縫紉機送料機構(gòu)的可靠性設(shè)計

孟凡強，張 莉

（臺州學院 機械工程學院，浙江 臺州 318000）

1 前言

縫制設(shè)備屬于精密機械之一，要在一秒鐘內(nèi)完成100個左右的線跡［1］，該線跡的形成是一個復(fù)雜的過程，主要由送料機構(gòu)、勾線機構(gòu)、挑線機構(gòu)和刺料機構(gòu)的運動配合來完成。在這4大機構(gòu)中，送料機構(gòu)是最重要、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的機構(gòu)，其作用是在完成線環(huán)形成過程的同時，周期性地遞送縫料，其送布運動軌跡對送料性能有較大的影響，不良的運動軌跡將出現(xiàn)送布錯位、縫料起皺和溜針等現(xiàn)象，從而影響縫制效果［1-2］。

本文采用矩陣法對送料機構(gòu)進行水平送布臺臂轉(zhuǎn)動角度和送布牙前后運動量的理論計算，并采用動力學仿真軟件ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）對送料機構(gòu)的運動特性進行了仿真分析，最后對前后數(shù)據(jù)進行了分析比較，根據(jù)比較結(jié)果驗證了送料機構(gòu)的運動軌跡正確性，從而對送料機構(gòu)設(shè)計的可靠性進行了評判。

2 送料機構(gòu)工作原理

送料機構(gòu)由電機驅(qū)動上軸，皮帶帶動下軸5，通過送布大連桿1、送布偏心輪2及送布調(diào)整軸3驅(qū)動送料軸4，然后由送料軸4的小幅擺動及抬布偏心輪6的轉(zhuǎn)動帶動送布牙7，進行送布牙送料，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本文對送料機構(gòu)的運動進行分析，看其是否滿足設(shè)計要求，從而判斷送料機構(gòu)設(shè)計的可靠行。

3 送布牙運動的理論計算

根據(jù)送布牙所要實現(xiàn)的運動，提取對其運動產(chǎn)生影響的相關(guān)零部件的裝配組合，得到如圖2所示的送布裝置。

圖1 送料機構(gòu)結(jié)構(gòu)圖圖Fig.1 Structure of feed mechanism

圖2 送布裝置Fig.2 Feed device

3.1 計算水平送布臺臂轉(zhuǎn)動角度

將此送布裝置簡化之后得到一個四桿機構(gòu)，如圖3所示。根據(jù)簡化的四桿機構(gòu)，進行水平送布臺臂轉(zhuǎn)動的角度分析。

圖3傳動裝置簡化圖Fig.3 Drive mechanism simplified diagram

采用矩陣法［3］，該四桿機構(gòu)構(gòu)成一個封閉矢量多邊形。在這個封閉矢量多邊形中，其各矢量之和必等于零。即

將式（1）向兩坐標軸上投影，得

將 θ3=90°，θ4=0 代入式（2），得

將式（3）移項，得

式（4）兩邊平方，得

式（5）中兩式相加，得

令

則式（7）可簡化為

解得

圖3中的相關(guān)尺寸為：l1=25mm，l2=20mm，l3=20.38mm，l4是滑塊組件到送布軸的水平距離，該組件有兩個極限位置，即滑塊組件在切換器中移動最小值和最大值，兩者差值即為8mm，即l4=28.8mm或l4=20.79mm。

（1）將 l1=25，l2=20，l3=20.38，l4=28.8 代入式（7），得

（2）將 l1=25，l2=20，l3=20.38，l4=20.79 代入式（7），得

根據(jù)機構(gòu)的初始安裝情況和機構(gòu)運動的連續(xù)性確定式中θ2選取負號，則桿l2轉(zhuǎn)動的角度為α=13.26°-8.422°=4.818°.

因此，滑塊組件移動8mm后，水平送布臺臂的運動轉(zhuǎn)角為4.818°.

3.2 計算送布牙前后運動量

送布軸裝置主要有送布軸、水平送布臺臂、送布軸曲柄和送布牙等組成，如圖4所示。它的主要作用是完成帶動送布牙前后往復(fù)運動，并且與送布牙上下運動進行精確的配合。

圖4 送布軸裝置Fig.4 Feed shaft mechanism

圖5 送布牙前后運動簡化圖Fig.5 Motion simplified diagram of feed dog

將送布軸裝置進行簡化，如圖5所示。圖中，l5水平送布臺臂到送布軸兩中心孔的垂直距離，送料機構(gòu)中l(wèi)5=22.1mm。

由于α=4.818°，推得x=1.86mm，即送布牙前后運動量為1.86mm.

4 送布牙運動的ADAMS分析

由于機構(gòu)的運動學和動力學仿真分析技術(shù)是虛擬裝配中的剛體建模與仿真技術(shù)的重要組成部分之一。因此，基于多剛體系統(tǒng)動力學進行機構(gòu)運動學分析的方法完全能滿足虛擬現(xiàn)實系統(tǒng)的實時性要求［4］。

ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫、約束庫、力庫，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動力學理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動力學方程，對系統(tǒng)進行靜力學、運動學和動力學分析，輸出為位移、速度、加速度和反作用力曲線閉［5］。

本文采用多體系統(tǒng)動力學進行送料機構(gòu)的運動學分析。首先在SolidWorks平臺下建立三維實體模型，基于Parasolid的數(shù)據(jù)交換，利用ADAMS的數(shù)據(jù)輸入接口將送料機構(gòu)三維實體模型導(dǎo)入ADAMS仿真分析環(huán)境中，并進行如下操作步驟：

（1）實體模型導(dǎo)入之后，檢查模型在傳輸過程中是否出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，圖形失真等，根據(jù)檢查結(jié)果，進行適當?shù)男薷摹?/p>

（2）為了便于計算，對該模型進行了一些假設(shè)：各部件均視為剛體；相對固定不動的構(gòu)件可視為一體；各構(gòu)件材料屬性均設(shè)置為steel。

（3）ADAMS/View模塊主工具箱的約束副選項組里包括多種約束副類型，根據(jù)實際工作情況添加各構(gòu)件之間的約束副。在各構(gòu)件之間無相對運動的添加固定副或進行布爾運算中的合并操作，各構(gòu)件之間有相對旋轉(zhuǎn)運動的用旋動副連接，各構(gòu)件之間存在相對移動關(guān)系的添加移動副連接。

（4）添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。最終得到送料機構(gòu)的虛擬樣機模型，如圖6所示，整個傳動機構(gòu)包括：13個活動構(gòu)件、6個固定副、8個旋轉(zhuǎn)副、2個移動副和1個旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。設(shè)置仿真參數(shù)：轉(zhuǎn)速為33r/s；End Time=50；Steps=100。仿真運動后，ADAMS/Solver模塊自動形成送料機構(gòu)系統(tǒng)模型的動力學、運動學的解算結(jié)果，通過后處理模塊，得到送布牙質(zhì)心的運動曲線，如圖7所示。

圖6 在ADAMS中的虛擬樣機模型 Fig.6 Virtual prototype model in ADAMS

圖7 送布牙運動曲線Fig.7 Motion trajectory of feed dog

5 數(shù)據(jù)分析比較

（1）送布軸裝置中的水平送布臺臂的運動角度曲線如圖8所示，由圖可知水平送布臺臂轉(zhuǎn)動角度的仿真結(jié)果為4.843o，理論計算值是4.818o，相對誤差為0.338%。

圖8 水平送布臺臂的運動角度曲線Fig.8 Rotation angle of feed rocker base arm

圖9 送布牙Y方向運動量Fig.9 Y directional motion of feed dog

（2）送布牙的前后運動量的運動曲線如圖9所示，由圖可知送布牙的前后運動運動范圍為1.986mm，理論計算的前后運動量為1.86mm，相對誤差為6.774%。

通過兩者數(shù)據(jù)比較，驗證了送料機構(gòu)的運動軌跡正確性，表明該送料機構(gòu)是可靠的，能滿足設(shè)計要求。

6 結(jié)論

本文采用矩陣法進行了水平送布抬臂的轉(zhuǎn)動角度和送布牙的前后運動量的理論計算，并利用ADAMS對送料機構(gòu)進行了運動學分析，最后兩者的分析計算結(jié)果進行比較，驗證了送料機構(gòu)結(jié)構(gòu)的正確性。

本文提出的方法有助于提高送料機構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計可靠性和工作性能，此方法已應(yīng)用于59420三針平縫機的設(shè)計實踐中。

［1］張青，鄒慧君，郭為忠，等.閉合五桿縫紉機送料機構(gòu)的運動仿真和軌跡優(yōu)化［J］.機械設(shè)計與研究，2004，20（6）:25-28.

［2］聞力生，章文俊.工縫機的差動送料機構(gòu)與縫紉性能［J］.中國紡織大學學報，1991,17（2）:49-53.

［3］王躍進.機械原理［M］.北京：北京大學出版社，2009:162.

［4］劉檢華，候偉偉，張志賢，等.基于精度和物性的虛擬裝配技術(shù)［J］.計算機集成制造系統(tǒng)，2011，17（3）:595-604.

［5］葛正浩.ADAMS2007 虛擬樣機技術(shù)［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2010:4.