工業縫紉機自動更換底線裝置的研究與應用

易朋興，杜衡，魯華南，來五星

(華中科技大學機械科學與工程學院，湖北武漢430074)

0 前言

工業縫紉機是各行各業廣泛使用的一種生產設備，其縫制出的鎖式線跡由面線和底線在機針和勾線、跳線機構的作用下相互交織形成。其中面線(又稱針線)采用大線團連續供線的方式供應，因大線團線量在5 000 m以上，連續供線時間長，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，再將梭芯裝進梭芯套中，再將梭芯套裝進旋梭中進行供線，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的生產效率，而且不利于縫紉工作的自動生產。因此，作者研制出一種可以自動更換縫紉機底線的裝置，對提高縫紉機生產效率以及實現縫紉工作的自動化至關重要。

目前國內外自動更換底線技術主要通過兩個功能模塊實現，一是對底線梭芯的抓取;二是空梭芯與備用梭芯的運輸轉移。根據實現方式，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移機構，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］，以及佛山啟創公司［4-5］提出的自動更換底線裝置。該方式可靠性高，易于實現，被廣泛采用;第二種是通過旋轉機構將備用梭芯取出并放入旋梭中，如美國的Alfred D SACCHETTI［6］提出的相應裝置。該方式可以節省縫紉機旋梭前面的空間，可用于對空間布局有特殊要求的場合;第三種是將整個旋梭連同里面的底線梭芯一起進行更換，如浙江信勝公司研制的用于珠片電腦繡機的底線自動更換裝置［7］。該方式省去了對底線梭芯的抓取，實現簡單，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更換底線裝置是作為一個輔助部分使用在集裝袋自動生產線，在空間和結構上受到一定的限制，所以綜合了上述各類型的優點，采用旋轉機構來對梭芯進行抓取和更換，更換完后，由平移機構將裝置執行部分收回到安全范圍，避免與自動生產線的工作產生干涉。

1 自動更換底線裝置功能分析與設計

1.1 更換底線工藝過程分析

目前的自動更換底線裝置都只采用了一個抓取機械手，需要先把空梭芯取出以后，再換上備用梭芯，這樣就導致了時間的浪費，效率降低。文中研制的裝置使用兩個機械手分別負責空梭芯和備用梭芯的抓取。在動作步驟上可以節省30%，在更換時間上可以降低35%，大大提高了生產效率。

如圖 1所示，自動更換底線的工藝過程是:首先機械手2夾住備用梭芯，由轉移機構將機械手1轉移到對準旋梭的位置并取出空梭芯，再由轉移機構將機械手1和機械手2的位置對調，使備用梭芯對準旋梭，然后機械手2將備用梭芯放入旋梭，同時機械手1釋放空旋梭，使其掉入回收裝置中。最后整個裝置復位。

1.2 自動更換底線裝置結構與工作原理

文中研制的自動更換底線裝置如圖2所示。裝置主要由底座、絲杠傳動部分和工作臺三部分組成。工作臺上放置更換底線的執行機構，由機械手1、機械手2、轉軸、帶座軸承和電機等組成。

圖1 自動換底線工藝流程

圖2 自動更換底線裝置

其工作原理為:裝置檢測到更換底線的信號以后，機械手2首先抓取備用梭芯;工作臺帶著執行機構向前移動到縫平機臺板前方指定位置;電機逆時針轉動90°，使機械手1對準縫紉機旋梭里的空梭芯;工作臺后移到指定位置，機械手1抓住空梭芯;工作臺再次前移，將空梭芯從旋梭中取出;接著電機朝同一方向旋轉180°，使備用梭芯對準縫紉機旋梭;工作臺后移，機械手2將備用梭芯放入旋梭中，同時機械手1將空梭芯釋放，使其落入回收裝置中;電機再次逆時針轉動90°，使兩個機械手在圓周方向復位;最后工作臺收回，回到初始位置，整個更換底線操作結束。整個動作流程如圖3所示。

圖3 自動更換底線動作流程圖

2 梭芯抓取機械手的結構設計與分析

2.1 梭芯抓取機械手設計

梭芯抓取機械手是自動更換底線裝置的關鍵部件，對梭芯進行可靠地抓取是成功更換底線的基本保障。縫紉機的底線梭芯是裝在梭芯套中，再連同梭芯套一起放進旋梭內進行供線的，其整體結構如圖4所示。因此，更換底線實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。

根據梭芯套的結構特點，設計出如圖5所示的抓取機械手。

圖4 梭芯與梭芯套

圖5 機械手結構

機械手由卡盤、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梭爪旋轉;梭爪轉動過程中將梭門掰開到60°左右的位置并夾緊。

2.2 機械手抓取力計算與仿真

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

將模型導入ANSYS中，對模型中的接觸面類型進行定義并施加約束;最后對模型進行加載［8］。機械手和梭芯套的材料都設置為結構鋼。根據所選氣缸，其最大輸入壓力為0.7 MPa，此時的氣缸施加在機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所示的應力圖和如圖7所示的變形圖。

圖6 應力圖

圖7 變形圖

仿真結果顯示，最大應力出現在杠桿軸與卡盤下表面接觸的位置，大小為168.69 MPa，大于材料的許用應力 ［τ］ ＝125 MPa(取安全系數 S ＝2［9］)。最大變形出現在杠桿末端，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，滿足設計要求，但最大應力大于材料許用應力，因此需要對氣缸的輸入壓力進行控制。為了進一步確定氣缸輸入壓力的合理范圍，選取不同壓力對應的氣缸推力對模型進行加載，得出對應的最大應力，繪制最大應力隨氣缸輸入壓力的變化曲線 (如圖8所示)。由該曲線可知，氣缸的輸入壓力應控制在0.55 MPa以下。

圖8 最大應力變化曲線

3 梭芯抓取實驗與結果分析

3.1 梭芯抓取實驗

為了驗證機械手結構設計的合理性，保證能順利將梭芯套夾住，加工出機械手樣機 (如圖9所示)，對梭芯套進行抓取。

圖9 機械手樣品

3.2 結果分析

實驗結果表明，機械手可以將梭芯套夾緊，從縫紉機旋梭中取出和放回。但抓取過程并不流暢，需要從以下兩方面問題進行改進:

(1)梭爪在摳開梭門時阻力較大，嚴重時會出現梭爪與梭門卡死的現象。需要降低梭爪表面粗糙度，并進行拋光鍍鉻處理，使其更表面光滑，防止出現卡頓、卡死現象。

(2)機械手在抓取過程中，梭芯套相對機械手會向左偏移，導致夾緊以后梭芯套與機械手的相對位置不穩定，在放入備用梭芯時會出現梭芯套與旋梭不對齊，嚴重時無法正常放入備用梭芯。需要在機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 結論

(1)在總結縫紉機自動更換底線裝置現有方法和設計的基礎上，提出了一種效率更高、耗時更短的底線更換方法。設計出了對應的自動更換底線裝置。

(2)對裝置的關鍵部件——梭芯抓取機械手的結構進行了分析，通過仿真得出了機械手驅動氣缸的輸入壓力應控制在0.55 MPa。

(3)制作出了機械手樣機，進行梭芯套抓取實驗。并根據實驗結果對機械手結構的優化提出了建議。

［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.一種電腦繡花機的自動換底線裝置.中國專利:201842963U［P］.2011-05-25.

［5］梁國杰.電腦繡花機自動換底線裝置的梭芯自動供給器.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.自動換底線珠片繡電腦繡機.中國專利:201106101Y［P］.2008-08-27.

［8］白金澤，孫秦，郭英男.應用ANSYS進行復雜結構應力分析［J］.機械科學與工程，2003，22(3):441-443.

［9］王少懷，徐東安，高紅霞，等.機械設計使用手冊［M］.北京:機械工業出版社，2009.