碳纖維多層角聯(lián)機織裝備的集成設(shè)計

劉 薇， 蔣秀明， 楊建成， 劉國輝， 侯仰強

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 天津市現(xiàn)代機電裝備技術(shù)重點實驗室, 天津 300387； 2. 天津工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院, 天津 300387)

碳纖維多層角聯(lián)機織裝備的集成設(shè)計

劉 薇1，2， 蔣秀明1，2， 楊建成1，2， 劉國輝2， 侯仰強2

(1. 天津工業(yè)大學(xué) 天津市現(xiàn)代機電裝備技術(shù)重點實驗室, 天津 300387； 2. 天津工業(yè)大學(xué) 機械工程學(xué)院, 天津 300387)

針對碳纖維多層角聯(lián)織物的特殊要求，運用三維建模及虛擬樣機模擬仿真，優(yōu)化零部件設(shè)計和動力學(xué)性能，研制了一套碳纖維多層角聯(lián)機織裝備。設(shè)計的30層多經(jīng)軸張力補償送經(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，實現(xiàn)了多層經(jīng)紗三位置開口；引緯機構(gòu)采用自動尋口技術(shù)，解決了一套機構(gòu)對應(yīng)高低不同梭口的逐層引緯問題；打緯機構(gòu)可實現(xiàn)逐層、多層一次及多次重復(fù)打緯，解決了打緯對經(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)提供了機織裝備解決方案。

碳纖維； 多層角聯(lián)； 織機； 張力補償

由于碳纖維復(fù)合材料獨特卓越的性能，在航空領(lǐng)域，特別是飛機制造業(yè)中被應(yīng)用廣泛[1]。角聯(lián)機織技術(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，織造時要求經(jīng)紗始終具有張力并保持張緊狀態(tài)，因此對裝備的設(shè)計研究有特殊的要求。

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

1 碳纖維多層織機整機分析

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]，普通的織機無法完成對碳纖維的編織，尤其角聯(lián)鎖增強織物的結(jié)構(gòu)更加復(fù)雜，如圖1所示。碳纖維角聯(lián)機織裝備是根據(jù)織物組織結(jié)構(gòu)的特殊性能要求而設(shè)計出的多層織造裝備。

1.2 整機裝備工作原理

碳纖維角聯(lián)機織裝備是一種全新的設(shè)計，在織造工藝動作要求和機構(gòu)設(shè)計上比以往的織機更為復(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)計遵循多電動機驅(qū)動為主，減少機械結(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，通過張力補償裝置及攏紗，再穿過綜絲孔眼，由綜絲控制其上下運動形成梭口，此時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)織機原理示意圖Fig.2 Carbon fiber multilayer diagonal loom schematic diagram

2 送經(jīng)機構(gòu)原理

2.1 送經(jīng)機構(gòu)設(shè)計方案

碳纖維多層角聯(lián)織物的特點為經(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)機構(gòu)可采用多織軸積極式連續(xù)送經(jīng)、消極式張力補償控制，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，可主動控制張力，較好地滿足碳纖維多層角聯(lián)織機的送經(jīng)要求。在送經(jīng)機構(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)，在儲存開口運動時所需要的紗線用量同時，也可保證在進(jìn)行開口運動時多余紗線用量可由張力部件進(jìn)行補償。

在碳纖維多層角聯(lián)織機中，送經(jīng)機構(gòu)為開口運動提供了保持紗線張力恒定的儲存量，而且可有效地降低碳纖維的磨損。送經(jīng)機構(gòu)作為織機五大核心裝置之一，直接關(guān)系到其余4個部分的運動，在保證紗線恒張力、無磨損上起著至關(guān)重要的作用。相比普通織機的送經(jīng)機構(gòu)，多層角聯(lián)織機的多經(jīng)軸恒張力送經(jīng)機構(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，保證每層經(jīng)紗的紗線張力恒定。

2.2 送經(jīng)機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計

在送經(jīng)部件的傳動設(shè)計中，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，系統(tǒng)采用伺服電動機加2級減速的傳動方案，第1級為行星齒輪減速器，第2級為蝸輪蝸桿減速箱，由蝸輪帶動送經(jīng)主軸傳動。

以60根送經(jīng)主軸為例，為盡量降低送經(jīng)部件高度，設(shè)計時采用單元式布置方式，圖3示出紗路設(shè)計圖。采用6×10的行列布置方式，縱向每6根主軸組成1個小裝配單元，2個小裝配單元組成1個大裝配單元，送經(jīng)部分共包括5個大裝配單元，這樣不僅方便經(jīng)紗對稱進(jìn)入張力補償裝置，同時還減少占地面積。在張力部件的設(shè)計中，為避免經(jīng)紗與過紗輥之間產(chǎn)生滑動摩擦，減少碳纖維的磨損，將過紗輥設(shè)計成內(nèi)外獨立式結(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)紗織造時的張力，并儲存因開口、綜平及卷取運動引起的經(jīng)紗長度的變化量。為使經(jīng)紗織造時始終保持緊繃狀態(tài)，在擺動輥上設(shè)置回擺彈簧，結(jié)構(gòu)如圖4所示。通過調(diào)節(jié)回擺彈簧的壓縮長度實現(xiàn)對經(jīng)紗上機張力的調(diào)節(jié)。

圖3 紗路設(shè)計圖Fig.3 Yarn path design

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

其中，回擺彈簧剛度系數(shù)的計算是根據(jù)開口處提綜機構(gòu)對單根紗線施加的提綜力與最大擺動時彈簧壓縮量來計算的，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，紗輥連接件的提綜力矩難以克服回擺彈簧的回擺力矩，此時，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

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

攏紗部件的主要作用是將送經(jīng)機構(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。由于紗線層數(shù)較多，需合理分配每根主軸對應(yīng)的張力補償機構(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)計見圖3。

3 開口裝置設(shè)計

3.1 開口機構(gòu)設(shè)計方案

由于電子提花開口機構(gòu)的幅寬是由電子提花機龍頭的寬度決定的，且要求每根經(jīng)紗運動都可單獨控制，因此系統(tǒng)能適應(yīng)不同織物幅寬與織物花型的織造[4]，同時電子提花機能實現(xiàn)對上萬根經(jīng)紗的單獨控制，這是其他開口機構(gòu)不可能完成的任務(wù)。對于30層碳纖維增強角聯(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2排經(jīng)紗加大提升動程，以便這2層經(jīng)紗能夠?qū)⒄麄€織物上下捆綁形成整體結(jié)構(gòu)。為此，設(shè)計帶有4頁綜框的串聯(lián)式氣缸多臂開口機構(gòu)，利用串聯(lián)式氣缸的活塞桿伸縮拉動鋼絲繩，通過鋼絲繩來帶動綜框上下運動，由連接在綜框上的綜絲帶動穿在綜絲內(nèi)的經(jīng)紗實現(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-多臂開口機構(gòu)設(shè)計

設(shè)計了一套專門適用于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。在確定提花機針數(shù)與提花機龍頭的安裝高度基礎(chǔ)上，對提花機主軸進(jìn)行運動分析，確定主軸力矩的大小及串聯(lián)式多臂開口機構(gòu)具體結(jié)構(gòu)。系統(tǒng)采用自下而上的設(shè)計方法進(jìn)行產(chǎn)品建模，逐級向上遞推，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)式氣缸多臂開口機構(gòu)以串聯(lián)式氣缸為動力源，氣缸一端與提綜臂鉸接，工作時氣缸軸伸長，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，綜框就能實現(xiàn)上下移動。每1個氣缸控制1頁綜框，共有4頁綜框。每個提綜臂控制2根提綜鋼絲，2根提綜鋼絲分別連接在綜框的左右兩端，通過一個串聯(lián)式氣缸控制綜框的提升運動。下降運動采用消極式彈簧回綜。開口機構(gòu)通過鋼絲繩與導(dǎo)輪的連接可把開口臂的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)換成鋼絲繩的垂直移動[6]。此外，通過調(diào)節(jié)鋼絲繩的長短以及氣缸的動程可控制開口的位置。本文設(shè)計保證了氣缸、提綜臂、帶輪，以及該氣缸控制的綜框在一個平面內(nèi)，從而保證綜框能夠順利地提升且不會對綜框兩側(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。

提花機可實現(xiàn)同時對2萬多根經(jīng)紗的運動控制，而且每根經(jīng)紗的運動都是通過單獨的綜絲控制，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)織機各機構(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)行運動學(xué)和動力學(xué)仿真，在碳纖維多層角聯(lián)織機送經(jīng)機構(gòu)的現(xiàn)代設(shè)計與制造過程中，提高了設(shè)計工作效率，降低了設(shè)計成本，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，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個軟件完美對接[8]。應(yīng)用Solidworks軟件對串聯(lián)式多臂開口機構(gòu)的提綜臂建模，保存的文件導(dǎo)入到ADAMS軟件中，對滑輪、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無滑動的摩擦連接，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)式多臂開口機構(gòu)連接方式如圖8(a)所示。

圖8 開口機構(gòu)ADAMS動力學(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，是符合實際需要的；通過質(zhì)心位移曲線圖可看到綜框的運動曲線比較平滑，這樣對減少紗線的剪切損傷是很有利的。

通過對提花機主傳動系統(tǒng)的設(shè)計以及串聯(lián)式氣缸多臂開口機構(gòu)設(shè)計與運動學(xué)分析，保證了設(shè)計的合理性。實驗證明：該開口裝置能夠很好地保證開口動作有序進(jìn)行，開口動作連續(xù)穩(wěn)定，梭口清晰，滿足工藝要求。

4 引緯裝置設(shè)計

4.1 引緯機構(gòu)設(shè)計方案

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、纖維與編織機構(gòu)之間均會發(fā)生摩擦。同時在多層織物織造時，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]。

引緯機構(gòu)需要隨開口位置的不同而自動進(jìn)行調(diào)整，同時由于經(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構(gòu)，實現(xiàn)引緯機構(gòu)按照開口位置的變換和不同層數(shù)的引緯。普通織機的雙劍桿引緯是由1個送緯劍和1個接緯劍組成，2個劍桿引1根緯紗。本文所設(shè)計裝備采用2個單劍桿，分別獨立完成1次引緯。引緯時，2個空劍桿分別從兩側(cè)各自運動到對面鉤住緯紗，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生產(chǎn)效率。

4.2 引緯機構(gòu)設(shè)計

該機構(gòu)主要包括3種裝置：劍帶傳動裝置、升降裝置和劍頭裝置。劍帶傳動裝置如圖9所示。采用伺服電動機正反轉(zhuǎn)，經(jīng)過同步帶輪減速后驅(qū)動齒輪齒條裝置進(jìn)而帶動剛性劍帶完成水平往復(fù)運動。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的運動載荷，使其在工作過程中平穩(wěn)運行且振動小。升降裝置驅(qū)動劍帶傳動裝置移動，滿足不同位置的引緯[10]。該裝置由伺服電動機驅(qū)動，通過一組傳動比為1∶3的同步輪對其進(jìn)行減速，再通過交角為80°的直齒圓錐齒輪機構(gòu)對其運動方向進(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位置變化的要求。劍頭裝置采用滾動導(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—劍帶； 3—升降裝置連接處。圖9 碳纖維多層織機引緯機構(gòu)三維實體造型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動平穩(wěn)性，對所建模型進(jìn)行了運動學(xué)、動力學(xué)分析和靜力學(xué)的仿真[12]，分析結(jié)果表明機構(gòu)滿足各部分工作要求。

5 打緯裝置設(shè)計

5.1 打緯機構(gòu)設(shè)計方案

碳纖維織機打緯機構(gòu)應(yīng)在滿足緯紗通過筘幅寬度時間要求的前提下，筘座擺動幅度越小越好，從而減少筘片對經(jīng)紗的摩擦；當(dāng)緯紗在梭口中飛行時，筘座移動的相對速度應(yīng)盡量小或靜止不動；筘座的運動應(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構(gòu)、六連桿打緯機構(gòu)、共軛凸輪打緯機構(gòu)3種打緯方式的優(yōu)缺點，創(chuàng)新設(shè)計了一套四連桿與曲柄滑塊結(jié)合的打緯機構(gòu)。

5.2 打緯機構(gòu)分析和實體建模

傳動角的大小標(biāo)志著機構(gòu)傳動性能的好壞，系統(tǒng)利用K-Ψ-a-(γmin)max線圖對打緯機構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。給定K與Ψ0值，改變a值，可分別求得I型曲柄搖桿機構(gòu)的最小傳動角γmin值。應(yīng)用一維優(yōu)化方法可算得γmin為最大值(傳動最佳值)時的a值。據(jù)此，可在2個平面直角坐標(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 四連桿打緯機構(gòu)設(shè)計

連桿機構(gòu)設(shè)計過程如圖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，作△PB1B2的外接圓，則弧PB1B2上任意點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上各點均滿足設(shè)計要求，但機構(gòu)對應(yīng)各點的最小傳動角的最大值各不相同。根據(jù)上述作圖方法，結(jié)合設(shè)計要求，通過優(yōu)化設(shè)計機構(gòu)，確定最佳傳動角。

圖11 連桿機構(gòu)設(shè)計過程圖Fig.11 Linkage design process map

5.2.2 曲柄滑塊機構(gòu)設(shè)計

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

5.2.3 打緯實體機構(gòu)設(shè)計

四連桿+曲柄滑塊打緯機構(gòu)如圖13所示。由伺服電動機直接驅(qū)動，使筘垂直于布面將一個斷面的緯紗平推入織口。機構(gòu)采用特殊傳動結(jié)構(gòu)，實現(xiàn)平行打緯，將多根緯紗同時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間。

注：1—四連桿機構(gòu)； 2—曲柄滑塊機構(gòu)。圖13 碳纖維多層織機打緯機構(gòu)的三維實體造型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根緯紗同時打入織口。

6 卷取機構(gòu)設(shè)計

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

針對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織物的牽引力足夠大，且不磨損織物[14]，設(shè)計該機構(gòu)由3部分組成：驅(qū)動、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構(gòu)組成，通過借鑒織機上的積極式凸輪開口機構(gòu)中的平面四連桿機構(gòu)，設(shè)計了雙搖桿力放大裝置，該裝置對織機的牽引有很大影響。五羅拉氣動加壓卷取方式用于厚織物卷取，通過雙搖桿壓力放大機構(gòu)把氣缸輸出的力放大，施加到上層羅拉上，使上下羅拉將布壓緊，再通過動力系統(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，需要氣缸施加足夠的壓力，故采用雙搖桿力放大機構(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 碳纖維多層織機卷曲機構(gòu)三維模型圖Fig.14 Carbon fiber multilayer loom mechanism of three-dimensional model diagram

7 儲緯及絞邊機構(gòu)設(shè)計

儲緯機構(gòu)在設(shè)計上采用傳統(tǒng)的伺服電動機直接驅(qū)動羅拉輥牽拉緯紗經(jīng)向退繞的方式，確保退繞過程緯紗無捻度變化；導(dǎo)軌滑塊儲緯，可精確地控制儲緯紗線的長度，保證滿足正常的引緯需求；光電探緯，同時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。另外采用緯紗氣動脫劍技術(shù)，解決了單劍頭引雙緯與劍頭分離問題；采用獨特的雙向錯層逐層引緯技術(shù)，解決了多層立體織物鎖邊問題。

8 控制系統(tǒng)設(shè)計

整機的控制系統(tǒng)是一個高度自動化的智能電控系統(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)議將各單元有機地統(tǒng)一在一起，完成角聯(lián)織機各單元的動作與協(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)整體的張力控制實現(xiàn)上述各單元的同步；人機界面采用觸摸屏和WinCE操作系統(tǒng)，實現(xiàn)參數(shù)設(shè)定、織機狀態(tài)指示、生產(chǎn)報表統(tǒng)計、運轉(zhuǎn)情況分析、故障記錄等功能，整個碳纖維多層角聯(lián)織機控制網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)如圖15所示。

圖15 系統(tǒng)整機控制網(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)控制及整機控制系統(tǒng)，解決了經(jīng)紗張力控制中非線性、時變性、多變量干擾等問題，且較好地攻克了張力與速度之間強耦合的同步控制技術(shù)難題，實現(xiàn)了織機柔性織造功能，提高了織機的工作效率[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、儲緯及升降伺服單元的控制均由內(nèi)嵌入伺服驅(qū)動器的主控單元完成，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，主控單元完成了儲緯繞紗量、引緯放紗量、緯紗定長計數(shù)器的控制及相關(guān)控制算法。

3)提花部分采用單獨的伺服電動機進(jìn)行驅(qū)動，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)；打緯部分采用單獨的伺服電動機進(jìn)行驅(qū)動，實現(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，又可實現(xiàn)間隔打緯。

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

針對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，完成角聯(lián)織機的整機集成設(shè)計。經(jīng)反復(fù)現(xiàn)場調(diào)試與運行，獲得的織物如圖17所示，最終的整機實物如圖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)織機實物圖Fig.18 Carbon fiber multilayer diagonal loom physical map

9 結(jié) 論

本文研究的碳纖維角聯(lián)織機裝備在設(shè)計上與傳統(tǒng)織機有本質(zhì)的區(qū)別，整機五大運動及各裝置均由獨立的電動機或氣動元件驅(qū)動。系統(tǒng)將光電傳感技術(shù)、多電動機驅(qū)動控制技術(shù)、氣動技術(shù)、信息技術(shù)、織造工藝輔助設(shè)計技術(shù)的融合，根據(jù)設(shè)置的織造工藝時序要求，通過計算機控制實現(xiàn)多層立體織物織造過程的在線檢測、自動控制和調(diào)節(jié)、顯示，將原有的手工作業(yè)變?yōu)樽詣踊⒅悄芑鳂I(yè)，大幅提高了生產(chǎn)效率和織物質(zhì)量。整機的創(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套雙輥組成的擺動式經(jīng)紗張力調(diào)節(jié)裝置，保證經(jīng)紗對稱送入張力補償機構(gòu)，并對稱引出進(jìn)行織造。

2)設(shè)計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)，實現(xiàn)了引緯機構(gòu)按照開口位置的變換和不同層數(shù)的引緯；由曲柄滑塊+連桿組合的打緯機構(gòu)，可實現(xiàn)逐層、多層一次、多次打緯等功能。

3)整機集成設(shè)計經(jīng)過三維建模、軟件模擬仿真、試驗驗證、優(yōu)化設(shè)計和分析等關(guān)鍵步驟，在此基礎(chǔ)上進(jìn)行零部件制造和整機裝配。

整機設(shè)計經(jīng)過理論分析、試驗驗證、設(shè)計、制造、調(diào)試、試運行和織物試驗、設(shè)計改進(jìn)完善等一系列過程。樣機經(jīng)過反復(fù)調(diào)試與運轉(zhuǎn)，完成了多層正交、多層角聯(lián)、多層增強角聯(lián)等織物的織造生產(chǎn)。試驗達(dá)到織造速度為2緯/轉(zhuǎn)(要求一個斷面打一次緯，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)機織裝備進(jìn)行整體研究，填補碳纖維多層織造設(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、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

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

劉薇(1973—)，博士生。研究方向為紡織機械設(shè)計及自動化。蔣秀明，通信作者，E-mail: jiangxm@tjpu.edu.cn。

TS 103.2

A