立体织物整体穿刺钢针阵列布放装置研制及实验验证

董九志， 蒋秀明， 杨建成， 赵世海， 袁汝旺

(天津工业大学 天津市现代机电装备技术重点实验室， 天津 300387)



立体织物整体穿刺钢针阵列布放装置研制及实验验证

董九志， 蒋秀明， 杨建成， 赵世海， 袁汝旺

(天津工业大学 天津市现代机电装备技术重点实验室， 天津 300387)

针对立体织物整体穿刺钢针阵列大量超长，穿刺钢针由人工布放的不足，设计了适用于钢针阵列自动化布放的穿刺模板工装，研制了用于立体织物整体穿刺钢针阵列布放的装置。这种装置由高重复定位精度水平移动平台、机身、钢针存储及施放机构等组成，通过红光十字激光器对穿刺模板等距密排精密微小孔进行定位。控制系统采用触摸屏为人机交互界面，运用具有多路脉冲输出的PLC控制移动平台的伺服电动机和钢针施放机构的闭环步进电动机，以保证整体穿刺钢针阵列布放工作可靠、持续进行。为验证整体穿刺钢针阵列布放装置工作原理的可行性，进行了T形截面整体穿刺钢针阵列的布放实验，结果表明布放装置原理可行，工作可靠。

整体穿刺； 钢针阵列； 布放装置； 立体织物

整体穿刺是制造立体织物的一种工艺技术，整体穿刺成型立体织物最早由美国AVCO公司研究成功[1]，是一种结构特殊的碳纤维立体织物，具有良好的整体结构和较高的纤维体积分数，可制作高性能防热隔热碳/碳复合材料的优良基材[2]。我国的整体穿刺技术最先由南京玻璃纤维研究院实现重大技术突破[3]，该院生产的整体穿刺立体织物经碳复合制成先进的碳/碳复合材料已成功用作高性能防热材料，使我国在该领域跻身于世界先进水平[4-6]。

为配合整体穿刺立体织物的生产，南京玻璃纤维研究院研制的整体穿刺机用于实施叠层机织碳布与Z向钢针阵列整体刺布、移布、加压密实等操作，提高了立体织物生产的自动化程度及效率[7]。目前，我国的整体穿刺织物生产仍存在以手工或半机械化生产方式为主，生产效率低，周期过长等问题。如用于整体穿刺的钢针阵列常由工人手工布放，其钢针排列密度高，使用数量巨大，一般大于10根/cm2，少则成百上千根，多则数万根[8]。随着整体穿刺立体织物技术的进步，多种异形截面的整体穿刺立体织物不断被开发出来，除矩形、环形、正多边形外还有马蹄形、T形、L形等[9-10]，以往手工布放钢针阵列工作强度大，异形截面图形布放难度大，产品适应性差，容易漏针且出错率高，难以满足整体穿刺工艺中Z向纤维缺束率等重要指标的苛刻要求。针对整体穿刺钢针阵列手工布放的不足，本文研制了适用于超长穿刺钢针的整体穿刺钢针阵列布放装置。

1 穿刺模板工装简介及分析

1.1 穿刺模板工作简介

立体织物整体穿刺成型工艺过程如图1所示。采用碳纤维叠层机织布与Z向钢针阵列整体穿刺，再由连续碳纤维逐一替代Z向钢针形成碳纤维穿刺织物。

整体穿刺成型工艺中，Z向钢针作为立体织物的一个纤维方向，钢针阵列对于立体织物的穿刺成型非常重要，其关键技术是钢针阵列的规整性控制。带有等距密排精密微小孔的穿刺模板是实现钢针阵列规整性的重要工装，将穿刺钢针逐一放入穿刺模板的等距密排精密微小孔中形成穿刺钢针阵列。为便于超长穿刺钢针阵列的自动化布放设计了穿刺模板工装，该工装由带有等距密排精密微小孔的穿刺模板、底板及4根等高立柱组成，穿刺模板工装示意图如图2所示。

1.2 穿刺模板工装高度与钢针尺寸关系

在超长穿刺钢针布放过程中，由于穿刺模板等距密排微孔直径略大于钢针直径，已经被置入穿刺模板工装的钢针不会自动与微孔中心线重合而呈一定角度，如图3所示。为避免已经进入穿刺模板工装的钢针针杆及针尖过长而影响其他钢针从穿刺模板工装顶部竖直方向置入周边空置微孔，需根据钢针及穿刺模板的相关尺寸设计穿刺模板工装的高度。设穿刺模板工装高度为H，穿刺模板及底板高度均为h，等距密排微孔直径为d，中心距为ld，穿刺钢针长度为l，直径为dz，针尖高度为hj，假设超长穿刺钢针的刚度较高且在布放过程中始终保持直线状态，不会发生弯曲变形。

图1 整体穿刺立体织物工艺流程图Fig.1 Process chart of integrated piercing 3-D fabric

图2 穿刺模板工装示意图Fig.2 Sketch map of piercing template frock

由图3可知：

(1)

(2)

图3 进入穿刺模板工装的钢针状态图Fig.3 State diagram of steel needle into piercing template frock

式(1)中仅θ为未知数，且

(3)

(4)

最终可得对应不同超长穿刺钢针尺寸的穿刺模板工装高度为

(5)

本文穿刺模板工装适用于直径为1.2 mm，长度为360 mm的穿刺钢针，其顶部穿刺模板微孔直径为2 mm，孔间距为(2.3±0.1)mm。

2 布放装置机构组成及结构

2.1 布针装置功能要求及工作空间

由整体穿刺工艺可知对钢针阵列布放装置的功能要求为：将直径为1.2 mm的超长穿刺针逐一有序地置入穿刺模板工装顶部水平放置的穿刺模板等距密排精密微小孔中，能够连续工作将钢针布满整个穿刺模板微小孔，同时能够利用穿刺模板等距密排精密微小孔布放出异形截面的钢针阵列，如环形、T形、L形等。

由工作要求可知，布针装置的工作空间为穿刺模板等距密排精密微小孔所在平面。

2.2 钢针阵列布放装置的组成及结构

通过对钢针阵列布放装置的功能要求及工作空间进行分析，钢针阵列布放系统应包括：水平移动机构、机身、钢针储存及施放机构。

2.2.1 水平移动平台结构设计

水平移动平台用于带动钢针存储及施放机构在穿刺模板平面运动，使其到达需要布放超长钢针的穿刺模板等距密排精密微小孔上方。水平移动平台的运动可分解为X、Y2个方向的直线运动。

穿刺模板等距密排精密微小孔数量多且位置精度高，为保证每根超长穿刺钢针都能够顺利布放在微孔中，为X、Y方向分别配置具有高重复定位精度的线性模组并采用伺服电动机直接驱动方案。该装置以平面尺寸为100 mm×100 mm的立体织物穿刺模板工装为布放对象，同时要求其具备布放平面尺寸为200 mm×200 mm立体织物穿刺模板工装的能力，并以此为依据确定X向、Y向线性模组的行程，水平移动平台结构设计如图4所示。X向、Y向线性模组选用NSK公司的MCM系列P级(精密级)线性模组，其性能参数见表1。驱动电动机选用安川SGMJV系列小惯量交流伺服电动机，由于X轴承载Y轴及钢针施放机构的质量，因此其电动机功率略大，其中X方向伺服电动机的功率为200 W，Y方向伺服电动机的功率为100 W。

图4 水平移动平台Fig.4 Mobile platform表1 水平移动平台参数Tab.1 Parameters of mobile platform

方向规格有效行程/mm重复定位精度/mmX向MCM06240±0.003Y向MCM05300±0.003

2.2.2 布针装置机身结构设计

布针装置机身用于安装水平移动平台，放置并固定穿刺模板工装。为适于长度为360 mm穿刺钢针的布放，布针装置机身采用平面尺寸为100 mm×100 mm方形及15 mm×90 mm矩形工业用铝型材组合搭建而成，其中1590工业铝型材除具有辅助固定机身的作用外，还能与最下方2根方形铝型材形成工作台用于放置穿刺模板工装，其凹槽便于放置T型螺栓用以固定穿刺工装，布针装置机身结构如图5所示。

2.2.3 钢针存储及施放机构设计

钢针存储及施放机构用于预先存储需要布放的超长穿刺钢针，同时按顺序将钢针逐一施放，在水平移动平台的驱动下布放整体穿刺钢针阵列。

为提高钢针的施放效率，避免频繁停车补充钢针，需要存储及施放机构能够存储一定数量的钢针。生产平面尺寸为100 mm×100 mm立体织物时布放穿刺模板工装1行需要43根钢针，现从布放2行钢针所需的数量参考，按照一次存储100根钢针为目标，同时参考枪支弹夹的工作原理及使用方式，将储针机构设计成可更换结构使将存储的钢针排成一行。储针机构底板前侧开有直径为1.3 mm的小孔以便钢针掉落，后侧为敞开式并采用螺钉连接以便于推板进入。钢针存储及施放机构底板开有槽道，其宽度及深度尺寸与可更换储针机构宽度及高度尺寸相同，工作时可更换储针机构嵌入底板槽道中，使钢针与存储及施放机构底板处于同一平面，如图6所示。

图6 钢针存储及施放机构结构图Fig.6 Structure of steel needles storage and launching mechanism. (a) Front view; (b) Top view

推板与推杆连接，推杆上安装的弹簧将钢针依次推至落针孔位置逐一施放。弹簧一端与推板接触，另一端与挡板接触，推杆的尾部与拉绳连接，拉绳缠绕在绞轮上，绞轮由电动机驱动实现钢针在可更换储针机构中在推杆及弹簧的作用下紧密排列，当施放钢针时电动机反转驱动绞轮回转将推板拉回钢针直径的距离，使处于落针孔上方钢针在自身重力的作用下竖直下落，钢针下落后电动机正转使推板在弹簧的作用下前进至比原来位置靠前相当于钢针直径的距离，使落针孔上方的钢针在推板摩擦力的作用下保持静止，即电动机通过绞轮及拉绳在弹簧的配合下使推板进行往复运动实现穿刺钢针的依次有序下落。为保证推板每次移动位置的准确性，拉绳采用拉伸无变形的凯夫拉绳。

可更换储针机构嵌入底板对应的槽中其落针孔与底板落针孔重合，底板安装有3个竖直放置的十字激光器用于穿刺模板等距密排微小孔的定位。

3 控制系统设计

3.1 控制系统的设计准则

通过对整体穿刺钢针阵列布放装置技术特点分析可知，控制系统须实现以下技术要求：1)控制精度高。布针装置水平移动平台电动机与钢针施放电动机联动性能好，对穿刺模板等距密排精密微小孔定位精确，满足钢针阵列布放要求。2)可靠性高。钢针施放可靠，符合钢针阵列布放工作要求，且能持续实施钢针布放工作。3)接口丰富。可实现PC机编制程序下载及触摸屏人机交互。

3.2 控制系统硬件设计

根据上述设计准则，考虑PLC具有执行逻辑运算，顺序控制能力强，可靠性好，能够进行定时/计数和算术运算，可进行两轴直线插补，满足布针装置控制系统要求，因此，选择PLC作为整体穿刺钢针阵列布放装置的控制器。操作人员通过触摸屏完成人机对话，选择需要布放的钢针阵列的界面形状，输入尺寸参数，控制器计算出需要布放钢针的数量，根据预先编制好的程序进行超长穿刺钢针的布放工作。布针装置具有3个轴，水平移动平台采用安川小惯量交流伺服电动机，钢针存储及施放机构绞轮驱动电动机采用韩国EZI-Servo系列闭环步进电动机。水平移动平台X向、Y向线性模组都具有2个限位开关及1个原点开关。钢针存储及施放机构配置1个限位开关及1个原点开关。立体织物整体穿刺钢针阵列布放装置控制系统结构如图7所示。

图7 钢针阵列布放装置控制系统结构Fig.7 Control system structure of steel needles array laying device

PLC控制器：采用丰炜公司的VB1-24MT系列PLC，具有14个输入点，10个输出点，其中有4点快速脉冲输出，2点输出频率为20 kHz，2点输出频率为200 kHz，能够进行直线插补计算。

电动机及驱动器：水平移动平台采用安川公司的SGMJV系列交流伺服动电动机，该机特点是中惯量小容量、无需调整操作且低振动，驱动器为SGDV型。钢针存储及施放机构采用FASTECH公司的EZI- Servo系列闭环步进电动机，具有高转矩、精度高、响应快，不需调增益、运行平稳不振动等性能。以上3台电动机驱动器均为位置工作模式且采用脉冲加方向信号控制方式。

3.3 控制系统软件设计

利用丰炜PLCmate编程软件开发钢针阵列布放装置的工作程序使其能够满足不同工艺、不同尺寸要求，布放矩形、正三角形、环形、T形、L型等不同截面形状的钢针阵列。根据钢针阵列布放装置的工作空间，确定穿刺模板基准孔与布针装置落针孔的相对位置，明确钢针阵列布放任务后进行钢针阵列布放工作。控制器计算穿刺模板需要布放的等距密排精密微小孔相对落针孔的位置后发出控制信号，最终实现布针装置的运动控制，其控制系统软件流程如图8所示。

图8 控制系统软件流程图Fig.8 Software flowchart of control system

布针装置控制系统程序及工作数据均在断电保持区运行及存储，以避免钢针阵列布放过程中发生系统断电导致数据丢失影响钢针布放工作持续进行。

4 实验验证

立体织物整体穿刺钢针阵列布放装置样机如图9所示。

图9 立体织物整体穿刺钢针阵列 布放装置样机Fig.9 Prototype of 3-D fabric integrated piercing steel needles array laying device

为验证整体穿刺钢针阵列布放装置工作原理的正确性，进行了T形截面整体穿刺钢针阵列布放实验。将穿刺模板工装放置于钢针阵列布放装置工作台上，使其处于移动平台具有平面最大工作空间的位置，利用钢针存储及施放机构上的3台红光十字激光器完成对工装顶部穿刺模板相应微小孔定位，固定穿刺模板工装并进行钢针阵列布放实验。实验中2次交替使用2个装满钢针的可更换储针机构，钢针布放情况见表2。

表2 实验中钢针布放情况统计表Tab.2 Statistical table of steel needles laying experiment

钢针阵列布放实验中，在交替更换不同储针机构的情况下，100根超长穿刺钢针被顺利地布放置入穿刺模板工装，成功率为100%，表明整体穿刺钢针阵列布放装置工作原理正确，可更换储针机构设计实用可行，红光十字激光器定位穿刺模板等距密排微孔位置准确，能够满足钢针阵列布放精度要求，控制系统工作正常。

5 结束语

针对立体织物整体穿刺钢针阵列大量超长穿刺钢针由人工布放的不足，研制了用于整体穿刺成型立体织物的钢针阵列布放的装置，使用可更换的储针机构预先存储钢针，使排成一列的超长穿刺钢针逐一竖直落入穿刺模板等距密排精密微小孔中，形成整体穿刺钢针阵列。T形截面整体穿刺钢针阵列布放实验结果表明该装置原理可行，工作可靠。

FZXB

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Experimental study and development of integrated piercing steel needles array laying device of 3-D fabric

DONG Jiuzhi， JIANG Xiuming， YANG Jiancheng， ZHAO Shihai， YUAN Ruwang

(AdvancedMechatronicsEquipmentTechnologyTianjinAreaMajorLaboratory，TianjinPolytechnicUniversity，Tianjin300387，China)

In view of the defect that large super-long piercing steel needles of the integrated piercing steel needles array to produce 3-D fabric are laid by manual operation, a piercing template frock used for steel needles laying automatically is designed, and the 3-D fabric integrated piercing steel needles array laying device also is developed. The device is composed of a high level of repeat accuracy mobile platform, fuselage and steel needle storage and launching mechanism, et al. The device locates the isometric and close-packing precise micro holes of piercing template by red cross lasers. the control system uses a touch screen as the human-machine interface, and uses PLC which can output multi-channel pulse to control the servo motor of the mobile platform and the closed loop stepping motor of the steel needles storage the launching mechanism. The control system guarantees the working reliability of the device. In order to verify the feasibility of working principle of laying device, a T-shaped cross section steel needles array laying experiment is achieved. The result shows that the laying device has feasible principle and reliable operation.

integrated piercing； steel needles array； laying device； 3-D fabric

10.13475/j.fzxb.20140200806

2014-02-10

2014-05-26

董九志(1981—)，男，讲师，博士。主要研究方向为新型纺织机械设计制造及自动化、机电一体化技术。蒋秀明，通信作者，E-mail:jxjxm@163.com。

TS 152.7

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