異形截面編織物成型工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)

異形截面編織物成型工藝的優(yōu)化設(shè)計(jì)

以異構(gòu)體為原料的預(yù)制劑，強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)不分層，可直接制作，無需切割和設(shè)計(jì)方便等優(yōu)點(diǎn)。旋轉(zhuǎn)式編織技術(shù)應(yīng)用于異形截面編織物的編織成型始于20世紀(jì)90年代。Tsuzuki等錠子的減少會降低編織物的編織密度，致使機(jī)器軌道利用率較低。因此本文以不減少錠子數(shù)量為前提，在現(xiàn)有的旋轉(zhuǎn)式編織技術(shù)研究基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)出一種新型的編織軌道交叉組合方式，通過約束錠子排布規(guī)律避免了編織過程中軌道交叉處的錠子產(chǎn)生干涉問題，使旋轉(zhuǎn)式編織機(jī)可直接生產(chǎn)矩形、三角形、圓形等截面形狀的三維立體編織物。1旋轉(zhuǎn)式紡織原理1.1旋轉(zhuǎn)式織造結(jié)構(gòu)的發(fā)展旋轉(zhuǎn)式編織機(jī)中的錠子，在葉輪驅(qū)動下沿錠子軌道運(yùn)動。圖1為只有1條錠子軌道的編織結(jié)構(gòu)示意圖，軌道中存在交叉點(diǎn)a，其在編織過程中需傳遞來自兩個(gè)方向的錠子。為避免兩個(gè)方向上的錠子同時(shí)進(jìn)入交叉點(diǎn)發(fā)生干涉，需保證同時(shí)刻僅單方向有錠子進(jìn)入交叉點(diǎn)1.2不同軌道數(shù)的編織1.2.1錠子軌道上的相互交織纜繩、平帶等編織物的編織系統(tǒng)通常只含1條錠子軌道，通過軌道內(nèi)部的自交叉使紗線相互交織形成編織物，如圖3所示。自交叉軌道向多個(gè)方向延伸，也可實(shí)現(xiàn)相對復(fù)雜的編織物成型。1.2.2．三維編碼成型常見的管狀編織物是由兩組錠子分別在兩條軌道上相向運(yùn)行、交織而成，圖4(a）為管狀編織物編織成型的錠子與軌道系統(tǒng)。此外，在雙軌編織系統(tǒng)中，各軌道內(nèi)部也可進(jìn)行自交叉，從而編織獲得更復(fù)雜的編織物，圖4(b）為X形編織截面的錠子和軌道系統(tǒng)。1.2.3軌道動律設(shè)計(jì)3條及其以上軌道的編織系統(tǒng)可生產(chǎn)更復(fù)雜的編織物。圖5所示的多軌道編織系統(tǒng)中，多軌道通過交叉組合形成梯形截面的立體編織結(jié)構(gòu)。通過多軌道組合可以生產(chǎn)形狀復(fù)雜的立體編織物，但其錠子的運(yùn)動軌跡復(fù)雜，為保證內(nèi)部軌道正常運(yùn)行且不發(fā)生干涉，需經(jīng)過系統(tǒng)的分析。2旋轉(zhuǎn)式針織系統(tǒng)中的干涉要實(shí)現(xiàn)多條軌道之間的有效交叉組合，需保證錠子在組合后的軌道上運(yùn)行時(shí)不發(fā)生干涉。編織系統(tǒng)中可能發(fā)生干涉的位置通常為軌道之間的交叉點(diǎn)。常見的軌道間交叉點(diǎn)有兩類，即同一軌道內(nèi)部的交叉點(diǎn)（圖6中單點(diǎn)劃線圓位置）和不同軌道之間的交叉點(diǎn)（圖6中雙點(diǎn)劃線圓位置）。2.1“不該”排布規(guī)律的錯(cuò)位數(shù)以平帶編織為例，其編織結(jié)構(gòu)如圖7所示。葉輪驅(qū)動錠子沿實(shí)線軌道從左到右運(yùn)動，再沿虛線軌道從右到左運(yùn)動，如此往復(fù)。在整個(gè)運(yùn)動的過程中，實(shí)線軌道和虛線軌道發(fā)生交叉，交叉的位置稱為自交叉點(diǎn)。以t現(xiàn)假設(shè)除交叉點(diǎn)1外整條軌道運(yùn)行無干涉，則可將交叉點(diǎn)1兩側(cè)的葉輪簡化為等效葉輪。等效葉輪的槽口數(shù)分別等于交叉點(diǎn)1兩側(cè)葉輪的總槽口數(shù)，簡化后的平帶編織結(jié)構(gòu)示意圖如圖8所示。由兩序列的排布可知，兩序列來自于同一個(gè)錠子排布規(guī)律，相異處僅在于其起始位置之間有3個(gè)錯(cuò)位（B序列的第1位“d”為A序列的第4位）。此時(shí)若該軌道上的錠子序列滿足錯(cuò)3位且與原序列合并后無數(shù)值大于1，則認(rèn)為交叉點(diǎn)1無干涉。軌道上的錠子序列來自軌道的錠子排布規(guī)律，錠子排布規(guī)律錯(cuò)位合并情況：排布規(guī)律同為“10”的錠子序列A(101010……）與B(010101……）合并后，得到的錠子序列為111111……未出現(xiàn)大于1的數(shù)，因此不會干涉。序列A的第1位為“10”排布規(guī)律的第1位，序列B的第1位為“10”排布規(guī)律的第2位，兩者的差值為1，將此差值稱之為“10”排布的“錯(cuò)位數(shù)”，即“10”排布規(guī)律的錯(cuò)位數(shù)為1。同理，若排布規(guī)律同為“1100”的錠子序列C(11001100……）與D(00110011……）合并，得到的數(shù)字序列也為111111……也不會發(fā)生干涉。序列C的第1位為“1100”排布規(guī)律的第1位，序列D的第1位為“1100”排布規(guī)律的第3位，兩者的差值為2，因此“1100”排布規(guī)律的錯(cuò)位數(shù)為2。以此類推，“100”排布規(guī)律的錯(cuò)位數(shù)有兩個(gè)，為1和2，而“10100101”排布規(guī)律的錯(cuò)位數(shù)為4。常用錠子排布規(guī)律的錯(cuò)位數(shù)如表2所示。綜上所述，遵循同一錠子排布規(guī)律，不同起始位置的錠子序列合并，若其起始位置的差值等于該錠子排布規(guī)律的錯(cuò)位數(shù)加上n倍的周期，則此兩序列合并無干涉。繼續(xù)對交叉點(diǎn)1進(jìn)行分析，假設(shè)圖7中軌道的錠子排布規(guī)律周期為T，序列A與B起始位置的差值S=3（即等效葉輪1的槽口數(shù)），用W表示該錠子排布規(guī)律的錯(cuò)位數(shù)，則當(dāng)S=nT+W時(shí)，交叉點(diǎn)1無干涉。對自交叉點(diǎn)2、3的干涉分析與自交叉點(diǎn)1類似，不同之處在于等效葉輪1的槽口數(shù)S不同。若S的變化值是周期T的倍數(shù)，則上述不干涉公式依然成立，即交叉點(diǎn)2、3、4不會發(fā)生干涉。將上述公式引申到實(shí)際，在含有自交叉點(diǎn)的單軌道編織系統(tǒng)里，已知錠子軌道結(jié)構(gòu)時(shí)，可通過選擇合適的錠子排布規(guī)律來避免干涉，選擇方法如下：(1）錠子排布周期T取系統(tǒng)內(nèi)兩個(gè)交叉點(diǎn)之間槽口數(shù)的公約數(shù)（決定兩交叉點(diǎn)的S值的變化）。(2）錠子排布的錯(cuò)位數(shù)選擇邊緣葉輪（與其他葉輪僅有1個(gè)交叉點(diǎn)）槽口數(shù)除以錠子排布周期的余數(shù)（為確保n可解出）。例如：圖8中，兩個(gè)交叉點(diǎn)之間槽口數(shù)的公約數(shù)為2和4。當(dāng)周期取2時(shí)，計(jì)算得到的錯(cuò)位數(shù)為1，可選“10”排布；當(dāng)周期取4時(shí)，錯(cuò)位數(shù)為1和3，可選“1000”排布。此公式也可用于指導(dǎo)設(shè)計(jì)錠子軌道結(jié)構(gòu)，當(dāng)錠子排布規(guī)律已知時(shí)，其錠子軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為邊緣等效葉輪槽口數(shù)S=nT+W，相鄰的兩個(gè)交叉點(diǎn)之間的槽口數(shù)S=nT。例如：“10”排布規(guī)律的周期T=2，錯(cuò)位數(shù)W=1。設(shè)計(jì)其錠子軌道結(jié)構(gòu)時(shí)，需保證邊緣等效葉輪槽口數(shù)S=2n+1(n為自然數(shù)），兩個(gè)交叉點(diǎn)之間的槽口數(shù)應(yīng)為2的倍數(shù)；“1100”排布規(guī)律的周期T=4，錯(cuò)位數(shù)W=2，設(shè)計(jì)其編織結(jié)構(gòu)時(shí)需保證邊緣等效葉輪槽口數(shù)S=4n+2(n為自然數(shù)），兩個(gè)交叉點(diǎn)之間的槽口數(shù)應(yīng)為4的倍數(shù)。2.2交叉點(diǎn)位置t管狀編織結(jié)構(gòu)由兩條軌道交叉形成，如圖9中的虛線和實(shí)線所示。兩軌道之間存在若干交叉點(diǎn)，與單軌交叉類似，若兩條軌道同時(shí)攜帶錠子進(jìn)入交叉點(diǎn)，則會發(fā)生干涉。為保證系統(tǒng)的正常運(yùn)行，各軌道中錠子排布規(guī)律及編織結(jié)構(gòu)需滿足一定關(guān)系。圖9中交叉點(diǎn)1處，軌道1上的錠子向右運(yùn)動，軌道2上的錠子向左運(yùn)動。將從t繼續(xù)對交叉點(diǎn)2進(jìn)行分析，將t因此，序列G與H合并，相當(dāng)于將序列E與F錯(cuò)4位合并。若4是錠子排布規(guī)律周期T的倍數(shù)，那么錯(cuò)開4位的序列F與原序列相同，即序列G與H合并等同于序列E與F合并。若已知序列E、F互補(bǔ)，則序列G與H合并也互補(bǔ)。綜上所述，當(dāng)交叉點(diǎn)1處不發(fā)生干涉且錠子排布規(guī)律周期T是4的約數(shù)時(shí)，交叉點(diǎn)2也不會發(fā)生干涉。記交叉點(diǎn)1與2在軌道1上相距x根據(jù)上述分析，在交叉點(diǎn)1處不發(fā)生干涉的情況下，交叉點(diǎn)2處不發(fā)生干涉的條件為（x因此，不同軌道之間交叉時(shí)，為避免錠子干涉，錠子排布規(guī)律的選擇應(yīng)遵循：交叉的兩條軌道選擇互補(bǔ)的錠子排布規(guī)律，且在第1個(gè)交叉點(diǎn)處呈互補(bǔ)交叉狀態(tài)；錠子排布規(guī)律周期T取兩個(gè)交叉點(diǎn)之間槽口數(shù)的公約數(shù)（1除外）。此理論也可用于指導(dǎo)錠子軌道結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)準(zhǔn)則為確保相鄰的兩個(gè)交叉點(diǎn)在兩軌道上的槽口數(shù)之和是錠子排布規(guī)律周期的倍數(shù)。2.3軌道組合方法2.3.1雙軌軌道組合無交叉的軌道在設(shè)計(jì)時(shí)僅需要考慮第2種干涉（不同軌道間的干涉）。以常用的四槽口葉輪為例，其無交叉軌道可設(shè)計(jì)為如圖11所示形式。圖中兩軌道自身無交叉，僅與對方交叉，相鄰交叉點(diǎn)之間的槽口數(shù)為4，因此兩錠子排布可設(shè)計(jì)周期為4的互補(bǔ)序列，如1010與0101。通過增加軌道數(shù)量與延長軌道長度，上述基本軌道可延伸為各種異型截面圖形，如圖12所示的三角形和圓形。軌道增加后，相鄰交叉點(diǎn)之間的槽口數(shù)為4的倍數(shù)，根據(jù)2.2節(jié)的結(jié)論，周期為4的互補(bǔ)序列在此類交叉點(diǎn)不會發(fā)生干涉。2.3.2交叉組合基本單元有交叉軌道在設(shè)計(jì)時(shí)首先要考慮第1種干涉（同一軌道內(nèi)的干涉）。以常用的四槽口葉輪為例，由于四槽口葉輪僅可以組合為4n槽口的等效葉輪，因此將錠子排布的錯(cuò)位數(shù)選為4，周期選為8。兩條此類型軌道的交叉組合基本單元如圖13所示。對兩軌道之間的交叉點(diǎn)分析，計(jì)算出相鄰交叉點(diǎn)之間的槽口數(shù)為8，因此兩錠子排布可設(shè)計(jì)成周期為8、錯(cuò)位數(shù)為4的互補(bǔ)序列，如10100101與01011010。通過增加軌道數(shù)量與軌道長度，上述基本軌道同樣可延伸為各種異型截面圖形，如圖14所示的矩形和T形。軌道增加后，相鄰交叉點(diǎn)之間的槽口數(shù)為8的倍數(shù)，根據(jù)2.2節(jié)的結(jié)論，周期為8的互補(bǔ)序列在此類交叉點(diǎn)不發(fā)生干涉。3葉輪織造試驗(yàn)平臺選用直徑為90mm的四槽口葉輪，搭建出如圖15所示的8×8葉輪編織試驗(yàn)平臺。根據(jù)圖12(a）與圖14(a）所示的編織系統(tǒng)調(diào)整軌道并布置錠子。實(shí)際編織出的三角形與矩形編織物如圖16所示。4織造驗(yàn)證方法的可行性本文利用數(shù)字序列的合并代替軌道交叉點(diǎn)的錠子交叉，通過計(jì)算推導(dǎo)出避免單軌內(nèi)部和多軌之間交叉點(diǎn)發(fā)生干涉的方法，以此設(shè)計(jì)出有交叉軌道與無交叉軌道的組合方法，并進(jìn)行實(shí)際編織驗(yàn)證方法的可行性，得出的主要結(jié)論如下：(1）當(dāng)編織系統(tǒng)中錠子軌道結(jié)構(gòu)確定時(shí)，可根據(jù)邊緣葉輪槽口數(shù)和