專利名稱：一種三維復合材料預制件單邊縫合線跡的形成方法
技術領域：
本發(fā)明涉及三維復合材料預制件制造技術，具體為一種三維復合材料預制件單邊縫合線跡的形成方法。
背景技術：
三維紡織復合材料是一種先進結構的復合材料，它克服了以往各種結構復合材料的層間強度低的致命缺點，具有良好的力學性能，可用來制造各種結構的承載構件，目前已廣泛應用于航空、航天、汽車、船舶等重要領域。在三維復合材料預制件產(chǎn)品的加工與制造過程中，主要采用粘接、編織等技術。但粘接技術在某些特定的條件下無法保證預制件產(chǎn)品的各項力學性能，而編織技術方面，目前小型的預制件產(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，而對于一些空間三維形狀的大型結構預制件產(chǎn)品，由于工藝復雜以及三維編織機靈活性的不足，導致僅采用編織方法更是難以實現(xiàn)。因此，在保證三維復合材料各項性能優(yōu)勢的前提下，縮短成產(chǎn)周期，提高成產(chǎn)效率，降低成產(chǎn)成本，實現(xiàn)預制件產(chǎn)品加工與制造的自動化，就成為了亟待解決的問題。采用縫合技術即可解決上述問題，它能夠提高預制件產(chǎn)品的層間斷裂韌性和疲勞強度等性能，將縫合技術與編織技術相結合，能夠實現(xiàn)空間復雜形狀的大型預制件產(chǎn)品的加工與制造，使其具有較好的連接強度，同時可以替代粘接和鉚接技術，應用于某些特殊領域的復合材料制造過程中?？p合是三維復合材料制造的一項重要技術。美國航空航天局的先進復合材料技術研究計劃(ACT計劃)和美國空軍的先進輕型飛機機身結構計劃(ALAFS計劃)均把縫合/RTM和縫合/RFI技術作為一項關鍵技術進行重點研究。我國在復合材料縫合技術研究與應用方面也給予了高度的重視，“十五”期間就將縫合與織物預成型體/RTM (RFI)技術作為主要研究內容，“十一五”發(fā)展規(guī)劃指出推廣使用縫編織物，鼓勵開發(fā)自動化程度高、工藝性能好的工藝設備。對于二維平面上的復合材料層間縫合，在普通工業(yè)縫紉機進行雙面縫合即可實現(xiàn)。但是對于幾何形狀復雜的三維立體預制件產(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制件，在加工過程中由于受到縫合角度和設備靈活性的限制，采用傳統(tǒng)的縫合方法難以實現(xiàn)。因此設計一種單邊縫合線跡的形成方法，成為三維紡織復合材料縫合技術向自動化、高效化發(fā)展的迫切要求。

發(fā)明內容
針對目前傳統(tǒng)縫合方法在復合材料異型預制件縫合操作的過程中，靈活性受到限制，特別是難以完成復雜空間形狀的大型結構件縫合操作的問題。本發(fā)明擬解決的技術問題是，提供一種三維復合材料預制件單邊縫合線跡的形成方法。該形成方法具有工藝簡單，縫合效果好，操作靈活，適應性強等特點，用以與單邊縫合設備相配合，可順利縫合復雜空間形狀的紡織三維復合材料預制件產(chǎn)品。本發(fā)明解決所述技術問題的技術方案是提出一種三維復合材料預制件單邊縫合線跡的形成方法，該形成方法利用引線機構、鉤線機構及挑線機構三者在時間上具有精確的運動配合關系完成單邊縫合線跡，主要分為4個步驟第I步，形成線環(huán)；設計使帶縫合線的引線機構引線針在與縫料上表面成45度方向穿過縫料上表面，運動至引線針行程最低點位置后返回；在引線針回程過程中，由于引線針與縫料間的作用力，致使縫線運動受阻，并逐漸形成線環(huán)，在此過程中所需的縫合線量由挑線機構配合輸送；第2步，鉤回線環(huán)；設計使鉤線機構的鉤線針沿與縫料垂直的方向運動，且使其運動到鉤線針行程最低點位置的時間相對于引線針運動到最低點位置的時間有所滯后，當引 線針上形成的線環(huán)達到理想狀態(tài)時，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動將縫合線帶出縫料的上表面；第3步，鎖住線環(huán)；當鉤線針鉤住線環(huán)再一次回到縫料的上表面時，新的線環(huán)會穿過上一次形成的線環(huán)，使兩個線環(huán)呈現(xiàn)相互鎖結狀態(tài)，完成一個縫合周期的操作，在此過程中，挑線機構中的挑線桿通過挑線動作將所述的線環(huán)拉緊；第4步，循環(huán)工作；重復所述的1-3步的縫合工作，經(jīng)設計數(shù)量周期的往復循環(huán)運動，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備相配合，只需將縫料固定，兩根縫針僅在工件的單側表面進行縫合，縫料另一側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，且具有工藝簡單，縫合效果好，操作靈活，適應性強等特點，所縫合復雜空間形狀的紡織三維復合材料預制件產(chǎn)品具有較強的層間斷裂韌性和疲勞強度等性能。


圖I是本發(fā)明三維復合材料預制件單邊縫合線跡的形成方法所使用的單邊縫合設備的機構簡圖；圖2是本發(fā)明三維復合材料預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)使其相互鎖結的過程示意圖；圖3是本發(fā)明三維復合材料預制件單邊縫合線跡的形成方法中引線機構、鉤線機構及挑線機構三者在時間上的運動配合關系示意圖；圖4是本發(fā)明三維復合材料預制件單邊縫合線跡的形成方法中，曲柄轉角與針桿位移一般關系的示意圖；其中，圖4(a)為鉤線機構曲柄轉角與針桿位移一般關系的示意圖；圖4 (b)為引線機構曲柄轉角與針桿位移一般關系的示意圖；圖5是本發(fā)明三維復合材料預制件單邊縫合線跡的形成方法一種實施例的單線鏈式縫合線跡照片圖。
具體實施例方式下面結合實施例及其附圖進一步描述本發(fā)明。本發(fā)明 設計的三維復合材料預制件單邊縫合線跡的形成方法(簡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”式縫合原理對應而言的，其是指該方法需要兩根縫針和一根縫合線來實現(xiàn)縫紉操作)設計的，通過單邊縫合設備的引線、鉤線和挑線機構三者完美配合，完成三維復合材料預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。依靠兩根縫針(鉤線針11和引線針21)的引線和鉤線動作巧妙配合，即可實現(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運動，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，挑線桿31配合送線，并將已形成線跡上的縫合線收緊，完成縫合的一個周期，依此循環(huán)往復可以順利完成單邊縫合任務。本發(fā)明所述的形成方法(參見圖1、2)主要分為4個步驟第I步,形成線環(huán)；設計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，運動至引線針21行程最低點位置后返回；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，致使縫合線運動受阻，并逐漸形成線環(huán)，在此過程中所需的用線量由挑線機構3配合輸送；第2步，鉤回線環(huán)；設計使鉤線針11沿與縫料6垂直的方向運動，且使其運動到鉤線針11行程最低點位置的時間相對于引線針21運動到最低點位置的時間有所滯后，當引線針21上形成的線環(huán)達到理想狀態(tài)時，鉤線針11從縫料6下表面將線環(huán)鉤住，通過鉤線針11的回程運動將縫合線帶出縫料6的上表面；第3步，鎖住線環(huán)；當鉤線針11鉤住線環(huán)再一次回到縫料6的上表面時，新的線環(huán)會穿過上一次形成的線環(huán)，使兩個線環(huán)呈現(xiàn)相互鎖結狀態(tài)，完成一個縫合周期的操作，在此過程中，挑線機構3中的挑線桿31通過挑線動作將所述的線環(huán)拉緊；第4步，循環(huán)工作；重復所述的1-3步的縫合工作，經(jīng)設計數(shù)量周期的往復循環(huán)運動，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構2、鉤線機構I及挑線機構3三者在時間上精確的運動配合關系。因此本發(fā)明針對單邊縫合設備中各機構在時間上的動作配合關系進行了詳細設計與規(guī)劃，利用幾何方法分析機構轉角與針桿位移的一般關系，推導出曲柄轉角之間的相位差計算公式，為形成預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)，關鍵問題在于鉤線針11、引線針21及挑線桿31三者的運動配合。如果縫合設備縫合能力的設計指標為100針/分鐘，整個機器人縫合系統(tǒng)的工作周期為T=O. 6s，縫合針距設計間隔為Λ S=IOmm,工業(yè)機器人的移動速度為ν=0. lm/s，則縫合設備和工藝的工作周期T1為
權利要求
1.一種三維復合材料預制件單邊縫合線跡的形成方法，該形成方法利用引線機構、鉤線機構及挑線機構三者在時間上具有精確的運動配合關系完成單邊縫合線跡，主要分為4個步驟第I步，形成線環(huán)；設計使帶縫合線的引線機構引線針在與縫料上表面成45度方向穿過縫料上表面，運動至引線針行程最低點位置后返回；在引線針回程過程中，由于引線針與縫料間的作用力，致使縫線運動受阻，并逐漸形成線環(huán)，在此過程中所需的縫合線量由挑線機構配合輸送；第2步，鉤回線環(huán)；設計使鉤線機構的鉤線針沿與縫料垂直的方向運動，且使其運動到鉤線針行程最低點位置的時間相對于引線針運動到最低點位置的時間有所滯后，當引線針上形成的線環(huán)達到理想狀態(tài)時，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動將縫合線帶出縫料的上表面；第3步，鎖住線環(huán)；當鉤線針鉤住線環(huán)再一次回到縫料的上表面時，新的線環(huán)會穿過上一次形成的線環(huán)，使兩個線環(huán)呈現(xiàn)相互鎖結狀態(tài)，完成一個縫合周期的操作，在此過程中，挑線機構中的挑線桿通過挑線動作將所述的線環(huán)拉緊；第4步，循環(huán)工作；重復所述的1-3步的縫合工作，經(jīng)設計數(shù)量周期的往復循環(huán)運動，最終形成本發(fā)明所述的單邊縫合線跡。
2.根據(jù)權利要求I所述三維復合材料預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動過程中，其下止點與針尖之間的距離為15_，所述引線針與鉤線針兩者曲柄轉角的相位差為55°。
3.根據(jù)權利要求I所述三維復合材料預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式縫合；縫合針距5 - IOmm ;縫合線為碳纖維線或芳綸纖維線；搭接長度40 — 80mm ;縫合速度100 — 200針/分鐘；縫合方向為引線針和鉤線針分別與縫料呈45°和90°夾角的方向縫合運動。
全文摘要
本發(fā)明公開一種三維復合材料預制件單邊縫合線跡的形成方法，該形成方法利用引線機構、鉤線機構及挑線機構三者在時間上具有精確的運動配合關系完成單邊縫合線跡，主要分為4個步驟第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；重復所述的1-3步的縫合工作，經(jīng)設計數(shù)量周期的往復循環(huán)運動，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單，縫合效果好，操作靈活，適應性強等特點，所縫合復雜空間形狀的紡織三維復合材料預制件產(chǎn)品具有較強的層間斷裂韌性和疲勞強度等性能。
文檔編號D05B1/02GK102926137SQ20121045276
公開日2013年2月13日 申請日期2012年11月13日 優(yōu)先權日2012年11月13日
發(fā)明者李亮玉, 岳建鋒, 姚福林, 馬明 申請人:天津工業(yè)大學