CN103911744B - 一种三维立体编织设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种三维立体编织设备，该设备包括三维编织预制件、成型装置、齿轮式主动携纱器，齿条式编织底盘，由直流电动机驱动齿轮式主动携纱器上的齿轮，齿轮和编织机底盘上的齿条啮合，使齿轮式主动携纱器在底盘上运行，带动编织纱线完成三维预制件的编织作业。本发明利用自身携带的直流电动机提供携纱器的驱动力，从而提高了齿轮式主动携纱器的运动，可以改善异形三维编织预制件的减纱和加纱难题，适用于各种三维编织预制件的制备。

Description

一种三维立体编织设备

技术领域

本发明涉及三维立体编织技术领域，尤其涉及一种三维立体编织设备。

背景技术

三维整体编织技术是20世纪80年代发展起来的高新纺织技术，具有异型件一次编织成型的特点。编织过程中，所有纱线同时参加织造，每根纱线按一定的规律运动，从而相互交织在一起，形成一个三维整体织物。这种增强结构的复合材料具有轻质、不分层、强度高、整体性能好和结构设计灵活等特点，为复合材料应用于承载结构提供了广阔的前景，已在航天、航空、交通、化工、体育、医疗等领域得到了广泛的应用。

1982年，Flornetine发明了称为Mganawevae的编织机，奠定了纵横编织的技术基础。从此，对纵横编织技术和编织预型件的研究进入一个新时期，80年代末至90年代中期出现了一个研究高潮，在编织模式、编织设备以及编织预制件的结构和性能方面都取得了相当大的进展。

三维编织复合材料具有独特的结构特点和力学性能，已经被广泛运用于航天航空、汽车工业等领域。应用于工业化生产中的三维编织机主要有角导轮式和行列式两种，其区别在于三维编织机的底盘，因此底盘也是决定三维编织机工作方式和性能的关键。角导轮式三维编织机在编织时，携纱器是遵循相互连接的“数字8”的轨迹运动；而行列式三维编织机采用是“二步法”和“四步法”进行编织。

应用于各种设备中的复合材料结构件大多具有不规则的形状，因此必须先得到与结构件外形一致的三维异形编织预制件，再通过基体复合等技术得到需要的预制件。早期的三维异形编织预制件的制备是先得到规则的等截面预制件，再用机械后加工的方法得到需要的形状，但这样会使预制件表面的纱线发生断裂或磨损，降低了预制件的整体力学性能。角导轮式三维编织机在编织变截面三维预制件时难以实现减纱和加纱，会造成预制件径向厚度的不一致，因而三维异形编织预制件的织造中多使用行列式三维编织机。根据行列式的三维编织机的运行方式衍生出一些减纱和加纱方法，但都无法便捷、有效地解决三维异形编织预制件的制造难题。究其原因，主要是受限于行列式三维编织机携纱器的运动形式。行列式三维编织机的携纱器是以整行或者整列的形式运行的，单个携纱器无法实现自由运动，因此当三维编织预制件的截面积发生变化，需要适时地从编织区移出或者加入纱线是比较困难的。

鉴于上述现有技术所存在的问题，因此，研制一种能够克服上述问题的三维立体编织设备，已成为急需解决的技术问题。

发明内容

针对现有技术存在的上述缺陷，本发明的目的是提供一种三维立体编织设备，该设备采用机械式驱动结构，一方面可以遵循齿轮式主动携纱器的运行模式，适用于三维异形编织预制件的制备，另一方面可以克服电磁式齿轮式主动携纱器对加工精度和电磁兼容问题较为苛刻的要求。

为达上述目的，本发明采取如下方案：

一种三维立体编织设备，该设备包括三维编织预制件、成型装置、齿轮式主动携纱器，齿条式编织底盘，其特征在于：

齿轮式主动携纱器上设置有四个直流电动机，其中，X轴方向上两个直流电动机，Y轴方向两个直流电动机，每个直流电动机分别驱动一对同轴的齿轮，齿轮式主动携纱器直接放置于齿条组成的底盘上；

齿条式编织底盘采用单元模块拼装式结构，由等间距排列的相互垂直的第一齿条和第二齿条构成，第一齿条和第二齿条的齿距相等，在交叉区域，第一齿条和第二齿条正交形成的四棱锥阵列，第一齿条、第二齿条以及四棱锥阵列共同构成了供齿轮式主动携纱器运行的纵横交错的导轨；

齿条式编织底盘的底座边缘开有键槽，齿条式编织底盘上端是屋檐状的突出，两个单元模块拼接后，中间形成的齿条间隙用作定位杆的移动通道，定位块位于屋檐状突出的下端，其直径大于定位杆移动通道的间距。

优选的，所述齿轮式主动携纱器有四个直流电动机驱动齿轮，当同一水平线上的两个直流电动机带动齿轮旋转时，另外两个直流电动机不工作，其联结的齿轮在齿槽内以滑动的方式移动。

本发明具有以下优点和积极效果：

1)齿轮式主动携纱器采用由直流电动机带动齿轮在齿条上滚动和滑动并行的驱动方式，与电磁式的驱动结构相比更为可靠，零件的加工较为容易，且不用考虑电磁兼容带来的各种问题。

2)齿轮齿条和定位装置的组合不但可以克服携纱器运行过程中的“卡死”问题，也可以防止携纱器由于编织纱在运行中的拉拽力过大而脱离编织底盘。

3)底座的单元化模块拼接时，由键槽和键连接，方便安装和拆卸，而且可以有效地保证单元模块连接的可靠程度。

附图说明

图1为三维立体编织设备的整体图；

图2为三维立体编织设备中轮式主动携纱器与底盘齿条的配合图；

图3为三维立体编织设备中齿轮式主动携纱器的侧视图；

图4为三维立体编织设备中齿轮式主动携纱器的俯视图；

图5为三维立体编织设备中齿轮式主动携纱器与编织机底盘侧视图；

图6为三维立体编织设备中控制模块连接示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的实施方式做进一步的说明。

该三维立体编织设备的整体图如图1所示。在整体图中，1为三维编织预制件，2为成型装置，3为编织纱，4为齿轮式主动携纱器，5为齿条式编织底盘。齿轮式主动携纱器4上装设有四个直流电动机，每个直流电动机分别驱动一对齿轮，总共有四对齿轮。每对齿轮都是同轴的，其中X轴方向上两个直流电动机，Y轴方向两个直流电动机。这样一来，在每个维度上的运动都有两个直流电动机提供动力，齿轮式主动携纱器4直接放置于齿条组成的底盘上，底盘上的两组齿条等间距排列。

编织纱线由携纱器携带，并且按预制件的横截面形状排列，携纱器携带编织纱线沿着编织机的4个方向运动，使编织纱线彼此相互交织。一个编织循环分为4步，携纱器的每一步移动，只能沿横向或者纵向步进。第1步，携纱器按行向交错式步进；第2步，携纱器按列向交错式步进；第3步，携纱器的步进方向与第1步相反；同样，第4步的携纱器移动也与第2步相反。经过4步，携纱器的排列形式与初始时相同。一般情况下，每个编织循环过后。都有一个打紧纱线的过程，使得编织结构更加紧凑。

轮式主动携纱器与底盘齿条的配合图如图2所示。在图2中，4为齿轮式主动携纱器，5为齿条式编织底盘，51为与齿轮式主动携纱器运动方向平行的齿条，52为四棱锥整列，53为与齿轮式主动携纱器运动方向垂直的齿条。纵横齿条的交叉处是由两组齿条相切而形成齿条52的四棱锥阵列，设计成这种形状的主要是为了使齿轮式主动携纱器可以在交叉区域转向，以实现二维运动。因为一个维度上的齿轮与齿条形成滚动副的时候，另一个维度上的齿轮与齿条是形成滑动副，所以在齿条52的区域，原与齿条形成滚动副的齿轮变为与齿条组成滑动副，原与齿条形成滑动副的齿轮变为与齿条组形成滚动副，于是齿轮式主动携纱器实现运动维度的切换。

齿轮式主动携纱器的侧视图如图3所示。在图3中，411、413为同轴齿轮，42为电池与控制模块，431、433为直流电动机，44为定位块。

齿轮式主动携纱器的俯视图如图4所示。在图4中，411、412、413、414为同轴齿轮，42为电池与控制模块，431、432、433、434为直流电动机。齿轮式主动携纱器4上装置着四对同轴齿轮411、412、413、414，分别由直流电动机431、432、433、434驱动。

齿条51上的齿槽与齿条53上的齿槽相互垂直，当齿轮式主动携纱器4在齿条51上运动时，其上的同轴齿轮411、413与齿条51啮合形成滚动副，而同轴齿轮412，同轴齿轮414在齿条51的齿槽中滑动，与齿条51形成滑动副，并起到定位的作用；当齿轮式主动携纱器4在齿条53上运动时，其上的同轴齿轮411，同轴齿轮413在齿条53的齿槽中滑动，与齿条53形成滑动副，并起到定位的作用，同轴齿轮412，同轴齿轮414与齿条53啮合形成滚动副。

齿轮式主动携纱器与编织机底盘侧视图如图5所示。在图5中，45为定位杆，44为定位块，53为键，54为键槽，57为齿条间隙。齿条式编织底盘5由外部轮廓呈正方形的单元模块组成，为了使单元模块方便安装，底座的边缘开有键槽54，键槽54中插入键53进行联结和固定。齿条式编织底盘5上端是屋檐状的突出，两个单元模块拼接后，中间会形成一条齿条间隙57，齿条间隙57为定位杆45的移动通道；定位块44位于屋檐状突出的下端，其直径大于定位杆45移动通道的间距，防止因为编织纱拉拽的力量过大而使齿轮式主动携纱器4脱离齿条式编织底盘5。

齿条式编织底盘5则由齿条51，齿条53和交叉区域的四棱锥阵列53构成，齿条式编织底盘5采用的是拼装式结构，可以根据三维编织预制件截面积的要求，拼接成任意大小的网格状平面。齿条51和齿条52的齿距相等，相互呈90度角。在交叉区域，是齿条51和齿条52正交形成的四棱锥阵列53，这种结构是为了方便齿轮式主动携纱器的运动方向从一个维度转换到另一个维度。齿条51，齿条53和四棱锥阵列53共同构成了供齿轮式主动携纱器运行的纵横交错的导轨。齿轮式主动携纱器4在齿条51上运动时，其上的同轴齿轮411，同轴齿轮413与齿条51啮合形成滚动副，而同轴齿轮412，同轴齿轮413在齿条51的齿槽中滑动，与齿条51形成滑动副，并起到定位的作用；当齿轮式主动携纱器4在齿条53上运动时，其上的同轴齿轮411，同轴齿轮413在齿条53的齿槽中滑动，与齿条53形成滑动副，并起到定位的作用，同轴齿轮412，同轴齿轮414与齿条53啮合形成滚动副。因此，当直流电动机431、433驱动同轴齿轮411、413运动时，直流电动机432、434不工作；同理，当直流电动机432、434驱动同轴齿轮412、414运动时，直流电动机431、433不工作。直流电动机431、432、433、434由电池和控制模块42提供电源与控制策略，可以使齿轮式主动携纱器4沿着齿条51或齿条53往复移动。由定位杆45和定位块44组成的定位装置卡在位于齿条51中心的间隙和齿条53中心的齿条间隙57中，用来防止齿轮式主动携纱器4由于其上编织纱3的拉拽而脱离齿条式编织底盘5。当多个齿轮式主动携纱器4配合运行时，便可以带动编织纱3在齿条式编织底盘5的上方形成空间交织，最后在成型装置2上编织出规定形状的三维编织预制件1。

三维编织设备中对直流电动机431、432、433、434的控制采用的是PC机和控制模块相结合的方式，实现了三维整体编织的自动化生产过程，可自动编织多种不同截面形状的预型件，三维立体编织设备中控制模块连接示意图如图6所示。

在三维编织设备的4个方向上各设计安装一个直流电动机，例如直流步进电机，推动携纱器携带编织纱线运动。4个方向的直流电动机在某时刻只有两个方向的电机在运动。即当东西方向的直流电动机运行工作时，南北方向的直流电动机不工作，反之一样。因此，设计采用了两个驱动器驱动4台直流电动机的方案，驱动器与电机间通过使用继电器作为转向控制，经过4步，完成一个编织循环，电机回到原位，而携纱器的排列形式与初始时相同，再依次执行下去。

齿轮式主动携纱器上还包括有控制模块、驱动模块、继电器、PLC单元以及接口。控制模块完成对电机的管理和控制，是PC主机与机械装置的接口，控制模块选取了日本SEEK公司推出的AS-49PC-4运动控制卡，驱动器采用ZETA4-240型驱动器，AS-49PC-4卡是一块4轴PCI总线运动控制卡，可以实现4轴PCI总线运动控制，适用于脉冲信号控制的伺服、步进和直流等电机的定位和速度，可直接从CPU实现控制。控制模块的最高输出频率可达4.9MHz，使用同步启动功能，可以0.0023*10^-6的脉冲速率进行最佳直线插补。每轴均可输出脉冲和方向信号以控制电机的运转。同时，可外接原点、原点前、减速、限位等开关信号，以实现回原点、保护等功能，这些开关信号由AS-49PC-4卡自动检测并作出反应。AS-49PC-4运动控制卡与驱动器、步进电机连接，主要任务是产生脉冲和方向信号，控制步进电机的运行，使编织机按照编织工艺文件执行编织动作。

在三维编织设备的控制中，由PC机指令控制模块控制编织过程。控制模块作为电机上位控制单元，与PC机构成主从式控制结构：PC机负责人机交互接口的管理和实时监控等方面的工作，包括键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、控制指令的发送、外部信号的监控等。控制模块完成运动控制的所有细节，包括脉冲和方向信号的输出、自动升降速的处理、原点和限位等信号的检测等等。

本发明的保护范围并不限于上述的实施例，显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变形而不脱离本发明的范围和精神。倘若这些改动和变形属于本发明权利要求及其等同技术的范围内，则本发明的意图也包含这些改动和变形在内。

Claims (2)

1.一种三维立体编织设备，该设备包括三维编织预制件、成型装置、齿轮式主动携纱器，齿条式编织底盘，其特征在于：

齿轮式主动携纱器上设置有四个直流电动机，其中，X轴方向上两个直流电动机，Y轴方向两个直流电动机，每个直流电动机分别驱动一对同轴的齿轮，齿轮式主动携纱器直接放置于齿条组成的底盘上；

齿条式编织底盘采用单元模块拼装式结构，由等间距排列的相互垂直的第一齿条和第二齿条构成，第一齿条和第二齿条的齿距相等，在交叉区域，第一齿条和第二齿条正交形成的四棱锥阵列，第一齿条、第二齿条以及四棱锥阵列共同构成了供齿轮式主动携纱器运行的纵横交错的导轨；

齿条式编织底盘的底座边缘开有键槽，齿条式编织底盘上端是屋檐状的突出，两个单元模块拼接后，中间形成的齿条间隙用作定位杆的移动通道，定位块位于屋檐状突出的下端，其直径大于定位杆移动通道的间距。

2.根据权利要求1所述的三维立体编织设备，其特征在于：所述齿轮式主动携纱器有四个直流电动机驱动齿轮，当同一水平线上的两个直流电动机带动齿轮旋转时，另外两个直流电动机不工作，其联结的齿轮在齿槽内以滑动的方式移动。