軟硬混編預(yù)制體窄縫通道連續(xù)碳纖維束引緯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

中圖分類(lèi)號(hào)：TB332

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2025.07.014 開(kāi)放科學(xué)（資源服務(wù)）標(biāo)識(shí)碼（OSID）：

Design and Experimental Verification of a Narrow-channel Continuous Carbon Fiber Tow Weft Insertion System for Soft-Hard Blended Preforms

XING Lipeng1，2 DONG Jiuzhi1，2 * CHEN Yunjun3Li Rui1，2JIANG Xiuming1，2 1.School of Mechanical Engineering，Tiangong University，Tianjin，300387 2.Advanced Mechatronics Equipment Technology Tianjin Area Major Laboratory， Tiangong University，Tianjin，300387 3.School of Control Science and Engineering，Tiangong University，Tianjin，300387

Abstract： To address the issues of high labor intensity and low forming eficiency caused by manual weft insertion in narrow channels during the forming processes of soft-hard blended preforms，an automated weft insertion system was developed based on an S-shaped trajectory of continuous carbon fiber tow.The formation mechanism of the S-shaped trajectory was analyzed to establish the synergistic relationship between carbon fiber bundle positioning and coordinated multi-mechanism motions.A system architecture was designed，with the weft delivery mechanisms， electronic weft insertion mechanisms and post-insertion control mechanisms as the core components. Prototype experiments demonstrate that the system achieves continuous and stable weft insertion in narrow channels at a rate of 12.5 picks per minute.

Key words： soft-hard blended preform；narrow-channel weft insertion； continuous carbon fiber tow;S-shaped trajectory;weft insertion system

0 引言

碳/碳（C/C）復(fù)合材料因其優(yōu)異的抗燒蝕、抗熱沖擊性和耐摩擦性能而廣泛用于航天熱結(jié)構(gòu)和熱防護(hù)部件[1-4]。航天推進(jìn)技術(shù)的不斷發(fā)展對(duì)固體運(yùn)載火箭發(fā)動(dòng)機(jī)的性能提出更高要求。喉襯作為發(fā)動(dòng)機(jī)推力轉(zhuǎn)化的核心部件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與制造工藝直接影響發(fā)動(dòng)機(jī)性能[5-6]

目前， c/c 喉襯預(yù)制體的制備技術(shù)包括針刺成形、細(xì)編穿刺成形、軟硬混編成形[7-10]。針刺與細(xì)編穿刺技術(shù)相對(duì)成熟[11-12]，但前者存在層間性能不足的缺陷，后者在大尺寸預(yù)制體制備中面臨結(jié)構(gòu)局限性，難以滿(mǎn)足高性能發(fā)動(dòng)機(jī)的需求。為克服上述缺陷，HOU等[13]將碳纖維束與剛性碳纖維棒（碳棒）作為增強(qiáng)體，通過(guò)混合編織技術(shù)將三向碳纖維束精準(zhǔn)排布于碳棒間隙形成的窄縫通道中，獲得結(jié)構(gòu)整體性顯著增強(qiáng)的多向預(yù)制體，顯著提高了C/C復(fù)合材料的力學(xué)和熱力學(xué)性能[14-18]

現(xiàn)有研究集中于軟硬混編預(yù)制體復(fù)合成形后的性能表征，對(duì)預(yù)制體制備過(guò)程中的關(guān)鍵工藝——窄縫通道（寬度小于 2mm 連續(xù)碳纖維束引緯技術(shù)的研究存在不足。傳統(tǒng)引緯常采用剪緯工序[19]，這會(huì)破壞碳纖維的連續(xù)性，導(dǎo)致預(yù)制體結(jié)構(gòu)松散、孔隙率分布不均，影響致密化均勻性，降低復(fù)合材料的力學(xué)性能。因此，如何實(shí)現(xiàn)窄縫通道內(nèi)連續(xù)碳纖維束的高效引緯，成為制約軟硬混編預(yù)制體成形技術(shù)發(fā)展的關(guān)鍵難題。針對(duì)這一問(wèn)題，本文提出一種基于S形引緯軌跡的窄縫通道連續(xù)碳纖維束引緯工藝，并設(shè)計(jì)了相應(yīng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)和控制系統(tǒng)。樣機(jī)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該技術(shù)的可行性。

1引緯系統(tǒng)的功能需求分析

1.1窄縫通道連續(xù)碳纖維束引緯軌跡

工裝系統(tǒng)由2個(gè)均布工裝孔（正六邊形排列）的導(dǎo)向模板組成，將碳棒插入直徑略大的工裝孔位，形成碳棒陣列，如圖1a所示。碳棒陣列內(nèi)部間隙構(gòu)成了有序引入連續(xù)碳纖維束的窄縫通道。如圖1b所示，引緯系統(tǒng)將連續(xù)碳纖維束沿S形引緯軌跡引入窄縫通道。碳纖維束在通道內(nèi)部形成2條緯紗軌跡，并在相鄰兩通道過(guò)渡處環(huán)繞碳棒形成鎖邊結(jié)構(gòu)。這種設(shè)計(jì)能有效鎖緊織物，增強(qiáng)預(yù)制體結(jié)構(gòu)的整體穩(wěn)定性。

圖1碳棒陣列工裝及S形引緯軌跡示意圖 Fig.1 Carbon rod array tooling system and S-shaped weft insertion trajectory

1.2 連續(xù)碳纖維束S形引緯軌跡的形成機(jī)理

為實(shí)現(xiàn)圖1b所示的連續(xù)碳纖維束S形引緯軌跡，通過(guò)分析引緯過(guò)程中碳纖維束的位置變化，系統(tǒng)研究碳纖維束運(yùn)動(dòng)與機(jī)構(gòu)動(dòng)作的配合關(guān)系，進(jìn)而揭示連續(xù)碳纖維束S形軌跡的形成機(jī)理，如圖2所示。

纖維筒與機(jī)構(gòu)1安置在碳棒陣列左側(cè)，碳纖維束從纖維筒退繞后，首先由機(jī)構(gòu)1導(dǎo)向并精確送入引緯劍前端的鉤槽內(nèi)；在碳棒陣列右側(cè)安置機(jī)構(gòu)2、機(jī)構(gòu)3，其中，機(jī)構(gòu)2負(fù)責(zé)沿引緯方向?qū)⑻祭w維束引入窄縫通道；機(jī)構(gòu)3完成鉤槽內(nèi)碳纖維束的卸載，并將其穩(wěn)固于通道中。執(zhí)行機(jī)構(gòu) 1～3 通過(guò)協(xié)同動(dòng)作完成單通道內(nèi)碳纖維束的鋪放與定位，隨后X-Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)攜帶執(zhí)行機(jī)構(gòu)組沿鋪纏方向進(jìn)行通道轉(zhuǎn)換，通過(guò)循環(huán)作業(yè)在碳棒陣列間隙中逐步形成連續(xù)的S形引緯軌跡。各機(jī)構(gòu)空間分布與纖維運(yùn)動(dòng)軌跡如圖2a所示。

具體編織過(guò)程如圖2b所示。引緯劍沿 X 軸負(fù)方向穿過(guò)窄縫通道運(yùn)動(dòng)至機(jī)構(gòu)1所在側(cè)（動(dòng)作① ——進(jìn)劍）。初始狀態(tài)下，碳纖維束延伸方向與引緯劍軸線(xiàn)均平行于 X 軸。為有效引緯，機(jī)構(gòu)1需對(duì)碳纖維束執(zhí)行精確定位操作：首先通過(guò)機(jī)械裝置將碳纖維束 AB 段調(diào)整至與 Y 軸平行的方向，并固定 B 點(diǎn)（動(dòng)作 ② —控緯）;隨后將 A 點(diǎn)碳纖維束沿 Z 軸提升高度 H ，使 AB 段形成與X-Y 平面成 θ 角的傾斜段，并精準(zhǔn)導(dǎo)人引緯劍前端的鉤槽區(qū)域（動(dòng)作 ③ —提緯）;捕獲碳纖維束后，引緯劍攜帶碳纖維束沿引緯方向退出窄縫通道（動(dòng)作 ④ —回劍），在通道中形成2條緯紗軌跡，完成一個(gè)通道的引緯工作。

將引緯后碳纖維束的初始位置定義為引緯位置 D ，此時(shí)的碳纖維束仍滯留于引緯劍鉤槽內(nèi)，需將其卸載至位置 E （動(dòng)作 ⑤ ——控紗）。另外，連續(xù)碳纖維束按預(yù)設(shè)S形軌跡引緯形成的纖維層結(jié)構(gòu)，在碳棒陣列左側(cè)通過(guò)環(huán)繞碳棒鎖邊固定，右側(cè)保持開(kāi)放結(jié)構(gòu)。這種連續(xù)引緯方式導(dǎo)致相鄰?fù)ǖ赖奶祭w維束（定義為第 i 緯和第 i+1 緯）產(chǎn)生張力傳遞效應(yīng)，具體表現(xiàn)為：當(dāng)引人第 i+1 緯時(shí)，已鋪放的第 i 緯會(huì)在張力作用下被牽引出通道。為解決張力傳遞的問(wèn)題，需通過(guò)機(jī)構(gòu)3將卸載后的第 i 緯臨時(shí)固定至夾紗位置 E₁ （動(dòng)作 ⑥ 夾紗-固定），避免后續(xù)引緯時(shí)的張力對(duì)其產(chǎn)生影響。完成固定后，由 X-Y 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)控制碳棒陣列兩側(cè)所有機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)換至下一通道（動(dòng)作 ⑦ 尋位），并重復(fù)動(dòng)作 ①～④ ，將第 i+1 緯引入至位置 D 。在引入新緯紗后，首先將固定的第 i 緯釋放至位置E （動(dòng)作 ⑧ ——夾紗-釋放），隨后通過(guò)機(jī)構(gòu)3同步完成2個(gè)關(guān)鍵動(dòng)作：將第 i+1 緯定位至位置 E ，同時(shí)推動(dòng)第 i 緯至織口位置 F （動(dòng)作 ⑨ 打紗）。第 i 緯固定后，即可繼續(xù)引人新的緯紗。系統(tǒng)循環(huán)執(zhí)行上述動(dòng)作即可在窄縫通道中形成S形連續(xù)引緯軌跡。

1.3 引緯系統(tǒng)總體架構(gòu)

根據(jù)連續(xù)碳纖維束S形引緯軌跡的形成機(jī)理，構(gòu)建窄縫通道自適應(yīng)引緯系統(tǒng)的總體架構(gòu)。如圖3所示，引緯系統(tǒng)主要由筒子架、遞緯機(jī)構(gòu)、碳棒陣列、電子引緯機(jī)構(gòu)、已引緯紗控制機(jī)構(gòu)、 X^- Y運(yùn)動(dòng)平臺(tái)組成。由于碳纖維是一種高脆性的材料，在織造過(guò)程中易產(chǎn)生毛羽甚至發(fā)生斷裂，影響碳纖維類(lèi)預(yù)制體的成形質(zhì)量和成形效率，因此采用織造一體化技術(shù)[20]，即碳纖維束在筒子架退繞后直接進(jìn)人引緯系統(tǒng)，最大限度地減少碳纖維束的損傷。

圖3引緯系統(tǒng)總體架構(gòu)

Fig.3Overall architecture ofweft insertion system

2引緯系統(tǒng)的關(guān)鍵技術(shù)

2.1 碳纖維束預(yù)處理技術(shù)

圖4為預(yù)處理階段的碳纖維束紗路示意圖，碳纖維束自纖維筒依次通過(guò)導(dǎo)紗元件、斷紗檢測(cè)器、限位輥和張力調(diào)節(jié)裝置。導(dǎo)紗元件確保碳纖維束沿預(yù)定路徑的平滑過(guò)渡。斷紗檢測(cè)器實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)碳纖維束的連續(xù)性，一旦檢測(cè)到斷裂或缺失，系統(tǒng)立即警報(bào)并采取相應(yīng)的應(yīng)對(duì)措施。為增強(qiáng)碳纖維束的穩(wěn)定性并提高其編織性能，碳纖維束在繞過(guò)限位輥下方時(shí)會(huì)浸漬助劑。張力裝置對(duì)碳纖維束施加適量的預(yù)張力，使碳纖維束在編織過(guò)程中保持直線(xiàn)形態(tài)，避免松弛或過(guò)度伸長(zhǎng)。

圖4碳纖維束預(yù)處理紗路示意圖

Fig.4Schematic diagram of carbon fiber bundles pretreatment yarn

2.2窄縫通道變動(dòng)程遞緯技術(shù)

預(yù)處理后的碳纖維束進(jìn)入遞緯機(jī)構(gòu)。如圖5所示，遞緯機(jī)構(gòu)分步執(zhí)行控緯和提緯動(dòng)作。

1）控緯。碳纖維束通過(guò)提緯桿上的瓷環(huán)孔，由控緯桿繞轉(zhuǎn)軸 O₁ 順時(shí)針旋轉(zhuǎn)角 η₁ ，將碳纖維束精準(zhǔn)引導(dǎo)至預(yù)設(shè)位置（ B 點(diǎn)）?？鼐晽U與配合面在 B 點(diǎn)配合，固定碳纖維束。此時(shí)，碳纖維束的AB段恰好位于引緯劍鉤槽正下方，如圖5a所示。

2）提緯。提緯桿繞轉(zhuǎn)軸 O₂ 逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)角η₂ ，將碳纖維束 AB 段的 A 點(diǎn)提升至 c 點(diǎn)。此時(shí)，碳纖維束 BC 段與水平面呈 45^° 夾角，并精準(zhǔn)導(dǎo)入引緯劍前端的鉤槽區(qū)域，如圖5b所示。

為優(yōu)化引緯時(shí)序，在引緯劍啟動(dòng)進(jìn)劍運(yùn)動(dòng)的同時(shí)，遞緯機(jī)構(gòu)同步執(zhí)行控緯動(dòng)作；引緯劍進(jìn)劍運(yùn)動(dòng)結(jié)束時(shí)，立即執(zhí)行提緯動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)工序銜接。

2.3窄縫通道變動(dòng)程引緯技術(shù)

為使碳纖維束引緯長(zhǎng)度與窄縫通道長(zhǎng)度匹配，引緯機(jī)構(gòu)采用伺服電機(jī)驅(qū)動(dòng)和計(jì)算機(jī)控制相結(jié)合的電子引緯方式。如圖6所示，電子引緯機(jī)構(gòu)由集成的齒帶傳動(dòng)平臺(tái)和引緯劍組成。齒帶傳動(dòng)平臺(tái)采用傳動(dòng)比為 1：1 的齒輪齒帶結(jié)構(gòu)，將伺服電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)換為滑臺(tái)的水平往復(fù)運(yùn)動(dòng)。工具鋼制成的引緯劍通過(guò)螺栓與滑臺(tái)剛性連接，在滑臺(tái)驅(qū)動(dòng)下穿過(guò)窄縫通道進(jìn)行引緯。通過(guò)伺服控制系統(tǒng)調(diào)節(jié)電機(jī)轉(zhuǎn)角來(lái)動(dòng)態(tài)調(diào)整引緯動(dòng)程，并依據(jù)預(yù)設(shè)的速度曲線(xiàn)規(guī)劃電機(jī)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律獲得理想的引緯特性。

圖5遞緯機(jī)構(gòu)工作原理

Fig.5 Working principle of weft delivery mechanism

圖6電子引緯機(jī)構(gòu)示意圖Fig.6Schematic diagram of electronic weft insertionmechanism

2.4窄縫通道檢測(cè)技術(shù)

窄縫通道的寬度約 2mm ，采用厚度 1.5mm 的引緯劍引緯時(shí)，引緯劍單側(cè)與碳棒的理論間隙為 0.25mm 。數(shù)以萬(wàn)計(jì)的碳棒不可避免地存在扭曲或棱邊等缺陷，可能導(dǎo)致引緯劍通過(guò)窄縫通道時(shí)與碳棒發(fā)生干涉甚至撞斷碳棒，中斷預(yù)制體的成形。因此，每次引緯前檢測(cè)窄縫通道的可通過(guò)性至關(guān)重要。

基于光電檢測(cè)原理開(kāi)發(fā)的窄縫通道檢測(cè)系統(tǒng)由數(shù)字光纖放大器和專(zhuān)用光學(xué)探頭組成。光學(xué)探頭集成了極細(xì)光點(diǎn)透鏡和平行光透鏡，可產(chǎn)生直徑 1.5mm 的檢測(cè)光束。該光束能有效通過(guò)2mm 寬的窄縫通道，接收端通過(guò)測(cè)量透射光強(qiáng)和光斑偏移量實(shí)現(xiàn)通道可通過(guò)性的量化判定。通道的實(shí)際寬度小于設(shè)定閾值 1.5mm 時(shí)，系統(tǒng)將自動(dòng)判定通道寬度不滿(mǎn)足要求。此時(shí)，需詳細(xì)檢查并及時(shí)移除存在缺陷的碳棒，確保引緯過(guò)程的連續(xù)性。

2.5窄縫通道已引緯紗控制技術(shù)

引緯劍通過(guò)回劍運(yùn)動(dòng)將碳纖維束引入窄縫通道，需依次執(zhí)行控紗、夾紗和打紗動(dòng)作，從而實(shí)現(xiàn)碳纖維束從引緯劍鉤槽到窄縫通道的精準(zhǔn)轉(zhuǎn)移與鋪放。圖7所示為集成了控紗、夾紗和打紗動(dòng)作的已引緯紗控制機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)由六連桿控打機(jī)構(gòu)（3-4-5-6-7-8）及四連桿夾紗機(jī)構(gòu)（1-2-3-9）組成，其中，控打機(jī)構(gòu)將桿4的轉(zhuǎn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為滑塊8的直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)，夾紗機(jī)構(gòu)將活塞桿1的往復(fù)直線(xiàn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為桿3的擺動(dòng)。

圖7已引緯紗控制機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

Fig.7Schematic diagram of the post-insertion control mechanism

控打機(jī)構(gòu)末端桿（以下簡(jiǎn)稱(chēng)控打桿）為“亡”形，通過(guò)螺栓安裝在滑塊8上。桿4驅(qū)動(dòng)滑塊8沿導(dǎo)軌下行時(shí)，控打桿同步下移?？卮驐U上端執(zhí)行控紗動(dòng)作，下端執(zhí)行打紗動(dòng)作。

夾紗機(jī)構(gòu)末端桿（以下簡(jiǎn)稱(chēng)夾紗桿）剛性于驅(qū)動(dòng)桿3的末端。驅(qū)動(dòng)桿3順時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，夾紗桿隨動(dòng)并與機(jī)架9的夾持面接觸，產(chǎn)生夾持力，固定碳纖維束。驅(qū)動(dòng)桿3逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，夾紗桿與夾持面分離，釋放碳纖維束。

已引緯紗控制機(jī)構(gòu)的工作原理如圖8所示，控打桿向下移動(dòng)時(shí)，其上端將第 i+1 緯移從位置D 至位置 E ，下端將第 i 緯從位置 E 打向位置 F 。此時(shí)，第 i 緯鋪放在窄縫通道中，標(biāo)志著該緯引緯工序的完成。夾紗桿順時(shí)針旋轉(zhuǎn)角 α 至位置 E₁ ，夾緊第 i+1 緯，便可繼續(xù)下一通道的引緯工作。

該設(shè)計(jì)將控打機(jī)構(gòu)整體安裝在桿3上，通過(guò)桿3的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)驅(qū)動(dòng)夾紗桿實(shí)現(xiàn)夾紗動(dòng)作的同時(shí)，還帶動(dòng)控打桿同步旋轉(zhuǎn)，避免了控打桿返回初始位置過(guò)程中，其下端與固定在位置 E₁ 處的 i+ 1緯干涉，確保引緯過(guò)程的連續(xù)性。

3控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)的硬件設(shè)計(jì)

軟硬混編預(yù)制體窄縫通道連續(xù)碳纖維束引緯系統(tǒng)是采用伺服控制技術(shù)、氣動(dòng)控制技術(shù)和傳感器檢測(cè)技術(shù)的復(fù)雜工程系統(tǒng)。松下PLC（FPXH-

圖8 已引緯紗控制機(jī)構(gòu)工作原理Fig.8 Working principle of weft controllingmechanism af'terinsertion

C6OT）作為核心控制單元，確保各執(zhí)行機(jī)構(gòu)的精確協(xié)調(diào)作業(yè)。人機(jī)交互采用昆侖通態(tài)觸摸屏TPC1162Hii，實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)運(yùn)行狀態(tài)?？刂葡到y(tǒng)硬件組成如圖9所示。

圖9PLC控制系統(tǒng)硬件組成

Fig.9 HardwarecompositionofPLCcontrol system

3.2 控制系統(tǒng)的軟件設(shè)計(jì)

3.2.1 伺服軸運(yùn)動(dòng)控制參數(shù)的計(jì)算

為簡(jiǎn)化系統(tǒng)各伺服單元運(yùn)動(dòng)軸的脈沖計(jì)算，采用安川伺服驅(qū)動(dòng)調(diào)試軟件 SigmaWin+ 內(nèi)部配置的電子齒輪功能，確定 X 軸平臺(tái) .Y 軸平臺(tái)及引緯伺服單元軸的電子齒輪比 I 與脈沖數(shù) P_s ：

式中： P ；為編碼器分辨率； ΔP 為一個(gè)指令脈沖的移動(dòng)量；R 為減速比； ΔS 為負(fù)載軸旋轉(zhuǎn)一圈的移動(dòng)量； 為軸運(yùn)

動(dòng)進(jìn)給量。

為計(jì)算各軸的進(jìn)給量，構(gòu)建伺服單元運(yùn)動(dòng)軸參數(shù)計(jì)算模型，如圖10所示，圖中，引緯點(diǎn)、遞緯點(diǎn)分別為引緯劍在通道的起始位置及終止位置。兩點(diǎn)的間距即為引緯劍的動(dòng)程：

L_i=a+b+w_i

式中： a，b 分別為引緯點(diǎn)和遞緯點(diǎn)與碳棒陣列正六邊形邊緣的水平距離； w_i 為窄縫通道 i 的長(zhǎng)度。

根據(jù)碳棒陣列的結(jié)構(gòu)特征，窄縫通道長(zhǎng)度 w_i 呈現(xiàn)“小一大—小”的對(duì)稱(chēng)變化趨勢(shì)。第 i 個(gè)窄縫通道的長(zhǎng)度為

w_i=w_n+1-i=

式中：為碳棒陣列的邊長(zhǎng)； d₁ 為兩碳棒的中心距； n 為窄縫通道數(shù)量。

圖10 伺服運(yùn)動(dòng)軸參數(shù)計(jì)算模型

Fig.10 Calculationmodeloftheservomotion axisparameters

X-Y 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中，參數(shù) a.b 恒定，驅(qū)動(dòng)平臺(tái)上的機(jī)構(gòu)沿正六邊形碳棒陣列邊緣精確運(yùn)動(dòng)。 X 軸平臺(tái)在 X 向往復(fù)移動(dòng)， Y 軸平臺(tái)在整個(gè)插補(bǔ)位移過(guò)程中始終沿 Y 軸正向移動(dòng)。 X^-Y 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)的進(jìn)給量 Δx.Δy 分別為

將各軸進(jìn)給量代入式（1）式（2），并結(jié)合表1所示的伺服單元參數(shù)，可計(jì)算出電子齒輪比及所需脈沖數(shù)。

表1伺服單元參數(shù)表

Tab.1 Servounitparametertable

3.2.2 控制程序設(shè)計(jì)

操作人員通過(guò)觸摸屏配置織造參數(shù)并啟動(dòng)主程序，PLC根據(jù)參數(shù)調(diào)用相應(yīng)的子程序，并通過(guò)處理傳感器反饋的信號(hào)實(shí)現(xiàn)多機(jī)械執(zhí)行機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)協(xié)調(diào)控制，完成軟硬混編預(yù)制體窄縫通道變動(dòng)程引緯工作。系統(tǒng)的程序運(yùn)行流程如圖11所示。

織造之前，全面檢測(cè)所有關(guān)鍵機(jī)械組件的原位功能。之后， X^-Y 運(yùn)動(dòng)平臺(tái)沿碳棒陣列邊緣進(jìn)行精確的插補(bǔ)運(yùn)動(dòng)。引緯劍伸出前，探測(cè)通道的可通過(guò)性，隨后根據(jù)通道長(zhǎng)度的變化執(zhí)行相應(yīng)的變動(dòng)程引緯運(yùn)動(dòng)。引緯過(guò)程中，若檢測(cè)到斷緯（碳纖維束的缺失或斷裂），系統(tǒng)報(bào)警并結(jié)束工作，等待操作人員的處理。初始時(shí)，通道計(jì)數(shù)器設(shè)為零。每完成一個(gè)通道的引緯工作，計(jì)數(shù)器數(shù)值自動(dòng)加1直至預(yù)設(shè)的閾值 n ，此時(shí)，一個(gè)纖維層的引緯工作完成。纖維層累積高度滿(mǎn)足預(yù)定要求后，系統(tǒng)自動(dòng)停止運(yùn)行。

4引緯系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為驗(yàn)證引緯系統(tǒng)在窄縫通道中引入碳纖維束的可行性，研制實(shí)驗(yàn)樣機(jī)（圖12）對(duì)碳棒陣列進(jìn)行連續(xù)碳纖維束引緯實(shí)驗(yàn)。

實(shí)驗(yàn)材料為康本 碳纖維束及同型號(hào)碳纖維束制成的碳棒。碳棒陣列內(nèi)切圓直徑為350mm ，高度為 40mm ，形成的窄縫通道數(shù)目 n 為108。鑒于預(yù)制體窄縫通道的對(duì)稱(chēng)性，選取前54個(gè)通道進(jìn)行引緯實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖13所示。

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明設(shè)計(jì)的引緯系統(tǒng)可在窄縫通道中完成連續(xù)碳纖維束的引緯工作，驗(yàn)證了系統(tǒng)的可行性。纖維層鎖邊質(zhì)量符合工藝要求，織口側(cè)碳纖維束排列整齊且預(yù)留長(zhǎng)度控制在 30mm 左右。為更直觀地觀察實(shí)驗(yàn)引緯軌跡，將纖維層提升至碳棒陣列最上方，如圖13c所示。碳纖維束引緯長(zhǎng)度與窄縫通道長(zhǎng)度匹配，且在窄縫通道中沿預(yù)期的S形軌跡引緯；54個(gè)通道中未發(fā)現(xiàn)缺紗或斷紗，保證了碳纖維束的連續(xù)性。

圖11 程序運(yùn)行流程圖

Fig.11Program running flow chart

圖12引緯系統(tǒng)實(shí)驗(yàn)樣機(jī)

Fig.12Experimental prototype ofweft insertion system

在保證引緯效果的前提下對(duì)系統(tǒng)性能進(jìn)行評(píng)估，利用上位機(jī)采集54個(gè)通道所用的引緯時(shí)間T_i （從引緯劍啟動(dòng)至完成第 i 通道碳纖維束鋪放）

圖13 引緯實(shí)驗(yàn)結(jié)果Fig.13Experimental results of weft insertion

并計(jì)算引緯速率 υ 。將結(jié)構(gòu)參數(shù) a=30mm，b= 20mm，l=194.4mm，d₁=3.6mm 代人式（3）式（4），得到引緯距離

S_i=2L_i=485.2+7.2ii=1，2，…，54

根據(jù)圖14所示的 i 通道引緯距離及引緯時(shí)間求得引緯速率

圖14 引緯實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)

Fig.14Experimental data of weft insertion

5結(jié)論

1）針對(duì)軟硬混編預(yù)制體成形過(guò)程中的窄縫通道引緯手工操作勞動(dòng)強(qiáng)度大、成形效率低的問(wèn)題，基于連續(xù)碳纖維束S形引緯軌跡設(shè)計(jì)了專(zhuān)用的窄縫通道自適應(yīng)引緯系統(tǒng)。

2）通過(guò)分析連續(xù)碳纖維束S形引緯軌跡的形成機(jī)理構(gòu)建了系統(tǒng)架構(gòu)。通過(guò)構(gòu)建的伺服單元運(yùn)動(dòng)軸參數(shù)計(jì)算模型確定了各運(yùn)動(dòng)軸的電子齒輪比和所需的脈沖數(shù)，并利用PLC和觸摸屏搭建了引

緯控制系統(tǒng)。

3）樣機(jī)實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，系統(tǒng)能將碳纖維束沿S形軌跡連續(xù)穩(wěn)定引入窄縫通道，碳纖維束鎖邊效果質(zhì)量符合工藝要求且在織口側(cè)排列整齊，引緯速率達(dá)到12.5緯/分鐘。

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（編輯張洋）

作者簡(jiǎn)介：邢力鵬，男，1998年生，博士研究生。研究方向?yàn)樘祭w維復(fù)合材料預(yù)制體成形裝備技術(shù)。發(fā)表論文2篇。E-mail：17320698225@163.c0m。董九志*（通信作者），男，1981年生，副教授、博士研究生導(dǎo)師。研究方向?yàn)閺?fù)合材料預(yù)制件成形技術(shù)、新型紡織機(jī)械機(jī)電一體化技術(shù)。發(fā)表論文33篇。E-mail：dongji-uzhi@ tiangong.edu.cn。

本文引用格式：

邢力鵬，董九志，陳云軍，等.軟硬混編預(yù)制體窄縫通道連續(xù)碳纖維束引緯系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證[J].中國(guó)機(jī)械工程，2025，36（7）：1512-1519.

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