三維整體編織技術的研究現狀

宋一帆 賀辛亥 張志毅 王 晨

(1.西安工程大學，陜西西安，710048；2.陜西黃河集團有限公司，陜西西安，710043)

20世紀70年代以來，隨著航空航天技術的迅速發展，急需具備質量輕、強度和模量高以及耐高溫等優點的結構復合材料[1-2]。通過三維編織技術所制備的復合材料具備上述要求，且具有結構不分層、易設計等特性，可代替傳統的高性能航空金屬材料，因而該技術得到了迅速的發展[3-5]。三維編織復合材料能滿足實際應用中多向載荷和多向熱應力的要求，其截面尺寸沿軸向方向變化的異形件，如飛機螺旋槳葉、雷達罩、風電葉片、導彈彈頭防熱套等，并不是外形規則的等截面結構[6-8]。目前獲得異形編織復合材料的主要方法是先制備尺寸合適的等截面復合材料，然后通過機械加工以獲得最終需要的外形尺寸。顯然，此方法會嚴重損傷增強纖維，破壞試件結構的完整性，使試件的力學性能大幅衰減[9-10]。三維整體編織技術在工藝上突出的特點是具有編織變截面或異形截面織物的能力，運用編織工藝和設備上的技術特點，通過改變編織底盤中攜紗器的陣列形狀和每個攜紗器所載紗線的細度及其運動形式，能夠按零件的形狀和尺寸大小直接編織出三維預制件[11-13]，進而保證零件整體結構性能。因此三維整體編織工藝和設備得到了重視和迅速的發展[14]。本文介紹三維整體編織工藝和整體編織設備研究的現狀，在此基礎上提出一種基于AGV小車模型的主動攜紗器和底盤設計思路，通過NRF24L01無線控制模塊來實現變截面與異形截面預制件的整體編織。

1 三維整體編織技術原理

1.1 變截面編織工藝

變截面三維編織技術主要運用編織工藝及其設備上的技術特點，通過編織過程中改變參與編織紗線的數量或細度，而不影響后續的編織進程，進而實現變截面預制件的整體編織[15-16]。當前，實現變截面編織中參與編織紗線的細度與數量的增減紗工藝有單元尺寸縮減法和單元數量減少法。

1.1.1 單元尺寸縮減法

單元尺寸縮減法是改變每個攜紗器上所掛纖維束的細度，而攜紗器的數量和排列方式保持不變[17]。編織紗由纖維束組成，在編織過程中可以根據預制件的要求改變每個攜紗器所放紗線的細度，從而完成變截面預制件的編織。單元尺寸縮減法相對比較難以實現自動化，主要由于在執行增減紗過程中需要攜紗器具備自動實現控制增減紗的功能，需要額外輔助控制系統，且體積相對于傳統的攜紗器有所增加，對三維編織底盤的整體尺寸影響較大。

1.1.2 單元數量減少法

單元數量減少法是通過改變參與編織攜紗器的數量及運動規律，形成比原陣列整體縮小的陣列，繼續編織，便可形成沿軸向截面尺寸縮減的預制件[18-20]。根據減紗單元在橫截面內的排列形式，單元數量減少法又可以分為整列、整行減紗與逐點單元減紗3種情況。其原理都是通過改變攜紗器的數量。由于減紗形式的不同也使得它們產生的效果有所區分。

整列(行)減紗工藝與逐點單元減紗工藝在縮減預制件截面獲得相同變截面尺寸時，減去的攜紗器數量是相同的。由于整列(行) 減紗工藝制備變截面預制件時，退出編織的攜紗器沿橫截面厚度或寬度方向貫穿排列，這樣會使預制件局部形成結構缺陷；而逐點單元減紗工藝中退出編織的攜紗器均勻分散排列，剩余攜紗器位置變化不大，避免局部結構缺陷對預制件整體結構的影響。因此逐點單元減紗是目前比較理想的一種工藝[21]。主動攜紗器因其具有獨立的運動能力，在單元數量減少法中應用價值巨大，同樣由于其體積過大與控制復雜等原因使其發展緩慢。

1.2 異形截面編織工藝

所謂的異形截面編織主要是區別于常規的矩形截面編織。異形編織工藝主要編織各種由矩形截面組成的復雜形狀的預制件，如T形、工字形截面等預制件。在編織該預制件時由于攜紗器的排列不同于矩形截面排列形式，通過“四步法”編織時使攜紗器位置發生錯亂，不能按照要求進行編織。因此傳統的“四步法”編織工藝對于橫截面復雜的預制件并不適用。對于這種預制件的編織通常采用通用法和混和法兩種編織技術[22-23]。

1.2.1 通用法編織原理

通用法是在編織底盤上將載紗攜紗器初始陣列按照預制件橫截面1×1的一種運動式樣排列，即將一個復雜的預制件截面分割為有限個常規的矩形截面單元，然后成組地編織這些單元。通用法編織工字形預制件原理如圖1所示。它將工字形橫截面分為兩端矩形和中間矩形兩組，分別先后經過四步編織共八步循環，紗線的排列形式同原狀態一樣。因此橫截面越復雜，在一個編織循環中的步數越多，編織速度越慢。由于任何矩形組合橫截面總是可以分成若干個矩形單元，通用法編織方案設計比較簡單。雖然通用法編織工字形橫截面為八步循環，但對于分割后的每個矩形單元編織時本質上依然采用的是四步法編織，因此這種編織方法可以看作是四步法編織工藝的組合[24]。

圖1 通用法編織工字形預制件

1.2.2 混和法編織原理

混和法是在一個立體織物橫截面內同時使用兩種或兩種以上的編織式樣，混和法編織工字形預制件原理如圖2所示。載紗攜紗器初始陣列按1×3和3×1混和運動式樣排列，編織時不同行列的攜紗器縱橫步進時按照設定的要求同時移動1個或3個位置數。混和法編織在一個循環中僅有四步，因此編織運行效率高，然而對于一個復雜的預制件，其編織方案相對難以設計，因此需要借助計算機對其進行模擬和優化，或者通過試驗驗證編織方案并加以優化。兩種編織工藝中攜紗器運動式樣與步進循環數不同，最終得到立體織物的結構性能也不同。在某些情況下，可以聯合使用這兩種方法來編織復雜橫截面的立體編織物。

圖2 混和法編織工字形預制件

2 三維整體編織設備

目前國內外三維編織機均存在柔性化低、工藝適應性差等問題，因此新設備的研發迫在眉睫。按照整體編織工藝的特點和目前對整體編織設備的研究熱點，基于三維整體編織工藝原理與編織物需求，國內對整體編織設備研究重點主要集中在增減紗攜紗器、主動攜紗器和異形編織底盤。

2.1 增減紗攜紗器

李宗迎等設計了一種可以自動實現增減紗的攜紗器[25]。增減紗裝置的主要特點是利用輔助線圈纏繞方式，選擇參加編織的紗線數量，實現自動增紗或減紗。此方法不僅保留了編織過程中不用移除攜紗器的優點，同時在進行紗線數量改變時不會產生斷絲、起毛等問題。但編織過程中紗線恒張力纏繞使參與編織紗線不斷加捻而影響預制件的整體性能，再者對紗線的抗扭性提出了更高的要求。鄭占陽等利用塑性金屬易于變形的性質設計的增減紗攜紗器，可選擇性將副紗線附著于主紗線，或將其從主紗線中去除[26]，但在增減紗過程中會引入金屬雜質，從而對三維編織復合材料的綜合性能產生一定影響。董紅坤等利用液氮可以使液體迅速凝固的特點，設計的增減紗攜紗器理論上雖然能夠實現增減紗的功能[27]，但是在編織過程中要不斷地吹入冷氣，保證副紗線在打緊過程之前不會斷開，使攜紗器的結構復雜化。程稼稷提出了一種基于化學黏合劑黏接原理的新型增減紗攜紗器，將黏合劑涂覆于增紗壓輥上，依靠黏合劑與增紗壓輥之間的壓力完成增減紗過程，且能完成從1束到3束的實時增減，實現變截面預制件的編織[28]，利用基體材料作為黏合劑將主、副紗線黏接在一起，從而避免了引入雜質問題，在理論上可以達到變截面編織效果。但是由于上述攜紗器黏接強度問題，何時黏接需要應用于實踐中再進一步優化。

2.2 主動攜紗器

李政寧提出了一種以直線步進電機為基礎的主動攜紗器模型，該攜紗器采用模塊化設計，易于組裝，可用于縱橫編織[29]。可以對每個主動攜紗器加以控制，使其按要求加入編織或者在外圍處于待機，從而實現三維整體編織。雖然該設計簡化了編織底盤的結構，但涉及到直線電機，因此對軌道的鋪設、供電、控制、減少電磁干擾等方面要求較高。吳世林等提出了齒輪式主動攜紗器方案[30]。齒輪式主動攜紗器采用由直流電動機帶動齒輪在齒條上滾動和滑動并行的驅動方式，與直線電機模型的主動攜紗器相比更可靠，底座可單元化模塊拼接，零件的加工較為容易，且不用考慮電磁兼容帶來的各種干擾問題。但是該方案攜紗器在編織底盤上的運動通過齒輪齒條嚙合傳動，這無疑對底盤和主動攜紗器的制造精度提出了新的要求，同時也增加了整個編織機的復雜程度和成本。

2.3 異形編織底盤裝置

天津工業大學復合材料研究所設計出來的編織底盤通過計算機控制，利用氣動作為驅動力，可編織常規的矩形截面預制件和由矩形組合的異形截面預制件[31-32]。但該底盤整行(列)攜紗器不能單獨縱橫步進，使得循環周期延長，在編織異形截面預制件時只能使用通用法，編織效率低；再者編織底盤與編織出預制件的尺寸相差較大，適應性差。

張志毅提出了一種利用步進電機作為驅動裝置，電磁鐵在導軌兩端起定位作用，通過微控制器控制來實現多種異形預制件自動編織的底盤裝置，提高了其編織底盤的通用性。可根據異形預制件編織模式與式樣需要改變攜紗器布局，并通過相應的定位機構和電機單獨控制任意行(列)攜紗器的運動狀態，即可實現異形立體織物的整體編織，該異形編織底盤適用于采用通用法和混和法編織異形預制件[33]。

3 基于AGV小車模型的主動攜紗器

前文所總結的一些能夠實現整體編織的可控增減紗攜紗器和異形編織底盤，在一定程度上可以實現異形整體編織。但是基于直線電機的主動攜紗器，其本身和底盤的鋪設成本高且易產生電磁干擾，增加了控制難度，影響編織過程的順利進行；常規的異形編織底盤結構復雜和擴展性差，難以應對編織截面尺寸較大的預制件。在此基礎上本文提出了基于AGV小車模型的主動攜紗器模型，其具有結構簡單、易控制、適應性強等特點，可有效地解決底盤復雜、電磁干擾和成本高等問題，實現變截面和異形整體編織。

3.1 主動攜紗器整體設計思路

AGV小車模型的單個或群體運動可實現異形編織，提高了編織底盤運動的靈活性；且作為載體可與增減紗裝置組合，實現變截面編織，即實現異形與變截面的柔性一體化編織。

小車的設計采用雙動力系統，分別控制X軸和Y軸的運動。當小車向X軸正方向運動時，相關電機啟動，反向運動時電機轉向轉換即可，Y軸同理。此方案有效地簡化了動力系統的結構。轉向方案使用電機控制四輪同時轉向，避免了驅動輪作為轉向輪造成轉彎半徑過大，使小車軌道復雜化。小車供電模式要符合三維編織物的工業生產要求，而且經濟安全；常規的小車通過電池或者CPS非接觸供電，前者不能連續工作，后者電磁干擾較大，對于小車的控制影響較大[34]。本設計通過底盤布線方式為小車供電，既能解決工作的持續性，還能降低電磁干擾。底盤僅起導向修正和供電作用。底盤結構簡單，可以根據編織物的尺寸要求進行任意組合。在底盤上開槽、布線，為小車持續供電。小車通過觸電裝置與電網接觸通電并起到導向修正作用。在交點位置布置磁釘為小車提供準確的運動定位。小車的驅動與轉向電機分別通過NRLF24L01模塊控制，實現變截面與異形截面預制件的整體編織。

3.2 主動攜紗器的工作方式

基于AGV小車設計的主動攜紗器，突破了依靠傳統編織底盤提供導向和動力，在編織變截面和異形截面預制件時，可以按照編織工藝分布在底盤上，通過計算機控制實現編織過程。當編織變截面時，編織底盤分為編織區域和待機區域，當預制件截面尺寸縮減時，編織區域的攜紗器退出編織進入待機區域，當預制件截面尺寸增加時，待機區域的攜紗器進入編織區域參與編織運動[35]。當編織異形截面時，該攜紗器具有獨立的運動能力，在編織主體陣內不必遵循錠座填滿編織主體陣的規則，只需根據異形預制件截面的尺寸與形狀，調動攜紗器到準確的位置，組成異形截面的主體，接著按照編織規律，確定補充錠座的安放位置，不必考慮空檔位置對編織過程的影響[36]。該攜紗器具有獨立運動的能力，在編織異形截面時通用法和混和法均使用。

4 結語

目前三維整體編織技術研究主要集中在變截面編織工藝和異形編織工藝，對編織設備的依賴性較強。增減紗攜紗器由于增加了增減紗控制裝置，其體積會明顯增大，且控制復雜，對編織機體積和效率影響較大。基于直線電機模型的主動攜紗器和齒輪主動攜紗器雖然可實現自由移動，適用于變截面和異形整體編織，但是直線電機攜紗器電磁干擾強，底盤成本較高；齒輪主動攜紗器和底盤結構復雜。現有異形編織底盤結構復雜，適用范圍較小。本文提出的基于AGV小車模型的主動攜紗器結構簡單，對底盤依賴減少，使整個編織機研制成本降低；通過底盤布線、供電可減少電磁干擾，且可持續工作；通用性好，僅通過控制有序控制攜紗器運動規律即可完成異形整體編織，亦可作為載體與增減紗攜紗裝置配合使用，通過單元尺寸法實現增減紗，從而提高編織的效率，對新型三維編織機研發具有重要的價值。