CN1320190C - 控制缝制纤维板前进的方法和装置 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种缝制穿孔纤维结构的方法，被缝制穿孔的纤维结构被相对于缝制穿孔头向前驱动，该穿孔头支撑有很多往复运动的针，该针刺入纤维结构并随后退出。当针刺入该结构时，纤维结构的瞬时进给速度响应于由针施加的进给阻力降低；而随着该针退出所述进给速度增加，这样由结构的前进运动作用在针上的力就可被限制，而在针存留在该结构中的整个时间内所述的前进运动不完全中断。该进给速度可直接通过针施加的阻力，使用带有弹簧张紧器的、可吸收给进速度减小量的传送设备而减小。

Description

控制缝制纤维板前进的方法和装置

技术领域

本发明涉及缝制纤维(needling fiber)结构。本发明具体但非限定性的领域，是制造适用于构成复合材料部件增强部分的平板、套筒或者其他缝制预型件，例如环状件。

背景技术

以公知的方式，缝制纤维结构行进过缝制头上的一组针，通过作用在缝制头上往复的运动，该组针被周期性地沿垂直于结构前进的方向插入纤维结构随后从其退线。

具体参考专利号为4 790 052的美国发明专利，其公开了通过平面叠加层片或通过翻转使一层缠绕在另一层上而形成的连续缝制层来制造缝制纤维结构。该发明的领域是用于制造耐热复合材料部件，尤其是碳-碳复合材料部件或陶瓷基质复合材料部件的纤维加强件，其中该纤维加强件是通过碳或者陶瓷基质来致密的。缝制纤维结构是由耐火纤维制成，典型的是碳纤维和陶瓷纤维，因为这些纤维材料在为碳或陶瓷的未定型状态时能够进行缝制，缝制后，该未定型纤维进行热处理转变。以上引用的专利是应用于刹车盘或火箭发动机的喷射部分，该应用要求材料具有很好的机械性能和在高温下保持该性能的能力。

纤维的缝制叠加层用以在Z方向，即垂直于该层的方向，使纤维改向。这样制作出来的结构呈现出很好的均匀性并增强了抗脱层性，即：增加了对由于其所经受的剪切力而产生分离的抵抗力，特别是应用于刹车盘时。

为了在纤维结构的整个结构表面上缝制，该结构行进过一个缝制头。当在每一个新的叠加层上进行缝制的时候，每进行一次前进运动就放入一层新的层，这样，缝制头就可以扫过整个最新叠加层的表面。

如果使纤维结构以一恒定速度连续前进，然后在整个缝制穿入期间其垂直于这些针移动。特别是，当结构很厚时或者一旦该结构变厚时，被驱动前进的针就会变弯甚至折断。除了折断的针需要进行替换外，折断的针在纤维结构中的存在还会影响以后对结构的使用。

还可以设想保证结构以很慢的速度前进，由此使针存留在纤维结构中时施加到其上的弯曲力最小。或使结构不连续地前进，以保证针在刺入时该结构是静止不动的。

但是，这些方案都有明显的缺点，即显著地增加了所用时间，并且由此增加了整个缝制纤维结构过程的成本。

另一控制缝制装置的技术公开在FR 2 729 404的法国专利中，其中缝制纤维结构导入辊的滚动速度是可调的，所以，针在不同位置的时候滚动的速度是不同的。这需要一个系统使辊能以变速滚动。但是，这种变速并没有考虑实际施加到针上的实际的瞬时的力。

发明内容

本发明的目的是提供一种缝制纤维结构的方法，该方法使能够解决缝制针的折断问题而不需要降低该方法的速度，甚至是在织物很厚的情况下。

根据发明所述，纤维结构前进的瞬时速度响应于由针刺入该结构而产生的对前进的阻力而降低，并在针退出后该瞬时速度增加，从而限制了由于结构的前进而作用在针上的力，而在针存留在该结构中的整个期间，前进完全不中断。

在较佳实施例中，该前进速度的减小是由刺入结构的针而引起的对前进的阻力直接产生的。

当该结构通过传输装置与驱动电机相连的控制件运动时，前进速度的降低可被传输装置的机械松紧机构吸收。在这种情况下，因为电机以一种恒定的速度运转，因此一旦针退出，较佳具有弹性的机械松紧机构就会自动不起作用。

因而，当缝制入时，结构的前进就会速度降到相应于电机速度的平均前进速度以下，而一旦针退出，该速度就会提高到平均前进速度之上。

可对与纤维结构接合的驱动件电平的力矩进行测量，以在力矩小于给定临界值时增加电机速度，作为纤维结构的速度降低的结果。

在本发明落实的另一实施例中，测量表示驱动纤维结构的力，当测得的值等于或大于第一临界值时，纤维结构的驱动速度将降低，并且，在速度降低后，当测得的值小于第二临界值时，速度增加。

第二临界值可以等于或小于第一临界值。

例如，该测得的值代表驱动件对纤维结构所施加的力矩。

本发明的另一目的在于提供一种能够实现该方法的装置。

该目的通过缝制纤维结构的装置得以实现。该缝制纤维结构的装置，该装置包括：带有多个针的缝制头，驱动缝制头带着针做往复运动的驱动设备，面向缝制头的、待缝制纤维结构的支撑物，一装置，其驱动该纤维结构以便对所述支撑上的纤维结构施加前进运动，在该装置中，根据本发明，该纤维结构驱动设备设计成能够使由支撑携带的纤维结构的前进速度瞬时减小，以响应于由针刺入纤维结构而引起的对前进的阻力，而在整个针存留在纤维结构中的期间前进完全不中断。

附图说明

通过阅读下面以非限定性的说明给出的描述并结合附图，可对本发明会有更好的了解。

—图1为缝制装置正视示意图；

—图2为图1装置的侧视剖视的局部放大示意图；

—图3为本发明的一个实施例驱动装置的示意图，其能够在缝制过程中使纤维结构行进过如图1、图2所示装置；

—图4为一曲线图，示出了图3所示实施例被缝制纤维结构的行进速度是如何随时间的变化而变化的；

—图5为一曲线图，示出了图3所示被缝制纤维结构的位移；

—图6是本发明第二实施例被缝制纤维结构的驱动装置的示意图；以及

—图7是一流程图，示出了控制本发明第二实施例中纤维结构的驱动的工艺。

具体实施方式

图1、图2示出了一个缝制板状纤维结构，即板10的装置。

该板10是由二方向(two-dimensional)层片构成，该层片平面叠加并彼此缝制使层片连结在一起并使板具有抗分层性。

作为例子，单个层片是多个织造物或其他二方向纤维的条，例如构成一方向布片(sheets)的纤维以不同方向叠加并通过轻度缝制结合在一起。

作为例子，各层片被单独进行缝制，并且在每一个新的层片叠加后都要对整个纤维板表面区域进行缝制穿经(needling pass)。然而，本发明的技术范围延伸到在叠加两层或更多层片后进行缝制穿经或是在每个构成板的层片叠加后进行两遍或更多遍缝制穿经。

被缝制的板10水平地通过位于缝制工作点的两边的第一支撑工作台12和第二支撑工作台14之间的缝制点20。该板交替地以一个方向从支撑工作台12移动到支撑工作台14，然后以相反的方向从支撑工作台14移动到支撑工作台12。

在缝制点20，板通过位于缝制头24下方的缝制台板22。驱动系统26至少包括一个曲柄-连杆组件，其在电机(未示出)的控制下对缝制头24施加垂直的往复运动。缝制头24延伸过板10的整个宽度并装多个针28。穿过台板22形成的孔22a与针28对准。

板10通过分别安装在缝制台板22和各支撑工作台12、14之间的两对挤压辊40、50前进。在每对挤压辊40或50中，辊42、44和52、54被驱动转动，每一对中的至少一个辊可以被分离，例如，下辊44、54。当板10从工作台12移向工作台14的时候，由彼此压紧的辊52、54提供驱动动力，而辊44分离，当然，辊42也可以是分离的。相反，当板10从工作台14移向工作台12的时候，由彼此压紧的辊44、42进行驱动，而辊54分离，当然辊52也可以是分离的。

当一对非驱动辊中只有一个分离时，其优点是消除由辊子产生压力，以避免未分离辊对驱动的影响。

值得注意的是，下辊44、54可能被传送带所代替，该传送带也可构成工作台12、14。

每次缝制穿经后，当板10到达工作台12或14时，通过将板10移向另一工作台14或12，可将新的层片被叠加并进行新的缝制穿经。每次缝制穿经过程中，针28垂直刺入板10。针28其垂直行程的一端，刺入板10的深度，随缝制头的位置而变化，是相对于缝制台板22测得的。

针的刺入深度可以是叠加的层片厚度的数倍。这个深度可以通过根据穿过板厚度的所需缝制密度来调整。当需要基本均匀的缝制深度时，可通过对缝制台板施加一个向下的步骤，使缝制台板22和缝制头之间的距离在叠加一层新层片后逐渐增加。可参考以上所引用的US 4790052专利文件。也可对工作台12和14施加同样的向下的步骤，这些工作台和台板22均安装在同一可垂直移动的框架上。因此，在缝制构成板10的第一层层片的过程中，针穿过所有的层并刺入孔22a。一旦板10具有一定厚度以后，针将不再刺到缝制台板22。

通过本发明，当针刺入板时，板的前进速度变慢，以限制由于板的前进而施加到针上的弯曲力，因此，使断针的可能性得以消除或减至最小。

为实现这个目的，在本发明的较佳实施例中，通过针的刺入而产生制动板前进的力而直接产生的减速。这可以通过在电机和挤压辊之间的传输装置的机械松紧机构(slack)取得。

图3示出了驱动挤压辊的驱动设备，包括以恒定速度转动的电机60和穿过挤压辊42、44和52、54的传动带。在电机60和上挤压辊42之间的路径上，传动带62穿过张紧辊64和转向辊65；而在电机60和上挤压辊52之间的路径上，传动带62穿过转向辊67和张紧辊66。

为避免传动带62在其所经过的辊上打滑，最好使用可与形成在各辊子表面的相应凸纹啮合的双面齿形带，该凸纹与皮带相接触。

张紧辊64、66分别固定在各自的臂68、70的一端，该臂68、70形成铰接杠杆，这些杠杆承受各自装置72和74产生的弹性回复力，使传动带62总是保持张紧状态。该产生弹性回复力的装置72和74可以是弹簧，最好是空气缓冲器。空气缓冲器的压力最好是可调节的。

该装置的操作如下：

当板10从工作台14移向工作台12的时候，板被挤压辊42、44驱动，同时至少挤压辊50的下辊54是分离的。电机60沿箭头F₁的方向转动。当针刺入板10的时候，板由于针的插入而速度减慢，从而降低了辊42、44的转动速度。由于传动带62被电机60以一种恒定的速度转动，所以电机60和辊42之间传动带的长度增加。这种长度的增加由弹性回复力的作用下的张紧辊64所吸收，该弹性回复力是在缓冲器72的作用下通过沿箭头F₂所示方向绕杠杆68转动而产生的。相反，辊52和电机60之间传动带的长度缩短，所以引起杠杆70沿箭头F₃所示的方向转动，对抗空气缓冲器74的反弹力。当针随后从板中退出，挤压辊42、44速度加快，并且，在电机60和辊42之间累积的传动带将逐渐恢复，直到辊64和66恢复到平衡状态。

通过调节空气缓冲器72、74的压力，就可以调节它们所产生的回复力，以达到同步的效果，因此适当地操作驱动系统。

当板10从工作台12移向工作台14的时候，操作与以上描述相反的方式进行。

图4表示当板10从工作台12移向工作台14的时候速度与时间的函数关系，或者相反。曲线C₁表示板进入缝制点的速度，曲线C₂表示板离开缝制点的速度。以上速度可由装有带有安装在板上并随板的前进一起转动的从动轮子的传感器测得。曲线A表示针在高点和底点之间的位置变化。在入口处和出口处的移动速度的变化是由于缝制引起的。由于纤维以Z方向转移的，从缝制点上游的未缝制的顶层所测量出来的速度要比缝制后所测量得的板的速度大。时间T₁、T₂标出针开始刺入板的时间和从板中完全退出的时间。T₁和T₂之间的差值Δt由缝制入板的深度决定。

由于在电机60与挤压辊40、50之间传输装置存在有弹性松紧机构，当针不在板中时，板10的移动速度在与最大速度最小速度之间变化，当针不在板中时，该最大速度大于与电机速度相应的平均速度，当针在板中时，该最小速度比所述的平均速度要小，但是在T₁和T₂之间的时间间隔，行进并没有被中断。

图5中，曲线表示了板随时间的位移，测量首先是在进入缝制区域(曲线D₁)的最后一层进行的，其次是在离开缝制区域(曲线D₂)进行的，曲线A表示针的位移变化。入口处和出口处的位移分别由提供板的行进距离信号的传感器测出。

在出口处，即在紧挨着驱动板的挤压辊下游，可以看到在针刺入的瞬间t₁后极短时间，板移动的速度减小，尔后，在针完全拔出的瞬间t₂后极短时间，板的移动速度增大。

而在缝制区域的入口处，即在紧挨着分离的挤压辊上游，可以看到行进在t₁后反向转动前持续增加。这可以通过布片在纵向上带有变形弹性的薄片并结合下列原因进行解释，即，在本实施例中，在缝制刺入过程中不使用由固定向下在板上压脚构成的脱模件。因而，当针提升时，其在从板退出来并落回到缝制台板之前会将板稍微地有些提升。

在上述实施例的变化，板的减速可以通过测量一个或二个挤压的轴端部的力矩检测到，该挤压辊保证了板的驱动。作为针的刺入的影响，电机和驱动辊之间的传动带伸长导致了被测力矩的减少从而证明了板运动速度的减慢。当被测力矩减少到给定临界值时，就能够从一指定值控制驱动电机的速度减少。这增加了传输装置中弹性松紧机构的作用，以对由针对前进施加的阻力快速地作出反应。一旦针从纤维结构中退出，传送带的缩短使得驱动挤压辊加速。然后，作为对被测力矩增加的检测的反应，电机的速度可能增至并回到指定值。

显而易见，力矩的测量可在一对挤压辊和另一对挤压辊交替地进行，随板的位移方向变化而变化。

在上述变化中，电机被控制在一个恒定但是可调的速度下运行。

上述本发明的实施例是缝制一个以直线运动移动过缝制点的板。然而，本领域技术人员可以轻易看出，本发明也同样适用于缝制由螺旋缠绕作为平面叠加环的纤维结构而形成的环形纤维结构，或是缝制通过卷绕叠加的纤维圈而形成的套筒形结构，该结构以转动运动被驱动通过缝制头。在这种情况下，纤维的前进运动是一维的。

通过直接地由针产生对行进的阻力使纤维结构的行进速度降低并带有传输装置中的弹性松紧机构具有以下优点：自我适应力强，尤其是在各层片叠加和在叠加的开始结构的厚度增加的时候；可以保持相当高的行进平均速度，由于当针不在结构中时行进的加速度可补偿由针的刺入而引起的行进的减速度。

然而，纤维结构行进的速度可以通过表示施加到移动的纤维结构的力的测量值的变化而进行控制。

该数值可以是，如必须作用到移动的纤维结构的力矩。该力矩可能是在一驱动件的电平上测得的，例如，驱动电机的电平。

图6示出了与图3不同的驱动设备，图6中不包括弹性松紧机构。电机60由通过导向辊65、67和64’、66’的传动带62驱动挤压辊42-44和52-54，与图3中辊64、66相反，图6中的辊的末端带有一个固定轴。

一个(未标出)传感器提供表示由电机60产生的力矩C_M值的信号，如测量电机的电流。电机由被控制电路80控制的步进电机构成。

如图7所示，电机60最开始是以按照预定的速度V_C(步骤81)控制。如果测得的力矩等于或大于最大临界值C_max(测试82)，在恢复到测试82前电机的速度将以增加值ΔV(步骤83)减小。

如果测得的力矩小于C_max(测试82)并且如果电机的速度V_M低于指定值V_C(测试84)，速度V_M将以等于或不等于ΔV(步骤85)的增长率Δ’V增长。否则，如果速度V_M等于或者大于V_C，它将保持不变或是回到数值V_C(回到步骤81)。

作为变化，如图7中虚线所示，当C_M等于或小于C_max并且V_M＜V_C时，可以检查力矩C_M是否小于临界值C_min，该临界值C_min小于C_max(测试86)。如果是，速度V_M将根据增长率Δ’V增长。否则，速度保持不变，而程序将回到测试82。

缝制入纤维结构时，针所产生的对移动的阻力，造成了按给定速度连续驱动板所必需的力矩的增加。一旦力矩到达界点C_max，速度以增加值ΔV减小。在缝制的过程中，几次连续的速度的减小是必须的。在针退出之后，当力矩C_M小于C_max或C_min时，在速度再次达到给定值之前，速度以多个连续增加值中的一个增加。

在图6和图7的实施例中，设定在驱动挤压辊与纤维织物之间没有摩擦。

Claims (14)

1.一种缝制纤维结构的方法，其中该缝制的纤维结构被驱动以在其上施加一前进运动而通过带有多个针的缝制头，该针被驱动作往复运动，在该往复运动期间这些针刺入纤维结构并从其退出，其中纤维结构前进的瞬时速度响应于由针刺入该结构而产生的对前进的阻力而降低，并在针退出后该瞬时速度增加，从而限制了由于结构的前进而作用在针上的力，而在针存留在该结构中的整个期间，前进完全不中断。

2.根据权利要求1所述的方法，其中该前进速度的减小是由刺入结构的针而引起的对前进的阻力直接产生的。

3.根据权利要求2所述的方法，该纤维结构是由带有机械松紧机构的传输装置驱动前进的，该松紧机构能够缓冲纤维结构前进速度的降低。

4.根据权利要求3所述的方法，其中一传输装置具有弹性松紧机构，并且与以恒定速度转动的电机相连，这样，响应于针的刺入而减小的前进速度由针拔出后加速度进行补偿。

5.根据权利要求3或4所述的方法，其中通过与纤维结构接合的驱动件的电平来测量力矩，以便在力矩小于临界值时减小电机的速度。

6.根据权利要求1所述的方法，其中测量表示驱动纤维结构的力，当测得的值等于或大于第一临界值时，纤维结构的驱动速度将降低，并且，在速度降低后，当测得的值小于第二临界值时，速度增加。

7.根据权利要求6所述的方法，其中该测得的值代表驱动件对纤维结构所施加的力矩。

8.一种缝制纤维结构的装置，该装置包括：带有多个针的缝制头，驱动缝制头带着针做往复运动的驱动设备，面向缝制头的、待缝制纤维结构的支撑物，一装置，其驱动该纤维结构以便对所述支撑物上的纤维结构施加前进运动，其中该纤维结构驱动设备设计成能够使由支撑物携带的纤维结构的前进速度瞬时减小，以响应于由针刺入纤维结构而引起的对前进的阻力，而在整个针存留在纤维结构中的期间前进完全不中断。

9.根据权利要求8所述的装置，其中该纤维结构的驱动装置包括：一恒速驱动电机，和一在驱动电机和纤维结构之间的、带有松紧机构的传输装置。

10.根据权利要求9所述的装置，其中该传输装置中的松紧机构是弹性的。

11.根据权利要求10所述的装置，其中该传输装置包括：一条传动带、至少一个传动带从其经过的张紧辊、以及对张紧辊施加弹性回复力的装置。

12.根据权利要求11所述的装置，其中该施加弹性回复力的装置是由一个可调节压力的空气缓冲器构成。

13.根据权利要求8所述的装置，其中该纤维结构驱动设备包括：至少一个用来测量驱动纤维结构的力的传感器，及一连接到所述传感器上并且布置出可根据测得的力控制电机的速度的控制电路。

14.根据权利要求13所述的装置，其中该传感器为用于测量由驱动电机传递的力矩的力矩传感器。

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