CN102899807A - 一种单边缝合设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种单边缝合设备，其特征在于该设备主要包括钩线机构、引线机构、挑线机构、齿轮传动机构、同步带传动机构、伺服电机和箱体机架；所述引线机构、钩线机构和挑线机构三者之间依靠伺服电机、同步带轮传动机构以及齿轮传动机构来传动；所述钩线机构和引线机构为曲柄滑块机构，其末端分别安装有钩线针和引线针；所述挑线机构为曲柄摇杆机构，其末端安装有挑线杆；引线机构安装在引线轴上，钩线机构安装在钩线轴上，钩线机构和引线机构以及齿轮传动机构和伺服电机都安装在机箱机架内，挑线机构安装在机箱机架外；所述引线机构、钩线机构和挑线机构具有相同的运动周期。

Description

一种单边缝合设备

技术领域

本发明涉及三维复合材料预制件制造技术，具体为一种单边缝合设备。该设备主要用于加工三维复合材料预制件。

背景技术

三维纺织复合材料是一种先进结构的复合材料，它克服了以往各种结构复合材料的层间强度低的致命缺点，具有良好的力学性能，可用来制造各种结构的承载构件，目前已广泛应用于航空、航天、汽车、船舶等重要领域。

在三维复合材料预制件产品的加工与制造过程中，主要采用粘接、编织等技术。但粘接技术在某些特定的条件下无法保证预制件产品的各项力学性能，而编织技术方面，目前小型的预制件产品多采用人工操作，产品的加工成本高，生产效率很低。特别是对于一些空间三维形状的大型结构预制件产品，由于工艺结构复杂以及三维编织机灵活性的不足，导致仅采用编织方法难以实现。因此，在保证三维复合材料各项性能优势的前提下，缩短成产周期，提高成产效率，降低成产成本，实现预制件产品加工与制造的自动化，就成为了亟待解决的问题。

采用缝合技术即可解决上述问题，它能够提高预制件产品的层间断裂韧性和疲劳强度等性能，将缝合技术与编织技术相结合，能够实现空间复杂形状的大型预制件产品的加工与制造，使其具有较好的连接强度，同时可以替代粘接和铆接技术，应用于某些特殊领域的复合材料制造过程中。

缝合是三维复合材料制造的一项重要技术。美国航空航天局的先进复合材料技术研究计划（ACT计划）和美国空军的先进轻型飞机机身结构计划（ALAFS计划）均把缝合/RTM和缝合/RFI技术作为一项关键技术进行重点研究。我国在复合材料缝合技术研究与应用方面也给予了高度的重视，“十五”期间就将缝合与织物预成型体/RTM（RFI）技术作为主要研究内容，“十一五”发展规划指出：推广使用缝编织物，鼓励开发自动化程度高、工艺性能好的工艺设备。

采用六自由度工业机械人和单边缝合技术就能解决传统缝合技术加工大型结构预制件过程中空间及缝合角度受限制的问题。同时，利用工业机器人自由度大，可控性强等优势，还能够降低人力成本，提高三维复合材料预制件的生产效率。因此，设计出一种能够从被加工件的一边进行单边缝合的设备，作为末端执行机构与工业机器人相结合起来，就成为了实现复杂形状大型三维复合材料预制件的加工与制造、同时提高缝合技术自动化程度的关键性问题。

对于二维平面上的复合材料层间缝合，在普通工业缝纫机进行双面缝合即可实现。但是对于几何形状复杂的三维立体预制件产品，特别是三维整体编织工艺一次织造不出来的复杂大型异型件，需要沿空间三维缝合线将异型件缝合起来形成预制件，在加工过程中由于受到缝合角度和设备灵活性的限制，采用传统的缝合设备和方法难以实现。因此设计一种从单边缝合的缝纫设备，成为三维纺织复合材料缝合技术向自动化、高效化发展的迫切要求。

发明内容

针对目前传统缝合方法在复合材料异型预制件缝合操作的过程中，灵活性受到限制，特别是难以完成复杂空间形状的大型结构件缝合操作的问题。本发明拟解决的技术问题是，提供一种单边缝合设备。该设备具有结构紧凑、可单边缝制，缝合灵活性高等特点，特别适于加工复杂空间结构形状的纺织三维复合材料预制件产品。

本发明解决所述技术问题的技术方案是：设计一种单边缝合设备，其特征在于该设备主要包括钩线机构、引线机构、挑线机构、齿轮传动机构、同步带传动机构、伺服电机和箱体机架；所述引线机构、钩线机构和挑线机构三者之间依靠伺服电机、同步带轮传动机构以及齿轮传动机构来传动；

所述箱体机架主要由前墙板、后墙板和小墙板组成，各墙板间依靠连接支撑件相互固定连接，前、后墙板的外侧分别安装有轴承座；在前墙板下端的内侧设有滑动轴承支座，缝线支架及线轴安装在缝合设备的前端，前墙板底端设有控制线迹稳定成型的压脚；

在箱体机架内，伺服电机安装在箱体机架的右上部，伺服电机伺服电机驱动与其平行安装有四个轴：减速轴、引线轴、挑线轴和钩线轴；其中，减速轴设在伺服电机的左侧位置，引线轴、挑线轴和钩线轴并排安装在减速轴的下游同一水平线上；

所述钩线机构和引线机构为曲柄滑块机构，其末端分别安装有钩线针和引线针；所述挑线机构为曲柄摇杆机构，其末端安装有挑线杆；引线机构安装在引线轴上，钩线机构安装在钩线轴上，钩线机构和引线机构以及齿轮传动机构和伺服电机都安装在机箱机架内，挑线机构安装在机箱机架外；所述引线机构、钩线机构和挑线机构具有相同的运动周期。

与现有技术相比，本发明单边缝合设备用于采用了将被加工件固定，缝合设备从被加工物的上表面（单侧）进行缝合的方法，克服了传统缝合技术中双面缝合对空间要求较大，缝合设备不能移动，无法加工大型结构件、特别是空间复杂形状构件的问题，具有结构相对简单，适应性强，应用范围广，灵活性好等特点。

附图说明

图1是本发明所述单边缝合设备一种实施例的机构示意图。

图2是本发明所述单边缝合设备一种实施例的三维模型效果图。

图3是本发明所述单边缝合设备一种实施例的三维模型后视图。

图4是本发明所述单边缝合设备一种实施例的传动路线平面展开图。

图5是本发明所述单边缝合设备一种实施例的缝合参数调节方法示意图

图5（a）表示缝针穿刺角度调节方法；

图5（b）表示针杆运动行程范围调节方法，该图中，o1和o2分别表示两个曲柄盘的圆心，r1和r2分别表示两个曲柄盘的半径，e1和e2分别表示两个曲柄盘的偏心距。

图6是本发明所述单边缝合设备一种实施例的缝合工作原理示意图。

图6(a）表示单个缝合周期的线迹形成原理示意图；

图6(b）表示经过多个周期缝合操作所形成的单边缝合线迹示意图。

具体实施方式

下面结合实施例及其附图进一步描述本发明。

本发明设计的单边缝合设备（简称设备，参见图1—4），该设备主要用于加工三维复合材料预制件，主要组成部分包括钩线机构1、引线机构2、挑线机构3，齿轮传动机构4、同步带轮传动机构5、伺服电机6和箱体机架7；所述钩线机构1、引线机构2、齿轮传动机构4及伺服电机6安装在箱体型机架7的内部，挑线机构3和同步带轮传动机构5安装在箱体7的外部（参见图2）。引线机构2、钩线机构1和挑线机构3三者之间依靠伺服电机6、同步带轮传动机构5以及齿轮传动机构4来传动。

所述钩线机构1为曲柄滑块机构，主要由钩线针11、曲柄12和钩线针杆14组成。钩线机构1的曲柄12与钩线针杆14连接，钩线针或滑块11固接在钩线针杆14上。

所述引线机构2为曲柄滑块机构，主要由引线针21、曲柄22和引线针杆24组成，引线机构的曲柄22连接有引线针杆24，引线针或滑块21固接在引线针杆24上。

所述挑线机构3为曲柄摇杆机构，其末端安装有挑线杆31。

所述齿轮传动机构4主要由直齿圆柱齿轮组成，同步带轮传动机构5主要由同步带轮和齿形带组成，伺服电机6实施例为750W的交流伺服电机。齿轮传动机构4与同步带轮传动机构5和伺服电机6共同组成缝合设备的传动机构。所述传动机构为现有技术。

所述箱体机架7主要由前墙板71、后墙板72和小墙板73组成，各墙板间依靠连接支撑件74相互固定连接，前、后墙板71、72的外侧分别安装有轴承座75，用于固定各传动轴；在前墙板71下端的内侧设有滑动轴承支座78，以起针杆导向作用；缝线支架及线轴79安装在缝合设备的前端，前墙板71底端设有控制线迹稳定成型的压脚710。

本发明设计的缝合设备具体传动路线如下（参见图3—4）：4为直齿圆柱齿轮，5为同步齿形带，6为伺服电机。在箱体机架7内，伺服电机6安装在箱体机架7的右上部（后视图角度看），在伺服电机6周围平行安装有四个轴，分别是减速轴I、引线轴II、挑线轴III和钩线轴IV。其中，减速轴I设在伺服电机的左侧位置，引线轴II、挑线轴III和钩线轴IV并排安装在减速轴I的下游同一水平线上。钩线机构1和引线机构2以及齿轮传动机构4及伺服电机6都安装在机箱机架7内，挑线机构3安装在机箱机架7外。由于引线机构2和钩线机构1需要相互协调配合才能完成单边缝合的动作，所以设计引线机构2和钩线机构1的运动周期相同。引线机构2安装在引线轴II上，钩线机构1安装在钩线轴IV上，引线轴II与钩线轴IV具有相同的转速。设定在一个缝合周期，即在引线轴II和钩线轴IV旋转一周的时间里，设备完成一个缝合动作。根据设计要求，单边缝合机的每分钟缝合次数为500次，那么引线轴II与钩线轴IV的转速应为每分钟500转。

本发明设备选择伺服电机6输出轴的转速为每分钟1000r/min，经过传动比为2：1的同步齿形带轮机构5的传动，使减速轴I的转速为500r/min。减速轴I和引线轴II之间通过传动比为1：1的同步齿形带传动，引线轴II的转速也为500r/min。引线轴II与挑线轴III通过一对完全相同的直齿圆柱齿轮传动，使引线轴II与挑线轴III转速相同。引线轴II与钩线轴IV之间通过同步齿形带传动，传动比为1：1。因此减速轴I、引线轴II、挑线轴III和钩线轴IV的转速相同，同为500r/min。所述引线机构2、钩线机构1和挑线机构3具有相同的运动周期。

为了更好地适应不同被加工件的缝料厚度、缝合线迹的针距间隔、线缝宽度等参数的变化，本发明单边缝合设备的进一步特征为：采用同时改变缝针相对于缝料的穿刺角度以及两根缝针运动行程的方法，实现两根缝针动作配合工作点的改变，从而实现缝合参数的连续调节。

本发明设备设计了针对不同被加工件的缝料厚度、缝合线迹的针距间隔、线缝宽度等参数调节方法（简称调节方法，参见图5），由于影响缝料厚度、线迹针距间隔、线缝宽度等参数条件的本质因素在于缝合操作中引线针21与钩线针11动作配合工作点的改变(即引线机构2形成良好线环的位置及钩线机构1钩线点位置的改变)，因此，只要同时改变缝针相对于缝料的穿刺角度以及两根缝针的运动行程，即可实现两根缝针动作配合工作点的连续调节。

为了实现缝针相对于缝料表面穿刺角度的连续调节，分别对起针杆导向作用的滑动轴承支座78及前墙板71进行了改进设计（参见图5a），在前墙板71下端的外侧设箱体壁上有两个缝针角度调节槽76和77，令滑动轴承支座78的一端固定，另一端可通过箱体壁上的调节槽76和77分别在35°和30°范围内实现穿刺角度连续调节。改造设计后的钩线针11和引线针21相对于缝料的穿刺角度，可在原有穿刺角度的基础上分别实现30度和35度范围内的连续调节。

另一方面为了改变缝合操作中引线针与钩线针动作配合工作点，在改变缝针穿刺角度的同时，针杆行程大小也需要同时进行相应调整。为了实现机构针杆行程大小的连续调节，在单边缝合设备的钩线机构1和引线机构2中采用了双曲柄盘的设计（参见图5b）。在所述钩线机构1中，曲柄部分由偏心距分别为e₁=OO₁，e₂=AO₁的大曲柄盘12和小曲柄盘13组成,通过改变两曲柄盘的相对周向位置（即改变A、O、O₁三点的相对位置），从而实现曲柄长度的连续调节，使滑块14具有不同的位移量。所述引线机构2中针杆（滑块）行程调节原理与钩线机构1相同。机构曲柄长度的调节范围为：

$\left\{\begin{array}{c}{l}_1={\mathrm{OA}}_{\mathrm{Max}}={\mathrm{OO}}_1+{\mathrm{AO}}_1\\ l_2={\mathrm{OA}}_{\mathrm{Min}}={\mathrm{OO}}_1-{\mathrm{AO}}_1\end{array}\right.$

本发明单边缝合设备的单边缝合工作原理如下（参见图6）：

所述钩线针11和引线针21都位于缝料的上表面，在缝料下方无任何与上表面接应配合的缝合单元，但在缝料的下方需要给钩线针11和引线针21两根缝针留有一定的操作空间。依靠钩线针11的钩线动作和引线针21的引线动作相互配合，实现所需要的单边缝合线迹。在单边缝合线迹形成过程中，钩线针11和引线针21都沿着其针杆的轴向方向做相互配合的往复运动，引线针21起到将缝线引过缝料并形成线环的作用，钩线针11起到将线环钩回缝料上表面的作用。与此同时，挑线杆31配合送线，并将已形成线迹上的缝线收紧，完成一个周期的缝合。重复或循环所述的缝合动作，即可完成单边缝合任务。

本发明设备可与六自由度工业机械臂配合，通过工业机械臂的实时位姿变换，实现复杂空间形状的大型三维复合材料结构件缝合制作。

本发明未述及之处适用于现有技术。

Claims (5)

1.一种单边缝合设备，其特征在于该设备主要包括钩线机构、引线机构、挑线机构、齿轮传动机构、同步带传动机构、伺服电机和箱体机架；所述引线机构、钩线机构和挑线机构三者之间依靠伺服电机、同步带轮传动机构以及齿轮传动机构来传动；

所述箱体机架主要由前墙板、后墙板和小墙板组成，各墙板间依靠连接支撑件相互固定连接，前、后墙板的外侧分别安装有轴承座；在前墙板下端的内侧设有滑动轴承支座，缝线支架及线轴安装在缝合设备的前端，前墙板底端设有控制线迹稳定成型的压脚；

在箱体机架内，伺服电机安装在箱体机架的右上部，伺服电机驱动与其平行安装有四个轴：减速轴、引线轴、挑线轴和钩线轴；其中，减速轴设在伺服电机的左侧位置，引线轴、挑线轴和钩线轴并排安装在减速轴的下游同一水平线上； 

所述钩线机构和引线机构为曲柄滑块机构，其末端分别安装有钩线针和引线针；所述挑线机构为曲柄摇杆机构，其末端安装有挑线杆；引线机构安装在引线轴上，钩线机构安装在钩线轴上，钩线机构和引线机构以及齿轮传动机构和伺服电机都安装在机箱机架内，挑线机构安装在机箱机架外；所述引线机构、钩线机构和挑线机构具有相同的运动周期。

2. 根据权利要求1所述的单边缝合设备，其特征在于所述在前墙板下端的外侧箱壁上设有钩线针和引线针两个缝针角度的调节槽，令滑动轴承支座的一端固定，另一端可通过箱体壁上的调节槽分别在35°和30°范围内实现穿刺角度连续调节。

3. 根据权利要求1所述的单边缝合设备，其特征在于所述钩线机构和引线机构均采用双曲柄盘曲柄滑块机构，实现曲柄长度的连续调节。

4. 根据权利要求1所述的单边缝合设备，其特征在于所述伺服电机输出轴的转速设计为每分钟1000r/min，伺服电机输出轴与同步齿形带轮机构的传动比为2：1；减速轴和引线轴之间的传动比为1：1；引线轴与钩线轴之间传动比为1：1。

5. 根据权利要求1所述的单边缝合设备，其特征在于该设备与六自由度工业机械臂配合，通过工业机械臂的实时位姿变换，实现复杂空间形状的大型三维复合材料结构件缝合制作。

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