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协作机器人关节预成型体表面编织角视觉检测

棉纺织技术 2023年第3期51卷 1-7页

作者：樊冀永张玉井王仲伟杨治国东华大学上海201620

针对协作机器人90°关节碳纤维预成型体表面编织角测量难度大、准确度低等问题,提出一种离散角均值灰度编织角检测算法用于预成型体表面纤维平均编织角的测量。首先通过图像采集设备进行预成型体表面图像的采集,进而通过插值法补偿机器... 详细信息

针对协作机器人90°关节碳纤维预成型体表面编织角测量难度大、准确度低等问题,提出一种离散角均值灰度编织角检测算法用于预成型体表面纤维平均编织角的测量。首先通过图像采集设备进行预成型体表面图像的采集,进而通过插值法补偿机器人关节表面图像,使用边缘检测和二维离散傅里叶变换等方法进行图像处理,并且使用离散角均值灰度编织角检测算法进行编织角角度的具体计算。试验结果表明:运用此方法检测编织角的平均误差为0.186°,平均检测时间为0.856 s。该算法能够在实际生产中提高编织角检测速度和准确率。

关键词：复合材料协作机器人关节编织角机器视觉频域处理

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不同编织角改性碳纳米管纱线应变传感器的制备与性能

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现代纺织技术 2022年第4期30卷 70-79页

作者：王秋妍谷志旗徐铭涛张岩王萍李媛媛苏州大学纺织与服装工程学院江苏苏州215006 苏州大学现代丝绸国家工程实验室(苏州) 江苏苏州215006 南通恒尚新材料科技有限公司江苏南通226400

为了提高传感器的应变范围,选用改性碳纳米管为导电材料、氨纶纱为柔性基体,通过层层组装法制成所需导电纱后,采用编织法制备成不同编织角度的纱线应变传感器,并讨论不同编织角对各种传感性能的影响。研究发现:随着编织角的增加,传感器... 详细信息

为了提高传感器的应变范围,选用改性碳纳米管为导电材料、氨纶纱为柔性基体,通过层层组装法制成所需导电纱后,采用编织法制备成不同编织角度的纱线应变传感器,并讨论不同编织角对各种传感性能的影响。研究发现:随着编织角的增加,传感器灵敏度逐渐降低,在拉伸0~40%应变下,10°、20°、30°编织角纱线传感器灵敏度分别表现为181.1、162.2、79.7。快速响应时间随着编织角的增加从175 ms增加至259 ms。在蠕变条件下,该传感器的稳定性与编织角度无关;保持恒定应变时,不同编织角纱线传感器电阻随时间的下降基本一致。当编织角为20°时,传感范围表现最大,可达150%,最小监测范围可至0.2%,同时在传感过程中表现出较低的滞后响应(滞后水平仅为0.2%),该传感器可在不同应变条件下稳定监测电阻信号。改性碳纳米管编织纱线应变传感器在柔性可穿戴传感器等领域具有潜在的应用价值。

关键词：纱线应变传感器编织角碳纳米管改性应变传感性能灵敏度

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三维旋转编织纱线张力建模及编织角在线检测与控制技术

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三维旋转编织纱线张力建模及编织角在线检测与控制技术

作者：项宇哈尔滨工业大学

学位级别：硕士

三维编织复合材料克服了传统层合复合材料层间力学性能差的缺陷,具有纤维取向可设计等工艺优势,已在航空航天领域高性能结构件上获得应用。相较于纵横编织技术,三维旋转编织技术在预制体成型过程中运动灵活、流畅,生产效率较高,有望成... 详细信息

三维编织复合材料克服了传统层合复合材料层间力学性能差的缺陷,具有纤维取向可设计等工艺优势,已在航空航天领域高性能结构件上获得应用。相较于纵横编织技术,三维旋转编织技术在预制体成型过程中运动灵活、流畅,生产效率较高,有望成为三维编织预制体低成本、自动化成型的主流技术手段。但目前国内针对三维旋转编织工艺的研究还不够深入,对影响预制体成型质量的纱线张力缺乏理论研究,对编织角等结构参数的检测亦多采用织造完成后再进行测量的手段,无法实现在线检测与控制,难以保证织物结构均匀一致。因此,本文围绕预制体成型质量,从编织过程中纱线张力与编织角在线控制两个方面开展研究,对提高三维旋转编织自动化水平具有重要意义。针对卷簧回绕式纱线补偿携纱器,引入了描述纱线在动态条件下绕过任意曲面时张力变化关系的米纳科夫理论,建立了携纱器张力系统的动力学模型。根据该模型分析了匀速出纱过程中纱线张力变化并进行了实验验证。在此基础上,计算典型三维增强织物所对应的携纱器运动路径作为输入条件代入张力系统模型,得到了编织过程中纱线张力变化曲线。为实现表面编织角自动化检测,设计了基于数字图像处理的表面编织角检测算法,包括图像预处理、边缘检测和编织角检测三个主要环节。通过倾斜校正、图像增强和滤波等预处理操作,改善图像质量,为特征提取奠定基础。通过分析经典边缘检测算子的不足之处,提出了一种改进的自适应阈值Canny边缘检测算法,实现了预制体表面图像边缘特征自动检测。采用Hough变换算法提取直线特征并进行计算,实现了表面编织角的检测。设计并搭建了三维旋转编织表面编织角在线检测与控制系统,包括视觉检测子系统、运动控制子系统、PC软件子系统三部分。其中,视觉检测子系统采用球积分光源透射照明方案,在采集碳纤维三维编织预制体表面图像时具有良好的防眩光效果;运动控制子系统采用“PC—总线—单片机”控制方案,实现了三维旋转编织机多轴运动控制;PC软件子系统基于所提出的表面编织角视觉检测算法,按照模块化设计思想开发实现。最后,提出了基于增量式PID控制算法的表面编织角在线控制策略,通过实验验证了整个系统的可行性。

关键词：三维旋转编织纱线张力编织角视觉检测数字图像处理

空间异形管状织物编织角检测及其芯模牵引规划

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空间异形管状织物编织角检测及其芯模牵引规划

作者：樊冀永东华大学

学位级别：硕士

编织复合材料是将纤维编织结构织物浸润和固化形成的,编织预成型体的编织质量对复合材料的材料性能有极大的影响。编织加工的预成型体由于综合性能更加优越,因此成功应用于各个领域。但是,由于目前的编织加工工艺仍有一定的缺点,会导致... 详细信息

编织复合材料是将纤维编织结构织物浸润和固化形成的,编织预成型体的编织质量对复合材料的材料性能有极大的影响。编织加工的预成型体由于综合性能更加优越,因此成功应用于各个领域。但是,由于目前的编织加工工艺仍有一定的缺点,会导致编织的参数存在误差、编织效率和质量检测效率低等问题,并且加工过程中由于人工参与较多导致对人体有害且人工成本较高。因此,本文主要通过对机器人牵引芯模轨迹的规划和机器视觉进行编织角检测进行研究,进而提高编织和编织角检测效率和准确性。本文主要以碳纤维编织预成型体为研究对象,针对空间异形结构芯模编织过程中加工工艺设计困难、织物表面质量不稳定、编织角检测效率低和无法自动化等问题,提出一种机器人自动牵引并实时控制芯模速度的轨迹规划方法进行预成型体编织,并通过机器视觉对成型后织物编织角检测。在轨迹规划过程中,首先对空间异形芯模进行离散化处理,再通过齐次坐标变换算法得到机器人工具中心点的位置与姿态数据,并通过编织点动态补偿算法对机器人牵引速度和时间进行计算,实现编织角的自动补偿;最后通过离散角均值灰度算法对织物表面编织角进行检测。首先,针对空间异形管状织物检测及其芯模牵引规划问题,确立了预成型体芯模的牵引和视觉检测流程的需求,根据编织机结构形式和编织工艺特点进行了机器视觉检测系统的硬件选型,并且通过仿真软件进行夹具设计及安装方案验证。其次,对于编织过程中机器人牵引芯模的轨迹和速度的规划问题进行研究。建立编织牵引芯模机器人的运动学数学模型,推导编织牵引机器人运动学正逆解,通过简化编织模型的方法进行了机器人末端轨迹的规划,并结合编织点动态补偿算法进行牵引速度和时间的调节,实现编织角自动补偿。然后,针对编织角视觉检测的问题进行了分析,提出用于计算平均编织角的离散角均值灰度算法。机器视觉检测编织角主要步骤主要包括采集织物表面图像、图像预处理、边缘检测、二维离散傅里叶变换等步骤;通过数字图像处理和计算机图形学的知识进行了算法的实现,并结合MATLAB编程验证了图像处理流程和离散角均值灰度算法的可行性。最后,基于ROS系统搭建了可视化仿真平台,并进行了芯模牵引轨迹过程的仿真;通过实验的方法进行了空间异形管状预成型体的编织,实验结果表明,该规划的方法能有效的降低预成型体的编织角误差在±2°以内,能够在实际生产中提高预成型体的质量;最后通过本文提出的离散角均值灰度算法对不同织物表面图像进行编织角测量,得到编织角检测平均误差为0.2403°,显著提高了编织角检测的准确率和稳定性。

关键词：预成型体编织角机器人轨迹规划 ROS 视觉检测

基于编织角动态变化的2D编织CFRP力学性能仿真研究

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基于编织角动态变化的2D编织CFRP力学性能仿真研究

作者：杨晓文吉林大学

学位级别：硕士

近年来,随着复合材料在汽车行业轻量化方面应用和需求的逐年提高,针对复合材料的研究也受到广泛关注。仿真模拟相较于传统试验,存在成本低、周期短、效率高、参数变化灵活等优点,是研究复合材料力学性能的主要手段之一。2D编织碳纤维增... 详细信息

近年来,随着复合材料在汽车行业轻量化方面应用和需求的逐年提高,针对复合材料的研究也受到广泛关注。仿真模拟相较于传统试验,存在成本低、周期短、效率高、参数变化灵活等优点,是研究复合材料力学性能的主要手段之一。2D编织碳纤维增强复合材料(简称编织CFRP)的力学性能分析一般从细观和宏观两个尺度展开。编织CFRP的宏观力学性能是由其细观结构决定的,细观模型主要由纤维束和环氧树脂基体组成,宏观模型被假设为连续介质模型。编织角作为编织CFRP细观结构的重要几何参数,其大小影响材料的力学性能。编织CFRP在偏轴拉伸载荷的作用下,随着材料的变形,编织角发生实时变化。细观模型可以通过模拟编织结构获得编织角度变化对变形和损伤的影响。对于宏观模型来说,编织角度的变化导致材料的属性不再是初始设定值,而是随着加载进程不断变化,忽视编织角动态变化,直接影响编织CFRP宏观力学性能模拟的准确性。因此,本文基于渐进损伤演化理论和有限元仿真,进行编织CFRP细观尺度仿真,并通过编织CFRP的偏轴拉伸试验以及编织角动态变化测量,揭示材料的损伤失效机理和编织角变化规律,以细观仿真和宏观试验为依据,引入编织角影响参数改进宏观材料模型,进行考虑编织角实时变化的宏观仿真研究。首先,应用织物软件TEXGEN建立编织CFRP单胞几何模型,组分材料中纤维束采用基于连续性损伤力学的正交各向异性本构模型,树脂基体采用基于Lin本构的延性损伤本构模型,编写关联VUMAT材料子程序,通过有限元软件ABAQUS建立包含纤维束和环氧树脂基体的2D编织CFRP细观有限元模型,实现编织CFRP细观结构的失效模拟。其次,通过不同铺层层数的编织CFRP偏轴拉伸试验,确定完整体现编织CFRP力学性能的试件层数方案,根据理论假设获得编织角动态变化理论数值并通过DIC数字图像成型技术和MATLAB图像处理获得试验加载过程中编织角动态变化曲线,同时对细观结构有限元模型进行编织角动态变化测量,分析理论、试验和仿真结果获得编织角在加载过程中的变化规律。最后,通过建立不同初始编织角的细观单胞有限元模型,预测弹性参数随初始编织角的变化规律,确定弹性参数敏感项,引入编织角影响参数,并建立其与敏感弹性参数、应变的函数关系式,建立包含编织角影响参数的编织CFRP宏观失效模型,进行考虑编织角实时变化的宏观仿真研究,对比试验曲线验证编织CFRP宏观仿真准确性。

关键词：编织碳纤维复合材料有限元模型渐进损伤分析编织角车身轻量化

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编织角对复合材料弹性性能的影响

西安工程大学学报 2022年第1期36卷 25-30页

作者：张守京陈云辉孙戬西安工程大学机电工程学院陕西西安710048 西安工程大学西安市现代智能纺织装备重点实验室陕西西安710048

为了获取编织复合材料宏观尺度结构的等效弹性参数,对二维编织复合材料1×1单胞模型进行拉伸性能仿真分析,获得结构应力分布规律及载荷位移关系。基于弹性理论,利用单胞模型的等效弹性模量表征二维编织复合材料的弹性性能,并进一步分析... 详细信息

为了获取编织复合材料宏观尺度结构的等效弹性参数,对二维编织复合材料1×1单胞模型进行拉伸性能仿真分析,获得结构应力分布规律及载荷位移关系。基于弹性理论,利用单胞模型的等效弹性模量表征二维编织复合材料的弹性性能,并进一步分析不同编织角对编织复合材料等效弹性模量的影响。结果表明:单胞模型中的纤维束和基体的应力随着编织角的增大而减小,且纤维束作为主要承载体,应力远大于基体,编织方向的等效弹性参数随编织角的增大而减小。

关键词：二维编织复合材料编织角有限元分析单胞模型

编织角及防污涂层对芳纶编织绳拉伸性能的影响研究

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产业用纺织品 2023年第4期41卷 33-40页

作者：江璇王龙生黄华云周家德侯兵兵许福军东华大学纺织学院上海201620 东华大学高性能纤维及制品教育部重点实验室上海201620 上海仪耐新材料科技有限公司上海201702 浙江四兄绳业有限公司浙江台州317015

探究了编织参数及防污涂层对芳纶编织绳拉伸性能的影响。首先,以Kevlar 129为原材料,在16锭编织机上制备3种编织角(15°、25°、35°)的芳纶编织绳,并通过拉伸对3种编织绳的力学性能进行测试,以探究编织角对其拉伸断裂强力和拉伸断裂伸... 详细信息

探究了编织参数及防污涂层对芳纶编织绳拉伸性能的影响。首先,以Kevlar 129为原材料,在16锭编织机上制备3种编织角(15°、25°、35°)的芳纶编织绳,并通过拉伸对3种编织绳的力学性能进行测试,以探究编织角对其拉伸断裂强力和拉伸断裂伸长率的影响;随后通过涂层工艺对芳纶编织绳的表面进行处理,并探究了涂层处理前后芳纶编织绳的拉伸性能及其断裂破坏模式。结果表明:随编织角的减小,编织绳的拉伸断裂强力逐渐增大,而拉伸断裂伸长率逐渐下降;涂层处理后编织绳拉伸断裂伸长率降低,初始模量增大,拉伸断裂强力略微提升。

关键词：芳纶编织绳拉伸断裂强力拉伸断裂伸长率编织角编织节距防污涂层

编织角对3D-C_(f)/6061Al复合材料弯曲性能的影响

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西安工程大学学报 2022年第3期36卷 100-105页

作者：贺辛亥宁志新梁军浩周光瑞刘江南王俊勃尚星宇徐雅琪鞠录岩西安工程大学材料工程学院陕西西安710048 西京学院理学院陕西西安710126 西安石油大学机械工程学院陕西西安710065

选用三维四向编织结构的碳纤维(T300-6K)为增强体,采用压力浸渗法制备不同编织角(10°、20°和30°)的3D-C_(f)/6061Al复合材料,探讨不同编织角对复合材料力学性能的影响。发现压力浸渗一定程度避免了碳纤维与铝基体界面结合力弱这一因... 详细信息

选用三维四向编织结构的碳纤维(T300-6K)为增强体,采用压力浸渗法制备不同编织角(10°、20°和30°)的3D-C_(f)/6061Al复合材料,探讨不同编织角对复合材料力学性能的影响。发现压力浸渗一定程度避免了碳纤维与铝基体界面结合力弱这一因素,从而获得较好的浸渗效果。复合材料的弯曲性能随着编织角的增大而变差。随着编织角的增大,复合材料的应变量也随之增大,从而延伸率越大,韧性越好;当编织角变大时,纤维横向分力越大,纤维断裂面的不平整度增加,拉拔现象明显。

关键词：复合材料压力浸渗法编织角微观组织力学性能

不同编织角碳纤维增强聚合物复合材料-Al方管的吸能特性

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复合材料学报 2020年第3期37卷 591-600页

作者：沈勇柯俊吴震宇浙江理工大学机械与自动控制学院杭州310018

为了提高薄壁结构的比吸能,通过环形编制技术制备不同编织角度的碳纤维增强聚合物复合材料-铝(CFRP-Al)方管。对不同编织角度、管长和管厚的CFRP-Al方管进行准静态轴向压缩试验,研究CFRP复合材料编织角度对CFRP-Al方管变形模式和比吸能... 详细信息

为了提高薄壁结构的比吸能,通过环形编制技术制备不同编织角度的碳纤维增强聚合物复合材料-铝(CFRP-Al)方管。对不同编织角度、管长和管厚的CFRP-Al方管进行准静态轴向压缩试验,研究CFRP复合材料编织角度对CFRP-Al方管变形模式和比吸能的影响。结果表明,CFRP复合材料可以降低薄壁管的柔度,从而阻止整体欧拉失稳变形模式;大编织角度CFRP复合材料可以有效承担因薄壁管折叠产生的横向拉力,从而阻止薄壁管折角撕裂;此外,随着编织角度增加,CFRP-Al方管的比吸能随之增大。

关键词：碳纤维增强聚合物(CFRP) 复合材料 Al方管轴向压溃编织角比能量吸收变形模式