三維五軸平型織造技術(shù)與織機(jī)虛擬樣機(jī)研究

周 能，王益軒，陳 雨，李鵬飛，王永強(qiáng)，劉 靜

(西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，西安 710048)

0 引言

三維多軸平型織造技術(shù)是一種新型織造技術(shù)，是對(duì)傳統(tǒng)織造技術(shù)的拓展與革新。20世紀(jì)90年代以來(lái)，以三維多軸織物為骨架的復(fù)合材料憑借其薄壁化、輕量化、高韌性、耐沖擊性、形態(tài)穩(wěn)定性及設(shè)計(jì)靈活性等優(yōu)點(diǎn)，已被廣泛應(yīng)用于航空航天、風(fēng)力發(fā)電機(jī)葉片、交通運(yùn)輸、建筑、體育、休閑、音響、汽車(chē)零部件及運(yùn)輸器械等領(lǐng)域[1]。三維多軸織物的“多軸”體現(xiàn)在織物結(jié)構(gòu)中紗線角度不同于軸線方向的個(gè)數(shù)[2]。傳統(tǒng)三維織物結(jié)構(gòu)用垂紗將分層疊放的經(jīng)紗、緯紗進(jìn)行捆綁，使之成為整體；而三維五軸織物既具有正交織物的各向異性，同時(shí)由于斜向紗線的存在，又具有某方向的平面屬性，即各向同性，使織物力學(xué)性能更優(yōu)[3]。

筆者基于編織、機(jī)織混合的原理，在充分研究三維五軸織物結(jié)構(gòu)和織造工藝的基礎(chǔ)上，對(duì)三維五軸平型織機(jī)進(jìn)行了概念化設(shè)計(jì)。

1 三維五軸平型織機(jī)整體設(shè)計(jì)

1.1 預(yù)制件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

設(shè)計(jì)的三維五軸平型織機(jī)預(yù)制件結(jié)構(gòu)如圖1所示，織物由5組紗線系統(tǒng)組成，包括經(jīng)紗x、斜紗b1(與經(jīng)紗呈+45°角)、斜紗b2(與經(jīng)紗呈-45°角)、緯紗y和垂紗z。各組紗線呈伸直狀態(tài)、相互平行排列于所在平面，紗線面內(nèi)、層間無(wú)交織[4]。

a) 三維五軸織物W1

b) 三維五軸織物W2

1.2 織機(jī)概念化設(shè)計(jì)模型

三維五軸平型織機(jī)結(jié)構(gòu)如圖2所示，經(jīng)紗x與斜紗b1、b2經(jīng)斜紗引導(dǎo)機(jī)構(gòu)進(jìn)入綜框被引導(dǎo)至織口，垂紗引導(dǎo)機(jī)構(gòu)通過(guò)綜框在斜紗引導(dǎo)機(jī)構(gòu)與織口之間往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并引導(dǎo)垂紗z由上下兩部分分別貫穿經(jīng)紗層和斜紗層。緯紗引導(dǎo)機(jī)構(gòu)引導(dǎo)緯紗y在經(jīng)紗層間形成緯紗層。最終，紗線在織口處通過(guò)壓緊機(jī)構(gòu)、定型機(jī)構(gòu)形成三維織物W[5-6]。

1—斜紗引導(dǎo)機(jī)構(gòu)；2—綜框；3，9—垂紗引導(dǎo)機(jī)構(gòu)；4—織口；5—壓緊機(jī)構(gòu)；6—定型針；7—卷取機(jī)構(gòu)；8—定型機(jī)構(gòu)。圖2 三維五軸平型織機(jī)結(jié)構(gòu)

2 各引導(dǎo)機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

2.1 斜紗引導(dǎo)機(jī)構(gòu)

斜紗引導(dǎo)機(jī)構(gòu)由4組獨(dú)立的斜紗機(jī)構(gòu)縱向排列而成，每組斜紗機(jī)構(gòu)主要由2排斜紗引導(dǎo)塊組成，每個(gè)斜紗引導(dǎo)塊長(zhǎng)為20 mm、寬為4 mm、高為5 mm，導(dǎo)紗管孔間距為4 mm，當(dāng)織機(jī)幅寬設(shè)計(jì)為300 mm時(shí)，每排需750個(gè)斜紗引導(dǎo)塊。斜紗引導(dǎo)塊導(dǎo)軌與機(jī)架相連接，分別形成上、中、下三層位移平面S3、S2、S1。其中，S1由左、右兩端氣動(dòng)推桿推動(dòng)斜紗引導(dǎo)塊橫向移動(dòng)，平面兩端上升機(jī)構(gòu)使橫向凸出的一個(gè)斜紗引導(dǎo)塊上升一個(gè)平面，并推動(dòng)斜紗引導(dǎo)塊在該平面橫向移動(dòng)；當(dāng)完成一個(gè)時(shí)序后，縱向位移機(jī)構(gòu)整體帶動(dòng)2排斜紗引導(dǎo)塊下降一個(gè)平面，返回位移初始位置。

斜紗引導(dǎo)機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)斜紗引導(dǎo)塊連續(xù)、循環(huán)地以“蛇行”方式移動(dòng)，使斜紗角度在±45°切換。為了簡(jiǎn)明、清楚地說(shuō)明斜紗機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理，這里僅用10個(gè)斜紗引導(dǎo)塊以特定順序排列成2行，分別位于平面S1、S2，如圖3所示。平面S1左側(cè)氣動(dòng)推桿推動(dòng)斜紗引導(dǎo)塊右移，斜紗引導(dǎo)塊帶動(dòng)滑塊右移的過(guò)程中使旋轉(zhuǎn)盤(pán)順時(shí)針旋轉(zhuǎn)一定角度，同時(shí)彈簧片11受力變形；旋轉(zhuǎn)盤(pán)順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)的過(guò)程中連桿14帶動(dòng)連桿9使連桿溝槽表面由平面S2移動(dòng)至平面S1，并裝夾斜紗引導(dǎo)塊的導(dǎo)紗管，同時(shí)彈簧受力變形；當(dāng)斜紗引導(dǎo)塊完全移出平面后，旋轉(zhuǎn)盤(pán)帶動(dòng)連桿14與9分離；在彈簧片11的作用下連桿9勾住斜紗引導(dǎo)塊的導(dǎo)紗管使斜紗引導(dǎo)塊上升至平面S2，連桿溝槽表面與左側(cè)上升機(jī)構(gòu)表面將導(dǎo)紗管定位、夾緊；隨后，受力變形的彈簧片11帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)盤(pán)逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)，使滑塊推動(dòng)平面S2中的斜紗引導(dǎo)塊左移進(jìn)入左側(cè)上升機(jī)構(gòu)；由于彈簧片11的存在，避免了連桿14在回程中與連桿9碰撞、卡死，可以實(shí)現(xiàn)斜紗引導(dǎo)塊連續(xù)裝夾；最終，左、右兩端上升機(jī)構(gòu)重復(fù)以上運(yùn)動(dòng)5次后，縱向位移機(jī)構(gòu)整體帶動(dòng)2排斜紗引導(dǎo)塊由平面S3、S2返回至平面S2、S1，斜紗傾角發(fā)生轉(zhuǎn)變。

1—左側(cè)氣動(dòng)推桿； 2，15—斜紗引導(dǎo)塊導(dǎo)軌；3—縱向位移機(jī)構(gòu)；4—左側(cè)上升機(jī)構(gòu)；5—彈簧；6—左側(cè)上升機(jī)構(gòu)表面；7—連桿溝槽；8—滑塊；9，14—連桿；10—旋轉(zhuǎn)盤(pán)；11，12—彈簧片；13—斜紗引導(dǎo)塊；16—?dú)飧祝?B—固定鉸鏈；D—活動(dòng)鉸鏈。圖3 三維五軸平型織機(jī)斜紗引導(dǎo)機(jī)構(gòu)

2.2 垂紗引導(dǎo)機(jī)構(gòu)

垂紗引導(dǎo)機(jī)構(gòu)由上、下兩劍桿構(gòu)成，引導(dǎo)垂紗z分別由上向下(或由下向上)貫穿經(jīng)紗層與斜紗層，將經(jīng)紗、緯紗和斜紗在織口處捆綁起來(lái)形成三維織物W；若垂紗引導(dǎo)機(jī)構(gòu)1、3同時(shí)運(yùn)動(dòng)，則可得到三維織物W1；若垂紗引導(dǎo)機(jī)構(gòu)1、3間隔運(yùn)動(dòng)，則可得到“蜂巢型”三維織物W2。

如圖4所示，在一個(gè)織造時(shí)序內(nèi)，垂紗引導(dǎo)機(jī)構(gòu)

1，3—垂紗引導(dǎo)機(jī)構(gòu)；2—織口。圖4 三維五軸平型織機(jī)垂紗引導(dǎo)機(jī)構(gòu)

1由上往下垂向貫穿經(jīng)紗層與斜紗層，捆綁緯紗y與斜紗c(斜紗b1、b2異面交叉處)橫向移動(dòng)至織口，再豎向移動(dòng)一定距離捆綁緊紗線，然后垂紗引導(dǎo)機(jī)構(gòu)1以原方式回程穿過(guò)經(jīng)紗層與緯紗層，接著捆綁緯紗y與表面紗線橫向移動(dòng)至織口，再垂向抬高一定距離捆綁緊紗線，最后垂紗引導(dǎo)機(jī)構(gòu)1返回初始位置，完成一個(gè)時(shí)序。

2.3 緯紗引導(dǎo)機(jī)構(gòu)

緯紗引導(dǎo)機(jī)構(gòu)主要由劍桿和接觸桿A、B組成。劍桿引導(dǎo)緯紗y在平面內(nèi)縱向移動(dòng)至圖5所示位置，接觸桿A凸出水平面，接著劍桿返回緯紗y，接觸桿A移動(dòng)至接觸桿A′位置；然后，定型機(jī)構(gòu)中定型針5和接觸桿B凸出水平面，接觸桿B以同樣方式移動(dòng)至接觸桿B′位置，定型針6凸出水平面，最后接觸桿A、B退出水平面，返回緯紗y引入。

1—?jiǎng)U；2—接觸桿A；3—織口；4—接觸桿A′；5，6—定型針；7—接觸桿B′；8—接觸桿B。圖5 三維五軸平型織機(jī)緯紗引導(dǎo)機(jī)構(gòu)

2.4 各主要機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)配合關(guān)系

各主要機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)配合關(guān)系如圖6所示，縱坐標(biāo)為位移s，橫坐標(biāo)為時(shí)間t。斜紗引導(dǎo)塊初始位移零

圖6 三維五軸平型織機(jī)各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)間配合關(guān)系

點(diǎn)代表斜紗引導(dǎo)塊位于平面S2、S1，緯紗引導(dǎo)劍桿初始位移零點(diǎn)代表劍桿靠近進(jìn)紗口位置，接觸桿初始位移零點(diǎn)代表接觸桿未凸出織物平面，垂紗引導(dǎo)劍桿初始位移零點(diǎn)代表劍桿組遠(yuǎn)離織物平面，其對(duì)應(yīng)凸出位置為打緊時(shí)刻，綜框初始位移零點(diǎn)代表綜框遠(yuǎn)離織口位置，定型針初始位移零點(diǎn)代表定型針未凸出定型機(jī)構(gòu)平面，卷取機(jī)構(gòu)初始位移零點(diǎn)代表

未卷取，壓緊機(jī)構(gòu)初始位置零點(diǎn)代表壓緊機(jī)構(gòu)遠(yuǎn)離織物平面。

筆者已在PTC Creo 4.0和ADAMS 2013中建立了以上各機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型，可做詳細(xì)的仿真設(shè)計(jì)。同時(shí)，根據(jù)圖6所示的運(yùn)動(dòng)配合關(guān)系，可在PTC Creo 4.0和ADAMS 2013中分別建立三維五軸平型織機(jī)整機(jī)的虛擬樣機(jī)模型，并進(jìn)行各機(jī)構(gòu)的詳細(xì)仿真、優(yōu)化設(shè)計(jì)和各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)配合設(shè)計(jì)。

3 結(jié)論

3.1 新型斜紗引導(dǎo)機(jī)構(gòu)區(qū)別于傳統(tǒng)的環(huán)形軌道斜紗引導(dǎo)方式，斜紗引導(dǎo)塊以“蛇行”方式移動(dòng)，從而使織機(jī)結(jié)構(gòu)更加緊湊、織造幅寬大幅增加。

3.2 “蜂巢”結(jié)構(gòu)的三維織物可作為復(fù)合材料結(jié)構(gòu)的加強(qiáng)版，能代替?zhèn)鹘y(tǒng)材料結(jié)構(gòu)如混凝土、木材和鋼材，拓寬了三維多軸平型織物的應(yīng)用領(lǐng)域。

3.3 根據(jù)斜紗、垂紗、緯紗引導(dǎo)機(jī)構(gòu)原理，建立了各機(jī)構(gòu)之間的運(yùn)動(dòng)配合關(guān)系，為織造新型三維五軸織物提供理論基礎(chǔ)。

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