CN103046223A - 一种异型变截面曲面二维编织预制件的成型方法和设备 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种异型变截面曲面二维编织预制件的成型方法和设备。该成型方法采用纱锭速度和提升速度分别独立可调的工艺和如下工艺步骤：1.依据产品性能要求，设计所用纱线的性能参数；2.沿编织方向分区：3.工艺计算：计算出锭子运转速度和芯模的提升速度；4.确定所用编织机的齿轮传动关系，将锭子转速和芯模的提升速度的关系转换为变频器速度和提升速度的关系；5.观察织物的编织密度；6按计算好的工艺参数上机织造，即制造出所述的异型变截面曲面二维编织预制件。该成型设备包括常规二维编织机，其特征在于还包括分别独立可调的锭速调节装置和预制件升降速度调节装置。

Description

一种异型变截面曲面二维编织预制件的成型方法和设备

技术领域

本发明属于二维编织预制件制备技术，具体是一种异型变截面曲面二维编织预制件的成型方法和设备。

背景技术

二维编织历史悠久，在18世纪德国和法国就可以制造二维编织机。二维编织机一般被用来生产绳、带、管等织物，随着复合材料的推广应用，二维编织物也被用作复合材料的骨架或预制件。采用骨架增强的复合材料构件，由于骨架是按最终使用的尺寸编织而成的，所以它不需要再加工，这就避免了由于加工所造成的纤维损伤，提高了构件的性能，其编织机结构构造简单，工艺不复杂，生产效率较高。对于二维圆型编织机，可编织出横截面为圆形或圆环形的织物。目前二维编织机的成型工艺已相对成熟，对于一般的等直径圆管采用普通的二维圆型编织机即可达到相应技术要求，但对于一些工程中常用的变直径锥形的二维编织预制件，即沿制件的长度方向横截面尺寸是逐渐变化的二维编织预制件，采用普通的二维圆型编织机进行编织时还存在一些缺陷。由于纱锭在轨道盘上运动的速度一般是固定的，这样在编织过程中各个截面的尺寸大小不同，易造成各截面织物表面编织角和编织密度变化过大等问题，在一定区域内纤维的表面编织密度逐渐发生变化，造成织物表面不同区段纤维稀密不一等现象，严重影响了织物的外观和使用性能，限制了产品的可设计性。

对于具有复杂形状的二维编织预制件，越来越多的制造方法被提出来。如中国专利CN 102364615所公开的，采用把等直径的二维编织套管按尺寸裁剪后套在变直径锥形绝缘芯管上来解决异型曲面预制件的成型问题，该发明将编织成的等直径玻璃纤维二维编织套裁剪成与复合绝缘子芯管制品尺寸相对应的长度套在变直径锥形芯模上，然后对编织套管两端施加张力使其收紧，紧密套在模具上，然后用相同方法逐层嵌套直至需要的厚度来得到预制件。这种方法得到的变直径锥管，改善了外观不良的问题，但破坏了预制件的整体性，使其性能降低,对一部分异形制件不适用，在嵌套的过程中易对纤维造成损伤，也影响其整体性能。这就限制了具有复杂截面的二维编织预制件的应用发展。

发明内容

针对现有技术的不足，本发明拟解决的技术问题是，提供一种异型变截面曲面二维编织预制件的成型方法和设备。该成型方法和设备在对二维圆型编织机提升速度进行调节的同时，也可对编织机的锭速进行同步调节，实现在不同区段沿轴向方向织物编织角和编织密度的最大均匀化控制，使织物表面一定区域内纱线的表面编织密度尽量均匀一致，具有成型装置简单、可设计性强、操作方便、生产成本低、成型预制件性能优异等特点，可广泛应用于各种异型变截面曲面二维编织预制件制品的成型工艺中。

本发明解决所述方法技术问题的技术方案是，设计一种异型变截面曲面二维编织预制件的成型方法。该成型方法采用纱锭速度和提升速度分别独立可调的工艺和如下工艺步骤：

（1）依据产品性能要求，设计所用纱线的性能参数；

（2）分区：根据预制件芯模各截面的形状尺寸大小，沿织物成型方向进行分区；

（3）工艺计算：设芯模的半径是芯模长度的函数，即：

芯模某一点处的半径；t：芯模长度；

设纤维的编织角θ是芯模长度t的函数，即在简单的1/1编织织物中，纱线的编织角θ为：

ρ：纱锭在机器上运动一周所编织出的织物的长度；

设编织机的转速为V_r（转/s），芯模在编织过程中的运动速度V_t（cm/s），那么编织机转一转所编织出的长度ρ为：

ρ＝V_t/V_r   (2)

所以，

对于复杂形状的芯模来说，

因此，通过控制机器的转速和芯模的运动速度就可以调节参数ρ，即：

V_t(t)＝V_rρ(t)   (5)

设花节长度为h，则

h＝ρ/(锭子总数/2)   (6)

按照各区段设定的参数进行工艺计算，在设定的编织角θ和花节长度h条件下，根据上述公式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）计算出锭子运转速度和芯模的提升速度；

（4）确定所用编织机的齿轮传动关系，将锭子转速和芯模的提升速度的关系转换为变频器速度和提升速度的关系；

（5）观察织物的编织密度，织物的编织密度f与花节长度h关系如下式：

f=1/h   （7），

（6）进行织造前准备工作，准备完成后，按计算好的工艺参数上机织造，即制造出所述的异型变截面曲面二维编织预制件。

本发明解决所述设备技术问题的技术方案是，设计一种异型变截面曲面二维编织预制件的成型设备，该设备包括常规二维编织机，其特征在于该设备还包括分别独立可调的锭速调节装置和预制件升降速度调节装置；

所述锭速调节装置有两套，结构一致，对称安装在二维编织机上，每一套锭速调节装置包括控制开关单元、变频器、锭速电机和传动装置，控制开关单元和变频器安装在控制柜中，锭速电机及传动装置安装在二维编织机的机架上；开关控制单元包括预制件升降速度装置控制开关和锭速调节装置控制开关，锭速调节装置控制开关与变频器控制连接，变频器与锭速电机相连，锭速电机与传动装置传动连接，传动装置控制锭子的运动；传动装置包括与锭速电机传动相连的电机齿轮、控制纱锭运动的锭子齿轮和电机齿轮与锭子齿轮之间的一系列传动齿轮，锭子齿轮与控制其左右相邻纱锭运动的齿轮相啮合；

所述预制件升降速度调节装置包括预制件升降速度装置控制开关、升降电机、螺杆和升降板，预制件升降速度装置控制开关与升降电机控制相连，升降电机与螺杆垂直传动连接，升降板嵌套在螺杆上。

与现有技术相比，本发明成型方法和设备采用了独立可调的锭速调节装置和预制件升降速度调节装置的二维编织机，使锭子的运转速度和织物的提升速度实现了同时的可调性；锭子的运转速度可通过变频器进行间接调节；通过控制锭子运转速度和提升速度的关系，使具有异型变截面曲面的预制件沿织物成型方向的编织角和花节长度均匀过渡，避免了由于织物各部分截面形状尺寸差异造成的各区段织物编织角和表面编织密度差异过大等问题。本发明具有以下技术优点：（1）在普通的二维编织机上增加了独立可调的锭速调节装置和预制件升降速度调节装置，实现了锭速和提升速度的同时可调；（2）避免了由于制件各部分截面形状尺寸差异造成的各区段织物编织角和花节长度差异过大等问题；（3）实现了在二维编织机上织造具有异形截面且变截面预制件的可能性，成型的二维异型编织预制件表面匀整；（4）成型工艺简单，加工便捷，生产成本低，适于工业化推广。

附图说明

图1为本发明异型变截面曲面二维编织预制件的成型方法和设备一种实施例使用的二维编织机锭速调节装置结构示意图；

图2为本发明异型变截面曲面二维编织预制件的成型方法和设备一种实施例使用的二维编织机传动装置结构示意图；

图3为本发明异型变截面曲面二维编织预制件的成型方法和设备一种实施例使用的二维编织机升降装置结构示意图；

图4为本发明异型变截面曲面二维编织预制件的成型方法和设备一种实施例的变直径锥管二维编织预制件的形状结构及在织造成型过程中沿成型方向的分区结构示意图；

图5为本发明异型变截面曲面二维编织预制件的成型方法和设备一种实施例的自行车横把二维编织预制件的剖面形状结构及自行车横把在织造成型过程中沿成型方向的分区结构示意图。

图1、2和3中，1-编织预制件，2-成型装置，3-编织纱，4-矩形升降板，5-螺杆，6-升降电机，7-锭子，8-传动装置，9-机架，10-开关控制单元，11-开关，12-开关，13-提升架，14-变频器，15-电机，16、17、18、19、20、21、22、23-齿轮

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。

本发明设计的异型变截面曲面二维编织预制件（简称预制件）的成型方法（简称成型方法，参见图1-5），在异型变截面曲面二维编织预制件的织物编织过程中，首先根据预制件的形状沿编织方向进行分区，然后进行工艺计算，确定锭速调节参数和预制件提升（或升降）速度参数，最后按照工艺计算的结果进行二维编织，制造出所述的异型变截面曲面二维编织预制件；其编织过程分为以下几个步骤：

（3）依据产品性能要求，设计所用纱线的性能参数；如纱线原料品种、直径大小等；

（4）分区：根据预制件芯模各截面的形状尺寸大小，沿织物成型方向进行分区；分区的目的在于使织物的编织角和花节长度沿织物成型方向均匀变化，平缓过渡，使织物表面匀整，改善织物表面的外观质量和织物性能；

（3）工艺计算：由于芯模的形状复杂，它是由一系列不同半径的圆截面组成，那么芯模的半径可以看作是芯模长度的函数，即：

芯模某一点处的半径，t：沿着织物成型方向的芯模长度，

因此，纤维的编织角θ也是芯模长度t的函数，即在简单的1/1编织织物中，纱线的编织角θ为：

ρ：纱锭在机器上运动一周所编织出的织物的长度;

设编织机的转速为V_r（转/s），芯模在编织过程中的运动速度V_t（cm/s），那么编织机转一转所编织出的长度ρ为：

ρ＝V_t/V_r   (2)

所以，

对于复杂形状的芯模来说，

因此，通过控制编织机的锭子转速和芯模的提升运动速度就可以调节参数ρ，即：

V_t(t)＝V_rρ(t)   (5)

花节长度为h，则

h＝ρ/(锭子总数/2)   (6)

按照各区段设定的参数进行工艺计算，在设定的编织角θ和花节长度h条件下，根据上述公式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）和（6）计算出，锭子运转速度和芯模的提升速度；

（4）确定所用编织机的齿轮传动关系；根据编织机齿轮传动关系，将锭子运转速度和芯模的提升速度的关系转换为变频器速度和芯模的提升速度的关系；即确定出锭速的调节参数和预制件的提升速度参数，按照该参数即可织造出各区段所要求的编织角和花节长度；

（5）观察织物的编织密度，编织密度即沿织物成型方向单位长度内所编织出的花节个数；织物的编织密度f与花节长度h关系如下：

f=1/h   （7）

在纱线直径不变的情况下，花节长度h越大，编织密度f越小；花节长度h越小，编织密度f越大。编织密度变化范围越小，织物表面越匀整，外观质量越好；否则反之。通过观察织物表面编织密度的变化范围，可确定织物表面的编织质量；

（6）进行织造前准备工作，准备完成后，按计算好的工艺参数完成织造，制造出所述的异型变截面曲面二维编织预制件。

为了检验所设计织物的表面匀整程度，可根据公式f=1/h（7）计算织物的编织密度，在一定的编织角范围内，编织密度变化范围越小，沿成型方向织物表面越匀整，织物编织质量越好。

本发明同时设计了异型变截面曲面二维编织预制件的成型设备（简称设备，参见图1-3），该设备包括常规二维编织机，其特征在于该设备还包括分别独立可调的锭速调节装置（简称锭速装置）和预制件升降速度调节装置（简称升降装置）；

所述锭速装置（参见图1、3）包括控制开关单元10、变频器14、锭速电机15和传动装置8四个部分，控制开关单元10和变频器14安装在控制柜中，锭速电机15以及传动装置8安装在二维编织机的机架上。开关控制单元10有锭速调节装置控制开关12和预制件升降速度调节装置控制开关11两个独立开关。开关12控制变频器14转动，变频器14与锭速电机15（简称电机15）相连接，电机15的转动来带动编织机上的传动装置8传动，从而实现锭子的运动。传动装置8（参见附图2）包含一系列传动齿轮，所述的传动齿轮依次包括：与电机15相连的电机齿轮16、与电机齿轮16通过皮带传动连接的齿轮17，与齿轮17同轴的齿轮18，与齿轮18皮带传动连接的齿轮19，轨道盘上方与齿轮19同轴的齿轮20，与齿轮20相啮合的控制纱锭运动的锭子齿轮21，与锭子齿轮21相啮合的控制其左右相邻纱锭运动的齿轮22和23，通过这些传动齿轮传动二维编织机上控制纱锭运动的齿轮。所述锭速装置为两套，结构完全一致，对称安装在二维编织机上。

在织造过程中，锭速装置变频调节工作的过程为：打开控制变频器14的开关12，通过调节变频器14控制电机15的运转速度，电机15带动下方齿轮16运动，齿轮16通过皮带带动齿轮17运动，齿轮17与齿轮18进行同轴传动，齿轮18通过皮带带动齿轮19运动，齿轮19与轨道盘上方的齿轮20进行同轴传动，齿轮20与齿轮21啮合，齿轮21与控制左右相邻纱锭的齿轮22和23相啮合传动，进而依次传动其他控制纱锭运动的齿轮，驱动整个二维编织机的纱锭运动，从而实现对锭子（纱锭）运转速度的调节。

本发明成型设备的另一特征为在普通的二维编织机上设计并制造了预制件升降速度调节装置（参见图1、3）。该升降装置包括均安装在控制柜中的控制开关11、提升电机6、螺杆5和升降板4四个部分。开关11与提升电机6控制连接，提升电机6与螺杆5垂直传动连接，升降板4嵌套在螺杆5上。升降板4实施例为矩形。

本发明升降装置的工作过程为：在开关控制单元10中打开开关11，在控制单元10的控制面板上调节好升降电机6的运转速度，升降电机6控制其下方螺杆5的转动速度，升降板4嵌套在螺杆5上，可随螺杆5的转动而上下移动，芯模安装在升降板4上，预制件1在芯模上编织成型，升降板4的上下移动可实现预制件1的提升与下降。在编织过程中，升降装置可单独控制预制件1的提升速度而不受锭速变化的影响，即锭速调节装置和预制件升降装置是两个独立的单元，彼此单独运动，互不影响，即实现了锭速和升降速度的同时可调性。

本发明成型方法和设备实施例使用的二维编织机携纱器个数为4的倍数。

实施时，所述的编织机为普通或常规的二维圆型编织机。

实施时，所述的锭速电机和升降电机是步进电机或伺服电机，根据具体情况而定。

实施时，所述的变频器型号可根据具体情况选用。

实施时，所述的沿织物成型方向的分区长度大小，可根据所编制件的具体情况设计。

实施时，所述的编织纱线可为碳纤维或玻璃纤维等多种材料的纱线。

本发明未述及之处适用于现有技术。

下面给出本发明的具体实施例。这些实施例仅用于进一步说明本发明，并不限制本申请权利要求的保护范围。

实施例1

编织变直径锥形的二维编织圆管（参见图4），其成型工艺如下：

选用T70012K的碳纤维，编织机为64锭的立式二维圆形编织机，根据该织机下方的齿轮传动关系，可得出变频器速度和锭子转速之间的关系2πV_r=0.1ω，ω为变频器的角速度，代入公式（2），可得提升速度和变频器速度的关系：V_t/ω=ρ/62.8。

锥管总长为400mm，首先将锥管示意图沿轴向均分分为5个区段（参见图4），各区段长度均为80mm。从锥管小端开始各分区点的直径分别为20mm、32mm、40mm、45mm、48mm、50mm。

织造第Ⅰ区段的过程中，第Ⅰ锥管区中点的直径为近似26mm，设θ=45°，代入公式（1）、(2)，则ρ=81.64mm，V_t/ω=0.13。即在此区段，编织角为45°，花节长度为2.55mm，在1cm单位长度内编织密度为3.92，织机提升速度和变频器的速度的比为0.13；

在第Ⅱ锥管区，锥管区中点的直径为近似36mm，设θ=48°，代入公式（1）、(2)，则ρ=101.8mm，V_t/ω=0.16，即在此区段，编织角为48°，花节长度为3.18mm，编织密度为3.14，织机提升速度和变频器的速度的比为0.16；

在第Ⅲ锥管区，锥管区中点的直径为近似42.5mm，设θ=51°，代入公式（1）、(2)，则ρ=108.1mm，V_t/ω=0.17，即在此区段，编织角为51°，花节长度为3.37mm，编织密度为2.97，织机提升速度和变频器的速度的比为0.17；

在第Ⅳ锥管区，锥管区中点的直径为近似46.5mm，设θ=54°，代入公式（1）、(2)，则ρ=106.5mm，V_t/ω=0.17即在此区段，编织角为54°，花节长度为3.32mm，编织密度为3.01，织机提升速度和变频器的速度的比为0.17；

在第Ⅴ锥管区，锥管区中点的直径为近似49mm，设θ=57°，代入公式（1）、(2)，则ρ=99.91mm，V_t/ω=0.16，即在此区段，编织角为57°，花节长度为3.12mm，编织密度为3.21，织机提升速度和变频器的速度的比为0.16；

在此锥管织造过程中，花节长度的变化范围为2.55mm～3.37mm，编织角的变化范围为45°～57°，编织密度变化范围为2.97～3.92。可以逐渐的调整提升速度和变频器速度的比值，以得到各区段设定的花节长度和编织角的变化范围，使其实现均匀过渡。

若采用普通的二维编织机，当锥管直径从20mm增大到50mm，当编织角为45°保持不变时，花节长度的变化范围为1.96mm～4.91mm，编织密度的变化范围为2.03～5.1，编织密度的变化范围远大于上述工艺的编织密度变化范围；当花节长度为2.55mm保持恒定不变时，编织角的变化范围为45°～89°。

实施例2

编织成型变截面的自行车横把（参见图5），具体的成型工艺如下：

选用T70012K的碳纤维，编织机为64锭的立式二维圆形编织机，根据织机下方的齿轮传动关系，可得出变频器速度和锭子转速之间的关系2πV_r=0.1ω，ω为变频器的速度，代入公式（2），可得提升速度和变频器速度的关系：V_t/ω=ρ/62.8。

首先将横把示意图沿轴向分为5个区段（参见图5），第Ⅰ区段为等直径的圆柱，长为194mm，直径为19.2mm；第Ⅱ区段为锥管，长度为80mm，锥管小端的直径为19.2mm，大端直径为35mm；第Ⅲ区段为等直径的圆柱，长度为100mm，直径为35mm；第Ⅳ区段为与第2段规格相同的锥管；第Ⅴ区段为与第1段相同的等径圆柱。

织造第Ⅰ区段的过程中，设θ=45°，代入公式（1）、(2)，则ρ=60mm，V_t/ω=0.1，即在此区段，编织角为45°，花节长度为1.87mm，在1cm单位长度内编织密度为5.34，织机提升速度和变频器的速度的比为0.1；

在第Ⅱ锥管区，由于花节长度越大，纱线的编织密度越小，因此为了确保织物表面编织密度均匀，在使花节长度均匀变化的同时控制编织角的大小，使编织角的大小也呈现均匀变化的过程。根据公式（1）锥管最小端

在锥管最大端

从锥管最小端到锥管最大端，在锥管中间进行二次分区，此时中点的半径为27.1mm，

在锥管前区，设织物的花节长度h逐渐变化范围为h=1.87～2mm，当h=1.87时，θ=45°，V_t/ω=0.1，编织密度f为5.34；当h=2时，θ=53°，V_t/ω=0.102，编织密度f为5。在锥管后区，织物的花节长度h逐渐变化范围为h=2～2.2mm，当h=2.2时，θ=57°，V_t/ω=0.112，编织密度为4.54，在此区段织造过程中，可以逐渐的调整提升速度和变频器速度的比值，以得到该区段设定的花节长度和编织角的变化范围，使其实现均匀过渡；

第Ⅲ区段为等直径的圆柱，此时h=2.2时，θ=57°，V_t/ω=0.112，编织密度为4.54；

第Ⅳ、Ⅴ区和第2、3区截面形状相同，依照与2、3区相同的参数进行编织，即可完成整个自行车横把的编织过程。

与采用普通编织机工艺相比，在第2锥管区通过该工艺进行调节，使其织物表面花节长度的变化范围从1.87～3.4mm缩小到1.87～2.2mm，编织密度变化范围为2.94～5.34变为4.54～5.34，可见编织密度变化范围明显减小，改善了织物表面的匀整性。

本发明提供了一种异型变截面曲面二维编织预制件的成型方法和设备。该成型方法和设备采用经改进的二维编织机和成型编织工艺，编织复杂形状结构的二维编织预制件，方法切实有效，工艺相对简单，可避免由于制件各部分截面形状尺寸差异造成的织物编织角和编织密度差异过大等问题，并适于工业化实施，所制备成型的二维编织预制件整体性好，外观匀整，壁厚匀称，密度均匀，性能优异。

Claims (4)

1.一种异型变截面曲面二维编织预制件的成型方法，该成型方法采用纱锭速度和提升速度分别独立可调的工艺和如下工艺步骤：

（1）依据产品性能要求，设计所用纱线的性能参数；

（2）分区：根据预制件芯模各截面的形状尺寸大小，沿织物成型方向进行分区；

（3）工艺计算：设芯模的半径是芯模长度的函数，即：

芯模某一点处的半径；t：芯模长度；

设纤维的编织角θ是芯模长度t的函数，即在简单的1/1编织织物中，纱线的编织角θ为：

ρ：纱锭在机器上运动一周所编织出的织物的长度；

设编织机的转速为V_r（转/s），芯模在编织过程中的运动速度V_t（cm/s），那么编织机转一转所编织出的长度ρ为：

ρ＝V_t/V_r   (2)

所以，

对于复杂形状的芯模来说，

因此，通过控制机器的转速和芯模的运动速度就可以调节参数ρ，即：

V_t(t)＝V_rρ(t)   (5)

设花节长度为h，则

h＝ρ/(锭子总数/2)   (6)

按照各区段设定的参数进行工艺计算，在设定的编织角θ和花节长度h条件下，根据上述公式（1）、（2）、（3）、（4）、（5）、（6）计算出锭子运转速度和芯模的提升速度；

（4）确定所用编织机的齿轮传动关系，将锭子转速和芯模的提升速度的关系转换为变频器速度和提升速度的关系；

（5）观察织物的编织密度，织物的编织密度f与花节长度h关系如下式：

f=1/h   （7），

（6）进行织造前准备工作，准备完成后，按计算好的工艺参数上机织造，即制造出所述的异型变截面曲面二维编织预制件。

2.一种权利要求1所述异型变截面曲面二维编织预制件的成型设备，该设备包括常规二维编织机，其特征在于该设备还包括分别独立可调的锭速调节装置和预制件升降速度调节装置；

所述锭速调节装置有两套，结构一致，对称安装在二维编织机上，每一套锭速调节装置包括控制开关单元、变频器、锭速电机和传动装置，控制开关单元和变频器安装在控制柜中，锭速电机及传动装置安装在二维编织机的机架上；开关控制单元包括预制件升降速度装置控制开关和锭速调节装置控制开关，锭速调节装置控制开关与变频器控制连接，变频器与锭速电机相连，锭速电机与传动装置传动连接，传动装置控制锭子的运动；传动装置包括与锭速电机传动相连的电机齿轮、控制纱锭运动的锭子齿轮和电机齿轮与锭子齿轮之间的一系列传动齿轮，锭子齿轮与控制其左右相邻纱锭运动的齿轮相啮合；

所述预制件升降速度调节装置包括预制件升降速度装置控制开关、升降电机、螺杆和升降板，预制件升降速度装置控制开关与升降电机控制相连，升降电机与螺杆垂直传动连接，升降板嵌套在螺杆上。

3.根据权利要求2所述的异型变截面曲面二维编织预制件的成型设备，其特征在于所述二维编织机携纱器个数为4的倍数。

4.根据权利要求2所述的异型变截面曲面二维编织预制件的成型设备，其特征在于所述升降板为矩形。

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