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摘要：三维纺织复合材料由于优秀的力学性能，广泛应用于各个行业。但国内三维织物大都采用手工织造，无法保证织物质量。为了解决这些问题，研制了一种全自动三维织物织机。首先根据织物的织造要求对织机进行织造方案设计与整体尺寸规划；其次对织机各个机构进行分块细化设计；然后根据织造方案完成织机的控制系统设计，在设备装配工作完成后对整机进行运动调试；最后完成织物样品的织造与检测。实验结果证明该织机可以实现全自动化生产织造，提高了三维织物的织造效率，保证了织物的质量要求。
关键词：复合材料；三维织物；三维织机；全自动织造；织造效率；织物质量
ＤｅｓｉｇｎａｎｄＲｅｓｅａｒｃｈｏｆＫｅｙＴｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓｏｆＴｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌＦａｂｒｉｃＬｏｏｍｓ
ＺｈｏｕＺｈａｎ
（ＷｕｈａｎＤｉｎｇｄａｈｕｉＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙＣｏ．，Ｌｔｄ．，Ｗｕｈａｎ４３０２００，Ｃｈｉｎａ）
Ａｂｓｔｒａｃｔ：Ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｔｅｘｔｉｌｅｃｏｍｐｏｓｉｔｅｓａｒｅｗｉｄｅｌｙｕｓｅｄｉｎｖａｒｉｏｕｓｉｎｄｕｓｔｒｉｅｓｄｕｅｔｏｔｈｅｉｒｅｘｃｅｌｌｅｎｔｍｅｃｈａｎｉｃａｌｐｒｏｐｅｒｔｉｅｓ．Ｈｏｗｅｖｅｒ，ｍｏｓｔｏｆｔｈｅｄｏｍｅｓｔｉｃｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｆａｂｒｉｃｓａｒｅｈａｎｄ－ｗｏｖｅｎ，ａｎｄｔｈｅｑｕａｌｉｔｙｏｆｔｈｅｆａｂｒｉｃｃａｎｎｏｔｂｅｇｕａｒａｎｔｅｅｄ．Ｉｎｏｒｄｅｒｔｏｓｏｌｖｅｔｈｅｓｅ
ｐｒｏｂｌｅｍｓ，ａｆｕｌｌｙａｕｔｏｍａｔｉｃｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｆａｂｒｉｃｌｏｏｍｗａｓｄｅｖｅｌｏｐｅｄ．Ｆｉｒｓｔｌｙ，ａｃｃｏｒｄｉｎｇｔｏｔｈｅｗｅａｖｉｎｇｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｔｈｅｆａｂｒｉｃ，ｔｈｅ
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ｒｅｑｕｉｒｅｍｅｎｔｓｏｆｆａｂｒｉｃｓ．
Ｋｅｙｗｏｒｄｓ：ｃｏｍｐｏｓｉｔｅｍａｔｅｒｉａｌｓ；ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｆａｂｒｉｃｓ；ｔｈｒｅｅ－ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌｌｏｏｍｓ；ｆｕｌｌｙａｕｔｏｍａｔｉｃｗｅａｖｉｎｇ；ｗｅａｖｉｎｇｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙ；ｑｕａｌｉｔｙｏｆｆａｂｒｉｃｓ
０引言
三维织造技术是一种新型纺织技术，采用三维织物织造技术可以直接织造出三维复合材料增强体的整体预制件。以三维织物作为预制体的三维复合材料具有整体化纤维增强结构，其赋予复合材料极佳的层间剪切强度，极好的抗冲击损伤性，适宜的韧性和较高的比强度、比模量［１－２］，从根本上克服了传统多层织物层板层间的剪切强度低而且易分层的缺点，因此基于三维复合材料增强体的整体预制件逐渐成为近年来的研究热点［３－５］。利用碳纤维、石英玻璃纤维、高分子量聚乙烯等特殊纤维作为纱线，三维织造技术作为预制件成型方案，充分结合了纤维的特殊性能与三维织造技术的优点，所织造出来三维复合材料增强体具有重量轻、刚度好、强度高，以及极好的抗冲击性、抗剪切等特点［５－７］，在航空航天、国防军工、船舶制造等各个领域有着广泛的应用［８－９］。
随着三维纺织复合材料行业的高速发展，我国对于三维纺织复合材料的需求也在不断提高［１０－１２］。但目前内大部分企业仍然采用人工的方式来完成三维织物的织造工作，这种方式效率低、所生产的织物一致性较差，难以满足当前的需求［１３］，国外虽然已经拥有能够自动化织造三维织物的设备，但由于技术封锁，无法提供给国内生产企业使用［１４］。因此，研发具有独立自主知识产权的三维织造设备具有极其重要的意义。
本文研制了一种全自动三维织物织机，细化设计了织机各个机构，并根据织造方案开发织机的控制系统。设计的全自动化三维织物织机结构合理，可以很好地完成各种三维织物的织造需求，极大地提高了生产效率，同时提高了织物生产的一致性，给三维纺织复合材料提供了优良的预制体，具有极其重要的研究意义及实用价值。
１三维织物织机的方案设计
三维织物织机的主要目的是将多层经纱与纬纱按照一定的提综引纬规律织造，从而形成具有一定厚度的层层联锁织物，并且提高织物层与层之间在厚度方向上的作用力。一台完整的三维织物织机主要包括送经部分、提综部分、引纬部分、打纬部分、卷曲部分。该织机采用筒子架１的方式提供纱源，张力机构２给经纱提供一定的张力和纱线补偿量，拢纱机构３将纱线提前聚拢到织物所需幅宽范围内为后续织物的织造做准备。织机整体结构如图１所示。
三维织物织机在织造前，需要做好穿纱准备工作。首先将缠绕好的满纱管依次插入筒子架１中，然后依次将纱线穿过张力机构２、拢纱机构３、提综机构４、打纬机构５、引纬机构６、打纬机构７，最后将纱线固定在卷曲机构８上，从而完成织造前的准备工作，其各个机构的具体分析如下。
１．１筒子架
筒子架结构具体如图２所示，其主要作用是为所需生产的织物提供纱源，为每根纱线建立初始张力，并在筒子架的出纱位置将纱线按照次序排列好。筒子架主要由纱管１、张力器２、纱管固定座３、钢梳固定座４、机架５、导纱组件６组成。将缠绕好的纱管１插入纱管固定座３上，将纱线的一端依次穿过张力器２、导纱组件６中的导纱杆与钢梳中，为下一步穿纱工序做准备工作。其中张力器２的主要作用是调节单根纱线的张力大小，导纱组件的主要作用是将纱线按照规律依次排布，防止纱线在后续穿纱与织造过程中相互缠绕。
１．２张力机构
张力机构具体如图３所示，其主要作用是为纱线提供整层的张力，并在织物织造过程中为纱线提供补偿。张力机构主要包括托纱杆１、张力夹辊机构２、上夹辊３、纱线４、压紧弹簧５、压紧螺栓６、导向柱７、下夹辊８、限位块９、转轴１０摆臂１１、出纱导纱杆１２、出线钢梳１３。将筒子架部分出来的纱线，依次穿入张力部分出线钢梳１３、出纱导纱杆１２、摆臂１１、张力夹辊机构２、最后从张力部分出线钢梳穿出，其中张力摆杆１０的主要作用是在三维织物织机提综过程中，对整层纱线提供一定量的补偿，使得这些纱线在织造过程中始终具有一定的张力，通过调节摆杆上的重力调节块，可调节整层纱线的张力大小。托纱杆１的主要作用是为整层纱线在织造过程中提供一定的预紧力，通过调节张力夹辊机构两端的螺栓与弹簧来控制两根夹辊之间压力的大小，使得这些纱线通过张力夹辊机构时，具有一定的预紧力，防止纱线在织造的过程中松弛，造成纱线张力不均、出纱量不一致，影响织物的外观与力学性能。
１．３拢纱机构
拢纱机构具体如图４所示，拢纱机构主要由拢纱机架１、导纱杆２、钢梳３组成。从张力部分出来的各层纱线按照一定的规律分别穿过导纱杆，经过钢梳部分，穿入主机部分。导纱杆２的主要作用是将不同高度的纱线聚拢位于同一高度，钢梳３的主要作用是将不同宽度的纱线聚拢为织物所需要的宽度，为后续穿综丝做准备。
１．４提综机构
提综机构具体如图５所示，提综机构主要由提综气缸１、弹簧２、提综导向组件４、综框５组成。提综机构的主要作用是将不同层的纱线按照一定的规律提起放下，使得不同层的纱线按照要求相互错开，从而形成清晰的开口，为引纬做准备工作。其开口原理主要是通过电磁阀的通电断电来控制气缸的伸缩从而按照织物织造要求形成开口。当气缸缩回时综框依靠自身重力以及底部复位弹簧将其复位至综平位置。
１．５引纬机构
引纬机构具体如图６所示，其主要作用是将纬纱送入提综机构形成的经纱开口中，为边线机构钩住纬纱做准备工作。引纬机构主要包括引纬气缸１、箭杆２、滑块３、导轨４和引纬固定座５；引纬机构主要工作原理如下：剑杆通过固定座连接在气缸和导轨上，将纬纱穿过剑杆端部的小孔，通过电磁阀通电断电来控制左右引纬气缸的伸出与缩回，从而控制纬纱的送纬工作。
１．６打纬机构
打纬机构具体如图７所示，打纬机构主要包括打纬气缸１、夹持装置２、钢筘３、固定座４、滑块５、导轨６；从提综机构出来的纱线穿过钢扣，进入卷曲机构。钢筘的主要作用将经纱按照织物所需要的密度一列一列相互分隔，以此来保证最终织物的经密，同时通过打纬动作将纬纱打入形成开口的经纱中。其工作原理是通过气缸推动钢筘在导轨上做往复运动，将纬纱打紧至织口位置，从而形成紧密的织物。采用气缸进行平行式打纬能够有效减少筘板对纱线的磨损，同时保证不同层的纬纱最终在同一横截面上。
１．７边线机构
边线机构具体如图８所示，其主要作用是钩住纬纱，并将纬线送到织口位置。边线机构主要由水针气缸１、导轨２、滑块３、垂针４、传感器５、边线底板６组成。其中垂针４的主要作用是将引纬机构所送过来的纬线钩住，传感器５的主要作用是判断垂针４是否到达指定区域。水针的工作原理是推动左右垂针往复运动，将垂针钩住的纬纱送至织口位置，为打纬运动做准备工作。
１．８卷曲机构
卷曲机构具体如图９所示，卷曲机构主要由织物托板１、卷布辊２、减速机３、夹持装置４、电机５、卷曲底板６、卷曲机架７、链条８、链轮９、链条松紧装置１０组成。卷曲机构的主要作用是将织机所织造的织物按照指定纬纱密度引离织口，其原理是通过电机驱动链传动拖曳织物直线方向运动，其中链条的松紧程度根据链条松紧装置１０进行调节。普通卷曲机构主要是通过卷绕的方式运行，与普通织机的卷曲机构不同，由于三维织物具有一定的厚度，采用卷绕方式会导致三维织物结构破坏，因此设计的卷曲机构主要采用链传动拖曳的方式进行直线运动，从而完成卷曲工作。通过卷曲机构末端传感器判断是否完成预定长度的三维织物织造工作。
２控制系统设计
控制系统是保证该三维织物织机按照设定的参数和流程运转的核心，如图１０所示，该机主要采用ＰＬＣ作为主要控制器，通过ＣＰＵ２２４发送接收信号从而控制伺服电机驱动器、电磁阀、按钮指示灯以及开关。该控制系统采用ＰＲＯＦＩＢＵＳ总线将ＣＰＵ２２４、ＥＭ２７７通讯模块、触摸屏连在一起，通过程序控制驱动元器件，使得这些气缸、电机按照织造规律运动；触摸屏的作用是提供人机操作界面，方便人员进行操作调试。
３三维织物织机的工艺流程
该设备的织造工艺流程如图１１所示。
三维织物织机工艺流程主要工作内容如下。
（１）准备工作。首先将碳纤维纱管插入筒子架上的纱管固定座，将这些经纱依次穿过送经部分、提综部分、卷曲部分，将纬纱穿过打纬部分最终完成整个穿纱流程。
（２）设备运行。准备工作完成后，进行单步检测看是否出现异常，检查完毕后，单击启动按钮，设备开始进行回原操作，回原操作完成后，设备开始正常运行。
（３）结束工作。三维织物完成织造后，更换卷曲夹持位置，并将织造好的织物取出。
３织造试验验证
该织机的实物如图１２所示，所设计的三维织物织机可以满足经纱层数为２０层，每层经纱数量为８０根的三维织物织造要求，织机运行顺畅，长时间运行无故障，稳定性较高。
为了验证该织机织造过程中的稳定性和织物织造效果，本文以２０层的层－层正交角连锁织物结构为例，进行织物样品织造［１５－１６］。织物样品需求：经纱纬纱均采用碳纤维Ｔ７００－１２Ｋ，幅宽为２００ｍｍ，经密为４根／ｃｍ，经纱层数２０层。首先根据织物的幅宽、经密与经纱层数进行布纱、穿纱工作。其次根据织物的结构要求，绘制层－层正交角连锁织物结构的纹版图，其纹版图如图１３所示，横坐标代表综框编号，纵坐标代表引纬数。
然后将绘制好的纹版图导入控制系统，最后启动设备，进行全自动织造，在织造长度达到织物要求时，将织造好的样品剪裁下来。所织造的织物样品如图１４所示。织机织造过程运行稳定，织造效率可达３００ｍｍ／ｈ。
该织物外形美观、表面平整，充分验证了该设备的功能性与可靠性。所织造的织物具体参数如表１所示。
４结束语
通过所生产的实验样机进行织造验证，该全自动三维织物织机结构合理、控制系统运行稳定，能够全自动织造出符合要求的各种三维织物结构，很好地解决了目前依靠人工织造的繁琐过程，大大提高了织造效率。同时在织物织造过程中，除了前期布纱、穿纱外，人工参与度较少，织物质量可以得到保证，实现了机器代替人工。
该样机不仅仅可以织造出碳纤维三维织物，还适用于石英玻璃纤维、高分子量聚乙烯以及其他各种常见的纱线，大大提高了织机的适用范围。虽然该织机作为样机能够完成三维织物的织造工作，但作为标准产品机，仍需在织造效率、结构、外观上进一步优化与完善。
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