劉志勇，董九志，蔣秀明，陳云軍

(天津工業(yè)大學 天津市現(xiàn)代機電裝備技術重點實驗室，天津 300387)

0 引言

整體穿刺是一種新型碳纖維立體織物成型技術，最早由美國AVCO公司研究成功[1]。整體穿刺織物是一種結構特殊的碳纖維立體織物，具有良好的整體結構和較高的纖維體積含量，是制作高性能防熱隔熱碳或碳復合材料的優(yōu)良基材[2]。我國整體穿刺技術最先由南京玻璃纖維研究院實現(xiàn)重大技術突破[3]。

為配合整體穿刺立體織物生產，南京玻璃纖維研究院研制出整體穿刺機用于實施疊層機織碳布與z向鋼針陣列整體刺布、移布、加壓密實等操作，提高了立體織物生產的自動化程度及效率[4]。傳統(tǒng)的碳布輸送由手工完成，張力不穩(wěn)定且效率較低，穿刺區(qū)域陣列有大量鋼針，手工送布存在安全隱患。該碳布輸送裝置是在天津工業(yè)大學已研制完成的數字化整體穿刺機基礎上，根據碳布輸送的功能需求和碳纖維立體織物成型的工藝流程，設計適合在狹小空間內工作的數字化整體穿刺機輔助裝置，旨在提高整體穿刺的成型效率和產品質量。筆者所提送布機構采用懸臂式結構，更適合在狹小空間內工作；壓布機構和控布機構采用伸縮氣缸作為驅動元件，控制簡單，適合在快速高效的環(huán)境下工作，滿足工藝要求,碳布平整無褶皺。

1 碳布輸送裝置功能需求分析

數字化整體穿刺機碳布輸送工藝要求：將機織緞紋碳布以正交疊層方式平整無褶皺地輸送到穿刺區(qū)域。碳布輸送裝置主要作用是實現(xiàn)整體穿刺機完成碳布的輸送與鋪放。碳布輸送裝置設計時需分x向與y向兩組正交放置，碳布輸送時分x向與y向依次交替工作，以達到正交疊層的效果，正交疊層鋪放示意見圖1。

圖1 正交疊層鋪放示意

穿刺模板由導向軸定位并安裝在升降工作臺上，鋼針布放在穿刺模板中，鋼針針尖距穿刺模板上表面為固定穿刺距離，穿刺模板和曲柄滑塊相連，在曲柄連桿的驅動下穿刺模板可沿導向軸上下滑動，以完成穿刺，碳布輸送裝置工作區(qū)域示意見圖2。

1，3—穿刺模板；2—導向軸；4—陣列鋼針。圖2 碳布輸送裝置工作區(qū)域

驅動穿刺模板曲柄長度為40 mm，故穿刺模板位于最上端穿刺位置時距最下端穿刺模板80 mm；整體穿刺機成型立體織物平面為100 mm×100 mm，碳布寬度為120 mm，左右定位導向軸之間預留距離為224 mm，碳布輸送裝置在此區(qū)域內完成送布、控布和壓布。

正交疊層機織碳布整體穿刺機成型立體織物方式為逐層鋪放，逐層穿刺，為滿足工藝要求，碳布的輸送為非連續(xù)性輸送，x、y向交替工作，以達到正交疊層的效果；機織緞紋碳布為柔性卷材，在碳布的非連續(xù)輸送過程中，需控制碳布張力在合理范圍內，以減小碳布張力的波動，防止碳布在輸送過程中產生褶皺或斷裂。所以，碳布輸送裝置總體設計要求為：在狹小的空間內完成送布、控布和壓布，并控制在碳布輸送過程中的張力。

2 正交疊層機織碳布輸送裝置設計

碳布輸送系統(tǒng)主要包括放卷機構、張力控制機構、送布機構和整體穿刺機。碳布由放卷機構放卷后，經過張力控制機構，由進給模塊將碳布輸送到整體穿刺模塊，完成整體穿刺，碳布輸送系統(tǒng)見圖3。

1—放卷機構；2—張力控制機構；3—送布機構；4—整體穿刺機。圖3 碳布輸送系統(tǒng)組成

碳布輸送流程：鋼針陣列布放在穿刺模板內并固定在工裝上，工裝安裝在升降工作臺上，升降工作臺驅動放有鋼針的孔板上升到穿刺位置。首次送布時，x向送布機構夾持碳布并輸送到穿刺區(qū)域，壓布機構下壓將碳布壓入針尖內，隨后送布機構、壓布機構撤離穿刺區(qū)域，穿刺模板向下移動，將碳布整體壓入鋼針中；y向送布機構重復x向動作，完成碳布輸送。再次送布時，控布光軸在氣缸驅動下移動到上一層碳布上，防止碳布在進給過程中與針尖發(fā)生干涉，控制碳布平整運行，防止發(fā)生褶皺，隨后送布機構前移將碳布輸送到穿刺區(qū)域，再次進行x向和y向動作。周而復始，完成整個立體織物的穿刺。

2.1 送布機構

送布機構采用懸臂式結構，由伺服電機、氣缸作為驅動元件，伺服電機通過同步帶、滾珠絲杠將動力傳遞給送布底板，控制底板前后移動，由線性滑軌導向，夾持氣缸根據送布底板的移動時間、距離，在固定的時間節(jié)點伸縮，達到夾持碳布、輸送碳布的目的，結構見圖4。支架上端安裝有直線軸承，與送布底板下表面貼合，可減少送布底板前后移動時的摩擦力，也可以支撐送布底板，防止送布底板因前端過重而發(fā)生變形。

1—夾持氣缸；2—送布底板；3—伺服電機；4—滾珠絲杠；5—線性滑軌；6—支架。圖4 送布機構

2.2 控布機構

控布機構主要用于控制碳布的走向，防止碳布在移動過程中與針尖發(fā)生干涉，或者因張力過小產生褶皺?？夭細飧谆钊麠U通過浮動接頭與控布光軸連接，控制控布光軸前后移動，控布光軸前端由裝有直線軸承的光軸座支撐，防止控布光軸由于懸臂過長而產生變形，結構見圖5。

1—光軸座；2—控布光軸；3—控布氣缸；4—浮動接頭；5—直線軸承。圖5 控布機構

2.3 壓布機構

壓布機構由雙軸氣缸驅動，壓布U型槽安裝在雙軸氣缸前端的安裝板上隨雙軸氣缸前后移動，壓布氣缸安裝在壓布U型槽上表面，壓布U型槽上表面兩側安裝有直線軸承，壓布氣缸和壓布板連接，壓布板隨壓布氣缸的伸縮上下移動，壓布板兩側安裝有導向光軸，導向光軸隨壓布板的上下移動在兩側軸線的直線軸承中上下滑動，結構見圖6。

1—雙軸氣缸；2—直線軸承；3—導向光軸；4—壓布氣缸；5—壓布U型槽；6—壓布板。圖6 壓布機構

送布機構將碳布送至穿刺區(qū)域后，并將碳布邊緣伸入到壓布U型槽內，壓布氣缸工作將碳布夾緊并壓入陣列的鋼針針尖中。

2.4 張力控制機構

在非連續(xù)碳布輸送過程中，卷徑的變化會引起碳布張力的變化，張力過大會造成碳布表面起皺甚至斷裂，張力過小碳布容易產生橫向漂移；頻繁啟停、加減速，也使碳布張力受到復雜且劇烈的影響。

如圖7所示，張力控制機構采用張力錘結構。張力錘上下裝有位置傳感器，通過控制碳布放卷速度，改變張力錘上下位置，從而改變碳布的張力。任意位置張力為：

F=G/2cosα。

1—碳布；2—滾輪；3—滾筒；4—輥子；5—上、下傳感器；6—浮動輥。圖7 碳布張力控制原理

3 關鍵件校核

3.1 送布底板

送布底板采用懸臂式結構，前端安裝有夾持碳布的夾持氣缸、夾布塊，變形過大導致送布底板前端與陣列的鋼針針尖發(fā)生干涉，送布底板使用的材料為45鋼，用ANSYS軟件對其進行靜力學分析，得到送布底板的應力、應變分析結果，見圖8和圖9。

分析結果表明，送布底板的應力、應變滿足結構設計要求，在正常工作時，送布底板在最大應變時不與其他元件發(fā)生干涉，且能滿足工藝要求。

圖8 送布底板應力變化

圖9 送布底板應變變化

3.2 壓布U型槽

壓布U型槽在壓布過程中受到壓布氣缸的正壓力，變形過大導致U型槽下端與穿刺模板發(fā)生干涉，壓布U型槽材料為45鋼，通過ANSYS軟件對其進行靜力學分析，其應力、應變見圖10和圖11。

圖10 壓布U型槽應力變化

圖11 壓布U型槽應變變化

分析結果表明，壓布U型槽的應力、應變能滿足結構設計要求，在正常工作時，壓布U型槽在最大應變處不與穿刺模板發(fā)生干涉，且能滿足壓布要求。

4 試驗驗證

正交疊層機織碳布輸送裝置樣機見圖12和圖13，為驗證碳布輸送裝置功能的可行性，將裝配完成的送布、壓布和控布機構安裝在整體穿刺機上進行碳布輸送試驗，結果發(fā)現(xiàn)碳布輸送裝置與整體穿刺機配合性好，能實現(xiàn)自動化碳布輸送。

圖12 送布、張力控制機構安裝

圖13 壓布、控布機構安裝

5 結語

針對疊層機織碳布穿刺機自動化成型碳纖維立體織物的實際需求，設計研制出自動化碳布輸送裝置，分x、y兩個方向放置，滿足了兩次送布間的正交疊層關系；送布機構、控布機構、壓布機構和張力控制機構與調偏機構之間協(xié)同配合，實現(xiàn)了碳布輸送的自動化和連續(xù)化；保證碳布在輸送過程中的控制張力在合理范圍內波動，滿足工藝要求，工作可靠，提高了生產效率。