Part.1 笛卡尔式纵横编织机
笛卡尔编织机基于笛卡尔坐标系，通过纵横双向机械联动控制实现复杂的编织动作。其核心由高精度线性导轨、伺服电机驱动系统和智能控制系统构成。线性导轨确保携纱器在X、Y、Z方向的精准定位，定位精度可达±0.05 mm，保证纤维交织位置的准确性；伺服电机驱动系统响应速度快，能够瞬间调整携纱器的运动速度与加速度，适应复杂编织图案的变化。笛卡尔编织机的智能控制系统能够依据预设的编织程序，实时监控并调整各轴运动参数，实现编织过程的全自动化。在航空航天领域，笛卡尔编织机可精确控制纤维走向，制造复杂异形结构件。例如，在飞行器机翼大梁预制体编织时，通过调整编织参数，可将关键部位的纤维体积含量提高10% ～15%，显著增强结构的承载能力。然而，笛卡尔编织机结构复杂、成本较高，编织效率相较于旋转式编织机较低，适用于小批量、高精度的复杂结构预制体生产。
笛卡尔式编织机构造示意图
Part.2 旋转式三维编织机
旋转式三维编织机起源于传统的二维Maypole编织机，如五月柱编织机和编带机。由于引入了角轮机构驱动携纱器，因此也被称为角轮式三维编织机。在这种编织机中，携纱器按照特定规律安装在角轮的缺口处。随着角轮转动，携纱器有规律地从一个角轮转移到相邻角轮，并带动纱线交织，最终形成三维结构预制件。其特点是通过在拨盘之间加入离合装置，使“循环状态”和“转移状态”的编织任务能够顺利完成。根据携纱器的排布方向，旋转式三维编织机可分为轴向式和径向式两种。
轴向式三维编织机发展较早，携纱器沿轴向移动，编织纱的运动方向与重力方向垂直。在编织过程中，纱线长度不断变化，张力波动较大，容易导致预制件密度不均。相比之下，径向式三维编织机的携纱器安装在球形轨道盘内，沿径向方向移动，纱线张力波动较小，效果更加稳定。
江苏高倍智能装备有限公司与东华大学联合研制的三维球面立体编织机是径向式三维编织机的尖端代表。该机采用球形或半球形曲面轨道，尤其是在等曲率球面底盘的应用中，确保了悬纱点到各携纱器的径向距离恒定（半径2.5 ～ 2.8m），使纱线张力全域均匀，彻底消除轴向式编织中的张力波动问题。此外，满锭子变轨交联技术在这款编织机中得到应用，576个编织锭子在直径8m的环形球面轨道上高速变轨交叉，通过偏心编织算法实现大曲率、变密度构件的精准成型，如冬奥火炬变径飘带的制造。该设备通过创新球面轨道结构和智能控制算法，成功解决了大曲率异形构件编织的技术难题。
三维球面立体编织机
在此基础上，江苏高倍智能装备有限公司还提出一种超厚曲面体三维编织装置，其携纱器通过滑座－齿圈啮合机构在可变形轨道上运动，轨道曲率半径通过液压缸调节并稳定在2.5 ～ 2.8m范围内，系统采用张力闭环控制。该装置在球面轨道核心理念的基础上，将“等曲率球面底盘”升级为“可变曲率超厚曲面轨道”，结合厚度－速度耦合控制算法，系统可完成从薄壁异形件（火炬飘带）到厚达50mm的异形构件（如航空发动机机匣）的连续编织，实现了传统三维编织技术难以达到的大厚度、变曲率成型。
超厚曲面体三维编织装置
Part.3 行列式三维编织机
在三维编织技术领域，行列式三维编织机凭借正交轨道阵列和携纱器步进控制，成为制造高性能复合材料预制体的核心装备。该设备通过携纱器在X/Y方向交替运动，迫使纱线按预定程序在三维空间中穿插，最终实现结构的整体成型。其主要优势在于高效制造规则截面和低曲率锥体，显著提升层间性能（比层合板剪切强度提高300%），在航空航天、国防军工、高端汽车和风电等领域展现出巨大的应用潜力，成为实现结构轻量化、功能集成化和高效制造的关键技术。
当前针对行列式三维编织机的研究聚焦于提升编织速度、优化张力控制、发展智能监控算法，并拓展对复杂曲面结构的编织能力。行列式三维编织技术的工程化实现高度依赖于专用装备。德国Herzog公司生产的商用三维编织机作为行业标杆，其精密的轨道阵列系统和数控平台在航空航天领域得到广泛应用，但异形件适配成本较高。东华大学、天津工业大学等机构已建立自主知识产权的行列式编织实验系统，支撑了国产大飞机等国家项目的研发。
Part.4 内环轨道三维编织机
针对航天航空等领域对超大尺寸、高性能连续环形复合材料预制体的迫切需求，东华大学孙以泽院士团队突破了传统编织装备的布局限制，创新性地研发了具有完全自主知识产权的高性能复合材料构件三维高精度编织装备，其结构下图所示。该装备摒弃了传统的直线正交轨道或中心旋转式布局，创新性地采用多圈环形轨道作为携纱器运动的基础平台，开创了融合轨道思想和可控旋转的全新编织装备范式。该装备通过独创的三环四步编织原理和高精度多环多锭协同运动控制系统，实现在多个同心圆环轨道上的携纱器精密协同运动，使得每根高性能纤维的空间轨迹得以精确控制，并且尺寸扩展性优于传统旋转式编织机。该技术有效解决了超大直径环形件编织中纱线路径长、张力波动剧烈、轨迹控制精度难以保证等难题。
东华大学三维环形复合材料编织机
来源：纺织导报
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