專利名稱：一種三維復(fù)合材料預(yù)制件單邊縫合線跡的形成方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及三維復(fù)合材料預(yù)制件制造技術(shù)，具體為一種三維復(fù)合材料預(yù)制件單邊縫合線跡的形成方法。
背景技術(shù)：
三維紡織復(fù)合材料是一種先進(jìn)結(jié)構(gòu)的復(fù)合材料，它克服了以往各種結(jié)構(gòu)復(fù)合材料的層間強(qiáng)度低的致命缺點(diǎn)，具有良好的力學(xué)性能，可用來制造各種結(jié)構(gòu)的承載構(gòu)件，目前已廣泛應(yīng)用于航空、航天、汽車、船舶等重要領(lǐng)域。在三維復(fù)合材料預(yù)制件產(chǎn)品的加工與制造過程中，主要采用粘接、編織等技術(shù)。但粘接技術(shù)在某些特定的條件下無法保證預(yù)制件產(chǎn)品的各項(xiàng)力學(xué)性能，而編織技術(shù)方面，目前小型的預(yù)制件產(chǎn)品多采用人工操作，產(chǎn)品的加工成本高，生產(chǎn)效率卻很低，而對(duì)于一些空間三維形狀的大型結(jié)構(gòu)預(yù)制件產(chǎn)品，由于工藝復(fù)雜以及三維編織機(jī)靈活性的不足，導(dǎo)致僅采用編織方法更是難以實(shí)現(xiàn)。因此，在保證三維復(fù)合材料各項(xiàng)性能優(yōu)勢(shì)的前提下，縮短成產(chǎn)周期，提高成產(chǎn)效率，降低成產(chǎn)成本，實(shí)現(xiàn)預(yù)制件產(chǎn)品加工與制造的自動(dòng)化，就成為了亟待解決的問題。采用縫合技術(shù)即可解決上述問題，它能夠提高預(yù)制件產(chǎn)品的層間斷裂韌性和疲勞強(qiáng)度等性能，將縫合技術(shù)與編織技術(shù)相結(jié)合，能夠?qū)崿F(xiàn)空間復(fù)雜形狀的大型預(yù)制件產(chǎn)品的加工與制造，使其具有較好的連接強(qiáng)度，同時(shí)可以替代粘接和鉚接技術(shù)，應(yīng)用于某些特殊領(lǐng)域的復(fù)合材料制造過程中?？p合是三維復(fù)合材料制造的一項(xiàng)重要技術(shù)。美國(guó)航空航天局的先進(jìn)復(fù)合材料技術(shù)研究計(jì)劃(ACT計(jì)劃)和美國(guó)空軍的先進(jìn)輕型飛機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)計(jì)劃(ALAFS計(jì)劃)均把縫合/RTM和縫合/RFI技術(shù)作為一項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)行重點(diǎn)研究。我國(guó)在復(fù)合材料縫合技術(shù)研究與應(yīng)用方面也給予了高度的重視，“十五”期間就將縫合與織物預(yù)成型體/RTM (RFI)技術(shù)作為主要研究?jī)?nèi)容，“十一五”發(fā)展規(guī)劃指出推廣使用縫編織物，鼓勵(lì)開發(fā)自動(dòng)化程度高、工藝性能好的工藝設(shè)備。對(duì)于二維平面上的復(fù)合材料層間縫合，在普通工業(yè)縫紉機(jī)進(jìn)行雙面縫合即可實(shí)現(xiàn)。但是對(duì)于幾何形狀復(fù)雜的三維立體預(yù)制件產(chǎn)品，特別是三維整體編織工藝一次織造不出來的復(fù)雜大型異型件，需要沿空間三維縫合線將異型件縫合起來形成預(yù)制件，在加工過程中由于受到縫合角度和設(shè)備靈活性的限制，采用傳統(tǒng)的縫合方法難以實(shí)現(xiàn)。因此設(shè)計(jì)一種單邊縫合線跡的形成方法，成為三維紡織復(fù)合材料縫合技術(shù)向自動(dòng)化、高效化發(fā)展的迫切要求。

發(fā)明內(nèi)容
針對(duì)目前傳統(tǒng)縫合方法在復(fù)合材料異型預(yù)制件縫合操作的過程中，靈活性受到限制，特別是難以完成復(fù)雜空間形狀的大型結(jié)構(gòu)件縫合操作的問題。本發(fā)明擬解決的技術(shù)問題是，提供一種三維復(fù)合材料預(yù)制件單邊縫合線跡的形成方法。該形成方法具有工藝簡(jiǎn)單，縫合效果好，操作靈活，適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，用以與單邊縫合設(shè)備相配合，可順利縫合復(fù)雜空間形狀的紡織三維復(fù)合材料預(yù)制件產(chǎn)品。本發(fā)明解決所述技術(shù)問題的技術(shù)方案是提出一種三維復(fù)合材料預(yù)制件單邊縫合線跡的形成方法，該形成方法利用引線機(jī)構(gòu)、鉤線機(jī)構(gòu)及挑線機(jī)構(gòu)三者在時(shí)間上具有精確的運(yùn)動(dòng)配合關(guān)系完成單邊縫合線跡，主要分為4個(gè)步驟第I步，形成線環(huán)；設(shè)計(jì)使帶縫合線的引線機(jī)構(gòu)引線針在與縫料上表面成45度方向穿過縫料上表面，運(yùn)動(dòng)至引線針行程最低點(diǎn)位置后返回；在引線針回程過程中，由于引線針與縫料間的作用力，致使縫線運(yùn)動(dòng)受阻，并逐漸形成線環(huán)，在此過程中所需的縫合線量由挑線機(jī)構(gòu)配合輸送；第2步，鉤回線環(huán)；設(shè)計(jì)使鉤線機(jī)構(gòu)的鉤線針沿與縫料垂直的方向運(yùn)動(dòng)，且使其運(yùn)動(dòng)到鉤線針行程最低點(diǎn)位置的時(shí)間相對(duì)于引線針運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)位置的時(shí)間有所滯后，當(dāng)引 線針上形成的線環(huán)達(dá)到理想狀態(tài)時(shí)，鉤線針從縫料下表面將線環(huán)鉤住，并通過鉤線針的回程運(yùn)動(dòng)將縫合線帶出縫料的上表面；第3步，鎖住線環(huán)；當(dāng)鉤線針鉤住線環(huán)再一次回到縫料的上表面時(shí)，新的線環(huán)會(huì)穿過上一次形成的線環(huán)，使兩個(gè)線環(huán)呈現(xiàn)相互鎖結(jié)狀態(tài)，完成一個(gè)縫合周期的操作，在此過程中，挑線機(jī)構(gòu)中的挑線桿通過挑線動(dòng)作將所述的線環(huán)拉緊；第4步，循環(huán)工作；重復(fù)所述的1-3步的縫合工作，經(jīng)設(shè)計(jì)數(shù)量周期的往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，最終形成本發(fā)明所述的單邊縫合線跡。與傳統(tǒng)縫紉方法相比，本發(fā)明單邊縫合線跡形成方法與單邊縫合設(shè)備相配合，只需將縫料固定，兩根縫針僅在工件的單側(cè)表面進(jìn)行縫合，縫料另一側(cè)不需要任何縫合單元配合操作，工件的大小和形狀不受限制，且具有工藝簡(jiǎn)單，縫合效果好，操作靈活，適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，所縫合復(fù)雜空間形狀的紡織三維復(fù)合材料預(yù)制件產(chǎn)品具有較強(qiáng)的層間斷裂韌性和疲勞強(qiáng)度等性能。


圖I是本發(fā)明三維復(fù)合材料預(yù)制件單邊縫合線跡的形成方法所使用的單邊縫合設(shè)備的機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖；圖2是本發(fā)明三維復(fù)合材料預(yù)制件單邊縫合線跡的形成方法的線跡形成原理示意圖；其中，圖2 (a)為引線針21帶線穿過縫料6，并形成線環(huán)的過程示意圖；圖2 (b)為鉤線針11將線環(huán)鉤回縫料6上表面的過程示意圖；圖2 (c)為鉤線針11穿過上一周期形成的線環(huán)使其相互鎖結(jié)的過程示意圖；圖3是本發(fā)明三維復(fù)合材料預(yù)制件單邊縫合線跡的形成方法中引線機(jī)構(gòu)、鉤線機(jī)構(gòu)及挑線機(jī)構(gòu)三者在時(shí)間上的運(yùn)動(dòng)配合關(guān)系示意圖；圖4是本發(fā)明三維復(fù)合材料預(yù)制件單邊縫合線跡的形成方法中，曲柄轉(zhuǎn)角與針桿位移一般關(guān)系的示意圖；其中，圖4(a)為鉤線機(jī)構(gòu)曲柄轉(zhuǎn)角與針桿位移一般關(guān)系的示意圖；圖4 (b)為引線機(jī)構(gòu)曲柄轉(zhuǎn)角與針桿位移一般關(guān)系的示意圖；圖5是本發(fā)明三維復(fù)合材料預(yù)制件單邊縫合線跡的形成方法一種實(shí)施例的單線鏈?zhǔn)娇p合線跡照片圖。
具體實(shí)施例方式下面結(jié)合實(shí)施例及其附圖進(jìn)一步描述本發(fā)明。本發(fā)明 設(shè)計(jì)的三維復(fù)合材料預(yù)制件單邊縫合線跡的形成方法(簡(jiǎn)稱形成方法或縫合方法，參見圖1-5)是基于“兩針一線”縫合原理(“兩針一線”原理是與傳統(tǒng)縫紉方法的“一針一線”式縫合原理對(duì)應(yīng)而言的，其是指該方法需要兩根縫針和一根縫合線來實(shí)現(xiàn)縫紉操作)設(shè)計(jì)的，通過單邊縫合設(shè)備的引線、鉤線和挑線機(jī)構(gòu)三者完美配合，完成三維復(fù)合材料預(yù)制件的單邊縫合操作。本發(fā)明形成方法的鉤線針11和引線針21都位于縫料6或工件的上表面，在縫料6下方無任何與上表面接應(yīng)配合的縫合單元，只需在縫料6的下方給縫針留有一定的操作空間。依靠?jī)筛p針(鉤線針11和引線針21)的引線和鉤線動(dòng)作巧妙配合，即可實(shí)現(xiàn)所需要的單邊縫合線跡。在單邊縫合線跡的形成過程中，鉤線針11和引線針21都要沿著針桿的軸向方向做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，引線針21起到將縫合線引過縫料6并形成線環(huán)的作用，鉤線針11則起到將線環(huán)鉤回縫料6上表面的作用。與此同時(shí)，挑線桿31配合送線，并將已形成線跡上的縫合線收緊，完成縫合的一個(gè)周期，依此循環(huán)往復(fù)可以順利完成單邊縫合任務(wù)。本發(fā)明所述的形成方法(參見圖1、2)主要分為4個(gè)步驟第I步,形成線環(huán)；設(shè)計(jì)使帶縫合線的引線針21在與縫料6上表面成45度方向穿過縫料6上表面，運(yùn)動(dòng)至引線針21行程最低點(diǎn)位置后返回；在引線針21回程過程中，由于引線針21與縫料6間的作用力，致使縫合線運(yùn)動(dòng)受阻，并逐漸形成線環(huán)，在此過程中所需的用線量由挑線機(jī)構(gòu)3配合輸送；第2步，鉤回線環(huán)；設(shè)計(jì)使鉤線針11沿與縫料6垂直的方向運(yùn)動(dòng)，且使其運(yùn)動(dòng)到鉤線針11行程最低點(diǎn)位置的時(shí)間相對(duì)于引線針21運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)位置的時(shí)間有所滯后，當(dāng)引線針21上形成的線環(huán)達(dá)到理想狀態(tài)時(shí)，鉤線針11從縫料6下表面將線環(huán)鉤住，通過鉤線針11的回程運(yùn)動(dòng)將縫合線帶出縫料6的上表面；第3步，鎖住線環(huán)；當(dāng)鉤線針11鉤住線環(huán)再一次回到縫料6的上表面時(shí)，新的線環(huán)會(huì)穿過上一次形成的線環(huán)，使兩個(gè)線環(huán)呈現(xiàn)相互鎖結(jié)狀態(tài)，完成一個(gè)縫合周期的操作，在此過程中，挑線機(jī)構(gòu)3中的挑線桿31通過挑線動(dòng)作將所述的線環(huán)拉緊；第4步，循環(huán)工作；重復(fù)所述的1-3步的縫合工作，經(jīng)設(shè)計(jì)數(shù)量周期的往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，最終形成本發(fā)明所述的單邊縫合線跡。本發(fā)明形成方法理想縫合線跡的形成，其前提條件是引線機(jī)構(gòu)2、鉤線機(jī)構(gòu)I及挑線機(jī)構(gòu)3三者在時(shí)間上精確的運(yùn)動(dòng)配合關(guān)系。因此本發(fā)明針對(duì)單邊縫合設(shè)備中各機(jī)構(gòu)在時(shí)間上的動(dòng)作配合關(guān)系進(jìn)行了詳細(xì)設(shè)計(jì)與規(guī)劃，利用幾何方法分析機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)角與針桿位移的一般關(guān)系，推導(dǎo)出曲柄轉(zhuǎn)角之間的相位差計(jì)算公式，為形成預(yù)期理想的縫合線跡提供了理論依據(jù)。要形成連續(xù)縫合線跡(參見圖2、5)，關(guān)鍵問題在于鉤線針11、引線針21及挑線桿31三者的運(yùn)動(dòng)配合。如果縫合設(shè)備縫合能力的設(shè)計(jì)指標(biāo)為100針/分鐘，整個(gè)機(jī)器人縫合系統(tǒng)的工作周期為T=O. 6s，縫合針距設(shè)計(jì)間隔為Λ S=IOmm,工業(yè)機(jī)器人的移動(dòng)速度為ν=0. lm/s，則縫合設(shè)備和工藝的工作周期T1為
權(quán)利要求
1.一種三維復(fù)合材料預(yù)制件單邊縫合線跡的形成方法，該形成方法利用引線機(jī)構(gòu)、鉤線機(jī)構(gòu)及挑線機(jī)構(gòu)三者在時(shí)間上具有精確的運(yùn)動(dòng)配合關(guān)系完成單邊縫合線跡，主要分為4個(gè)步驟第I步，形成線環(huán)；設(shè)計(jì)使帶縫合線的引線機(jī)構(gòu)引線針在與縫料上表面成45度方向穿過縫料上表面，運(yùn)動(dòng)至引線針行程最低點(diǎn)位置后返回；在引線針回程過程中，由于引線針與縫料間的作用力，致使縫線運(yùn)動(dòng)受阻，并逐漸形成線環(huán)，在此過程中所需的縫合線量由挑線機(jī)構(gòu)配合輸送；第2步，鉤回線環(huán)；設(shè)計(jì)使鉤線機(jī)構(gòu)的鉤線針沿與縫料垂直的方向運(yùn)動(dòng)，且使其運(yùn)動(dòng)到鉤線針行程最低點(diǎn)位置的時(shí)間相對(duì)于引線針運(yùn)動(dòng)到最低點(diǎn)位置的時(shí)間有所滯后，當(dāng)引線針上形成的線環(huán)達(dá)到理想狀態(tài)時(shí)，鉤線針從縫料下表面將線環(huán)鉤住，并通過鉤線針的回程運(yùn)動(dòng)將縫合線帶出縫料的上表面；第3步，鎖住線環(huán)；當(dāng)鉤線針鉤住線環(huán)再一次回到縫料的上表面時(shí)，新的線環(huán)會(huì)穿過上一次形成的線環(huán)，使兩個(gè)線環(huán)呈現(xiàn)相互鎖結(jié)狀態(tài)，完成一個(gè)縫合周期的操作，在此過程中，挑線機(jī)構(gòu)中的挑線桿通過挑線動(dòng)作將所述的線環(huán)拉緊；第4步，循環(huán)工作；重復(fù)所述的1-3步的縫合工作，經(jīng)設(shè)計(jì)數(shù)量周期的往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，最終形成本發(fā)明所述的單邊縫合線跡。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述三維復(fù)合材料預(yù)制件單邊縫合線跡的形成方法，其特征在于所述引線針做回升運(yùn)動(dòng)過程中，其下止點(diǎn)與針尖之間的距離為15_，所述引線針與鉤線針兩者曲柄轉(zhuǎn)角的相位差為55°。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述三維復(fù)合材料預(yù)制件單邊縫合線跡的形成方法，其特征在于縫合方式為單線鏈?zhǔn)娇p合；縫合針距5 - IOmm ;縫合線為碳纖維線或芳綸纖維線；搭接長(zhǎng)度40 — 80mm ;縫合速度100 — 200針/分鐘；縫合方向?yàn)橐€針和鉤線針分別與縫料呈45°和90°夾角的方向縫合運(yùn)動(dòng)。
全文摘要
本發(fā)明公開一種三維復(fù)合材料預(yù)制件單邊縫合線跡的形成方法，該形成方法利用引線機(jī)構(gòu)、鉤線機(jī)構(gòu)及挑線機(jī)構(gòu)三者在時(shí)間上具有精確的運(yùn)動(dòng)配合關(guān)系完成單邊縫合線跡，主要分為4個(gè)步驟第1步，形成線環(huán)；第2步，鉤回線環(huán)；第3步，鎖住線環(huán)；第4步，循環(huán)工作；重復(fù)所述的1-3步的縫合工作，經(jīng)設(shè)計(jì)數(shù)量周期的往復(fù)循環(huán)運(yùn)動(dòng)，最終形成本發(fā)明所述的單邊縫合線跡。本發(fā)明單邊縫合線跡形成方法具有工藝簡(jiǎn)單，縫合效果好，操作靈活，適應(yīng)性強(qiáng)等特點(diǎn)，所縫合復(fù)雜空間形狀的紡織三維復(fù)合材料預(yù)制件產(chǎn)品具有較強(qiáng)的層間斷裂韌性和疲勞強(qiáng)度等性能。
文檔編號(hào)D05B1/02GK102926137SQ20121045276
公開日2013年2月13日 申請(qǐng)日期2012年11月13日 優(yōu)先權(quán)日2012年11月13日
發(fā)明者李亮玉, 岳建鋒, 姚福林, 馬明 申請(qǐng)人:天津工業(yè)大學(xué)