易朋興，杜衡，魯華南，來五星

(華中科技大學(xué)機(jī)械科學(xué)與工程學(xué)院，湖北武漢430074)

0 前言

工業(yè)縫紉機(jī)是各行各業(yè)廣泛使用的一種生產(chǎn)設(shè)備，其縫制出的鎖式線跡由面線和底線在機(jī)針和勾線、跳線機(jī)構(gòu)的作用下相互交織形成。其中面線(又稱針線)采用大線團(tuán)連續(xù)供線的方式供應(yīng)，因大線團(tuán)線量在5 000 m以上，連續(xù)供線時(shí)間長，更換頻率小，一般每班只更換一次。而底線 (又稱梭線)采用梭芯供線的方式，將底線繞在梭芯上，再將梭芯裝進(jìn)梭芯套中，再將梭芯套裝進(jìn)旋梭中進(jìn)行供線，由于梭芯尺寸較小，每次只能裝入幾十米的底線，所以每隔15～20 min就必須手工更換底線。這樣不僅大大降低了縫紉機(jī)的生產(chǎn)效率，而且不利于縫紉工作的自動(dòng)生產(chǎn)。因此，作者研制出一種可以自動(dòng)更換縫紉機(jī)底線的裝置，對(duì)提高縫紉機(jī)生產(chǎn)效率以及實(shí)現(xiàn)縫紉工作的自動(dòng)化至關(guān)重要。

目前國內(nèi)外自動(dòng)更換底線技術(shù)主要通過兩個(gè)功能模塊實(shí)現(xiàn)，一是對(duì)底線梭芯的抓取;二是空梭芯與備用梭芯的運(yùn)輸轉(zhuǎn)移。根據(jù)實(shí)現(xiàn)方式，可分為3種類型:第一種是將空梭芯取出后通過水平或豎直布置的平移轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)，將備用梭芯換上，如美國的Raymond SCISLAK［1］、Raymond D SWANEY［2］和日本的 SATORU SUZUKI［3］，以及佛山啟創(chuàng)公司［4-5］提出的自動(dòng)更換底線裝置。該方式可靠性高，易于實(shí)現(xiàn)，被廣泛采用;第二種是通過旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)將備用梭芯取出并放入旋梭中，如美國的Alfred D SACCHETTI［6］提出的相應(yīng)裝置。該方式可以節(jié)省縫紉機(jī)旋梭前面的空間，可用于對(duì)空間布局有特殊要求的場(chǎng)合;第三種是將整個(gè)旋梭連同里面的底線梭芯一起進(jìn)行更換，如浙江信勝公司研制的用于珠片電腦繡機(jī)的底線自動(dòng)更換裝置［7］。該方式省去了對(duì)底線梭芯的抓取，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)單，但由于更換的部件多，不適用于大量更換。

由于文中所研制的自動(dòng)更換底線裝置是作為一個(gè)輔助部分使用在集裝袋自動(dòng)生產(chǎn)線，在空間和結(jié)構(gòu)上受到一定的限制，所以綜合了上述各類型的優(yōu)點(diǎn)，采用旋轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)來對(duì)梭芯進(jìn)行抓取和更換，更換完后，由平移機(jī)構(gòu)將裝置執(zhí)行部分收回到安全范圍，避免與自動(dòng)生產(chǎn)線的工作產(chǎn)生干涉。

1 自動(dòng)更換底線裝置功能分析與設(shè)計(jì)

1.1 更換底線工藝過程分析

目前的自動(dòng)更換底線裝置都只采用了一個(gè)抓取機(jī)械手，需要先把空梭芯取出以后，再換上備用梭芯，這樣就導(dǎo)致了時(shí)間的浪費(fèi)，效率降低。文中研制的裝置使用兩個(gè)機(jī)械手分別負(fù)責(zé)空梭芯和備用梭芯的抓取。在動(dòng)作步驟上可以節(jié)省30%，在更換時(shí)間上可以降低35%，大大提高了生產(chǎn)效率。

如圖 1所示，自動(dòng)更換底線的工藝過程是:首先機(jī)械手2夾住備用梭芯，由轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)將機(jī)械手1轉(zhuǎn)移到對(duì)準(zhǔn)旋梭的位置并取出空梭芯，再由轉(zhuǎn)移機(jī)構(gòu)將機(jī)械手1和機(jī)械手2的位置對(duì)調(diào)，使備用梭芯對(duì)準(zhǔn)旋梭，然后機(jī)械手2將備用梭芯放入旋梭，同時(shí)機(jī)械手1釋放空旋梭，使其掉入回收裝置中。最后整個(gè)裝置復(fù)位。

1.2 自動(dòng)更換底線裝置結(jié)構(gòu)與工作原理

文中研制的自動(dòng)更換底線裝置如圖2所示。裝置主要由底座、絲杠傳動(dòng)部分和工作臺(tái)三部分組成。工作臺(tái)上放置更換底線的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，由機(jī)械手1、機(jī)械手2、轉(zhuǎn)軸、帶座軸承和電機(jī)等組成。

圖1 自動(dòng)換底線工藝流程

圖2 自動(dòng)更換底線裝置

其工作原理為:裝置檢測(cè)到更換底線的信號(hào)以后，機(jī)械手2首先抓取備用梭芯;工作臺(tái)帶著執(zhí)行機(jī)構(gòu)向前移動(dòng)到縫平機(jī)臺(tái)板前方指定位置;電機(jī)逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°，使機(jī)械手1對(duì)準(zhǔn)縫紉機(jī)旋梭里的空梭芯;工作臺(tái)后移到指定位置，機(jī)械手1抓住空梭芯;工作臺(tái)再次前移，將空梭芯從旋梭中取出;接著電機(jī)朝同一方向旋轉(zhuǎn)180°，使備用梭芯對(duì)準(zhǔn)縫紉機(jī)旋梭;工作臺(tái)后移，機(jī)械手2將備用梭芯放入旋梭中，同時(shí)機(jī)械手1將空梭芯釋放，使其落入回收裝置中;電機(jī)再次逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)90°，使兩個(gè)機(jī)械手在圓周方向復(fù)位;最后工作臺(tái)收回，回到初始位置，整個(gè)更換底線操作結(jié)束。整個(gè)動(dòng)作流程如圖3所示。

圖3 自動(dòng)更換底線動(dòng)作流程圖

2 梭芯抓取機(jī)械手的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與分析

2.1 梭芯抓取機(jī)械手設(shè)計(jì)

梭芯抓取機(jī)械手是自動(dòng)更換底線裝置的關(guān)鍵部件，對(duì)梭芯進(jìn)行可靠地抓取是成功更換底線的基本保障?？p紉機(jī)的底線梭芯是裝在梭芯套中，再連同梭芯套一起放進(jìn)旋梭內(nèi)進(jìn)行供線的，其整體結(jié)構(gòu)如圖4所示。因此，更換底線實(shí)際上是將裝有梭芯的梭芯套一起更換。要將梭芯套從旋梭中取出，須先將梭門掰開到60°左右(如圖4所示位置)，才能將梭芯套沿旋梭軸線方向取出來。

根據(jù)梭芯套的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)出如圖5所示的抓取機(jī)械手。

圖4 梭芯與梭芯套

圖5 機(jī)械手結(jié)構(gòu)

機(jī)械手由卡盤、梭爪、杠桿、頂桿、氣缸等部分組成。其工作原理是:卡盤將梭芯套的頂面抵住;由氣缸通過杠桿推動(dòng)梭爪旋轉(zhuǎn);梭爪轉(zhuǎn)動(dòng)過程中將梭門掰開到60°左右的位置并夾緊。

2.2 機(jī)械手抓取力計(jì)算與仿真

為了確定機(jī)械手夾緊梭芯套以后，二者的應(yīng)力和變形情況，確定氣缸輸入壓力的合理范圍，避免因氣缸推力過大而對(duì)機(jī)械手或梭芯套造成破壞，利用ANSYS對(duì)機(jī)械手夾緊梭芯套后的模型進(jìn)行有限元仿真分析。

將模型導(dǎo)入ANSYS中，對(duì)模型中的接觸面類型進(jìn)行定義并施加約束;最后對(duì)模型進(jìn)行加載［8］。機(jī)械手和梭芯套的材料都設(shè)置為結(jié)構(gòu)鋼。根據(jù)所選氣缸，其最大輸入壓力為0.7 MPa，此時(shí)的氣缸施加在機(jī)械手杠桿上的最大推力為103.39 N。首先考慮此極限情況，將最大推力施加到模型中，得到如圖6所示的應(yīng)力圖和如圖7所示的變形圖。

圖6 應(yīng)力圖

圖7 變形圖

仿真結(jié)果顯示，最大應(yīng)力出現(xiàn)在杠桿軸與卡盤下表面接觸的位置，大小為168.69 MPa，大于材料的許用應(yīng)力 ［τ］ ＝125 MPa(取安全系數(shù) S ＝2［9］)。最大變形出現(xiàn)在杠桿末端，其值為0.115 3 mm。在氣缸輸入壓力取最大的情況下，模型的最大變形較小，滿足設(shè)計(jì)要求，但最大應(yīng)力大于材料許用應(yīng)力，因此需要對(duì)氣缸的輸入壓力進(jìn)行控制。為了進(jìn)一步確定氣缸輸入壓力的合理范圍，選取不同壓力對(duì)應(yīng)的氣缸推力對(duì)模型進(jìn)行加載，得出對(duì)應(yīng)的最大應(yīng)力，繪制最大應(yīng)力隨氣缸輸入壓力的變化曲線 (如圖8所示)。由該曲線可知，氣缸的輸入壓力應(yīng)控制在0.55 MPa以下。

圖8 最大應(yīng)力變化曲線

3 梭芯抓取實(shí)驗(yàn)與結(jié)果分析

3.1 梭芯抓取實(shí)驗(yàn)

為了驗(yàn)證機(jī)械手結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)的合理性，保證能順利將梭芯套夾住，加工出機(jī)械手樣機(jī) (如圖9所示)，對(duì)梭芯套進(jìn)行抓取。

圖9 機(jī)械手樣品

3.2 結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，機(jī)械手可以將梭芯套夾緊，從縫紉機(jī)旋梭中取出和放回。但抓取過程并不流暢，需要從以下兩方面問題進(jìn)行改進(jìn):

(1)梭爪在摳開梭門時(shí)阻力較大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)出現(xiàn)梭爪與梭門卡死的現(xiàn)象。需要降低梭爪表面粗糙度，并進(jìn)行拋光鍍鉻處理，使其更表面光滑，防止出現(xiàn)卡頓、卡死現(xiàn)象。

(2)機(jī)械手在抓取過程中，梭芯套相對(duì)機(jī)械手會(huì)向左偏移，導(dǎo)致夾緊以后梭芯套與機(jī)械手的相對(duì)位置不穩(wěn)定，在放入備用梭芯時(shí)會(huì)出現(xiàn)梭芯套與旋梭不對(duì)齊，嚴(yán)重時(shí)無法正常放入備用梭芯。需要在機(jī)械手上與梭芯套接觸的地方 (除梭爪)增加一層橡膠、泡沫等增大摩擦的材料。

4 結(jié)論

(1)在總結(jié)縫紉機(jī)自動(dòng)更換底線裝置現(xiàn)有方法和設(shè)計(jì)的基礎(chǔ)上，提出了一種效率更高、耗時(shí)更短的底線更換方法。設(shè)計(jì)出了對(duì)應(yīng)的自動(dòng)更換底線裝置。

(2)對(duì)裝置的關(guān)鍵部件——梭芯抓取機(jī)械手的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了分析，通過仿真得出了機(jī)械手驅(qū)動(dòng)氣缸的輸入壓力應(yīng)控制在0.55 MPa。

(3)制作出了機(jī)械手樣機(jī)，進(jìn)行梭芯套抓取實(shí)驗(yàn)。并根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)機(jī)械手結(jié)構(gòu)的優(yōu)化提出了建議。

［1］CISLAK Raymond S.Automatic Bobbin Changer and Apparatus for a Sewing Machine.United States Patent:4223618［P］.1980-09-23.

［2］ SWANEY Raymond D.Automatic Bobbin Changer and Method.United States Patent:6286444B1［P］.2001-09-11.

［3］SUZUKI Satoru，OHASHI Isao，OKAMOTO Takuya.Bobbin Changer Apparatus for Sewing Machine［P］.United States Patent:2008/0011213A1，2008-01-17.

［4］梁國杰.一種電腦繡花機(jī)的自動(dòng)換底線裝置.中國專利:201842963U［P］.2011-05-25.

［5］梁國杰.電腦繡花機(jī)自動(dòng)換底線裝置的梭芯自動(dòng)供給器.中國專利:202047250U［P］.2011-11-23.

［6］SACCHETTIAlfred D.Automatic Color Bobbin Changer.U-nited States Patent:4186677［P］.1980-02-05.

［7］王海江.自動(dòng)換底線珠片繡電腦繡機(jī).中國專利:201106101Y［P］.2008-08-27.

［8］白金澤，孫秦，郭英男.應(yīng)用ANSYS進(jìn)行復(fù)雜結(jié)構(gòu)應(yīng)力分析［J］.機(jī)械科學(xué)與工程，2003，22(3):441-443.

［9］王少懷，徐東安，高紅霞，等.機(jī)械設(shè)計(jì)使用手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009.