周俊榮， 江 勵(lì)

(五邑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 廣東 江門 529020)

電腦繡花機(jī)是一種電腦控制系統(tǒng)與繡花機(jī)械的有機(jī)結(jié)合，可刺繡出各種美麗圖案的機(jī)電一體化紡織設(shè)備。我國繡花機(jī)生產(chǎn)是從20世紀(jì)90年代開始逐步發(fā)展起來的，到2016年底已占據(jù)市場總額的85%左右；但產(chǎn)品大多是參照國外機(jī)型而研制生產(chǎn)的普通平繡機(jī)器，產(chǎn)品精度、質(zhì)量以及可繡制的花色品種與國外先進(jìn)機(jī)型相比還有較大差距，特別是圖案具有很強(qiáng)立體感的鏈目毛巾繡，基本上被國外公司所壟斷[1]。對于高端特種繡花機(jī)的關(guān)健零部件，國外廠商均設(shè)有專利保護(hù)，很難進(jìn)行模仿制造。隨著社會(huì)的進(jìn)步和勞動(dòng)力成本的提高，要求刺繡設(shè)備速度更快，精度更高，噪聲更低。目前國內(nèi)鏈目毛巾繡電腦繡花機(jī)的主軸速度只能達(dá)650 r/min左右，刺繡效率難以滿足當(dāng)前市場的需求。當(dāng)主軸速度提高到1 000 r/min以上時(shí)，會(huì)明顯出現(xiàn)斷線率上升、噪聲和振動(dòng)變大等問題，甚至?xí)l(fā)生機(jī)構(gòu)卡死等事故[2]。實(shí)踐證明原機(jī)械結(jié)構(gòu)已不能適應(yīng)高速機(jī)的發(fā)展。

本文在分析傳統(tǒng)繡花機(jī)機(jī)頭機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特性的基礎(chǔ)上，對其機(jī)頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計(jì)，將槽型凸輪機(jī)構(gòu)改為帶預(yù)緊彈簧的盤形凸輪機(jī)構(gòu)，并對凸輪輪廓曲線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。然后在ADAMS環(huán)境下，對優(yōu)化前后針桿機(jī)構(gòu)的受力情況進(jìn)行仿真分析，并在主軸轉(zhuǎn)速超過1 000 r/min的情況下，對繡花機(jī)橫梁進(jìn)行了振動(dòng)測試實(shí)驗(yàn)以驗(yàn)證機(jī)構(gòu)優(yōu)化后的效果。優(yōu)化后的機(jī)構(gòu)在繡花機(jī)高速刺繡的情況下，仍能保持較低的振動(dòng)噪聲和斷線率。

1 現(xiàn)有電腦繡花機(jī)結(jié)構(gòu)分析

機(jī)頭部分是電腦繡花機(jī)最為核心的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，電腦繡花機(jī)的振動(dòng)和噪聲主要來源于機(jī)頭。

分析電腦繡花機(jī)機(jī)頭機(jī)械結(jié)構(gòu)不難發(fā)現(xiàn)，其主要包括4部分，如圖1所示。1)針桿機(jī)構(gòu)。其主要作用是攜帶線料在布料間上下穿梭，以實(shí)現(xiàn)繡花工作，實(shí)現(xiàn)其上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)是凸輪連桿機(jī)構(gòu)。2)機(jī)殼。其主要作用是固定和連接繡花機(jī)機(jī)頭。3)護(hù)嘴機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)的執(zhí)行元件包裹住針桿，通過其與針桿相互配合的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)繡出具有立體質(zhì)感的花色品種，實(shí)現(xiàn)其上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)也是凸輪連桿機(jī)構(gòu)。4)壓腳機(jī)構(gòu)。其主要作用是當(dāng)針桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行布料刺繡時(shí)壓住布料，使布料不能隨繡針一起向上移動(dòng)，當(dāng)針桿完成一次布料刺繡時(shí)則向上抬起，以便布料可以前后移動(dòng)進(jìn)行花樣刺繡，實(shí)現(xiàn)其上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)仍是凸輪連桿機(jī)構(gòu)。

圖1 電腦繡花機(jī)機(jī)頭Fig.1 Head of computerized embroidery machine. (a) Object of embroidery machine head; (b) 3-D Model of head

從以上分析可知，電腦繡花機(jī)機(jī)頭主要作用是按照一定的時(shí)序?qū)崿F(xiàn)針桿機(jī)構(gòu)、護(hù)嘴機(jī)構(gòu)和壓腳機(jī)構(gòu)的上下運(yùn)動(dòng)[3-5]，而實(shí)現(xiàn)這些運(yùn)動(dòng)的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)均為凸輪連桿機(jī)構(gòu)。本文選擇其中最為典型的針桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的分析和研究，如圖2所示。

圖2 針桿機(jī)構(gòu)Fig.2 Needle bar mechanism. (a) Model of needle bar mechanism; (b) Sketch of needle-bar mechanism

如圖2所示，該機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)原理是：槽型凸輪1轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)滾子2在其槽內(nèi)運(yùn)動(dòng)并推動(dòng)連桿3繞B點(diǎn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，而滑塊5則在連桿3的驅(qū)動(dòng)下上下運(yùn)動(dòng)并帶動(dòng)針桿6上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。設(shè)驅(qū)動(dòng)連桿3與y軸的夾角為θ1，滑塊連桿4與y軸的夾角為θ2，OB與y軸的夾角為θ，由幾何關(guān)系可得出針桿上下運(yùn)動(dòng)位移的表達(dá)式

Y=LBCcosθ1+LCDcosθ2+c

(1)

當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，∠OBA會(huì)跟隨凸輪的轉(zhuǎn)動(dòng)發(fā)生變化，若用δ來表述凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)量，則ψ(δ)可描述凸輪輸入使得∠OBA的變化，則：

θ1=θ-(∠ABC-ψ(δ))

(2)

(3)

式中：a為凸輪中心O到B點(diǎn)距離在x軸上的投影；b為凸輪中心O到D點(diǎn)距離在x軸上的投影；c為滾子中心A到B點(diǎn)距離在y軸上約投影。將式(2)、(3)代入式(1)中便可得到凸輪輸入與針桿運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。將該繡花機(jī)機(jī)頭尺寸參數(shù)代入式(1)中，最終可得凸輪轉(zhuǎn)角與針桿位移曲線關(guān)系。

將該曲線對時(shí)間求2次導(dǎo)數(shù)，可得凸輪轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時(shí)，凸輪轉(zhuǎn)角與針桿加速度曲線關(guān)系圖，如圖3所示。

圖3 針桿機(jī)構(gòu)加速度曲線Fig.3 Acceleration curve of needle bar mechanism

通過上文對電腦繡花機(jī)機(jī)頭機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有機(jī)器存在以下問題：

1)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)不合理。以針桿機(jī)構(gòu)為例，實(shí)現(xiàn)其上下運(yùn)動(dòng)的主要機(jī)構(gòu)為槽型凸輪連桿機(jī)構(gòu)，滾子被限制在槽內(nèi)以便和凸輪充分接觸。該機(jī)械結(jié)構(gòu)在理論上雖然沒有問題，但對加工和裝配精度要求很高。當(dāng)制造能力達(dá)不到要求時(shí)容易導(dǎo)致凸輪和滾子間有接觸間隙，而該間隙則是高速時(shí)產(chǎn)生過大噪聲和振動(dòng)的主要原因之一。此外，即使制造精度足夠高，凸輪與滾子在長期運(yùn)轉(zhuǎn)過程中也會(huì)產(chǎn)生磨損，使得接觸間隙逐漸變大，從而影響繡花機(jī)的高速性能[6-7]。

2)凸輪機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)曲線設(shè)計(jì)不合理。從圖3可看到，該凸輪機(jī)構(gòu)在凸輪轉(zhuǎn)角為90°和270°附近時(shí)針桿運(yùn)動(dòng)加速度出現(xiàn)明顯的突變。這種突變會(huì)帶來柔性沖擊力，在低速時(shí)此沖擊力的大小和頻率還不高，但在高速時(shí)，該沖擊力的大小和頻率會(huì)變得很大，成為另一個(gè)產(chǎn)生過大噪聲和振動(dòng)的主要原因。

2 電腦繡花機(jī)優(yōu)化設(shè)計(jì)

針對現(xiàn)有電腦繡花機(jī)存在的問題，在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)滿足如下要求：1)優(yōu)化凸輪連桿機(jī)械結(jié)構(gòu)，解決凸輪與滾子之間的間隙問題，并能夠自動(dòng)調(diào)節(jié)由于磨損而產(chǎn)生的間隙。2)優(yōu)化凸輪輪廓曲線，解決運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)加速度不連續(xù)的問題，減小柔性沖擊力所產(chǎn)生的噪聲和振動(dòng)的影響。

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)上述第1點(diǎn)要求，首先需要改變凸輪機(jī)構(gòu)的傳動(dòng)方式。采用帶預(yù)緊彈簧的盤形凸輪機(jī)構(gòu)是一個(gè)很好的選擇，如圖4所示。一方面該方案大大降低了制造和裝配精度的要求；另一方面彈簧所提供的預(yù)緊力可方便地自動(dòng)調(diào)節(jié)磨損所帶來的接觸間隙。

圖4 優(yōu)化后的針桿機(jī)構(gòu)Fig.4 Optimized needle bar mechanism. (a) Model of optimized needle bar; (b) Sketch of optimized needle bar mechanism

在該優(yōu)化方案中，由凸輪1轉(zhuǎn)動(dòng)推動(dòng)滾子2和推桿3上下運(yùn)動(dòng)，再由推桿3、驅(qū)動(dòng)連桿5和擺動(dòng)連桿6組成的連桿結(jié)構(gòu)推動(dòng)滑塊7和固定在其上的針桿8上下運(yùn)動(dòng)。彈簧4則保證滾子2始終壓緊在凸輪1上。其中，連桿結(jié)構(gòu)形成了一個(gè)增力杠桿，可以減小驅(qū)動(dòng)力矩，并調(diào)節(jié)針桿上下運(yùn)動(dòng)的行程。設(shè)驅(qū)動(dòng)連桿5與y軸夾角為θ1，擺動(dòng)連桿上邊界DE與y軸夾角為θ2，擺動(dòng)連桿下邊界EF與y軸夾角為θ3，連桿FG與y軸夾角為θ4，則由幾何關(guān)系可得出針桿上下運(yùn)動(dòng)位移的表達(dá)式

Y=a-LEFcosθ3+LFGcosθ4

(4)

當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，中心點(diǎn)O到推桿3的距離會(huì)隨之發(fā)生變化，若用L(δ)來描述凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)使得該距離的變化，則由幾何關(guān)系可得方程組

(5)

式中：a為凸輪中心O到E點(diǎn)的距離在y軸的投影；b為凸輪中心O到E點(diǎn)的距離在x軸的投影；c為凸輪中心O到針桿的距離在x軸的投影；d為凸輪中心O到C點(diǎn)的距離在x軸的投影。將方程組(5)結(jié)果代入到式(4)便可得到凸輪輸入與針桿運(yùn)動(dòng)的關(guān)系。

2.2 凸輪輪廓曲線優(yōu)化

凸輪的輪廓曲線直接決定了繡花機(jī)機(jī)頭的運(yùn)動(dòng)規(guī)律；而凸輪的輪廓設(shè)計(jì)過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，故凸輪的輪廓曲線設(shè)計(jì)實(shí)質(zhì)上就是運(yùn)動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律的設(shè)計(jì)。本文將通過對針桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律的分析來優(yōu)化針桿凸輪的輪廓曲線。

一般來說，運(yùn)動(dòng)件的運(yùn)動(dòng)規(guī)律包括等速運(yùn)動(dòng)規(guī)律、等加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律、簡諧運(yùn)動(dòng)規(guī)律、樣條曲線運(yùn)動(dòng)規(guī)律、擺線運(yùn)動(dòng)規(guī)律等。在進(jìn)行運(yùn)動(dòng)規(guī)律設(shè)計(jì)時(shí)主要關(guān)注以下幾個(gè)關(guān)鍵參數(shù)：

1)最大無量綱速度VM。VM值越小，凸輪的基圓半徑也就越小，從而可以實(shí)現(xiàn)減小凸輪機(jī)構(gòu)尺寸的目的；因此，在設(shè)計(jì)時(shí)，應(yīng)優(yōu)先選擇VM值較小的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

2)最大無量綱加速度AM。加速度越大，慣性力也就越大，慣性力過大會(huì)加劇構(gòu)件的磨損，因此，在中、高速凸輪機(jī)構(gòu)中，通常優(yōu)先選擇AM較小的運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

3)最大無量綱躍度JM。減小躍度的幅值有利于機(jī)構(gòu)的工作平穩(wěn)性，因此，應(yīng)控制JM值不超過某一個(gè)值，并且值越小越好。

4)最大無量綱轉(zhuǎn)矩TM。在高速凸輪機(jī)構(gòu)中，慣性負(fù)荷決定了施加在凸輪上的輸入扭矩大小，因此，為了減小凸輪軸的轉(zhuǎn)矩、降低電動(dòng)機(jī)的功率，應(yīng)選用TM值較小的從動(dòng)件運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

對于繡花機(jī)來說，它是一個(gè)典型的高速低載系統(tǒng)，高次樣條曲線運(yùn)動(dòng)規(guī)律和擺線運(yùn)動(dòng)規(guī)律都具備躍度連續(xù)、無沖擊的特點(diǎn)，符合系統(tǒng)的要求，但考慮到這2種運(yùn)動(dòng)規(guī)律在高速運(yùn)動(dòng)時(shí)速度波動(dòng)較大，本文選用擺線運(yùn)動(dòng)和等加速運(yùn)動(dòng)的組合運(yùn)動(dòng)規(guī)律，采用5段銜接：1) 擺線加速段，δ∈[0,φ/8]；2) 等加速度段，δ∈[φ/8,3φ/8]；3) 擺線運(yùn)動(dòng)段，δ∈[3φ/8,5φ/8]；4) 等減速段，δ∈[5φ/8,7φ/8]；5) 擺線減速段，δ∈[7φ/8,φ]。式中φ為凸輪推桿行程的相位角。它能夠在速度沒有太大波動(dòng)的前提下保證加速段連續(xù)，如式(6)～(10)所示。

1)擺線加速段：

(6)

2)等加速段：

(7)

3)擺線運(yùn)動(dòng)段：

(8)

4)等減速段：

(9)

5)擺線減速段：

(10)

式中：A,V,S分別描述針桿運(yùn)動(dòng)的加速度、速度和位置；Ca,C1,C2，…，C11均為待求參數(shù)。若用h代表針桿的行程，則該組合運(yùn)動(dòng)規(guī)律的邊界條件可總結(jié)為：δ=0時(shí)，A=0，V=0，S=0；δ=φ時(shí)，A=0，V=0，S=h；中間銜接點(diǎn)，A,V,S連續(xù)。

將上述邊界條件代入到式(6)～(10)中，便可求解Ca,C1,C2，…，C11，最終得出針桿的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線。圖5示出優(yōu)化前后的針桿運(yùn)動(dòng)曲線。

圖5 針桿運(yùn)動(dòng)曲線優(yōu)化前后對比圖Fig.5 Comparison of motion curves of needle rod before and after optimization. (a) Displacement curves; b) Velocity curves; (c) Acceleration curves

對比圖5中的曲線可看到：優(yōu)化后的針桿運(yùn)動(dòng)速度曲線更加圓滑，最大無量綱速度VM顯著減小；而加速度曲線更為平緩，最大無量綱加速度AM顯著減??；在凸輪轉(zhuǎn)角為90°和270°附近時(shí)，加速度曲線連續(xù)，最大無量綱躍度JM幅值大為減小。這些均反映出優(yōu)化后針桿運(yùn)動(dòng)規(guī)律得到了改善。

3 仿真及實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

為對電腦繡花機(jī)優(yōu)化改進(jìn)后的效果進(jìn)行驗(yàn)證，本文分別進(jìn)行了在ADAMS環(huán)境下的動(dòng)力學(xué)仿真和真實(shí)工況下的振動(dòng)測試實(shí)驗(yàn)。

3.1 ADAMS環(huán)境下的動(dòng)力學(xué)仿真驗(yàn)證

老款繡花機(jī)在高速情況下產(chǎn)生過大振動(dòng)和噪聲的主要原因可以歸結(jié)為機(jī)構(gòu)內(nèi)部在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)產(chǎn)生過大的沖擊力。通過ADAMS環(huán)境下的仿真，可以在高速運(yùn)轉(zhuǎn)工況下對優(yōu)化前和優(yōu)化后的內(nèi)部受力情況進(jìn)行對比仿真，從而對電腦繡花機(jī)的優(yōu)化效果進(jìn)行驗(yàn)證。圖6示出針桿機(jī)構(gòu)受力分析虛擬樣機(jī)。

圖6 針桿機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)Fig.6 Virtual prototype of needle rod mechanism

對于高速運(yùn)動(dòng)的機(jī)械設(shè)備來說，易產(chǎn)生沖擊振動(dòng)的地方無疑是發(fā)生在具有相對運(yùn)動(dòng)關(guān)系且相互作用力不斷變化的零件之間。對針桿機(jī)構(gòu)而言，驅(qū)動(dòng)連桿5和擺動(dòng)連桿6(對照圖4)的鉸接處是需要關(guān)注的地方。本文在凸輪高速(1 000 r/min)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，對優(yōu)化前和優(yōu)化后此處的受力情況進(jìn)行仿真對比，如圖7所示。

圖7 優(yōu)化前后鉸鏈的受力對比圖Fig.7 Comparison force of hinge before and after optimization

從圖7可看出，通過對凸輪輪廓曲線的優(yōu)化，該處鉸鏈在豎直方向受力情況有了明顯的改善。首先其受力的最大值由43.8 N減小到18.1 N；其次，原本在0.012 s和0.047 s時(shí)會(huì)出現(xiàn)由43.8 N到-37.5 N的柔性沖擊，經(jīng)過優(yōu)化后，此處的沖擊力也大為減少。

3.2 高速繡花機(jī)振動(dòng)測試驗(yàn)證

由于電腦繡花機(jī)的機(jī)頭、線架都布置在橫梁上，因此，橫梁的振動(dòng)大小可直接反映出繡花機(jī)機(jī)頭的振動(dòng)大小。相關(guān)的計(jì)算和實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明，電腦繡花機(jī)橫梁的振動(dòng)是影響其斷線率和工作效率的最主要的原因，而且由于繡花機(jī)橫梁處的振動(dòng)更加便于測量；故本文對優(yōu)化后繡花機(jī)的振動(dòng)測試集中于其橫梁處[8-10]。實(shí)驗(yàn)過程如圖8所示。

圖8 振動(dòng)測試方法示意圖Fig.8 Schematic diagram of vibration test method

測試過程中，將主軸轉(zhuǎn)速分別開到1 100 r/min和1 200 r/min，測試點(diǎn)布置在20頭繡花機(jī)橫梁的中間位置，采樣頻率設(shè)置為2 500 Hz，采樣時(shí)間為2 s。最終，得到的測試數(shù)據(jù)如圖9所示。將實(shí)驗(yàn)測得的波形數(shù)據(jù)輸入到MatLab中，并進(jìn)行2次積分，便可得到橫梁的振動(dòng)位移曲線，如圖10所示。

圖9 振動(dòng)測試實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)Fig.9 Experimental data of vibration test

圖10 橫梁振動(dòng)位移曲線Fig.10 Displacement curves of crossbeam vibration

由圖10可看出，橫梁在主軸轉(zhuǎn)速分別為1 100、1 200 r/min時(shí)，其振動(dòng)最大位移分別為0.0 022、0.013 mm。該振動(dòng)范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于繡花機(jī)的誤差允許范圍[-0.1 mm，0.1 mm]，證明了優(yōu)化后的高速繡花機(jī)機(jī)頭在噪聲振動(dòng)的降低上有著良好的效果。同時(shí)，將該改進(jìn)產(chǎn)品應(yīng)用于生產(chǎn)，在實(shí)際使用過程中，斷線率小于1次/2萬針，噪聲小于85 dB，得到了用戶的好評(píng)。

4 結(jié) 論

針對傳統(tǒng)繡花機(jī)在主軸轉(zhuǎn)速超過1 000 r/min時(shí)會(huì)產(chǎn)生過大的振動(dòng)噪聲，并且斷線率過高的問題，對高速電腦繡花機(jī)機(jī)頭結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行分析和優(yōu)化。首先通過對傳統(tǒng)繡花機(jī)機(jī)頭機(jī)械結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)特性的分析，認(rèn)為導(dǎo)致振動(dòng)和斷線率提高的主要原因是凸輪傳動(dòng)結(jié)構(gòu)不合理。然后設(shè)計(jì)了一種帶預(yù)緊彈簧的盤形凸輪機(jī)構(gòu)取代了原有的槽型凸輪機(jī)構(gòu)，并對凸輪輪廓曲線進(jìn)行了優(yōu)化。最后分別通過在ADAMS環(huán)境下對針桿機(jī)構(gòu)的受力仿真和繡花機(jī)橫梁在高轉(zhuǎn)速下的振動(dòng)測試實(shí)驗(yàn)對優(yōu)化的效果進(jìn)行了驗(yàn)證。結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)方案，優(yōu)化后的方案在高速情況下機(jī)器可保證較低的振動(dòng)噪聲和斷線率。

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