CN114318631B - 一种三维编织物的编织方法及专用装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种三维编织物的编织方法及专用装置，通过计算机软件将三维编织预制件建模，分析计算出编织工艺参数，拟合纱线的运动步骤及运动轨迹，然后发布给安装有带张力控制反馈的携纱器的充电式智能控制运动模组，智能控制运动模组根据计算机发布的指令，在编织盘上运动，通过计算机程序将编织盘划分为若干个虚拟网格，并给智能运动控制模组按照时序、坐标划分运动路径，带动纱线运动，下部运动单元动作完成编织，上部提升机构将编织好的预制件网上提升。本发明工艺适应性强，纱线张力控制器可以与智能单元形成张力闭环精准控制，从而大大提高产品质量。
Description
技术领域
本发明涉及一种三维编织物的编织方法及专用装置。
背景技术
三维编织复合材料是二十世纪七十年代发展起来的一种新型高性能复合材料，是采用三维编织技术将高性能纤维编织成具有复杂形状的整体预成型件，用以增强树脂、碳、陶瓷、金属等多种基体而制成的复合材料。与层合复合材料制作工艺相比，三维编织结构具有良好的层间性能和特点，可用于制造结构性制件和高性能制件。已大量运用在国家航天航空和武器装备的关键技术领域。
三维纤维预制体编织工艺方法包括纵横步进法编织及旋转法编织，纵横步进法又包括二步法及四步法。
目前，现有国内外开发的专用三维编织机通常会收到编织预成型截面限制，通用性差；且价格昂贵，现有行列式三维编织机编织速度缓慢，容易卡顿、断纱。
发明内容
本发明的目的在于提供一种通用性好、编织速度较快，不卡顿断纱的三维编织物的编织方法及专用装置。
本发明的技术解决方案是：
一种三维编织物的编织方法，其特征是：通过计算机软件将三维编织预制件建模，定义内部、表面、棱角的单胞模型，分析计算出编织工艺参数，拟合纱线的运动步骤及运动轨迹，然后发布给安装有带张力控制反馈的携纱器的充电式智能控制运动模组，智能控制运动模组根据计算机发布的指令，在编织盘上运动，编织盘内部没有任何阻挡边界，通过计算机程序将编织盘划分为若干个虚拟网格，并给智能运动控制模组按照时序、坐标划分运动路径，带动纱线运动，下部运动单元动作完成编织，上部提升机构将编织好的预制件网上提升；同时，通过记录每次编织过程中各组纱线的运动状态的数据，然后软件用这些数据通过机器学习算法模型来训练学习三维编织方法，从而优化智能控制运动单元路径以及纱线的编织夹角，提升三维编织预制件的成型质量及编织速度。
具体方法为旋转法：
（1）工艺流程
编织盘上设置8台充电式智能控制运动模组，分为A、B两组，分别按照A轨迹和B轨迹以设定的速度运动，原纱纡管、导纱架、和张力传感器安装在智能控制运动模组上，编织时原纱从原纱纡管上退绕，经过导纱架上的导纱孔、张力控制器上的导纱孔、张力控制器上方的导纱孔到集束导纱孔，与经过导纱管来的芯纱一起集束后，经过导纱对辊，导纱对辊在伺服电机的驱动下，以设定的速度将编织好的成品纱线送出，在提升收卷装置进行提升卷绕；
（2）编织速度和编织密度
编织速度为导纱对辊的线速度；
编织密度由原纱和芯纱的纤度、充电式智能控制运动模组的运动速度、编织速度共同决定，在原纱和芯纱纤度一定的情况下，智能控制运动模组的运动速度与编织速度的比值K越大，编织密度也越大；
（3）控制
充电式智能控制运动模组实际上是一台可以在工作台面上自由运动的小型机器人，通过无线网络与控制计算机连接，所有智能控制运动模组之间也通过无线网络互联；通过无线网络，智能控制运动模组的运动路径可以精准定位；张力控制器与智能单元连接，完成纱线退绕张力闭环控制，使得编织质量得以保证；编织过程种如果遇到断纱或是纱线用完时，张力控制器检测不到纱线张力，编织即暂停，并发出停机报警。
控制计算机安装编织软件，设计编织工艺，包括编织种类、编织密度、编织速度、编织预制件样式。
具体方法为纵横步进法编织，包括二步法、四步法；
其中二步法：预先将编织工艺所需求的安装有携纱器的智能控制运动模组放置在编织盘上，二步法有二个纱线系统，轴纱及编织纱，编制过程中，轴纱不动，编织纱按照规律运动，互相交织把轴纱捆绑在一起，形成一个不分层的三维编织整体结构；编织纱在机器上排列经过2个运动步骤恢复到初始状态；2个运动步骤为一个循环；在编织前预先将编织盘划分虚拟网格，将装有轴纱的智能控制运动模组分配在节点上，保持位置不变，不做运动，装有编织纱携纱器的智能控制运动模组按照系统规划的路径，自主导航运动，实现三维编织预制件的编织成型；
四步法：编结纱线由携纱器携带，携纱器安装于充电式智能控制运动模组上，充电式智能控制运动模组以行和列的形式分布在编织盘上；编织过程由行和列的间歇运动实现，三维整体编织物成形于编织盘上方；在一个编织循环过程中，充电式智能控制运动模组运动四步，且每步运动到相邻一个位置，编织纱线则随即完成其间的相对位移而相互交叉编结；第一步，相邻列中的携纱器各列同时交替移动一个位置；第二步，相邻行中的携纱器各行交替移动一个位置；在第三步和第四步中，携纱器各行各列的运动方向分别与第一步和第二步相反；经过四步运动后，携纱器的排列将恢复原位，但每一携纱器已经移动位置，形成了一次编结循环；重复上述四步运动，得到所需尺寸的三维整体编结物；携纱器上所带张力传感器若编织纱线断纱或者纱线用完则编织暂停，发出报警提醒那一组携纱器断纱或者缺纱，人工再去精确处理问题。
一种所述的三维编织物的编织方法的专用装置，其特征是：包括编织盘，编织盘上设置安装有携纱器的充电式智能控制运动模组，编织盘内部没有任何阻挡边界，通过计算机程序将编织盘划分为若干个虚拟网格，并给智能运动控制模组按照时序、坐标划分运动路径，带动纱线运动，下部运动单元动作完成编织，上部提升机构将编织好的预制件网上提升。
本发明可以先通过计算机进行编织成型件建模，装置软件系统通过建模过程来规划编织成型件编织方法，规划携纱器在编织盘上面的定子及动子，划分运动步骤及运动路径；充电智能控制运动模组具有微型激光避障、自动引导功能，编织盘无物理边界，携纱器运行过程中无卡顿；且携纱器数量可以根据编织成型件需求灵活增加减少，排列组合，可纵横行列式编织，也可旋转矩阵式编织，也可旋转圆盘式，具有良好的拓展性及灵活性；编织纱线张力控制，保证编织物编织紧密性，提高成型质量。
本发明编织用纱线由充电式智能控制运动模组（小型移动机器人）自主驱动。纱线运行轨迹根据需要在轨道上运行，纱线运行轨迹可编程控制。编织用纱线的根数、种类在设备尺寸允许条件下可以任意组合，根据要求排列运动，具有良好的拓展性及灵活性。
本发明工艺适应性强，既可以应用旋转法编织的编织方案，又可以应用纵横步进法编织三维编织物，产品覆盖面宽，柔性化强。编织盘内部无物理边界，充电智能控制运动模组的无线驱动，可根据工艺要求设定不动纱、动纱，按照一定顺序排列组合，自主避障，能克服现有行列式编织机卡顿运行速度慢的问题。使得纱线张力控制器可以与智能单元形成张力闭环精准控制，从而大大提高产品质量。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明。
图1是本发明编织机结构示意图。
图2是编织机系统工作流程图。
图3是旋转法编织示意图。
图4是图3中充电式智能控制运动模组示意图。
图5是旋转法轨迹图。
图6是二步法编织过程纱线运动过程示意图
图7是四步法编织过程携纱器运动过程示意图。
图中：1-编织盘2-充电式智能控制运动模组3-原纱4-原纱纡管5-导纱架6-导纱孔7-导纱孔8-导纱孔9-集束导纱孔10-导纱对辊11-提升机构12-张力控制器13-伺服电机14-导纱管15-芯纱16-控制计算机。
具体实施方式
一种三维编织物的编织方法，其特征是：通过计算机软件将三维编织预制件建模，定义内部、表面、棱角的单胞模型，分析计算出编织工艺参数，拟合纱线的运动步骤及运动轨迹，然后发布给安装有带张力控制反馈的携纱器的充电式智能控制运动模组，智能控制运动模组计算机发布的指令，在编织盘上运动，编织盘内部没有任何阻挡边界，通过计算机程序将编织盘划分为若干个虚拟网格，并给智能运动控制模组按照时序、坐标划分运动路径，带动纱线运动，下部运动单元动作完成编织，上部提升机构将编织好的预制件网上提升；同时，通过记录每次编织过程中各组纱线的运动状态的数据，然后软件用这些数据通过机器学习算法模型来训练学习三维编织方法，从而优化智能控制运动单元路径以及纱线的编织夹角，提升三维编织预制件的成型质量及编织速度。
具体方法包括旋转法：
（1）、工艺流程
原纱纡管4——导纱孔6——导纱孔7——导纱孔8——集束导纱孔9——
芯纱15——导纱管14——导纱对辊10——提升卷绕装置11
（2）、流程描述
编织盘1上设置8台充电式智能控制运动模组2，分为A、B两组，分别按照A轨迹和B轨迹以设定的速度运动，原纱纡管4、导纱架5、和张力传感器12安装在智能控制运动模组2上，编织时原纱3从原纱纡管4上退绕，经过导纱架5上的导纱孔6、张力控制器12上的导纱孔7、导纱孔8到集束导纱孔9，与经过导纱管14来的芯纱15一起集束后，经过导纱对辊10，导纱对辊10在伺服电机13的驱动下，以设定的速度将编织好的成品纱线送出，在提升收卷装置11进行提升卷绕。
（3）、编织速度和编织密度
编织速度为导纱对辊10的线速度。
编织密度由原纱3和芯纱15的纤度、充电式智能控制运动模组2的运动速度、编织速度共同决定，在原纱和芯纱纤度一定的情况下，智能控制运动模组2的运动速度与编织速度的比值K越大，编织密度也越大。
（4）、控制原理
充电式智能控制运动模组2实际上是一台可以在工作台面上自由运动的小型机器人，通过无线网络与控制计算机16连接，所有智能控制运动模组之间也通过无线网络互联。通过无线网络，智能控制运动模组的运动路径可以精准定位。张力控制器12与智能单元2连接，完成纱线退绕张力闭环控制，使得编织质量得以保证。编织过程种如果遇到断纱或是纱线用完时，张力控制器检测不到纱线张力，编织即暂停，并发出停机报警。
控制计算机安装专用编织软件，可以设计编织工艺，包括编织种类、编织密度、编织速度、编织预制件样式等等。
具体方法还包括纵横步进法：
（1）、二步法三维编织：
预先将编织工艺所需求的安装有携纱器的智能控制运动模组放置在编织盘上，二步法有2个纱线系统，轴纱及编织纱，编制过程中，轴纱不动，编织纱按照规律运动，互相交织把轴纱捆绑在一起，形成一个不分层的三维编织整体结构，整个过程如图6显示，编织纱在机器上排列经过2个运动步骤恢复到初始状态。2个运动步骤为一个循环。本装置在编织前预先将编织盘划分虚拟网格，将装有轴纱的智能控制运动模组分配在节点上，保持位置不变，不做运动，装有编织纱携纱器的智能控制运动模组按照系统规划的路径，自主导航运动，实现三维编织预制件的编织成型。
（2）、四步法三维编织：
四步法三维编织工艺编织三维复合材料编织预制件，四步法也称行列式编织，
其编结原理为：编结纱线由携纱器携带，携纱器安装于充电式智能控制运动模组上，充电式智能控制运动模组以行和列的形式分布在编织盘上。编织过程由行和列的间歇运动实现，三维整体编织物成形于编织盘上方。在一个编织循环过程中，充电式智能控制运动模组运动四步，且每步运动到相邻一个位置，编织纱线则随即完成其间的相对位移而相互交叉编结。一个编织循环运动过程中各充电式智能控制运动模组上安装的携纱器的运动规律如图7所示。第一步，相邻列中的携纱器各列同时交替移动一个位置；第二步，相邻行中的携纱器各行交替移动一个位置；在第三步和第四步中，携纱器各行各列的运动方向分别与第一步和第二步相反。经过四步运动后，携纱器的排列将恢复原位，但每一携纱器已经移动位置，形成了一次编结循环。重复上述四步运动，得到所需尺寸的三维整体编结物。携纱器上所带张力传感器若编织纱线断纱或者纱线用完则编织暂停，发出报警提醒那一组携纱器断纱或者缺纱，人工再去精确处理问题。
Claims (3)
1.一种三维编织物的编织方法，其特征是：通过计算机软件将三维编织预制件建模，定义内部、表面、棱角的单胞模型，分析计算出编织工艺参数，拟合纱线的运动步骤及运动轨迹，然后发布给安装有带张力控制反馈的携纱器的充电式智能控制运动模组，智能控制运动模组根据计算机发布的指令，在编织盘上运动，编织盘内部没有任何阻挡边界，通过计算机程序将编织盘划分为若干个虚拟网格，并给智能运动控制模组按照时序、坐标划分运动路径，带动纱线运动，下部运动单元动作完成编织，上部提升机构将编织好的预制件网上提升；同时，通过记录每次编织过程中各组纱线的运动状态的数据，然后软件用这些数据通过机器学习算法模型来训练学习三维编织方法；
具体方法为旋转法或纵横步进法编织；
所述旋转法为：
（1）工艺流程
编织盘上设置8台充电式智能控制运动模组，分为A、B两组，分别按照A轨迹和B轨迹以设定的速度运动，原纱纡管、导纱架、和张力传感器安装在智能控制运动模组上，编织时原纱从原纱纡管上退绕，经过导纱架上的导纱孔、张力控制器上的导纱孔、张力控制器上方的导纱孔到集束导纱孔，与经过导纱管来的芯纱一起集束后，经过导纱对辊，导纱对辊在伺服电机的驱动下，以设定的速度将编织好的成品纱线送出，在提升收卷装置进行提升卷绕；
（2）编织速度和编织密度
编织速度为导纱对辊的线速度；
编织密度由原纱和芯纱的纤度、充电式智能控制运动模组的运动速度、编织速度共同决定，在原纱和芯纱纤度一定的情况下，智能控制运动模组的运动速度与编织速度的比值K越大，编织密度也越大；
（3）控制
充电式智能控制运动模组实际上是一台可以在工作台面上自由运动的小型机器人，通过无线网络与控制计算机连接，所有智能控制运动模组之间也通过无线网络互联；通过无线网络，智能控制运动模组的运动路径可以精准定位；张力控制器与智能单元连接，完成纱线退绕张力闭环控制，使得编织质量得以保证；编织过程种如果遇到断纱或是纱线用完时，张力控制器检测不到纱线张力，编织即暂停，并发出停机报警；
所述纵横步进法编织，包括二步法或四步法；
其中二步法：预先将编织工艺所需求的安装有携纱器的智能控制运动模组放置在编织盘上，二步法有二个纱线系统，轴纱及编织纱，编制过程中，轴纱不动，编织纱按照规律运动，互相交织把轴纱捆绑在一起，形成一个不分层的三维编织整体结构；编织纱在机器上排列经过2个运动步骤恢复到初始状态；2个运动步骤为一个循环；在编织前预先将编织盘划分虚拟网格，将装有轴纱的智能控制运动模组分配在节点上，保持位置不变，不做运动，装有编织纱携纱器的智能控制运动模组按照系统规划的路径，自主导航运动，实现三维编织预制件的编织成型；
四步法：编结纱线由携纱器携带，携纱器安装于充电式智能控制运动模组上，充电式智能控制运动模组以行和列的形式分布在编织盘上；编织过程由行和列的间歇运动实现，三维整体编织物成形于编织盘上方；在一个编织循环过程中，充电式智能控制运动模组运动四步，且每步运动到相邻一个位置，编织纱线则随即完成其间的相对位移而相互交叉编结；第一步，相邻列中的携纱器各列同时交替移动一个位置；第二步，相邻行中的携纱器各行交替移动一个位置；在第三步和第四步中，携纱器各行各列的运动方向分别与第一步和第二步相反；经过四步运动后，携纱器的排列将恢复原位，但每一携纱器已经移动位置，形成了一次编结循环；重复上述四步运动，得到所需尺寸的三维整体编结物；携纱器上所带张力传感器若编织纱线断纱或者纱线用完则编织暂停，发出报警提醒那一组携纱器断纱或者缺纱，人工再去精确处理问题。
2.根据权利要求1所述的三维编织物的编织方法，其特征是：控制计算机安装编织软件，设计编织工艺，包括编织种类、编织密度、编织速度、编织预制件样式。
3.一种权利要求1所述的三维编织物的编织方法的专用装置，其特征是：包括编织盘，编织盘上设置安装有携纱器的充电式智能控制运动模组，编织盘内部没有任何阻挡边界，通过计算机程序将编织盘划分为若干个虚拟网格，并给智能运动控制模组按照时序、坐标划分运动路径，带动纱线运动，下部运动单元动作完成编织，上部提升机构将编织好的预制件网上提升。
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