CN1944744A - 新型三维织物编织机 - Google Patents

Abstract

一种三维织物立式编织机，其特征在于包括由液相层6和浮于液相层6上的固相层5组成的固液两相底盘，由储纱器1、储纱器1上面的纱线管3以及包在纱线管3外部的电热丝4组成的梭子，由驱动手7和驱动手臂8组成的驱动装置和用于放置固－液两相底盘、梭子和驱动装置的机座10；所述固相层5呈固态，经加热后可转化为液态，冷却后又可转化为固态；所述液相层6呈液态；所述梭子的纱线管3和电热丝4贯穿固相层5，梭子的储纱器1处于液相层6中；所述梭子的储纱器1与所述驱动装置的驱动手7之间有一个可分离的对接接口；所述电热丝4与电源电连接。这种设计使梭子能以任意轨迹在底盘平面内运动，同时使编织机结构简单，成本较低。

Description

新型三维织物编织机

技术领域

本发明涉及三维织物或三维编织复合材料的编织机，具体为三维织物的立式编织机。

背景技术

三维织物或三维编织复合材料是近年来在二维编织复合材料基础上发展起来的新型复合材料，因其为三维立体结构，无接缝，整体性好，在抗剪切，抗冲击损伤，耐高速高温等物理力学性能方面明显优于传统层合复合材料，因而是航空航天，武器装备，交通运输，石油化工，体育器材，医疗器械等诸多领域中关键件的新材料。

三维织物编织机即是这种三维编织复合材料的加工设备。传统三维织物编织机基本可分为两类：立式和卧式。立式编织机是指梭子运动处于同一水平面内的编织机，它又分为两种形式：方形，如美国专利US4621560所示；圆形，如美国专利US432261所示。卧式编织机是指梭子运动不处于同一水平面内的编织机。它也可以分为两种形式：半环形；如美国专利US4984502所示；圆筒形，如第37届国际材料及加工工程进展协会博览会(37th InternationalSAMPE Symposium March 9-12，1992)文献汇编第835页的图3(d)所示。由于卧式编织机机构复杂，机加工难度大，制造成本极高，而立式编织机结构简单，加工容易，制造成本低，且梭箱排数较多，因而被更多地用于实际。

传统三维织物编织机的工作原理(以美国专利US4621560号所报导的方形立式编织机为例)如下：编织机主要包括(参照图1，2)：梭子15及其驱动系统19、19′，梭箱16及其驱动装置18、18′，梭箱支撑17，机座23，织物成形装置22等，在梭箱16上等距开有⊥形槽，每个⊥形槽内装有一个梭子15，多节梭箱16组成梭箱排，多排并列平行的梭箱排组成梭箱列，并使所述的⊥形槽对齐，以形成梭子15的纵向或列向通道。其工作原理是：当驱动装置18，18′驱动梭箱16作横向或排向运动时，梭子15也随梭箱16作横向运动或排向运动，且每次梭箱移动的距离为梭箱⊥形槽节距的整数倍，以确保各排梭箱16上的⊥形槽列向对齐，仍可形成梭子15的纵向通道；当驱动装置19，19′驱动梭子15作纵向运动或列向运动时，每次梭子15移动的距离也为各排梭箱16的节距，梭子15将移动到新的梭箱16的⊥形槽内，当交替驱动梭子15和梭箱16时，即完成了梭子15的纵横向或说XY向的运动，从而使梭子15上的纱线20在空间上交织，并在织物成形装置22上编织成三维织物21。圆形编织机的工作原理与方形编织机的原理相似，不同之处在于圆形编织机的梭箱16不是直线型而是弧线型，与之相匹配的梭箱支撑17也进行了相应的设计。中国专利01105999.0设计了固定在机座上“纵横等间距呈网状排列的伞形块组成的固定式编织导轨和上部靠两只相邻伞形块支撑、下部嵌入两只相邻伞形块中的矩形定位块”，形成纵横通道，以固定导轨取代了移动导轨。

由上述编织工作原理可知，传统三维织物编织机的梭子15只能沿着梭箱16上的L形槽形成的纵向通道(圆形编织机为径向通道)和梭箱支撑17形成的横向通道(圆形编织机为周向通道)进行移动，并且同一排或同一列的梭子的位置关系和运动关系相互制约，这种“轨道”式运动导致了一些不良后果，一旦一台编织机设计、安装完成，它的梭子的运动规律就固定了，它便只能进行一种编织物或若干种形状尺寸相近似的编织物的编织工作，若要进行不同编织物的加工，需要重新安装编织机，甚至重新设计编织机，使得编织机的灵活性很低，编织成本很高，编织效率低下。同时由于梭子之间位置关系和运动关系的相互制约，导致了某些三维编织物的工艺设计难度很大，甚至无法实现。随着三维编织复合材料的应用和发展，不断有新的编织技术和新的应用需求出现，传统三维织物编织机由于上述缺点，其应用范围和灵活性十分有限，越来越不能满足科研与生产的需要，成为了制约三维编织复合材料的研究与应用以及相关编织技术发展的重要因素。

发明人研究后认为，传统三维织物编织机固有的“轨道”是制约其应用范围和灵活性的关键所在。由于传统三维织物编织机始终采用机械式“轨道”进行梭子的导向，导致了传统三维织物编织机的机械结构复杂，制造成本很高，更严重的是导致了梭子之间位置关系和运动关系的相互制约，很难满足目前及不断出现的编织方法对梭子运动规律的要求，也制约了编织机功能上的扩展，很难实现一机多用，还导致了梭子运动中的阻力随梭子个数增加而急剧增大，同时由于同一行或同一列的梭子均是从该行或该列的端部进行驱动的，因此中间传动链较长，这势必造成梭子移动和定位准确度差，随着梭子个数的增加，这一现象会更严重，这两点均会促进梭子运动中的“卡死”现象，制约传统三维织物编织机的编织尺寸。中国专利96109123.1克服了传统三维织物编织机的“卡死”现象，将编织机尺寸从30列扩大到了最大200列，但这一技术同时增加了机械加工难度与成本，且没有从根本上解决“卡死”的隐患。

发明内容

本发明的目的就是针对传统三维织物编织机现有技术的不足，对三维织物编织机进行改造创新，使其摆脱对机械式“轨道”的依赖，使梭子的位置关系和运动关系相互独立，能以任意轨迹在底盘平面内运动，减小梭子运动中的阻力，提高梭子移动和定位的准确度，同时使编织机结构简单，成本较低，从而使三维织物编织机摆脱编织方法，编织尺寸和制造成本的束缚，满足目前各种编织方法、各种尺寸与复杂结构三维编织物的编织要求，同时为不断出现的新型编织方法、新型编织物的研究与应用创造条件。

本发明的目的是如下实现的(参见图3)：一种三维织物立式编织机，它包括织物成型装置22，其特征在于还包括由液相层6和浮于液相层6上的固相层5组成的固-液两相底盘，由储纱器1、储纱器1上面的纱线管3以及包在纱线管3外部的电热丝4组成的梭子，由驱动手7和驱动手臂8组成的驱动装置和用于放置固-液两相底盘、梭子和驱动装置的机座10；所述固相层5呈固态，经加热后可转化为液态，冷却后又可转化为固态；所述液相层6呈液态；所述梭子的纱线管3和电热丝4贯穿固相层5，梭子的储纱器1处于液相层6中；所述梭子的储纱器1与所述驱动装置的驱动手7之间有一个可分离的对接接口；所述电热丝4与电源电连接。

当梭子固定时，梭子靠纱线管3固定在固相层5中；当梭子移动时，驱动手7与梭子的储纱器1对接，梭子的电热丝4加热使其周围一定范围内的固相层物质转化为液态，则梭子可以在驱动手7的驱动下在底盘平面内以任意轨迹移动；当梭子按指定轨迹移动到指定位置后，梭子的电热丝4停止加热，其周围的固相层物质冷却凝固，重新固定住梭子，完成梭子的移动过程。

本发明所述编织机由于舍弃了传统三维织物编织机所采用的机械式轨道结构，其梭子之间的位置关系与运动关系相互独立、互不影响，可以灵活实现各种运动轨迹；由于梭子在运动过程中的机械摩擦小，并且处于固相层5中的纱线管3的运动截面也可以制作的很小，同时移动的梭子数量也可以人为的进行控制，这些均可减小梭子的运动阻力，使编织机摆脱梭子数量的限制；同时，编织机的梭子由驱动装置直接驱动，缩短了传动链长度，提高了梭子运动和定位的准确度；并且，本发明所述编织机的机械加工量与传统三维织物编织机相比有明显的减少，随着编织尺寸的增大，该编织机就越发明显的具有结构简单、成本较低的优点。因此，本发明所述的编织机可以摆脱编织方法、编织尺寸和制造成本的束缚，一机多用，以低的加工成本满足目前各种编织方法、各种尺寸和复杂结构三维编织物的编织要求。通过实施本发明，可以实现一台编织机完成方形编织、圆形编织、异形截面编织、变截面编织等编织工艺，可以实现一台编织机完成二步法编织、四步法编织等各种成熟编织技术，同时也为编织技术的进一步开发与发展提供了硬件基础。

附图说明

图1是传统三维织物编织机横向结构示意图；

图2是传统三维织物编织机纵向结构示意图；

图3是本发明编织机基本原理结构示意图；

图4是本发明编织机储纱器1下部与驱动手7上部接口连接状态示意图；

图5是本发明编织机储纱器1下部与驱动手7上部接口分离状态示意图；

图6是本发明编织机梭子运动循环中初始状态位置结构示意图；

图7是本发明编织机梭子运动循环中驱动手7与梭子对接状态位置结构示意图；

图8是本发明编织机梭子运动循环中驱动手7驱动梭子移动状态位置结构示意图；

图9是本发明编织机梭子运动循环中驱动手7在指定位置将梭子放回原位状态位置结构示意图；

图10是本发明编织机“万能”驱动方案整体结构示意图；

图11是图10的俯视图，其中未画出纱线20、三维织物21和织物成形装置22；

图12是图11的侧视图(左、右侧视图对称)；

图13是方形编织机专用驱动方案底盘布置结构示意图；

图14是圆形编织机专用驱动方案底盘布置结构示意图；

具体实施方式

本发明编织机保留传统三维织物编织机中织物成形装置22的结构形式基本不变，其重点是重新设计了编织机的底盘(参见图3)。固-液两相底盘是由上下两个不同的物质层组成，通过上下两个物质层的特定物质属性来完成底盘功能的，这两个层中上层5称为固相层，下层6称为液相层。梭子由储纱器1，纱线管3，电热丝4组成，同时增加起辅助作用的固定锥2和止动帽9。梭子由驱动手臂8，驱动手7驱动，实现各种编织运动。梭子的储纱器1与驱动手7之间有一个可分离的对接接口，对接时，梭子的电热丝4通过驱动手7与电源电连接。梭子的储纱器1，驱动手臂8，驱动手7全部处于液相层液相组份中，梭子的固定锥2，纱线管3下部，电热丝4下部处于固相层固相组份中，纱线管3上部，电热丝4上部，止动帽9伸出固相层固相组份外部。整个固-液两相底盘、梭子及其驱动装置放置在一个容器——机座10中。

其中各部分的功能和性能详述如下：

1、固相层5：常温下为固态，经电阻丝4加热后可迅速转化为液态，冷却后可迅速转化为固态，无腐蚀性，其厚度参数设计以保证其重力可以平衡纱线的张紧力为准则，其组份可以是但不限于高分子聚合物及其与添加剂的混合物，如石蜡，聚乙烯，聚丙烯；

2、液相层6：常温下为液态，不导电，流动性好，无腐蚀性，其组份可以是但不限于硅油及其与添加剂的混合物，如二甲基硅油；

同时固相层与液相层物质组份之间的物理、化学性质稳定，互不相溶或溶解饱和，固相层的密度小于液相层，以保证组态稳定。符合上述物理化学特性的固相层与液相层可以构成一个固-液两相底盘。

3、储纱器1用于储藏供纱装置，其下部设计与驱动手7的上部相应的电气和机械接口，包括但不限于机械、电磁手段，保证驱动手7和梭子能实现电气与动力的对接。

4、若干个固定锥2分布在储纱器1上，插入固相层中用于辅助稳定梭子；

5、纱线管3插入固相层固定梭子，引导纱线穿过固相层；

6、电热丝4覆盖在纱线管3外部，通电后起到将固相层加热转化为液态的作用；

7、止动帽9安装在纱线管3上端，用于防止梭子意外脱落固相层，掉入液相层；

8、驱动手7能实现轴向伸缩，其上部设计与储纱器1下部相应的电气和机械接口，包括但不限于机械、电磁手段，保证驱动手7和梭子能实现电气与动力的对接；

9、驱动手臂8用于驱动驱动手7及梭子执行要求的运动。

关于储纱器1下部和驱动手7上部的接口，它可以实现的方案是多种多样的，它可以采用但不限于以下方案：

该方案是采用电磁手段实现储纱器1与驱动手7的对接的(参见图4、图5)。驱动手7上部安装电磁铁24，电极25和电极26，两者相互绝缘，电极25与电源的零线N电连接，电极26与电源的火线L电连接；储纱器1下部对应安装铁磁性材料电极25’和电极26’，两者相互绝缘，并分别与电热丝4的两极电连接。在储纱器1下部和驱动手7上部分别设计出锥形结构，对接时用来辅助定位，驱动时用来辅助传递动力。连接状态下，电极25与铁磁性电极25’接触，实现电连接，电极26与电极26’接触，实现电连接，则电热丝4通过驱动手7与电源实现了电连接。电磁铁24工作后吸住铁磁性材料电极25’，可将连接状态锁死，实现了驱动手7和梭子的电气与动力对接；电磁铁24停止工作后，驱动手7即可与梭子分离以断开电气与动力的连接。

本发明除上述的实施方式外，还可以在上述实施方案的基础上，在梭子内部安装电源和无线接收装置，在梭子外部安装无线发射装置，将“电热丝4通过驱动手7与电源电连接”改为电热丝4、梭子内部无线接收装置和梭子内部电源电连接，通过梭子外部无线发射装置遥控电热丝的通/断电，则梭子的储纱器1下部和驱动手7上部的对接接口只需进行动力的对接就可以了，它同样可以采用电磁、机械等多种手段实现，如储纱器1下部设计成铁磁性材料，而驱动手7上部设计成一个电磁铁；而储纱器1下部和驱动手7上部的锥形结构也可变换成半圆形、弧形或类似结构形式；由于可以避免电极裸露在液相层6中，因此液相层6也可以使用导电液体，如水及水溶液；采用此种实施方案同样可以达到本发明所述的目的。此种改变仅仅是梭子获取电力和动力的具体方法的简单变换，当然它还可以采用其它的变换，但是这些变换并未超出本发明所描述的发明内容，故这样的变换均落在本发明的保护范围之内。

本发明编织机实现梭子运动的过程如下：

1、初始位置，梭子固定在固相层中，固定锥2嵌入固相层中起到辅助定位作用，驱动手7在驱动手臂8的驱动下，定位于梭子下部一定距离处，准备与梭子对接(参见图6)。

2、驱动手7向上伸出，与梭子实现对接并锁死(参见图7)。

3、电热丝4通电并发热，促使纱线管3周围一定范围内的固相层物质转化为液态，同时驱动手7携带梭子向下缩回至驱动手7的初始位置，以将固定锥2完全拔出固相层，准备移动梭子(参见图8)。

4、驱动手7携带着梭子在驱动手臂8的驱动下，以适当的速度，可以按指令沿着任意轨迹在底盘平面内运动(参见图8)。梭子运动过程中，只有纱线管3，电热丝4处于固相层中，由于电热丝4处于通电加热状态，则纱线管3运动前方的固相层物质迅速转化为液态，为梭子运动开辟了一条实时的“轨道”，由于固相层物质密度小于液相层物质，所以液态的固相层物质仍然浮在液相层物质之上，填充在梭子纱线管3移动后留下的空隙内，而纱线管3运动后方的固相层物质则在冷却后迅速凝固为固态，重新联成一体，防止固相层被分割成零散的小块。

5、梭子在驱动手7的携带下准确地沿预定路径移动到预定位置后，电阻丝4断电冷却，同时驱动手7推动梭子向上移动至梭子的初始高度，将固定锥2插入固相层以起到辅助固定的作用，而纱线管3、电热丝4周围的固相层物质也逐渐冷却固化，固定住梭子(参见图9)。

6、驱动手7断开与梭子的对接，向下缩回至其初始位置，完成一次梭子移动过程，回到步骤1的初始位置状态(参见图6)。

本发明的整体驱动方案可以根据实际的功能要求、效率要求和成本要求，设计成多种多样的具体形式，以达到综合效益的最大化，它可以采用但不限于以下方案中的任何一种：

1、“万能”驱动方案

指一台编织机可以完成多种编织工艺和技术的驱动方案，包括但不限于方形编织、圆形编织等。其驱动方案如图10、11、12所示：驱动手臂8上安装一排或若干排驱动手7，驱动手臂的运动由周向驱动11，X向驱动12，Y向驱动13共同完成，普通技术人员可以容易分析得到，这种驱动方式可以控制驱动手臂8携带一排或若干排驱动手7实现直角坐标系下的运动，也可以实现极坐标系下的运动，又可以方便地实现一个或若干个梭子的长距离移动，因此它既能完成方形编织，也能完成圆形编织，还可以完成各种复杂的运动轨迹，实现以较小的成本投入获得多功能、大尺寸范围的编织能力，其缺点是编织效率低，因此该方案在编织尺寸比较大、编织种类比较多变的场合尤其适用。

2、“专用”驱动方案

指针对某种具体编织方法的运动规律设计的专用驱动方案：

1)方形编织机专用驱动方案

该方案是依据方形编织的梭子排布和运动规律设计的，它以最大密度在底盘范围内排布出若干行、列驱动手7，安装在变异的驱动手臂8上，驱动手臂8在X向驱动12，Y向驱动13的驱动下可以实现直角坐标系下的短行程移动，由于每个梭子下面始终对应一个驱动手7，这样在进行方形编织的时候，具有相同运动规律的梭子可以同时移动，效率就大大提高(参见图13)。其显而易见的缺点是成本较高，不适于梭子数量巨大的大尺寸编织，灵活性差，只能进行方形编织或运动规律与方形编织类似的编织。

2)圆形编织机专用驱动方案

该方案是依据圆形编织的梭子排布和运动规律设计的，其设计思想与方形编织机专用驱动方案相似，不同之处在于驱动手臂8在周向驱动和径向驱动的作用下实现极坐标系下的移动(参见图14)。因此它与方形编织机专用驱动方案具有相同的优缺点。“万能”驱动方案的效率低的原因在于每次移动的梭子数量占总数的比例较小，为了提高效率，可以牺牲一部分功能和尺寸上的优势，“专用”驱动方案正是基于这一思路设计而成，它非常适用于固定系列、固定型号编织物的批量生产之用。

Claims (9)

1.一种三维织物立式编织机，它包括织物成型装置22，其特征在于还包括由液相层6和浮于液相层6上的固相层5组成的固-液两相底盘，由储纱器1、储纱器1上面的纱线管3以及包在纱线管3外部的电热丝4组成的梭子，由驱动手7和驱动手臂8组成的驱动装置和用于放置固-液两相底盘、梭子和驱动装置的机座10；所述固相层5呈固态，经加热后可转化为液态，冷却后又可转化为固态；所述液相层6呈液态；所述梭子的纱线管3和电热丝4贯穿固相层5，梭子的储纱器1处于液相层6中；所述梭子的储纱器1与所述驱动装置的驱动手7之间有一个可分离的对接接口；所述电热丝4与电源电连接。

2.根据权利要求1所述的三维织物立式编织机，其特征在于所述梭子的储纱器1与所述驱动装置的驱动手7之间的可分离的对接接口是由所述储纱器1下部互相绝缘的铁磁性电极25’、电极26’和所述驱动手7上部对应安装的电磁铁24、互相绝缘的电极25、电极26组成；所述电磁铁24与电源电连接；所述液相层6的液态物质不导电；所属电热丝4与电源电连接是通过在所述梭子的储纱器1与所述驱动手7对接时，所述电极25、所述铁磁性电极25’、所述电热丝4、所述电极26’、所述电极26与电源电连接来实现的。

3.根据权利要求1所述的三维织物立式编织机，其特征在于还包括梭子内部电源、梭子内部无线接收装置和梭子外部无线发射装置；所述梭子的储纱器1与所述驱动装置的驱动手7之间的可分离的对接接口是由所述储纱器1下部的铁磁性材料体和所述驱动手7上对应安装的电磁铁组成；所述电热丝4与电源电连接是通过所属电热丝4、所述梭子内部无线接收装置与所述梭子内部电源电连接来实现的。

4.根据权利要求1-3中任何一项所述的三维织物立式编织机，其特征在于所述梭子的储纱器1上分布了若干个固定椎2。

5.根据权利要求1-3中任何一项所述的三维织物立式编织机，其特征在于所述梭子的纱线管3上端装有止动帽9。

6.根据权利要求4所述的三维织物立式编织机，其特征在于所述梭子的纱线管3上端装有止动帽9。

7.根据权利要求1-3中任何一项所述的三维织物立式编织机，其特征在于还包括机座10上的周向驱动装置周向驱动11，周向驱动11上的直线驱动装置X向驱动12，X向驱动12上与X向驱动12驱动方向垂直的直线驱动装置Y向驱动13；所述驱动手臂8由所述Y向驱动13直接驱动。

8.根据权利要求1-3中任何一项所述的三维织物立式编织机，其特征在于还包括机座10上的直线驱动装置X向驱动12，X向驱动12上与X向驱动12驱动方向垂直的直线驱动装置Y向驱动13；所述驱动手臂8由所述Y向驱动13直接驱动。

9.根据权利要求1-3中任何一项所述的三维织物立式编织机，其特征在于还包括机座10上的周向驱动装置周向驱动和周向驱动上的径向驱动装置径向驱动；所述驱动手臂8由所述径向驱动直接驱动。

Images