一种具备主动控制纱线张力功能的携纱器及方法

1.本发明涉及一种携纱器及编织方法，特别涉及一种具备主动控制纱线张力功能的携纱器及方法，属于织造机械领域。


背景技术：

2.随着复合材料应用越来越广泛，以及航天航空、导弹、原子能、高速运载工具等领域尖端技术迅速发展，和传统的金属材料相比较,利用三维编织技术先在三维编织设备上编织出一些形状复杂预制件而后处理成的复合材料，不仅在力学性能上得到了很大的提升，而且其预制件结构的可设计性也具有很大的优势，因此对三维编织技术需求越来越强烈。三维编织有关设备的研究、开发开始于20世纪60年代后期。德国的maister 公司1973年研发出的全自动三维编织机，被认为是第一台三维编织设备，美国北卡罗来纳大学于1989年成功研制出了可以连续喂纱的四步法三维编织设备，编织效率有了明显提升。国内三维编织技术的研究相比国外较晚，但发展比较迅速。
3.三维立体编织物是通过携纱器在三维编织机上的运动完成的，携纱器的应用使得三维编织技术的适用性大大增强。由此即知，携纱器则是连接纱线和编织机的重要环节，因而携纱器的设计也成为了国内外科研工作人员的研究重点之一。然而传统的携纱器在整个编织过程中仅起到携带纱线和输送纱线的作用，这已不能完全满足工艺的要求，携纱器对编织过程中纱线的张力控制成为主动携纱器发展的关键，为此，本发明主要解决了这一问题，间接的提高了三维编织的自动化程度、编织效率以及编织物的综合性能。
4.申请号为201720458645.9，名称为“一种用于携纱器纱线张力控制的装置”的实用新型公开了一种用于携纱器纱线张力控制的装置，包括单向自锁机构、弧形支撑板、横梁和支撑架；单向自锁机构采用螺栓固定连接在底座上，纱筒轴安装在底座上，纱筒装在纱筒轴上，底座上设置有弧形支撑板，且位于纱筒轴的后方。纱筒的上下分别设置有纱筒下挡块和纱筒上挡块，纱筒下挡块和纱筒上挡块分别焊接在纱筒上下两端，纱筒下挡块与单向自锁机构保持接触。两个横梁的另一端竖直向下的安装有两个弹簧，在两个横梁的中部垂直设置有横梁上轴，横梁上轴的两端分别穿过两个横梁，伸出横梁后的两端部连接有两个支撑柱，支撑柱与横梁上轴垂直，横梁上轴在横梁内可以转动。横梁上轴的中部设置有滑轮，采用胶粘的连接方式；两个支撑柱的末端连接有横梁下轴，横梁下轴的中部设置有滑轮，弹簧一端与横梁连接，另一端连接在横梁下轴上，两个弹簧分别位于滑轮的两侧靠近支撑柱的位置，采用胶粘的连接方式。该专利申请采用滑轮和弹簧的配合使用，实现携纱器对于纱线张力的控制，但弹簧为弹性元件，其补偿张力并不稳定，无法保证纱线张力时刻在最优范围内，并且对纱线的可控量也十分有限，当携纱器移动路径超过可以控制的纱线长度时，该专利申请无法继续控制纱线张力，因此，并不适用于移动距离长的编织机，另外，该结构体积大，无法满足数目众多的携纱器同时工作，工程应用受限。
5.申请号为202111618873.5，名称为“一种三维编织物的编织方法及专用装置”的发明申请公开了一种三维编织物的编织方法及专用装置，通过计算机软件将三维编织预制件
建模，分析计算出编织工艺参数，拟合纱线的运动步骤及运动轨迹，然后发布给安装有带张力控制反馈的携纱器的充电式智能控制运动模组，智能控制运动模组根据计算机发布的指令，在编织盘上运动，通过计算机程序将编织盘划分为若干个虚拟网格，并给智能运动控制模组按照时序、坐标划分运动路径，带动纱线运动，下部运动单元动作完成编织，上部提升机构将编织好的预制件向上提升。该携纱器通过计算机软件拟合纱线的运动步骤然后通过无线网络控制携纱器运动，控制模块采取充电式，虽然整体智能性强，但采用无线控制模块会导致携纱器体积变大，采用充电式电能供应会产生散热、耗损、安装等问题，在大型编织机中，如果数以千计的携纱器共同工作时，携纱器的体积、充电方式所反映出的问题会被无限放大，此外，全过程智能控制的成本也很高，因此该专利申请不能满足大型三维编织机的要求，工程应用受限。


技术实现要素：

6.本发明为克服现有技术的不足，提供一种具备主动控制纱线张力功能的携纱器及方法。该携纱器克服了传统编织机中纱线张力的周期性波动，可主动控制纱线张力恒定，使编织物结构更加稳定均匀，提高了三维编织的自动化程度和编织效率。
7.一种具备主动控制纱线张力功能的携纱器包含机架、卷曲机构、控制模块、张力传感器、电能传输系统和导纱杆；所述卷曲机构、控制模块和张力传感器由上到下依次设置在机架的上部，所述电能传输系统设置在机架的下部并与机架相连；
8.所述卷曲机构包括纱线筒、电机、电机托板和上连杆，所述纱线筒与所述电机的主轴连接，所述电机固定于电机托板顶部，电机托板下部设置若干根上连杆，每根上连杆的下端与所述机架上表面连接，每根上连杆的上端固定于所述电机托板边缘；
9.所述控制模块包括单片机，所述单片机的系统板边缘打若干孔供上连杆通过，单片机固定于上连杆的中部；所述张力传感器与所述机架连接，并固定于机架上表面，所述导纱杆下端与所述机架上表面连接；张力传感器与单片机通讯连接，单片机的信号输出端与电机的信号输入端相连，所述电能传输系统为滑动式接触传电系统，包括：集电单元和整流单元；集电单元收集地网上的交流电；整流单元包含整流器，所述整流器固定于机架的下表面，将集电单元收集的交流电转换为可供所述电机、单片机和张力传感器直接使用的直流电。
10.一种具备主动控制纱线张力功能的携纱器的编织方法，包括以下步骤；
11.s1：按要求给地网接通交流电，所述导电轮在地网上移动收集交流电，传输到所述整流器上，经整流成直流电，再传输到所述电机、单片机和张力传感器，携纱器开始工作；
12.s2：纱线从所述纱线筒出发，经所述导纱杆到所述张力传感器，再回到导纱杆，从导纱杆顶端输送出去进行编织，此时纱线张力满足额定纱线张力，所述电机正转进而所述纱线筒旋转放纱；
13.s3：所述单片机实时接收所述张力传感器传来的张力信号，当产生靠近编织物方向的位移时，张力传感器测量的纱线张力小于额定纱线张力值，单片机发出回绕指令给所述电机，电机反转进而所述纱线筒反向旋转收纱；
14.s4：当所述张力传感器测量的纱线张力再次满足额定纱线张力值，所述单片机发出释放指令给所述电机，电机正转进而所述纱线筒旋转放纱；
15.s5：当编织过程结束，断开所述地网的电源，各环节停止工作。
16.本发明相比现有技术的有益效果是：
17.1、本发明通过卷曲机构、张力传感器和控制模块三部分相互协作主动控制纱线张力，既能以最优编织速度均匀释放纱线，又能在任何情况下完全回绕多余的纱线，实现了前所未有的主动放纱主动收纱，可满足任意数量的携纱器同时工作，适用于大型三维编织机，保证了编织全过程纱线张力在最优的范围内，提高了编织物的综合力学性能与质量稳定性。
18.2、本发明的电能传输系统为一种滑动式接触传电方式，避免了有线供电导致的携纱器在工作过程中电源线缠绕问题，也解决了因为电池供电导致的散热问题、使用寿命问题以及安装更换问题；适用于任何工作环境并且保证了携纱器在工作过程中电流的持续稳定，为携纱器对纱线的有效控制提供了可靠的能源保证。
19.3、本发明结构设计紧凑，在机架的竖直方向上排列各个元器件，最大程度的压缩携纱器最大横截面的面积，保证了在可满足工作需要的情况下的最小体积，进而增大了可同时参与编织的携纱器的最大数量，因此适用于大型三维编织机。
20.4、本发明的卷曲机构采用电机控制纱线筒，体积小，输出功率稳定，可应对任意形状的大型编织物；控制模块通过单片机控制，低电压、低能耗、便于生产安装，并且可靠性高；对纱线张力的测量通过张力传感器实时检测，集成化智能化，数据准确，安装简单。
21.下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步地说明：
附图说明
22.图1为本发明的整体三维示意图；
23.图2为卷曲机构的三维示意图；
24.图3为控制模块和检测机构的三维示意图；
25.图4为机架的三维示意图；
26.图5为电能传输系统的三维示意图；
27.图6为地网与电能传输系统实现集电和输电的原理图。
28.图中：1为机架，2为卷曲机构，21为纱线筒，22为电机，23为电机托板，24为上连杆，25为螺母，31为单片机，32为螺栓，41为张力传感器，5为电能传输系统，51为整流器，52为导电轮，53为轮架，54为下连杆，55为螺母，61为导纱杆，71为导电条，72 为绝缘条。
具体实施方式
29.下面将结合附图对本发明技术方案的实施例进行详细的描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，因此只作为示例，而不能以此来限制本发明的保护范围。
30.需要注意的是，除非另有说明，本技术使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域技术人员所理解的通常意义。
31.如图1-图3所示，一种具备主动控制纱线张力功能的携纱器包含机架1、卷曲机构2、控制模块、张力传感器41、电能传输系统5和导纱杆61；
32.所述卷曲机构2、控制模块和张力传感器41由上到下依次设置在机架1的上部，所
述电能传输系统5设置在机架1的下部并与机架1相连；
33.所述卷曲机构2包括纱线筒21、电机22、电机托板23和上连杆24，所述纱线筒21与所述电机22的主轴连接，所述电机22固定于电机托板23顶部，电机托板23下部设置若干根上连杆24，每根上连杆24的下端与所述机架1上表面螺纹连接，每根上连杆24的上端固定于所述电机托板23边缘；上连杆24的上端通过两个螺母a25固定于电机托板23边缘，两个螺母分别用于固定所述电机托板23的上表面和下表面，
34.可选地，电机托板23的上表面距上连杆24的顶端5mm-8mm；便于螺母的固定和使用，保证安装可靠稳定。
35.所述控制模块3包括单片机31，所述单片机31的系统板边缘打若干孔供上连杆 24通过，单片机固定于上连杆24中部，螺母b32将单片机31固定于上连杆24的中部，所述张力传感器41与所述机架1通过螺钉连接，并固定于机架1上表面，所述导纱杆61下端与所述机架1上表面连接，张力传感器41与单片机31通讯连接，单片机 31的信号输出端与电机22的信号输入端相连。本方案中所述单片机31输入特定的程序，保证所述控制模块3可实时分析处理所述张力传感器41传来的纱线张力信号，根据相应的信号发送对应指令给所述卷曲机构2的电机22，进而控制纱线的释放以及回绕。
36.所述电能传输系统5为滑动式接触传电系统，采取地网式传电，包括：集电单元和整流单元；集电单元收集地网上的交流电；整流单元包含整流器51，所述整流器51 固定于机架1的下表面，将集电单元收集的交流电转换为可供所述电机22、单片机31 和张力传感器41直接使用的直流电。
37.通常，电机22优选为微型直流减速电机。
38.进一步地，作为一种可能的实施方式，所述机架1为一椭圆形厚板，椭圆形厚板的上部安装所述卷曲机构2和所述控制模块3，下部安装所述电能传输系统5。
39.较佳地，所述电机22和张力传感器41二者的额定电压相同，所述电机22正转带动所述纱线筒21释放纱线的速度与编织过程中纱线运行速度一致。保证二者额定电压相同，并且满足体积最小原则，目的是保证电机22正转带动所述纱线筒21释放纱线的速度与编织过程中纱线运行速度一致。
40.地网式传电为一种滑动接触传电方式，所述集电单元包含导电轮52、导电轮架53 和下连杆54，所述导电轮52与导电轮架53绝缘连接，并能相对导电轮架53进行360
°
旋转，导电轮架53上部设置若干根下连杆54，每根下连杆54的上端与所述机架1下表面连接，每根下连杆54的下端固定于所述导电轮架53边缘。
41.通常，所述上连杆24和下连杆54的数量均为4根，如此设置，以最少数量确保连接的稳定性。
42.地网式传电为一种滑动接触传电方式，所述地网为在平面或曲面平行铺设的导电条71，各导电条71之间用绝缘条72相隔，相邻导电条71不接通同一交流电源，三个导电轮52以等边三角形的形状设置，任意两个导电轮52与相邻导电条71构成回路，导电轮52从地网收集交流电。
43.如图6所示，在一种可能的实施方式中，在平面或曲面平行铺设有不少于5根导电条，各导电条间用绝缘条72相隔，且保证相邻导电条71不接通同一交流电源(零线和火线)，从而构成所述地网；集电单元通过三个导电轮52从所述地网收集交流电，三个导电轮52以
等边三角形的形状设置，保证单一集电单元运行到何处，三个导电轮52不会同时处在所述地网上同一导电条71上，任意两个导电轮52与所述地网相邻导电条71构成回路，导电轮52从地网收集交流电，保证电流连续稳定。
44.基于上述方案，作为一种可能的实施方式，导电轮52到整流器51的交流电运输和整流器51分别到电机22、单片机31和张力传感器41的直流电运输均采用有线运输，所述机架1和所述导电轮架53的边缘设置3-5个可通过电线的孔。
45.基于上述方案，作为另一个可能的实施方式，还提供一种主动控制纱线张力的携纱器的编织方法，包括以下步骤；
46.s1：按要求给所述地网接通交流电，所述导电轮52在所述地网上移动收集交流电，传输到所述整流器51上，经整流成直流电，再传输到所述电机22、单片机31和张力传感器 41，携纱器开始工作；
47.s2：纱线从所述纱线筒21出发，经所述导纱杆61到所述张力传感器41，再回到导纱杆61，从导纱杆61顶端输送出去进行编织，此时纱线张力满足额定纱线张力，所述电机 22正转进而所述纱线筒21旋转放纱；
48.s3：所述单片机31实时接收所述张力传感器41传来的张力信号，当产生靠近编织物方向的位移时，张力传感器41测量的纱线张力小于额定纱线张力值，单片机31发出回绕指令给所述电机22，电机22反转进而所述纱线筒21反向旋转收纱；
49.s4：当所述张力传感器41测量的纱线张力再次满足额定纱线张力值，所述单片机31 发出释放指令给所述电机22，电机22正转进而所述纱线筒21旋转放纱；
50.s5：当编织过程结束，断开所述地网的电源，各环节停止工作。
51.作为上述补充，单片机程序设计要求为：
52.s1：设定某一额定纱线张力值，实时接收检测机构测量的纱线张力信号；
53.s2：当判断检测机构测量的纱线张力信号大于等于额定值时，发出释放纱线指令给卷曲机构；
54.s3：当判断检测机构测量的纱线张力信号小于额定值时，发出回绕纱线指令给卷曲机构。
55.作为上述补充，其中：
56.s1：张力传感器41的安装；
57.采用螺钉将张力传感器41固定于所述机架1的上表面；
58.s2：控制模块3的安装；
59.将上连杆24的下端旋入机架1的上表面螺纹孔中，上连杆24上端穿过单片机31 系统板的对应孔，单片机31的系统板下降到上连杆24的上端螺纹尽头处卡住，再将螺母32旋入上连杆24的上端并对单片机31的系统板进行固紧；
60.s3：卷曲机构2的安装；
61.将螺母a25旋入所述上连杆24的上端，距上连杆24上端8mm-10mm处停止，上连杆24的上端穿过电机托板23的对应孔，再将螺母a25旋入上连杆24的上端对电机托板23进行固紧，保证每跟上连杆24上旋入的螺母位置相同，将电机22通过螺栓或黏贴的方式固定于电机托板23的中部凹槽内，将电机22的主轴插入纱线筒21对应槽孔内；
62.s4：导纱机构6的安装；
63.将导纱杆61下端旋入机架1上表面螺纹孔中；
64.s5：电能传输系统5的安装；
65.采用螺钉将整流器51固定于机架1的下表面，将下连杆54上端旋入机架1的下表面螺纹孔中，将下连杆54下端插入导电轮架53边缘的孔中，将螺母b55对导电轮架 53进行固紧，将导电轮52以万向(以360
°
旋转方式)绝缘方式安装在导电轮架53的下表面。
66.本发明已以较佳实施案例揭示如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专业的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围内，当可以利用上述揭示的结构及技术内容做出些许的更动或修饰为等同变化的等效实施案例，均仍属本发明技术方案范围。