Shedding mechanism connection diagram; (b) Heald frame change curve of velocity of center of mass; (c) Heald frame change curve of centroid displacement

通過仿真得到綜框質(zhì)心速度和位移曲線，如圖8(b)、(c)所示。從速度曲線圖可看出，開始階段氣缸在很短時(shí)間內(nèi)速度發(fā)生突變，但由于彈簧以及鋼絲繩的緩沖作用，速度突變相應(yīng)的減少了，隨后速度成拋物線變化，是符合實(shí)際需要的；通過質(zhì)心位移曲線圖可看到綜框的運(yùn)動(dòng)曲線比較平滑，這樣對(duì)減少紗線的剪切損傷是很有利的。

通過對(duì)提花機(jī)主傳動(dòng)系統(tǒng)的設(shè)計(jì)以及串聯(lián)式氣缸多臂開口機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)與運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，保證了設(shè)計(jì)的合理性。實(shí)驗(yàn)證明：該開口裝置能夠很好地保證開口動(dòng)作有序進(jìn)行，開口動(dòng)作連續(xù)穩(wěn)定，梭口清晰，滿足工藝要求。

4 引緯裝置設(shè)計(jì)

4.1 引緯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

碳纖維材料的紡織工藝性較差，在織造過程中，纖維與纖維之間、纖維與編織機(jī)構(gòu)之間均會(huì)發(fā)生摩擦。同時(shí)在多層織物織造時(shí)，多層經(jīng)紗排列具有一定的厚度，導(dǎo)致不同紗層之間的開口位置在不斷的變化，這為緯紗的引入帶來一定的困擾[9]。

引緯機(jī)構(gòu)需要隨開口位置的不同而自動(dòng)進(jìn)行調(diào)整，同時(shí)由于經(jīng)紗層數(shù)較多，如要織造30層的織物則需要引緯30次(沿厚度方向排列)，效率較低。為提高織造效率，設(shè)計(jì)了一套附帶尋位裝置的多層自適應(yīng)式剛性雙劍桿引緯機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)引緯機(jī)構(gòu)按照開口位置的變換和不同層數(shù)的引緯。普通織機(jī)的雙劍桿引緯是由1個(gè)送緯劍和1個(gè)接緯劍組成，2個(gè)劍桿引1根緯紗。本文所設(shè)計(jì)裝備采用2個(gè)單劍桿，分別獨(dú)立完成1次引緯。引緯時(shí)，2個(gè)空劍桿分別從兩側(cè)各自運(yùn)動(dòng)到對(duì)面鉤住緯紗，然后將緯紗引入梭口，帶著緯紗原路返回完成引緯，這樣可大大地提高織機(jī)生產(chǎn)效率。

4.2 引緯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

該機(jī)構(gòu)主要包括3種裝置：劍帶傳動(dòng)裝置、升降裝置和劍頭裝置。劍帶傳動(dòng)裝置如圖9所示。采用伺服電動(dòng)機(jī)正反轉(zhuǎn)，經(jīng)過同步帶輪減速后驅(qū)動(dòng)齒輪齒條裝置進(jìn)而帶動(dòng)剛性劍帶完成水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)。該裝置在最大負(fù)載工作過程中，劍帶的變形量非常小，完全能夠承受緯紗引緯工作時(shí)的運(yùn)動(dòng)載荷，使其在工作過程中平穩(wěn)運(yùn)行且振動(dòng)小。升降裝置驅(qū)動(dòng)劍帶傳動(dòng)裝置移動(dòng)，滿足不同位置的引緯[10]。該裝置由伺服電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)，通過一組傳動(dòng)比為1∶3的同步輪對(duì)其進(jìn)行減速，再通過交角為80°的直齒圓錐齒輪機(jī)構(gòu)對(duì)其運(yùn)動(dòng)方向進(jìn)行角度的改變。滾珠絲杠與輸出斜齒輪連接，通過按一定角度的升降來滿足織物引緯點(diǎn)位置變化的要求。劍頭裝置采用滾動(dòng)導(dǎo)砂輪結(jié)構(gòu)，使緯紗在引緯的過程中減少磨損[11]。

注：1—齒輪齒條裝置； 2—?jiǎng)В?3—升降裝置連接處。圖9 碳纖維多層織機(jī)引緯機(jī)構(gòu)三維實(shí)體造型Fig.9 Carbon fiber multilayer loom weft insertion mechanism of 3-D solid modeling

為滿足劍帶和升降裝置運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)性，對(duì)所建模型進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)、動(dòng)力學(xué)分析和靜力學(xué)的仿真[12]，分析結(jié)果表明機(jī)構(gòu)滿足各部分工作要求。

5 打緯裝置設(shè)計(jì)

5.1 打緯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

碳纖維織機(jī)打緯機(jī)構(gòu)應(yīng)在滿足緯紗通過筘幅寬度時(shí)間要求的前提下，筘座擺動(dòng)幅度越小越好，從而減少筘片對(duì)經(jīng)紗的摩擦；當(dāng)緯紗在梭口中飛行時(shí)，筘座移動(dòng)的相對(duì)速度應(yīng)盡量小或靜止不動(dòng)；筘座的運(yùn)動(dòng)應(yīng)盡可能與開口、引緯配合，在滿足打緯條件下，盡量提供大的可引緯角[13]。

綜合考慮四連桿打緯機(jī)構(gòu)、六連桿打緯機(jī)構(gòu)、共軛凸輪打緯機(jī)構(gòu)3種打緯方式的優(yōu)缺點(diǎn)，創(chuàng)新設(shè)計(jì)了一套四連桿與曲柄滑塊結(jié)合的打緯機(jī)構(gòu)。

5.2 打緯機(jī)構(gòu)分析和實(shí)體建模

傳動(dòng)角的大小標(biāo)志著機(jī)構(gòu)傳動(dòng)性能的好壞，系統(tǒng)利用K-Ψ-a-(γmin)max線圖對(duì)打緯機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)。給定K與Ψ0值，改變a值，可分別求得I型曲柄搖桿機(jī)構(gòu)的最小傳動(dòng)角γmin值。應(yīng)用一維優(yōu)化方法可算得γmin為最大值(傳動(dòng)最佳值)時(shí)的a值。據(jù)此，可在2個(gè)平面直角坐標(biāo)系中分別繪制K-Ψ0-a與K-(γmin)max-a線圖，合并如圖10所示。

圖10 K-Ψ-a-(γmin)max線圖Fig.10 K-Ψ-a-(γmin)max line map

5.2.1 四連桿打緯機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程如圖11所示。首先根據(jù)搖桿長度及擺桿擺角Φ0作出搖桿的兩極位OBB1和OBB2，再作B1M⊥B1B2，作∠B1B2N=90°-θ，B1M與B2N交于P點(diǎn)，作△PB1B2的外接圓，則弧PB1B2上任意點(diǎn)OA到B2和B1的連線夾角∠B2OAB1均等于極位夾角θ，故曲柄軸心OA在圓弧B1F和B2G上各點(diǎn)均滿足設(shè)計(jì)要求，但機(jī)構(gòu)對(duì)應(yīng)各點(diǎn)的最小傳動(dòng)角的最大值各不相同。根據(jù)上述作圖方法，結(jié)合設(shè)計(jì)要求，通過優(yōu)化設(shè)計(jì)機(jī)構(gòu)，確定最佳傳動(dòng)角。

圖11 連桿機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)過程圖Fig.11 Linkage design process map

5.2.2 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖12 最佳傳動(dòng)角優(yōu)化圖Fig.12 Optimization of optimal transmission angle

5.2.3 打緯實(shí)體機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

四連桿+曲柄滑塊打緯機(jī)構(gòu)如圖13所示。由伺服電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)，使筘垂直于布面將一個(gè)斷面的緯紗平推入織口。機(jī)構(gòu)采用特殊傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)平行打緯，將多根緯紗同時(shí)打入織口且每根緯紗所受的打緯力度相等，而且還能保證筘座在后死心位置有足夠長的靜止時(shí)間。

注：1—四連桿機(jī)構(gòu)； 2—曲柄滑塊機(jī)構(gòu)。圖13 碳纖維多層織機(jī)打緯機(jī)構(gòu)的三維實(shí)體造型Fig.13 Carbon fiber multilayer loom beating-up mechanism of 3-D solid modeling

由于是織造多層碳纖維織物，打緯機(jī)構(gòu)需要提供足夠大的力，確保一次打緯把同一截面上的30根緯紗同時(shí)打入織口。

6 卷取機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)對(duì)碳纖維多層厚重織物的卷取，設(shè)計(jì)了一種新型定張力卷取機(jī)構(gòu)，根據(jù)織物厚度的不同采用2種不同的卷取方式。對(duì)厚層織物，采用平移式牽引機(jī)構(gòu)，靠氣缸的壓力使5組羅拉將織物壓緊，通過伺服電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)羅拉轉(zhuǎn)動(dòng)，從而把織物從織口平行的牽引出來；針對(duì)薄層織物，可直接借用噴氣織機(jī)上的卷取式卷取結(jié)構(gòu)。

針對(duì)碳纖維不耐磨且易折斷的特性，并保證在牽引的過程中羅拉對(duì)織物的牽引力足夠大，且不磨損織物[14]，設(shè)計(jì)該機(jī)構(gòu)由3部分組成：驅(qū)動(dòng)、雙搖桿加壓及5組羅拉部分，如圖14所示。雙搖桿加壓部分是由雙搖桿機(jī)構(gòu)組成，通過借鑒織機(jī)上的積極式凸輪開口機(jī)構(gòu)中的平面四連桿機(jī)構(gòu)，設(shè)計(jì)了雙搖桿力放大裝置，該裝置對(duì)織機(jī)的牽引有很大影響。五羅拉氣動(dòng)加壓卷取方式用于厚織物卷取，通過雙搖桿壓力放大機(jī)構(gòu)把氣缸輸出的力放大，施加到上層羅拉上，使上下羅拉將布?jí)壕o，再通過動(dòng)力系統(tǒng)將布從織口拉出。由于所需的牽引力較大，在織物與羅拉的摩擦因數(shù)一定的情況下，需要?dú)飧资┘幼銐虻膲毫Γ什捎秒p搖桿力放大機(jī)構(gòu)將氣缸的力進(jìn)行放大，再施加到羅拉上[15]。

注：1—羅拉; 2—雙搖桿。圖14 碳纖維多層織機(jī)卷曲機(jī)構(gòu)三維模型圖Fig.14 Carbon fiber multilayer loom mechanism of three-dimensional model diagram

7 儲(chǔ)緯及絞邊機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

儲(chǔ)緯機(jī)構(gòu)在設(shè)計(jì)上采用傳統(tǒng)的伺服電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)羅拉輥牽拉緯紗經(jīng)向退繞的方式，確保退繞過程緯紗無捻度變化；導(dǎo)軌滑塊儲(chǔ)緯，可精確地控制儲(chǔ)緯紗線的長度，保證滿足正常的引緯需求；光電探緯，同時(shí)配合上下限位傳感器，根據(jù)紗線的位置信息，可進(jìn)行相應(yīng)的故障處理等。另外采用緯紗氣動(dòng)脫劍技術(shù)，解決了單劍頭引雙緯與劍頭分離問題；采用獨(dú)特的雙向錯(cuò)層逐層引緯技術(shù)，解決了多層立體織物鎖邊問題。

8 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

整機(jī)的控制系統(tǒng)是一個(gè)高度自動(dòng)化的智能電控系統(tǒng)。系統(tǒng)采用CAN總線構(gòu)成集散控制網(wǎng)絡(luò)，進(jìn)行同步協(xié)調(diào)控制。主控單元由數(shù)字信號(hào)處理器(DSP)與現(xiàn)場可編程門陣列(FPGA)構(gòu)成，利用 CANopen協(xié)議將各單元有機(jī)地統(tǒng)一在一起，完成角聯(lián)織機(jī)各單元的動(dòng)作與協(xié)調(diào)。包括：升降伺服單元控制、卷取伺服控制、引緯伺服單元控制、提花伺服單元控制、打緯伺服單元控制、控制閥單元等，并通過系統(tǒng)整體的張力控制實(shí)現(xiàn)上述各單元的同步；人機(jī)界面采用觸摸屏和WinCE操作系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、織機(jī)狀態(tài)指示、生產(chǎn)報(bào)表統(tǒng)計(jì)、運(yùn)轉(zhuǎn)情況分析、故障記錄等功能，整個(gè)碳纖維多層角聯(lián)織機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖15所示。

圖15 系統(tǒng)整機(jī)控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)圖Fig.15 System control network structure diagram

1)送經(jīng)系統(tǒng)采用分布式多經(jīng)軸經(jīng)紗張力控制方法，研制了CAN現(xiàn)場總線與并行IO總線雙總線控制模式的多經(jīng)軸送經(jīng)控制及整機(jī)控制系統(tǒng)，解決了經(jīng)紗張力控制中非線性、時(shí)變性、多變量干擾等問題，且較好地攻克了張力與速度之間強(qiáng)耦合的同步控制技術(shù)難題，實(shí)現(xiàn)了織機(jī)柔性織造功能，提高了織機(jī)的工作效率[16]，其結(jié)構(gòu)如圖16所示。

圖16 多經(jīng)軸送經(jīng)系統(tǒng)控制結(jié)構(gòu)圖Fig.16 Control structure diagram of multi-meridian system

2)引緯、儲(chǔ)緯及升降伺服單元的控制均由內(nèi)嵌入伺服驅(qū)動(dòng)器的主控單元完成，主控單元采用CAN通訊與IO總線的雙控制模式，增加了系統(tǒng)的安全性和靈活性，主控單元完成了儲(chǔ)緯繞紗量、引緯放紗量、緯紗定長計(jì)數(shù)器的控制及相關(guān)控制算法。

3)提花部分采用單獨(dú)的伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，可根據(jù)工藝需要進(jìn)行高低速的設(shè)定；卷取采用內(nèi)置程序的伺服系統(tǒng)；打緯部分采用單獨(dú)的伺服電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)了打緯的靈活設(shè)定，在完成連續(xù)多次打緯功能的同時(shí)，又可實(shí)現(xiàn)間隔打緯。

4)送經(jīng)系統(tǒng)采用60套DSP模塊實(shí)現(xiàn)對(duì)60個(gè)送經(jīng)軸伺服電動(dòng)機(jī)的智能控制。系統(tǒng)選取角位移傳感器、交流伺服電動(dòng)機(jī)和編碼器等構(gòu)成閉環(huán)反饋；系統(tǒng)利用CAN總線組成織機(jī)的監(jiān)控網(wǎng)絡(luò)，實(shí)時(shí)監(jiān)控其工作狀態(tài)，并將相關(guān)數(shù)據(jù)實(shí)時(shí)傳給上位機(jī)。

針對(duì)碳纖維多角織物組織的特殊需求，通過上述關(guān)鍵部分的設(shè)計(jì)，完成角聯(lián)織機(jī)的整機(jī)集成設(shè)計(jì)。經(jīng)反復(fù)現(xiàn)場調(diào)試與運(yùn)行，獲得的織物如圖17所示，最終的整機(jī)實(shí)物如圖18所示。

圖17 高厚角聯(lián)織物Fig.17 Diagonal thick fabric

圖18 碳纖維多層角聯(lián)織機(jī)實(shí)物圖Fig.18 Carbon fiber multilayer diagonal loom physical map

9 結(jié) 論

本文研究的碳纖維角聯(lián)織機(jī)裝備在設(shè)計(jì)上與傳統(tǒng)織機(jī)有本質(zhì)的區(qū)別，整機(jī)五大運(yùn)動(dòng)及各裝置均由獨(dú)立的電動(dòng)機(jī)或氣動(dòng)元件驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)將光電傳感技術(shù)、多電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)控制技術(shù)、氣動(dòng)技術(shù)、信息技術(shù)、織造工藝輔助設(shè)計(jì)技術(shù)的融合，根據(jù)設(shè)置的織造工藝時(shí)序要求，通過計(jì)算機(jī)控制實(shí)現(xiàn)多層立體織物織造過程的在線檢測、自動(dòng)控制和調(diào)節(jié)、顯示，將原有的手工作業(yè)變?yōu)樽詣?dòng)化、智能化作業(yè)，大幅提高了生產(chǎn)效率和織物質(zhì)量。整機(jī)的創(chuàng)新研制包括如下內(nèi)容。

1)開發(fā)了一套適用于30層碳纖維角聯(lián)機(jī)織的送經(jīng)系統(tǒng)，研制了一套采用“V”型布置、由90套雙輥組成的擺動(dòng)式經(jīng)紗張力調(diào)節(jié)裝置，保證經(jīng)紗對(duì)稱送入張力補(bǔ)償機(jī)構(gòu)，并對(duì)稱引出進(jìn)行織造。

2)設(shè)計(jì)了一套滿足織造裝備特殊開口要求的電子提花-多臂復(fù)合式新型開口裝置；附帶尋位裝置的多層自適應(yīng)剛性雙劍桿引緯系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了引緯機(jī)構(gòu)按照開口位置的變換和不同層數(shù)的引緯；由曲柄滑塊+連桿組合的打緯機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)逐層、多層一次、多次打緯等功能。

3)整機(jī)集成設(shè)計(jì)經(jīng)過三維建模、軟件模擬仿真、試驗(yàn)驗(yàn)證、優(yōu)化設(shè)計(jì)和分析等關(guān)鍵步驟，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行零部件制造和整機(jī)裝配。

整機(jī)設(shè)計(jì)經(jīng)過理論分析、試驗(yàn)驗(yàn)證、設(shè)計(jì)、制造、調(diào)試、試運(yùn)行和織物試驗(yàn)、設(shè)計(jì)改進(jìn)完善等一系列過程。樣機(jī)經(jīng)過反復(fù)調(diào)試與運(yùn)轉(zhuǎn)，完成了多層正交、多層角聯(lián)、多層增強(qiáng)角聯(lián)等織物的織造生產(chǎn)。試驗(yàn)達(dá)到織造速度為2緯/轉(zhuǎn)(要求一個(gè)斷面打一次緯，即15轉(zhuǎn)打一次緯)，主軸轉(zhuǎn)速達(dá)到30 r/min(2×30=60 r/min)。

本文就碳纖維多層角聯(lián)機(jī)織裝備進(jìn)行整體研究，填補(bǔ)碳纖維多層織造設(shè)備和技術(shù)產(chǎn)業(yè)化的國內(nèi)空白。在降低碳纖維復(fù)合材料制造成本，提高碳纖維利用率，提高產(chǎn)品質(zhì)量，滿足我國中大型飛機(jī)、探月工程、載人航天等航空航天需求等方面具有理論意義及參考價(jià)值。

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Integration design of carbon fiber multi-layer diagonal weaving equipment

LIU Wei1,2, JIANG Xiuming1,2, YANG Jiancheng1,2, LIU Guohui2, HOU Yangqiang2

(1.AdvancedMechatronicsEquipmentTechnologyTianjinAreaMajorLaboratory,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China; 2.SchoolofMechanicalEngineering,TianjinPolytechnicUniversity,Tianjin300387,China)

Aiming at the special requirements of the carbon fiber multi-layer diagonal fabric, a fiber multi-layer diagonal fabric equipment was developed by using the 3-D modeling and simulating manners for virtual prototype simulation, and the design and dynamics performance of the components was optimized. The meridian system of tension compensation transmission of thirty layers carbon fiber diagonal of connection loom is suitable for different fabric weaving process requirements. The electronic jacquard and dobby shedding mechanism composite device realizes the implementation of the multi-layer warp three position openings. The weft insertion mechanism solved the problems of high and low corresponding shed weft insertion and other issues by using automatic shed finding technology. The design of beating-up mechanism can realize step by step a beating-up, multi-layer a beating-up, repeating the beating-up technology and it solves the problem of beating-up on wear and guarantees the carbon fiber fabric weft density. This research provides solutions for the woven equipment to reduce the manufacturing cost of carbon fiber and the carbon fiber composite material skeleton weaving technology.

carbon fiber; multi-layer diagonal; weaving; tension compensation

10.13475/j.fzxb.20141102909

2014-11-13

2015-12-28

國家科技支撐計(jì)劃項(xiàng)目(2011BAF08B02)；天津市高等學(xué)校科技發(fā)展基金計(jì)劃項(xiàng)目(20130709)；天津市科委面上基金項(xiàng)目(13jcybjc15900)

劉薇(1973—)，博士生。研究方向?yàn)榧徔棛C(jī)械設(shè)計(jì)及自動(dòng)化。蔣秀明，通信作者，E-mail: jiangxm@tjpu.edu.cn。

TS 103.2

A