三维五轴平型织造技术与织机虚拟样机研究

2018-03-05王益轩李鹏飞王永强

纺织器材 2018年1期

周能，王益轩，陈雨，李鹏飞，王永强，刘静

(西安工程大学机电工程学院，西安 710048)

0 引言

三维多轴平型织造技术是一种新型织造技术，是对传统织造技术的拓展与革新。20世纪90年代以来，以三维多轴织物为骨架的复合材料凭借其薄壁化、轻量化、高韧性、耐冲击性、形态稳定性及设计灵活性等优点，已被广泛应用于航空航天、风力发电机叶片、交通运输、建筑、体育、休闲、音响、汽车零部件及运输器械等领域[1]。三维多轴织物的“多轴”体现在织物结构中纱线角度不同于轴线方向的个数[2]。传统三维织物结构用垂纱将分层叠放的经纱、纬纱进行捆绑，使之成为整体；而三维五轴织物既具有正交织物的各向异性，同时由于斜向纱线的存在，又具有某方向的平面属性，即各向同性，使织物力学性能更优[3]。

笔者基于编织、机织混合的原理，在充分研究三维五轴织物结构和织造工艺的基础上，对三维五轴平型织机进行了概念化设计。

1 三维五轴平型织机整体设计

1.1 预制件结构设计

设计的三维五轴平型织机预制件结构如图1所示，织物由5组纱线系统组成，包括经纱x、斜纱b1(与经纱呈+45°角)、斜纱b2(与经纱呈-45°角)、纬纱y和垂纱z。各组纱线呈伸直状态、相互平行排列于所在平面，纱线面内、层间无交织[4]。

a) 三维五轴织物W1

b) 三维五轴织物W2

1.2 织机概念化设计模型

三维五轴平型织机结构如图2所示，经纱x与斜纱b1、b2经斜纱引导机构进入综框被引导至织口，垂纱引导机构通过综框在斜纱引导机构与织口之间往复运动，并引导垂纱z由上下两部分分别贯穿经纱层和斜纱层。纬纱引导机构引导纬纱y在经纱层间形成纬纱层。最终，纱线在织口处通过压紧机构、定型机构形成三维织物W[5-6]。

1—斜纱引导机构；2—综框；3，9—垂纱引导机构；4—织口；5—压紧机构；6—定型针；7—卷取机构；8—定型机构。图2 三维五轴平型织机结构

2 各引导机构的设计

2.1 斜纱引导机构

斜纱引导机构由4组独立的斜纱机构纵向排列而成，每组斜纱机构主要由2排斜纱引导块组成，每个斜纱引导块长为20 mm、宽为4 mm、高为5 mm，导纱管孔间距为4 mm，当织机幅宽设计为300 mm时，每排需750个斜纱引导块。斜纱引导块导轨与机架相连接，分别形成上、中、下三层位移平面S3、S2、S1。其中，S1由左、右两端气动推杆推动斜纱引导块横向移动，平面两端上升机构使横向凸出的一个斜纱引导块上升一个平面，并推动斜纱引导块在该平面横向移动；当完成一个时序后，纵向位移机构整体带动2排斜纱引导块下降一个平面，返回位移初始位置。

斜纱引导机构实现斜纱引导块连续、循环地以“蛇行”方式移动，使斜纱角度在±45°切换。为了简明、清楚地说明斜纱机构的运动原理，这里仅用10个斜纱引导块以特定顺序排列成2行，分别位于平面S1、S2，如图3所示。平面S1左侧气动推杆推动斜纱引导块右移，斜纱引导块带动滑块右移的过程中使旋转盘顺时针旋转一定角度，同时弹簧片11受力变形；旋转盘顺时针转动的过程中连杆14带动连杆9使连杆沟槽表面由平面S2移动至平面S1，并装夹斜纱引导块的导纱管，同时弹簧受力变形；当斜纱引导块完全移出平面后，旋转盘带动连杆14与9分离；在弹簧片11的作用下连杆9勾住斜纱引导块的导纱管使斜纱引导块上升至平面S2，连杆沟槽表面与左侧上升机构表面将导纱管定位、夹紧；随后，受力变形的弹簧片11带动旋转盘逆时针旋转，使滑块推动平面S2中的斜纱引导块左移进入左侧上升机构；由于弹簧片11的存在，避免了连杆14在回程中与连杆9碰撞、卡死，可以实现斜纱引导块连续装夹；最终，左、右两端上升机构重复以上运动5次后，纵向位移机构整体带动2排斜纱引导块由平面S3、S2返回至平面S2、S1，斜纱倾角发生转变。

1—左侧气动推杆； 2，15—斜纱引导块导轨；3—纵向位移机构；4—左侧上升机构；5—弹簧；6—左侧上升机构表面；7—连杆沟槽；8—滑块；9，14—连杆；10—旋转盘；11，12—弹簧片；13—斜纱引导块；16—气缸； B—固定铰链；D—活动铰链。图3 三维五轴平型织机斜纱引导机构

2.2 垂纱引导机构

垂纱引导机构由上、下两剑杆构成，引导垂纱z分别由上向下(或由下向上)贯穿经纱层与斜纱层，将经纱、纬纱和斜纱在织口处捆绑起来形成三维织物W；若垂纱引导机构1、3同时运动，则可得到三维织物W1；若垂纱引导机构1、3间隔运动，则可得到“蜂巢型”三维织物W2。

如图4所示，在一个织造时序内，垂纱引导机构

1，3—垂纱引导机构；2—织口。图4 三维五轴平型织机垂纱引导机构

1由上往下垂向贯穿经纱层与斜纱层，捆绑纬纱y与斜纱c(斜纱b1、b2异面交叉处)横向移动至织口，再竖向移动一定距离捆绑紧纱线，然后垂纱引导机构1以原方式回程穿过经纱层与纬纱层，接着捆绑纬纱y与表面纱线横向移动至织口，再垂向抬高一定距离捆绑紧纱线，最后垂纱引导机构1返回初始位置，完成一个时序。

2.3 纬纱引导机构

纬纱引导机构主要由剑杆和接触杆A、B组成。剑杆引导纬纱y在平面内纵向移动至图5所示位置，接触杆A凸出水平面，接着剑杆返回纬纱y，接触杆A移动至接触杆A′位置；然后，定型机构中定型针5和接触杆B凸出水平面，接触杆B以同样方式移动至接触杆B′位置，定型针6凸出水平面，最后接触杆A、B退出水平面，返回纬纱y引入。

1—剑杆；2—接触杆A；3—织口；4—接触杆A′；5，6—定型针；7—接触杆B′；8—接触杆B。图5 三维五轴平型织机纬纱引导机构

2.4 各主要机构运动配合关系

各主要机构运动配合关系如图6所示，纵坐标为位移s，横坐标为时间t。斜纱引导块初始位移零

图6 三维五轴平型织机各机构运动时间配合关系

点代表斜纱引导块位于平面S2、S1，纬纱引导剑杆初始位移零点代表剑杆靠近进纱口位置，接触杆初始位移零点代表接触杆未凸出织物平面，垂纱引导剑杆初始位移零点代表剑杆组远离织物平面，其对应凸出位置为打紧时刻，综框初始位移零点代表综框远离织口位置，定型针初始位移零点代表定型针未凸出定型机构平面，卷取机构初始位移零点代表

未卷取，压紧机构初始位置零点代表压紧机构远离织物平面。

笔者已在PTC Creo 4.0和ADAMS 2013中建立了以上各机构的虚拟样机模型，可做详细的仿真设计。同时，根据图6所示的运动配合关系，可在PTC Creo 4.0和ADAMS 2013中分别建立三维五轴平型织机整机的虚拟样机模型，并进行各机构的详细仿真、优化设计和各机构的运动配合设计。