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        C/C復(fù)合材料預(yù)制體縫合裝置鎖扣機構(gòu)研制

        2019-07-01 10:02:06宋宗建董九志陳云軍王書舟
        紡織器材 2019年3期
        關(guān)鍵詞:鉤針廓線凸輪軸

        宋宗建,董九志,陳云軍,王書舟

        (天津工業(yè)大學(xué) a.天津市現(xiàn)代機電裝備技術(shù)重點實驗室;b.電工電能新技術(shù)天津市重點實驗室:天津 300387)

        0 引言

        復(fù)合材料縫合技術(shù),是針對傳統(tǒng)預(yù)制體成型方法不足而開發(fā)的一種全新技術(shù),通過縫合使復(fù)合材料在垂直于鋪層平面方向得到增強,從而提高材料層間損傷容限[1-2]。該技術(shù)起源于20世紀70年代,80年代時美國人L.A.Mingenery等在環(huán)氧樹脂/碳纖維體系固化前將碳纖維縫入層合板的厚度方向起承力作用,顯著提高了層間強度,之后縫合技術(shù)得到了各國的重視和研究[3]。近年來,我國北京航空制造工程研究所已在縫合復(fù)合材料計算機模擬仿真、復(fù)雜構(gòu)件預(yù)制體成型等方面取得了突破性進展[4-5],相應(yīng)的縫合設(shè)備迅猛發(fā)展,從最原始的工業(yè)縫紉機發(fā)展到由計算機控制的大型縫合設(shè)備[6]。

        鎖扣機構(gòu)用鉤針是單線鏈式縫合裝置的關(guān)鍵件,其作用是鉤取由引線針送至縫料底部的紗線線環(huán)并與上一線環(huán)形成環(huán)環(huán)相套的鎖扣線跡,其鉤取功能直接關(guān)系到縫合裝置是否研制成型。傳統(tǒng)的鏈式鎖扣裝置采用旋轉(zhuǎn)線鉤,在鎖扣過程中紗線線環(huán)始終被線鉤鉤取,紗線與線鉤的摩擦強度很大,極易導(dǎo)致紗線產(chǎn)生損傷甚至折斷,嚴重影響縫合質(zhì)量和縫合效率、甚至導(dǎo)致失敗。

        1 碳纖維縫合裝置鎖扣機構(gòu)設(shè)計

        在C/C復(fù)合材料預(yù)制體縫合裝置設(shè)計中,為使縫合裝置適用于碳纖維紗線,同時確保形成鏈式線跡的套三角動作可靠實現(xiàn),縫合裝置鎖扣機構(gòu)鉤針應(yīng)按照特定的工作運動要求、即小幅度擺動又移動,以使鉤針尖在空間形成所需的運動軌跡。為滿足此要求,設(shè)計出鎖扣機構(gòu)鉤針與引線針配合形成鏈式線跡過程,如圖1所示。

        a) b) c)

        d) e) f)

        鎖扣機構(gòu)鉤針的擺動和移動運動分別由盤形凸輪和圓柱形凸輪控制,其結(jié)構(gòu)如圖2所示。而兩個凸輪的從動件為鎖扣機構(gòu)的鉤針,安裝在能由兩個凸輪同時控制擺動和移動的安裝架上,其結(jié)構(gòu)如圖3所示。同時,在主軸凸輪的廓線設(shè)計時,為滿足鉤針尖運動軌跡要求,需要對鉤針擺動和移動的軌跡進行循環(huán)優(yōu)選設(shè)計。

        1—盤形凸輪;2—圓柱形凸輪。圖2 鎖扣機構(gòu)主軸凸輪

        1—鉤針安裝架;2—鉤針。圖3 凸輪從動件(鉤針)結(jié)構(gòu)

        2 鎖扣機構(gòu)鉤針運動規(guī)律設(shè)計

        2.1 鉤針運動規(guī)律規(guī)劃

        根據(jù)鉤針鎖扣動作設(shè)計,結(jié)合縫合裝置引線機構(gòu)運動,設(shè)計出鉤針的運動規(guī)律,如圖4所示。

        圖4 鉤針運動規(guī)律

        圖4中橫坐標為引紗機構(gòu)主軸轉(zhuǎn)角,縱坐標為引線針針尖刺入碳布底面深度。M,N點為凸輪軸起止轉(zhuǎn)動點;從A1點鉤針開始移動,見圖1e),到A2點鉤針停止移動;從C1點鉤針開始擺動,見圖1f),到C2點鉤針停止擺動;從B1點鉤針開始往回移動,見圖1b),到B2點鉤針停止移動。

        2.2 鉤針移動規(guī)律

        在確定鉤針移動規(guī)律前,首先應(yīng)確定鉤針最大移動距離,如圖5所示,鉤針最大移動距離S1為:

        S1=m/2+h+d/2

        (1)

        式(1)中,設(shè)鉤針厚度m為4 mm,機針直徑d為2.5 mm,鉤針與機針最大間隙h為0.55 mm,計算得S1=3.8 mm。

        圖5 鉤針移動距離

        結(jié)合前述對于鉤針運動規(guī)律的規(guī)劃,由鉤針最大移動距離可得鉤針移動規(guī)律,如圖6所示。

        圖6 鉤針移動規(guī)律

        A1-A2及B1-B2段運動曲線方程分別為:

        yA1A2=-(1.9/π)sin[9(φ-2π/9)]+

        (17.1/π)(φ-2π/9)

        (2)

        yB1B2=(1.9/π)sin[9(φ-35π/18)]-

        (17.1/π)(φ-35π/18)

        (3)

        式(2)、(3)中,φ為凸輪軸轉(zhuǎn)角/rad。

        2.3 鉤針擺動規(guī)律

        根據(jù)鉤針鎖扣動作設(shè)計,鉤針順時針擺動到最右端后,向前移動時鉤針應(yīng)不與引線針發(fā)生干涉,見圖1b)、圖1d);鉤針逆時針擺動到最左端時,線環(huán)應(yīng)能順利從鉤針上脫離,見圖1f),并且線環(huán)脫離后鉤針能順利鉤取下一個線環(huán),見圖1a),結(jié)合引線針直徑及鉤針安裝架結(jié)構(gòu)尺寸,可得鉤針擺角S2應(yīng)大于13°,取S2=18°,進而得到鉤針擺動規(guī)律,見圖7(擺角逆時針為正)。

        圖7 鉤針擺動規(guī)律

        yC1C2=-9cos[180/103(φ-97π/180)]+9

        (4)

        式(4)中,φ為凸輪軸轉(zhuǎn)角/rad。

        3 凸輪輪廓線設(shè)計

        3.1 鉤針移動凸輪設(shè)計

        在直角坐標系中展開圓柱形凸輪理論廓線為:

        (5)

        式(5)中:

        Rb——圓柱形凸輪最小外圓柱半徑/mm;

        φ——凸輪軸轉(zhuǎn)角/rad;

        S——鉤針移動動程/mm。

        則,圓柱形凸輪展開的實際輪廓坐標為:

        (6)

        式(6)中:

        Rr——滾子半徑/mm,取Rr=4 mm;

        λ——凸輪輪廓類型系數(shù),對于主廓線λ=1,對于副廓線,λ=-1;

        α——壓力角/rad。

        將相關(guān)參數(shù)代入式(6)中,利用Pro/E參數(shù)化建模功能可得到鉤針移動凸輪的實際廓線及三維模型,如圖8所示。

        圖8 移動凸輪實際廓線及三維模型

        3.2 鉤針擺動凸輪設(shè)計

        鉤針擺動凸輪機構(gòu),如圖9所示。

        圖9 擺動凸輪機構(gòu)

        圖9中βb,ψb為起始位置時(即凸輪軸轉(zhuǎn)角為0°時)的角度,計算公式為:

        (7)

        (8)

        式(7)、(8)中,Rb為凸輪基圓半徑/mm。則,擺動凸輪的理論廓線為:

        (9)

        式(9)中:

        η——相對位置符號系數(shù);

        φ——凸輪軸轉(zhuǎn)角/rad;

        ψ——鉤針擺角/rad。

        擺動凸輪實際廓線為:

        (10)

        式(10)中:

        Rr——滾子半徑/mm;

        λ——凸輪輪廓類型系數(shù);

        α——壓力角/rad。

        擺動從動件許用壓力角α為35°~45°,取45°;取Rb為5 mm,步長為0.5 mm,利用Matlab軟件進行迭代計算,得到滿足壓力角小于許用壓力角的最小基圓半徑Rb,min為14.5 mm,取17 mm。根據(jù)以上參數(shù),繪制出擺動凸輪實際輪廓線,如圖10所示。

        圖10 擺動凸輪實際廓線

        4 試驗驗證

        鎖扣裝置主動件為凸輪軸,因其受力不大,故對電機扭矩要求較低,僅需要實現(xiàn)精確控制即可,故選用型號為57BYGH56-401A型步進電機驅(qū)動鎖扣裝置凸輪軸。鎖扣機構(gòu)整體實物裝配圖見圖11。

        為了驗證縫合裝置鎖扣機構(gòu)功能的可行性,將裝配完成的鎖扣機構(gòu)安裝在碳布縫合裝置上進行縫合鎖扣工作,縫合鎖扣效果如圖12所示。經(jīng)試驗驗證,鎖扣機構(gòu)與縫合裝置引線機構(gòu)配合性好,能夠?qū)崿F(xiàn)碳纖維紗線自動化縫合鎖扣工作。

        圖11 鎖扣裝置實物

        圖12 縫合鎖扣效果

        5 結(jié)語

        針對C/C復(fù)合材料預(yù)制體縫合裝置碳纖維紗線單線鏈式鎖扣的實際需求,結(jié)合自主研制的縫合裝置,設(shè)計出專用的鉤針鎖扣機構(gòu)。該機構(gòu)通過同一旋轉(zhuǎn)主軸上的兩凸輪分別控制鉤針小范圍擺動和移動,完成鏈式縫合鎖扣,控制精度高,工作可靠,結(jié)構(gòu)緊湊,大大減小了碳纖維縫線的摩擦長度,確??p線不損傷,并配合縫合裝置進行C/C復(fù)合材料預(yù)制體縫合鎖扣試驗驗證,表明其原理可行、工作可靠。

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