三维编织轮式主动携纱器及其配套编织底盘的制作方法

本发明属于三维异型整体编织技术领域，涉及一种三维编织轮式主动携纱器及其配套编织底盘。

背景技术：

三维异型整体编织技术是20世纪80年代发展起来的一种新型编织技术，是运用编织工艺和设备上的技术特点，通过改变编织底盘中携纱器的阵列形状及其运动形式，将高性能纤维空间分布且相互交织形成网状结构预制件。具有纤维在空间中多向分布且相互交织，形成不分层的整体网状结构，可实现整体近净尺寸编织成型各种异型预制件,从而避免后续因复合材料型材或构件的机械加工而损伤材料特性，有效保障了构件力学性能的稳定性与可靠性。

1982年floretine提出采用气动方式驱动的四步法方形21×21编织机，完善了纵横步进编织的概念，表明它是一种有效的三维编织方法。90年代美国3tex公司发明的组合式三维编织机，可连续编织横截面为t形等预制件，之后编织设备研发以及编织预制件的结构和性能研究都取得了重大突破。

在实际应用中，三维编织复合材料大都是截面尺寸沿轴向方向变化的异形件如飞机螺旋桨叶、雷达罩、风电叶片、导弹弹头防热套等并不是外形规则的等截面结构。由于三维整体编织技术可以不通过常规的等截面编织和机械加工可直接获得所需零件的预制件进而保证零件整体结构性能，因此三维整体编织工艺和设备得到了重视和迅速的发展，常规的编织机在异型整体编织过程中对其结构依赖性较大，柔性化较低。

根据行列式三维编织机的运行方式衍生出来的变截面编织工艺和异型截面编织工艺，都无法便捷、有效地解决预制件三维异型整体编织。主要是受限于常规的行列式三维编织机携纱器的运动形式。行列式三维编织机的携纱器是以整行或者整列的形式运行的，单个携纱器无法实现自由运动，当预制件截面变化时，难以实现连续编织。现有新型编织机存在编织底盘结构复杂、制造难度大、电磁干扰强等缺点。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种三维编织轮式主动携纱器及其配套编织底盘，该携纱器及其配套底盘能够进行连续编织，且结构简单，柔性好。

本发明所采用的技术方案是，三维编织轮式主动携纱器及其配套编织底盘，包括组合式编织底盘，组合式编织底盘上配合安装有若干个轮式主动携纱器，每个轮式主动携纱器通过连接杆与组合式编织底盘连接。

本发明的特点还在于，

每个轮式主动携纱器包括沿水平方向平行设置的携纱器上座和携纱器下座，携纱器上座和携纱器下座之间设有轮子转向机构。

轮子转向机构包括设置在携纱器上座和携纱器下座四个顶角处的转向架a、转向架b、转向架c及转向架d；

转向架a中设有轮子a，轮子a安装在转轴a上，转轴a的一端通过轴承座a安装在转向架a上，转轴a的另一端同轴套接有齿轮a；

转向架b中设有轮子b，轮子b安装在转轴b上，转轴b的一端通过轴承座b安装在转向架b上，转轴b的另一端同轴套接有齿轮b；

转向架c中设有轮子c，轮子c安装在转轴c上，转轴c的一端通过轴承座c安装在转向架c上，转轴c的另一端同轴套接有齿轮c；

转向架d中设有轮子d，轮子d安装在转轴d上，转轴d的两端分别通过轴承座d安装在转向架d上；

轮子a与轮子b之间设有电机a，电机a的主轴上设有蜗杆a，蜗杆a与蜗轮a配合，蜗轮a同轴套接在传动轴a的中部，传动轴a的两端分别设有齿轮d和齿轮e，齿轮d可与齿轮a啮合；齿轮e可与齿轮b啮合；

轮子b与轮子c之间设有电机b，电机b的主轴上设有蜗杆b，蜗杆b与蜗轮b配合，蜗轮b同轴套接在传动轴b的中部；

传动轴b的两端分别设有齿轮f和齿轮g；齿轮f可与齿轮b啮合；齿轮g可与齿轮c啮合。

连接杆沿竖直方向设置在携纱器下座的底部中心处，连接杆上分别从上至下依次设有定位导向块a和定位导向块b。

定位导向块a的四周侧壁上分别依次开设有布线凹槽a，四个布线凹槽a依次连通，定位导向块a的四个角处分别设有碳刷a。

定位导向块b的四周侧壁上分别依次开设有布线凹槽b，四个布线凹槽b依次连通，定位导向块b的四个角处分别设有碳刷b。

组合式编织底盘由若干个编织底盘模块拼接组成，每个编织底盘模块的四周侧壁上从上至下分别开设有一圈布线凹槽c和一圈布线凹槽d。

本发明的有益效果如下：

1.轮式主动携纱器采用四轮结构，通过转向与动力电机控制，对编织底盘要求降低，因此主动携纱器结构简化且不需要铺设复杂的轨道。

2.底盘模块化，可降低加工和后期布线难度，可根据生产需要进行组装

3.编织底盘布线方案供电，相对于自带电源与无线供电，可连续工作且不必考虑电磁干扰问题。

4.供电导向装置采用土字形，既能防止携纱器运行过程中偏离又能为其供电，且可避免常规不现在拐角时出现短路现象。

附图说明

图1是本发明三维编织轮式主动携纱器及其配套编织底盘的结构示意图；

图2是本发明三维编织轮式主动携纱器及其配套编织底盘中轮式主动携纱器的结构示意图；

图3是本发明三维编织轮式主动携纱器及其配套编织底盘中轮式主动携纱器与编织底盘模块的侧视图；

图4是本发明三维编织轮式主动携纱器及其配套编织底盘中轮式主动携纱器的内部结构示意图；

图5是本发明三维编织轮式主动携纱器及其配套编织底盘中轮式主动携纱器的转向控制示意图。

图中，1.轮式主动携纱器，1-1.携纱器上座，1-2.携纱器下座，1-3.转向架a，1-4.转向架b，1-5.转向架c，1-6.转向架d，1-7.轮子a，1-8.轮子b，1-9.轮子c，1-10.轮子d，1-11.转轴a，1-12.齿轮a，1-13.转轴b，1-14.齿轮b，1-15.转轴c，1-16.齿轮c，1-17.电机a，1-18.蜗杆a，1-19.蜗轮a，1-20.传动轴a，1-21.齿轮d，1-22.齿轮e，1-23.电机b，1-24.蜗杆b，1-25.蜗轮b，1-26.传动轴b，1-27.齿轮f，1-28.齿轮g，1-29.连接杆，1-30.定位导向块a，1-31.定位导向块b，1-32.布线凹槽a，1-33.碳刷a，1-34.布线凹槽b，1-35.碳刷b，1-36.转向电机a，1-37.转向轮a，1-38.转向电机b，1-39.转向轮b，1-40.扭簧a，1-41.限位钉a，1-42.限位钉b，1-43.扭簧b，1-44.限位钉c，1-45.限位钉d，1-46.扭簧c，1-47.限位钉e，1-48.限位钉f，1-49.扭簧d，1-50.限位钉g，1-51.限位钉h，1-52.连接线a，1-53.连接线b，1-54.连接线c，1-55.连接线d，1-56.转轴d；

2.组合式编织底盘，2-1.编织底盘模块，2-2.布线凹槽c，2-3.布线凹槽d，2-4.对接口，2-5.导向槽。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明三维编织轮式主动携纱器及其配套编织底盘，如图1所示，包括组合式编织底盘2，组合式编织底盘2上配合安装有若干个轮式主动携纱器1；

如图2所示，每个轮式主动携纱器1包括沿水平方向平行设置的携纱器上座1-1和携纱器下座1-2，携纱器上座1-1和携纱器下座1-2的四个顶角处分别通过转向架a1-3、转向架b1-4、转向架c1-5及转向架d1-6连接，转向架a1-3中设有轮子a1-7，转向架b1-4中设有轮子b1-8，转向架c1-5中设有轮子c1-9，转向架d1-6中设有轮子d1-10；

轮子a1-7安装在转轴a1-11上，转轴a1-11的一端通过轴承座a安装在转向架a1-3上，转轴a1-11的另一端同轴套接有齿轮a1-12；

轮子b1-8安装在转轴b1-13上，转轴b1-13的一端通过轴承座b安装在转向架b1-4上，转轴b1-13的另一端同轴套接有齿轮b1-14；

轮子c1-9安装在转轴c1-15上，转轴c1-15的一端通过轴承座c安装在转向架c1-16上，转轴c1-15的另一端同轴套接有齿轮c1-16；

轮子d1-10安装在转轴d1-56上，转轴d1-56的两端分别通过轴承座d安装在转向架d1-6上；

轮子a1-7与轮子b1-8之间设有电机a1-17，电机a1-17的主轴上设有蜗杆a1-18，蜗杆a1-18与蜗轮a1-19配合，蜗轮a1-19同轴套接在传动轴a1-20的中部，传动轴a1-20的两端分别设有齿轮d1-21和齿轮e1-22，齿轮d1-21可与齿轮a1-12啮合；齿轮e1-22可与齿轮b1-14啮合；

轮子b1-8与轮子c1-9之间设有电机b1-23，电机b1-23的主轴上设有蜗杆b1-24，蜗杆b1-24与蜗轮b1-25配合，蜗轮b1-25同轴套接在传动轴b1-26的中部；

传动轴b1-26的两端分别设有齿轮f1-27和齿轮g1-28；齿轮f1-27可与齿轮b1-14啮合；齿轮g1-28可与齿轮c1-16啮合；

如图3所示，携纱器下座1-2的底部中心处沿竖直方向设有连接杆1-29，连接杆1-29上分别从上至下依次设有定位导向块a1-30和定位导向块b1-31；

定位导向块a1-30的四周侧壁上分别依次开设有布线凹槽a1-32，四个布线凹槽a1-32依次连通，定位导向块a1-30的四个角处分别设有碳刷a1-33，负极导线在布线凹槽a1-32中布设好之后与定位导向块a1-30四角处的碳刷a1-33相连；

定位导向块b1-31的四周侧壁上分别依次开设有布线凹槽b1-34，四个布线凹槽b1-34依次连通，定位导向块b1-31的四个角处分别设有碳刷b1-35，正极导线在布线凹槽b1-35中布设好之后与定位导向块b1-31四角处的碳刷b1-35相连；

组合式编织底盘2由若干个编织底盘模块2-1拼接组成，每个编织底盘模块2-1的四周侧壁上从上至下分别开设有一圈布线凹槽c2-2和一圈布线凹槽d2-3，负极导线布设在布线凹槽c2-2内，正极导线布设在布线凹槽d2-3内。

定位导向块a1-30嵌装在相邻两个编织底盘模块2-1的布线凹槽c2-2之间；碳刷a1-33与布线凹槽c2-2内的负极导向接触；

定位导向块b1-31嵌装在相邻两个编织底盘模块2-1的布线凹槽d2-3之间；碳刷b1-35与布线凹槽d2-3内的正极导线接触；

每个编织底盘模块2-1中的负极导线和正极导向通过对接口2-4连接，使整个编织底盘形成统一的供电网络。通过定位导向块a1-30上的布线结构和定位导向块b1-31上的布线结构为携纱器供电。

携纱器上座1-1的底部中心处设有转向电机a1-36，转向电机a1-36的主轴上设有转向轮a1-37；

如图4所示，携纱器下座1-2的上表面中心处设有转向电机b1-38，转向电机b1-38的主轴上设有转向轮b1-39；转向轮b1-39的中心轴线与转向轮a1-37的中心轴线重合。

如图5所示，转向架a1-3上设有扭簧a1-40，扭簧a1-40用于向转向架a1-3提供原始转向力；转向架a1-3的两个垂直方位上分别设有限位钉a1-41和限位钉b1-42，限位钉a1-41和限位钉b1-42用于限定转向架a1-3的转向角度；转向架a1-3可限制轮子a1-7的转向；

转向架b1-4上设有扭簧b1-43，扭簧b1-43用于向转向架b1-4提供原始转向力，转向架b1-4的两个垂直方位上分别设有限位钉c1-44和限位钉d1-45，限位钉c1-44和限位钉d1-45用于限定转向架b1-4的转向角度；转向架b1-4可限制轮子b1-8的转向；

转向架c1-5上设有扭簧c1-46，扭簧c1-46用于向转向架c1-5提供原始转向力，转向架c1-5的两个垂直方位上分别设有限位钉e1-47和限位钉f1-48，限位钉e1-47和限位钉f1-48用于限定转向架c1-5的转向角度；转向架c1-5可限制轮子c1-9的转向；

转向架d1-6上设有扭簧d1-49，扭簧d1-49用于向转向架d1-6提供原始转向力，转向架d1-6的两个垂直方位上分别设有限位钉g1-50和限位钉h1-51，限位钉g1-50和限位钉h1-51用于限定转向架d1-6的转向角度，转向架d1-6可限制轮子d1-10的转向。

转向轮a1-37通过连接线a1-52连接转向架b1-4，转向轮a1-37通过连接线b1-53连接转向架d1-6；

转向轮b1-39通过连接线c1-54连接转向架a1-3，转向轮b1-39通过连接线d1-55连接转向架c1-5。

本发明三维编织轮式主动携纱器及其配套编织底盘的工作过程为，工作时，轮子a1-7、轮子c1-9的方向与x轴平行，轮子b1-8、轮子d1-1方向与y轴平行，转向电机b1-38逆时针旋转，转向电机a1-36逆时针旋转，连接线a1-52、连接线b1-53、连接线c1-54及连接线d1-55一直处于拉紧状态，当携纱器沿组合式编织底盘y轴运动时，转向电机b1-38带动转向轮b1-39工作，并通过连接线c154、连接线d1-55带动转向架a1-3和转向架c1-5克服扭簧a1-40、扭簧c1-46限制力逆时针旋转90°与限位钉a141、限位钉e1-47接触转向完成，此时齿轮b1-14与齿轮f1-27啮合，齿轮c1-16与齿轮g1-28啮合，同时转向轮a1-37与转向电机a1-36处于非工作状态，转向架b1-4在扭簧b1-43与限位钉d1-45的作用下方向不变；转向架d1-6在扭簧d1-49与限位钉h1-51的作用下方向不变；此时轮子a1-7、轮子b1-8、轮子c1-9与轮子d1-10方向相同且与组合式编织底盘2的y轴平行，然后电机b1-23启动，通过蜗轮b1-25、蜗杆b1-24啮合，传动轴b1-26转动，通过齿轮f1-27与齿轮b1-14啮合，将动力传递给轮子b1-8；通过齿轮g1-28与齿轮c1-16啮合，将动力传递给轮子c1-9，携纱器沿y轴运动，通过电极的转换控制电机b1-23正反转来实现y轴正负方向的运动，此时电机a1-17不工作；当携纱器沿编织底盘x轴运动时，转向电机a1-36带动撰写轮a1-37工作，并通过连接线a1-52带动转向架b1-4克服扭簧b1-43限制力与限位钉c1-44接触完成转向；通过连接线b1-53克服扭簧d1-49限制力与限位钉g1-50接触完成转向，此时，齿轮a1-12与齿轮d1-21啮合，齿轮b1-14与齿轮e1-22啮合，同时，转向轮b1-39与转向电机b1-38处于非工作状态，

转向架a1-3和转向架c1-5分别在扭簧a1-40、扭簧c1-46和限位钉b1-42、限位钉f1-48作用下方向不变，此时轮子a1-7、轮子b1-8、轮子c1-9及轮子d1-10方向相同且与编织底盘x轴平行，然后电机a1-17启动，通过蜗轮a1-19和蜗杆a1-18的配合，将动力通过齿轮a1-12与齿轮d1-21的啮合，齿轮b1-14与齿轮e1-22的啮合分别传递给轮子a1-7和轮子b1-8，携纱器沿x轴运动，通过电极的转换控制电机a1-17正反转来实现x轴正负方向的运动，此时电机b1-23不工作。

相邻编织底盘模块2-1之间形成的空间供定位导向块a1-30和定位导向块b1-31运动，两者间有间隙防止卡死，

在携纱器运行过程中，轮子a1-7、轮子b1-8、轮子c1-9及轮子d1-10会通过相邻编织底盘模块2-1间的空隙形成的导向槽2-5，轮子a1-7、轮子b1-8、轮子c1-9及轮子d1-10直径16mm导向槽2-5宽4mm，轮子在此处落差0.3mm产生轻微颠簸，携纱器转向架上端加装减震弹簧来减少颠簸对编织的干扰；当携纱器运动到组合式编织底盘2中的导向槽2-5十字交叉处时，方形的定位导向块a1-30和定位导向块b1-31四角的碳刷a1-33、碳刷b1-35具有弹性可以保证与编织底盘模块2内布线相接触，且携纱器转换方向后可顺利运行。

轮式主动携纱器1上还包括有无线控制模块、驱动模块以及接口。控制模块完成对2个动力电机(电机a1-17和电机b1-23)和2个转向电机(转向电机a1-36和转向电机b1-38)的管理和控制，是基于visualstudio集成软件开发平台的pc上位机与携纱器装置的接口，包括无线发送与接收模块，控制模块选取了基于arm7架构的stm32f103rct6微控制器，stmf32f103微控制器是一款常用的增强型系列微控制器用于电力电子系统方面的应用，可以实现nrf24l01无线控制模块，nrf24l01是工作在2.4ghz～2.5ghz的ism频段的单片无线收发器芯片，控制直流电机的定位和速度，可直接从cpu实现控制。stm32f103rct6微控制器自带的nrf24l01无线接收模块与电机连接，主要任务是产生脉冲和方向信号，控制电机的运行，使携纱器按照编织工艺文件执行编织动作。nrf24l01无线发送模块与pc上位机连接，主要负责发送编织工艺文件信号与人机交互控制。

在三维编织底盘设备的控制中，由基于visualstudio软件平台的pc机指令控制stm32f103rct6控制编织过程。nrf24l01无线发送模块作为直流电机上位控制单元，与pc机构成主从式控制结构，pc机负责人机交互接口的管理和实时监控等方面的工作，包括键盘和鼠标的管理、系统状态的显示、控制指令的发送、外部信号的监控等。控制模块完成运动控制的所有细节，包括脉冲和方向信号的输出。