繃縫機(jī)送布機(jī)構(gòu)研究及三維建模

王志 李衛(wèi)超

摘 要：繃縫機(jī)的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)多采用四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)關(guān)聯(lián)。本文主要對(duì)現(xiàn)有機(jī)構(gòu)零部件按照相互配合關(guān)系進(jìn)行三維模型裝配，保障機(jī)構(gòu)傳動(dòng)的正確；并通過(guò)Excel表的相關(guān)運(yùn)算功能，對(duì)現(xiàn)有機(jī)構(gòu)進(jìn)行參數(shù)化處理，以確定所需點(diǎn)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

關(guān)鍵詞：模塊；參數(shù)化；采樣；Excel優(yōu)化

中圖分類號(hào)：TS941.5 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1003-5168（2018）08-0049-04

Research and 3D Modeling of the Distribution

Mechanism of the Sewing Machine

WANG Zhi LI Weichao

（Jack Sewing Machine Co.， Ltd.，Taizhou Zhejiang 318000）

Abstract： The transmission mechanism of the sewing machine adopts four bar mechanism to carry out motion correlation. In this paper， the main parts of the existing mechanism were assembled in accordance with the relationship of each other to ensure the correct transmission of the mechanism， and the existing mechanism was parameterized to determine the desired trajectory through the relevant operational functions of the Excel table.

Keywords： modules；parameterization；sampling；Excel optimization

1 數(shù)據(jù)采樣原理

繃縫機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)多采用四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行機(jī)構(gòu)的連接與傳動(dòng)，電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源帶動(dòng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)，定義電機(jī)每次采樣所轉(zhuǎn)過(guò)的相同角度，在Excel中進(jìn)行公式編輯，求得驅(qū)動(dòng)源的轉(zhuǎn)動(dòng)角度與所需點(diǎn)坐標(biāo)點(diǎn)關(guān)系。這種方法可稱之為機(jī)構(gòu)參數(shù)化處理，采樣完成后，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行數(shù)據(jù)優(yōu)化處理產(chǎn)生最優(yōu)解，通過(guò)仿真軟件驗(yàn)算，確保數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性，這可以減少仿真軟件中間的煩瑣運(yùn)算，提高產(chǎn)品開(kāi)發(fā)效率[1-5]。

當(dāng)繃縫機(jī)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)源轉(zhuǎn)向一定時(shí)，機(jī)械機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)是唯一確定的。在唯一運(yùn)動(dòng)中，對(duì)模型選取基本點(diǎn)，然后對(duì)需要點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行函數(shù)化表達(dá)，通過(guò)Excel表的運(yùn)算作用自動(dòng)提取出所需點(diǎn)的坐標(biāo)變化，通過(guò)Excel表的函數(shù)功能使機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)過(guò)程函數(shù)化。這樣，就完成了機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)建模環(huán)節(jié)，后期可以對(duì)基本參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，合理更改初始數(shù)據(jù)大小、各四桿機(jī)構(gòu)曲柄的初始相位角及連架桿相對(duì)位置的大小，從而求得不同的運(yùn)動(dòng)軌跡，最終得到優(yōu)化后期望的結(jié)果。這樣，就相當(dāng)于將機(jī)構(gòu)的初始參數(shù)進(jìn)行調(diào)整，Excel表格自動(dòng)進(jìn)行運(yùn)算，運(yùn)算速度快，省去人為煩瑣的運(yùn)算，結(jié)果一目了然。然后相關(guān)技術(shù)人員可以通過(guò)輕松地更改一些相關(guān)初始數(shù)據(jù)來(lái)生成合理需要的運(yùn)動(dòng)軌跡，優(yōu)化初始參數(shù)，得到理想的運(yùn)動(dòng)軌跡，縮短產(chǎn)品的開(kāi)發(fā)過(guò)程。利用上述方法可以根據(jù)繃縫機(jī)的工作原理及外部需求探索合理高效的運(yùn)動(dòng)軌跡，提高縫紉的適應(yīng)性及整機(jī)的縫紉性能，達(dá)到高效研發(fā)、快速開(kāi)發(fā)新產(chǎn)品的目的?？嚳p機(jī)送布的運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)針距的大小有較大影響，現(xiàn)在對(duì)繃縫機(jī)的送布機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)與優(yōu)化。

2 繃縫機(jī)送布機(jī)構(gòu)建模及原理

2.1 送布機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)介

繃縫機(jī)送布機(jī)構(gòu)包括抬牙機(jī)構(gòu)與送布機(jī)構(gòu)兩部分，其中，控制牙齒上下運(yùn)動(dòng)量的稱之為抬牙機(jī)構(gòu)，控制牙齒前后運(yùn)動(dòng)的稱之為送布機(jī)構(gòu)，具體反映為針距。當(dāng)前，繃縫機(jī)的送料軌跡是這兩部分運(yùn)動(dòng)合成的運(yùn)動(dòng)，最終形成類似橢圓形的軌跡。小方頭繃縫機(jī)抬牙機(jī)構(gòu)由主軸偏心滑塊和抬牙曲柄滑塊兩部分組成。抬牙機(jī)構(gòu)如圖1所示。

針距部分由兩個(gè)四桿機(jī)構(gòu)組合而成，圖2為針距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)。在優(yōu)化該結(jié)構(gòu)的過(guò)程中，通過(guò)改變其中一根桿的初始角度來(lái)改變送布軸擺動(dòng)角度，從而改變針距大小。為了增大繃縫機(jī)的送料行程，提高繃縫機(jī)的縫紉效果，首先要對(duì)原有針距機(jī)構(gòu)零件進(jìn)行SolidWorks三維建模，提取現(xiàn)有送布機(jī)構(gòu)相關(guān)初始數(shù)據(jù)，并通過(guò)Excel表格運(yùn)算得到運(yùn)動(dòng)軌跡。然后，設(shè)計(jì)人員對(duì)表格數(shù)據(jù)進(jìn)行離散處理生成機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)軌跡，合理改變技術(shù)參數(shù)，得到目標(biāo)運(yùn)動(dòng)軌跡。

2.2 四桿機(jī)構(gòu)分析

圖3為針距凸輪機(jī)構(gòu)。從圖3可以看出，針距機(jī)構(gòu)由兩個(gè)四連桿機(jī)構(gòu)組成，分別為AB、BC、CF、FA，組成曲柄四桿機(jī)構(gòu)，F(xiàn)A為連架桿，AB為曲柄，另一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)為FC、CD、DE、EF。現(xiàn)在以針距機(jī)構(gòu)為例，建立針距調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，并利用Excel表格的計(jì)算能力與便捷的操作方式，對(duì)所需要的點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行大量取樣，通過(guò)光滑的曲線將所有取樣點(diǎn)進(jìn)行連接，這樣所繪制的軌跡可以代表真實(shí)的運(yùn)動(dòng)軌跡。

3 數(shù)據(jù)采樣

3.1 數(shù)據(jù)采樣前期機(jī)構(gòu)的初始數(shù)據(jù)整理

數(shù)據(jù)采樣前期針距參數(shù)見(jiàn)表1。

3.2 封閉四桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)求解

B點(diǎn)坐標(biāo)求解：

[ZB=ZA+AB*cos?] （1）

[YB=YA+AB*cos?] （2）

在上式中，[ZB]和[YB]是B點(diǎn)坐標(biāo)，[ZA]和[YA]是A點(diǎn)坐標(biāo)，[AB]代表凸輪長(zhǎng)度，[cos?]代表AB與水平面夾角的余弦值。

C點(diǎn)坐標(biāo)求解：

[Zc-ZB2+Yc-YB2=BC2]（3）

[Yc-YF2+Zc-ZF2=CF2] （4）

其中，[BC]代表B點(diǎn)到C點(diǎn)之間距離，[CF]代表C點(diǎn)到點(diǎn)F之間距離，[YF]和[ZF]是F點(diǎn)的坐標(biāo)。

用式（3）減去式（4）得：

[2ZcZF-ZB-Z2F-Z2B+2YCYF-YB-Y2F-Y2B=BC2-CF2]（5）

繼續(xù)計(jì)算式（5）可得：

[Zc=BC2-CF2+Z2F-Z2B+Y2F-Y2B-2YF-YBYC2ZF-ZB]（6）

為了簡(jiǎn)化運(yùn)算過(guò)程設(shè)：

[b=BC2-CF2+Z2F-Z2B+Y2F-Y2B2ZF-ZB]

[K=-YF-YBZF-ZB]

（6）簡(jiǎn)化為：

[ZC=kYC+b] （7）

將（7）代入（3）解得[YC]：

[YC=kZB+YB-bk±kZB+YB-bk2-1+k2Y2B+Z2B-2bZB+b2-CB21+k2]

4 Excel表格數(shù)據(jù)采樣與數(shù)據(jù)處理

根據(jù)上述公式，可以在Excel表格中通過(guò)函數(shù)運(yùn)算對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，前期進(jìn)行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集，初始數(shù)據(jù)在Excel函數(shù)中采用絕對(duì)引用，在選擇單元格后同時(shí)按下F4點(diǎn)，表示引用數(shù)據(jù)是固定的數(shù)值。在運(yùn)算過(guò)程中，必須先把角度轉(zhuǎn)換為弧度，并采用Excel表中的ROUND函數(shù)對(duì)所求數(shù)據(jù)的有效數(shù)位進(jìn)行規(guī)定，本次示例采用的是將運(yùn)算結(jié)果的有效數(shù)位保證9位。具體操作如圖4所示。

以此類推，可以根據(jù)初始數(shù)據(jù)、各機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)關(guān)系及約束條件在Excel表格中計(jì)算出優(yōu)化后的送布牙的運(yùn)動(dòng)軌跡。

5 參數(shù)化應(yīng)用

5.1 初始數(shù)據(jù)

通過(guò)三維繪圖軟件，對(duì)所需點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行測(cè)量，測(cè)量出初始數(shù)據(jù)，利用機(jī)械機(jī)構(gòu)本身的約束條件對(duì)未知點(diǎn)的坐標(biāo)進(jìn)行函數(shù)表示，搭建好平臺(tái)，后期設(shè)計(jì)可以直接更改這些初始參數(shù)，獲得不同的運(yùn)動(dòng)軌跡，實(shí)現(xiàn)快速設(shè)計(jì)的目的，這樣可以大大縮短設(shè)計(jì)周期。表2為四桿機(jī)構(gòu)的初始參數(shù)。

5.2 針距機(jī)構(gòu)分析

由針距機(jī)構(gòu)分析可知，曲柄、連桿的長(zhǎng)度、位置以及調(diào)節(jié)曲柄與水平面的夾角都會(huì)影響針距大小。因此，要想改變針距的大小，需要改變的量較多。針距的大小直接由送布軸轉(zhuǎn)角決定，連桿DE的大小決定送布軸的擺幅，顯然，在其他條件不變的情況下，連桿DE越短，擺角越大。比如，只改變其中某單一變量來(lái)達(dá)到增大針距的目的，在這里首先嘗試改變DE的長(zhǎng)度，測(cè)量相應(yīng)長(zhǎng)度下的針距。通過(guò)建立送布機(jī)構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，利用Excel軟件強(qiáng)大的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力，即可求得不同DE長(zhǎng)度下主送布牙的軌跡。

對(duì)比3種不同長(zhǎng)度的桿長(zhǎng)DE，可得到不同的送布軌跡，桿長(zhǎng)DE微量變化，可以大幅度增加針距大小。最后對(duì)不同條件下的針距進(jìn)行分析，得出合理的技術(shù)參數(shù)。參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)人員必須掌握的一項(xiàng)實(shí)用的辦公方法。

6 結(jié) 語(yǔ)

Excel軟件的數(shù)據(jù)處理，對(duì)機(jī)械傳動(dòng)機(jī)構(gòu)的四桿機(jī)構(gòu)函數(shù)化處理，將機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)函數(shù)，縮短產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期。提高自身設(shè)計(jì)能力。辦公軟件與專業(yè)的3維軟件仿真相結(jié)合使用，相互驗(yàn)證，保證結(jié)果的準(zhǔn)確性，縮短機(jī)構(gòu)的驗(yàn)證周期，提升設(shè)自己計(jì)能力，對(duì)機(jī)械機(jī)構(gòu)有更加深刻理解。

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