李 晶 楊茜寧 付 璋 石偉琪 戴 鑫

（西安工程大學，陜西西安，710048）

復合材料縫合技術是指采用縫合線使多層織物連接成準三維立體織物或使分離的多塊織物連接成整體結構的技術［1］?？p合技術主要具備以下特點：可設計性強；縫合對原有纖維分布影響較小；縫合線可承受大部分載荷，可以顯著提高復合材料層間性能；可高度自動化；裝配工藝優(yōu)異［2］?？p合線不僅要求具有高強度、一定的可延伸性和耐磨損性，而且其性能不能受復合材料固化的影響。縫合常用的縫合線有碳纖維線，玻璃纖維和滌綸等。碳纖維具有比強度、比模量高，耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導電、傳熱和熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異性能，但碳纖維本身耐磨性較差，絲束間的抱合力較弱［3］。以碳纖維織物為增強體的碳纖維增強復合材料作為21世紀新材料領域中先進的高科技產品，廣泛應用于航空航天、建筑材料、文化體育器材、交通及醫(yī)療等領域［4］。國產碳纖維的生產正處在起步階段，在質量上同國外產品相比有一定的差異。由于國產碳纖維在織造過程中存在易起毛、易黏連、易斷頭等問題，給國產碳纖維織造技術提出了新課題。為解決傳統(tǒng)工藝流程不適合碳纖維織布問題，以及碳纖維在層疊碳布加工過程中出現(xiàn)的起毛、斷線問題［5-6］，運用機械設計理論設計一套適用于碳纖維層疊布縫制的輔助機構，能配合縫針完成縫紉工作，保持縫紉的連貫性［7-8］?；谌S建模軟件對改進機構進行三維建模、裝配，利用其機構模塊對改進機構進行速度與加速度分析，以達到降低斷線率、提升層疊碳布生產效率的目的。

1 輔助機構設計

1.1 機構設計方案

機構設計基本要求：設計輔助機構解決線與布的摩擦斷線問題以及縫紉線張力過大的問題。當使用碳纖維線縫紉時，縫紉線處于無張力或極小張力狀態(tài)；縫紉線跡3 mm，碳纖維層疊布厚度16 mm。本文設計提出以下方案：以工業(yè)縫紉機為基礎，改變縫紉機機針結構和運動方式，即采用外針包圍內針的雙針系統(tǒng)并配以松線輔助機構。

雙針系統(tǒng)的三維模型如圖1所示。它以普通工業(yè)縫紉機為基礎，針對碳纖維線易斷的問題，改良了現(xiàn)有的機針運動方式與送線方式，改良后的輔助機構主要分為雙針裝置和送線裝置。其中，雙針裝置著力解決碳纖維縫紉機在縫制過程中縫紉線與縫料之間的摩擦并且易斷線的問題，以及保證碳纖維縫紉線在縫制過程中處于無張力或極小張力狀態(tài)，外針負責刺布，內針負責送線，兩者相互配合而互不影響，有效解決了線與布的摩擦。此碳纖維縫紉輔助機構首先是改變機針，將機針變?yōu)橄嗷ヅ浜线\動內外兩針。該機構先由外針2刺破布層，再使內針3刺出外針，將線送至鷹嘴擺梭1處，這便要求內針運動晚于外針但加速度大于外針。為滿足該運動要求，此機構應含有兩套曲柄，但兩套曲柄在運動過程中會導致與其相連的兩個連桿運動發(fā)生干涉，因此，該機構將兩套曲柄集合成一套經(jīng)優(yōu)化變形后的曲柄即曲柄10，再由其相對位置確定連桿長度，使其滿足四桿機構桿長條件。其中，電機11與機架固定連接，上下曲軸均與機架固定相對位置，并使用軸承與之過度配合，保證其在電機帶動下可自由轉動，電機主軸與上曲軸12通過聯(lián)軸器同軸轉動，曲軸連桿與上、下曲軸均使用銷釘連接，可實現(xiàn)上曲軸將動力傳輸至下曲軸14，且上、下曲軸有規(guī)律配合運動，下曲軸14帶動鷹嘴擺梭1運動，上曲軸與曲柄使用簡單平鍵連接，實現(xiàn)其同軸轉動。內針連桿8、外針連桿5與曲柄10和內針夾持器7、外針夾持器6均使用銷釘連接，使其連接處為自由度是1的轉動副，連接處均可自由轉動，內針加持器7、外針夾持器6與內針連桿8、外針連桿5均為相對固定連接，以實現(xiàn)將曲柄10的周轉運動傳遞并轉化為兩針的上下往復運動。外針夾持器外滾子為一束縛縫紉線裝置，其軸與外針夾持器固定連接，其與軸可相對轉動。

圖1 雙針系統(tǒng)的三維模型

為盡量防止碳纖維縫紉線縫紉時線的張力過大而導致斷線問題，在原有工業(yè)縫紉機的基礎上增加碳纖維縫紉機輔助機構，通過放松縫紉線來解決縫紉線因張力過大導致的斷線問題。此松線輔助機構分為兩部分配合工作，一部分為撥線部分，另一部分為夾線送線部分，如圖2所示。撥線裝置運用電機提供動力使皮帶輪17轉動，皮帶輪17帶動傳動軸4轉動，一方面?zhèn)鲃虞S4將動力傳遞給齒輪9，齒輪9與齒輪8配合轉動，從而帶動圓柱凸輪7轉動，使齒條6左右往復運動，帶到撥線齒輪3，進而完成撥線裝置2的旋轉。傳動軸4將動力傳遞給齒輪9的同時又可將動力傳遞給凸輪5，凸輪5轉動使得撥線裝置2前后往復移動（前移撥線裝置旋轉實現(xiàn)繞線、放線，后移保證碳纖維縫紉線的穩(wěn)定線跡）。另一方面齒輪9與齒輪8嚙合的同時還與齒輪10嚙合使凸輪13轉動，凸輪13轉動實現(xiàn)夾線送線裝置11夾線部分前后往復移動（前移夾緊縫紉線，后移松開）。傳動軸4轉動帶動斜齒輪16使送線傳動凸輪15轉動，從而實現(xiàn)夾線送線裝置11送線部分的送線功能。

圖2 松線輔助機構的三維模型

此輔助機構位于縫紉機頭下，撥線裝置與夾線送線裝置位于縫針的前后兩側，即撥線裝置位于線跡形成一側，夾線送線裝置位于線跡形成另一側?？p紉機驅動電機帶動皮帶輪17，使縫針與兩個裝置擁有同樣的周期。兩個裝置互相配合工作放松碳纖維縫紉線，從而減小縫紉時的張力與剪切力，減小斷線率。

1.2 輔助機構運動配合

改進后的裝置，針桿機構不同于普通工業(yè)縫紉機的單針，而是新型的雙針機構，并配合輔助機構工作。縫紉機工作時，首先外針會與縫料接觸，并刺破縫料，其后內針穿過外針達到送線的目的。這樣可以有效地避免縫紉線與縫料之間的直接接觸，從而避免線與料之間的摩擦，解決縫制過程中的斷線問題。輔助機構中撥線裝置前后往復運動與往復轉動結合實現(xiàn)撥線-放線-撥線的過程。夾線送線裝置前后往復運動實現(xiàn)夾線功能，往復運動與夾線功能相互配合實現(xiàn)夾緊送線-松線回程-夾緊送線的過程，從而使縫針在進針時碳纖維線處于松弛狀態(tài)，大大減少了針孔對線的剪切作用。

輔助機構的運動循環(huán)圖如圖3所示。當內外針位于最上端時，稱為位置a；當外針剛接觸到縫料時，稱為位置b；當外針剛刺穿縫料時，稱為位置c；當外針位于最下端時，稱為位置d；當內針位于最下端時，稱為位置e。內外針由最上端位置a開始工作，到達位置b時，外針與縫料剛好接觸。到達位置c時外針刺穿縫料但并未到達最下端，之后再進針于位置d時外針到達最下端，外針并由此回針完成一個循環(huán)。外針工作的同時內針持續(xù)進針在位置e到達最下端，完成送線工作并由此回針?？p針由最上方位置b開始工作，在位置c時與縫料剛好接觸，到達位置d時縫針處于最下端?？p針由最下端位置d開始回針，到達位置f時縫料與縫針剛好分離。在此輔助機構中，各凸輪以相同的速度運動。縫針由位置a到位置d移凸輪（凸輪5）處于遠休狀態(tài)，圓柱凸輪依次完成推程、遠休、回程使撥線裝置完成繞線、放線工作。在圓柱凸輪推程結束時，轉凸輪（凸輪15）繼續(xù)進行推程，再完成遠休、回程、近休，控制夾線送線裝置完成工作。縫針由位置b到位置c時，撥線裝置與夾線送線裝置分別完成工作；當縫針到位置f時，撥線裝置與夾線送線裝置工作最終結束。雙針系統(tǒng)與輔助機構互相配合從而實現(xiàn)并解決碳纖維縫紉線的斷裂問題。

圖3 輔助機構的運動循環(huán)圖

1.3 輔助機構放松線量控制

圖4 為輔助機構對碳纖維縫紉線未放松和放松后的對比示意圖。

對輔助機構放松線量控制時，理論上可以通過控制齒輪的分度圓直徑、凸輪的推程以及改變繞線裝置的尺寸大小這三個方面來進行。在輔助機構送線時，根據(jù)碳纖維疊層布的最大厚度和縫針的行針位置來調節(jié)繞線裝置的轉動幅度以及夾線送線裝置的位移大小，使得供線量與此時的面線需求量達到一致，在整個過程中，輔助機構配合雙針系統(tǒng)進行工作。整個縫紉過程不僅避免了放松量不夠引起的斷線問題，又可以防止放松線量過大造成縫紉不牢靠的問題。

控制輔助機構放松線量時，要考慮一個線跡所需的長度（一個線跡長度為3 mm）以及碳纖維疊層布厚度（16 mm），由于勾線、引線機構及旋梭的存在，還需考慮這些裝置的需線量，即總的線量為45 mm。經(jīng)計算，送線裝置的位移量為24 mm，繞線裝置的幅度約為2π，繞線裝置轉動一周的繞線量為21 mm，所以剛好滿足45 mm的供線量需求。

2 改進針桿機構運動學分析

2.1 雙針的速度及加速度分析

為確保改進機構的動態(tài)性能，應盡量保證速度曲線光滑連續(xù)。加速度特性對機構運動的光滑性及連續(xù)性有著重要影響，加速度決定慣性力大小，其曲線的光滑性和連續(xù)性是保證機構獲得良好特性的關鍵，因此建立縫針的物理模型如圖5所示。

圖5 縫針的物理模型

雙針的速度：

式中：v為雙針機構內外針速度（mm/s）；φ1′為曲柄的角速度（rad/s）；φ1為雙針機構運動過程中曲柄與內外針運動方向的夾角（°）；φ2為內外針連桿與內外針運動方向的夾角（°）；L1為雙針機構中曲柄長度（mm）。

雙針的加速度：

式中：a為雙針機構內外針加速度（mm/s2）；φ2′為連桿的角速度（rad/s）；φ1″為曲柄角加速度（rad/s2）；L2為雙針機構中內外針連桿長度（mm）。

2.2 雙針運動規(guī)律曲線分析

利用MATLAB軟件對解析法編程處理后，得出雙針的運動規(guī)律曲線，雙針系統(tǒng)運動循環(huán)一個周期的雙針位移、速度以及加速度大小的對比如圖6、圖7和圖8所示。

圖6 雙針位移圖

圖7 雙針速度圖

圖8 雙針加速度圖

本系統(tǒng)中縫紉機雙針模型模擬市場主流工業(yè)縫紉機在標準工況下縫針轉速3 000 r/min應用場景，經(jīng)計算分析可得縫針運動周期為0.020 s。

由圖6～圖8可知，在系統(tǒng)運動周期開始時，內針的高度相較于外針高3 mm，由于內針位置較高的原因，內針的加速度大于外針，可以保證在0.004 5 s時外針刺破層疊布后內針可以獲得更高速度。隨后，在0.005 5 s和0.006 0 s時內針分別突破層疊布和外針，并于0.010 s時完成勾線動作。此時，內、外針均處于最低位，且內針的高度相較于外針低3 mm，速度均為0 mm/s，加速度均為最大值。

雙針在回程過程中與推程運動互為相反，擺梭勾線動作完成后在0.014 0 s時內針抽離層疊布、0.014 5 s時內針重回外針內部、0.015 5 s時外針抽離層疊布。最后，在0.020 s時內針和外針重回最高位，且內針的高度相較于外針高3 mm，速度均為0 mm/s。

機構改進前只有單針（相當于雙針機構的內針）運動，在縫紉過程中碳纖維縫紉線直接與層疊碳布產生摩擦，造成起毛、斷線；機構改進后為雙針機構，外針直徑大于內針，外針先于內針刺破層疊碳布，內針運動晚于外針但加速度大于外針，外針保護內針引領碳纖維縫紉線穿過縫料，這樣可以有效地避免縫紉線與縫料之間的直接接觸，再加上松線輔助機構的配合，使縫紉線與縫料之間的摩擦大大減小，解決縫制過程中的斷線問題。因此，雙針機構在內外針不斷交替的過程中縫紉變得更加平滑，縫紉效率提高了10%左右。

3 結束語

基于普通工業(yè)縫紉機的工作方式與原理，針對層疊碳布縫制工程中的斷線問題設計出縫紉機改進機構——雙針機構與松線輔助機構，兩機構與原機構配合協(xié)調工作，此雙針機構在縫紉機縫制過程中有效地避免了縫線與縫料之間的摩擦，松線輔助機構通過對縫紉過程中縫線的放松，從而降低了碳纖維縫紉線在縫制過程中的斷線率。