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关键词： 机器人缝制   过程建模   缝制张力控制   几何边缘控制  

摘要： 缝制是服装制造行业中重要的生产过程,尽管目前缝纫机等缝制设备自动化水平飞速发展,但缝制仍然是一种劳动密集生产方式。近年来,工业机器人发展迅速,制造业中机器代人趋势日益明显。机器人代替人工与缝制设备协同配合,将会大大提升服装生产效率和质量,减少劳动力需求,对服装制造行业自动化的发展具有重要意义。但是对于布料缝制而言,机器人的应用仍然面临着诸多挑战。首先,布料极易变形出现褶皱,使得缝制线迹出现偏差,影响缝纫质量。其次,送布牙等机构会给缝制过程造成动态扰动,机器人与缝纫机难以协同配合。另外,服装产品型号多样,机器人缝制轨迹难以规划。因此,本文针对机器人缝制操作挑战,研究了基于过程建模的机器人缝制方法。基于延展性对布料缝制过程的张力进行预测,通过对缝制状态进行分类和识别,采用阻抗控制实现直线缝制过程。利用光栅扫描法检测布料边缘,识别布料曲边线迹,建立机器人几何缝制模型,实现曲边缝制过程。最后,搭建了物理实验平台并通过缝制不同型号口袋进行了方法验证。本文针对机器人缝制过程中直线与曲线缝制两个关键问题,开展以下研究内容:(1)针对布料性能参数复杂,缝制过程期望张力难以建模的问题,提出了基于延展性的机器人布料缝制张力预测方法。使用专家定性的语言值表示布料延展性,通过SVM模型来预测未知布料的延展性,采用模糊逻辑确定布料特性与期望张力之间的非线性关系,并对期望张力的缝制效果进行了验证,为机器人基于期望张力的直线缝制奠定了基础。(2)针对机器人直线缝制过程中易出现布料褶皱的问题,提出了基于褶皱状态识别的方法,首先将缝制状态分为协同状态、针前褶皱状态和针后褶皱状态三类,基于SVM实现不同缝制状态的识别。针对机器人和缝纫机不协同导致的布料褶皱和缝线不均匀等问题,采用机器人基于位置的阻抗控制的方法,通过反馈的力信号调整初始轨迹,顺应缝纫机的速度变化。实验结果表明,机器人可以及时调整缝制状态并保持期望张力,实现直线缝制过程。(3)在曲边缝制过程中,针对难以根据布料形状规划机器人轨迹的问题,提出了基于几何建模的机器人曲线缝制方法。对图像预处理后采用图像腐蚀和光栅扫描的方法,实现了布料的轮廓检测,通过多项式拟合轮廓曲线进行线迹提取,建立机器人缝制曲边布料的几何模型实现机器人的轨迹规划,实验结果表明,该方法可以实现对不同曲率曲边布料的缝制。(4)机器人缝制平台搭建与实验验证。搭建了基于UR5e机械臂的缝制平台,在确定布料期望张力的基础上,结合直线缝制与曲线缝制过程方法,以不同形状的亚麻涤纶口袋为实验对象进行缝制实验,成功实现多条直边与复杂曲边的缝制。验证了基于过程建模的机器人缝制方法的有效性。最后,对本文的工作以及获得的成果进行总结。本文研究的基于过程建模的机器人缝制方法对实现服装行业生产智能化具有重要的研究意义。

ISBN: (纸本)9787572513060

关键词： 针织结构   罗纹   雪尼尔纱   编织   吸声性能  

摘要： 随着我国工业化与城镇化的快速发展,噪声污染已经成为威胁人们健康的四大环境污染之一。目前,控制噪声源头和阻断噪声传播路径是两种主要的解决思路,但由于噪声形成的复杂性,难以从声源处减少噪声。因此,通常采用屏障将声波能量吸收,进而达到降噪效果。在众多吸声材料中,具有疏松多孔结构的纺织材料受到人们的广泛关注。针织物作为一种由线圈互相串套而成的纺织结构,具有疏松、多孔及大拉伸变形能力等特性,当声波进入针织物线圈间隙时,会引起纤维、纱线间空气及材料本身振动,空气与纤维材料间产生摩擦形成粘滞阻力,使得声能转化为热能而衰减。此外,针织线圈构成的复杂组织结构,使声波被来回反射,增强声能在织物内部的耗散。但常用针织物的结构内部空隙较大,使得其吸声性能较弱,并且关于声波在不同针织结构的传播机制尚不清晰,也限制了针织结构吸声体的进一步发展。鉴于此,本课题拟选取表面具有毛绒纤维的雪尼尔纱与涤纶单丝为原料,利用2D锭子式编织技术,制备出具有不同编织结构的复合纱线,然后基于针织横编技术,设计并制备出2种罗纹型针织吸声体,并对其基本性能、孔隙率及吸声性能进行测试,建立基于结构参数的多元线性回归模型,预测针织物吸声系数,主要研究内容如下:（1）雪尼尔/涤纶复合纱的制备与性能表征。设计制备出6种不同结构的复合编织纱,测试复合纱基本性能（直径、编织角等）,拉伸断裂、摩擦及弯曲性能等;结果表明:雪尼尔/涤纶复合纱的直径和编织角会随着节距的增大而降低,并且呈现出线性相关关系（R2>0.8）;试样1-1、1-2、1-3（雪尼尔:涤纶=3:1）相对于试样2-1、2-2、2-3（雪尼尔:涤纶=4:1）复合纱具有更高的强力利用率,并且当节距为6mm和7mm时,强力利用率高达98%以上;试样1-1、1-2、1-3比试样2-1、2-2、2-3（雪尼尔:涤纶=4:1）复合纱表现出更低的动态摩擦系数,当节距为6mm时,动态摩擦系数最低,平均值为0.38;对于弯曲性能而言,试样2-3和试样1-2的弯曲刚度最低。总之,两种类型试样均具有较好的可编织性。（2）罗纹结构针织吸声体的制备与声学性能研究。以编织得到的3种复合纱为原料,设计制备了11种具有不同结构参数的罗纹针织结构吸声材料,并测试其基本性能、透气率、孔隙率以及吸声系数,通过线性回归分析法,进行单因素分析及织物吸声系数与结构参数的关系预测分析。结果表明:雪尼尔/涤纶罗纹吸声织物吸声性能与结构参数的相关度排序为:厚度>面密度>孔隙率>透气率;构建透气率、孔隙率、面密度及厚度与罗纹织物吸声系数间的多元线性回归方程,其中预测值与实测值的相关系数R2达到0.854,具有一定的置信度。综上,建立织物结构参数的多元线性回归方程可用于预测其吸声系数。（3）罗纹空气层结构针织吸声体的制备与声学性能研究。采用雪尼尔/涤纶复合纱为原料,设计制备了11种不同结构参数的罗纹空气层织物,并表征其基本性能、透气率、孔隙率及吸声系数等性能指标,通过线性回归分析法进行单因素分析及罗纹空气层织物吸声系数与织物结构参数的关系预测。结果显示:罗纹空气层织物的吸声系数与厚度、面密度、孔隙率及透气率间无显著的相关联性,且相对于罗纹织物吸声体而言,罗纹空气层织物多元线性回归方程的相关系数R2也较低。综上所述,本文通过引入雪尼尔/涤纶复合纱线,设计制备出新型罗纹型针织物吸声体,为纺织品在吸声降噪领域的应用提供参考。

关键词： 编织碳纤维/聚醚醚酮   聚醚酮酮   氧化石墨烯   界面结合   力学和摩擦学性能  

摘要： 编织碳纤维（CFF）增强聚醚醚酮（PEEK）复合材料因其高强度、高模量、高抗冲击、耐化学腐蚀、低密度和良好的抗疲劳性能等诸多优点,在碳纤维（CF）增强高性能热塑性树脂复合材料领域脱颖而出。然而,由于存在CFF表面活性小,表面能低以及PEEK树脂基体熔融态黏度高,不利于对碳纤维的良好浸润等缺陷,造成CFF与PEEK树脂基体的界面结合作用弱,复合材料力学和摩擦学性能的提升受到限制。为改善编织碳纤维/聚醚醚酮复合材料的界面结合作用,本文首先对CFF/PEEK复合材料制备工艺进行了优化,之后分别用自制聚醚酮酮（PEKK）水性上浆剂和氧化石墨烯-聚醚酮酮（GO-PEKK）复合型上浆剂上浆处理编织碳纤维,主要通过考察碳纤维的表面特性、复合材料的力学和摩擦学性能,分析上浆剂对复合材料界面结合作用的影响。主要研究内容和结论如下:（1）用薄膜叠层法、粉末浸渍法和泥浆法制备CFF/PEEK复合材料。由于泥浆法制备CFF/PEEK复合材料是借助无水乙醇/去离子水混合溶剂将PEEK树脂基体引入到CFF,树脂基体在混合溶剂辅助作用下更容易浸入到纤维束间,减少熔体树脂浸润路程,有利于纤维和树脂基体的界面结合,所以用泥浆法制备的CFF/PEEK复合材料力学和摩擦学性能优于其它两种方法制备的复合材料。其力学性能包括层间剪切强度、弯曲强度、弯曲模量和冲击强度分别为53.3MPa、481.9MPa、19.4GPa和87.7KJ/m2。摩擦学性能包括平均摩擦系数和磨损率分别为0.38μ、14.49×10-4m3N-1m-1。此外,泥浆法制备的CFF/PEEK复合材料的耐热性也最好,初始分解温度(T5%)为591℃。（2）PEKK水性上浆剂的初始分解温度为603℃,远高于复合材料成型温度。PEKK水性上浆CFF（PEKK-CFF）表面活性和粗糙度提升,这有利于纤维表面能的提高,其中5wt%PEKK-CFF表面能最大。研究了PEKK水性上浆剂对CFF/PEEK复合材料界面性能的影响,PEKK不仅提高了碳纤维表面能,又与PEEK树脂基体具有良好的相容性,故PEKK-CFF/PEEK复合材料的界面性能得以改善。5wt%PEKK-CFF/PEEK复合材料相对于CFF/PEEK复合材料力学和摩擦学性能最佳。5wt%PEKK-CFF/PEEK复合材料的力学性能包括层间剪切强度、弯曲强度、弯曲模量和冲击强度分别提高了35.6%、29.9%、33.5%和24.5%。5wt%PEKK-CFF/PEEK复合材料的摩擦学性能包括平均摩擦系数和磨损率分别降低了10.5%和15.9%。5wt%PEKK-CFF/PEEK复合材料的初始分解温度较CFF/PEEK复合材料也提升至598℃。（3）基于以上研究和测试结果,向PEKK水性上浆剂中分散GO,制备GO-PEKK复合型上浆剂,而后用GO-PEKK复合上浆CFF（GO-PEKK-CFF）,最后用泥浆法制备GO-PEKK-CFF/PEEK复合材料。GO-PEKK复合上浆剂的初始分解温度为588℃,高于CFF/PEEK复合材料的成型温度。GO-PEKK-CFF的表面活性和粗糙度相对于CFF提高,这有助于纤维表面润湿性的改善,其中0.5wt%GO-PEKK-CFF表面能表现为最大值。除PEKK增强作用外,由于GO的引入进一步提高了碳纤维表面能,并且GO为复合材料提供了机械锁合作用,所以复合材料的界面性能进一步改善。0.5wt%GO-PEKK-CFF/PEEK复合材料的力学和摩擦学性能较CFF/PEEK复合材料提升幅度最大。其中,力学性能包括层间剪切强度、弯曲强度、弯曲模量和冲击强度分别提高了57.4%、36.4%、54.6%和60.7%。0.5wt%GO-PEKK-CFF/PEEK复合材料的摩擦学性能包括平均摩擦系数和磨损率分别降低了26.3%和37.6%。而0.5wt%GO-PEKK-CFF/PEEK复合材料的初始分解温度相对于CFF/PEEK复合材料也提升至593℃。综上所述,以上三种方法均有效改善了CFF/PEEK复合材料的界面粘结强度,复合材料的力学和摩擦学等性能也随之提高。这对优化碳纤维增强热塑性树脂基复合材料的界面粘结强度以及相应力学和摩擦学等性能具有积极作用。

关键词： 纤维增强金属层合板   编织   高速冲击   纤维损伤脱层   纤维含量  

摘要： 面内纤维增强的金属层合板是将纤维通过不同的排列组合的方式编织在多孔金属板内的一种新型结构,比由单一金属构建的传统薄板有着更优的力学性能。其中最大的优点是纤维的“桥接”作用使得其抗冲击性更加显著,当该结构受到冲击时,可以有效的抑制裂纹扩散,提高结构的抗冲击性能。相较于传统的纤维增强金属层合板,由于采用了编织的构造方式将纤维和金属层合板相结合,使其在受到冲击时分层和脱胶的现象减弱。这些优良的性能使得纤维增强的金属层合结构在航天工程和船舶行业上得到了广泛的应用,其优异的性能引起了国内外学者的广泛关注。采用ABAQUS有限元分析软件对由玄武岩纤维和多孔铝板编织而成的纤维增强金属层合板结构进行数值模拟分析,研究其在冲击载荷下的各项力学性能。主要研究内容包含以下几个方面:(1)基于金属材料JC本构模型建立了应力判断损伤起始准则。通过Fortran语言编写了适用于ABAQUS有限元软件分析的平纹复合材料3D渐近损伤模型子程序(VUMAT),以材料损伤失效的子程序为基础建立了纤维增强金属层合板有限元模型并验证了其可靠性。(2)通过改变纤维的编织密度来控制纤维增强金属层合板中纤维的含量,设计了3种不同纤维含量的纤维增强金属层合板,采用数值模拟研究了在子弹冲击下纤维增强金属层合板的动态响应,通过分析子弹剩余速度、层合板的损伤破坏、能量吸收等指标研究纤维含量对金属层合板的抗冲击性能的影响。结果表明,在相同厚度的纤维增强金属层合板中,纤维的含量对纤维增强金属层合板的抗冲击性能有显著影响,且纤维含量越高,纤维增强金属层合板的抗冲击性能越好。(3)保持维增强金属层合板中纤维含量不变,设计了4种不同的纤维构型编织的金属层合板,研究不同子弹冲击速度下纤维构型对其抗冲击能力和吸能性能的影响。结果表明,在相同的纤维含量下,V字型纤维构型金属层合板的抗冲击性能更好。

关键词： 复合材料   拉挤成型   环形编织机   动态均载控制   比例协同偏差耦合  

摘要： 目前,在复合管材编织-缠绕-拉挤成型的实际生产中,要保证复合管材拉挤制品的质量,需要对编织工艺和拉挤工艺进行精确控制。编织-缠绕-拉挤控制系统具有变量多、非线性、强耦合的特点,其数学模型的建立方法复杂,其控制算法和协同控制策略的选择直接影响系统的响应速度和同步性能,从而影响预成型体的编织质量,最终影响产品的综合性能。本文以江苏某企业的编织-缠绕-拉挤生产线为研究对象,针对编织复合管材的拉挤成型协同控制策略进行研究,对提高该生产线的效益具有积极意义。主要研究内容如下:(1)针对纤维增强复合材料管件生产过程中编织机多电机负载不均导致编织出现卡顿的问题,建立了编织机电机组的数学模型,提出了基于模型预测控制(model predictive control,MPC)的动态均载控制方法,将其应用于编织机电机组,并对其进行Simulink仿真与现场实验。仿真与实验结果表明:该方法能使编织机电机组在满足转速要求的前提下,将输出转矩偏差控制在0.2 N·m以内,有效地防止了编织机运行卡顿等问题的发生。(2)针对生产过程中编织机、缠绕机与牵引装置三者并无直接的物理连接导致的编织机转速、缠绕机转速与牵引速度三者的协同工作精度低的问题,建立了编织-缠绕-拉挤一体化数学模型,提出了比例协同偏差耦合控制方法,将其应用于编织-缠绕-拉挤生产线,并对其进行Simulink仿真与现场实验。仿真与实验结果表明:该控制策略使互相独立的编织机、缠绕机和牵引装置在0.08 s内达到协同要求,保证了编织-缠绕-拉挤系统的协同工作精度,提高了编织角的稳定性和复合材料制品的综合性能。(3)针对编织预成型体的过程中的纱线断纱与无纱等问题,本文根据锭子的结构、纤维筒的绕纱原理和纤维筒与纱线颜色的区别设计了纱线检测系统代替现场人工检测,并进行了硬件选型和现场安装实验。现场试验表明:纱线检测系统能及时发现纱线断纱或无纱异常,验证了纱线检测系统的可行性。(4)本文对编织机、缠绕机与牵引装置的控制系统进行集成设计,对人机交互界面进行了功能模块布局和操作便捷性的设计,操作面板简单易懂,方便现场操作人员的实际操作,提升了编织-缠绕-拉挤生产线的生产效率。

关键词： 复合材料预制件   编织模型   机器人牵引   轨迹规划   双机器人协同  

摘要： 编织复合材料因为其具有高比模量、高比强度、可设计性好等特点,在轨道交通、航空航天、风力发电等各领域得到广泛应用。目前针对异形结构的复合材料预制件采用带芯编织,机器人虽然已经应用到芯模的牵引作业中,但主要还是通过人工示教获得牵引轨迹,当芯模存在弯曲或是变截面特征时会产生较大编织误差。在编织大型预制件时,单机器人夹持端距离芯模重心较远,会导致机器人在牵引芯模进给的过程中出现负载不足甚至芯模跌落的情况,且大型芯模仅一端被夹持固定,在纱线作用力和重力的共同作用下,会导致编织段芯模中心线偏离导向环中心。基于以上情况,本文对复合材料预制件编织过程中机器人牵引作业进行相应研究,以提高预制件的编织质量和编织效率。本文分析预制件编织过程原理,对预制件编织过程中由牵引速度和芯模半径改变引起的编织点移动的情况建立数学模型,分别采用常数变易法和欧拉方法解析编织点预测模型。为芯模的牵引轨迹求解做前期准备,提出对STL格式芯模做预处理将其转化为n维逻辑矩阵,采用并行细化算法提取芯模的中心线。将提取出的芯模中心线在机器人工具坐标系下表示,对芯模进行离散和等效化处理。为满足牵引过程中大曲率复杂芯模中心线时刻满足垂直编织点平面的约束条件,应用常数变易法求解出的编织点动态预测模型,对每段离散化芯模的编织进给长度和牵引速度做出调整,在编织点移动阶段进行芯模的姿态调整和进给运动,完成对大曲率复杂芯模的牵引轨迹规划,以提高预制件编织质量,并进行实验论证。应用双机器协同技术解决大型预制件牵引的问题,利用本文提出的牵引轨迹规划方法求主机器人牵引轨迹,根据主从机器人运动约束条件,采用虚拟工具端代替从机器人实际夹持工具端求解从机器人牵引轨迹,以减少对从机人夹持工具端速度规划的计算量,并采用PQArt仿真软件进行验证。最后设计环形编织机及机器人牵引控制系统,进行硬件选型,设计基于Ether CAT的编织运动控制系统,并搭建适配机器人牵引系统和编织系统一体化控制的上位机操作界面。

关键词： 媒介化   媒介实践论   手工编织   社交媒体  

摘要： 手工编织在我国有着悠久的历史和丰厚的积淀,并在一定时期成为部分人群和地区的谋生手段与独特技艺。在绵延几千年的历史中,手工编织随着各类编织工具和机器的发明与应用,几经沉浮,甚至已有不可计数的手工编织技法只能在历史文物与文献中得以窥探一二。加之近现代工业进步,机器织物的廉价易得、选择多样,钩针、毛线曾一度被束之高阁。而在21世纪初至今的二十余年里,一股手工编织的热潮自西向东席卷而来,手工编织在社交媒体的加成下,被赋予了“热爱生活”“时尚”“治愈”“浪漫”等标签,深受国内外年轻人的喜爱与追捧。本文在媒介化研究的范畴中,沿着媒介研究实践范式的路径,采用网络民族志、反身式参与观察与深度访谈法等质性研究方法,选取抖音、微博、小红书以及豆瓣等用户基数大的社交媒体平台与典型的趣缘群体集散地作为参与式观察的田野,基于研究者个人参与编织与社交媒体使用的经验、五个月参与式观察与20位访谈对象深度访谈所获得的经验材料,聚焦社交媒体诞生与广泛应用前后手工编织实践三类实践构成要素——理解能力、规则和目的情感集合体的嬗变、延续与重构,进而过程性地对数字媒介在不同场景、过程中,对不同手工编织实践对行动者个体的渗透与影响进行描述。社交媒体时代的手工编织实践首先是具有双重实践特征的新社会实践,“新”具体表现在:就实践理解能力而言,手工编织实践完成了从男权凝视下的“女红”技能到一项包含个人兴趣、艺术手段、社会活动在内有着丰富意涵的综合性社会实践的转变。就实践规则而言,手工编织的技巧、针法和图样等规则从面对面的口耳相传发展为互联网上庞大、共享的知识体系,并且社交媒体流量逻辑、平台规则、商业思维与资本的逐利本性也对其产生深刻影响。就实践的目的情感集合体而言,实用性的占比显著下降,手工编织的符号意义——治愈、悦己、心意等重要性突出。

关键词： 轴纱   编织复合材料管   三点弯曲   损伤演化   红外热像技术  

摘要： 碳纤维编织复合材料管已逐渐成为汽车、无人机、航空航天等多个领域的关键结构材料。为满足承力构件的减重需求,设计更加轻量化、吸能特性优异的结构已经迫在眉睫。而编织复合材料管在使用过程中容易受到压溃载荷,产生复杂的内部损伤,使得材料性能退化。二维三轴编织复合材料管在传统二维双轴编织管的基础上引入轴纱,增强了轴向刚度、强度以及抗损伤性能。但由于编织结构的复杂性,目前对三轴编织复合材料管的抗弯性能分析较少,特别是对其渐进损伤行为没有充分认识。因此,研究双轴和三轴编织复合材料管侧向压溃损伤机理具有十分重要的工程意义。本文采用环形编织设备,通过设置不同的轴纱数量及位置,制备了双轴编织管（Z0）、三轴编织管(Z18)、双轴和三轴混合结构编织管（Z9up和Z9down）。然后采用真空辅助树脂传递模塑（VARTM）技术进行固化。通过三点弯曲试验研究编织复合材料管的侧向压溃,并利用红外热像技术原位监测圆管温度分布,清晰观察试样的弯曲变形和损伤演化趋势。还建立了Abaqus介观尺度的双轴和三轴试样侧向压溃仿真模型,探究轴纱对编织复合材料管破坏形貌和弯曲损伤演化的影响。特别地,提出了将试样红外最高温度变化和损伤机理相联系的分析思路。结合载荷-位移曲线和红外温升-时间曲线,选取损伤起始波动和最终失效的关键时刻。在这些关键点对应的应力水平处终止实验,对试样的相关损伤位置进行切割,利用超景深显微镜拍摄截面的损伤形貌。通过分析红外热成像特征以及截面损伤形貌交叉验证轴纱对试样初始损伤机理的影响,并对双轴和三轴编织复合材料管侧向压溃的渐进损伤演化和失效机理进行详细阐述。结果表明,轴纱增强了编织复合材料管的承载应力和能量吸收能力,大大提高了试样的弯曲刚度,且轴纱数量越多弯曲刚度越大。利用红外热像技术可以预测损伤失效位置,监测损伤破坏的强弱。红外最高温度变化与试样损伤起始和失效机理有很好的相关性,温度突变成功表明局部纤维断裂尤其是轴纱断裂的出现。在三点压弯过程中,试样顶部的纤维受到压缩产生损伤并在内层沿着圆周螺旋向下扩展;左右两侧外层的纤维受到拉伸并向圆管下半部分的内侧传播。受压侧存在轴纱的编织复合材料管在线弹性阶段最高温度增长0.5℃,发生脱粘和纤维断裂这两种初始损伤,且脱粘起始于轴纱的界面。轴纱增加了纤维卷曲,扩大了轴向损伤范围,使得层与层之间出现明显的波浪形分层。此外,只在受压侧存在轴纱的双轴和三轴混合结构能抑制损伤沿编织管壁往下扩展,满足轻量化要求的同时表现出更优的抗损伤性能。