CN101802284A - 用于将纤维编织成编织结构的设备和方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于将纤维编织成编织结构的设备，该设备包括：一个编织机，包括连续的轨道板；一个成型装置，包括一个成型环；一个编织芯棒，在其上编织机至少编织一层编织结构；以及定位装置，用于在编织过程中实现芯棒和编织机的相对运动。连续的轨道板和/或成型环由至少两个可相互分开并且重新合并在一起的部分组成，所述部分的这种设置方式可将轨道板和/或成型环环绕在芯棒周围。本发明还进一步涉及一种将纤维编织成编织结构的方法。

Description

用于将纤维编织成编织结构的设备和方法

技术领域

本发明涉及一种用于将纤维编织成编织结构的设备和方法，尤其是一种多层编织结构的设备和方法。

背景技术

这种编织结构最好是作为是作为纤维增强塑料产品的增强核心来使用。为了生产这种产品，编织结构通常被设置在一个模具中，随后向该模具中注入树脂，最后凝固。这种方法特别用于纤维含量高的纤维增强塑料的生产中，特别应用于其中纤维使用量超过总体积的60％高纤维含量的纤维增强塑料的生产中。使用该方法生产出的纤维增强塑料，具有强度高、重量低的特点，例如可应用在航空航天领域。另一个可能的应用领域是在汽车制造领域。

编织结构通常使用的生产设备，包括编织机，包括形成环的成型设备，以及一个抽取设备。该编织机包括一个设置多个纱线支架的轨道板。纱线支架上设置线轴，线轴可利用张力控制装置在加工过程中释放纱线。一半纱线支架沿顺时针方向转动，另一半纱线支架沿逆时针方向转动。支架的运动是由轨道板引导的，其使得两套相反的支架绕着所携带的相对于编织机轨道板平面垂直伸出的纱线按照五朔节花柱形式运动。在纱线形成编织的点(通常称为编织点)上，通常设置一个用于控制编织纤维的尺寸和形状的成型设备。通常，该成型设备包括一个成型环，它控制编织产品的成品外径。抽取设备提供将纱线从支架上拉出和拉出成品编织结构所需的拉力，抽取设备通过拉动完成的编织结构提供拉力。

由于考虑到编织结构缺少内在稳定性，编织结构一般是围绕着一个呈最终的成品形状的固体芯棒编织的。芯棒控制编织产品的内部尺寸。在编织过程中，芯棒和编织机相互移动，产生一个片状结构。编织的厚度可通过不同的编织层厚度或增加叠放在一起的编织层的层数来控制。

在已知的编织过程中，编织机和成型环围绕着芯棒，通过编织机和成型环，芯棒结构可在一个或多个线性结构间转换。这样，可形成所谓的2.5D产品。该产品可以是直线或曲线结构，但沿其轴向的横向尺寸会发生变化。

生产连续的编织结构已经成为需求。连续结构也就是没有结尾的结构，也就是没有明显的头尾结构，例如：框架结构，如汽车底盘。像这样的框架结构可能有三维(3D)结构，也可能是双曲线结构。生产这种结构已知的方法是编织一些的2D或2.5D结构织物，并将这些组装形成预先设定的框架结构。但是，这种方法需要使用独立的连接部件，因此耗时并且生产成本高。特别是在纤维增强塑料制品制作中，并且连接区域通常是产品性能薄弱的部位。

发明内容

本发明的目的，是提供一种用于将纤维编织成一个连续编织结构的设备和方法，所述纤维结构不需要组装。

本发明中提供的设备和方法可实现这个目的。本发明特别提供一种将纤维编织成编织结构的设备，该设备包括：

一个编织机，其包括一个轨道板；

一个成型设备，其包括一个形成环；

一个编织芯棒，在其上编织机至少编织一层编织结构；

定位装置，用于在编织过程中实现芯棒和编织机的相对运动；

其中，轨道板和/或成型环分别由至少两个可相互分开并且重新合并在一起的部分组成，所述部分的这种设置方式，可将轨道板和/或成型环环绕在芯棒周围。通过按照本发明提供的设备，连续(无限不间断)编织结构可由一次生产来完成，无需组装各编织部分。这种设备特别是在编织强纤维时具有突出的优势，尤其是在纤维增强复合材料产品的生产中。事实上，由本发明中提供的编织设备和方法生产出的编织结构成品不会出现组装产品中存在的弱点。

在一个优选实施例中，本发明中提供的设备其特征为，轨道板和成型环分别由至少两个可相互分开并且重新合并在一起的部分组成，所述部分设置成可使轨道板和成型环环绕在芯棒周围。

虽然该设备能够用来编织任何一种编织结构，但该设备特别适合于编织连续编织结构。为此，该设备的芯棒优选是连续的。然而所述芯棒也可以由几个可相互连接部分组成。现有的编织设备不允许编织出连续结构编织物，这是因为在编织设备中没有包围连续(框架)芯棒的方法。这也就是目前无法在现有技术中连续芯棒的原因。本发明正是着眼于此，将轨道板和成型环至少“分割”成两个部分，以使连续芯棒可以应用在编织设备中。

有多种将轨道板和/或成型环“分割”成至少两个部分的方法。对于该“分割”的唯一要求就是通过“分割”可以实现将芯棒设置在轨道板和/或成型环中，在本发明的一个优选实施例中，所述设备包括一个轨道板和成型环，轨道板和成型环分别至少由两个部分组成，其中至少有两个部分中包括一个普通铰链结构并且可通过绕铰链结构的旋转来将这两部分分开。旋转可围绕垂直于轨道板(和成型环)平面的轴进行，或绕着位于轨道板(和成型环)平面中的轴进行。同样优选的一种设备，其中轨道板和成型环中的至少两组成部分中的至少一个部分可与其他部分分离，该部分可沿径向移动而与其他部分分开。

在另一个优选实施例中，本发明中所公开的设备包括多个成型环，成型环分别由至少两个可相互分开并且重新合并在一起的部分组成，这样的结构可使成型环环绕在芯棒周围。使用至少两个成型环可实现在两个方向上(前进或后退)的编织。这种结构的优点是在连续芯棒的特定部分的一层在另一层顶部的多层编织会很容易实现。

本发明中所公开的设备中设置有定位装置，该定位装置用来在编织过程中实现编织机与芯棒之间的相对运动。将芯棒相对于编织机定位可通过现有技术中的任何可实现该功能的装置完成。合适的定位装置包括，例如驱动辊。这种驱动辊可设置在轨道板(通常为圆环状)的中间，作用在芯棒的表面上。但本领域内技术人员所掌握的其他定位方法，甚至是手动定位也是可行的。

在特别优选实施例中，本发明中公开的设备包括定位装置，用于使得成型环和编织机组成的部件相对于芯棒移动。并且将芯棒保持在一个固定位置。本发明中所公开的一种很适于使用的设备还包括带有机器人引导装置的定位装置。尽管现有技术中习惯于将芯棒相对固定的编织机运动，但本实施例具有很多优点。首先，在这个实施例中省略了用于驱动芯棒的驱动辊，当所使用芯棒的断面形状变化时就必须要更换相应的驱动辊。而本发明中的实施例就没有这个缺点，因为成型装置和编织机组成的部件其形状是不会改变的。第二，沿芯棒移动编织机和成型装置是相对容易的。所有需要做的就是确定芯棒的中心线并让定位装置沿着这个中心线设置。这个中心线也就是将芯棒各个截面重心连接起来形成的线。另一个优点为，芯棒无需***控。用于编织产品芯棒通常采用的是泡沫材料，例如聚苯乙烯泡沫。这种芯棒在***作的过程中很容易折断。相比较来说，将芯棒保持在固定位置对其的支撑就变得很容易了，从而进一步减小了芯棒折断的可能。可以知道，在编织过程中施加在芯棒上的力是很大的。上面提到的操纵成型装置与编织机组成的部件的优点以及将芯棒保持在固定位置上的优点，这些优点特别适合于形状复杂的芯棒(和产品)，例如类框架产品或三维(例如双曲线)框架产品。

更优选的是，本发明公开的设备包括平面的成型装置和编织机，以及定位装置，所述定位装置使得成型装置和编织机组成的部件在移动时该部件的平面大体垂直于芯棒轴的方向。这样做的好处是纤维中的张力更加均匀，从而使产品的品质更好。

本发明公开的设备最佳的特点在于芯棒是充气的。这是由于芯棒需要留在编织产品内部的特性决定的，连续编织产品是很难运输的，如使用充气芯棒，芯棒在编织前被充气，并在编织过程中保持充气状态，而在编织结束后将所充的气体放出。这样，编织产品就变得很柔软，从而方便运输。尽管充气是实现这个目的优选方法，其他方法也可以使用，例如充砂芯棒，可折叠芯棒等。

本发明还涉及到将编织纤维编织成编织结构的方法，该方法特别适合用于本发明所要求保护的设备中。

本发明所公开的方法其目的在于将纤维围绕芯棒编织成编织结构，并且包括如下步骤：

提供一个编织机，其包括一个轨道板，和包括成型环的成型装置，其中轨道板和/或成型环分别由至少两个可相互分开并且重新合并在一起的部分组成，

将至少两个部分分开并且将芯棒设置于轨道板和/或成型环圆周内；

将轨道板和/或成型环的两个分开部分重新合并在一起，围绕芯棒；

通过相对于编织机移动芯棒，在芯棒上编织多层编织结构；

将轨道板和/或成型环的至少两个部分分开，将编织结构从轨道板和/或成型环圆周内取出。

该方法特别适用于编织连续的编织结构，在本方法中最好是使用连续芯棒。本发明方法的特殊优点为，使用多个成型环，每个成型环分别由至少两个可相互分开并且重新合并在一起的部分组成，本发明方法的另一个优选实施例中，成型装置和编织机构成的部件沿着芯棒移动，芯棒的位置固定。使用该方法的进一步优点为芯棒为连续芯棒，并且成型装置和编织机构成的部件绕芯棒沿相同方向移动几次就可以在芯棒上编织几层编织结构。本发明方法的另一个优选实施例的特征在于，芯棒是连续的，并且通过成型装置和编织机构成的部件相对于芯棒的反向移动可在芯棒的不同区域编织不同层数的编织结构。使用该方法的进一步优点为芯棒是连续的，并且成型装置和编织机均为平面结构，成型装置和编织机构成的部件沿芯棒移动，他们的平面基本垂直于芯棒的轴。更优选的方法，其中成型装置和编织机构成的部件沿着芯棒移动，在运动过程中，成型环圆心线始终与芯棒的轴重合。

附图说明

下面将结合附图将本发明详细描述。本发明并不仅仅局限于附图中所示的结构。

图1所示为本发明实施例中编织设备的透视图。

图2为图1中所示编织设备的另一个位置的透视图。

图3A表示本发明中编织机的闭合状态。

图3B为图3A中所示编织机的打开状态。

图4A为本发明中编织设备部分的闭合状态。

图4B为图4A中所示编织设备一部分的打开状态。

图5A-5D为本发明中所公开的轨道板和成型环的组成部件几个实施例。

图6A为本发明中编织设备在向前编织时的侧视图；

图6B为本发明中的编织设备在向后编织时的侧视图。

具体实施方式

如图1所示，将纤维(未显示)编织成编织结构的设备1，包括编织机2，一个成型环3状的成型装置，编织芯棒4，编织机2围绕芯棒编织编织结构的各层，还包括在编织过程中，控制芯棒4与编织机2之间的相对运动的定位装置5，编织芯棒4是连续的，也就是说没有头尾之分。这使得编织出的产品也是连续的。芯棒4的材质为硬质泡沫，例如，聚苯乙烯泡沫塑料。这样能够使编织层被渗透，并且使编织层有足够的强度通过针牢固的挤靠在芯棒上。在一个优选实施例中，芯棒4是可充气的。在该实施例中，定位装置5包括一个机器人，机器人基本上由一个旋转台50和一个可绕旋转台旋转的旋转臂51构成。旋转臂51的末端设置有用来操作编织机2的夹持装置52，定位装置5与计算机(未显示)相连，计算机中存储有用于驱动旋转手臂51和夹持装置52沿任意预设路径运行的数据。支撑装置41将连续芯棒4保持在一个固定位置，如在该实施例中所示的，支撑装置41包括两个可相互分离的部分(42，43)这两个部分(42，43)可将连续芯棒41夹持住，编织机2和成型环3组成的部件在定位装置5操纵下，沿计算机预先设定的路径相对于芯棒4运动。尽管在本实施例中，芯棒4被保持在一个固定的位置，如果需要，该芯棒4也可在编织机2和成型环3组成的部件运动的同时也产生运动。编织机2本身的结构是众所周知的，通常包括至少一个连续(平面)轨道板20，轨道板上设置多个纤维线盘支架21，纤维必须沿着与芯棒4和/或编织机2运动方向(沿芯棒4的长度方向)垂直的方向编织纤维。如图3A中为横向编织路径23的示意图，轨道板20还包括纵向纤维导向管22。这些纵向纤维(未显示)由一个单独的放线架(未显示)提供，该放线架可设置在距轨道板20一定距离处.成型环3通常通过支撑元件31与轨道板20相连。如图3A，3B和图5A到5D所示，在本发明的一个实施例中，连续轨道板20和成型环3分别至少由两个部分(20a，20b)和(3a，3b)组成，两部分均能相互分开并且重新合并在一起。如图5A到5D所示，为了将轨道板20与成型环3的结构显示得更清楚，这几幅图中省略了线盘支架21和导向管22，图5A中所示的优选实施例，其中，所述轨道板20与成型环3的(20a，20b)和(3a，3b)部分还包括普通的铰链结构24，并且所述两个部分可以通过绕着铰链结构24旋转而分开，这样就可以将芯棒4设置在轨道板20和定位环3组成的部件内。旋转是绕着垂直于轨道板20(或成型环3)的平面的轴25进行的。图5D中显示的是另一个实施例，轨道板20的两个部分(20a，20b)与成型环3的两个部分(3a，3b)也包括一个普通的铰链结构26，但是，轨道板20和成型环3的两个部分是通过绕着位于轨道板20(或成型环3)的平面内的轴27旋转而分开的。图5B中所示的是本发明的另一个优选实施例，轨道板20的两个部分(20a，20b)与成型环3的两个部分(3a，3b)可通过直线运动相互分开，可将芯棒4放入轨道板20与成型环3中间，如图5C中所示的是本发明的另一个优选实施例，其中，轨道板20和成型环3中带有可分开的部分(20a，3a)，该部分沿径向方向28移动。可以理解，其他各种可能的将芯棒4设置在轨道板20和成型环3中间的方法都可以应用于此。

如图4B中所示的，在开始实际编织前，连续芯棒4被小心定位在支撑装置41上，其端部的两个部分42，43处于打开位置，如图4A所示，在芯棒4设置完毕后，两部分(42，43)关闭，由此将芯棒4紧紧夹住、固定。为了能够绕着芯棒4编织出连续的结构，首先，通过轨道板20中的两个可分开部分(20a，20b)与成型环3中的两个可分开部分(3a，3b)，打开编织机2。图4B中所示的即为打开的位置，为了使表示更加清楚，图中省略了成型环3。通过机器人(未显示)将编织机2设置在芯棒4附近，并且最后定位，在芯棒位于轨道板20的两个部分(20a，20b)与成型环3的两个部分(3a，3b)中间。接下来，芯棒4位于轨道板30与成型环3的圆周内，轨道板20的两个部分(20a，20b)与成型环3的两个部分(3a，3b)通过绕铰链24沿图4B中箭头所示方向旋转合并在一起，通过这种方法，将编织机2设置在工作位置，并如图4A所示，完全将芯棒4围绕起来。

通过编织机2相对于芯棒4的相对运动，可在芯棒上编织多层编织结构。按照这种方法，编织机2由图1中所示位置，移动至图2中位置。当编织机2经过某个支撑装置41时，该支撑装置41将被临时移开，为了完全覆盖连续芯棒。支撑装置41的移动可优选地通过两个驱动器自动完成。第一驱动器将部分43由部分42上分离开，第二驱动器将移动部件42远离芯棒4，这样就不会阻碍编织机2的通过。图1所显示的是左侧的支撑装置41被暂时移开时的情况，在图2中显示的是左侧的支撑装置41已被放回而右侧的支撑装置被临时移开时的情况。使用这种方法，在工作过程中仍可对芯棒41提供足够的支撑。在编制过程中，当芯棒需要额外的支撑时，可通过增加支撑装置41的数量来实现。如图1所示，在编织过程中，定位装置5优选的移动平面成型装置3和编织机2组成的部件，使得两者构成的平面大致垂直于芯棒4的纵轴44。这就意味着当芯棒4是双曲线结构时(在附图中的芯棒都是平面的)，编织机2和定位环3组成的部件优选地垂直于轴44旋转，但是，编织机2和定位环3也可以与芯棒4呈一定角度旋转。更进一步优选地成型装置3和编织机2组成的部件沿着芯棒4移动，其以至于成型环3的几何中心点沿着芯棒4的中心线运动。上述的编织机2和定位环3组成的部件的运动可通过适当编程后的计算机控制的定位装置5来驱动。如果是相反的运动，例如，将芯棒4的沿着成型装置3和编织机2组成的部件这样移动，即芯棒4的中心线沿着定位装置3的几何中心线运动，其难度就要大很多。

如果要生产多层织物，则需成型装置3和编织机2组成的部件绕着芯棒4在同一方向上移动多圈，移动的圈数由所需织物的层数确定。图6A和6B是两种编织方法的示意图。图6A中编绳100(只显示了一部分)是通过将轨道板20和成型环3组成的部件相对于静止的芯棒4沿方向46移动形成的。由线盘支架21提供的编绳100，由成型环3导向并与芯棒在接触点47相接触，并跟随着成型环3运动。通过这种方法进行编织，能够生产出连续的类框架结构，并且通过这种方法生产出来的框架结构在框架拐角(见图1中的48a，48b，48c，48d)不存在小曲率半径的问题。事实上，轨道板20和接触点47之间的距离49相对较大，这样，就可以越过小曲率半径阶段。更重要的是，编织机2如果不在其拐角处被固定的话，就不能够随着芯棒4移动。对于框架拐角48处的曲率半径较小时，首选的编织方法在图6b中表示出来。在该优选的方法中，轨道板20和成型环3组成的部件沿着56所示方向移动，这样成型环3将引导相对于固定芯棒4的运动。可以看到，这样成型环3与接触点47之间的距离小很多。因为缩小了的距离60，就可以编织小尺寸的连续结构。例如，在产品的两个相对面之间的较小距离61(如图4A中所示)。本发明中所公开的设备和方法的另一个优点为，通过机器人控制的定位装置5的简单运作，很容易实现编织机2和成型环3的反向运动。为了这个目的，设备1包括多个成型环3(未显示)，每个定位环3都包括至少两个部分(3a，3b)，并且这两部分可以分开且能重新组合在一起，并可通过这两部分(3a，3b)的分开和组合将芯棒4设置在成型环中间。

通过成型装置3和编织机2组成的部件相对于芯棒4的反向运动，可以在芯棒4的不同位置形成不同层数的编织结构。在一个区域内，成型装置3和编织机2这样经过两次，则在该处就可产生两层织物，而由于反向运动的结果，在芯棒死的其他区域不会产生多余的编织层。这就可实现在局部区域增加织物层数。往返编织加工的难点在于植物层所生顶的反向点是通过一个设定的反向边缘来确定的。为了这个目的，在芯棒4做反向运动的返回点处，必须防止已存在编织层相对于接下来形成的反向的编织层产生移动，例如：在芯棒4上使用固定针。当编织工作完成后，编织结构，包含了芯棒4的编织结构，可通过将轨道板的两个部分(20a，20b)和成型环的两个部分(3a，3b)分开，从连续轨道盘20和成型环3中将其取出。

在实施例中描述的，硬质泡沫材质的芯棒4与高强度碳纤维被编织在一起。在芯棒4上形成的多层纤维编织结构，在随后的加工步骤中浸润树脂并在后续步骤中处理。在编织步骤中，连续的芯棒4被用作柔软编织结构内部成型的载体。因为优选的芯棒是连续的，例如，没有开头和结尾，芯棒4通常会被作为预设的复合材料产品的一部分。然而原则上，(部分)芯棒也可以从产品中抽出。由于所生产的编织结构是连续的，最终的复合产品其强度增加了，并且其刚度也可能被提高。为了进一步增加产品强度，可以将在硬质泡沫芯棒上附着的单独的纤维层做簇绒(tufted)处理，从而将其相互连接起来。考虑到硬质泡沫芯棒4的材质特征，簇绒处理(tufting)工序可在最终移出芯棒前进行，在簇绒处理(tufting)过程中，针可穿过硬质塑料。

上面已经描述了本发明的几个实施例，只为了对本发明进行说明。尽管如此，应当理解只要不背离本发明的精神和范围，本领域技术人员还可对其有许多修正。因此其它实施例也包含在后面的权利要求书的范围内。

Claims (17)

1.一种用于将纤维编织成编织结构的设备，该设备包括：

一个编织机，其包括一个连续的轨道板；

一个成型装置，其包括一个成型环；

一个编织芯棒，在其上编织机至少编织一层编织结构；

定位装置，用于在编织过程中实现芯棒和编织机的相对运动；其中，连续的轨道板和/或成型环由至少两个可相互分开并且重新合并在一起的部分组成，所述部分的这种设置方式可将轨道板和/或成型环环绕在芯棒周围。

2.根据权利要求1中所述设备，其中所述连续轨道板和成型环有至少两个可以相互分开和重新合并在一起的部分组成，所述部分的这种设置方式可将轨道板和成型环环绕在芯棒周围。

3.根据权利要求1或2中所述设备，其中编织结构和/或芯棒是连续的。

4.根据前面任一权利要求中所述设备，其中，至少所述两个部分包括一个普通铰链结构并且可通过绕铰链结构旋转而分离开。

5.根据前面任一权利要求中所述设备，所述设备包括多个成型环，成型环由至少两个可相互分开并且重新合并在一起的部分组成，所述部分的这种设置方式可使所述成型环环绕在芯棒周围。

6.根据前面任一权利要求中所述设备，其中，定位装置被设置成使得成型装置和编织机组成的部件相对于芯棒运动，芯棒位于固定位置。

7.如权利要求6中所述设备，其中成型装置和编织机均为平面结构，并且其中定位装置被设置成使平面成型装置和编织机组成的部件相对于芯棒运动，在运动中它们的平面垂直于芯棒的轴。

8.根据前面任一权利要求中所述设备，其中，定位装置包括机器人引导装置。

9.根据前面任一权利要求中所述设备，其中，芯棒为可充气芯棒。

10.一种将编织纤维绕着芯棒编织成编织结构的方法，该方法包括以下步骤：

提供一个编织机，其包括一个连续轨道板，和一个包括成型环的成型装置，其中连续轨道板和/或成型环分别由至少两个可相互分开并且重新合并在一起的部分组成；

将所述至少两个部分分开并且将芯棒设置于连续轨道板和/或成型环圆周内；将连续轨道板和/或成型环的至少两个分开的部分重新合并在一起，由此围绕所述芯棒；

通过相对于编织机移动芯棒，在芯棒上编织多层编织结构；

将轨道板和/或成型环的至少两个部分分开，将编织结构从连续轨道板和/或成型环圆周内取出。

11.根据权利要求10中所述方法，其中编织结构和/或芯棒是连续的。

12.根据权利要求10或11中所述方法，其中，使用多个成型环，每个成型环分别由至少两个可相互分开并且重新合并在一起的部分组成。

13.根据权利要求10到12中任一权利要求中所述方法，其中，成型装置和编织机组成的部件绕芯棒运动，芯棒被保持在固定位置。

14.根据权利要求10到13中任一权利要求中所述方法，其中，芯棒为连续芯棒，并且成型装置和编织机构成的部件绕芯棒沿相同方向移动几次以在芯棒上编织几层编织结构。

15.根据权利要求10到13中任一权利要求中所述方法，其中，芯棒是连续的，通过成型装置和编织机构成的部件相对于芯棒的反向移动可在芯棒的不同区域编织不同层数的编织结构。

16.根据权利要求10到13中任一权利要求中所述方法，其中，芯棒是连续的，并且成型装置和编织机都是平面结构的，成型装置和编织机构成的部件沿芯棒移动，所述部件的平面基本垂直于芯棒的轴。

17.根据权利要求16中所述方法，其中，成型装置和编织机构成的部件沿着芯棒移动，在运动过程中，成型环圆心线始终与芯棒的轴重合。

Images