层叠碳布加工设备技术改造研究

2020-07-17杨茜宁石伟琪

棉纺织技术 2020年7期

李晶杨茜宁付璋石伟琪戴鑫

（西安工程大学，陕西西安，710048）

复合材料缝合技术是指采用缝合线使多层织物连接成准三维立体织物或使分离的多块织物连接成整体结构的技术［1］。缝合技术主要具备以下特点：可设计性强；缝合对原有纤维分布影响较小；缝合线可承受大部分载荷，可以显著提高复合材料层间性能；可高度自动化；装配工艺优异［2］。缝合线不仅要求具有高强度、一定的可延伸性和耐磨损性，而且其性能不能受复合材料固化的影响。缝合常用的缝合线有碳纤维线，玻璃纤维和涤纶等。碳纤维具有比强度、比模量高，耐高温、耐腐蚀、耐疲劳、抗蠕变、导电、传热和热膨胀系数小等一系列优异性能，但碳纤维本身耐磨性较差，丝束间的抱合力较弱［3］。以碳纤维织物为增强体的碳纤维增强复合材料作为21世纪新材料领域中先进的高科技产品，广泛应用于航空航天、建筑材料、文化体育器材、交通及医疗等领域［4］。国产碳纤维的生产正处在起步阶段，在质量上同国外产品相比有一定的差异。由于国产碳纤维在织造过程中存在易起毛、易黏连、易断头等问题，给国产碳纤维织造技术提出了新课题。为解决传统工艺流程不适合碳纤维织布问题，以及碳纤维在层叠碳布加工过程中出现的起毛、断线问题［5-6］，运用机械设计理论设计一套适用于碳纤维层叠布缝制的辅助机构，能配合缝针完成缝纫工作，保持缝纫的连贯性［7-8］。基于三维建模软件对改进机构进行三维建模、装配，利用其机构模块对改进机构进行速度与加速度分析，以达到降低断线率、提升层叠碳布生产效率的目的。

1 辅助机构设计

1.1 机构设计方案

机构设计基本要求：设计辅助机构解决线与布的摩擦断线问题以及缝纫线张力过大的问题。当使用碳纤维线缝纫时，缝纫线处于无张力或极小张力状态；缝纫线迹3 mm，碳纤维层叠布厚度16 mm。本文设计提出以下方案：以工业缝纫机为基础，改变缝纫机机针结构和运动方式，即采用外针包围内针的双针系统并配以松线辅助机构。

双针系统的三维模型如图1所示。它以普通工业缝纫机为基础，针对碳纤维线易断的问题，改良了现有的机针运动方式与送线方式，改良后的辅助机构主要分为双针装置和送线装置。其中，双针装置着力解决碳纤维缝纫机在缝制过程中缝纫线与缝料之间的摩擦并且易断线的问题，以及保证碳纤维缝纫线在缝制过程中处于无张力或极小张力状态，外针负责刺布，内针负责送线，两者相互配合而互不影响，有效解决了线与布的摩擦。此碳纤维缝纫辅助机构首先是改变机针，将机针变为相互配合运动内外两针。该机构先由外针2刺破布层，再使内针3刺出外针，将线送至鹰嘴摆梭1处，这便要求内针运动晚于外针但加速度大于外针。为满足该运动要求，此机构应含有两套曲柄，但两套曲柄在运动过程中会导致与其相连的两个连杆运动发生干涉，因此，该机构将两套曲柄集合成一套经优化变形后的曲柄即曲柄10，再由其相对位置确定连杆长度，使其满足四杆机构杆长条件。其中，电机11与机架固定连接，上下曲轴均与机架固定相对位置，并使用轴承与之过度配合，保证其在电机带动下可自由转动，电机主轴与上曲轴12通过联轴器同轴转动，曲轴连杆与上、下曲轴均使用销钉连接，可实现上曲轴将动力传输至下曲轴14，且上、下曲轴有规律配合运动，下曲轴14带动鹰嘴摆梭1运动，上曲轴与曲柄使用简单平键连接，实现其同轴转动。内针连杆8、外针连杆5与曲柄10和内针夹持器7、外针夹持器6均使用销钉连接，使其连接处为自由度是1的转动副，连接处均可自由转动，内针加持器7、外针夹持器6与内针连杆8、外针连杆5均为相对固定连接，以实现将曲柄10的周转运动传递并转化为两针的上下往复运动。外针夹持器外滚子为一束缚缝纫线装置，其轴与外针夹持器固定连接，其与轴可相对转动。

图1 双针系统的三维模型

为尽量防止碳纤维缝纫线缝纫时线的张力过大而导致断线问题，在原有工业缝纫机的基础上增加碳纤维缝纫机辅助机构，通过放松缝纫线来解决缝纫线因张力过大导致的断线问题。此松线辅助机构分为两部分配合工作，一部分为拨线部分，另一部分为夹线送线部分，如图2所示。拨线装置运用电机提供动力使皮带轮17转动，皮带轮17带动传动轴4转动，一方面传动轴4将动力传递给齿轮9，齿轮9与齿轮8配合转动，从而带动圆柱凸轮7转动，使齿条6左右往复运动，带到拨线齿轮3，进而完成拨线装置2的旋转。传动轴4将动力传递给齿轮9的同时又可将动力传递给凸轮5，凸轮5转动使得拨线装置2前后往复移动（前移拨线装置旋转实现绕线、放线，后移保证碳纤维缝纫线的稳定线迹）。另一方面齿轮9与齿轮8啮合的同时还与齿轮10啮合使凸轮13转动，凸轮13转动实现夹线送线装置11夹线部分前后往复移动（前移夹紧缝纫线，后移松开）。传动轴4转动带动斜齿轮16使送线传动凸轮15转动，从而实现夹线送线装置11送线部分的送线功能。

图2 松线辅助机构的三维模型

此辅助机构位于缝纫机头下，拨线装置与夹线送线装置位于缝针的前后两侧，即拨线装置位于线迹形成一侧，夹线送线装置位于线迹形成另一侧。缝纫机驱动电机带动皮带轮17，使缝针与两个装置拥有同样的周期。两个装置互相配合工作放松碳纤维缝纫线，从而减小缝纫时的张力与剪切力，减小断线率。

1.2 辅助机构运动配合

改进后的装置，针杆机构不同于普通工业缝纫机的单针，而是新型的双针机构，并配合辅助机构工作。缝纫机工作时，首先外针会与缝料接触，并刺破缝料，其后内针穿过外针达到送线的目的。这样可以有效地避免缝纫线与缝料之间的直接接触，从而避免线与料之间的摩擦，解决缝制过程中的断线问题。辅助机构中拨线装置前后往复运动与往复转动结合实现拨线-放线-拨线的过程。夹线送线装置前后往复运动实现夹线功能，往复运动与夹线功能相互配合实现夹紧送线-松线回程-夹紧送线的过程，从而使缝针在进针时碳纤维线处于松弛状态，大大减少了针孔对线的剪切作用。

辅助机构的运动循环图如图3所示。当内外针位于最上端时，称为位置a；当外针刚接触到缝料时，称为位置b；当外针刚刺穿缝料时，称为位置c；当外针位于最下端时，称为位置d；当内针位于最下端时，称为位置e。内外针由最上端位置a开始工作，到达位置b时，外针与缝料刚好接触。到达位置c时外针刺穿缝料但并未到达最下端，之后再进针于位置d时外针到达最下端，外针并由此回针完成一个循环。外针工作的同时内针持续进针在位置e到达最下端，完成送线工作并由此回针。缝针由最上方位置b开始工作，在位置c时与缝料刚好接触，到达位置d时缝针处于最下端。缝针由最下端位置d开始回针，到达位置f时缝料与缝针刚好分离。在此辅助机构中，各凸轮以相同的速度运动。缝针由位置a到位置d移凸轮（凸轮5）处于远休状态，圆柱凸轮依次完成推程、远休、回程使拨线装置完成绕线、放线工作。在圆柱凸轮推程结束时，转凸轮（凸轮15）继续进行推程，再完成远休、回程、近休，控制夹线送线装置完成工作。缝针由位置b到位置c时，拨线装置与夹线送线装置分别完成工作；当缝针到位置f时，拨线装置与夹线送线装置工作最终结束。双针系统与辅助机构互相配合从而实现并解决碳纤维缝纫线的断裂问题。

图3 辅助机构的运动循环图

1.3 辅助机构放松线量控制

图4 为辅助机构对碳纤维缝纫线未放松和放松后的对比示意图。

对辅助机构放松线量控制时，理论上可以通过控制齿轮的分度圆直径、凸轮的推程以及改变绕线装置的尺寸大小这三个方面来进行。在辅助机构送线时，根据碳纤维叠层布的最大厚度和缝针的行针位置来调节绕线装置的转动幅度以及夹线送线装置的位移大小，使得供线量与此时的面线需求量达到一致，在整个过程中，辅助机构配合双针系统进行工作。整个缝纫过程不仅避免了放松量不够引起的断线问题，又可以防止放松线量过大造成缝纫不牢靠的问题。

控制辅助机构放松线量时，要考虑一个线迹所需的长度（一个线迹长度为3 mm）以及碳纤维叠层布厚度（16 mm），由于勾线、引线机构及旋梭的存在，还需考虑这些装置的需线量，即总的线量为45 mm。经计算，送线装置的位移量为24 mm，绕线装置的幅度约为2π，绕线装置转动一周的绕线量为21 mm，所以刚好满足45 mm的供线量需求。

2 改进针杆机构运动学分析

2.1 双针的速度及加速度分析

为确保改进机构的动态性能，应尽量保证速度曲线光滑连续。加速度特性对机构运动的光滑性及连续性有着重要影响，加速度决定惯性力大小，其曲线的光滑性和连续性是保证机构获得良好特性的关键，因此建立缝针的物理模型如图5所示。

图5 缝针的物理模型

双针的速度：

式中：v为双针机构内外针速度（mm/s）；φ1′为曲柄的角速度（rad/s）；φ1为双针机构运动过程中曲柄与内外针运动方向的夹角（°）；φ2为内外针连杆与内外针运动方向的夹角（°）；L1为双针机构中曲柄长度（mm）。

双针的加速度：

式中：a为双针机构内外针加速度（mm/s2）；φ2′为连杆的角速度（rad/s）；φ1″为曲柄角加速度（rad/s2）；L2为双针机构中内外针连杆长度（mm）。

2.2 双针运动规律曲线分析

利用MATLAB软件对解析法编程处理后，得出双针的运动规律曲线，双针系统运动循环一个周期的双针位移、速度以及加速度大小的对比如图6、图7和图8所示。

图6 双针位移图

图7 双针速度图

图8 双针加速度图

本系统中缝纫机双针模型模拟市场主流工业缝纫机在标准工况下缝针转速3 000 r/min应用场景，经计算分析可得缝针运动周期为0.020 s。

由图6～图8可知，在系统运动周期开始时，内针的高度相较于外针高3 mm，由于内针位置较高的原因，内针的加速度大于外针，可以保证在0.004 5 s时外针刺破层叠布后内针可以获得更高速度。随后，在0.005 5 s和0.006 0 s时内针分别突破层叠布和外针，并于0.010 s时完成勾线动作。此时，内、外针均处于最低位，且内针的高度相较于外针低3 mm，速度均为0 mm/s，加速度均为最大值。

双针在回程过程中与推程运动互为相反，摆梭勾线动作完成后在0.014 0 s时内针抽离层叠布、0.014 5 s时内针重回外针内部、0.015 5 s时外针抽离层叠布。最后，在0.020 s时内针和外针重回最高位，且内针的高度相较于外针高3 mm，速度均为0 mm/s。

机构改进前只有单针（相当于双针机构的内针）运动，在缝纫过程中碳纤维缝纫线直接与层叠碳布产生摩擦，造成起毛、断线；机构改进后为双针机构，外针直径大于内针，外针先于内针刺破层叠碳布，内针运动晚于外针但加速度大于外针，外针保护内针引领碳纤维缝纫线穿过缝料，这样可以有效地避免缝纫线与缝料之间的直接接触，再加上松线辅助机构的配合，使缝纫线与缝料之间的摩擦大大减小，解决缝制过程中的断线问题。因此，双针机构在内外针不断交替的过程中缝纫变得更加平滑，缝纫效率提高了10%左右。