董九志， 蔣秀明， 楊建成， 趙世海， 袁汝旺

(天津工業(yè)大學(xué) 天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300387)

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立體織物整體穿刺鋼針陣列布放裝置研制及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

董九志， 蔣秀明， 楊建成， 趙世海， 袁汝旺

(天津工業(yè)大學(xué) 天津市現(xiàn)代機(jī)電裝備技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 天津 300387)

針對(duì)立體織物整體穿刺鋼針陣列大量超長，穿刺鋼針由人工布放的不足，設(shè)計(jì)了適用于鋼針陣列自動(dòng)化布放的穿刺模板工裝，研制了用于立體織物整體穿刺鋼針陣列布放的裝置。這種裝置由高重復(fù)定位精度水平移動(dòng)平臺(tái)、機(jī)身、鋼針存儲(chǔ)及施放機(jī)構(gòu)等組成，通過紅光十字激光器對(duì)穿刺模板等距密排精密微小孔進(jìn)行定位?？刂葡到y(tǒng)采用觸摸屏為人機(jī)交互界面，運(yùn)用具有多路脈沖輸出的PLC控制移動(dòng)平臺(tái)的伺服電動(dòng)機(jī)和鋼針施放機(jī)構(gòu)的閉環(huán)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，以保證整體穿刺鋼針陣列布放工作可靠、持續(xù)進(jìn)行。為驗(yàn)證整體穿刺鋼針陣列布放裝置工作原理的可行性，進(jìn)行了T形截面整體穿刺鋼針陣列的布放實(shí)驗(yàn)，結(jié)果表明布放裝置原理可行，工作可靠。

整體穿刺； 鋼針陣列； 布放裝置； 立體織物

整體穿刺是制造立體織物的一種工藝技術(shù)，整體穿刺成型立體織物最早由美國AVCO公司研究成功[1]，是一種結(jié)構(gòu)特殊的碳纖維立體織物，具有良好的整體結(jié)構(gòu)和較高的纖維體積分?jǐn)?shù)，可制作高性能防熱隔熱碳/碳復(fù)合材料的優(yōu)良基材[2]。我國的整體穿刺技術(shù)最先由南京玻璃纖維研究院實(shí)現(xiàn)重大技術(shù)突破[3]，該院生產(chǎn)的整體穿刺立體織物經(jīng)碳復(fù)合制成先進(jìn)的碳/碳復(fù)合材料已成功用作高性能防熱材料，使我國在該領(lǐng)域躋身于世界先進(jìn)水平[4-6]。

為配合整體穿刺立體織物的生產(chǎn)，南京玻璃纖維研究院研制的整體穿刺機(jī)用于實(shí)施疊層機(jī)織碳布與Z向鋼針陣列整體刺布、移布、加壓密實(shí)等操作，提高了立體織物生產(chǎn)的自動(dòng)化程度及效率[7]。目前，我國的整體穿刺織物生產(chǎn)仍存在以手工或半機(jī)械化生產(chǎn)方式為主，生產(chǎn)效率低，周期過長等問題。如用于整體穿刺的鋼針陣列常由工人手工布放，其鋼針排列密度高，使用數(shù)量巨大，一般大于10根/cm2，少則成百上千根，多則數(shù)萬根[8]。隨著整體穿刺立體織物技術(shù)的進(jìn)步，多種異形截面的整體穿刺立體織物不斷被開發(fā)出來，除矩形、環(huán)形、正多邊形外還有馬蹄形、T形、L形等[9-10]，以往手工布放鋼針陣列工作強(qiáng)度大，異形截面圖形布放難度大，產(chǎn)品適應(yīng)性差，容易漏針且出錯(cuò)率高，難以滿足整體穿刺工藝中Z向纖維缺束率等重要指標(biāo)的苛刻要求。針對(duì)整體穿刺鋼針陣列手工布放的不足，本文研制了適用于超長穿刺鋼針的整體穿刺鋼針陣列布放裝置。

1 穿刺模板工裝簡(jiǎn)介及分析

1.1 穿刺模板工作簡(jiǎn)介

立體織物整體穿刺成型工藝過程如圖1所示。采用碳纖維疊層機(jī)織布與Z向鋼針陣列整體穿刺，再由連續(xù)碳纖維逐一替代Z向鋼針形成碳纖維穿刺織物。

整體穿刺成型工藝中，Z向鋼針作為立體織物的一個(gè)纖維方向，鋼針陣列對(duì)于立體織物的穿刺成型非常重要，其關(guān)鍵技術(shù)是鋼針陣列的規(guī)整性控制。帶有等距密排精密微小孔的穿刺模板是實(shí)現(xiàn)鋼針陣列規(guī)整性的重要工裝，將穿刺鋼針逐一放入穿刺模板的等距密排精密微小孔中形成穿刺鋼針陣列。為便于超長穿刺鋼針陣列的自動(dòng)化布放設(shè)計(jì)了穿刺模板工裝，該工裝由帶有等距密排精密微小孔的穿刺模板、底板及4根等高立柱組成，穿刺模板工裝示意圖如圖2所示。

1.2 穿刺模板工裝高度與鋼針尺寸關(guān)系

在超長穿刺鋼針布放過程中，由于穿刺模板等距密排微孔直徑略大于鋼針直徑，已經(jīng)被置入穿刺模板工裝的鋼針不會(huì)自動(dòng)與微孔中心線重合而呈一定角度，如圖3所示。為避免已經(jīng)進(jìn)入穿刺模板工裝的鋼針針桿及針尖過長而影響其他鋼針從穿刺模板工裝頂部豎直方向置入周邊空置微孔，需根據(jù)鋼針及穿刺模板的相關(guān)尺寸設(shè)計(jì)穿刺模板工裝的高度。設(shè)穿刺模板工裝高度為H，穿刺模板及底板高度均為h，等距密排微孔直徑為d，中心距為ld，穿刺鋼針長度為l，直徑為dz，針尖高度為hj，假設(shè)超長穿刺鋼針的剛度較高且在布放過程中始終保持直線狀態(tài)，不會(huì)發(fā)生彎曲變形。

圖1 整體穿刺立體織物工藝流程圖Fig.1 Process chart of integrated piercing 3-D fabric

圖2 穿刺模板工裝示意圖Fig.2 Sketch map of piercing template frock

由圖3可知：

(1)

(2)

圖3 進(jìn)入穿刺模板工裝的鋼針狀態(tài)圖Fig.3 State diagram of steel needle into piercing template frock

式(1)中僅θ為未知數(shù)，且

(3)

(4)

最終可得對(duì)應(yīng)不同超長穿刺鋼針尺寸的穿刺模板工裝高度為

(5)

本文穿刺模板工裝適用于直徑為1.2 mm，長度為360 mm的穿刺鋼針，其頂部穿刺模板微孔直徑為2 mm，孔間距為(2.3±0.1)mm。

2 布放裝置機(jī)構(gòu)組成及結(jié)構(gòu)

2.1 布針裝置功能要求及工作空間

由整體穿刺工藝可知對(duì)鋼針陣列布放裝置的功能要求為：將直徑為1.2 mm的超長穿刺針逐一有序地置入穿刺模板工裝頂部水平放置的穿刺模板等距密排精密微小孔中，能夠連續(xù)工作將鋼針布滿整個(gè)穿刺模板微小孔，同時(shí)能夠利用穿刺模板等距密排精密微小孔布放出異形截面的鋼針陣列，如環(huán)形、T形、L形等。

由工作要求可知，布針裝置的工作空間為穿刺模板等距密排精密微小孔所在平面。

2.2 鋼針陣列布放裝置的組成及結(jié)構(gòu)

通過對(duì)鋼針陣列布放裝置的功能要求及工作空間進(jìn)行分析，鋼針陣列布放系統(tǒng)應(yīng)包括：水平移動(dòng)機(jī)構(gòu)、機(jī)身、鋼針儲(chǔ)存及施放機(jī)構(gòu)。

2.2.1 水平移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

水平移動(dòng)平臺(tái)用于帶動(dòng)鋼針存儲(chǔ)及施放機(jī)構(gòu)在穿刺模板平面運(yùn)動(dòng)，使其到達(dá)需要布放超長鋼針的穿刺模板等距密排精密微小孔上方。水平移動(dòng)平臺(tái)的運(yùn)動(dòng)可分解為X、Y2個(gè)方向的直線運(yùn)動(dòng)。

穿刺模板等距密排精密微小孔數(shù)量多且位置精度高，為保證每根超長穿刺鋼針都能夠順利布放在微孔中，為X、Y方向分別配置具有高重復(fù)定位精度的線性模組并采用伺服電動(dòng)機(jī)直接驅(qū)動(dòng)方案。該裝置以平面尺寸為100 mm×100 mm的立體織物穿刺模板工裝為布放對(duì)象，同時(shí)要求其具備布放平面尺寸為200 mm×200 mm立體織物穿刺模板工裝的能力，并以此為依據(jù)確定X向、Y向線性模組的行程，水平移動(dòng)平臺(tái)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。X向、Y向線性模組選用NSK公司的MCM系列P級(jí)(精密級(jí))線性模組，其性能參數(shù)見表1。驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)選用安川SGMJV系列小慣量交流伺服電動(dòng)機(jī)，由于X軸承載Y軸及鋼針施放機(jī)構(gòu)的質(zhì)量，因此其電動(dòng)機(jī)功率略大，其中X方向伺服電動(dòng)機(jī)的功率為200 W，Y方向伺服電動(dòng)機(jī)的功率為100 W。

圖4 水平移動(dòng)平臺(tái)Fig.4 Mobile platform表1 水平移動(dòng)平臺(tái)參數(shù)Tab.1 Parameters of mobile platform

方向規(guī)格有效行程/mm重復(fù)定位精度/mmX向MCM06240±0.003Y向MCM05300±0.003

2.2.2 布針裝置機(jī)身結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

布針裝置機(jī)身用于安裝水平移動(dòng)平臺(tái)，放置并固定穿刺模板工裝。為適于長度為360 mm穿刺鋼針的布放，布針裝置機(jī)身采用平面尺寸為100 mm×100 mm方形及15 mm×90 mm矩形工業(yè)用鋁型材組合搭建而成，其中1590工業(yè)鋁型材除具有輔助固定機(jī)身的作用外，還能與最下方2根方形鋁型材形成工作臺(tái)用于放置穿刺模板工裝，其凹槽便于放置T型螺栓用以固定穿刺工裝，布針裝置機(jī)身結(jié)構(gòu)如圖5所示。

2.2.3 鋼針存儲(chǔ)及施放機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

鋼針存儲(chǔ)及施放機(jī)構(gòu)用于預(yù)先存儲(chǔ)需要布放的超長穿刺鋼針，同時(shí)按順序?qū)撫樦鹨皇┓?，在水平移?dòng)平臺(tái)的驅(qū)動(dòng)下布放整體穿刺鋼針陣列。

為提高鋼針的施放效率，避免頻繁停車補(bǔ)充鋼針，需要存儲(chǔ)及施放機(jī)構(gòu)能夠存儲(chǔ)一定數(shù)量的鋼針。生產(chǎn)平面尺寸為100 mm×100 mm立體織物時(shí)布放穿刺模板工裝1行需要43根鋼針，現(xiàn)從布放2行鋼針?biāo)璧臄?shù)量參考，按照一次存儲(chǔ)100根鋼針為目標(biāo)，同時(shí)參考槍支彈夾的工作原理及使用方式，將儲(chǔ)針機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)成可更換結(jié)構(gòu)使將存儲(chǔ)的鋼針排成一行。儲(chǔ)針機(jī)構(gòu)底板前側(cè)開有直徑為1.3 mm的小孔以便鋼針掉落，后側(cè)為敞開式并采用螺釘連接以便于推板進(jìn)入。鋼針存儲(chǔ)及施放機(jī)構(gòu)底板開有槽道，其寬度及深度尺寸與可更換儲(chǔ)針機(jī)構(gòu)寬度及高度尺寸相同，工作時(shí)可更換儲(chǔ)針機(jī)構(gòu)嵌入底板槽道中，使鋼針與存儲(chǔ)及施放機(jī)構(gòu)底板處于同一平面，如圖6所示。

圖6 鋼針存儲(chǔ)及施放機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖Fig.6 Structure of steel needles storage and launching mechanism. (a) Front view; (b) Top view

推板與推桿連接，推桿上安裝的彈簧將鋼針依次推至落針孔位置逐一施放。彈簧一端與推板接觸，另一端與擋板接觸，推桿的尾部與拉繩連接，拉繩纏繞在絞輪上，絞輪由電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)實(shí)現(xiàn)鋼針在可更換儲(chǔ)針機(jī)構(gòu)中在推桿及彈簧的作用下緊密排列，當(dāng)施放鋼針時(shí)電動(dòng)機(jī)反轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)絞輪回轉(zhuǎn)將推板拉回鋼針直徑的距離，使處于落針孔上方鋼針在自身重力的作用下豎直下落，鋼針下落后電動(dòng)機(jī)正轉(zhuǎn)使推板在彈簧的作用下前進(jìn)至比原來位置靠前相當(dāng)于鋼針直徑的距離，使落針孔上方的鋼針在推板摩擦力的作用下保持靜止，即電動(dòng)機(jī)通過絞輪及拉繩在彈簧的配合下使推板進(jìn)行往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)穿刺鋼針的依次有序下落。為保證推板每次移動(dòng)位置的準(zhǔn)確性，拉繩采用拉伸無變形的凱夫拉繩。

可更換儲(chǔ)針機(jī)構(gòu)嵌入底板對(duì)應(yīng)的槽中其落針孔與底板落針孔重合，底板安裝有3個(gè)豎直放置的十字激光器用于穿刺模板等距密排微小孔的定位。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則

通過對(duì)整體穿刺鋼針陣列布放裝置技術(shù)特點(diǎn)分析可知，控制系統(tǒng)須實(shí)現(xiàn)以下技術(shù)要求：1)控制精度高。布針裝置水平移動(dòng)平臺(tái)電動(dòng)機(jī)與鋼針施放電動(dòng)機(jī)聯(lián)動(dòng)性能好，對(duì)穿刺模板等距密排精密微小孔定位精確，滿足鋼針陣列布放要求。2)可靠性高。鋼針施放可靠，符合鋼針陣列布放工作要求，且能持續(xù)實(shí)施鋼針布放工作。3)接口豐富?？蓪?shí)現(xiàn)PC機(jī)編制程序下載及觸摸屏人機(jī)交互。

3.2 控制系統(tǒng)硬件設(shè)計(jì)

根據(jù)上述設(shè)計(jì)準(zhǔn)則，考慮PLC具有執(zhí)行邏輯運(yùn)算，順序控制能力強(qiáng)，可靠性好，能夠進(jìn)行定時(shí)/計(jì)數(shù)和算術(shù)運(yùn)算，可進(jìn)行兩軸直線插補(bǔ)，滿足布針裝置控制系統(tǒng)要求，因此，選擇PLC作為整體穿刺鋼針陣列布放裝置的控制器。操作人員通過觸摸屏完成人機(jī)對(duì)話，選擇需要布放的鋼針陣列的界面形狀，輸入尺寸參數(shù)，控制器計(jì)算出需要布放鋼針的數(shù)量，根據(jù)預(yù)先編制好的程序進(jìn)行超長穿刺鋼針的布放工作。布針裝置具有3個(gè)軸，水平移動(dòng)平臺(tái)采用安川小慣量交流伺服電動(dòng)機(jī)，鋼針存儲(chǔ)及施放機(jī)構(gòu)絞輪驅(qū)動(dòng)電動(dòng)機(jī)采用韓國EZI-Servo系列閉環(huán)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)。水平移動(dòng)平臺(tái)X向、Y向線性模組都具有2個(gè)限位開關(guān)及1個(gè)原點(diǎn)開關(guān)。鋼針存儲(chǔ)及施放機(jī)構(gòu)配置1個(gè)限位開關(guān)及1個(gè)原點(diǎn)開關(guān)。立體織物整體穿刺鋼針陣列布放裝置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖7所示。

圖7 鋼針陣列布放裝置控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)Fig.7 Control system structure of steel needles array laying device

PLC控制器：采用豐煒公司的VB1-24MT系列PLC，具有14個(gè)輸入點(diǎn)，10個(gè)輸出點(diǎn)，其中有4點(diǎn)快速脈沖輸出，2點(diǎn)輸出頻率為20 kHz，2點(diǎn)輸出頻率為200 kHz，能夠進(jìn)行直線插補(bǔ)計(jì)算。

電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器：水平移動(dòng)平臺(tái)采用安川公司的SGMJV系列交流伺服動(dòng)電動(dòng)機(jī)，該機(jī)特點(diǎn)是中慣量小容量、無需調(diào)整操作且低振動(dòng)，驅(qū)動(dòng)器為SGDV型。鋼針存儲(chǔ)及施放機(jī)構(gòu)采用FASTECH公司的EZI- Servo系列閉環(huán)步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，具有高轉(zhuǎn)矩、精度高、響應(yīng)快，不需調(diào)增益、運(yùn)行平穩(wěn)不振動(dòng)等性能。以上3臺(tái)電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)器均為位置工作模式且采用脈沖加方向信號(hào)控制方式。

3.3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

利用豐煒PLCmate編程軟件開發(fā)鋼針陣列布放裝置的工作程序使其能夠滿足不同工藝、不同尺寸要求，布放矩形、正三角形、環(huán)形、T形、L型等不同截面形狀的鋼針陣列。根據(jù)鋼針陣列布放裝置的工作空間，確定穿刺模板基準(zhǔn)孔與布針裝置落針孔的相對(duì)位置，明確鋼針陣列布放任務(wù)后進(jìn)行鋼針陣列布放工作。控制器計(jì)算穿刺模板需要布放的等距密排精密微小孔相對(duì)落針孔的位置后發(fā)出控制信號(hào)，最終實(shí)現(xiàn)布針裝置的運(yùn)動(dòng)控制，其控制系統(tǒng)軟件流程如圖8所示。

圖8 控制系統(tǒng)軟件流程圖Fig.8 Software flowchart of control system

布針裝置控制系統(tǒng)程序及工作數(shù)據(jù)均在斷電保持區(qū)運(yùn)行及存儲(chǔ)，以避免鋼針陣列布放過程中發(fā)生系統(tǒng)斷電導(dǎo)致數(shù)據(jù)丟失影響鋼針布放工作持續(xù)進(jìn)行。

4 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

立體織物整體穿刺鋼針陣列布放裝置樣機(jī)如圖9所示。

圖9 立體織物整體穿刺鋼針陣列 布放裝置樣機(jī)Fig.9 Prototype of 3-D fabric integrated piercing steel needles array laying device

為驗(yàn)證整體穿刺鋼針陣列布放裝置工作原理的正確性，進(jìn)行了T形截面整體穿刺鋼針陣列布放實(shí)驗(yàn)。將穿刺模板工裝放置于鋼針陣列布放裝置工作臺(tái)上，使其處于移動(dòng)平臺(tái)具有平面最大工作空間的位置，利用鋼針存儲(chǔ)及施放機(jī)構(gòu)上的3臺(tái)紅光十字激光器完成對(duì)工裝頂部穿刺模板相應(yīng)微小孔定位，固定穿刺模板工裝并進(jìn)行鋼針陣列布放實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)中2次交替使用2個(gè)裝滿鋼針的可更換儲(chǔ)針機(jī)構(gòu)，鋼針布放情況見表2。

表2 實(shí)驗(yàn)中鋼針布放情況統(tǒng)計(jì)表Tab.2 Statistical table of steel needles laying experiment

鋼針陣列布放實(shí)驗(yàn)中，在交替更換不同儲(chǔ)針機(jī)構(gòu)的情況下，100根超長穿刺鋼針被順利地布放置入穿刺模板工裝，成功率為100%，表明整體穿刺鋼針陣列布放裝置工作原理正確，可更換儲(chǔ)針機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)用可行，紅光十字激光器定位穿刺模板等距密排微孔位置準(zhǔn)確，能夠滿足鋼針陣列布放精度要求，控制系統(tǒng)工作正常。

5 結(jié)束語

針對(duì)立體織物整體穿刺鋼針陣列大量超長穿刺鋼針由人工布放的不足，研制了用于整體穿刺成型立體織物的鋼針陣列布放的裝置，使用可更換的儲(chǔ)針機(jī)構(gòu)預(yù)先存儲(chǔ)鋼針，使排成一列的超長穿刺鋼針逐一豎直落入穿刺模板等距密排精密微小孔中，形成整體穿刺鋼針陣列。T形截面整體穿刺鋼針陣列布放實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明該裝置原理可行，工作可靠。

FZXB

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Experimental study and development of integrated piercing steel needles array laying device of 3-D fabric

DONG Jiuzhi， JIANG Xiuming， YANG Jiancheng， ZHAO Shihai， YUAN Ruwang

(AdvancedMechatronicsEquipmentTechnologyTianjinAreaMajorLaboratory，TianjinPolytechnicUniversity，Tianjin300387，China)

In view of the defect that large super-long piercing steel needles of the integrated piercing steel needles array to produce 3-D fabric are laid by manual operation, a piercing template frock used for steel needles laying automatically is designed, and the 3-D fabric integrated piercing steel needles array laying device also is developed. The device is composed of a high level of repeat accuracy mobile platform, fuselage and steel needle storage and launching mechanism, et al. The device locates the isometric and close-packing precise micro holes of piercing template by red cross lasers. the control system uses a touch screen as the human-machine interface, and uses PLC which can output multi-channel pulse to control the servo motor of the mobile platform and the closed loop stepping motor of the steel needles storage the launching mechanism. The control system guarantees the working reliability of the device. In order to verify the feasibility of working principle of laying device, a T-shaped cross section steel needles array laying experiment is achieved. The result shows that the laying device has feasible principle and reliable operation.

integrated piercing； steel needles array； laying device； 3-D fabric

10.13475/j.fzxb.20140200806

2014-02-10

2014-05-26

董九志(1981—)，男，講師，博士。主要研究方向?yàn)樾滦图徔棛C(jī)械設(shè)計(jì)制造及自動(dòng)化、機(jī)電一體化技術(shù)。蔣秀明，通信作者，E-mail:jxjxm@163.com。

TS 152.7

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