CN113046915B - 数字化多轴向水平放纱三维编织装置及编织方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了数字化多轴向水平放纱三维编织装置，包括通过螺纹连接的设备主体结构装置、控制电机驱动装置和承重装置。与现有技术相比，一方面本发明装置的结构简单、体积小、维护方便，是所有三维编织机中能够容纳纱锭数量最多的，解决了在编织大型结构件时需要的编织机尺寸过大的问题，大大降低了设备成本和编织成本。另一方面，工件滑孔的设计可以使编织加工工件进行往复编织增加编织厚度，通过三维编织整体成型的工件其编织纤维连续，稳定性高，结构性强很好的解决了复合材料板层间结合力弱的问题，对提升航空航天关键零件的成型有着重要价值。

Description

数字化多轴向水平放纱三维编织装置及编织方法

技术领域

本发明涉及编织机技术领域，具体涉及一种数字化多轴向水平放纱三维编织装置及其运行方法。

背景技术

三维编织技术是一种实现纱线在X、Y、Z三维空间交织连接的编织技术，而三维编织装置是制备预制体(高可靠性复合材料)的关键装备，由于在Z轴上加入了纱线，不仅可以将预制体一次成型降低了加工难度，也能够很好的解决复合材料层合板层间结合力弱的问题。目前关于三维编织机主要有笛卡尔矩阵式和四齿拨盘型三维编织机。现有的笛卡尔矩阵式和四齿拨盘型三维编织机，由于能够携带的纱锭数量有限，很难将纱锭装满拨盘，在编织大型结构件时需要的编织机尺寸过大。并且数字化程度和灵活性低，需要人工调控纱线紧实度。例如，实现直径550mm的筒体，采用13k碳纤维按照45°编织夹角，则需要的编织纱锭数超过911只，使用现有的三维编织机的高度将超过13米，编织机的加工难度和编织成本大幅增加。功能单一，且兼容性低，常常一套编织设备只能编织一种形状的预制体，大大增加了设备成本和编织体的制造成本。现有的编织机按照编织预制体的成型方向可以分为竖直放纱编织机和水平放纱编织机，与现有竖直放纱编织机相比，水平放纱编织机没有场地高度的限制，方便预制体的制作与脱模。

发明内容

为了解决现有技术中编织设备编织大型结构件需要编织机的尺寸多大，功能单一，数字化程度低的问题，本发明提供了一种数字化多轴向水平放纱三维编织装置及其编织方法，该编织装置为六齿型三维编织装置，数字化程度高、单位携带纱锭数量大、结构紧凑体积小、功能多样化，灵活性高，可以同时编织多个样件、加工成本和编织成本低、编织结构致密、兼容性高，可以与Z向缝合，缠绕等设备相结合，最高可以进行三维七向编织。

为了实现上述目的，本发明一实施例提供的技术方案如下：

一实施例中，提供了一种数字化多轴向水平放纱三维编织装置，包括：

一支撑安装盘，所述支撑安装盘一侧上设有运行安装槽，所述运行安装槽中央设有中心盘，所述运行安装槽内设有至少一层滑块驱动层，所述滑块驱动层包括若干同平面设置的六齿型拨盘，所述六齿型拨盘两两相邻且围绕所述中心盘呈环形设置；

所述运行安装槽的侧壁以及所述中心盘的侧壁上均设有与邻近的六齿型拨盘相配合的弧形壁段，所述弧形壁段与邻近的六齿型拨盘间隙配合且不影响六齿型拨盘自由转动；

所述六齿型拨盘为在中心设有连接孔的圆形转盘周向上均布6个首尾依次相连的弧形滑块槽所形成的六角星状结构；相邻两个六齿型拨盘绕各自的轴线自转所形成的圆形相交，相交的弧长与弧形滑块槽的弧长相等；

所述六齿型拨盘在静止状态时，相邻两个六齿型拨盘的弧形滑块槽相对、与运行安装槽侧壁相邻的六齿型拨盘的弧形滑块槽与弧形壁段相对；

驱动装置，包括若干与所述六齿型拨盘一一对应连接的第一控制电机，用于驱动所述六齿型拨盘自转；

运行滑块,配置于相对的两个弧形滑块槽所围成的运行槽内或弧形滑块槽与相对的弧形壁段围成的运行槽内，且与所述运行槽间隙配合，所述运行滑块上设有与六齿型拨盘轴线平行的纱线轴安装座。

作为本发明的进一步改进，所述纱线轴安装座包括纱线轴、纱线连杆和限位夹，所述纱线连杆与所述六齿型拨盘轴线平行设置，所述纱线轴能够自由转动的套设在所述纱线连杆上，所述限位夹用于限制所述纱线轴在所述纱线连杆上轴向滑动、防止纱线轴在纱线连杆上脱出。

作为本发明的进一步改进，每层所述滑块驱动层的六齿型拨盘个数为6的整数倍，且当包括多层滑块驱动层时，所述滑块驱动层的层与层间依次相邻；所述弧形滑块槽的弧形直径与所述圆形转盘的直径相同且所述弧形滑块槽的弧长为所述圆形转盘周长的六分之一。

作为本发明的进一步改进，所述六齿型拨盘中心处留有孔洞，所述孔洞内插设有轴向管，以便在编织预制体时加入轴向纱提高预制体的轴向性能。

作为本发明的进一步改进，所述六齿型拨盘全部静止时，任何一个六齿型拨盘四周与其相邻的六齿型拨盘的弧形滑块槽和运行安装槽侧壁或中心盘侧壁的一个或两个弧形壁段围成一个以该六齿型拨盘中心为圆心的圆形运行槽，或者任何一个六齿型拨盘四周与其相邻的六个六齿型拨盘的弧形滑块槽围成一个以该六齿型拨盘中心为圆心的圆形运行槽，圆形运行槽与该六齿型拨盘自转所形成的圆形间隙配合。

作为本发明的进一步改进，所述运行滑块可被一个自转的六齿型拨盘带动在以该六齿型拨盘中心为圆心的圆形运行槽内转动，组成一个圆形运行槽的两个弧形滑块槽均可独自带动运行滑块在其所在的圆形运行槽内转动，实现运行滑块的位置移动。

作为本发明的进一步改进，所述的中心盘为六齿型拨盘，该六齿型拨盘的弧形滑块槽的侧壁为中心盘的弧形壁段，支撑安装盘另一侧上设有与中心盘相连的第二控制电机，用于驱动所述中心盘自转。

作为本发明的进一步改进，所述中心盘四周设有至少12个六齿型拨盘，所述中心盘中央设有贯通所述支撑安装盘和所述中心盘的工件滑孔，待编织加工的工件可在工件滑孔内前后滑动，实现多层编织。

作为本发明的进一步改进，所述第一控制电机和所述第二控制电机均为伺服电机，所述第一控制电机驱动某一六齿型拨盘转动时，其相邻的六齿型拨盘停止运动；六齿型拨盘一次转动的角度为60°的整数倍。

作为本发明的进一步改进，所述六齿型拨盘相互配合间歇性转动，可带动每一个运行滑块运行至运行安装槽内任何一个运行槽处，运行滑块带动纱线轴安装座，带动安装在纱线轴安装座上的纱线轴在设计的运动轨迹上交错运动，实现3D编织。

本发明还提供了上述数字化多轴向水平放纱三维编织装置的编织方法，包括：

第一控制电机启动；

六齿型拨盘自转且相互配合间歇性转动，带动每一个运行滑块运行至运行安装槽内任何一个运行槽处；

运行滑块带动纱线轴安装座，带动安装在纱线轴安装座上的纱线轴在设计的运动轨迹上交错运动，实现3D编织。

作为本发明的进一步改进，所述第一控制电机驱动某一六齿型拨盘转动时，其相邻的六齿型拨盘停止运动；所述六齿型拨盘一次转动的角度为60°的整数倍。

与现有技术相比，本发明的优点在于：

本发明每一个六齿型拨盘(包括中心盘)被一个独立的控制电机控制，最大程度提高了编织结构的灵活性，是所有三维编织机中能够容纳纱锭数量最多的。在待编织加工的工件需要的编织厚度单次编织难以满足时，将待编织加工的工件穿过中心盘中央的工件滑孔，在工件滑孔内轴向往复运动，即可实现往复编织。本发明对提升航空航天关键复合材料的成型有着重要价值。

附图说明

为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本申请一实施方式中一种数字化多轴向水平放纱三维编织装置的立体结构图(省去部分结构)；

图2是本申请一实施方式中一种数字化多轴向水平放纱三维编织装置的主视图；

图3是本申请一实施方式中一种数字化多轴向水平放纱三维编织装置的后视图；

图4是本申请一实施方式中一种数字化多轴向水平放纱三维编织装置的立体结构图(后视以及省去部分结构)；

图5是本申请一实施方式中驱动装置及滑块驱动层部分部分细节图；

图6是本申请一实施方式中一种数字化多轴向水平放纱三维编织装置的完整三维立体图。

具体实施方式

以下将结合附图所示的各实施方式对本发明进行详细描述。但该等实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据该等实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。

参考图1～图6所示，本申请一实施例提供了一种数字化多轴向水平放纱三维编织装置，包括通过螺纹连接的设备主体结构装置、控制电机驱动装置和承重装置。

设备主体结构包括框架组件，支撑安装盘12，中心盘13，六齿形拨盘14，运行滑块15以及纱线轴安装座16。

框架组件包括机壳框架支撑111，侧盖112，机壳下框架支撑113，后盖114以及固定环115，其中，机壳框架支撑111，侧盖112，机壳下框架支撑113，后盖114通过螺纹连接的方式，共同围合成中间设有容置空间的装置框架，支撑安装盘12配置于框架上且位于该容置空间的前端，覆盖该容置空间；中心盘13被配置于支撑安装盘12的中部，中心盘13中央设有贯通支撑安装盘12和中心盘13的工件滑孔，工件滑孔处安装一个固定环115。

支撑安装盘12的前侧设有运行安装槽121，具体的，运行安装槽121由机台框122和活动快123围合而成，中心盘13被配置于运行安装槽121的中部。运行安装槽121内设有一层由六齿型拨盘14两两相邻、围绕中心盘13呈环形设置的滑块驱动层，其中，滑块驱动层的六齿型拨盘14的个数为6的整数倍。

六齿型拨盘14为在中心设有连接孔141的圆形转盘周向上均布6个首尾依次相连的弧形滑块槽142所形成的六角星状结构，弧形滑块槽142的弧形直径与圆形转盘的直径相同，相邻两个六齿型拨盘14绕各自的轴线自转所形成的圆形相交、相交的弧长与弧形滑块槽142的弧长相等，均为圆形转盘周长的六分之一；六齿型拨盘14的中心处留有孔洞(连接孔114)，可在孔洞内插入轴向管以便在编织预制体时加入轴向纱提高预制体的轴向性能。

运行安装槽121的(内)侧壁上设有与邻近的六齿型拨盘14相配合的弧形壁段(运行安装槽121的侧壁由弧形壁段依次首尾相连而成)，弧形壁段与邻近的六齿型拨盘14(自转所形成的圆)间隙配合、不影响六齿型拨盘自由转动。

中心盘13的(外)侧壁上设有与邻近的六齿型拨盘14相配合的弧形壁段(中心盘13的侧壁由弧形壁段依次首尾相连而成)，弧形壁段与邻近的六齿型拨盘14(自转所形成的圆)间隙配合、不影响六齿型拨盘自由转动，中心盘13四周设有至少十二个六齿型拨盘14，中心盘13中央设有贯通支撑安装盘12和中心盘13的工件滑孔，工件滑孔处安装有固定环115，待编织加工的工件可在固定环115内前后滑动，实现多层编织，本实施例中，中心盘13同样为六齿型拨盘，该六齿型拨盘的弧形滑块槽的侧壁为中心盘的弧形壁段。

六齿型拨盘14在静止状态时，相邻两个六齿型拨盘14的弧形滑块槽142相对、与运行安装槽121侧壁相邻的六齿型拨盘14的弧形滑块槽142与弧形壁段相对。

运行滑块15配置于相对的两个弧形滑块槽142所围成的运行槽内或弧形滑块槽与相对的弧形壁段围成的运行槽内，且与运行槽间隙配合，运行滑块15上设有与六齿型拨盘轴线平行的纱线轴安装座16。

参考图5所示，纱线轴安装座16包括纱线轴161、纱线连杆162和限位夹163，纱线连杆162与六齿型拨盘14轴线平行设置，纱线轴161能够自由转动的套设在纱线连杆162上，限位夹163用于限制纱线轴在所述纱线连杆上轴向滑动、防止纱线轴在纱线连杆上脱出。

本发明中六齿型拨盘14全部静止时，任何一个六齿型拨盘14四周与其相邻的六齿型拨盘14的弧形滑块槽142和运行安装槽121内侧壁的一个或两个弧形壁段围成一个以该六齿型拨盘中心为圆心的圆形运行槽，或者任何一个六齿型拨盘14四周与其相邻的六个六齿型拨盘14的弧形滑块槽142围成一个以该六齿型拨盘中心为圆心的圆形运行槽，圆形运行槽与该六齿型拨盘14自转形成的圆形间隙配合。

本发明中运行滑块15可被一个自转的六齿型拨盘14带动在圆形运行槽内转动，组成一个圆形运行槽的两个弧形滑块槽142均可独自带动运行滑块15在其所在的圆形运行槽内转动，实现运行滑块的位置移动。

参考图4和图5所示，控制电机驱动装置包括电机安装板27、控制电机21、垫板22、控制电机轴套23、控制电机同步带轮24、拨盘同步带轮25和同步带26，电机安装板27安装于装置框架的容置空间内，且位于机壳框架支撑111和机壳下框架支撑113的内侧凸台上，电机安装板27的后侧与每个六齿型拨盘14以及中心盘13分别一一对应设置有控制电机21，控制电机21与相对应的六齿型拨盘14或中心盘13相连、用于驱动其做旋转运动。

本发明中的控制电机21为伺服电机，控制电机21驱动某一六齿型拨盘转动时，其相邻的六齿型拨盘停止运动；六齿型拨盘一次转动的角度为60的整数倍。

本发明中六齿型拨盘14相互配合间歇性转动，可带动每一个运行滑块15运行至运行安装槽内任何一个运行槽处，运行滑块15带动纱线轴安装座16，带动安装在纱线轴安装座16上的纱线轴161在设计的运动轨迹上交错运动，实现3D编织。

承重装置包括底座31、承重座前挡板32、承重座后挡板33、槽钢34，平板35，弯板36。通过焊接和铆接的方式将槽钢34，平板35和弯板36安装成承重装置的骨架，再将前后安装承重座前挡板32、承重座后挡板33，底座31安装于承重装置的骨架的上方。

通过将六齿型拨盘14两两相邻、围绕中心盘13呈环形设置的滑块驱动层(每层滑块驱动层的六齿型拨盘个数为6的整数倍)安装在运行安装槽内；运行滑块15可被与之相邻的自转的六齿型拨盘14带动，在圆形运行槽内转动；运行滑块15上安装纱线连杆162，用限位夹163固定，限制纱线轴161在纱线连杆162上轴向滑动、防止纱线轴161在纱线连杆162上脱出；工件滑孔处用固定环115固定可使得待编织加工的工件在工件滑孔内前后滑动实现多层编织；控制电机21工作时，通过同步带26带动六齿型拨盘14的转动。

在编织开始前，将六齿型拨盘14和运行滑块15按照编织路径停在初始位置。开始编织时，控制电机21开启，通过控制电机同步带轮24和同步带26带动拨盘同步带轮25，从而带动六齿型拨盘14转动。六齿型拨盘14的转动角度为60°的整数倍，六齿型拨盘14的自转带动运行滑块15在运行槽内运动。通过前期编织路径的设计，六齿型拨盘14进行相互配合间歇性转动，可带动每一个运行滑块15运行至运行安装槽内任何一个运行槽处。运行滑块15带动纱线轴安装座16，带动安装在纱线轴安装座16上的纱线连杆162在设计的运动轨迹上交错运动，实现3D编织，若要增强预制体的轴向强度可在六齿型拨盘14的中心加入轴向纱管，以便在编织中加入轴向纱线。

对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。

此外，应当理解，虽然本说明书按照实施例加以描述，但并非每个实施例仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。

Claims (8)

1.一种数字化多轴向水平放纱三维编织装置，其特征在于，包括：

一支撑安装盘，所述支撑安装盘一侧上设有运行安装槽，所述运行安装槽中央设有中心盘，所述运行安装槽内设有至少一层滑块驱动层，所述滑块驱动层包括若干同平面设置的六齿型拨盘，所述六齿型拨盘两两相邻且围绕所述中心盘呈环形设置；

所述运行安装槽的侧壁以及所述中心盘的侧壁上均设有与邻近的六齿型拨盘相配合的弧形壁段，所述弧形壁段与邻近的六齿型拨盘间隙配合且不影响六齿型拨盘自由转动；

所述六齿型拨盘为在中心设有连接孔的圆形转盘周向上均布6个首尾依次相连的弧形滑块槽所形成的六角星状结构；相邻两个六齿型拨盘绕各自的轴线自转所形成的圆形相交，相交的弧长与弧形滑块槽的弧长相等；

所述六齿型拨盘在静止状态时，相邻两个六齿型拨盘的弧形滑块槽相对、与运行安装槽侧壁相邻的六齿型拨盘的弧形滑块槽与弧形壁段相对；

驱动装置，包括若干与所述六齿型拨盘一一对应连接的第一控制电机，用于驱动所述六齿型拨盘自转；

运行滑块，配置于相对的两个弧形滑块槽所围成的运行槽内或弧形滑块槽与相对的弧形壁段围成的运行槽内，且与所述运行槽间隙配合，所述运行滑块上设有与六齿型拨盘轴线平行的纱线轴安装座。

2.根据权利要求1所述的数字化多轴向水平放纱三维编织装置，其特征在于，所述纱线轴安装座包括纱线轴、纱线连杆和限位夹，所述纱线连杆与所述六齿型拨盘轴线平行设置，所述纱线轴能够自由转动的套设在所述纱线连杆上，所述限位夹用于限制所述纱线轴在所述纱线连杆上轴向滑动、防止纱线轴在纱线连杆上脱出。

3.根据权利要求1所述的数字化多轴向水平放纱三维编织装置，其特征在于，每层所述滑块驱动层的六齿型拨盘个数为6的整数倍，且当包括多层滑块驱动层时，所述滑块驱动层的层与层间依次相邻；所述弧形滑块槽的弧形直径与所述圆形转盘的直径相同且所述弧形滑块槽的弧长为所述圆形转盘周长的六分之一。

4.根据权利要求1所述的数字化多轴向水平放纱三维编织装置，其特征在于，所述六齿型拨盘中心处留有孔洞，所述孔洞内插设有轴向管，以便在编织预制体时加入轴向纱提高预制体的轴向性能。

5.根据权利要求1所述的数字化多轴向水平放纱三维编织装置，其特征在于，所述的中心盘为六齿型拨盘，该六齿型拨盘的弧形滑块槽的侧壁为中心盘的弧形壁段，支撑安装盘另一侧上设有与中心盘相连的第二控制电机，用于驱动所述中心盘自转。

6.根据权利要求1所述的数字化多轴向水平放纱三维编织装置，其特征在于，所述中心盘四周设有至少12个六齿型拨盘，所述中心盘中央设有贯通所述支撑安装盘和所述中心盘的工件滑孔，待编织加工的工件可在工件滑孔内前后滑动，实现多层编织。

7.根据权利要求1～6任一所述的数字化多轴向水平放纱三维编织装置的编织方法，其特征在于，包括：

第一控制电机启动；

六齿型拨盘自转且相互配合间歇性转动，带动每一个运行滑块运行至运行安装槽内任何一个运行槽处；

运行滑块带动纱线轴安装座，带动安装在纱线轴安装座上的纱线轴在设计的运动轨迹上交错运动，实现3D编织。

8.根据权利要求7所述的数字化多轴向水平放纱三维编织装置的编织方法，其特征在于，所述第一控制电机驱动某一六齿型拨盘转动时，其相邻的六齿型拨盘停止运动；所述六齿型拨盘一次转动的角度为60°的整数倍。

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