并排式三金片繡自動(dòng)送片裝置改進(jìn)設(shè)計(jì)與仿真分析

余為洲 周俊榮 胡晨星 劉光輝 鐘永華

摘 要：為提高三金片繡花機(jī)的工作效率，針對(duì)三金片繡送片裝置存在的實(shí)際問(wèn)題，開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)一種并排式三金片繡自動(dòng)送片裝置。通過(guò)設(shè)計(jì)出一種仿形換位機(jī)構(gòu)和可控離合機(jī)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)三個(gè)送片槽并排式布置。利用Creo三維建模軟件建立實(shí)體模型，將其導(dǎo)入ADAMS軟件中建立虛擬樣機(jī)模型進(jìn)行仿真分析，獲得了關(guān)鍵機(jī)構(gòu)的運(yùn)行參數(shù)，繪制出了機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性曲線。結(jié)果表明：該送片裝置改進(jìn)設(shè)計(jì)的機(jī)械結(jié)構(gòu)合理及可行，達(dá)到了預(yù)期的效果。

關(guān)鍵詞：并排式;三金片繡花機(jī);送片機(jī)構(gòu);改進(jìn)設(shè)計(jì);仿真分析

中圖分類號(hào)：TS941.56

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2020）02-0089-08

Abstract：To improve the work efficiency of three-layered tinsel embroidery machine， an automatic feeding mechanism of side-by-side three-layered tinsel embroidery device was designed and developed on the consideration of overcoming the problems of existing three-layered tinsel embroidery feeding mechanism.Side-by-side arrangement of three feeding grooves was realized by designing a copying transposition mechanism and a controllable clutch mechanism.A solid model was built with Creo 3D modeling software， which was imported into ADAMS software to establish a model of virtual prototype for simulation analysis.The operating parameters of key components were obtained， and component motion characteristic curve was developed.Results show that the innovated mechanical structure of the mechanism is reasonable and feasible， and achieves the desired results.

Key words：side-by-side; three-layered tinsel embroidery machine; feeding mechanism; innovative design; simulation analysis

電腦金片繡花機(jī)（又稱電腦亮片繡花機(jī)）是一種特種繡花機(jī)。它的出現(xiàn)擴(kuò)展了服裝行業(yè)傳統(tǒng)的加工工藝，解決了繡花一直只能用線的限制，使服裝的樣式變得更加豐富多彩。五彩繽紛的金片因具有獨(dú)特的裝飾效果，使金片繡服飾廣受追求個(gè)性時(shí)尚消費(fèi)者的青睞。又因?yàn)橹恍璨僮魅藛T簡(jiǎn)單地用手輔助操作，可以完成高質(zhì)量的縫制品，所以電腦金片繡花機(jī)得到廣泛應(yīng)用[1]。

目前市場(chǎng)有許多種電腦金片繡花機(jī)，根據(jù)金片裝置的安裝位置和數(shù)量不同，分為單金片、左右雙金亮片、疊加雙金片、左雙右單三金片、疊加三金片、左雙右雙四金片等6種不同的形式[2]，均能實(shí)現(xiàn)輸送一種或多種規(guī)格金片進(jìn)行刺繡。但仔細(xì)研究繡花機(jī)結(jié)構(gòu)就會(huì)發(fā)現(xiàn)，都是基于單金片送片裝置的簡(jiǎn)單衍生，即將單金片送片機(jī)構(gòu)疊加n次，每一個(gè)送片機(jī)構(gòu)輸送不同規(guī)格型號(hào)的金片，這樣就變成了一種n金片繡送片裝置[3]。圖1為傳統(tǒng)三金片繡自動(dòng)送片裝置，結(jié)構(gòu)上主要包括送片機(jī)座和安裝其上的3個(gè)送片推腳裝置、3個(gè)止回棘爪、3個(gè)金片入口和1個(gè)金片出口，以及換片裝置和切片裝置，其中送片推腳裝置包括推臂及其鉸接的推腳。3種規(guī)格不同的金片從大到小從底層往上疊置，然后從送片槽底板經(jīng)同一個(gè)出口輸出。

這種金片繡花機(jī)裝置因結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)存在缺陷，在工作過(guò)程中經(jīng)常會(huì)出現(xiàn)各種問(wèn)題，其可靠性有待進(jìn)一步提高，金片最底部的送片槽較長(zhǎng)，不同金片疊加在一起，導(dǎo)致金片在高速工作中容易堵塞送片槽，并且堵塞后清理麻煩，影響工作效率，另外裝置結(jié)構(gòu)體積也比較大。鑒于這種機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)缺陷，本文對(duì)該機(jī)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)設(shè)計(jì)，采用送片槽并排式布置的方法，設(shè)計(jì)出一種新型的并排式三金片繡自動(dòng)送片裝置，解決了高速工作中的金片容易堵塞送片槽，并且堵塞后清理麻煩的問(wèn)題，也縮小了裝置體積。

1 并排式三金片繡裝置結(jié)構(gòu)分析

金片繡是在電腦平繡機(jī)的基礎(chǔ)上加了金片裝飾物以及金片送片裝置[4]，從而可將金片刺繡在紡織品上形成美麗的圖案。一般來(lái)說(shuō)，金片繡裝置由四大部分組成，分別是升降裝置、針桿架、機(jī)座和送片裝置。該并排式三金片繡裝置也由這四大部分組成，如圖2所示。

其中，針桿架與繡花機(jī)機(jī)頭相連，針桿架內(nèi)的針桿與機(jī)座內(nèi)的旋梭配合完成織線的刺繡工作，是繡花機(jī)的主體部分[5]。送片裝置則根據(jù)針桿的運(yùn)動(dòng)狀況，以適當(dāng)?shù)墓?jié)拍將金片不斷送入刺繡位置，從而完成金片的刺繡工作[6]。升降裝置則用于送片裝置的自動(dòng)上升和下降，以便繡框的自由運(yùn)動(dòng)[7]。在這四部分當(dāng)中，所有電腦刺繡機(jī)都有針桿架和機(jī)座這兩部分，并且這些部分結(jié)構(gòu)以及控制原理都有許多的研究[8]，故在這里不做討論。

2 并排式三金片繡送片裝置改進(jìn)設(shè)計(jì)

2.1 改進(jìn)型機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)與工作示意

圖3為改進(jìn)型三金片送片裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，它主要包括以下三大部分：a）仿形步距調(diào)整機(jī)構(gòu);b）曲柄滑塊可控離合機(jī)構(gòu);c）送片槽。在這三部分中，a）、b）部分是該新型送片裝置的改進(jìn)之處和難點(diǎn)。送片槽的作用是輸出3種不同規(guī)格的金片。

該裝置設(shè)計(jì)難點(diǎn)一是要保證繡針與金片中心同心，二是在保證同心的同時(shí)能正確的切換工位，實(shí)現(xiàn)步距調(diào)整機(jī)構(gòu)和曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的聯(lián)動(dòng)。并列金片的排布方式如圖4（a）所示，因?yàn)槔C針是處于F不動(dòng)的，要繡E（G）金片，裝置的運(yùn)行軌跡是從E（G）到F，這包含了步距e和滑塊位移x兩個(gè)分動(dòng)作。這就要求仿形步距調(diào)整機(jī)構(gòu)的靠模輪廓要設(shè)計(jì)的準(zhǔn)確，曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的曲柄和連桿要設(shè)計(jì)的合理。圖4（b）

是裝置實(shí)行步距調(diào)整和切換工位的聯(lián)動(dòng)原理示意圖，假設(shè)靠模在C點(diǎn)，曲柄在A1點(diǎn)，繡F金片為裝置的初始位置，此時(shí)離合撥叉與離合接口M1相接，繡針與金片中心對(duì)齊。繡G金片時(shí)，靠模從C點(diǎn)轉(zhuǎn)動(dòng)到B點(diǎn)，步距已調(diào)整，與此同時(shí)曲柄轉(zhuǎn)動(dòng)到A2點(diǎn)，連桿帶動(dòng)滑塊和送片槽，使離合撥叉與離合接口M2相接，繡針與金片中心對(duì)齊，實(shí)現(xiàn)了步距調(diào)整與切換工位的聯(lián)動(dòng)。同理可得繡E金片時(shí)的運(yùn)動(dòng)原理。

2.2 仿形步距調(diào)整機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

圖5為仿形步距調(diào)整機(jī)構(gòu)，它由切換電機(jī)驅(qū)動(dòng)，作用是調(diào)整送片機(jī)構(gòu)的位置以達(dá)到調(diào)整步距的目的，即保證切換金片后，金片中心仍然能夠與繡針的針尖重合。

切換電機(jī)驅(qū)動(dòng)仿形靠模與靠輪接觸，從而使送片機(jī)構(gòu)根據(jù)仿形靠模輪廓調(diào)整步距，而仿形靠模的輪廓及其切換電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的角度θ決定了步距調(diào)整是否準(zhǔn)確，故設(shè)計(jì)好轉(zhuǎn)角便可以調(diào)整送片機(jī)構(gòu)位置。為了保證金片步距調(diào)整和工位切換能完全同步，在設(shè)計(jì)金片步距調(diào)整機(jī)構(gòu)時(shí)，仿形靠模和工位切換的動(dòng)力源為同一個(gè)切換電機(jī)，共用其轉(zhuǎn)子軸。

仿形靠模的輪廓曲線直接決定了送片機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)規(guī)律，靠輪與仿形靠模相切等同于一對(duì)凸輪機(jī)構(gòu)[9]。而凸輪的輪廓設(shè)計(jì)過(guò)程通常是在其他零件結(jié)構(gòu)尺寸確定的情況下，將運(yùn)動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律代入到機(jī)械結(jié)構(gòu)中進(jìn)行反求[10]。因此，在設(shè)計(jì)仿形靠模輪廓時(shí)，借鑒設(shè)計(jì)滾子從動(dòng)件凸輪機(jī)構(gòu)時(shí)的反轉(zhuǎn)法思想原理。

當(dāng)仿形靠模以等角速度繞軸心逆（順）時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，靠輪在仿形靠模的推動(dòng)下沿導(dǎo)路上、下往復(fù)移動(dòng)實(shí)現(xiàn)預(yù)期的運(yùn)動(dòng)?，F(xiàn)設(shè)想將仿形靠模和送片機(jī)構(gòu)整體以公共角速度繞軸心順（逆）時(shí)針旋轉(zhuǎn)時(shí)，顯然這時(shí)靠輪與仿形靠模之間的相對(duì)運(yùn)動(dòng)并不改變。假若仿形靠模此時(shí)固定不動(dòng)了，而靠輪將一方面隨著導(dǎo)路一起以等角速度繞仿形靠模軸心旋轉(zhuǎn)，同時(shí)一方面又按已知的運(yùn)動(dòng)規(guī)律在導(dǎo)路中反復(fù)相對(duì)移動(dòng)，這樣即可用作圖法繪制出仿形靠模的輪廓。

實(shí)際上，在該步距調(diào)整機(jī)構(gòu)中，靠輪是固定不動(dòng)的，當(dāng)仿形靠模以等角速度繞其軸心旋轉(zhuǎn)時(shí)，其自身會(huì)帶著送片機(jī)構(gòu)按已知的運(yùn)動(dòng)規(guī)律反復(fù)相對(duì)移動(dòng)。鑒于仿形靠模的主要作用是為了限制三個(gè)固定的點(diǎn)位置，在此忽略靠輪的具體運(yùn)動(dòng)路徑，只需保證到達(dá)的點(diǎn)位置準(zhǔn)確即可。

不失一般性，假設(shè)進(jìn)行刺繡的3種金片直徑分別為3、5、7 mm，如圖6所示安裝順序?yàn)椋鹤笪? mm，中位3 mm，右位5 mm。當(dāng)繡針從3 mm金片中心到5 mm金片中心時(shí)，步距為1 mm;當(dāng)繡針從3 mm金片中心到7 mm金片中心時(shí)，步距為2 mm。

根據(jù)其他結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)，在此選擇的靠輪采用內(nèi)徑5 mm、外徑14 mm的滾子軸承標(biāo)準(zhǔn)件。根據(jù)空間限制，仿形靠模的外形輪廓設(shè)計(jì)為16 mm。仿形靠模的基圓半徑為2倍的切換電機(jī)轉(zhuǎn)子軸，即為5 mm。假設(shè)繡針在中位（靠模與靠輪也處于中位），此時(shí)靠輪中心軸與仿形靠模的中心距為12 mm，設(shè)為i，如圖7（a）;當(dāng)仿形靠模順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)45°，靠輪中心軸與仿形靠模的中心距為i+1，即13 mm;當(dāng)切換電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)45°，靠輪中心軸與仿形靠模中心距為i+2，即14 mm。以O(shè)點(diǎn)為圓心，分別畫(huà)與OA成±45°的兩條射線OB、OC。再以O(shè)點(diǎn)為圓心，以12、13、14 mm為半徑分別畫(huà)圓交于射線OA、OB、OC于P點(diǎn)、M點(diǎn)、N點(diǎn)，再分別以P點(diǎn)、M點(diǎn)、N點(diǎn)為圓心畫(huà)直徑為14 mm的圓，分別交射線OA、OB、OC于G、F、E點(diǎn)，這3點(diǎn)即是需要保障的3個(gè)限位點(diǎn)。然后再以O(shè)點(diǎn)為圓心，以16 mm為直徑畫(huà)圓，將其仿形靠模表面設(shè)計(jì)為卡槽型，其余部位平滑連接即可，如圖7（b）所示。

2.3 曲柄滑塊可控離合機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)

圖8為曲柄滑塊可控離合機(jī)構(gòu)，三維模型如圖8（a）所示，因?yàn)椴煌鄬?duì)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的滑塊位移沒(méi)有影響[11]。為了簡(jiǎn)便分析及計(jì)算，將偏置曲柄滑塊機(jī)構(gòu)（如圖8（b））等價(jià)為對(duì)心曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，如圖8（c）所示。

該曲柄滑塊可控離合機(jī)構(gòu)由切換電機(jī)驅(qū)動(dòng)，作用是實(shí)現(xiàn)3種不同工位的切換。如圖8（c）所示，切換電機(jī)驅(qū)動(dòng)曲柄連桿，連桿帶動(dòng)滑塊繼而帶動(dòng)離合接口。當(dāng)滑塊處于A位置時(shí)，離合接口A1與離合撥叉D相接觸，此時(shí)工位處于中位;當(dāng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)處于B位置時(shí)，離合接口C1與離合撥叉D相接觸，此時(shí)工位處于左位;當(dāng)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)處于C位置時(shí)，離合接口B1與離合撥叉D相接觸，此時(shí)工位處于右位。

通過(guò)分析，不難得出滑塊運(yùn)動(dòng)位移x與偏心轉(zhuǎn)角θ的關(guān)系為：

x=L2-d2-L2-（dcosθ）2+dsinθ（1）

根據(jù)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)，已知偏心轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)過(guò)45°時(shí)，滑塊運(yùn)動(dòng)位移為7.0 mm，故取x=7.0，θ=45°，給定若干個(gè)L參考值，代入式（1）中，運(yùn)用Matlab編程迭代計(jì)算，可得到連桿長(zhǎng)度L與偏心軸長(zhǎng)度d的關(guān)系曲線，如圖9所示。

從圖9可以看出，在位移和轉(zhuǎn)角一定時(shí)，連桿L與偏心軸長(zhǎng)度d幾乎成線性正比關(guān)系，鑒于結(jié)構(gòu)空間限制，在此取其連桿L的長(zhǎng)度為19.5 mm，可以得出偏心軸長(zhǎng)度d的值為9 mm。

3 并排式三金片繡送片裝置工作原理

如圖10所示，金片繡裝置左、中、右3個(gè)送片槽安放的金片直徑依次為7、3、5 mm。

假設(shè)金片繡裝置處于中位3 mm時(shí)為初始狀態(tài)，此時(shí)中位離合接口與離合撥叉接觸，靠輪與仿形靠模中位接觸，繡針針尖與3 mm金片中心對(duì)齊。送片電機(jī)帶動(dòng)輸出軸順時(shí)針（從右側(cè)看向送片電機(jī)）旋轉(zhuǎn)一定的角度，從而帶動(dòng)離合撥叉順時(shí)針也旋轉(zhuǎn)一定角度，離合撥叉帶動(dòng)離合接口一端的推進(jìn)爪向后移動(dòng)，連接在離合接口上的拉簧被拉伸;然后拉簧復(fù)位，離合接口逆時(shí)針旋轉(zhuǎn)一定角度，將離合接口一端的推進(jìn)爪向前推移，將3 mm金片推出至繡針下停止，等待繡針將金片繡在紡織物上，與此同時(shí)縫紉桿下降，縫紉桿上的凸臺(tái)壓下切刀將金片切下;縫紉桿上升后，切刀通過(guò)切刀軸彈簧復(fù)位，至此完成一個(gè)金片的刺繡。循環(huán)往復(fù)進(jìn)行這個(gè)工作狀態(tài)，就能不斷輸送3 mm金片到繡針下工作，直至不需要該中工位3 mm金片時(shí)，切換電機(jī)切換到另一種工位進(jìn)行工作。