一种新型三维编织携纱器的研究与设计.pdf 78页

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西安工程大学学位论文原创性声明本人郑重声明：所呈交的学位论文是本人在导师的指导下，独立进行研究工作所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研巧做出重要贡献的个人和集体，均已在文中１＾＾明确方式标明。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。学位论文作者签名：日期；列／Ｔ年ｊ月西安工程大学学位论文版权使用授权书本学位论义作者完全了解学校有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留并向国家有关部口或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借阅。本人授权西安工程大学教学目的使用本学位论文，将全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编本学位论义。□保密，在年解密后适用本授权书。＿本学位论文属于□不保密，□立即或在Ｄｌ年口２年后开放使用。学位论文作者签名：指导教师签名套串逆＿曰期：始护年＾月％曰曰期；说成年？曰 学校代码10709中图分类号TH132UDC621密级：□公开□保密论文题名:一种新型三维编织携纱器的研究与设计研究生：李宗迎学号：2012199导师：贺辛亥教授学院：机电工程学院学科专业：机械电子工程申请学位：工学答辩委员会主任委员：答辩日期：年月日 一种新型三维编织携纱器的研究与设计摘要：本文针对目前国内外存在的三维编织机在编织变截面预制件方面作了详细的研究，指出现存的三维编织机不易编织出变截面预制件的缺陷。对此本文研究设计出一种新型携纱器，该新型携纱器内部装有三个线圈可实现自动增纱或减纱，并且能够通过选择参加编织纱线的数目，间接改变编织纱线直径来实现变截面预制件的编织。论文以减纱技术的研究为基础，论述了实现变截面织物编织的方法，通过对比编织方法的优缺点，提出实现变截面织物编织携纱器的设计方案—通过改变三维编织机中携纱器携带纱线的数目，来达到编织复杂截面织物的目的。本文依靠三维设计软件Pro/e完成对携纱器各个零部件的设计和装配工作，主要包括利用涡卷弹簧控制纱线使其具有恒定张紧力的储纱装置和利用皮带轮机构实现自动增纱或减纱的装置。并通过Pro/e软件所具有的模块，验证携纱器各零部件的设计是否满足要求。并对所设计的新型携纱器进行了物理样机的加工与装配，为后续的研究做准备。为了实现自动增纱或减纱，本文对该新型携纱器进行了控制系统的设计，主要包括硬件电路的设计、控制电路原理图的设计以及软件部分的设计。文中选用单片机芯片作为控制系统的首脑，利用驱动控制器件来驱动步进电机的运转，并将该控制电路以实物的形式表现出来进行仿真调试，最终达到携纱器能够自动增纱或减纱的目的。论文最后采用Adams软件对携纱器的自动增减纱装置进行了结构仿真分析，验证出所设计的携纱器满足设计的要求，并且获得了大量的实验数据，为后续的制造和调试提供了可靠的理论分析依据。本文共计图62幅，表6个，参考文献67篇。关键词：三维编织机；新型携纱器；减纱技术；机构设计；运动仿真中途分类号：TH132I TheResearchandDesignofaNewTypeofYarnCarrierwithThree-dimensionalBraidingMachineAbstract:Inthispaperdetailedstudyismadeinbraidedvariablecross-sectionpreform3Dbraidingmachineathomeandabroad,pointedouttheexisting3Dbraidingmachineisnoteasytoweaveavariablecross-sectionpreform.Thispaperdesignanewarticlesyarn,themodelcanrealizetheautomaticgainwithyarnorreduceyarnandbychangingknittingyarndiametertorealizevariablecross-sectionpreformweaving.Thearticleisbasedonresearchingofreducingyarntechnology,Itdiscussesrealizationofvariablemethodforpreformweavingsection,Bycomparingtheadvantagesanddisadvantagesofweavingmethod,putsforwardtherealizationofvariablecrosssectionofpreformdesignschemeforyarnwovenarticles-Byvaryingthenumberof3-Dbraidingmachinewithyarncarryingtheyarn,torealizethevariablecross-sectionpreformweaving.Inthispaper,thedesignandassemblyworkon3DdesignsoftwarePro/etocompletethevariouspartsofthearticlesyarn,Mainlyincludestheyarnstoragedevicemountedscrollspringtocontroltheyarnhasaconstanttensionforceoftheutilizationandtherealizationofautomaticincreaseordecreaseyarndeviceusingthepulleymechanism.AndthroughthePro/esoftwarehasmodule,verifytherationalityandcorrectnessofthepartsdesign.Andforthenewdesignedwithyarnmachineprocessingandassemblyofphysicalprototype,inpreparationforthefollow-upstudies.Inordertorealizetheautomaticincreaseorreduceyarnneedsofthenewarticlesyarndesignthecontrolsystem,Thedesignmainlyincludesthedesignofhardwareselection,principlediagramofcontrolcircuitandsoftware.Inthispaper,theselectionofmicrocontrollerasthecorecontrolelementbythedrivecontrolcomponenttocontrolthesteppermotoroperation,realizetheautomaticincreaseorreduceyarnyarn.TheuseofADAMSsoftwaretoautomaticallyincreaseordecreaseyarndeviceforarticlesforyarnsimulationanalysis,Verifythedesignarticlesyarndevicemeetsthedesignrequirements,andaccesstoalargenumberofdata,providealargenumberoftheoreticalbasisforthemanufacturinganddebugginglater.Figure62,table6,67references.Zong-yingLi(MechatronicEngineeringMajor)DirectedbyXin-haiHeIII Keywords:3Dbraidingmachine;newcarryingtheyarn;reducingyarntechnique;mechanismdesign;motionsimulatiClassification:TH132IV 目次1绪论...............................................................11.1三维编织复合材料的简介............................................11.1.1复合材料简述....................................................11.1.2三维编织复合材料................................................21.2三维编织技术......................................................21.2.1四步法三维编织技术..............................................31.2.2二步法三维编织技术..............................................51.3国内外三维编织设备的研究现状....................................61.4本文的研究目的、意义及内容........................................81.4.1本文的研究目的及意义............................................81.4.2本文主要研究内容................................................81.5本论文创新点.....................................................102变截面三维编织技术的研究..........................................112.1变截面预制件的编织原理...........................................112.2变截面预制件编织的传统工艺.......................................112.3三维编织增减纱技术...............................................122.3.1减少携纱器数量的减纱技术.......................................132.3.2减少纤维束数量的减纱技术.......................................152.4本章小结.........................................................163新型三维编织携纱器的结构设计......................................173.1携纱器整体结构设计方案...........................................173.1.1方案设计的提出.................................................173.1.2携纱器结构设计方案.............................................173.2储纱装置的技术要求和结构设计.....................................183.2.1储纱装置的技术要求.............................................183.2.2储纱装置的结构设计.............................................203.3增减纱装置的技术要求和结构设计..................................223.3.1增减纱装置的技术要求...........................................223.3.2缠绕纱线装置的结构设计.........................................223.3.3选取纱线装置的结构设计.........................................233.3.4刀具结构的设计.................................................23V 3.3.5增减纱装置的整体结构设计........................................243.4携纱器主要零部件的参数设计.......................................253.5携纱器样机的加工及装配...........................................303.5.1携纱器样机主要零部件的加工......................................303.5.2携纱器样机的整体装配............................................323.6本章小结.........................................................324新型三维编织携纱器控制系统的设计..................................334.1携纱器控制系统的组成及功能.......................................334.1.1控制系统的组成.................................................334.1.2控制系统的功能.................................................334.2控制系统硬件的概述...............................................344.2.1单片机AT89S51对控制系统的支持................................344.2.2步进电动机的特性...............................................364.2.3步进电机驱动芯片............................................................................................374.3控制系统硬件电路模块设计.........................................394.3.1AT89S51单片机电路.............................................394.3.2USB烧写接口电路...............................................404.3.3步进电机驱动模块电路...........................................414.4控制系统软件设计及仿真测试.......................................414.4.1软件设计分析....................................................414.4.2单片机程序流程图和步进电动机驱动程序............................424.4.3基于PROTUES软件的仿真测试....................................444.5本章小结.........................................................485携纱器主要零部件基于ADAMS的仿真分析............................495.1ADAMS软件简介.................................................495.2Pro/e与Adams接口技术的研究及实体模型的建立......................495.2.1Pro/e与Adams接口技术的研究....................................505.2.2三维模型的导入..................................................505.2.3ADAMS中对导入的实体模型添加约束和驱动........................515.3实体模型仿真分析.................................................535.3.1缠绕纱线装置的运动学分析........................................535.3.2选取纱线装置的运动学分析........................................545.4本章小结.........................................................55VI 6结论..............................................................57参考文献............................................................59附录................................................................63作者攻读学位期间发表论文清单........................................67致谢..............................................................69VII 1绪论1绪论1.1三维编织复合材料的简介1.1.1复合材料简述现代复合材料的应用越来越广泛，然而其发展时间并不长，迄今为止不足半个世纪。但是从其发展的速度、规模，以及从其使用的覆盖面等诸多方面来看，现代复合材料取得了其他领域不曾有的成绩。特别是二十世纪七十年代以来，随着航天航空、导弹、原子能、高速运载工具等尖端技术的迅速发展，对复合材料[1]的需求越来越多。[2]复合材料之所以受到人们广泛的应用，在于它独有的性能特性：（1）比强度、比模量大。比强度、比模量是材料性能好坏的主要参数之一。表1-1对各种材料的性能参数作了详细的比较，从表中分析可以看出，碳纤维/II环氧复合材料的比强度为钢的8倍，为铝合金的6倍，为钛合金的5倍。复合材料的比模量也是单种材料的多倍。可见复合材料比单个的材料更具有独特、优良的综合性能。表1-1比强度和比模量的对比表种类材料密材料抗拉强材料弹性模材料比强材料比模33579度g/cm度10mpa量10mpa度10cm量10cm钢7.81.002.060.130.27铝合金2.80.460.740.170.26钛合金4.50.941.120.210.25玻璃纤维复合材料2.01.040.390.530.20碳纤维/II环氧复合材料1.451.471.371.030.97碳纤维/I环氧复合材料1.61.052.350.671.5有机纤维/环氧复合材料1.41.370.781.00.57硼纤维/环氧复合材料2.11.352.060.661.0硼纤维/铝复合材料2.650.981.960.380.75（2）耐疲劳性能好。金属材料的疲劳破坏通常在没有明显轨迹可循的情况下发生。而纤维增强复合材料最先在纤维或基体薄弱处出现裂缝，进而扩展到结合面，逐渐积累，最终导致破坏。因此纤维增强复合材料具有较好的耐疲劳性能。（3）力学性能的可设计性。在纤维增强复合材料中，纤维是复合材料主要的受力体，复合材料受到外作用力时，它将所受载荷均匀的传递到每根纤维，因此可根据复合材料的使用条件，选择合适的纤维和基体来设计纤维铺设方向、叠层，来设计出满足性能要求的复合材料。（4）容伤性能好。复合材料是由大量的增强纤维组成，当过载时，复合材料1 西安工程大学硕士学位论文首先是在薄弱纤维处发生断裂，使得所受应力重新分布，然后通过复合材料基体传递给未断纤维，因此基体能够继续承载载荷，使复合材料仍能安全使用。（5）其他特性。优良的化学稳定性和耐腐蚀性，功能复合材料还有独特的光、电、磁等特性。1.1.2三维编织复合材料三维编织复合材料是通过三维编织工艺，将高性能增强纤维编织成为三维整体编织物，并用此织物作为增强基体形成高性能复合材料。利用三维编织技术编织出的复合材料具有一些优良的独特特性，具有高强度、不分层、基体损伤不易扩展、高抗冲击性能以及耐烧蚀、抗高温、热绝缘性能好等独特特性，不仅在高端领域得到广泛的应用，而且在民用船舶、建筑、交通方面以及生活用品中都涉[3,4-8]及到，具有广阔的应用前景。1.2三维编织技术编织技术过去仅仅用于传统的纺织技术，像编织麻绳和带子，由于它只能编织出结构比较简单的织物而且发展缓慢，没有引起人们的重视。传统的编织技术是二维的，具有二维结构的一般特性，它在编织预制件时，主要实现平面方向上的编织，使得编织出的复合材料性能较差。因此提出三维编织的概念，用来改进编织物在厚度方向上的性能，即实现空间方向上的编织，使纱线平面相互交错实[9]现立体交织的编织方法。由于三维编织技术的提出，国内外研究学者投入大量的时间来研究此技术，发展至今形成回转角轮编织技术和纵横编织技术两大类。在纵横编织技术中，按照织物编织工艺又可分为四步法编织工艺、二步法编织工艺、多层联结编织工艺和多步法编织工艺，可实现三维四向、三维五向、三维六向、多维多向织物的编[10]织。三维编织技术是在三维编织机上实现的，编织机底盘装有大量的携纱器，依靠底盘与携纱器的相对运动完成对预制件的编织。形成织物的过程可分为三个步骤：首先将携纱器按照预制件形状排列在底盘上；其次携纱器按预设定的编织模式在编织平面内运动，使编织纱线在空间中相互交织；最后利用打紧机构将相[11]互交织的纱线挤压在一起，形成所需要的预制件。目前市场上预制件主要采用二步法编织工艺和四步法编织工艺来获得，而编织出的预制件的截面形状主要为[12,13,14]圆形截面和方形截面，如图1-1所示。2 1绪论图1-1方形或圆形横截面的预制件1.2.1四步法三维编织技术三维编织预制件按其截面形状的不同可分为两大类：第一类是预制件截面为矩形与矩形及其组合形式；第二类是预制件截面为圆形，如管状、锥状三维预制件。下面以矩形与矩形组合形式来说明四步法编织工艺。（一）矩形以及其组合形式三维编织预制件的四步法编织技术1、横截面为矩形的四步法编织技术图1-2四步法三维编织预制件的示意图1-立体编织物；2-织口；3-纱线；4-携纱器；5-底盘横截面为矩形的三维编织预制件示意图如图1-2所示。图中多个携纱器4安装在底盘5上，并按四步法编织模式带动纤维束或纱线3一起运动，携纱器在底盘上运动时每回到原来位置称为一个循环，同时打紧机构就在织口2预制件下平面来回的运动，使织物里边的纱线紧凑，具有一定的刚度，同时织物向上提升一段距离。然后携纱器4再沿着底盘导轨运动一个距离，这样不断重复以上运动，[15]最终编织出三维立体编织物。3 西安工程大学硕士学位论文图1-3四步法1×1纱线运动a-初始排列；b-四步法第一步；c-四步法第二步；d-四步法第三步；e-四步法第四步图1-3为四步法1×1编织纱线运动示意图，四步法编织是指携纱器携带纱线在底盘上实现一个运动循环分为四步。第一步，相隔行上的纱线以相反的方向向左或向右运动一个的位置，如图1-3b所示；第二步，相隔列上的纱线以相反的方向向上或向下运动一个的位置，如图1-3c所示。第三步的运动与第一步的运动相[16]反，第四步的运动与第二步的运动相反，分别如图1-3d和图1-3e所示。携纱器携带纱线不断的完成四步法运动，即可完成编织物的编织。在以上的运动过程中，携纱器横向或纵向运动时，都只移动一个携纱器的位置，所以称为1×1编织式样，这是最简单、最常用的式样。除了1×1式样之外，还可以有1×3,1×1×1/2F等编织式样。2、矩形及其组合截面三维编织物的四步法编织技术首先按照三维织物截面尺寸将携纱器排列为主陈列及辅助陈列。图1-4表示了双工字梁横截面三维织物的携纱器排列图。4 1绪论图1-4双工字梁织物四步法携纱器排列设计编织模式的根本依据是要求所有携纱器在完成一个运动循环后，能够回到原来携纱器所占的位置。从图1-3a和1-3e中可以看出，经过一个运动循环之后，第1个位置处的携纱器占领了原来13位置处的携纱器，第2个位置处的携纱器占领了原来第15的位置，第7个位置处的携纱器占领了原来第19的位置，第8个位置的携纱器占领了原来第7的位置。图1-5所示的横截面为工字形三维立体编织物，如果携纱器简单地按照图1-3所示的方法运动，就会出现某些携纱器占领了原来没有携纱器占领的位置，某些原有携纱器占领的位置现在没有被占领，其中图1-5c显示了第二个循环之后的情况，问题同样存在，因此不能正常的编织。图1-5工字梁立体编织物简单运用1×1运动式样的结果a-原始位置；b-第一个循环后的位置；c-第二个循环后的位置1.2.2二步法三维编织技术与四步法编织工艺类似，同样可按横截面分为矩形和圆形的二步法编织工艺。二步法三维编织工艺顾名思义是在运动循环周期只有两步，编织简便，易于实现自动化生产。下面以横截面为矩形的织物来说明二步法编织工艺。[17]二步法立体织物的编织纱线主要分为两种，运动的纱线和固定不动的轴纱。如图1-6所示，图中黑圆点表示轴纱，白圆点表示运动的纱线。如图所示，固定不动的纱线按织物截面尺寸排列，并且在轴向结构中排列成为一条直线。而编织纱线按二步法编织工艺在固定纱线周围来回运动，并且固定纱线，最终编织出所5 西安工程大学硕士学位论文需尺寸的预制件。所谓二步法编织工艺它是由两步构成，第一步是运动的纱线按照图中箭头所指的水平方向向左或向右运动，如图1-6a所示；第二步是运动的纱线按图中箭头所指的垂直方向向上或向下运动，而相邻的纱线向相反的方向运动，如图1-6b所[18]示。此时完成二步法编织运动的一个循环。然后再重复以上两步运动就可编织出了预制件。此种方法的一个优点是运动过程简单，容易实现自动化生产。图1-6矩形及其组合截面编织物的二步法编织工艺a-第一步b-第二步1.3国内外三维编织设备的研究现状三维编织技术是在三维编织设备上进行的，利用三维编织设备可以编织出一些形状复杂的复合材料预制件，如工字梁、T型梁、圆管、锥管体等。国内对此领域的研究相比国外起步较晚，但发展比较迅速，近些年来并取的了一定的科研成果。像南京玻璃纤维研究设计院、南京航空航天大学、长沙国防科技大学、华东理工大学和一些与航空航天有关的研究所在三维编织复合材料方面都做了大量的研究，特别是天津工业大学在国家的资助下，开展了复合材料的研究。经过多年的不懈努力，使我国的三维编织技术达到国际先进水平。1992年中华复合材料制品有限公司成立，企业从事复合材料的研究工作，该[19]公司在1994年底成功研究出一种用于自行车车架的碳纤维复合材料管。1996年天津工业大学复合材料研究所经过多年的不懈努力终于研制出当时世界上挂纱最多的一台由计算机控制的全自动三维编织机。后续天津工业大学对三维编织技术进行了开拓性的研究，研制出各种小型编织机，加工出异型管、T型梁、工字梁等预制件，但所研发出的编织机都是单一、复杂的编织设备，且一台编织设备[20,21]只能编织一种预制件，不能实现一机多用的地步。2000年由复合材料研究所承担的国家军工配套项目“三维变截面编织工艺[22]的研究和三维编织设备的研制”通过了纺织专家的鉴定。此项目填充了我国三维编织变截面预制件编织的空白。之后我国一些高校相继认识到三维编织机械应用的广泛，对三维编织机做了相应的科学研究，像河南科技大学研究出一种基于6 1绪论空间P3对称性的三维编织设备，其携纱器按照8字型轨迹运动。2001年丁辛提出了新型三维编织机，包括携纱器、驱动装置、机架、成型装[23]置，该新型三维编织机实现了四步法编织。2005年东华大学成功研制出我国第一台全自动三维编织设备，并开展了关于三维编织设备和预制件的研究，该三维编织机可以织造出截面为“工”形、“T”[24]形的预制件。2013年武汉纺织大学机械工程与自动化学院提出一种用于行列结构的三维编[25]织机的直线步进电机模型，从而可以形成基于主动携纱器的新型底盘。为三维编织机实现全自动化编织预制件鉴定了基础。而国外对三维编织技术的研究起步较早，1971年GeneralElectric的研究人员[26]开发的“Omni.weave”推动三维编织技术进入一个新阶段。1973年，德国人Maistre研制出世界上第一台全自动三维编织机，该编织机能够编织出4×2的三维[27]编织预制件；1982年Floretine申请了一个专利为“Mag·naweave”的设备，[14]提出21×21由气动控制的矩型四步法编织机。Li等将Floretine发明的Magnaweave技术的基本原理进行了归纳，总结成四步法的编织工作原理，同时文章中指出，如果改变编织过程中的步长，结合循环次数多的增加，可以得到一些[28]结构比较复杂的预制件。80年代后期到90年代中期在编织模式、编织设备以及编织预制件方面的研究[29]出现了一个研究高潮，并且都取得了相当大的成绩。1985年美国航天航空局主持了先进复合材料技术发展计划，计划的主要内容之一是开发多种预成型技术如三维编织技术、缝合技术等；相继美国成功制造出了一台大型的四步法三维编织机，该编织机能够携带64×194数目的携纱器,采用的编织四步法1×1编织模式，该台编织机直接为美国航空航天局以及西方国家编织三维编织复合材料，而且此[30]编织机一直处于严格的保密状态。1986年，在AVCO公司的ASMT工厂里安装了两台能制造三维特型、圆柱形和圆锥形的准网状预制件的“自动编织”机，一台是2月安装的BR900型编织机，由ASM工厂投资，它能编织直径最大为900mm的准网状特型预制件；另一台是9月安装的BR2000型编织机，由AFWAL/ML投资，能制造最大直径为2100mm的[31]准网状预制件。1989年，北卡州立大学成功研制出一种可实现全自动化的四步法编织机，虽[32]然这台编织机的携纱器数量较少，推动了编织机的研究进入一个新的领域。综上所述，三维编织设备能够编织出高性能的预制件。虽然国外已经研究出可实现自动化、能加工出多种形状的三维编织设备，但其技术对我国处于严格的7 西安工程大学硕士学位论文保密状态。而我国现有的编织设备只能编织出一些结构简单的预制件，不能编织出结构复杂且变截面的预制件。特别是在现实生活中，应用比较多的是变截面预制件，所以有必要对能够编织出变截面预制件的三维编织设备做进一步的研究。1.4本文的研究目的、意义及内容1.4.1本文的研究目的及意义传统的三维编织机械对于变截面预制件的编织比较困难，获得变截面预制件的传统方法主要是在等截面预制件的基础上进行机械加工，像切削、打磨等。显然这种方法严重破坏了预制件的整体性能，使编织预制件的纤维组织遭到了破坏，影响了其整体力学性能。而目前获取变截面预制件一般方法是采用三维编织减纱技术，三维编织减纱技术能够克服因后续加工造成的损伤，有效地保证了增强纤维结构的整体性与力学性能的优良性。现实生活中存在的三维编织机可通过改变携纱器数量的减纱技术编织出变截面预制件，不易通过改变纱线的股数的减纱技术实现预制件的编织。利用改变携纱器数量实现变截面预制件编织时，不仅使的编织效率降低，而且不易编织出复杂截面的预制件。基于此本课题利用计算机辅助软件设计出可实现变截面预制件编织的一种新型三维编织携纱器并对其进行性能分析。1.4.2本文主要研究内容本论文主要针对一种可实现变截面预制件编织的携纱器做了相应的研究与设计，主要内容结构图如图1-7所示，研究内容如下。8 1绪论一种新型三维编织携纱器的研究与设计绪论变截面三维编新型三维编织携新型三维编织携携纱器主要零部件总结与展望（第一章）织技术的研究纱器的结构设计纱器控制系统的基于ADAMS的仿真（第六章）（第二章）（第三章）设计（第四章）分析（第五章）三三国本变变三本携储增携携本携控控控本仿三实本本本维维内文截截维章纱纱减纱纱章纱制制制章真维体章文课编编外研面面编小器装纱器器小器系系系小软软模小总题织织三究预预织结结置装主样结控统统统结件件型结结的复技维的制制增构的置要机制硬硬软简与仿展合术编目件件减设技的零的系件件件介仿真望材织的的编纱计术技部加统的电设真分料设、编织技方要术件工的概路计软析的备意织的术案求要的及组述模及件简研义原传和求参装成块仿接介究及理统结和数配及化真口现内工构结设功设测技状容艺设构计能计试术计设的计研究减减方携储储缠缠选刀增携携单步步单烧步软单基三三实少少案纱纱绕绕取具减纱纱片进片写进件片于维维体缠选纱进软绕取携纤设器装装纱纱纱结纱器器机电电机接电设机电模模纱维计置置线线线构装样样对机电口机计程路件型型纱纱整动与线线器束的体的的装装装的置机机控机驱路电驱分序仿的约数数提技结置置置设的主的制动路动析流真仿导束装装结的真置置量量出构术构的的的计整要整系特芯模程的入和的的要设设设设体零体统片块图测软驱的的设性件运运减减计求计计计计装部装的电和试动纱纱配件配支路程接的动动方技技设的持序口添学学案术术计加的加分分工研析析究图1-7本论文结构框图（1）主要论述了三维编织技术，通过三维编织技术能够编织出综合性能优良的预制件，引出三维编织技术是在三维编织机上实现的，并将国内外三维编织机的研究现状进行了对比，指出目前存在的三维编织机只能编织出形状比较规则的预制件，且一台编织机只能编织出一种预制件，不能实现一机多编织的情况。（2）研究变截面预制件形成的工作原理，总结出利用减纱技术可编织出变截面预制件。详细论述了两种实现变截面预制件编织方法的优缺点，并针对其不足，研究设计出一种装有三个线圈且可实现自动增减纱的携纱器，这种携纱器在编织变截面预制件时能够克服其上缺点，理论上可编织出任意复杂截面的预制件。（3）利用计算机辅助软件Pro/e对携纱器各零部件进行设计建模，主要包括装有涡卷弹簧的储纱装置和利用皮带轮机构来实现自动增纱或减纱装置的设计。并且利用Pro/e软件所具有的装配模块进行装配，验证携纱器各个零部件设计的合理性和正确性。为验证所设计携纱器具有的功能，将携纱器各个零部件进行加工并装配成实体，为后续的研究做准备。（4）为实现自动增纱或减纱对携纱器进行控制系统的设计。本系统选用单片机作为控制系统的首脑，利用ULN2003作为驱动芯片驱动步进电机的运转。采用9 西安工程大学硕士学位论文PROTUES软件对电路进行设计，并将驱动步进电机运动的控制程序下载到单片机中，对电路进行仿真，并做出实物以验证设计电路的正确性。（5）采用ADAMS软件对携纱器中的自动增减纱装置进行仿真分析，主要包括选取纱线装置和缠绕纱线装置的仿真分析，验证所设计的携纱器装置是否满足设计的要求，并获得了大量的数据，为后期的制造和调试提供大量的理论依据。1.5本论文创新点本论文所设计的携纱器与以往所存在的携纱器不同，是一种新型携纱器，该新型携纱器打破了以往只装有一个线圈的结构特点；设计出可装有三个线圈的储纱装置，并且每个线圈里都装有一个涡卷弹簧，利用涡卷弹簧的储能性能控制纱线在编织的过程中具有恒定的张紧力；该携纱器设计自身携带的增减纱装置，利用辅助纱线的缠绕和皮带轮机构的运转来选择参加编织纱线数目，独立完成增纱或减纱的功能；该携纱器能够在不改变携纱器数量的基础上实现变截面预制件的编织，理论上可编织出任意截面的预制件，提高了预制件编织的效率。10 2变截面三维编织技术的研究2变截面三维编织技术的研究根据预制件截面面积沿立体三维织物轴向方向的变化情况，三维立体编织预制件可分为等截面和变截面两种类型。等截面预制件在编织时，只需控制横截面的形状而不需要改变沿横向方向上的工艺参数；而变截面预制件在编织时不仅要控制编织的截面形状而且还要改变参与编织的携纱器数量和排列方式。目前应用比较广泛的是变截面预制件，已广泛应用于飞机旋翼桨叶、雷达天线罩、火箭发[33,34,35]动机喷嘴等高端领域中，具有广泛的实用价值和应用前景。2.1变截面预制件的编织原理编织变截面预制件的理论基础是确定合理的编织模式，根据预制件截面形状确定出携纱器在底盘上的排列形式，而纱线的根数和排列需要通过纤维体积的含[36]量和编织角，以及运行的模式来确定。首先在编织初始阶段要根据预制件的截面形状将携纱器排列在底盘上，再根据四步法编织模式确定合理的附加携纱器与空载携纱器在底盘上的位置。要求主体截面阵列内必须布满携纱器，而附加携纱器要求分布在主阵的四周，同一行或同一列主阵列两侧的携纱器数目必须相等，而各行各列之间的附加携纱器数不一定相等，在编织过程中纱线的数目与排列保[37]持不变。2.2变截面预制件编织的传统工艺获得变截面预制件的传统工艺是在等截面预制件的基础上进行二次加工像切削、打磨等。显然这种方法严重破坏了预制件的整体性能，使预制件的纤维组织[38,39]造到了损伤，影响其力学性能。Kostar等对怎样获得变截面预制件方面做了一系列的研究，提出分支法、混[40]合式样法以及通用法三种获得预制件的传统方法。分支法是在纱线阵列中预先保留不属于任何编织纱组的隔离纱组，编织时不同编织纱组内的纱线相互交织但不穿过隔离纱组，编织结束后将剪断隔离纱组，分离出编织好的变截面预制件。分支法不仅限于编织矩形及其组合截面的预制件，还在分离过程中容易导致纱线弯曲变形及断裂，影响预制件的整体性能。混合式样法在一个编织截面内同时使用多种编织式样，图2-1显示出工字梁可采用3×1和1×3两种式样编织的一个循环。在编织过程中，经过四个步骤之后，编织的纱线回到原来的初始状态。混合式样法在一个循环中只有四步，使得编织比较容易，提高了编织效率。但混合式样法较难以确定编织模式，对于一个复杂织物通常需要反复的试验。而通用法相对比较简单，在编织预制件时只有一个编织式样。图2-2是用工字梁横截面来显示这种方法，它将工字梁横截面分成三个矩形，两端的两个矩形11 西安工程大学硕士学位论文阵列成为一组，编织时同时编织它们，如图2-2中第一步到第四步，然后中间的矩形阵列作为另一组，再编织它们，如图2-2中第五步到第八步。经过一个编织循环的后，纱线回到初始位置。通用法只需一种编织模式，但横截面越复杂，需要的编织步数越多，使编织效率变低。图2-1混合式样法编织三维织物图2-2通用法编织工字型三维织物（一个循环）2.3三维编织增减纱技术目前实现变截面预制件编织的成熟方法是采用三维编织增减纱技术，即在编织的过程中通过增加或减少参加编织纱线的数量来实现变截面预制件编织的技12 2变截面三维编织技术的研究[41]术，它是利用四步法编织工艺编织出周期性结构单元来实现。该方法是通过代表性体积单元循环编织复制出整个预制件。将需要的纤维束按单元体积划分，通过分次逐步添加或移除一定数量的结构单元来完成变截面预制件的编织。变截面预制件编织的增减纱技术主要有2种：一种是通过改变底盘上携纱器数量的增减纱技术；另一种是通过改变纱线股数数量的增减纱技术，而每一种增减纱技术按[42]照编织工艺的不同又有不同的分类。在现实应用中，选用何种增减纱技术是按照预制件的结构形状以及它实际操作的可行性来选择，但每一种都具有各自的优缺点。增纱技术是减纱技术的反面，工作过程类似，下面以横截面为矩形与圆形的立体编织物来说明各种减纱技术。2.3.1减少携纱器数量的减纱技术（一）管状或锥体状三维编织物管状或锥体状三维编织物是在圆型编织机上编织的，圆型编织机在安装排列携纱器时只能组成圆形形式。在编织过程中，通过改变携纱器数量的减纱方法主要分为整列、整行、与逐点减纱三种情况，而对于圆型编织机来说主要分为列向[43]减锭减纱、环向减锭减纱以及他们的组合形式。列向减锭减纱对于圆型织物来说是指在编织横截面织物不断变化的过程中，不断减去列向方向携纱器的减纱技术。在编织过程中采用四步法编织工艺，完成一个编织循环实现一个单胞的编织，所以在减纱过程中，圆型机上的编织列数要求携纱器的数量为偶数，同时要求在减列的过程中要移除的携纱器数目也是偶数列，可以是相邻也可以是不相邻的，移除之后的模型不发生变化，如图2-3所示。(a)减列前(b)减列后图2-3列向减锭示意图环向减锭减纱是指在编织变截面锥体织物尺寸不断减小的过程中，不断减去[44]在环向方向上携纱器的减纱技术。环向减锭示意图如图2-4所示，它是将底盘上具有相同半径的携纱器逐次移除或者同时移除，移除之后的模型与开始时的模型相同。在环向减锭过程中，由于编织底盘的结构，携纱器只能从最外环将其移除，而不能直接移除内部的携纱器，对于编织截面尺寸变化比较大的预制件，这13 西安工程大学硕士学位论文种方法比较繁琐、麻烦，而且效率比较低。在现实应用中，单独采用上述两种方法中的任意一种进行编织比较困难，较难于满足变截面预制件编织的要求。通常情况下，将这两种方法进行有机的结合，列向减锭主要实现锥体织物直径的变化，而环向减锭主要实现厚度的变化，结合之后既可以满足织物直径的变化又可以满[45]足织物厚度的变化。（a）减环前（b）减环后图2-4环向减锭示意图（二）矩形及其组合截面三维编织物与圆形编织类似，矩形及其组合截面的三维编织物是在底盘为方形的编织机上编织出的。它也是靠携纱器在底盘上循环移除或移进来完成变截面预制件编织的。在编织矩形预制件时，通过改变携纱器数量的减纱方法主要分为整列、整行、与逐点减纱三种情况。整列减纱工艺的原理是以整列携纱器作为减纱单元，如图2-5所示，为整列减纱原理示意图。图中减纱单元1以整列分布在减纱横截面内，而移纱单元2分布在与减纱单元处在相同行且外侧相邻列的位置，移除之后的形状不发生变化，在执行减纱与移纱操作后，可实现变截面预制件的编织。由图2-5可知，此种方法可以缩小预制件横截面宽度，实现预制件截面的突变。图2-5整列减纱原理图14 2变截面三维编织技术的研究整行减纱工艺的原理是以整行携纱器作为减纱单元，如图2-6所示，为整行减纱示意图，图中减纱单元1以整行分布在减纱单元横截面内，移纱单元2分布在与减纱单元处在相同列和外侧相邻列的位置，在执行减纱与移纱操作后，就可实现变截面预制件的编织。由图2-6可知，此种方法可以缩小预制件横截面厚度，实现预制件截面的突变。图2-6整行减纱原理图逐点减纱工艺的原理是将减纱单元均匀分散在整个编织底盘上，如图2-7所示为逐点减纱原理示意图，图中减纱单元1分布在不同行位置，移纱单元2位于与减纱单元处在相同行，外侧相邻的位置，在执行减纱与移纱操作后，可实现变截面预制件的编织。由图2-7可知，由于该方法使减纱单元均匀分布在编织底盘上，这就使得同一截面的减纱单元不集中在同一行或列上，进而实现预制件截面在宽度与厚度方向的渐变。不管整列减纱工艺、整行减纱工艺还是逐点减纱工艺在编织变截面预制件时，都需要将携纱器从内层逐次移动到编织区域外，使得编织过程变得复杂繁琐，而且不易控制，存在一些列缺点。图2-7逐点减纱原理图2.3.2减少纤维束数量的减纱技术减少纤维束数量的减纱技术又称为股数改变的减纱技术，是指在编织过程中15 西安工程大学硕士学位论文底盘上安装的携纱器数量不改变，而是通过减小单包结构尺寸来实现编织的减纱技术。每个携纱器所挂的纱线纤维都具有一定的股数，理论上，通过改变纤维股数可以实现预制件任意截面的编织，这种减纱技术可编织出结构完整的预制件，而且工艺性能好，不影响机械化编织。但由于在一根纱线上分离出一部分纤维比较困难，且容易起毛，断毛，影响原有的机械性能。通常情况下，把一根纱线的[44]纤维分成原来的1/2或1/3。股数改变的减纱技术与携纱器数量改变的减纱技术按照能否相互结合又分为减细纤维束减纱和减锭减细组合的减纱。减细纤维束减纱实质上是将运动到最外层的纱线减去其中的若干束，减细了的纱束携纱器改变方向，向编织机内部运动，继续参加编织，已减细的携纱器离开最外层之后，又有新的携纱器进行减纱，以此循环实现锥体织物变截面预制件的编织。而减锭减细组合的减纱技术是将减细纤维束减纱与携纱器改变的减纱技术相结合，既包括与列向减锭减纱相结合又包括与环向减锭减纱相结合的技术。2.4本章小结三维编织有多种减纱工艺及其组合形式，环向减锭减纱工艺在编织底盘的外围实施，基本不破坏立体编织物的整体结构；而列向减锭减纱工艺对三维编织物整体性能的影响最大，且操作繁琐复杂，不易控制，改变底盘运动平面上的列向携纱器数后，使携纱器运动的机械化变得无法实现；减细纤维束减纱工艺由于在一个线圈上分出一部分纤维比较困难，且容易起毛，断毛，影响原有的机械性能。整列（行）减纱工艺在编织变截面预制件时，减纱单元沿横截面厚度或宽度方向变化，这样会使预制件局部形成结构缺陷；而逐点减纱工艺中参加编织的纱线互不紧凑，彼此分散排列，并且间隔了一定数量的编织纱线，使预制件整体结构性能影响较小。但在编织时，都需要将携纱器逐次移除编织区域，使得编织过程变得繁琐复杂。综上所述，减少携纱器数量的减纱技术在编织过程中需要对携纱器进行有选择性的参与编织，使编织机的控制系统复杂而且影响编织效率；而减少纤维束数量的减纱技术是在一根纱线上进行分股，但在一个线圈上分出一部分纤维比较困难，且容易起毛，断毛，影响原有的机械性能。所以设计一种既不改变携纱器数量又能改变纱线粗细的装置—新型携纱器—来实现变截面预制件的编织。16 3新型三维编织携纱器的结构设计3新型三维编织携纱器的结构设计3.1携纱器整体结构设计方案3.1.1方案设计的提出三维编织机是编织预制件的重要设备，主要由实现四步法编织技术的底盘部分、装载纱线的携纱器、打紧装置以及让预制件在同一平面内编织的拉取装置等组成。三维编织携纱器是一种主动或被动放置在底盘上按照一定规律运动的装置，通常该携纱器装置只装有一个线圈，其主要作用是为编织预制件不断提供纱线。使用这种类型的携纱器，需要采用单元尺寸缩减法或单元数量减少法等减纱技术编织变截面预制件，但采用单元尺寸缩减法时易出现起毛、断线、强度降低等问题，而采用单元数量减少法又会使携纱器的运动轨迹较为复杂。基于以上的缺点，本文设计出一种新型携纱器，该携纱器装有三个线圈并可实现自动增减纱。它解决了现有携纱器在编织变截面预制件时，需要人工改变编织纱线细度或增减携纱器数目的问题。3.1.2携纱器结构设计方案利用Pro/e三维软件设计并装配出的三维编织携纱器整体结构图如图3-1所示。携纱器从整体装配结构上主要分为两大部分：能够控制纱线张紧力的储纱装置和实现增纱或减纱的增减纱装置，每个部分又是由许多零部件所组成。储纱装置的主要特点是在一个携纱器的底座上装有三个线圈，可选择参加编织的纱线，改变进入编织区域纱线的直径，从而实现变截面预制件的编织。为了设计的合理性，三个线圈完全位于底座主轴的三个位置，之间夹角为120度，使参加编织的纱线互不干扰，而每个线圈又能够实现自由的收线与放线。增减纱装置的主要特点是利用辅助线圈的缠绕来选择参加编织的纱线数量实现自动增纱或减纱。此种方法不仅保留了编织过程中不用移除携纱器的优点，同时在进行纱线数量改变时，不会产生脱毛、起毛等缺点。使得这种实现变截面预制件编织的携纱器在编织机底盘导轨上的运动比较简单。理论上，通过辅助线圈的缠绕性选择参加编织的纱线数，进而改变纱线直径的方法，最终编织出任意截面的预制件。17 西安工程大学硕士学位论文图3-1携纱器的三维结构图3.2储纱装置的技术要求和结构设计3.2.1储纱装置的技术要求携纱器的储纱装置在三维编织机中处于中间环节，上接挂头，下与底盘装配在一起，控制纱线收线与放线的作用。在运动过程中，如图3-2所示，当携纱器从床身导轨的一个角落（位置1）运动到床身导轨的中央（位置2）时，从携纱器顶端到编织口之间的纱线长度已经下降，这个长度的减小量必须被携纱器的储纱装置再卷绕进去，否则要造成纱线的松弛和纠缠，导致预制件密度的不均匀。如果在位置1的这段纱长为L1，在位置2的这段纱长为L2，从位置1到位置2期间形成立体编织物所消耗的纱线长度为Lf，则需要携纱器的储纱装置再卷绕的纱长Lr为：Lr=L1-L2-Lf（3-1）图3-2在不同位置纱线长度的变化在四步法编织机器中，行数为Nr，列数为Nc，假定Nc>Nr,则从携纱器顶端18 3新型三维编织携纱器的结构设计到编织口之间的最大纱长L1为Sc(Nc1)2Sr(Nr3)22[][]HL1=22（3-2）式中：Sc—相邻两导轨在列方向上的中心距离，Sr—相邻两导轨在行方向上的中心距离，H—底盘中心到编织口间的距离。携纱器出线口到编织口的最小距离L2就等于H。式（3-1）中的Lf等于在一个编织物节长内一根纱线的平均长度L乘以相应的编织循环次数X。而L值由纱164线的收缩系数R与H的乘积。由公式R=Ci1（1-Ci）1，并取内部纱2hdhd2圈百分率Ci=1，则得到L=dhd16；因为hd的最小直径为2.8，所以L的最小直径为4.88d。从而公式（3-1）成为Sc(Nc1)2Sr(Nr3)22Lr=[][]HH4.88dX（3-3）22式中：X—从位置1到位置2所经过的编织循环数，它取决于列数Nc和行数Nr。当Nr《Nc时，X的近似计算公式为（3-4）式。（Nc-1）（Nr-1）X=（3-4）（4Nr-2）如果Sc=28.575mm，Sr=42.875mm，d=0.762mm（某国外机构的数据），根据以上的公式得到需要携纱器在卷绕的长度为Lr与H，Nr，Nc的关系图如图3-3所示，此图表明Lr随H的减少而增加。图3-3再卷绕长度Lr与H、Nr、Nc之间的关系曲线以上是假定Nc>Nr,如果Ncvoiddelay(unsignedintt);unsignedcharcodeFFW[8]={0xf1,0xf3,0xf2,0xf6,0xf4,0xfc,0xf8,0xf9};//反转unsignedcharcodeFFZ[8]={0xf9,0xf8,0xfc,0xf4,0xf6,0xf2,0xf3,0xf1};//正转unsignedcharcodeFEW[8]={0x08,0x0c,0x04,0x06,0x02,0x03,0x01,0x09};unsignedcharcodeFEZ[8]={0x09,0x01,0x03,0x02,0x06,0x04,0x0c,0x08};unsignedintK;/***********************************************************************步进电机驱动1***********************************************************************/voidmotor_ffw1(){unsignedchari;unsignedintj;for(j=0;j<36;j++)//转1*n圈{for(i=0;i<8;i++)//一个周期转30度{if(K==1)P2=FFW[i]&0x1f;//取数据if(K==2)P2=FFZ[i]&0x1f;delay(10);//调节转速}}}/************************************************************************步进电机驱动2*************************************************************************/63 西安工程大学硕士学位论文voidmotor_few2(){unsignedchari;unsignedintj;for(j=0;j<8*64*3;j++){for(i=0;i<8;i++){P1=FEW[i];delay(1);}}}voidmotor_fez2(){unsignedchari;unsignedintj;for(j=0;j<8*64*5;j++){for(i=0;i<8;i++){P1=FEZ[i];delay(1);}}}/************************************************************************步进电机驱动3*/*********************************************************************voidmotor_few3(){unsignedchari;unsignedintj;for(j=0;j<8*64*3;j++){64 西安工程大学硕士学位论文for(i=0;i<8;i++){P3=FEW[i];delay(1);}}}voidmotor_fez3(){unsignedchari;unsignedintj;for(j=0;j<8*64*5;j++){for(i=0;i<8;i++){P3=FEZ[i];delay(1);}}}/******************************************************延时程序********************************************************/voiddelay(unsignedintt){unsignedintk;while(t--){for(k=0;k<125;k++){}}}main(){while(1){K=1;65 西安工程大学硕士学位论文motor_ffw1();K=2;motor_ffw1();motor_few2();//电机正转5圈delay(1);motor_fez2();//电机反转5圈delay(1);motor_few3();//电机正转5圈delay(1);motor_fez3();//电机反转5圈delay(1);}}66 西安工程大学硕士学位论文作者攻读学位期间发表论文清单发表论文：[1]李宗迎,贺辛亥,杨超群,郑占阳,郭杰赞,王俊勃.基于减纱技术的三维编织携纱器的设计[J].纺织器材,第41卷，17-19，,2014（6）.[2]李宗迎,贺辛亥,杨超群,郭杰赞,郑占阳,王俊勃.一种新型三维编织机携纱器的结构设计[J].上海纺织科技，已录用.[3]杨超群,王俊勃,李宗迎,董红坤,贺辛亥.三维编织技术发展现状及展望[J].棉纺织技术,第42卷,1-5、2014（7）.[4]杨超群,王俊勃,李宗迎,贺辛亥,王灼建.基于四步法三维编织机底盘驱动装置的设计[J].上海纺织科技,已录用.[5]张雄斌,贺辛亥,李宗迎,杨超女,宋宇宽,王俊勃,崔云浩.二氧化锡气敏材料改性研究进展[J].硅酸盐通报,第33卷,1695-1699,2014（7）.基金项目：本论文受到陕西省科学技术研究发展计划项目资金资助（项目编号：2013K07—20）攻读学位期间参与项目：1.西安工程大学博士科研启动基金项目,项目编号：BS1302.2.2013陕西省自然科学基础研究计划项目,项目编号：2013JM6008.3.2013年西安工程大学研究生创新基金,项目编号：chx2013033.4.2014年陕西省大学生创新创业项目,项目编号：201410709014.申请专利：1.贺辛亥,郭赞杰,李宗迎,王俊勃,杨超群,郑占阳,董红坤,王灼建.一种可实现增减纱的携纱器装置[P],专利号:CN201420492121.8,授权公告日:2014.11.032.王俊勃,杨超群,贺辛亥,李宗迎,董红坤,王灼建,郑占阳,郭杰赞.一种实现四步法三维编织的底盘驱动装置[P].已受理3.贺辛亥,张雄斌,王俊勃,刘江南,杨敏鸽,刘松涛,李宗迎,杨超群,宋宇宽.生物形态ZnO气敏陶瓷材料的制备方法[P],专利号:201410210031.X,授权公告日:2014.05.194.贺辛亥,张雄斌,王俊勃,刘江南,杨敏鸽,刘松涛,李宗迎,杨超群,宋宇宽.生物形态SnO2气敏陶瓷材料的制备方法[P],专利号:201410209428.7,授权公告日:2014.05.1967 西安工程大学硕士学位论文68 西安工程大学硕士学位论文致谢时间飞速，两年多的研究生求学之路即将结束，回首几年来的求学之旅，心中感慨万分，在这学业即将完成之际，向所有关心、帮助、支持过我的老师同学，表示衷心的感谢！首先感谢尊重的导师贺辛亥教授、王俊勃教授，本课题是在两位老师的耐心指导下完成的。从确定课题的研究方向、课题的实行计划、到小论文发表和大论文的撰写，每一个具体环节都给予我严格的指导和无微不至的关怀，使我能够把握好课题的进度和研究的方向。感谢贺老师这两年半对我的学习、生活以及思想上的坚持教育和关心，使我在以后的学习生活中不断的进取。几年的学习中，贺老师以他严谨的教学作风、积极进取的工作心态，深深的感染和鼓励着我，贺老师在学术培养方面一直要求我们要培养解决分析实际工程问题的能力，不管以后从事什么学术研究都能迎刃而解。其次感谢与我同一课题的同学杨超群、张雄斌、，在这几年的求学生涯中给予的帮助和关心，督促着我不断的学习进步。我们共同的努力、奋斗为课题顺利完成鉴定了基础。同时感谢我的师兄师姐、师弟师妹以及其他的同学朋友们，向他们请教问题时，给予耐心的解答，生活中给予无私的帮助和关心。最后感谢我亲爱的父母，无论遇到多大的事情都有他们在我身后默默的支持鼓励着我，陪伴我走过人生的每一段路程，感谢他们在研究生期间给予我温馨的支持和鼓励。69