大型自动化三维编织复合材料编织机的开发
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摘要：三维编织复合材料在航天中应用中具有突出优势，在先进复合材料制造集成中存在自动化程度低，产品均匀度，重复性差等问题。本文根据三维编织复合材料编织工艺特点，研究开发了具有自动化程度高、自动编织的大型三维编织复合材料编织机，具有高效、自诊断故障功能。经几年使用，编织机运行稳定，生产了大量的航天复合材料制件。它为先进智能复合材料的研发与应用提供了依据。
关键词：三维编织复合材料；磁开关传感器；工艺文件；预制件
中图分类号：TS101.2 文献标志码：A
Abstract： Three-dimensional braided composite materials have outstanding advantages in aerospace applications. However， there are some problems yet to be improved in the production of such materials， such as low automation level， poor product uniformity and reproducibility. With a lot of research efforts and in accordance with the characteristics of the braiding technology， a highly automated large-scale knitting machine for three-dimensional braided materials has been developed， with high efficiency and self fault diagnosis function. For several years， it has been running smoothly and produced a lot of composite parts for aerospace application.
Keywords： three-dimensional braided composites material； magnetic switch sensor； technic file； preform； Winio
三维整体编织技术是20世纪80年展起来的高新纺织技术，具有异型件一次编织成型的特点。编织过程中，所有纱线同时参加织造，每根纱线按一定的规律运动，从而相互交织在一起，形成一个三维整体织物。这种增强结构的复合材料具有轻质、不分层、强度高、整体性能好和结构设计灵活等特点，为复合材料应用于承载结构提供了广阔的前景，已在航天、航空、交通、化工、体育、医疗等领域得到了广泛的应用。
1982年，Flornetine发明了称为Mganawevae的编织机，奠定了纵横编织的技术基础。从此，对纵横编织技术和编织预型件的研究进入一个新时期，80年代末至90年代中期出现了一个研究高潮，在编织模式、编织设备以及编织预制件的结构和性能方面都取得了相当大的进展。
天津工业大学是我国较早研究三维编织复合材料的单位之一，经过20年的研究，成功研究了多项三维异型整体编织的关键技术，成功研制了世界上最大的计算机控制的三维整体编织机，形成了三维纺织技术和设备、三维纺织复合材料的复合固化技术和设备、三维纺织复合材料细观结构分析和力学性能分析与预测的计算机辅助设计等研究领域。
本文研究的对象针对纵横编织技术的大型三维编织机，实现自动编织异构预制件产品。该编织机在编织过程中根据“四步法”编制工艺，实行自动化编织，大大提高了生产效率，根据预先编制的工艺文件可生产出航天、航空用各种制件。
1.1 四步法编织规律
在纵横编织技术中，机器底盘是由按照行或者列排列的携纱器构成，携纱器被安放在轨道的槽中，轨道按一定的规律运动而带动携纱器运动（沿行的方向运动），同时，携纱器在轨道槽中也按一定的规律运动（沿列的方向运动），从而使携纱器从一个轨道的某一位置运动到另一个轨道的另一个位置上，即携纱器在机器底盘上按一定的规律运动。
四步法是典型的纵横编织技术。四步法方型编织示意如图 1 所示，编织纱由携纱器携带，以排和列的形式分布在机床平面内排成方阵，称之纱线为主体纱，在主体纱的间隔排行编织纱线，此部分称之为边纱，编织好的制件悬挂安装在机床的上方，纱线按规定方式排列，编织过程是通过机床上的携纱器携带纱锭的移动来实现的。
如图 1 所示，主体携纱器排成m行和n列的主体阵列，附加携纱器间隔排列在主体阵列的周围。每一携纱器上携带一根编织纱线，编织过程由行和列的四步间歇运动实现。
四步编织过程如图 2 所示，编织纤维束排列成矩形阵列。初始位置，底盘的坐标为沿北向南方向X轴，从 0 开始记数；沿西向东方向Y轴，从 0 开始记数。在第 1 步编织中，第 1、3 行携纱器向右移动一步，第 2 行携纱器左移动一步；在第 2 步编织中，第 1、3 列向下移动一步，第 2 列向上移动一步；第 3 步编织时，按照与第一步相反的方向交错移动各行，第 1、3 行携纱器向右移动一步，第 2 行携纱器向左移动一步；第 4 步编织时，按照与第二步相反的方向交错移动各列，第 1、3 列向上移动一步，第 2 列向下移动一步。经过一个机器循环后，这四种携纱器的位置依次进行了轮换，从而构成了一个完整的机器循环。经过S个机器循环后，每个携纱器都将回到初始位置。
S=4（mn+m+n）/g （1）
2 底盘计算机控制与监控系统
2.1 编织机控制系统
编织机设置的行列数为：180×120，在对应的行列位置上装有位置检测FESTO汽阀，汽阀根据工艺文件由计算机控制实现开启与闭合，完成编织过程（图 3）。为了检测汽阀推动机床是否到位，以及汽阀工作是否复位，在每个汽阀上装有个传感器。当汽阀推动机床到位时，前位传感器检测到信号，表示汽阀工作正常；当汽阀复位时，后位传感器检测到信号，表示汽阀工作后复位到位。
计算机完成汽阀的动作由ACL7130控制卡实现。位置传感器与ACL7130的连接如图 4 所示。汽阀驱动电路如图5 所示。为在Windows系统使用I/O控制，系统使用了Winioh函数。WinIO是一个对I/O端口和物理内存进行存取操作的系统链接组件，通过使用一种内核模式的设备驱动器和其它几种底层编程，对接指定端口操作。
2.2 编织过程实时监控系统
在系统中，对编织每个汽阀位置作故障检测，当编织过程发生中断的时，通过检查机器底盘上携纱器的排列位置，可以快速调整机器。在机器编织过程中检测系统能够实时地显示底盘的运动过程。下面以45号携纱器说明。
机器开始置位后，底盘的布局如图6（a）所示，行与列呈一进一出的排列，单行或者列携纱器数量相同，标记第45号携纱器为红色。
机器执行指令“D”后，北向的汽阀打阀，推动第45号携纱器向南走一步，底盘的布局如图6（b）所示；机器执行指令“L”后，东向的汽阀打阀，推动第45号携纱器向西走一步，底盘的布局如图6（c）所示；机器执行指令“U”后，东向的汽阀打阀，推动第45号携纱器向西走一步，底盘的布局如图6（d）所示；机器执行指令“L”后，东向的汽阀打阀，推动第45号携纱器向西走一步，底盘的布局如图6（e）所示。
3 试验结果分析
图 7、图 9 为智能三维编织机生产的碳纤维和玻璃纤维复合材料制件，图 8、图10分别为它们的表面编织角分布图。可以看出，编织机编织的预制件具有良好的制件参数一致性，对于制件的应用提供了保证。
4 结论
（1）分析编织机机器底盘上携纱器运动。对机器底盘的运动检测可以转化为对汽阀的位置和打阀动作的检测，结合打阀动作之前的底盘布局和携纱器按照行或者列组成的运动规律，最后推导出打阀动作后的底盘布局。对于全自动三维编织复合材料编织的研究具有重要的理论意义。
（2）在系统设计上，使用XML作为数据传输的工具，图形处理模块可以放在远程的计算机上，能够为远程检测提供良好的方法。
参考文献
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