一种织物成型性的评价方法及装置

摘要

本发明公开了一种织物成型性的评价方法，按如下步骤进行：(1)取一织物试样，把它平整的平铺在支持托盘上，并对织物试样施加准约束力；(2)使褶皱逐渐增加；(3)得到完整的织物成型后的多幅扫描图像；(4)通过自动拼接技术将采集到的多幅图像数据拼接到一块，然后将所有数据导出；再利用数据处理软件对采集的数据建立数学模型；(5)最后再将截面曲线展开，根据展开的图像对织物试样进行分析；(6)经过对三维模型的优化处理，根据模型的数学分析，计算出织物的成型性。本发明能够更好的使试样受均匀、可控、随机的变形约束力；作用于试样的强迫变形力和试样的变形位移可调；对具有不同成型性能的织物有较好的区分度，具有更好的准确性、可靠性以及可操作性。

说明书

技术领域

本发明涉及一种织物成型性的评价方法及装置，特别涉及一种纺织物成型性的评价方法 及装置，属于纺织品成型性测试领域。

背景技术

目前，对织物成型性的研究主要集中在适形原理分析、成型性实验以及成型性模拟等方 面。研究方法主要有以下三种：

(1)从织物的剪切性能入手，研究织物的变形机理。

在织物的适形性研究中，从织物的剪切性能入手研究得最多。剪切学说认为，织物圆滑、 无皱褶变形达到的临界条件是经纬纱线间的锁定角——经纬纱线之间最大的允许变化角度。 然而，目前还没有提出计算锁定角的实用方法，唯一方法还是实验法，常用的是剪切框测试 法。织物的初始剪切模量、剪切变形能和剪切恢复率都可以作为评价织物适形能力的参数。

有人用剪切框获得了不同织物的剪切锁定角。并对剪切框(图1)进行了改进，发现纱 线宽度的减小与起皱有密切的关系。也有人对平纹、斜纹、五枚经面缎纹和八枚缎纹以及经 编和纬编结构的玻璃纤维织物预成型进行研究，测定了机织物在不同方向上的拉伸性质以及 机织物的锁定角，并将织物参数与锁定角联系了起来。还有文献运用不同的方法获取了剪切 力与剪切角的关系，认为褶皱与变化的剪切角有关，而剪切角由初始扭曲、摩擦阻力和弹性 阻力的简单累计构成。也有将销钉铰接模型应用到复合材料成型中的。

Pan和Carnaby假定单位纤维细胞对外部剪切力的初始反应体现在纤维的弯曲和密集区 的滑移。应用单位纤维细胞内纤维排列方向的密度函数来得到滑移区和非滑移区的比例。 Prodromou和Chen考虑到平纹织物的单位组织，提供了一个几何模型来预测织物中出现褶皱 等疵点的几率。

Asvadi和Postle应用线性粘弹性理论来分析高剪切应力下织物的剪切性能，他们对机织 物在大的剪切变形下的粘弹性和摩擦力进行了大量研究。Grosberg和Park针对机织物在剪切 变形的基础上提出了一个机械模型，该模型考虑到了纱线的卷曲，在这之前因为数学上的复 杂性忽略了纱线的卷曲，除此之外，他还修正了剪切时经纬纱交织处的错误的摩擦公式，较 之以前的模型，该模型给出的理论结果更佳。

T.A.Nestor等运用画框剪切装置对热塑性复合材料成型过程中的层内剪切现象进行了 实验研究，加深了对板材成型的力学理解，通过与其它流变数据相结合，建立数学模型，用 于复杂成型情况的数值模拟的输入。

这些研究方法和研究结果的局限性在于它们只适应于单层织物，不适应多层织物，而工 业上通常采用多层。而且这方面的研究多以机织物为代表，使用的模型多是Mack和Taylor 发明的销钉铰接模型，这些模型往往假设纱线之间是不滑移的。这种假设具有一定的局限性， 因为织物在成型时，如箱包、鞋帽和复合材料的加工过程中，经纬纱之间的滑移往往是不可 避免的。

关于织物剪切性能的研究，多用剪切锁定角来界定织物的起皱极限。研究者对剪切锁定 角进行了很多研究，但是剪切锁定角多用于机织物的起皱界定，并且基于铰链连接模型的假 设。

(2)从研究织物的悬垂性入手研究织物在自重作用下的适形效果，可在一定程度上体现 织物的适形性。

Chu等人发明了一种悬垂测量仪，并使用这种仪器研究了织物悬垂的弯曲和剪切影响， 通过大量的实验数据的统计分析，Chu得出了悬垂效果和剪切刚度、以及弯曲刚度有关的结 论。该仪器为悬垂研究奠定了一定的基础。

Morooka等人分析了悬垂系数和织物力学性能的关系，数据统计显示织物的弯曲刚度和 重量是织物悬垂系数的决定性因素。Amirbayat和Hearlel评述了模拟织物悬垂的研究工作， 指出织物的悬垂褶皱是织物的双曲变形产生的，同时指出织物的弯曲刚度、剪切模量在织物 悬垂效果中起重要作用。

研究表明，织物的悬垂性与成形性有一定关系，但不完全一致，织物的悬垂不受外力， 只在自重作用下变形，而成型性要求织物在小应力作用下变形，所以用织物的悬垂性来反映 其成型性是不全面的。

(3)从半球模压试验入手，用特制的半球模具冲压织物，迫使织物在较大的应力下发 生变形，然后通过织物在模压半球上成形后的外观反映织物的适形能力。

Mohammed，C.Lekakou和M.G.Bader采用双半球模具对织物进行扣压成型，模具包括两 部分，上面的部分是聚甲基丙烯酸甲酯PMMA(透明的有机玻璃)制成的模块，以便观察织 物的变形情况。在该模块中间部分取一个半径为100mm的半球空间。模具下半部分用铝制成， 在基座中心有一个半径97mm的与上半球相匹配的半球。

试验前，先用粗钢笔在织物试样上画出20*20的小格，待成型后，观察经纬纱线在交织 点处的角度变化，将变形前后经纬纱线之间的角度变化称为剪切变形角。他们对平纹松散织 物、斜纹、缎纹以及平纹紧密织物进行了试验，通过该方法分析了织物的变形规律。发现平 纹松散组织和斜纹组织的剪切变形角最大为56度，其次是缎纹组织52度，最后是平纹紧密 组织48度，说明了织物变形难易的原因。

Ji Seok Lee等采用半球冲压装置分析了平面边框夹持力对成型形状的影响，尤其是对 NCF无屈曲织物非对称性成型的影响，如图4所示。他在边框夹持器上放置不同的载荷来施 加夹持力，使夹持力从0.5到61.4kgf变化。通过测量NCF织物中纤维角度的变化，认为边 框夹持力对纤维角度的局部变化起到积极影响，在边框夹持区域内，NCF织物的非对称剪切 变形得到改善。

O.Rozant等利用半球状活塞装置，对几种织物进行了冲压成型测试，定义了面积拉伸 率Ra即成型后的面积与初始面积的比值。利用这一指标表征织物的成型能力，该值越大，成 型性越好。这种方法适用于延伸性较大的针织物或者弹性很好的膜材料的成型预测。

半球成型实验方法简单、结果直观，在很大程度上反映了织物在外力作用下的变形行为， 学者们所用的半球成型装置，多是采用一阳一阴两个半球模具，对放置在中间的织物进行模 压，使之在半球表面成型。或者使用半球状冲头，对织物进行冲压，使织物在半球表面变形。 半球成型试验使织物各部位同时受较大且均衡作用力，并迫使织物产生一定伸长，更适于预 测弹性膜材料的成型性。但是，半球成型实验法对织物的约束力往往都比较大，以约束织物 不能滑移，一旦织物滑移就容易造成织物的不对称运动，使实验难以进行。因此，半球成型 实验法不能很好的模拟织物在小应力条件下的适形能力。另外，阴-阳模半球成型实验法要求 阴模与阳模的圆心相同，否则会造成压力不均匀。同时阴模与阳模之间的最小间距须与织物 的厚度相一致，否则就会造成压力过大，或过小。

(4)从拍照入手，获得织物在特定球表面的成型形状，然后采用图像分析技术来计算评 定织物的成型能力。

专利CN200910018383.4，提出了一种织物成型性的评价方法及装置，该方法和装置结 构简单，操作方便，织物的成型性的测试奠定了一定的基础。但该方法需要人工事先在织物 试样上面画上多个同心圆，而且在用成像装置摄取织物试样成型的皱褶的样式时，有时会发 现变型后的同心圆曲线会因为遮挡而不连续，影响后续的数据分析处理效果。

因此，在已有的研究方法中，无论是半球冲压法还是悬垂法，都难以有效地模拟织物成 型过程中的的受力特点。针对衬布、玻璃纤维复合材料制品、复合医用夹板、箱、包、鞋、 帽的成型特点，研究一种高效精准的织物成型能力的评价方法，是十分必要的。

发明内容

针对现有技术存在的不足，我们从2009年就开始了“纺织复合材料基布成型性评价及模 拟研究”项目，该项目先后得到青岛市科技局应用基础研究计划(10-3-4-3-7-jch)和山东省 教育厅高等学校科技计划(J10LD11)的支持，在此基础上形成了本发明。发明所要解决的 技术问题是，提供一种处理效果更加准确、降低使用者的繁琐操作，有效保证褶皱的清晰度 及准确度，提高后续数据分析处理效果的织物成型性的评价方法及装置，用于更好的研究评 价织物的成型性，便于生产和使用。

为解决上述技术问题，本发明所采取的技术方案是：一种织物成型性的评价方法，按如 下步骤进行：

(1)取一织物试样，把它平整的平铺在支持托盘上，并对织物试样施加准约束力；

(2)通过驱动装置推动物体模型，顶取织物试样，使织物试样表面出现皱褶，并使褶皱逐 渐增加；

(3)运用三维扫描装置对织物试样进行多次扫描，每扫描一次后，使织物试样与扫描装置 相对转动一定角度继续扫描，直至将织物试样转动一周，得到完整的织物成型后的多幅扫描 图像；

(4)通过自动拼接技术将采集到的多幅图像数据拼接到一块，然后将所有数据导出；再利 用数据处理软件对采集的数据建立数学模型，并对数学模型进行整合和松弛，使得数学模型 表面更加光滑、更加符合织物试样；

(5)接着创建一个“特征”，利用“特征”对数学模型坐标进行调整；之后根据坐标轴获 得数学模型的截面曲线；最后再将截面曲线展开，根据展开的图像对织物试样进行分析；

(6)经过对三维模型的优化处理，根据模型的数学分析，计算出织物的成型性。

上述的织物成型性的评价方法，在实验时，将织物试样裁剪为圆型，直径为100mm～ 500mm。

上述的织物成型性的评价方法，运用三维扫描装置距离织物600mm对织物试样进行扫 描，每扫描一次后，使织物成型部分与扫描装置相对转动10°～30°角继续扫描，直至将织 物试样转动一周，得到完整的织物成型后的多幅扫描图像；

上述的织物成型性的评价方法，用一平面截取三维图像，从而获得数学模型的截面曲线； 再将截面曲线展开，即可分析相关指标，得到织物试样的成形性指标。

一种织物成型性的评价装置，由强迫织物成型的单元和成像装置组成，所述强迫织物成 型的单元由具有底座的支架，用于支持织物试样、且中间设有托盘洞的支持托盘；置于织物 试样上方用于给织物试样施压的圆球、设于托盘洞下方的使织物试样成型的物体模型以及驱 动该物体模型做上下运动的驱动装置组成：所述成像装置为非接触式三位扫描仪。

上述的织物成型性的评价装置，还包括一可使得成像装置与支持托盘相对转动的旋转装 置。

上述的织物成型性的评价装置，所述旋转装置设于底座与支持托盘之间，所述旋转装置顶 部与支持托盘连接，底部与底座连接。

上述的织物成型性的评价装置，所述非接触式三维扫描仪为激光三维点扫描仪、激光三 维线扫描仪或者激光三维面扫描仪。

上述的织物成型性的评价装置，所述非接触式三维扫描仪为具有白光或彩色光的拍照式 结构光三维扫描仪。

上述的织物成型性的评价装置，所述托盘洞是直径为21mm～101mm的圆孔；使织物试 样成型的物体模型为球状模型，直径为20mm～100mm；在支持托盘上对织物试样施加的圆 球的直径为0.5mm～12mm，圆球材质是钢、铁、玻璃、陶瓷或者塑料。

本发明织物成型性的评价方法及装置的优点是：与以往技术相比，该技术数字化采集、 兼容性好；高分辨率、高精度，自动化程度高，并且具有自动拼接功能；更加的方便快捷， 具有更好的准确性、可靠性以及可操作性；能够更好的使试样受均匀、可控、随机的变形约 束力；作用于试样的强迫变形力和试样的变形位移可调；对具有不同成型性能的织物有较好 的区分度。

附图说明

图1为本发明织物成型性评价装置的结构示意图；

图2为本发明织物试样包裹住物体模型形成的褶皱图；

图3为标准化三维模型褶皱图；

图4为截面轮廓曲线展开图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步详细说明；

如图1、2、3、4所示，一种织物成型性的评价装置，由强迫织物成型的单元1和成像装 置2组成，该强迫织物成型的单元1由具有底座4的支架5，用于支持织物试样11、且中间 设有托盘洞12的支持托盘13，支持托盘13与支架5连接，并通过支架5支撑，置于织物试 样11上方用于给织物试样11施压的圆球14、设于托盘洞12下方的使织物试样11成型的物 体模型15以及驱动该物体模型15做上下运动的驱动装置16组成：该成像装置2为非接触式 三位扫描仪，非接触式三维扫描仪可以为激光三维点扫描仪、激光三维线扫描仪或者激光三 维面扫描仪，也可以选择为具有白光或彩色光的拍照式结构光三维扫描仪，还包括一可使得 成像装置2与支持托盘13相对转动的旋转装置3，该旋转装置3设于底座4与支持托盘13 之间，该旋转装置3的顶部与支持托盘13连接，底部与底座4连接。

托盘洞12是直径为21mm～101mm的圆孔；为模拟真实，使织物试样11成型的物体模 型15为球状模型最佳，直径为20mm～100mm；在支持托盘13上对织物试样11施加的圆球 14的直径为0.5mm～12mm，圆球14材质是钢、铁、玻璃、陶瓷或者塑料。

取一直径为300mm的织物试样11，并把该织物试样11平整的平铺于支持托盘13上， 在织物试样11上面平铺上直径为5mm的小圆球14对织物试样11施以准约束力；通过驱动 装置16，推动物体模型15缓慢上移，顶取织物试样11，随物体模型15继续的不断上升，织 物试样逐渐包裹住物体模型15，并且织物试样11表面开始出现皱褶，并逐渐增加，如图2 所示。

在三维扫描软件中建立一个新项目，打开三维扫描设备对织物试样11进行扫描，在扫描 时投影机将投影数幅特定编码的结构光到待测物体上，借助两个高分辨率CCD数码摄像机对 光栅干涉条纹进行拍照，同步采得相应图象，然后对图象进行解码和相位计算，并利用匹配 技术、光学拍照定位技术和光栅测量原理，解算出两个摄像机公共视区内点云的完整三维坐 标信息。每扫描一次后，要将织物试样与扫描装置相对转动一定角度，然后继续扫描，以便 得到织物试样的全方位的扫描图像，运用自动拼接技术将采集到的全方位的扫描图像数据拼 接到一起，并以.asc格式将所有数据导出。

然后用geomagic软件将导出的数据打开，对数据进行处理，可以根据需求选择数据的完 整度以及长度的单位；接下来对数据点进行着色，并选择合适的工具(包括套索、矩形、椭 圆、笔画)，将点云图多余的部分删除；然后将数据点联合到一起，并对模型进行“减少噪音” 和“松弛”处理，使模型表面更加光滑平整；然后再创建一个特征(特征又可分为平面特征 和球型特征两种不同方式)对坐标轴进行标准化处理；根据创建的特征对坐标轴进行调整。 在平面特征调整时，利用特征平面的法线坐标将xy轴所构成的平面与特征平面重合或平行； 在球型特征时，利用球心坐标将坐标轴原点移到球的球心上，经过这样的调整之后基本上可 以实现坐标轴的标准化，标准化后的三维图形，如图2所示。根据坐标轴设定截面的数量、 间距、以及布局，截取需求的截面曲线；利用数学软件matleb将曲线展开，如图3所示。根 据展开的曲线，参照专利CN200910018383.4，对织物试样11的波幅、悬垂波数、最小波幅、 最大波幅等相关特性进行分析计算，得到织物试样的成型能力。

实施例1

织物试样11的直径为300mm为玻璃纤维平纹布。

成像装置2为可以投射黑白光栅的投影机；摄像装置为两个间距为250mm，呈150夹角 布置，直径为25mm的CCD摄像头。

托盘洞直径为62mm的圆孔；使织物试样成型的物体模型为球状模型直径为60mm；在 支持托盘上对织物试样施加的准约束力，由平铺在织物试样上面的直径为5mm，总重为5kg 的钢球对织物试样施加。

操作步骤如下：

通过驱动装置16推动物体模型15，顶取织物试11，使织物试样11表面出现皱褶，并逐 渐增加，顶取高度为65mm。

三维扫描装置距离试样600mm进行扫描，每扫描一次后，使织物试样11的成型部分与 扫描装置相对转动150左右继续扫描，直到得到完整的3600的织物成型后的扫描图像，运用 自动拼接技术建立完整的数学模型、对数学模型进行整合、松弛和调整，得到完整的三维图 像。最后再用一平面截取三维图像，从而获得数学模型的截面曲线；再将截面曲线展开，即 可分析相关指标，得到织物试样的成形性指标。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不限于上述举例，本技术领域的普 通技术人员，在本发明的实质范围内，作出的变化、改型、添加或替换，都应属于本发明的 保护范围。