劉　永，武云飛，李鵬飛，王根創(chuàng)

(1.西安標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)股份有限公司，陜西 臨潼 710612；2. 西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，陜西 西安 710048；3. 中航飛機(jī)股份有限公司 西安飛機(jī)分公司五十四廠，陜西 西安 710089)

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高速工業(yè)平縫機(jī)整機(jī)驅(qū)動(dòng)性能優(yōu)化

劉永1，武云飛2，李鵬飛2，王根創(chuàng)3

(1.西安標(biāo)準(zhǔn)工業(yè)股份有限公司，陜西 臨潼 710612；2. 西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院，陜西 西安 710048；3. 中航飛機(jī)股份有限公司 西安飛機(jī)分公司五十四廠，陜西 西安 710089)

為了實(shí)現(xiàn)高速工業(yè)平縫機(jī)節(jié)能降噪和綠色制造的需求，對(duì)其整機(jī)驅(qū)動(dòng)性能進(jìn)行優(yōu)化. 在整機(jī)各組成機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)態(tài)靜力分析基礎(chǔ)上，選取桿件的質(zhì)量參數(shù)作為設(shè)計(jì)變量，采用序列二次規(guī)劃多目標(biāo)優(yōu)化算法對(duì)整機(jī)振動(dòng)力和振動(dòng)力矩進(jìn)行優(yōu)化. 仿真結(jié)果表明：整機(jī)機(jī)構(gòu)的性能優(yōu)化效果優(yōu)于傳統(tǒng)的單獨(dú)優(yōu)化各組成機(jī)構(gòu)性能的效果，有效改善了整機(jī)的驅(qū)動(dòng)性能和振動(dòng)特性.

高速工業(yè)平縫機(jī)；整機(jī)驅(qū)動(dòng)性能；多目標(biāo)優(yōu)化；動(dòng)態(tài)靜力分析

高速工業(yè)平縫機(jī)作為服裝、鞋業(yè)和箱包、家具制造行業(yè)主要的生產(chǎn)制造裝備，其工作轉(zhuǎn)速已達(dá)到4 500～6 000r/min. 在高速運(yùn)行時(shí)，平縫機(jī)的驅(qū)動(dòng)耗能增加，振動(dòng)特性急劇惡化，導(dǎo)致縫紉質(zhì)量下降，零件磨損加劇，使用壽命減少. 如何有效地減小平縫機(jī)驅(qū)動(dòng)能耗，降低其振動(dòng)噪聲，具有十分重要的意義. 許多學(xué)者對(duì)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)力和振動(dòng)力矩優(yōu)化進(jìn)行了研究.文獻(xiàn)[1]通過二級(jí)阿蘇爾桿組對(duì)四桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)平衡優(yōu)化，以減小振動(dòng)力和振動(dòng)力矩.文獻(xiàn)[2]對(duì)高速工業(yè)平縫機(jī)挑線刺布機(jī)構(gòu)的構(gòu)件質(zhì)量、質(zhì)心位置等參數(shù)進(jìn)行動(dòng)平衡優(yōu)化設(shè)計(jì)，有效改善了整機(jī)動(dòng)態(tài)性能.文獻(xiàn)[3]討論了多項(xiàng)式微分求解四桿機(jī)構(gòu)振動(dòng)力和振動(dòng)力矩的方法.文獻(xiàn)[4]提出了以振動(dòng)響應(yīng)最適均值為目標(biāo)函數(shù)的機(jī)構(gòu)動(dòng)平衡優(yōu)化方法.文獻(xiàn)[5]基于復(fù)數(shù)矢量法和機(jī)構(gòu)環(huán)路方程，以一類平面六桿機(jī)構(gòu)的慣性力諧波分量的均方根值為目標(biāo)函數(shù)，進(jìn)行了機(jī)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì).文獻(xiàn)[6]對(duì)連桿挑線機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，根據(jù)遺傳算法得出連桿挑線機(jī)構(gòu)收線角最小的最優(yōu)設(shè)計(jì)變量.文獻(xiàn)[7]對(duì)刺布挑線機(jī)構(gòu)進(jìn)行了動(dòng)力學(xué)分析，通過改變構(gòu)件的質(zhì)心坐標(biāo)位置及質(zhì)量等參數(shù)來實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)慣性力的最佳平衡.目前，對(duì)于平縫機(jī)整機(jī)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)性能的優(yōu)化和研究文獻(xiàn)并不多見.

平縫機(jī)主要由刺布、旋梭、挑線、送布、供油、針距調(diào)節(jié)六大機(jī)構(gòu)構(gòu)成. 挑線刺布和送布機(jī)構(gòu)是影響整機(jī)性能的主要工作機(jī)構(gòu).本研究將挑線刺布機(jī)構(gòu)和送布機(jī)構(gòu)作為整體，對(duì)全局坐標(biāo)系下兩個(gè)方向的振動(dòng)力及振動(dòng)力矩進(jìn)行多目標(biāo)優(yōu)化，以達(dá)到更好地減小驅(qū)動(dòng)能耗，降低振動(dòng)的目的，滿足綠色生產(chǎn)的要求.

1　整機(jī)機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)靜力分析

圖1為挑線刺布與送布機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖.以電機(jī)相連處的上軸圓心為原點(diǎn)建立坐標(biāo)系，X軸平行于臺(tái)板平面，且垂直于上軸軸線，Y軸垂直于臺(tái)板平面和上軸軸線. 由于坐標(biāo)系原點(diǎn)與電機(jī)軸心重合，因此折算到上軸的整機(jī)振動(dòng)力矩與振動(dòng)力的變化可以反映電機(jī)的驅(qū)動(dòng)性能.

圖1　挑線刺布與送布機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

根據(jù)機(jī)械剛體動(dòng)力學(xué)方法，作用在任意構(gòu)件i上的力與力矩平衡方程可寫為：

(1)

(2)

式中：ri、ri-1分別是坐標(biāo)零點(diǎn)到鉸鏈i與鉸鏈i-1的矢量；si是坐標(biāo)零點(diǎn)到質(zhì)心的矢量.

由式(1)、式(2)可得線性方程組：

A·R=B

(3)

式中：R為約束反力矩陣；A為約束反力系數(shù)矩陣；B為構(gòu)件慣性力(矩)和外載荷矩陣.

求解式(3)，等效到坐標(biāo)系XOY的整機(jī)機(jī)構(gòu)振動(dòng)力和振動(dòng)力矩如圖2、圖3和圖4所示.

圖2　X方向整機(jī)等效振動(dòng)力Fx

圖3　Y方向整機(jī)等效振動(dòng)力Fy

圖4　整機(jī)等效振動(dòng)力矩M

2　整機(jī)機(jī)構(gòu)優(yōu)化

2.1設(shè)計(jì)變量

在實(shí)際產(chǎn)品中，由于各組成機(jī)構(gòu)的軌跡已經(jīng)固定，因此優(yōu)化時(shí)無需改變構(gòu)件桿長(zhǎng). 經(jīng)分析，選取圖1中的參數(shù)m1、m3、m5、m7、m8、m9、r7、r8、r9、φ7、φ8、φ9作為設(shè)計(jì)變量，確定每個(gè)變量的取值范圍(表1).

2.2目標(biāo)函數(shù)

整機(jī)各組成機(jī)構(gòu)處于不同位置的等效振動(dòng)力和振動(dòng)力矩是隨時(shí)變化的，為了反映其總體水平，選取其一個(gè)周期內(nèi)的有效值作為優(yōu)化目標(biāo).

令

表1　設(shè)計(jì)變量取值范圍

(4)

(5)

(6)

式中，F(xiàn)1、F2、F3分別為上軸每轉(zhuǎn)一度所對(duì)應(yīng)等效振動(dòng)力和振動(dòng)力矩的瞬時(shí)值.

目標(biāo)函數(shù)表達(dá)式為：

f=W1F1+W2F2+W3F3

(7)

式中，Wj(j=1，2，3)為權(quán)重系數(shù).由于振動(dòng)力和振動(dòng)力矩的量綱不同，所以采用容限法確定Wj的大小. 設(shè)

αj≤Fj(x)≤βj

(8)

一般取αj=0，βj=Fj(x0)，函數(shù)Fj(x)的容限為：

(9)

那么，取權(quán)重系數(shù)為：

(10)

2.3優(yōu)化結(jié)果

采用序列二次規(guī)劃算法進(jìn)行優(yōu)化.優(yōu)化后各設(shè)計(jì)變量的值如表2所示.

表2　設(shè)計(jì)變量對(duì)比

從表2可以看出，并不是所有的構(gòu)件質(zhì)量都需要減小. 將優(yōu)化后的參數(shù)代入式(3)，等效振動(dòng)力和振動(dòng)力矩如圖5、圖6和圖7所示.

由式(4)、式(5)和式(6)計(jì)算得到的有效值如表3所示.從表3可以看出，優(yōu)化后，整機(jī)等效振動(dòng)力和力矩都得到一定程度的減小，且振動(dòng)力減小幅度較大.

圖5　整機(jī)振動(dòng)力Fx變化對(duì)比

圖6　振動(dòng)力Fy變化對(duì)比

圖7　振動(dòng)力矩M變化對(duì)比

圖8、圖9和圖10所示為各組成機(jī)構(gòu)的振動(dòng)力和振動(dòng)力矩分別優(yōu)化后，等效到整機(jī)坐標(biāo)系下的結(jié)果和對(duì)整機(jī)機(jī)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化的結(jié)果對(duì)比圖.分析可知，由于在整機(jī)機(jī)構(gòu)的振動(dòng)力和振動(dòng)力矩計(jì)算中，各組成機(jī)構(gòu)的性能會(huì)發(fā)生互相抵消或加強(qiáng)，因此，對(duì)整機(jī)機(jī)構(gòu)性能優(yōu)化的結(jié)果明顯優(yōu)于組成機(jī)構(gòu)分別優(yōu)化的結(jié)果.

表3　優(yōu)化前后振動(dòng)力(矩)有效值

圖8　振動(dòng)力Fx優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

圖9　振動(dòng)力Fy優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

圖10　振動(dòng)力矩M優(yōu)化結(jié)果對(duì)比

3　結(jié)束語

對(duì)高速工業(yè)平縫機(jī)挑線刺布機(jī)構(gòu)和送布機(jī)構(gòu)進(jìn)行動(dòng)態(tài)靜力分析，計(jì)算出整機(jī)的等效振動(dòng)力和振動(dòng)力矩. 以構(gòu)件的質(zhì)量和質(zhì)心參數(shù)為設(shè)計(jì)變量，以等效振動(dòng)力和振動(dòng)力矩最小為優(yōu)化目標(biāo)，進(jìn)行整機(jī)機(jī)構(gòu)驅(qū)動(dòng)性能的多目標(biāo)優(yōu)化. 結(jié)果表明：振動(dòng)力和振動(dòng)力矩明顯減小，有效減小了驅(qū)動(dòng)力矩和整機(jī)振動(dòng)特性，且以整機(jī)機(jī)構(gòu)為目標(biāo)優(yōu)化的效果優(yōu)于傳統(tǒng)的各組成機(jī)構(gòu)分別優(yōu)化的效果.

[1]Briot S，Arakelian V.Complete shaking force and shaking moment balancing of in-line four-bar-linkages by adding a class two RRR or RRP Assur group[J]．Mechanism and Machine Theory，2010，57(2)：13-26.

[2]李鵬飛，陳衛(wèi)寧，朱強(qiáng)．高速工業(yè)平縫機(jī)機(jī)構(gòu)動(dòng)平衡優(yōu)化設(shè)計(jì)[J]．機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2011，30(3)：448-452.

[3]Moore B，Schicho J,Gosselin C M.Determination of the complete set of shaking force and shaking moment balanced planar four-bar linkages[J]．Mechanism and Machine Theory, 2009,44(7)：1338-1347.

[4]Zhang S M，Chen J H.The optimum balance of shaking force and shaking moment of linkage[J]．Mechanism and Machine Theory，1995，30(4)：589-597.

[5]王永泉，陳花玲，孫富貴．機(jī)構(gòu)動(dòng)態(tài)優(yōu)化在工業(yè)平縫機(jī)減振中的應(yīng)用[J]．機(jī)械科學(xué)與技術(shù)，2005，24(8)：947-968.

[6]葉志剛，鄒慧君，胡松，等．工業(yè)平縫機(jī)挑線機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析和優(yōu)化綜合[J]．上海交通大學(xué)學(xué)報(bào)，2003，37(S2)：6-9.

[7]劉亞輝，楊華，周長(zhǎng)江．平縫機(jī)刺布挑線機(jī)構(gòu)的動(dòng)力學(xué)優(yōu)化[J]．噪聲與振動(dòng)控制，2013(2)：91-94，100.

Optimization for Driving Property of High-Speed-Industrial Sewing Machine

LIU Yong1,WU Yun-fei2,LI Peng-fei2, WANG Gen-chuang3

(1.Xi′an Typical Industry Co.,Ltd,Lintong 710612,China;2.School of Mechanical and Precision Instrumental Engineering, Xi′an University of Technology,Xi′an 710048,China; 3. Xi′an Aircraft Branch, AVIC Aircraft Co.,Ltd, Xi′an 710089, China)

The driving property of whole machine has been optimized to reduce electric energy consumption of high-speed-industrial sewing machine．Based on the kinematics and kineto-statics analysis of composing mechanisms，mass parameters of critical parts are chosen as design variables, and the multi-objective optimization method named as sequential-quadratic-programming strategy is applied to optimize the vibration force and moment．The simulation results indicate that the driving property of whole sewing-machine has been improved comparing with that of traditional optimal process.

high-speed-industrial sewing machine; driving property of whole machine; multi-objective optimization; kineto-static analysis

2016-05-25

劉永(1979-)，男，陜西合陽人，工程師，研究方向?yàn)榭p制機(jī)械設(shè)計(jì).

1006-3269(2016)03-0028-05

TH122

A

10.3969/j.issn.1006-3269.2016.03.006