异形针刺机的制作方法

1.本发明涉及针刺技术领域，特别是指一种异形针刺机。


背景技术：

2.针刺立体织物按结构分为平面针刺成型预制件和针刺成型异形构件，现有平面针刺技术已普遍机械化，而异形构件，比如回转预制件，仅在筒体部分可以应用平板针刺技术，而对于封闭的端部难以适用大型针板的成型，这是因为大型针板针刺成型的是周向分布的针刺轨迹，会导致端部的断裂；所以现有技术中只能通过手工针刺或机械手针刺成型端部部分，再结合大型针板成型筒体部分进行分步制作。手工针刺或机械手针刺的针刺效率偏低，且当高速针刺时，容易形成碎渣影响织物成型；其中，更为不利的是，操作人员难以做到严格控制每一层的针刺力度和均匀性，导致内部质量不稳定，产品质量再现性差。


技术实现要素：

3.鉴于以上内容，有必要提供一种改进的异形针刺机，以解决上述技术问题。
4.本发明提供的技术方案为：一种异形针刺机，包括安装在支撑架上的针刺模块和位姿调控模块，所述位姿调控模块设有控制单元、翻转单元、水平位移单元和竖直位移单元，所述翻转单元支撑并带动待针刺件进行姿态变换，所述水平位移单元和所述竖直位移单元带动所述待针刺件进行三维位置变换，且所述翻转单元与所述水平位移单元和所述竖直位移单元及所述针刺模块在所述控制单元的驱动下联动运行，自动调控所述待针刺件的位姿和针刺参数实现异形针刺结构的成型。
5.进一步的，当所述异形针刺结构包括曲端面时，联动运行能够在所述曲端面的区域成型错位分布的针刺轨迹以避免周向分布的针刺曲端面的断裂。
6.进一步的，所述位姿的变化包括三维位置变换和/或姿态变换，所述三维位置变换为所述待针刺件的基点在正交坐标系中任意方向上发生位移；所述姿态变换为所述待针刺件基于其基点所在的轴截面发生横滚和/或俯仰。
7.进一步的，所述支撑架包括支撑基座、支撑柱、支撑梁、支撑水平台和移动底板，其中所述支撑柱安装在所述支撑基座上，所述支撑梁固定于周向相邻的两个所述支撑柱的顶端；所述移动底板安装在所述支撑基座上且被包围在所述支撑柱的内部，所述移动底板承载着所述支撑水平台。
8.进一步的，所述控制单元内置联合所述针刺模块、所述水平位移单元、所述竖直位移单元和所述翻转单元的联动机构，且所述联动机构通过所述控制单元的安装部架空在所述支撑水平台上。
9.进一步的，所述水平位移单元设有平行的第一水平导轨安装在所述支撑基座上，所述移动底板设有滑块与所述第一水平导轨配合以实现水平移动；所述竖直位移单元设有多个竖直导轨固定于所述移动底板上且承载所述支撑水平台以牵引其竖直上下移动。
10.进一步的，所述翻转单元设有安装所述待针刺件的支撑杆，所述支撑杆连接于所
述控制单元且在远离所述控制单元的方向上延伸出；所述翻转单元还包括连接臂和平行于所述第一水平导轨的第二水平导轨，所述第二水平导轨安装在所述支撑水平台上，所述连接臂的一端相对于所述第二水平导轨移动，另一端连接于所述控制单元；所述支撑杆在所述控制单元的驱动下能够横滚或/和俯仰。
11.进一步的，所述针刺模块为设置于所述支撑梁上或外置。
12.进一步的，当所述针刺模块安装于所述支撑梁上时，所述针刺模块包括针梁、针板和安装在所述针板上的刺针，所述针板安装于所述针梁上且相对其往复运动以使所述刺针对所述待针刺件进行往复针刺。
13.进一步的，所述针板为平面状。
14.与现有技术相比，本发明提供的异形针刺机，通过设置联动运行的针刺模块和位姿调控模块，自动调控待针刺件的位姿和针刺参数，应用于实际生产中，人工参与少，机械化程度高，可自动化成型异形针刺件，确保加工精度，产品质量一致性和再现性好，且显著提高生产效率，满足批量工业化生产的需要。
附图说明
15.下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明:图1为本发明一实施方式中异形针刺机的立体结构示意图;图2为图1示出的异形针刺机使用时的另一角度的立体结构示意图;图3为图1示出的异形针刺机的正视图;图4为图1示出的异形针刺机的左视图;图5为图1示出的异形针刺机的俯视图;图6为本发明中错位分布和周向分布的针刺结构示意图，（a）错位分布，（b）周向分布。
16.主要元件符号说明：异形针刺机 100针刺模块
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10针梁
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12控制单元
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30联动机构
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32旋转轴
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32a安装部
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34安装孔
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34a水平位移单元
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50第一水平导轨
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52竖直位移单元
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70竖直导轨
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72翻转单元
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90支撑杆
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92连接臂
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94第二水平导轨
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支撑基座
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1支撑柱
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3支撑梁
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5支撑水平台 7开口
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7a移动底板
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9滑块
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9a光导杆
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74待针刺件
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200如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本发明实施例。
具体实施方式
17.为了能够更清楚地理解本发明实施例的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本技术的实施方式中的特征可以相互组合。
18.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明实施例，所描述的实施方式仅是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明实施例保护的范围。
19.除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明实施例的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本发明实施例。
20.本发明提供一种异形针刺机100，包括安装在支撑架上的针刺模块10和位姿调控模块，位姿调控模块设有控制单元30、翻转单元90、水平位移单元50和竖直位移单元70，翻转单元90支撑并带动待针刺件200进行姿态变换，水平位移单元50和竖直位移单元70带动待针刺件200进行三维位置变换，且翻转单元90与水平位移单元50和竖直位移单元70及针刺模块10在控制单元30的驱动下联动运行，自动调控待针刺件200的位姿和针刺参数实现异形针刺结构的成型。本发明通过设置联动运行的针刺模块10和位姿调控模块，自动调控待针刺件200的位姿和针刺参数，应用于实际生产中，人工参与少，机械化程度高，可自动化一体成型异形针刺件，确保加工精度，产品质量一致性和再现性好，且显著提高生产效率，满足批量工业化生产的需要。
21.请参阅图1，本发明提供一种异形针刺机100，主要包括支撑架、针刺模块10和位姿调控模块，具体结构如下：首先，结合附图1-5对支撑架进行简要说明；支撑架，用于异形针刺机100主体的承载构件，如图1所示，其外形大体成立方体。该支撑架大体包括支撑基座1、支撑柱3、支撑梁5、支撑水平台7和移动底板9，其中：支撑基座1，为正方形，位于底部，接近地面（也可以是其他放置平台，不限定为地面）。
22.支撑柱3，为柱体，在本实施方式中其截面外形为正方形，设有四根等长的支撑柱3，安装在支撑基座1上，如图1所示，安装在支撑基座1的四个角区，底部与地面接触，使得支
撑基座1与地面之间保持距离；所述支撑基座1大体设于四根支撑柱3的同一高度，以确保支撑基座1的表面水平。
23.支撑梁5，与支撑柱3的形状类似，且其纵长方向与支撑柱3的纵长方向垂直，其两端部固定于两根支撑柱3的顶端，如图1和图2所示，在本实施方式中，周向相邻的两个支撑柱3的顶端均固定有一根支撑梁5。支撑梁5在本发明中主要起到承载针刺模块10的作用。
24.支撑水平台7，大体为方形，如图1和图2所示，中部设有开口7a，主要起到支撑部分位姿调控模块的作用。
25.移动底板9，外形大致为田字形，如图1和图2所示，安装在支撑基座1上且被包围在支撑柱3的内部，移动底板9承载着支撑水平台7，可以带动支撑水平台7相当于支撑基座1移动，从而实现待针刺预制件的位移变化。
26.其次，本发明结合附图1-5对针刺模块10进行简要介绍。针刺模块10可以是外置的，比如采用机械手联动等。可以理解的是，机械手式针刺或人工针刺的面积小，但灵活多变，通常来讲，更符合异形端面的针刺，如球形封闭端面、u形曲面等等；但不适用于大面积针刺，针刺效率低，针刺力度小。需要说明的是，小区域面积针刺模块10加模具旋转机构和模具升降机构的这种组合方式是不能实现异形回转体的高速成型的，在制备过程中连续纤维会成碎渣的，不可能实现层间联结；若针刺间距小，也打不到层间联结需要的强度，产品质量不理想。
27.在本实施方式中，针刺模块10为悬设于支撑梁5上。如图2和图3所示，针刺模块10主要包括针梁12、针板（图未示出）和安装在针板上的刺针（图未示出），其中，针梁12固定于支撑梁5上；针板安装于针梁12上且随其可以进行往复运动，以使刺针对待针刺件200进行往复针刺。该刺针通常为倒三角针型，深入待针刺件200时，能够将松散的层面纤维束牵引到待针刺件200的若干层之间，当退出待针刺件200时，能够平滑退出，不致将已转移的纤维束带出，从而逐步使得待针刺件200层间产生联结，最终形成准三维立体织物。在本实施方式中，针梁12与针板的接触面为平面状，针板大致为平板状。可以理解的是，平板针刺可以大面积针刺，针刺效率高，针刺力度大，针刺产品更密实。尤其是，本实施方式通过自动调控待针刺件200的位姿，使得平板针刺同样适用于异形端面的针刺，兼具大面积针刺和灵活多变的针刺效果，可以逐层一次性成型异形针刺件，如坩埚织物、锥筒织物等等。当然，容易想到的是，通过减少布针的方式，结合待针刺件200的位姿变化可以同样达到机械手针对小区域的针刺需求。根据本发明的设计方案，优选采用平板式针刺模块10，生产效率高、针刺精度好，且产品更密实，产品品质更优。
28.在本实施方式中，针刺参数包括针刺深度，针刺频率，针刺间距等等；通常针刺方向优选法向，当然根据实际生产的设计，也可以是斜向，具体视生产设计而定。
29.最后，结合附图1-4就本发明的位姿调控模块的结构及运行进行阐述说明。
30.本发明的实施例中，位姿的变化包括三维位置变换和/或姿态变换。即位姿的变化可以是单纯的三维位置变换、或单纯的姿态变换、或者三维位置和姿态均发生变换。
31.一方面，三维位置变换为待针刺件200的基点在正交坐标系（记为x、y、z）中任意方向上发生位移；例如待针刺件200的基点在x、y或z方向上发生位移，或者待针刺件200的基点在xy方向、xz方向、yz方向、yz方向或xyz方向上发生位移。
32.另一方面，姿态变换为待针刺件200基于其基点所在的轴截面发生横滚和/或俯仰。横滚可以理解为待针刺件200相对的侧边彼此向相反的方向运动，类似于自转；俯仰也可以理解为待针刺件200远离基点的端部上下运动。姿态变换中还包括偏航，即为待针刺件200远离基点的端部左右运动，本发明基于回转体异形件成型的实际需求，未采用偏航模式，但针对复杂结构件的成型时，不排除可以采用单偏航模式，横滚和偏航组合模式，俯仰和偏航组合模式，或横滚、偏航和俯仰的组合模式等等。
33.下面以回转针刺件之坩埚织物为例，本发明的位姿调控模块设有控制单元30、翻转单元90、水平位移单元50和竖直位移单元70。其中，控制单元30内置联合针刺模块10、水平位移单元50、竖直位移单元70和翻转单元90的联动机构32，且联动机构32通过控制单元30的安装部34架空在支撑水平台7上。本实施方式中，安装部34的侧剖面大体为l形，正面为三角形，三角形的底部固定在支撑水平台7上，且与x方向（回转体轴向投影到水平面所在的方向）平行。安装部34设有相对的两个，对称分布在翻转单元90的两侧，且分别在三角形的顶角附近相向开设安装孔34a，以使联动机构32安装后架空在支撑水平台7上，在与联动机构32相对应的支撑水平台7上开设开口7a，从而减轻支撑水平台7的重量及便于各模块和单元之间的布线连接。本实施方式中，联动机构32的壳体大体为长方体，对称的侧边中部相对延伸出旋转轴32a，该旋转轴32a的两端部与安装孔34a连接固定。
34.水平位移单元50，设有平行的第一水平导轨52，安装在支撑基座1上，移动底板9设有滑块9a与第一水平导轨52配合以实现水平移动。如图1所示，本发明中第一水平导轨52设有一对平行的轨道，且其纵长方向与x轴平行，通过电机驱动运行，并由控制单元30自动调控运行参数，如此设置，待针刺件200可以沿x方向移动。
35.竖直位移单元70，设有多个竖直导轨72固定于移动底板9上且承载支撑水平台7以牵引其竖直上下移动。如图1所示，本发明中竖直导轨72设有四个，对称分布在支撑水平台7的四角，且贯穿在支撑水平台7上。本实施方式中为丝杆电机驱动支撑水平台7上下运动，并由控制单元30自动调控运行参数，从而实现待针刺件200的z方向运动，其中z方向为垂直于支撑基座1（也即水平面）的方向。多个竖直导轨72内侧设有与其平行的若干光导杆74，同样光导杆74贯穿在支撑水平台7上。在本实施方式中，光导杆74设有三根，设置在支撑水平台7的相对侧，光导杆74内置传感器，可以及时监控支撑水平台与移动底板的相对平行度以便实时调整，从而确保产品质量的一致性和稳定性。
36.翻转单元90设有安装待针刺件200的支撑杆92，支撑杆92连接于控制单元30且在远离控制单元30的方向上延伸出，在本实施方式中，支撑杆92自联动机构32的一侧边中部向外部延伸出，支撑杆92上任意点均可以视为待针刺件200的基点，其空间位置变化代表三维位置变换，支撑杆92向内部的延伸交点为旋转轴32a的中点，该支撑杆92可以带动待针刺件200沿轴向自转，即横滚；在本实施方式中，翻转单元90还包括连接臂94和平行于第一水平导轨52的第二水平导轨96，第二水平导轨96设有两个，安装在支撑水平台7上，平行于x轴设置且对称分布在两个安装部34的内侧及联动机构32的外侧，连接臂94的一端连接于第二水平导轨96上且可以相对于第二水平导轨96移动，另一端连接于旋转轴32a，当连接臂94沿x方向发生位移时，联动机构32发生俯仰运动，在本实施方式中，旋转轴32a和支撑杆92的中心轴所在的平面截得的待针刺件200的剖面为本发明中所说的轴截面，俯仰运动即以旋转
轴32a的中心轴为基轴，轴截面围绕中心轴旋转，呈现为上下运动；如此，安装在支撑杆92上的待针刺件200在控制单元30的驱动下能够横滚或/和俯仰。
37.在本发明的实施例中，翻转单元90支撑并带动待针刺件200进行姿态变换，水平位移单元50和竖直位移单元70带动待针刺件200进行三维位置变换，且翻转单元90与水平位移单元50和竖直位移单元70及针刺模块10在控制单元30的驱动下联动运行。在实际生产中，现有的回转体针刺设备仅能成型周向均布的针刺轨迹，而这样的针刺结构对回转体曲端面（如坩埚端头部）是致命的，经几番试验验证成型的产品端头会直接断裂，根本无法成型；现有的措施是筒体部分机械针刺，而曲端面处仍采用人工手动成型或机械手针刺成型，针刺效率低下，且针刺质量很不稳定。而本发明的优异之处在于，当异形针刺结构包括曲端面时，联动运行能够在曲端面的区域成型错位分布的针刺轨迹（如图6中（a）所示，可以理解沿轴向平视得到的平面投影示意图），彻底解决周向分布（如图6中（b）所示）的针刺曲端面的断裂问题，而且筒体和曲端面可以连续一次性成型，真正实现自动化，减少人工参与，提高生产效率和生产精度的同时，产品质量一致性和再现性均得到有效保障，达到异形针刺件的批量自动化生产的迫切要求，满足半导体、热工业、航空航天等领域的发展需要。在对比测试中，采用本设备与传统设备或人工同时制备同一异形针刺件，本设备所需的生产工时为传统设备或人工制备所需时间的一半以内，生产效率为原先的200%以上，其中无需人为调整设备、校准等，耗时少，人工参与少。
38.在其他实施方式中，水平位移单元50还可以包括垂直于x方向且处于水平面的y方向的导轨，如此三维位置的变换可以是xyz任意方向的联动，再与针刺模块10联合运行实现异形针刺件的制备，本发明中异形针刺件不限于回转体织物，还可以是u型加热体织物等等。
39.在具体实施方式中，控制单元30还包括程序模块和显示模块；程序模块设定、存储和运行每一层中各模块和各单元的运行参数，显示模块用于显示程序模块和启动、暂停、停止等作业。在具体实施方式中，三维位置变换或姿态变换的精度均达到0.01mm以下，位移精准，可操控性强，系统误差小。
40.综上，本发明提供的异形针刺机，自动调控待针刺件的位姿和针刺参数，实现异形件逐层的一次性自动化成型；成型效率高，精度好，产品质量一致性和再现性稳定，尤其是用于曲端面针刺时，可以形成错位均布的针刺轨迹，避免周向均布导致的端面断裂。
41.以上实施方式仅用以说明本发明实施例的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明实施例的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本发明实施例的技术方案的精神和范围。