三維異型整體編織底盤裝置的設計

張志毅， 賀辛亥， 張 婷， 楊宏蕾， 程稼稷

(西安工程大學 材料工程學院， 陜西 西安 710048)

三維異型整體編織技術是20世紀80年代發展起來的一種新型紡織技術，通過將高性能纖維空間分布且相互交織形成網狀結構預制件，將此預制件作為增強體形成的高級復合材料具備強度高、整體性能好和結構易設計等優點[1-4]。該技術可一次凈尺寸整體成型各種異型結構件，避免了后續因機械加工而損傷材料特性，有效地保障了構件力學性能的穩定性與可靠性，因而得到宇航、武器裝備等諸多領域的高度重視[5-7]。

在工程實際應用中，三維編織復合材料構件多數為異型橫截面，如工字型、L型、T型等[8-10]。采用異型編織工藝技術進行編織時，編織初始陣列由預制件截面形狀相同的異型面主體陣和四周邊界組成，這樣得到的理論編織陣列的四周邊界并不完全相等，實際編織時的可行性較差。采用異型編織設備進行編織時，由于底盤結構布局與驅動裝置限制，使得所織造預制件的結構形式及編織品種適應性差。為提高三維異型整體編織的自動化程度及編織效率，解決預制件產品結構及品種單一、均勻性和可重復性差等問題，其整體成型編織工藝和設備受到了高度重視。本文在分析三維異型編織工藝及設備的基礎上提出一種編織底盤裝置，可對其控制系統通過軟件編程與編織參數修改，自動化控制整行(列)攜紗器的運動狀態實現多種異型預制件的柔性化制造。

1 三維異型整體編織技術

1.1 異型整體編織工藝

三維異型整體編織技術是運用編織工藝和設備的技術特點，通過改變底盤上攜紗器的陣列形狀及運動形式，實現一次整體編織成型各種異型預制件的過程[11-13]。根據底盤攜紗器的初始排列形狀與編織模式，異型預制件的編織工藝可分為通用法和混合法[14-15]，如圖1所示。

圖1 三維工字型立體織物整體編織工藝原理圖Fig.1 Principle diagram of general braiding method (a) and mixed style braiding method (b) of 3-D 工-shaped overall braiding technology

由圖1(a)通用法編織工字型立體織物原理可知，攜紗器初始陣列按1×1的運動式樣排列，將工字型橫截面分為兩端矩形和中間矩形2組，分別先后經過4步編織共8步循環，攜紗器縱橫步進時只移動一個位置數，編織方案設計比較簡單，但編織速度較慢。由圖1(b)混合法編織工字型立體織物原理可知，攜紗器初始陣列按1×3和3×1混合運動式樣排列，攜紗器縱橫步進時移動1個與3個2種位置數，一個循環為4步，編織速度較快，然而編織方案較難設計。2種編織工藝中攜紗器運動式樣與步進循環數不同，最終得到的立體織物的結構性能也不同。

1.2 異型整體編織設備

天津工業大學復合材料研究所[16-17]獨立設計出一種由計算機控制的可掛40 000根紗線的三維整體編織機。該編織機底盤采用行列式結構，為實現整行(列)攜紗器的獨立運動，在底盤的四周分別安裝一臺步進電動機，電動機通過絲杠拖動氣閥左右往復運動到指定位置進行打閥動作，氣閥連桿推動攜紗器上下或左右運動，可自動化編織矩形及矩形組合異型截面預制件，為先進智能復合材料的研發與應用提供了依據，但該底盤行(列)攜紗器縱橫步進時的不同步運動使得循環周期延長，降低了編織效率，且沒有解決靠編織工藝實現異型預制件編織中存在的攜紗器運動式樣等問題，所得預制件結構形式單一，底盤與最終成型立體編織物的尺寸相差較大，編織機的制造難度和開發成本也增加。針對上述問題，本文研究設計出一種能夠改變底盤初始布局與攜紗器運動狀態，可實現異型件多模式多試樣織造的異型整體編織底盤裝置。

2 三維異型整體編織底盤裝置

2.1 異型編織底盤的整體結構設計

三維異型編織底盤的整體結構如圖2所示。主要包括編織軌道1、驅動裝置2和機架3。編織軌道1實現攜紗器在平面內的導向移動，可以是固定式或移動式軌道，固定式軌道僅起控制攜紗器運動方向的作用，攜紗器步進的動力來自于縱橫2個方位4個方向的推動力，方便引入軸向纖維束[18]，故本文研究編織軌道選用固定式。編織軌道1中的固定導塊以縱橫等距方式排列在底板上，它們的間隔組成了攜紗器的步進軌道。攜紗器可根據異型件編織模式及式樣靈活布局在軌道交叉處，當步進運動時為防止其間隔距離發生變化，在相鄰攜紗器錠座之間放置一補償塊控制攜紗器錠座縱橫等距排列，以保證編織的順利實施。

1—編織軌道；2—驅動裝置；3—機架。圖2 三維異型編織底盤整體結構圖Fig.2 Whole structure diagram of 3-D complex shaped braiding chassis

驅動裝置2通過機架3與編織軌道1連接，為提高編織效率使其分布于底盤東、西、南、北4個方位，各機械裝置是基于DMC5 400A型四軸軌跡卡，其能夠精確控制步進電動機實現往復直線運動的特性并配合STM32F103型微控制器控制定位機構動作，實現自動控制任意整行(列)攜紗器的運動狀態而設計。其中，STM32F103型微控制器可實時接收主機發出的指令信號，然后有序控制相關定位機構動作，輔助完成整行(列)攜紗器的運動或靜止狀態。四軸軌跡卡與微控制器的配合使用有效縮短了控制系統的開發周期。底盤運動狀態通過IO擴展卡控制位置傳感器實時檢測，消除了異型編織過程中通過目測方式獲取底盤信息，為底盤異常的及時排除提供了保障，使三維異型整體編織機實現完全自動化編織成為可能。

2.2 底盤驅動裝置的設計

驅動裝置的結構如圖3所示。可知：底盤4個步進電動機由四軸軌跡卡控制，為縮小編織機整體結構尺寸，該電動機驅動裝置安裝在底盤四周之下；步進電動機11通過聯軸器8帶動滾珠絲杠1，由絲杠螺母的嚙合傳動來推動驅動橫梁3隨滑塊沿導軌移動；驅動橫梁上設置有多組凹形通槽，與推板2間隙配合，以保證運動推板在垂直于步進方向上精確定位，每組推板上配有可供控制整行(列)攜紗器運動狀態的定位機構；定位機構由一對直流電磁鐵12與復位彈簧9配合使用，當需要某些整行(列)攜紗器運動時，相應定位機構中的電磁鐵12帶動驅動銷4沿定位孔14下降到驅動槽13中，使該推板與驅動橫梁建立機械連接，驅動橫梁帶動推板隨彈簧沿凹形滑槽同步步進推動整行(列)攜紗器縱橫交錯運動；當需要某些整行(列)攜紗器靜止時，相應定位機構的電磁鐵12帶動驅動銷4沿驅動槽13上升到定位孔14中，使橫梁與推板脫離機械連接，驅動橫梁步進時由于復位彈簧的拉力作用使其始終限位于固定橫梁6的凸形槽中處于靜止狀態，并不影響驅動橫梁帶動其他推板的移動。每組定位機構上的復位彈簧9一端固定在機架上的角鋁10上，一端固定在推板上的D型拉環5上，處于拉伸狀態，防止在驅動橫梁運動時靜止推板由于摩擦力作用沿步進方向滑動產生錯位現象，導致后續編織時驅動銷不能順利進入驅動槽而影響該推板的運動；固定橫梁6通過角件7固定于機架上，開有多組凸形通槽，凸槽大尺寸端與推板間隙配合，小尺寸端在彈簧拉力作用下使推板處于極限位置，防止驅動槽與驅動銷發生錯位，保證編織過程中定位機構動作的順利實施。

1—滾珠絲杠；2—推板；3—驅動橫梁；4—驅動銷；5—D型拉環；6—固定橫梁；7—角件；8—聯軸器；9—復位彈簧；10—角鋁；11—步進電動機；12—直流電磁鐵；13—驅動槽；14—定 位孔。圖3 底盤驅動裝置結構圖Fig.3 Structure diagram of main (a) and partial (b) view of chassis driving device

2.3 定位機構的設計

定位機構是整個底盤裝置的主要構件，其結構如圖4所示。

1—推板；2—驅動橫梁；3—驅動銷；4—定位孔；5—驅動槽； 驅動槽尺寸：S1—1/4步長；S2—1/8步長；A—初始位置；B—推程與回程位置。圖4 定位機構原理圖Fig.4 Principle diagram of positioning mechanism. (a) Main view of positioning mechanism; (b) Vertical view of positioning mechanism

定位機構的功能是使驅動銷3沿定位孔4進入或脫離驅動槽5，為推板1提供驅動力。為保證驅動銷順利進入或脫離驅動槽而又不致其卡死，驅動槽5設計成兩端為半圓形且中心距離為1/4個步長的長槽，與驅動銷間隙配合于初始位置A，驅動銷距離槽的兩端各為1/8個步長。推程運動時驅動橫梁2步進1/8個步長使驅動槽與驅動銷配合于推程位置B，為其推板1提供驅動力，回程運動時由于復位彈簧的作用使驅動銷始終與驅動槽配合于回程位置B并且成預緊狀態，為保證后續編織時電磁鐵驅動力足以帶動驅動銷脫離驅動槽，因此，當推板到達極限位置時驅動橫梁繼續運動 1/8 個步長回到到初始置A，所以驅動橫梁在推程與回程運動相同距離。編織過程中為實時檢測底盤的運動狀態以防止驅動銷卡死使編織發生異常，由于定位結構限制直接對其檢測比較困難，通過給推板前后端裝有位置傳感器間接檢測推板的位置，實現對定位機構驅動銷到位狀態的實時檢測，提高了系統的可靠性。

2.4 異型編織底盤的工作過程

本文結合圖3來說明異型編織底盤的工作過程。攜紗器橫向步進運動時，底盤每行兩端定位機構的電磁鐵同時接受到主機發出的指令信號，帶動驅動銷沿定位孔脫離或進入驅動槽中，驅動銷到位后，東、西電動機同時接收到主機發出的驅動信號，通過絲杠螺母嚙合傳動推動驅動橫梁運動1/8個步長為推板提供動力，并隨滑塊沿導軌同步移動，推板的步進使攜紗器同時向右和向左運動所需位置數，回程時東、西電動機沿相反方向運動相同距離到達初始位置。攜紗器縱向步進運動時，底盤每列兩端定位機構的工作過程與橫向運動相似，此時南、北電動機工作，推動攜紗器同時向上和向下運動所需位置數，回程時同理。每個循環周期內縱橫交錯運動，且橫向步進回程(推程)與縱向步進推程(回程)同時進行互不影響，極大地提高了編織底盤的運行速度。由于各種異型預制件采用不同方法進行編織時底盤運動規律截然不同，主要在于行(列)兩端定位機構動作狀態及電動機步進距離的變化，即四軸軌跡卡與微控制器接受的上位機指令不同。為實現各種異型預制件的自動柔性化編織，將每行(列)兩端對應定位機構與東、西、南、北電動機的運動規律轉換為計算機可識別的符號，按照一定順序進行排列并以文件形式存儲在計算機中，編織之前只需調用即可，提高了系統的可擴展性。

2.5 異型編織底盤的應用案例

由于該異型編織底盤裝置是基于縱橫步進編織底盤設計的，因此，適應于采用通用法和混合法編織異型立體織物。該底盤可根據異型預制件的編織模式與試樣需求改變攜紗器布局，并可單獨控制任意行(列)攜紗器的運動狀態，只需按編織規律給相應定位機構與電動機驅動裝置發出指令信號，即可實現異型立體織物的整體編織。下面以實施橫截面為工字型的立體織物的異型編織為例。

圖5示出編織8×6模式工字型織物時攜紗器在該底盤的排列狀態。采用八步法1×1試樣編織(見圖5(a))時，兩端矩形截面單元編織過程中：第1步控制第2、3、8、9行兩端定位機構動作，東、西電動機驅動裝置使不同行攜紗器交替地以不同方向向左或右運動1個位置數；第2步控制第2、3、4、5、6、7列兩端定位機構動作，南、北電動機驅動裝置使不同列攜紗器交替地以不同方向向上或下運動一個位置數；第3步、第4步分別與第1步、第2步中行(列)兩端定位機構動作狀態與運動方向相反，經過4步；中間矩形截面單元編織過程中，第1、3步控制第4、5、6、7行兩端定位機構動作，第2、4步控制第4、5列兩端定位機構動作，東、西(南、北)電動機驅動裝置運動規律與上述同理，先后共經過8步編織達到一個運動循環，攜紗器布局回到初始狀態。

a—主體載紗攜紗器；b—附加載紗攜紗器；c—空載 攜紗器；d—軌道空擋；e—驅動裝置。圖5 8×6模式工字型立體織物的編織底盤初始陣列圖Fig.5 Chassis initial array diagram of braiding 工-shaped fabric 8×6 patterns. (a) initial braiding array of eight-step 1×1 style; (b) initial braiding array of four-step 1×3 and 3×1 styles

采用四步法1×3和3×1試樣編織(見圖5(b))時，由于四步循環中行(列)攜紗器縱橫步進運動距離不完全相同，其相差2個位置數，而電動機驅動裝置沿步進方向運動最大步長，因此，通過在只運動一個位置數的行(列)攜紗器的起始端放置空載攜紗器，使其與底盤邊界形成2個軌道空擋，如第 7行與第3列、第8行與第10列軌道交叉處的空載攜紗器，編織過程中當第4、10行(第5、11行)攜紗器同時向右(左)運動2個位置時，與第7行(第8行)攜紗器繼續同步運動一個位置數，列方向同理，使得東、西(南、北)驅動裝置沿步進方向同時實現所需行(列)攜紗器運動，充分發揮了底盤結構功能，進而提高了異型編織效率。工字型截面編織過程中第1、3步控制第4、5、7、8、10、11行兩端定位機構動作，第2、4步控制第4、6、7、9列兩端定位機構動作，東、西(南、北)電動機驅動裝置運動規律與上述同理，經過四步一個運動循環之后，步進規律達到重復狀態。在此只列舉了工字型預制件進行編織時的具體應用，根據需要也可對其他L型、T型等異型預制件采用通用法和混合法進行編織。

3 結束語

基于三維異型整體編織原理提出一種編織底盤裝置，為異型橫截面預制件編織提供了一種新的依據。該底盤東、西、南、北4組步進電動機驅動裝置與對應(行)列攜紗器兩端定位機構配合使用，不僅使得異型預制件實現了凈尺寸整體編織，避免后續因機械加工而損傷構件的力學性能，而且異型編織時，整行(列)攜紗器運動狀態的單獨自動化控制方式在各種異型預制件的多模式多試樣編織中更加實用。該底盤裝置的使用一方面可通過四軸軌跡卡與STM32F103型微控制器接受主機發送的異型編織工藝文件信號，實現多種異型預制件的自動柔性化編織；另一方面可通過IO擴展卡控制底盤位置傳感器實時檢測底盤的運動狀態，避免了異型編織過程中通過目測方式獲取底盤信息，顯著提高了其自動化編織效率，具有廣闊的應用前景和實用價值。

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