宣海楓 張蓉蓉 林鋒 呂榕 李劍敏 袁嚴(yán)浩翰

DOI： 10.19398j.att.202307020

摘? 要：多頭刺繡機(jī)機(jī)架為大跨距橫梁結(jié)構(gòu)，機(jī)頭為偏心凸輪機(jī)構(gòu)，在高速工況下常激發(fā)出強(qiáng)烈振動(dòng)，影響刺繡產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量。為了解決多頭刺繡機(jī)橫梁的振動(dòng)問(wèn)題，通過(guò)多體動(dòng)力學(xué)分析和有限元分析，提出了多頭電腦刺繡機(jī)超靜定橫梁機(jī)架的概念。通過(guò)機(jī)頭兩側(cè)配置半圓柱形平衡塊，降低機(jī)頭運(yùn)行的慣性力，減小內(nèi)部激勵(lì)；采用超靜定梁的設(shè)計(jì)理念，對(duì)橫梁的約束進(jìn)行加強(qiáng)，降低橫梁的振幅，改善振動(dòng)周期。與目前市場(chǎng)上多個(gè)機(jī)架減振方案對(duì)比，文章提出的超靜定梁的振動(dòng)幅值具有明顯優(yōu)勢(shì)，橫梁振動(dòng)周期發(fā)生明顯變化，擺脫了機(jī)頭運(yùn)行帶來(lái)的周期性沖擊影響，從而大幅度減少由于刺繡機(jī)機(jī)頭高速運(yùn)轉(zhuǎn)而導(dǎo)致的大跨距橫梁振動(dòng)問(wèn)題，有利于提高刺繡機(jī)高速運(yùn)轉(zhuǎn)下的工藝精度。

關(guān)鍵詞：刺繡機(jī)；大跨距橫梁；超靜定梁；有限元；抑振；周期性負(fù)載

中圖分類號(hào)：TH113.1

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

文章編號(hào)：1009-265X（2024）06-0070-10

收稿日期：20230713

網(wǎng)絡(luò)出版日期：20231220

作者簡(jiǎn)介：宣海楓（1989—），男，浙江紹興人，中級(jí)工程師，碩士，主要從事機(jī)械動(dòng)力學(xué)與機(jī)械零部件可靠性方面的研究。

通信作者：李劍敏，E-mail：ljmzrz@163.com

電腦刺繡機(jī)是裝飾用縫紉機(jī)行業(yè)的主要成員，廣泛應(yīng)用于各類裝飾花樣的縫制，如服裝標(biāo)志、裝飾圖案的生產(chǎn)，在紡織服裝行業(yè)具有十分重要的地位?；谛袠I(yè)對(duì)電腦刺繡的市場(chǎng)需求，多頭刺繡機(jī)的刺繡機(jī)頭達(dá)到20多個(gè)，所配備橫梁長(zhǎng)度最長(zhǎng)超過(guò)20 m。在如此大跨距橫梁上，數(shù)十個(gè)高速運(yùn)轉(zhuǎn)的偏心結(jié)構(gòu)的機(jī)頭帶來(lái)了較大的振動(dòng)與變形，對(duì)刺繡產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量影響較大。為實(shí)現(xiàn)刺繡品的高效生產(chǎn)，需繼續(xù)增加刺繡機(jī)頭、加長(zhǎng)橫梁、提高機(jī)器的轉(zhuǎn)速，但這會(huì)增大橫梁振動(dòng)和變形，進(jìn)一步降低轉(zhuǎn)速，導(dǎo)致生產(chǎn)效率下降［1-2］。針對(duì)以上矛盾，楊志剛等［3］采用橫梁中間加裝彈性阻尼裝置的方式，將橫梁最大振動(dòng)幅值下降到2 mm左右，但振動(dòng)幅值依然較大。林建龍等［4］和趙罘等［5］通過(guò)改變橫梁兩端固定方式和增加橡膠減振器的方式，通過(guò)實(shí)際測(cè)量發(fā)現(xiàn)，降低振幅達(dá)到50%左右，但沒(méi)有消除橫梁振動(dòng)對(duì)機(jī)架振動(dòng)的抑制，沒(méi)能從根本上解決該問(wèn)題。此外，還有孫斌等［6］、羅智文等［7］和白皛等［8］都提出了不同的設(shè)計(jì)方案和改善措施，雖然具有一定的抑制效果，但是都沒(méi)有徹底解決刺繡機(jī)大跨距橫梁的振動(dòng)問(wèn)題，振動(dòng)幅值依然較大，對(duì)刺繡縫制的品質(zhì)影響沒(méi)有徹底消除。

本文根據(jù)設(shè)備現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種多頭刺繡機(jī)超靜定橫梁機(jī)架。以某多頭刺繡機(jī)為研究對(duì)象，根據(jù)其生產(chǎn)尺寸，通過(guò)ADAMS機(jī)頭動(dòng)力學(xué)分析和ANSYS瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，計(jì)算得到橫梁上節(jié)點(diǎn)最大振動(dòng)幅值。與目前市場(chǎng)上多個(gè)機(jī)架模型進(jìn)行分析對(duì)比，以驗(yàn)證本文設(shè)計(jì)的超靜定大跨距橫梁機(jī)架在抑振方面的優(yōu)越性。

1? 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化

目前，市場(chǎng)上刺繡機(jī)機(jī)架，是通過(guò)各種槽鋼和管材焊接而成，支撐機(jī)頭的結(jié)構(gòu)為橫梁。本文以某18頭刺繡機(jī)為研究對(duì)象。該型刺繡機(jī)機(jī)架橫梁，是一根長(zhǎng)10 m左右，截面為400 mm×400 mm×12 mm的方鋼，橫跨在機(jī)架上方，兩端通過(guò)螺栓和焊接的方式固定，正面均勻排布著18個(gè)刺繡機(jī)頭，能在一根長(zhǎng)軸的驅(qū)動(dòng)下同步運(yùn)行，底部采用各類鋼管焊接而成，整體概況，如圖1所示。

橫梁上所有刺繡機(jī)頭，通過(guò)一根主軸帶動(dòng)機(jī)針上下運(yùn)動(dòng)。其中，運(yùn)動(dòng)部件是四連桿-滑塊機(jī)構(gòu)，如圖2所示。在高速運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，刺繡機(jī)頭內(nèi)部的刺繡連桿機(jī)構(gòu)產(chǎn)生較大的慣性力，并作用在機(jī)架橫梁上。機(jī)頭與機(jī)架采購(gòu)三個(gè)螺栓固定連接，設(shè)機(jī)頭對(duì)橫梁的作用點(diǎn)為A點(diǎn)，作用力大小為Fy′和Fz′，扭矩m′，作用在機(jī)頭與橫梁連接處，可以等效成橫梁中心的Fy、Fz和扭矩m，等效情況如圖3所示。等效關(guān)系如式（1）所示：

∑FBy=Fy′+Fy=0

∑FBz=Fz′+Fz=0

∑MB=m+L3·Fz′2-Fy′·L1+m′=0（1）

根據(jù)機(jī)架整體排布情況，大跨距橫梁兩端固定，C、D兩點(diǎn)為機(jī)頭開始和結(jié)束固定位置，各機(jī)頭間距為500 mm，由于機(jī)頭采用一根軸全部帶動(dòng)，因此在每個(gè)機(jī)頭的位置，機(jī)頭對(duì)橫梁的作用，都等效于作用力大小Fy′、Fz′、扭矩m′。綜上所述，圖1機(jī)架模型可簡(jiǎn)化成如圖4所示的梁結(jié)構(gòu)。

Joint（1）.曲柄與機(jī)殼旋轉(zhuǎn)副；Joint（2）.曲柄與大連桿旋轉(zhuǎn)副；

Joint（3）.三眼連桿與機(jī)殼旋轉(zhuǎn)副；Joint（4）.大連桿與三眼連桿

旋轉(zhuǎn)副；Joint（5）.小連桿與三眼連桿旋轉(zhuǎn)副；Joint（6）.小連桿與

驅(qū)動(dòng)滑塊旋轉(zhuǎn)副；Joint（7）.驅(qū)動(dòng)滑塊與機(jī)殼移動(dòng)副；Joint（8）.針

桿與機(jī)殼移動(dòng)副；Joint（9）.針桿與驅(qū)動(dòng)滑塊接觸副

通過(guò)匯總發(fā)現(xiàn)，該類大跨距橫梁豎直方向的剛度和水平方向的剛度相差較大，導(dǎo)致大跨距橫梁在受到循環(huán)運(yùn)動(dòng)載荷作用時(shí)，橫梁豎直方向的最大振動(dòng)幅值遠(yuǎn)大于水平方向的最大振動(dòng)幅值。鑒于水平方向的振動(dòng)對(duì)縫制品質(zhì)影響較小，因此本文重點(diǎn)研究橫梁豎直方向上的振動(dòng)。

2? 機(jī)頭運(yùn)動(dòng)仿真和優(yōu)化

本文刺繡機(jī)配備的機(jī)頭刺料連桿機(jī)構(gòu)和定義的運(yùn)動(dòng)副，如圖2所示。刺料機(jī)構(gòu)對(duì)橫梁的作用力Fy′和Fz′，可通過(guò)ADAMS軟件動(dòng)力學(xué)仿真計(jì)算得到［9］。由于只考慮橫梁豎直方向的振動(dòng)作用力，本文只優(yōu)化機(jī)殼對(duì)橫梁豎直方向上的作用力Fz′。在某恒定轉(zhuǎn)速下，作用力Fz′大小，與主軸旋轉(zhuǎn)速度成正比，可通過(guò)添加旋轉(zhuǎn)平衡塊的方式，得到最小值。平衡塊最優(yōu)形狀尺寸與轉(zhuǎn)速無(wú)關(guān)［10］，由此可得，只需確定平衡塊的具體尺寸和安裝位置即可。

本文采用鐵質(zhì)的半圓柱形的平衡塊結(jié)構(gòu)，保持內(nèi)側(cè)半徑7.5 mm和長(zhǎng)度30.0 mm尺寸不變，以外徑為變量。根據(jù)圖2，定義其余各部件之間的配合關(guān)系。各零部件，根據(jù)實(shí)際使用的材料，進(jìn)行屬性定義，并添加重力加速度9.8 kg·m/s2。最后，在Joint（1）上添加Motion1，并按要求輸入轉(zhuǎn)速。

當(dāng)轉(zhuǎn)速為0 r/min時(shí)，通過(guò)仿真結(jié)果，導(dǎo)出該轉(zhuǎn)速下測(cè)得的機(jī)殼受到的y方向的支撐力，如圖5所示。通過(guò)測(cè)量得到的力與機(jī)殼實(shí)際重量基本一致，符合設(shè)計(jì)要求。

通過(guò)ADAMS運(yùn)動(dòng)仿真計(jì)算，檢測(cè)得到機(jī)殼對(duì)橫梁豎直方向上的作用力Fz′?；谝陨戏治?，本文考慮在不同轉(zhuǎn)速下，計(jì)算得到Fz′隨時(shí)間變化的測(cè)量值，經(jīng)數(shù)據(jù)導(dǎo)出，去除異常點(diǎn)數(shù)據(jù)后，提取出Fz′最大值，匯總?cè)绫?所示。觀察得到，在不同轉(zhuǎn)速下，F(xiàn)z′的最優(yōu)均值出現(xiàn)時(shí)，平衡塊半徑都為25.5 mm，符合設(shè)計(jì)思路。

設(shè)定主軸轉(zhuǎn)速為1000 r/min，平衡塊半徑為25.5 mm，用ADAMS軟件仿真，導(dǎo)出支反力Fz′隨時(shí)間變化的數(shù)據(jù)，去除計(jì)算異常點(diǎn)后，提取出最大值，匯總得到平衡塊安裝角度與最大支反力Fz′的關(guān)系如圖6所示結(jié)果，平衡塊安裝角度與最大支反力Fz′關(guān)系曲線如圖7所示。觀察圖7可以得到，最適合的安裝角度為310°，即平衡塊水平旋轉(zhuǎn)310°［11-13］。

根據(jù)ADAMS運(yùn)動(dòng)優(yōu)化分析結(jié)果，需添加外側(cè)半徑25.5 mm，內(nèi)側(cè)半徑7.5 mm，長(zhǎng)30.0 mm的半圓柱形平衡塊2個(gè)，分別安裝在機(jī)頭左右兩側(cè)，安裝角度為310°。

基于以上機(jī)頭結(jié)構(gòu)、安裝優(yōu)化，設(shè)定主軸轉(zhuǎn)速為2000 r/min，仿真0.12 s，進(jìn)行動(dòng)力學(xué)仿真分析。根據(jù)作用力與反作用力的原理，刺繡機(jī)頭對(duì)橫梁的作用力大小，即為刺繡機(jī)頭對(duì)橫梁作用力的反向，通過(guò)measure測(cè)得機(jī)殼固定約束副，沿X軸和Y軸方向的力，隨時(shí)間變化曲線如圖8所示，ADAMS檢測(cè)到機(jī)頭對(duì)橫梁X、Y方向的作用力，如圖9、圖10所示，導(dǎo)出運(yùn)動(dòng)數(shù)據(jù)，并去除異常時(shí)間節(jié)點(diǎn)數(shù)據(jù)后取反，即可得到單個(gè)機(jī)頭對(duì)橫梁的沿X方向和沿Y方向的

作用力。通過(guò)圖9、圖10在可以再次確認(rèn)機(jī)頭內(nèi)部連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)行時(shí)，豎直方向的振動(dòng)作用力較大，且水平方向作用力和數(shù)值方向作用力都呈現(xiàn)周期性變化，豎直方向作用力周期性更明顯，而水平方向受雖有波動(dòng)，但受到的作用力波動(dòng)相對(duì)較小。

3? 橫梁的結(jié)構(gòu)分析

本文研究對(duì)象的多頭刺繡機(jī)，其機(jī)架主要參數(shù)，如表2所示，計(jì)算該型機(jī)架在機(jī)頭作用力作用下的最大振動(dòng)幅值，出現(xiàn)在橫梁上的具體位置。

由圖3可知，整根橫梁扭矩平衡，橫梁沿坐標(biāo)X方向［14］：

mA-18m′+mB=0（2）

由于橫梁兩端固定，所以兩端的相對(duì)扭轉(zhuǎn)角為0，即：

φAB=0，φAC+φCD+φDB=0（3）

代入

TA=mA，TB=-mB，

得：

mAlACGIP1-m′lCDGIP1×18+mAlDBGIP1=0（4）

A、B點(diǎn)的力平衡和彎矩平衡方程，可用式（5）表示：

mA=18 m′（lCD+lDB）（lDB+lAC）

mB=18 m′（lAC-lCD）（lDB+lAC）（5）

FA+FB=18FZ+mg

∑MA=18×lAC×FZ+L×153×FZ+mg2×L4

=0

∑MB=18×lAC×FZ+L×153×FZ+mg2×L4

=0（6）

求解可得：

FA=mg2+8.6052×FZ

FB=mg2+9.3948×FZ（7）

在豎直方向上，可得剪力：

Q=FA-（nx+1）×FZ-xL4mg（8）

式中：nx表示在節(jié)點(diǎn)x處靠A點(diǎn)方向的機(jī)頭個(gè)數(shù)。

根據(jù)剪力與彎矩的關(guān)系可知，當(dāng)剪力Q=0時(shí)，彎矩出現(xiàn)拐點(diǎn)。根據(jù)本文簡(jiǎn)化的橫梁模型以及載荷可得，該模型橫梁上當(dāng)剪力Q=0時(shí)，彎矩達(dá)到最大值，對(duì)應(yīng)節(jié)點(diǎn)的撓度也達(dá)到最大值，由此可得x的位置為：

x=L4×12-FZ（nx-7.6052）mg（9）

通過(guò)觀察圖6可知，當(dāng)主軸轉(zhuǎn)速n≤2000 r/min時(shí)，F(xiàn)Z遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于橫梁重量mg，根據(jù)式（9）可得：x≈L4/2。由此可知，在橫梁中間節(jié)點(diǎn)處，當(dāng)彎矩達(dá)到峰值時(shí)，對(duì)應(yīng)該處的節(jié)點(diǎn)撓度也達(dá)到最大，只需對(duì)比該處節(jié)點(diǎn)在載荷作用下的撓度值，即可判定該類機(jī)架模型的優(yōu)良。

4? 機(jī)架橫梁原型瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析

本文對(duì)橫梁進(jìn)行有限元瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)仿真分析，采用ANSYS軟件建立有限元模型。機(jī)架整體采用鋼架結(jié)構(gòu)，材料性質(zhì)如表2所示。根據(jù)機(jī)構(gòu)造型，計(jì)算采用Solid186單元［15］，結(jié)構(gòu)單元網(wǎng)格全部用6面體劃分，普通刺繡機(jī)大跨距橫梁機(jī)架模型（無(wú)背包、支撐等任何加固結(jié)構(gòu)），共劃分77232個(gè)單元，157042個(gè)節(jié)點(diǎn)，各橫梁支架采用焊接單元連接，添加機(jī)頭對(duì)橫梁的瞬態(tài)載荷曲線，并添加重力加速度。機(jī)架各橫梁之間定義焊接連接單元，底板與地面定義固定連接，并添加垂直向下的重力加速度9.8 kg·m/s2，在橫梁固定機(jī)架的機(jī)頭固定板上添加圖9和圖10所示的作用力，最終效果如圖11所示。

分析完成后，沿橫梁上方左側(cè)節(jié)點(diǎn)到橫梁中間，依次選擇節(jié)點(diǎn)，提取各節(jié)點(diǎn)隨時(shí)間變化的水平方向上的位移，如圖12所示。

通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，水平方向位移很小，幾乎對(duì)刺繡品質(zhì)無(wú)影響，因此驗(yàn)證了之前無(wú)需考慮該方向的假設(shè)，而豎直方向上的位移會(huì)隨著節(jié)點(diǎn)位置的變化，發(fā)生較大的變化，如圖13所示，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)時(shí)的應(yīng)力分布，如圖14所示。

通過(guò)理論公式（1）—（8）的計(jì)算可得橫梁上豎直方向最大位移為2.4 mm，與有限元計(jì)算得到的最大值2.2 mm非常接近。同時(shí)，提取t=0.036s時(shí)，沿橫梁長(zhǎng)度方向上各節(jié)點(diǎn)的豎直方向上的位移分布，如圖15所示。通過(guò)觀察發(fā)現(xiàn)，沿橫梁長(zhǎng)度方向的撓度變化和本文第3部分理論論述的相一致。橫梁中心節(jié)點(diǎn)的位移只需對(duì)比該處節(jié)點(diǎn)在載荷作用下的撓度值，即可判定該類機(jī)架模型的優(yōu)良相符合。

通過(guò)理論論證，通過(guò)ADAMS動(dòng)力學(xué)和有限元分析結(jié)合的方法，能有效的分析出大跨距橫梁的最大位移情況和剛度性能，該方法可行。

5? 超靜定刺繡機(jī)橫梁支架模型

為了提高多頭電腦刺繡機(jī)機(jī)架橫梁的穩(wěn)定性和剛度，來(lái)滿足刺繡所需的制造工藝精度，以某多頭電腦刺繡機(jī)機(jī)架為研究對(duì)象，建立超靜定梁的力學(xué)模型，對(duì)機(jī)架橫梁進(jìn)行受力和變形分析，確定影響主橫梁變形的主要因素。依照分析結(jié)果和對(duì)比驗(yàn)證，從而得出多頭電腦刺繡機(jī)超靜定橫梁機(jī)架的可行性和優(yōu)點(diǎn)。結(jié)果表明：通過(guò)計(jì)算結(jié)果分析，理論計(jì)算與仿真分析結(jié)果吻合，發(fā)現(xiàn)超靜定梁的最大振動(dòng)位移只有0.085 mm，振動(dòng)幅值周期的消失，完全能滿足實(shí)際生產(chǎn)要求。

5.1? 超靜定梁

超靜定梁，是由于工程需要，而多添加支點(diǎn)產(chǎn)生，導(dǎo)致橫梁受力無(wú)法通過(guò)平衡方程求解的設(shè)計(jì)。為了降低橫梁中間振動(dòng)位移，可以在梁上面發(fā)生振動(dòng)位移最大處，設(shè)置支座或者添加支撐彈力機(jī)構(gòu)，相當(dāng)于添加一個(gè)彈簧k。此時(shí)，梁的支反力數(shù)目會(huì)多于平衡方程的數(shù)目，需要多添加由于該支撐處的位移來(lái)計(jì)算［16］。該類橫梁的特點(diǎn)是中間振幅可以大幅度降低，該設(shè)計(jì)原理剛好能應(yīng)對(duì)上面提到的大跨距梁導(dǎo)致的橫梁中間振幅過(guò)大問(wèn)題，設(shè)計(jì)模型如圖16所示。

綜上所述，本文提出一種刺繡機(jī)超靜定橫梁的設(shè)計(jì)模型思路模型，用于解決該類大跨距橫梁的振動(dòng)提供解決思路和理論指導(dǎo)。根據(jù)超靜定橫梁的設(shè)計(jì)理念，刺繡機(jī)機(jī)架變成超靜定梁模型，需要在原來(lái)模型的基礎(chǔ)上，添加橫梁中間位置豎直方向支撐和水平方向支撐，用于提高橫梁整體剛度，降低固定機(jī)頭對(duì)橫梁的周期性載荷沖擊作用。

5.2? 改進(jìn)橫梁機(jī)架仿真結(jié)果

目前市場(chǎng)上流行的改進(jìn)是在橫梁后端添加3個(gè)L型背包，本文對(duì)此也進(jìn)行了有限元分析。通過(guò)有限元?jiǎng)澐志W(wǎng)格，并添加機(jī)頭隨時(shí)間變化的運(yùn)動(dòng)載荷和重力加速度，進(jìn)行ANSYS瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)分析，沿橫梁依次提取分析之后的節(jié)點(diǎn)位移。分析模型如圖17所示，共劃分79689個(gè)單元，162174個(gè)節(jié)點(diǎn)，各橫梁支架采用焊接單元連接。

分析計(jì)算完畢之后，以同樣的方法依次選擇節(jié)點(diǎn)路徑，得到這些節(jié)點(diǎn)沿豎直Z方向上隨時(shí)間變化的位移圖，如圖18所示，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)時(shí)的應(yīng)力分布圖，如圖19所示。

本文提出的超靜定機(jī)架橫梁，在機(jī)架橫梁中間分別添加水平方向和豎直方向的支撐橫梁。假設(shè)以橫梁截面為100 mm×100 mm×8 mm鋼材作為超靜定橫梁的支撐梁，根據(jù)后續(xù)計(jì)算結(jié)果可進(jìn)行適當(dāng)?shù)膬?yōu)化和改進(jìn)。長(zhǎng)度根據(jù)機(jī)架焊接位置設(shè)計(jì)，其結(jié)構(gòu)形狀如圖20所示，共劃分為94183個(gè)單元，188225個(gè)節(jié)點(diǎn)，各橫梁支架采用焊接單元連接，添加機(jī)頭對(duì)橫梁的瞬態(tài)載荷曲線，并添加重力加速度。

分析計(jì)算完畢之后，以同樣的方法依次選擇節(jié)點(diǎn)路徑，得到這些節(jié)點(diǎn)沿豎直方向上隨時(shí)間變化的位移圖，如圖21、圖22所示，最大等效應(yīng)力出現(xiàn)時(shí)的應(yīng)力分布圖，如圖23所示。

橫梁機(jī)頭固定板上，作用的水平方向載荷和豎直方向載荷，周期都為0.034 s。通過(guò)案例分析得到，最大振動(dòng)幅值處，節(jié)點(diǎn)豎直方向位移數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)，如表3所示。

通過(guò)計(jì)算結(jié)果分析，發(fā)現(xiàn)超靜定梁的振動(dòng)位移最小，只有0.085 mm，極大地提高了大跨距橫梁中間機(jī)頭的縫制品質(zhì)。模型振動(dòng)幅值周期的消失，確認(rèn)了該類超靜定橫梁的優(yōu)越性，使刺繡機(jī)機(jī)架徹底擺脫了機(jī)頭對(duì)主橫梁的周期性振動(dòng)沖擊。同時(shí)，由于支撐橫梁的原因，機(jī)架橫梁機(jī)構(gòu)最大等效應(yīng)力會(huì)升高，最高等效應(yīng)力集中分布在橫梁Z向支持的3根槽鋼上。

基于以上計(jì)算分析和安全系數(shù)1.2的考慮，該處的槽鋼屈服強(qiáng)度必須不小于545.04 MPa。因此，橫梁Z向支持的3根槽鋼可以采用中碳鍛鋼，熱處理后，用螺釘固定或焊接（部分鋼材預(yù)熱后，可焊性依然良好），或者放大槽鋼型號(hào)，即可達(dá)到設(shè)計(jì)要求［17］。

6? 結(jié)論

本文提出多頭電腦刺繡機(jī)超靜定橫梁機(jī)架的概念，并采用有限元分析方法對(duì)比得出，該機(jī)架能完全消除刺繡機(jī)大跨距橫梁的彎曲振動(dòng)問(wèn)題，使該刺繡機(jī)機(jī)架橫梁徹底擺脫了機(jī)頭周期性沖擊振動(dòng)，提高了縫制品質(zhì)。

a）通過(guò)ADAMS動(dòng)力學(xué)分析和ANSYS瞬態(tài)動(dòng)力學(xué)結(jié)合的方法，分析和求解了橫梁的振動(dòng)工況。

b）針對(duì)大跨距刺繡機(jī)橫梁的受力情況，進(jìn)行了最大位移處，節(jié)點(diǎn)振動(dòng)幅值的理論計(jì)算，并驗(yàn)證了有限元方法和理論計(jì)算方法的一致性。

c）使用ADAMS軟件，得到平衡塊最優(yōu)設(shè)計(jì)尺寸和安裝角度，大幅降低機(jī)頭運(yùn)動(dòng)對(duì)橫梁產(chǎn)生的影響。

d）設(shè)計(jì)提出的采用超靜定梁的設(shè)計(jì)思路以及理論解析結(jié)果，適用于各類有類似多載荷與大跨距的優(yōu)化設(shè)計(jì)思路，用于降低橫梁振動(dòng)問(wèn)題。

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Design of multi-head computer embroidery machines with a statically indeterminate beam

XUAN? Haifeng1，? ZHANG? Rongrong 2，? LIN? Feng 2，? L Rong3，? LI? Jianmin4，?? YUAN-YAN Haohan2

（1.Automatic Equipment Department， Hangzhou Honghua Digital Technology Stock Co.， Ltd.， Hangzhou 310000， China;

2.Quality Appraisal Department， Zhejiang Testing & Inspection Institute for Mechanical and Electrical Products

Quality Co.， Ltd.， Hangzhou 310000， China; 3.Zhejiang Zhengda Mold Co.， Ltd.， Lishui 321400， China;

4.Zhejiang Sci-Tech University's Key Laboratory of Reliability Technology for Mechanical and

Electronic Product， Hangzhou 310000， China）

Abstract：

Computer embroidery machines are the main member of the decorative sewing machine industry. They are widely used in the sewing of all kinds of decorative patterns， such as the production of clothing signs and decorative patterns， enjoying a very important position in the textile and garment industry.

The multi-head embroidery machine frame features a large-span crossbeam structure， and its machine head incorporates an eccentric cam mechanism. Operating at high speeds， this setup frequently produces significant vibrations， thereby impacting the quality and production output of embroidered products. In response to the vibration challenges associated with the crossbeam in the multi-head embroidery machine， the concept of statically indeterminate crossbeam frame of multi-head computer embroidery machine was put forward through multi-body dynamic analysis and finite element analysis. By installing semi-cylindrical balance blocks on both sides of the machine head， the inertia force of the machine head's movement was reduced， and internal excitations were minimized. The design concept of a statically indeterminate beam was employed to strengthen the constraints on the crossbeam， reduce its amplitude and improve the vibration cycle. The vibration conditions of the crossbeam were analyzed and solved through a combination of ADAMS dynamic analysis and ANSYS transient dynamic analysis. For the force situation of the large-span embroidery machine crossbeam， theoretical calculation methods for maximum displacement and nodal vibration amplitude were employed and the consistency between finite element methods and theoretical calculation methods was verified. By utilizing ADAMS software， optimal design dimensions and installation angles for the balance block were obtained， significantly reducing the impact of the machine head movement on the crossbeam. The design concept of employing a statically indeterminate beam and the theoretical analysis results proposed in the design are applicable to various optimization scenarios with similar multiple loads and large spans. This approach is intended to mitigate vibration issues in crossbeams.

The result showed that compared with various frame vibration reduction schemes in the market， the statically indeterminate beam proposed in this paper can obviously optimize the vibration amplitude and vibration period， which help the cross beam to get rid of the periodic impact caused by the head operation， thus greatly reducing the vibration problem of the long-span cross beam of the multi-head embroidery machine under the high-speed operation. This study has certain significance for improving the process accuracy of embroidery machine under high speed operation.

Keywords：

embroidery machine; long span beam; statically indeterminate beams; finite element; suppression; cyclic load