实时监控纤维结构针刺的方法和用于实现该方法的针刺装置

摘要

一种针刺的纤维结构(P)是通过如下方式制成的，在压板(100)上堆积纤维层，随着纤维层的堆积的形成通过相对于层的横向延伸的方向上所被往复运动驱动的针(114)而进行针刺，并且在形成堆积的时候变化压板与针的端部行程位置之间的距离，以便在整个纤维结构的厚度上获得所要求的针刺特性。施加在针穿透期间的瞬时力(f)被测量(传感器108)并且以即时力为基础计算出数值所表示的针刺力(F)或穿透能量(E)，依据至少一个预定条件效验所计算出的数值(F；E)以监控工艺程序的适当操作或起着变化压板与针的端部行程位置之间距离的方式作用。

说明书

发明背景

本发明涉及的是针刺纤维结构，尤其是制造用于在复合材料部分中构成增强结构的预成形件，例如用于耐热(thermostructural)复合材料制动盘的预成形件。

对于制造这样的针刺结构，其已知的是把一些纤维层堆放在一压板上并针刺这些纤维层，这时其纤维层通过针而将被堆叠在一起，所述的针在一个相对于纤维层横向延伸的方向(或Z方向)上被驱动作往复运动。

针可将纤维从纤维层中带出并在Z方向上转移其纤维。对于针刺结构来说Z纤维使其具有内聚力和抗层离阻力(层的分开)。这就使得有可能确保结合有这种结构如纤维增强物的复合部分具有机械强度，使其能够经受剪切力，如当施加制动扭矩时制动盘是需要有这种特性的。

为使在全部所针刺的纤维结构的厚度上都具有所希望的针刺特征，已知的是在纤维层的堆叠形成时控制压板与针行程的一端之间的距离。尤其是，专利文献US4790052建议每当新的层被堆置时可通过使压板向下运动一步来增加其距离，这一步的步幅等于所针刺层的厚度，其目的是使得针刺密度在纤维结构的整个厚度上都能均匀。

专利文献EP0736115建议在纤维结构形成时考虑纤维结构特征中的变化情况，以便给予到压板上的向下步幅的尺寸是根据一预定减少的关系而变化。其目的是使由针刺在一起的纤维层所组成的各种层具有恒定的厚度。

专利文献EP0695823建议在针刺过程中通过控制穿透深度而在Z方向上转移纤维。为此，将被针刺的纤维结构的自由表面位置的数值特征通过使用传感器而生成，该传感器可测量针刺区域外侧的自由表面位置。

与一其中向下步幅的尺寸是被预定的程序比较，能够做到表面的位置的实时测量，其有可能的是能考虑到相对标准可出现任何的偏差，例如，由于在各个层的厚度中的变化。然而，在专利文献EP0695823中，这种测量不能准确地与针刺配准。此外，相对于预定条件而言，例如针的磨损，也有可能发生其他类型的偏移，并且这些未被考虑到。

本发明的目的和概述

本发明的目的是提供一种针刺方法，其使得有可能在整个针刺过程中能够考虑到针的实效，以便能够实时监测或控制针刺过程。

本发明的目的是通过下述的制造针刺纤维结构的方法来实现的，其包括把纤维层堆放在一压板上，将这些层针刺在一起，即通过针而形成堆列，所述的针是在一个相对于纤维层横向延伸的方向上采用往复运动的方式而被驱动，并且在堆列形成的时候改变压板与针的行程端部位置之间的距离，以便在纤维结构的整个厚度上获得针刺特性的理想分布，在此方法中施加在针穿透期间的瞬时力(f)被测定，并且以此瞬时力为基础计算出数值表示的针刺力(F)或穿透能量(E)，并且所计算出的数值(F；E)依据至少一个预定条件而被效验。

针的穿透能量(E)能够通过结合所测得的瞬时力(f)而计算出，例如在从针进入到纤维结构并且针到达其行程底部的持续时间内。

所计算出的数值也可以是在纤维结构中针的穿透期间所测量的瞬时针刺力(f)最大值。

根据在纤维结构厚度中所希望的针刺特征的分布，其所效验的是针刺力(F)或穿透能量(E)的数值表示基本保持恒定，或基本遵守预先制定的变化关系。

根据本发明的一个方面，所测量的针刺力(F)或穿透能量(E)提供了用于监控针刺的适当操作的措施，并且针刺是控制在适用的预先确定的工艺中，例如压板向下步幅的恒定尺寸，或向下步幅尺寸的特殊变化，如专利文献EP0736115。

根据本发明的另一方面，在压板与针的行程端部位置之间距离的变化是随着所计算得的针刺力(F)或穿透能量(E)的值的变化而控制的。

尤其是，当压板与针的行程端部位置之间的距离在针刺过程中以预定的方式产生变化时，并且当所计算的数值(E)或(F)不能满足预定的条件时，所述的距离的附加修改是被适当地重合在所述的变化上。

在这方面，根据在整个纤维结构的厚度上所要求的针刺特征的分布，尤其是Z纤维密度的特征的分布，距离上的变化是伺服控制(servocontrolled)的，以便以预定的数值保持针的针刺力或穿透能量或以便遵守预定变化关系。

根据本发明的这两方面，在针的穿透期间，对其所施加的力或所消耗的能量进行测量，使得有可能考虑到针的实效和结合任何的变化，例如各个无规则层的厚度或针的早期磨损。

瞬时穿透力(f)在压板上可被便利地测量。

本发明还提供一种能够实现上述方法的针刺装置。

通过下述装置能够实现其目的，所述的装置包括一个压板，纤维层能够被堆放在该压板上，多个由压板上方的支撑件来携带的针，一驱动装置，其用于驱动针的支撑件，以便在相对于压板横向地延伸的方向上让针作往复运动，和一个用于改变压板与针的行程端部位置之间距离的装置，本发明的装置包括至少一个力传感器，其适用于输送一个表示施加在针穿透到堆放在压板上的纤维层内期间的瞬时力的信号。

附图简要说明

本发明通过阅读下面所给出的非限定陈述和结合附图的说明将会更好的理解，其中：

图1是根据本发明的直线针刺装置的示意正视图；

图2是在图1的平面II-II上的正面且截面的示意图；

图3是表示根据本发明的直线针刺装置的一变化实施例的正面且截面的示意图；

图4至图6是表示在3种执行本发明方法中连续步骤的流程图；

图7是根据本发明的圆形针刺装置的正视图；和

图8是图7针刺装置的压板的平面图。

实施例的详细说明

图1和图2以已知的方式概括表示了一种直线针刺装置，其包括一个放置在第一工作台12与第二工作台14之间的针刺工位10。

压辊驱动系统16，18放在工作台12与针刺工位10之间以及在针刺工位与工作台14之间。

纤维板P是在工作台12和14之间经过针刺工位10以直线往复运动形式而运动。板P是由纤维层构成，这些纤维层被堆放并随着堆的形成而被针刺在一起。所述的层是由织造布，单向或多向片材、针织布、毡制品、或其他实际为二维的纤维织物所构成。在每一针刺路径(pass)后，一旦板P已完全通过针刺工位10并且达到其中之一的工作台12和14，则加入一个新层，通过在相反方向上运动板而实现一个新的针刺路径(pass)。

在针刺工位10处，板P是从一个支撑压板100上面通过，该压板具有一个放置在其上方的针板110。

支撑压板100通过驱动器106而停靠在支撑结构104的横梁102上，该驱动器106例如是6个，用于改变压板100的垂直位置。

针板110相对于压板P的运行方向横向延伸，至少在其整个宽度范围内。针板110通过一个或多个曲柄连杆类型的驱动装置112以垂直运动方式被驱动作往复运动。在所示的实施例中，提供有两个曲柄系统，在邻近其端部处连接于针板。例如由支撑结构104携带的一个或多个电机(未图示)来驱动曲柄系统112。

由针板110携带的针114带有一些倒钩、钩或叉。它们穿透到构成板P的纤维织物层内，以便从其中带出纤维，这些纤维由此相对于层(Z方向)而横向移动，并且把这些层束缚在一起。

在一新的纤维层已经加入之后通过压辊16，18使板P前进而完成一针刺路径(pass)，以便针在纤维板的整个表面上扩展。板能够连续地或以其它方式前进。如果不连续前进，板能够被制动或慢下来，这时候针进行穿刺。

驱动器106被控制以移动压板100，以便于压板100与针114的行程的一端之间的距离将能变化。

在板P上针114的穿透深度贯穿数个纤维层的厚度。孔101是与针114对齐形成在压板100上，以便在针刺初始层的时候针能够在其中穿透。

上述类型的装置是已知的。尤其可结合参考上述引证的专利文献US4790052。

根据本发明，一个或多个力传感器是以这样的形式安置，即在针穿透到板P期间提供一个施加力的信号表示。

虽然力通过针板能被测得，但为了方便起见，也为了避免针板所承受的加速度和振动的干扰，力最好是通过压板100而测量。

在图1和2所示的实施例中，力传感器108插入在驱动器106的杆与压板100之间。在传统的方式中，传感器108可以是例如压电型应变仪，其连接为桥式构形。来自传感器108的电信号通过一电路109(图1)而被接收。电路109是一控制电路，该电路尤其用于把控制信号传送到驱动系统16，18和驱动器106上。

由传感器108所提供电信号是表示瞬时的针的穿透力。从各个传感器所接收的信号能够被求总和或求平均数值，以便提供一平均信号f′，由该平均信号将能够产生一个数值f，其表示瞬时穿透力。

当针不在纤维板上时，来自传感器的信号能够提供一个非零平均力f′₀，因为作用在压板上的剩余力，例如由于纤维板与剥离件(未图示)之间的摩擦紧压住它。例如当经过顶部死点时，测量力f′₀，在死点处由于剥离件与预制品之间的摩擦，其剩余的力(任意的或其它的)是处于最小。瞬时针刺力或适当的穿透力的数值表示f则等于f′-f′₀。

在针的每次穿透期间针刺力的数值表示F能够在所述的穿透期间通过采用如所测量的最大瞬时力f而获得。

为此，数值f是通过电路109来取样并且所使用的数值F是在针的每次行程期间测得的具有最大幅度的样品的数值。每次针穿透循环的开始能够由其通道(passage)精确的固定在其行程的顶部死点。这是通过例如光学或感应类型的传感器116而检测的，例如该传感器是与一个凸轮轮廓113相合作，所述的凸轮具有一个与顶部死点相对应的角度位置并且该凸轮被强迫与用于针板的驱动系统112其中之一的曲柄一起转动。来自传感器116的信号被接收并且通过电路109处理。

在一种变化中，可较好的是产生一种针刺穿透能量的数值E表示，其与在Z方向上所转移的纤维数量相关联。该数值E是就时间来说通过使用电路109来对所测量的瞬时穿透力进行求积分(integrate)而获得的。

数值f的这个求积是在一个预先确定的周期期间完成的，其周期例如是针从其行程的顶部死点到底部死点所花费的时间。

经过底部死点的通道(passage)能够用与经过顶部死点相同的方式被测定。

有可能的是数值f开始求积不是在经过顶部死点的时候，而是在针穿透到纤维层内的时刻。为测定该时刻，有可能的是测量纤维板的顶部面的瞬时位置。在两连续经过顶部死点之间的一个循环期间能够通过测定所述路径(pass)而被确定，假定针的行程是恒定和已知的，这样可知道关于在顶部与底部死点之间的纤维板的顶部面的位置，使得有可能确定在其循环时针穿透到纤维板内的瞬时情况。

用于测量纤维板的顶部面的位置的探测头形式的机械装置如上述引证的专利文献EP0695823所述。

有利地，还有可能的是使用不接触的光学测量装置，例如一种激光发射器/接收器单元118，如法国专利申请No.FR01/02869中所述。发射器处于一位置，该位置相对于支撑结构104是固定的并且其把一激光束引向纤维板的表面。较好的是，非校准(noncollimated)的激光束被反射并且通过分析在发射器与接收器之间经过的光束，有可能提供所要求的位置信息。发射器/接收器118连接到电路109上并且能够设置在针刺工位处以便激光束经过一个形成在针板110上的孔。

图3的实施例不同于图2，其中针刺工位的压板100是通过4个驱动器106而压在支架103上，该支架是通过支撑结构104的支柱来承载。

在这种情况中，力传感器108是放在支架103与驱动器106的圆柱之间。传感器将采用图1和2实施例相似的配置。

比较于图1和2的装置，图3的装置更适合于宽度较小的纤维板P。

构成本发明执行程序的针刺工艺将结合附图4进行描述。

可选择地在针刺少量的初始叠放的层之后(步骤40)，加入一新层(步骤41)，并且板被向下移动一步(步骤42)。

向下的步幅是预先确定的。在一层被针刺且新的一层叠放在上面的针刺过程期间，每一路径(pass)之后给予压板的向下步幅可以是恒定的或者能够以预定的方式变化，如上述引证的专利文献US4790052和EP0736115所述。

在针刺一个叠加层的时候，由于针穿透到纤维结构中，而产生的针刺力F或针的穿透能量E可通过传感器106和电路(109)而被估算出(步骤43)。

被估算出的力F或能量E的数值可以是在针的每次穿透中被确定，或者是有可能平均在多个连续的针穿透期间所测定出的力。

在下面描述的针刺过程的变化实施方法中，尤其关注对针穿透能量E的估算，该值与在Z方向上转移的纤维数量相关联。这些过程以类似的方式来实施，其中对针刺力进行测量，该针刺力是表示针的实效。

在图4的执行程序中，如果目前针刺路径没有结束(检验44)，则将所估算出的穿透能量E与最小的阈值E_min和最大的阈值E_max进行比较。如果E位于[E_min，E_max]范围内，(检验45)，则方法返回到步骤43。如果检验44示出的是针刺路径(pass)已结束(其能够通过用于板P的行程端部传感器来测定)，则方法返回到步骤41。

如果检验45的结果是否定的，则产生一警报信号(步骤46)，该信号指示针刺力和由此的针的效力不再位于预定的允许范围内。例如这可能是由于磨损，针折断，工作台错误的定位，或被针刺产品或纤维层以非标准方式包盖着板P而造成的。

数值E_min和E_max是根据实验而确定的，它们尤其随所希望的针刺特性，特别是Z纤维的密度而变化。数值E_min和E_max可以是固定的，也可以随着板的增加而变化，以满足预定的变化关系。因此，例如，这种穿透能量和由此的Z纤维密度在板内希望获得较大Z纤维密度以便增加抗层离力的那些部分中可以是较大的。

通过连续测量穿透能量，图4的程序使得有可能用实效来检验正在进行的针刺，该实效相应于所希望的实效。

构成本发明另一执行程序的针刺工艺将结合附图5进行描述。

这个工艺包括针刺初始层，加入新层，执行预定尺寸的向下步幅以及针刺和测量穿透能量的步骤50至53，这些步骤类似于图4工艺的步骤40至43。

假定当前针刺路径没有结束(检验54)，所估算出的能量E可与预定的最小和最大数值E′_min和E′_max相比较。

当估算能量变得大于阈值E′_max(检验55)时，一向下的增量Δh施加到压板100上(步骤56)。这是能够在针刺最后堆积层的时候完成的，只要其检测到已通过界限，或在进行针刺层的端部，用增量Δh重合到预定向下步幅的尺寸。在步骤55之后，其工艺程序返回到步骤53。如果在检验54期间，已发现目前针刺路径已结束，则返回到用于增加新层的步骤51。

当检验55的结果是否定的时候，估算出的能量E与阈值E′_min比较。如果估算能量小于阈值E′_min(检验57)，则将例如与Δh相反的一向上增量Δ′h立刻给予板100，或在目前针刺路径(pass)的端部，用增量Δ′h重合到预定向下步幅的尺寸。在步骤58之后，其工艺程序返回到步骤53。

阈值E′_min和E′_max是根据实验而确定的并且他们不是必须等于图4工艺程序的数值。他们可以是固定的，也可以随着被针刺的板的增加以预定的形式来变化。

通过举例的方式，增量Δh和Δ′h能够在从百分之一到百分之几的平均向下步幅尺寸的一个范围内。

将可看到，增量Δh和Δ′h本身是可变化的，例如是随着阈值E′_min和E′_max超出的范围而变的。

通过连续测量针刺力，图5的工艺使得有可能在适当处修正向下步幅尺寸的预定数值，或修正用于改变向下步幅尺寸的预定关系，以便保证针的功效保持与预期的功效相一致。

图6示出了针刺工艺的一些步骤，其中板的下降只随着估算的针刺能量的变化而控制。

在针刺初始层(步骤60)之后，加入新的一层(步骤61)，针刺开始，并且如图4的步骤43那样估算针的穿透能量E(步骤62)。在目前针刺路径没有结束的情况下(检验64)，所估算的能量E与最小的阈值E″_min和最大的阈值E″_max比较，。如果能量E小于E″_min(检验65)，则板上升一个单独的步长P1(步骤66)并且工艺程序返回到步骤62。如果步骤64的结果是肯定的，则工艺程序返回到步骤61。如果能量E不小于E″_min，则其与E″_max比较(步骤67)。如果能量E大于E″_max，则板向下运动一个单独的步长P2(步骤67)并且工艺程序返回到步骤62。如果能量E不大于E″_max，则工艺程序返回到步骤62。

数值E″_min和E″_max能够根据实验随着所要求的针刺特性变化而被预先确定。他们可以是固定的，也可以随着纤维板的增加以预定的变化关系而变化。

向上的步长P1和向下的步长P2相互可以相等，或不相等。他们的数值可以固定的，也可以是变化的，例如以预定的形式随着E与E″_min之间或E与E″_max之间的差值的大小而变。

通常，图4至6的工艺程序是在最后的针刺路径(pass)已完成之后被中断，而板P达到其所要求的厚度。

针刺力测量法不仅能够适合于直线针刺装置，而且适合于圆形针刺装置。

因此，图7和8示出了具有圆形压板200的针刺装置。环形层被堆放并在压板200上被针刺，以形成圆环形状的一种针刺的纤维预成形品或圆盘P。在传统的方式中，层可以由一些环来形成或通过从二维纤维织物上剪切出来的并列放置的环状扇形而形成，该织物例如是机织布、单向或多向片材、毡等。层还可由线圈形成，其线圈绕成扁平状的，例如螺旋布线圈、或由被变形的编织物形成的线圈、或实际上由可变形的二维织物形成的线圈。例如可参考下列的专利文献：US6009605，US5662855，和WO98/44182。环状预形成品P尤其可用于复合材料制动盘的预成形件。

圆盘P被转动并且其经过一个具有针板210的针刺工位，该针板是放在压板200的一个扇形上面(在图8中由一系列虚线限定的位置)。针板210通过曲柄和连杆型驱动装置212被驱动作垂直往复运动。

由板212所携带的针214带有一些倒钩、钩或叉，当他们穿透到圆盘P内时用来把纤维从堆叠的层中带出并且把他们转移经过层。

圆盘P能够通过圆锥辊如22而转动，压板200是静止的并且具有与针214对齐的一些孔201。在一种变化中，盘P可以通过旋转压板200来转动，在这种情况下，压板200具有涂层，针可穿入到其内而没有损害。把Z方向中的纤维转移到该涂层内，由此把圆盘P固定到板上并且使得可比较容易地转动圆盘。

压板200是铰接在支撑件202上，该支撑件是通过驱动器206而放置在支撑结构204上，在所示的实施例中有3个这样的驱动器(见图8)。

一个或多个力传感器208放在支撑件202与压板200之间，在所示的实施例中有两个这样的传感器。

如图7所示，在压板200与支撑件204之间的铰链203是位于压板200的一圆周区域上，该圆周区域是远离针刺工位20将碰到的区域。传感器208是位于针刺区域20任一侧上的压板20的下面，在此位置传感器远离铰链203。铰链203或传感器208的这种布置可用来优化针刺力的测量，这种测量是在针刺工位20处或针刺工位内进行的。

来自传感器208的信号通过控制电路来获取，该控制电路尤其用于控制圆盘P的转动和用于控制驱动器206，以便在针刺过程中垂直移动压板。

利用如参照图4至6所述的工艺程序，当针穿透到圆盘P时来自传感器208的表示的针的功效和有可能表示圆盘顶部面位置的测量的信号能够用于实时监测或控制针刺。