CN109402865B - 一种梯度结构编织物的织造装置及其织造方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种梯度结构编织物的织造装置及其织造方法，包括机架、携纱器固定底座、携纱器运动轨道、携纱器、锭子、芯轴、内导向环、外导向环、导向环固定支架、多自由机械手以及摄像头；所述携纱器固定底座固定在机架上，其上安装有携纱器运动轨道；所述锭子安装在携纱器上；所述携纱器固定在携纱器运动轨道上；所述导向环固定支架安装在携纱器固定底座上，其上安装有内导向环、外导向环和摄像头；所述多自由度机械手末端夹持着芯轴，芯轴插入内导向环、外导向环的中央。本发明的梯度结构编织物的织造装置及其织造方法结构合理，工作效率高，准确而有效的实现轴向、周向以及径向方向结构梯度圆管类编织增强织物的编织具有重大的意义。

Description

一种梯度结构编织物的织造装置及其织造方法

【技术领域】

本发明涉及一种织物的织造装置及其织造方法，具体涉及一种梯度结构编织物的织造装置及其织造方法，其能使在层内轴向、层内周向以及层间径向方向上具有结构差异，属于纺织机械技术领域。

【背景技术】

管状复合材料因其优良的综合性能，如质量轻、耐疲劳性能优异、比强度和比刚度高、耐腐蚀性能好等，被广泛应用于消防、管道修复、医疗、航天航空等领域。编织是一种用于产生无缝中空编织织物的方法，由两组纱线相互交织并积落在芯轴表面形成编织织物，将高分子聚合物注入该编织物可以制备获得管状复合材料。增强织物结构对于复合材料使用性能有直接的影响，通常使用编织角度作为其结构的描述指标。目前编织复合材料中的编织物均采用均匀结构，即构件内的编织角度为定值。

对于纤维增强复合材料(比如碳纤维增强)而言，虽然它具有高比强度/模量、抗腐蚀性能优异等特点，但是较高的价格是影响其推广应用的主要障碍，在纤维价格无法在短时期内出现明显下降的情况下，通过合理设计材料分布来提高材料利用将会是一种重要的手段。近年来，功能梯度材料引起了人们的广泛关注，这类材料的物化特性在某一特定方向呈连续梯度变化，这就决定了其宏观性能在该方向上也呈现出梯度变化，从而满足结构元件不同部位对材料使用性能的不同要求，达到优化结构整体使用性能的目的。

根据载荷的不同，合理的设计具有层内轴向结构、层内周向结构以及层间径向结构梯度差异对于提高材料的利用率有非常重要的意义。例如，编织角单调递增的轴向梯度结构编织复合材料管在承受轴向载荷时，编织物的破坏模式是从小角度开始撕裂逐步过渡到大角度，而织物的撕裂过程可吸收大部分能量从而提高材料的利用率。而内层编织角度大、外层编织角度小的双层径向梯度结构复合材料管在承受三点压弯载荷时，由于其外层编织角度小并且纤维方向趋于轴向，载荷可以沿着轴向方向快速均匀分散到整个编织管；而复合材料管内层编织角度大且纤维含量高，可以承受主要载荷，所以这种梯度结构编织复合材料管件相对于均匀结构而言性能较好。

在复合材料纤维增强体的成型工艺中，编织增强体是通过环形编织机中携纱器的转动以及芯轴的移动来产生的。目前存在的环形编织机多用来生产编织角度恒定的均匀结构增强体。通过改变编织过程中携纱器的转动速度和芯轴的抽取速度可以实现轴向编织角度的变化。然而在实际编织过程中，由于两组携纱器绕着顺时针和逆时针方向转动从而形成相互交织的编织纱，其转动速度比较快、动能比较大，速度的突然改变会加剧对携纱器的磨损和引起纱线间摩擦力的增大从而导致纱线的断裂。然而对于特定的角度变化规律的轴向梯度结构而言，芯轴抽取速度难以准确快速的变化到其角度变化规律所对应的抽取速度。其次，虽然芯轴往复运动可以编织多层织物，但是现有的环形编织机较难实现芯轴往复抽取的自动化和可控的多层织物层间梯度变化，且不能实现编织物层内周向梯度变化。因此可控的准确而有效的能够编织结构梯度增强织物的环形编织装置对实现轴向、周向以及径向方向结构梯度圆管类编织增强织物的编织具有重大的意义。

因此，为解决上述问题，确有必要提供一种创新的梯度结构编织物的织造装置及其织造方法，以克服现有技术中的所述缺陷。

【发明内容】

为解决上述问题，本发明的目的在于提供一种结构合理，工作效率高，准确而且有效的梯度结构编织物的织造装置，其能够在轴向、周向以及径向方向上实现结构梯度圆管类编织增强织物。

本发明的第二目的在于提供一种梯度结构编织物的织造方法。

为实现上述第一目的，本发明采取的技术方案为：一种梯度结构编织物的织造装置，其包括机架、携纱器固定底座、携纱器运动轨道、携纱器、锭子、芯轴、内导向环、外导向环、导向环固定支架、多自由机械手以及摄像头；其中，所述携纱器固定底座固定在机架上，其上安装有携纱器运动轨道；所述锭子安装在携纱器上；所述携纱器固定在携纱器运动轨道上；所述导向环固定支架安装在携纱器固定底座上，其上安装有内导向环、外导向环和摄像头；所述多自由度机械手末端夹持着芯轴，芯轴插入内导向环、外导向环的中央。

本发明的梯度结构编织物的织造装置进一步为：所述内导向环或外导向环上安装一导向环内盘。

本发明的梯度结构编织物的织造装置还为：其连接至一信号处理控制电路，所述信号处理控制电路包括织物梯度编织结构工艺设计软件、编织集成装置数控代码编译器、控制计算机、环形编织机控制器以及多自由度机械手控制器；其中，所述织物梯度编织结构工艺设计软件、编织集成装置数控代码编译器和控制计算机依次电性连接；所述控制计算机电性分别连接至摄像头、环形编织机控制器和多自由度机械手控制器；所述环形编织机控制器电性连接至携纱器；所述多自由度机械手控制器电性连接至多自由度机械手。

为实现上述第二目的，本发明采取的技术方案为：一种梯度结构编织物的织造方法，其包括如下工艺步骤：

1)，在织物梯度编织结构工艺设计软件中输入编织结构信息；编织集成装置数控代码编译器生成编织环形织物初始图像；

2)，然后根据目标编织物结构在初始图形上调节局部编织角度，生成所需梯度编织结构图；控制计算机分析处理所生成的梯度编织结构图，信息数据分别传给摄像头、环形编织机控制器和多自由度机械手控制器；摄像头监控识别实时编织角，并把编织角信息数据传输给控制计算机，控制计算机再根据所得到的实时编织角信息对数据进行调整；

3)，环形编织机控制器控制驱动携纱器绕着顺时针和逆时针方向进行转动；多自由度机械手控制器控制驱动多自由度机械手运动，从而控制其所夹持芯轴的抽取速度、方向和径向位置；锭子上的编织纱经过内导向环或者外导向环相互交织包覆在芯轴上面形成编织物。

本发明的梯度结构编织物的织造方法进一步为：所述编织结构信息包括编织层数，编织长度，织物组织结构、每层层内编织角度、编织纱间隙等。

本发明的梯度结构编织物的织造方法进一步为：在编织层内轴向梯度结构时，多自由度机械手只在轴向方向抽取芯轴并且改变芯轴抽取速度；同时两组携纱器带着锭子在携纱器运动轨道上绕着顺时针和逆时针方向转动，锭子上的编织纱经过内导向环或者外导向环相互交织包覆在芯轴上面，进而得到层内轴向结构梯度变化编织物。

本发明的梯度结构编织物的织造方法进一步为：在编织层内周向梯度结构时，多自由度机械手夹持着芯轴并改变其在径向方向的位置，同时保持其轴向抽取速度不变；同时两组携纱器带着锭子在携纱器运动轨道上绕着顺时针和逆时针方向转动，锭子上的编织纱经过内导向环或者外导向环相互交织包覆在芯轴上面，从而得到层内周向结构梯度变化编织物；或者通过在内导向环或者外导向环上安装导向环内盘，改变导向环的形状和大小，实现层内周向结构梯度变化编织增强体的编织。

本发明的梯度结构编织物的织造方法还为：在编织层间径向梯度结构时，第一层编织完成后多自由度机械手夹持着芯轴在轴向方向往复运动；在两次编织过程中，两组携纱器带着锭子在携纱器运动轨道上绕着顺时针和逆时针方向转动，锭子上的编织纱分别经过内导向环和外导向环相互交织包覆在芯轴和第一层编织纱上面，以此实现双层织物的编织，重复此步骤可得到多层编织物。

与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：本发明的梯度结构编织物的织造装置及其织造方法弥补了编织过程中芯轴不能往复抽取自动化以及人工手动调整带来的效率低下的缺点，实现了芯轴抽取速度、方向和芯轴位置准确有效快速的改变；同时产生的编织物可以是多层的，其梯度结构可以快速的叠加组合，实现编织增强体梯度结构的复杂及多样化，从而满足结构元件不同部位对材料使用性能的不同要求，达到优化结构整体使用性能的目的。

【附图说明】

图1是本发明的梯度结构编织物的织造装置的立体图。

图2是本发明的梯度结构编织物的织造装置的控制原理图。

图3是图1中内导向环(外导向环)上安装导向环内盘的立体图。

图4-1和图4-2是本发明的层内轴向梯度结构编织增强体的结构示意图。

图5是本发明的层内周向梯度结构编织增强体的结构示意图。

图6是本发明的层间径向梯度结构编织增强体的结构示意图。

【具体实施方式】

请参阅说明书附图1至附图6所示，本发明为一种梯度结构编织物的织造装置，其由机架4、携纱器固定底座3、携纱器运动轨道8、携纱器5、锭子9、芯轴6、内导向环2、外导向环1、导向环固定支架10、多自由机械手11以及摄像头7等几部分组成。

其中，所述携纱器固定底座3固定在机架4上，其上安装有携纱器运动轨道8。所述锭子9安装在携纱器5上。所述携纱器5固定在携纱器运动轨道8上。

所述导向环固定支架10安装在携纱器固定底座3上，其上安装有内导向环2、外导向环1和摄像头7。所述多自由度机械手11末端夹持着芯轴6，芯轴6插入内导向环2、外导向环1的中央。

所述内导向环2或外导向环1上安装一导向环内盘18，导向环内盘18内径形状大小可以根据目标编织结构进行选择。

本发明的梯度结构编织物的织造装置连接至一信号处理控制电路12，所述信号处理控制电路12包括织物梯度编织结构工艺设计软件13、编织集成装置数控代码编译器14、控制计算机15、环形编织机控制器16以及多自由度机械手控制器17。其中，所述织物梯度编织结构工艺设计软件13、编织集成装置数控代码编译器14和控制计算机15依次电性连接。所述控制计算机15电性分别连接至摄像头7、环形编织机控制器16和多自由度机械手控制器17。所述环形编织机控制器16电性连接至携纱器5，并控制携纱器5运动。所述多自由度机械手控制器17电性连接至多自由度机械手11，并控制多自由度机械手11运动。

采用上述装置编织梯度结构编织物包括如下工艺步骤：

1)，在织物梯度编织结构工艺设计软件13中输入编织结构信息；编织集成装置数控代码编译器14生成编织环形织物初始图像。其中，所述编织结构信息包括编织层数，编织长度，织物组织结构、每层层内编织角度(目标编织角、起始编织角)、编织纱间隙等。

2)，然后根据目标编织物结构在初始图形上调节局部编织角度，生成所需梯度编织结构图；控制计算机15分析处理所生成的梯度编织结构图，信息数据分别传给摄像头7、环形编织机控制器16和多自由度机械手控制器17；摄像头7监控识别实时编织角，并把编织角信息数据传输给控制计算机15，控制计算机15再根据所得到的实时编织角信息对数据进行调整；

3)，环形编织机控制器16控制驱动携纱器5绕着顺时针和逆时针方向进行转动；多自由度机械手控制器17控制驱动多自由度机械手11运动，从而控制其所夹持芯轴6的抽取速度、方向和径向位置；锭子9上的编织纱经过内导向环2或者外导向环1相互交织包覆在芯轴6上面形成编织物。

具体的说，在编织层内轴向梯度结构时，多自由度机械手11只在轴向方向抽取芯轴6并且改变芯轴6抽取速度；同时两组携纱器5带着锭子9在携纱器运动轨道8上绕着顺时针和逆时针方向转动，锭子9上的编织纱经过内导向环2或者外导向环1相互交织包覆在芯轴6上面，进而得到层内轴向结构梯度变化编织物。如图4-1所示，如果在编织过程中，减小芯轴轴向方向抽取速度，可以得到单调递增的层内轴向梯度结构编织增强体；如图4-2所示，如果在编织过程中，先减小芯轴轴向方向抽取速度而后增加，可以得到编织角先增加后减小的层内轴向梯度结构编织增强体。

在编织层内周向梯度结构时，多自由度机械手11夹持着芯轴6并改变其在径向方向的位置，同时保持其轴向抽取速度不变；同时两组携纱器5带着锭子9在携纱器运动轨道8上绕着顺时针和逆时针方向转动，锭子9上的编织纱经过内导向环2或者外导向环1相互交织包覆在芯轴6上面，从而得到层内周向结构梯度变化编织物；或者通过在内导向环2或者外导向环1上安装导向环内盘18，改变导向环的形状和大小，实现层内周向结构梯度变化编织增强体的编织。图5为运用椭圆形导向环内盘18所得到层内周向梯度结构编织增强体示意图。

在编织层间径向梯度结构时，第一层编织完成后多自由度机械手11夹持着芯轴6在轴向方向往复运动；在两次编织过程中，两组携纱器5带着锭子9在携纱器运动轨道8上绕着顺时针和逆时针方向转动，锭子9上的编织纱分别经过内导向环2和外导向环1相互交织包覆在芯轴6和第一层编织纱上面，以此实现双层织物的编织，重复此步骤可得到多层编织物。图6为内层是60度编织角、外层是30度编织角的双层径向梯度结构编织增强体示意图。

综上所述，在编织单层或者多层编织增强体时，通过改变多自由度机械手11抽取芯轴6时在轴向方向的抽取速度、方向及其在径向方向的相对位置，实现编织增强体层内轴向结构、层内周向结构以及层间径向结构梯度的叠加与变化。

以上的具体实施方式仅为本创作的较佳实施例，并不用以限制本创作，凡在本创作的精神及原则之内所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本创作的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种梯度结构编织物的织造装置，其特征在于：包括机架、携纱器固定底座、携纱器运动轨道、携纱器、锭子、芯轴、内导向环、外导向环、导向环固定支架、多自由度机械手以及摄像头；其中，所述携纱器固定底座固定在机架上，其上安装有携纱器运动轨道；所述锭子安装在携纱器上；所述携纱器固定在携纱器运动轨道上；所述导向环固定支架安装在携纱器固定底座上，其上安装有内导向环、外导向环和摄像头；所述多自由度机械手末端夹持着芯轴，芯轴插入内导向环、外导向环的中央；

所述织造装置连接至一信号处理控制电路，所述信号处理控制电路包括织物梯度编织结构工艺设计软件、编织集成装置数控代码编译器、控制计算机、环形编织机控制器以及多自由度机械手控制器；其中，所述织物梯度编织结构工艺设计软件、编织集成装置数控代码编译器和控制计算机依次电性连接；所述控制计算机电性分别连接至摄像头、环形编织机控制器和多自由度机械手控制器；所述环形编织机控制器电性连接至携纱器；所述多自由度机械手控制器电性连接至多自由度机械手。

2.如权利要求1所述的梯度结构编织物的织造装置，其特征在于：所述内导向环或外导向环上安装一导向环内盘。

3.一种采用如权利要求1至2项任意一项所述的梯度结构编织物的织造装置的织造方法，其特征在于：包括如下工艺步骤：

1)，在织物梯度编织结构工艺设计软件中输入编织结构信息；编织集成装置数控代码编译器生成编织环形织物初始图形；

2)，然后根据目标编织物结构在初始图形上调节局部编织角度，生成所需梯度编织结构图；控制计算机分析处理所生成的梯度编织结构图，信息数据分别传给摄像头、环形编织机控制器和多自由度机械手控制器；摄像头监控识别实时编织角，并把编织角信息数据传输给控制计算机，控制计算机再根据所得到的实时编织角信息对数据进行调整；

3)，环形编织机控制器控制驱动携纱器绕着顺时针和逆时针方向进行转动；多自由度机械手控制器控制驱动多自由度机械手运动，从而控制其所夹持芯轴的抽取速度、方向和径向位置；锭子上的编织纱经过内导向环或者外导向环相互交织包覆在芯轴上面形成编织物。

4.如权利要求3所述的梯度结构编织物的织造装置的织造方法，其特征在于：所述编织结构信息包括编织层数，编织长度，织物组织结构、每层层内编织角度、编织纱间隙。

5.如权利要求3所述的梯度结构编织物的织造装置的织造方法，其特征在于：在编织层内轴向梯度结构时，多自由度机械手只在轴向方向抽取芯轴并且改变芯轴抽取速度；同时两组携纱器带着锭子在携纱器运动轨道上绕着顺时针和逆时针方向转动，锭子上的编织纱经过内导向环或者外导向环相互交织包覆在芯轴上面，进而得到层内轴向结构梯度变化编织物。

6.如权利要求3所述的梯度结构编织物的织造装置的织造方法，其特征在于：在编织层内周向梯度结构时，多自由度机械手夹持着芯轴并改变其在径向方向的位置，同时保持其轴向抽取速度不变；同时两组携纱器带着锭子在携纱器运动轨道上绕着顺时针和逆时针方向转动，锭子上的编织纱经过内导向环或者外导向环相互交织包覆在芯轴上面，从而得到层内周向结构梯度变化编织物；或者通过在内导向环或者外导向环上安装导向环内盘，改变导向环的形状和大小，实现层内周向结构梯度变化编织增强体的编织。

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