一种三维复合材料预制件单边缝合线迹的形成方法

摘要

本发明公开一种三维复合材料预制件单边缝合线迹的形成方法，该形成方法利用引线机构、钩线机构及挑线机构三者在时间上具有精确的运动配合关系完成单边缝合线迹，主要分为4个步骤：第1步，形成线环；第2步，钩回线环；第3步，锁住线环；第4步，循环工作；重复所述的1-3步的缝合工作，经设计数量周期的往复循环运动，最终形成本发明所述的单边缝合线迹。本发明单边缝合线迹形成方法具有工艺简单，缝合效果好，操作灵活，适应性强等特点，所缝合复杂空间形状的纺织三维复合材料预制件产品具有较强的层间断裂韧性和疲劳强度等性能。

权利要求

1.一种三维复合材料预制件单边缝合线迹的形成方法，该形成方法利用引线机构、钩线机构及挑线机构三者在时间上具有精确的运动配合关系完成单边缝合线迹，主要分为4个步骤：第1步，形成线环；设计使带缝合线的引线机构引线针在与缝料上表面成45度方向穿过缝料上表面，运动至引线针行程最低点位置后返回；在引线针回程过程中，由于引线针与缝料间的作用力，致使缝线运动受阻，并逐渐形成线环，在此过程中所需的缝合线量由挑线机构配合输送；

第2步，钩回线环；设计使钩线机构的钩线针沿与缝料垂直的方向运动，且使其运动到钩线针行程最低点位置的时间相对于引线针运动到最低点位置的时间有所滞后，当引线针上形成的线环达到理想状态时，钩线针从缝料下表面将线环钩住，并通过钩线针的回程运动将缝合线带出缝料的上表面；

第3步，锁住线环；当钩线针钩住线环再一次回到缝料的上表面时，新的线环会穿过上一次形成的线环，使两个线环呈现相互锁结状态，完成一个缝合周期的操作，在此过程中，挑线机构中的挑线杆通过挑线动作将所述的线环拉紧；

第4步，循环工作；重复所述的1-3步的缝合工作，经设计数量周期的往复循环运动，最终形成单边缝合线迹。

2.根据权利要求1所述三维复合材料预制件单边缝合线迹的形成方法，其特征在于所述引线针做回升运动过程中，其下止点与针尖之间的距离为15mm，所述引线针与钩线针两者曲柄转角的相位差为55°。

3.根据权利要求1所述三维复合材料预制件单边缝合线迹的形成方法，其特征在于缝合方式为单线链式缝合；缝合针距5－10mm；缝合线为碳纤维线或芳纶纤维线；搭接长度

40－80mm；缝合速度100－200针/分钟；缝合方向为引线针和钩线针分别与缝料呈45°和90°夹角的方向缝合运动。

说明书

一种三维复合材料预制件单边缝合线迹的形成方法

技术领域

[0001] 本发明涉及三维复合材料预制件制造技术，具体为一种三维复合材料预制件单边缝合线迹的形成方法。

背景技术

[0002] 三维纺织复合材料是一种先进结构的复合材料，它克服了以往各种结构复合材料的层间强度低的致命缺点，具有良好的力学性能，可用来制造各种结构的承载构件，目前已广泛应用于航空、航天、汽车、船舶等重要领域。

[0003] 在三维复合材料预制件产品的加工与制造过程中，主要采用粘接、编织等技术。但粘接技术在某些特定的条件下无法保证预制件产品的各项力学性能，而编织技术方面，目前小型的预制件产品多采用人工操作，产品的加工成本高，生产效率却很低，而对于一些空间三维形状的大型结构预制件产品，由于工艺复杂以及三维编织机灵活性的不足，导致仅采用编织方法更是难以实现。因此，在保证三维复合材料各项性能优势的前提下，缩短成产周期，提高成产效率，降低成产成本，实现预制件产品加工与制造的自动化，就成为了亟待解决的问题。

[0004] 采用缝合技术即可解决上述问题，它能够提高预制件产品的层间断裂韧性和疲劳强度等性能，将缝合技术与编织技术相结合，能够实现空间复杂形状的大型预制件产品的加工与制造，使其具有较好的连接强度，同时可以替代粘接和铆接技术，应用于某些特殊领域的复合材料制造过程中。

[0005] 缝合是三维复合材料制造的一项重要技术。美国航空航天局的先进复合材料技术研究计划（ACT计划）和美国空军的先进轻型飞机机身结构计划（ALAFS计划）均把缝合/RTM和缝合/RFI技术作为一项关键技术进行重点研究。我国在复合材料缝合技术研究与应用方面也给予了高度的重视，“十五”期间就将缝合与织物预成型体/RTM（RFI）技术作为主要研究内容，“十一五”发展规划指出：推广使用缝编织物，鼓励开发自动化程度高、工艺性能好的工艺设备。

[0006] 对于二维平面上的复合材料层间缝合，在普通工业缝纫机进行双面缝合即可实现。但是对于几何形状复杂的三维立体预制件产品，特别是三维整体编织工艺一次织造不出来的复杂大型异型件，需要沿空间三维缝合线将异型件缝合起来形成预制件，在加工过程中由于受到缝合角度和设备灵活性的限制，采用传统的缝合方法难以实现。因此设计一种单边缝合线迹的形成方法，成为三维纺织复合材料缝合技术向自动化、高效化发展的迫切要求。

发明内容

[0007] 针对目前传统缝合方法在复合材料异型预制件缝合操作的过程中，灵活性受到限制，特别是难以完成复杂空间形状的大型结构件缝合操作的问题。本发明拟解决的技术问题是，提供一种三维复合材料预制件单边缝合线迹的形成方法。该形成方法具有工艺简单，缝合效果好，操作灵活，适应性强等特点，用以与单边缝合设备相配合，可顺利缝合复杂空间形状的纺织三维复合材料预制件产品。

[0008] 本发明解决所述技术问题的技术方案是：提出一种三维复合材料预制件单边缝合线迹的形成方法，该形成方法利用引线机构、钩线机构及挑线机构三者在时间上具有精确的运动配合关系完成单边缝合线迹，主要分为4个步骤：

[0009] 第1步，形成线环；设计使带缝合线的引线机构引线针在与缝料上表面成45度方向穿过缝料上表面，运动至引线针行程最低点位置后返回；在引线针回程过程中，由于引线针与缝料间的作用力，致使缝线运动受阻，并逐渐形成线环，在此过程中所需的缝合线量由挑线机构配合输送；

[0010] 第2步，钩回线环；设计使钩线机构的钩线针沿与缝料垂直的方向运动，且使其运动到钩线针行程最低点位置的时间相对于引线针运动到最低点位置的时间有所滞后，当引线针上形成的线环达到理想状态时，钩线针从缝料下表面将线环钩住，并通过钩线针的回程运动将缝合线带出缝料的上表面；

[0011] 第3步，锁住线环；当钩线针钩住线环再一次回到缝料的上表面时，新的线环会穿过上一次形成的线环，使两个线环呈现相互锁结状态，完成一个缝合周期的操作，在此过程中，挑线机构中的挑线杆通过挑线动作将所述的线环拉紧；

[0012] 第4步，循环工作；重复所述的1-3步的缝合工作，经设计数量周期的往复循环运动，最终形成本发明所述的单边缝合线迹。

[0013] 与传统缝纫方法相比，本发明单边缝合线迹形成方法与单边缝合设备相配合，只需将缝料固定，两根缝针仅在工件的单侧表面进行缝合，缝料另一侧不需要任何缝合单元配合操作，工件的大小和形状不受限制，且具有工艺简单，缝合效果好，操作灵活，适应性强等特点，所缝合复杂空间形状的纺织三维复合材料预制件产品具有较强的层间断裂韧性和疲劳强度等性能。

附图说明

[0014] 图1是本发明三维复合材料预制件单边缝合线迹的形成方法所使用的单边缝合设备的机构简图；

[0015] 图2是本发明三维复合材料预制件单边缝合线迹的形成方法的线迹形成原理示意图；其中，

[0016] 图2（a）为引线针21带线穿过缝料6，并形成线环的过程示意图；

[0017] 图2（b）为钩线针11将线环钩回缝料6上表面的过程示意图；

[0018] 图2（c）为钩线针11穿过上一周期形成的线环使其相互锁结的过程示意图；

[0019] 图3是本发明三维复合材料预制件单边缝合线迹的形成方法中引线机构、钩线机构及挑线机构三者在时间上的运动配合关系示意图；

[0020] 图4是本发明三维复合材料预制件单边缝合线迹的形成方法中，曲柄转角与针杆位移一般关系的示意图；其中，

[0021] 图4（a）为钩线机构曲柄转角与针杆位移一般关系的示意图；

[0022] 图4（b）为引线机构曲柄转角与针杆位移一般关系的示意图；

[0023] 图5是本发明三维复合材料预制件单边缝合线迹的形成方法一种实施例的单线链式缝合线迹照片图。

具体实施方式

[0024] 下面结合实施例及其附图进一步描述本发明。

[0025] 本发明设计的三维复合材料预制件单边缝合线迹的形成方法（简称形成方法或缝合方法，参见图1-5）是基于“两针一线”缝合原理（“两针一线”原理是与传统缝纫方法的“一针一线”式缝合原理对应而言的，其是指该方法需要两根缝针和一根缝合线来实现缝纫操作）设计的，通过单边缝合设备的引线、钩线和挑线机构三者完美配合，完成三维复合材料预制件的单边缝合操作。本发明形成方法的钩线针11和引线针21都位于缝料6或工件的上表面，在缝料6下方无任何与上表面接应配合的缝合单元，只需在缝料6的下方给缝针留有一定的操作空间。依靠两根缝针（钩线针11和引线针21）的引线和钩线动作巧妙配合，即可实现所需要的单边缝合线迹。在单边缝合线迹的形成过程中，钩线针11和引线针21都要沿着针杆的轴向方向做往复运动，引线针21起到将缝合线引过缝料6并形成线环的作用，钩线针11则起到将线环钩回缝料6上表面的作用。与此同时，挑线杆31配合送线，并将已形成线迹上的缝合线收紧，完成缝合的一个周期，依此循环往复可以顺利完成单边缝合任务。

[0026] 本发明所述的形成方法（参见图1、2）主要分为4个步骤：

[0027] 第1步，形成线环；设计使带缝合线的引线针21在与缝料6上表面成45度方向穿过缝料6上表面，运动至引线针21行程最低点位置后返回；在引线针21回程过程中，由于引线针21与缝料6间的作用力，致使缝合线运动受阻，并逐渐形成线环，在此过程中所需的用线量由挑线机构3配合输送；

[0028] 第2步，钩回线环；设计使钩线针11沿与缝料6垂直的方向运动，且使其运动到钩线针11行程最低点位置的时间相对于引线针21运动到最低点位置的时间有所滞后，当引线针21上形成的线环达到理想状态时，钩线针11从缝料6下表面将线环钩住，通过钩线针11的回程运动将缝合线带出缝料6的上表面；

[0029] 第3步，锁住线环；当钩线针11钩住线环再一次回到缝料6的上表面时，新的线环会穿过上一次形成的线环，使两个线环呈现相互锁结状态，完成一个缝合周期的操作，在此过程中，挑线机构3中的挑线杆31通过挑线动作将所述的线环拉紧；

[0030] 第4步，循环工作；重复所述的1-3步的缝合工作，经设计数量周期的往复循环运动，最终形成本发明所述的单边缝合线迹。

[0031] 本发明形成方法理想缝合线迹的形成，其前提条件是引线机构2、钩线机构1及挑线机构3三者在时间上精确的运动配合关系。因此本发明针对单边缝合设备中各机构在时间上的动作配合关系进行了详细设计与规划，利用几何方法分析机构转角与针杆位移的一般关系，推导出曲柄转角之间的相位差计算公式，为形成预期理想的缝合线迹提供了理论依据。

[0032] 要形成连续缝合线迹（参见图2、5），关键问题在于钩线针11、引线针21及挑线杆31三者的运动配合。如果缝合设备缝合能力的设计指标为100针/分钟，整个机器人缝合系统的工作周期为T=0.6s，缝合针距设计间隔为ΔS=10mm，工业机器人的移动速度为v=0.1m/s，则缝合设备和工艺的工作周期T1为

[0033]

[0034] 根据要求，规划出单边缝合设备和方法中各机构在一个工作周期T1＝0.5s中的运动状态（参见图3），纵轴表示机构向上回程与向下进程运动，横轴表示工作时间。在初始状态(即t=0时刻)，引线针21从上止点（即纵轴上a点位置）开始向下做进程运动，此时钩线针11处于上一个周期末向上回程的运动状态。根据规划设计要求，在t=T1/2时刻，引线机构1经过半个周期的运动下降到最低点位置并开始回升或回程。t=t1时刻，引线针21在回升过程中形成理想状态的线环，而钩线针11继续向上止点回升的同时，将引线针21上形成的线环钩住。此时挑线机构3运动到上止点，其送线量达到最大值。设Δt为引线机构2与钩线机构1在做回程运动中的相位差，Δt值可利用机构位移与曲柄转角之间的关系来求得（参见图3）。

[0035] 配套设计的单边缝合设备（另案同时申请）中的钩线机构1及引线机构2采用了曲柄滑块式的机构设计（参见图4），由于钩线针11（引线针21）做直线往复运动，其上各点的位移量相同，为了方便分析，以连杆AB与钩线针11（引线针21）相连接的B点位置代表钩线针11（引线针21）的位移。根据动作配合关系的初始规划，图3中所示的Δt时间段内，引线针21在形成线环并做回程运动的同时，钩线针11处于向下进程状态，所以引线针21及钩线针11的位移过程可分为两个阶段：即钩线针11从上止点开始向下运动阶段和引线针21从下止点（即纵轴上b点位置）开始向上运动阶段。图4中曲柄长度OA=R，L为连杆长度，Ψ和Ψ＇是连杆与针杆位移轴线的夹角，θB和θH表示曲柄的转角（起始为0），B＇和B"表示针杆行程的上下极限位置。SB和SH表示针杆的位移量。在图4（a）中，钩线针11从上止点开始向下运动时，通过几何关系，求得钩线针11从上止点开始向下运动的位移公式（2）：

[0036]

[0037] 假设所形成的线环状态最为理想时，引线针21从下止点回升的位移量为SH，由此可得引线针21从下止点开始向上运动、且形成线环状态最为理想时，引线针21的位移与曲柄转角之间的关系式（3）如下：

[0038]

[0039]

[0040] 在引线针21与钩线针11的位移量一定时，确定钩线位置时刻的曲柄转角θB和θH，即可求出两机构曲柄转角在时间上的相位差（即图3中的Δt）为：

[0041]

[0042] 与本发明形成方法配套使用的单边缝合设备（参见图1）主要组成部分包括钩线机构1、引线机构2和挑线机构3，三者依靠齿轮传动机构4及同步带传动机构5实现传动。由于在缝合线迹的过程中，主要依靠引线机构2与钩线机构1的相互配合，在设备初次装配与调试时，可按照上述步骤确定引线机构2的曲柄与挑线机构1的曲柄两者转角之间的关系，从而实现预期的工作状态，并获得理想的缝合线迹。

[0043] 本发明未述及之处适用于现有技术。

[0044] 下面给出本发明缝合设备应用的具体实施例。但实施例不限制本发明的权利要求保护范围。本发明线迹形成方法一个典型应用实施例的编织物复合材料预制件缝合操作的具体实施过程如下：

[0045] 试验条件：缝合方式：单线链式缝合；缝合针距：5－10mm(由材料的厚度而定，本实施例中缝合针距为10mm)。缝合线类型：碳纤维线或Kevlar(芳纶纤维)线。搭接长度：40-80mm（具体实施例为60mm)。缝合速度：100－200针/分钟（具体实施例为100针/分钟)。缝合方向：引线针21和钩线针11分别与缝料6呈45°和90°夹角的缝合方向运动。

[0046] 具体实施方法为：引线针21做回升运动过程中，其下止点与针尖之间的距离为15mm时，形成的线环状态最为理想，此时引线针曲柄转角为θH=55°，同时，按照时间配合上的机构动作规划，引线针11回升形成理想线环时，钩线针11刚好运动到下止点位置，并开始回升，即钩线针曲柄转角为θB=180°。由此可确定引线针21与钩线针11两者曲柄转角的相位差为55°，即Δt=0.7s。

[0047] 采用上述方法及试验条件，可以获取三维复合材料的单边缝合线迹（参见图5）。从图5中可以清楚地观察到连续缝合线迹（单线链式缝合线迹）的形成状态。