碳纖維層疊布用縫紉機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)與三維仿真

范曉健， 李 晶， 劉紅衛(wèi)， 王善凱， 孫曉盼

(1. 西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710048； 2. 西安康本材料有限公司， 陜西 西安 710089)

碳纖維層疊布用縫紉機(jī)的改進(jìn)設(shè)計(jì)與三維仿真

范曉健1， 李 晶1， 劉紅衛(wèi)2， 王善凱1， 孫曉盼1

(1. 西安工程大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 陜西 西安 710048； 2. 西安康本材料有限公司， 陜西 西安 710089)

為有效減少碳纖維層疊布縫紉過(guò)程中的斷線問(wèn)題，改進(jìn)了用于碳纖維層疊布縫制的縫紉機(jī)。改進(jìn)的理論依據(jù)是執(zhí)行構(gòu)件叉與圓周期性地挑動(dòng)縫紉線使縫紉線放松，配合縫紉針完成縫紉工作，減少縫紉線在縫紉時(shí)的切應(yīng)力，減少縫紉過(guò)程中斷線，保持縫紉的連貫性。基于Pro/Engineer軟件對(duì)改進(jìn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模、裝配，參數(shù)化設(shè)計(jì)了改進(jìn)機(jī)構(gòu)中的齒輪、凸輪、撥線叉、撥線桿等關(guān)鍵構(gòu)件，利用其機(jī)構(gòu)模塊對(duì)改進(jìn)機(jī)構(gòu)中的執(zhí)行構(gòu)件撥線叉與撥線桿進(jìn)行位移、速度、加速度分析。結(jié)果表明，改進(jìn)機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求。改進(jìn)后機(jī)構(gòu)可降低斷線率，提高生產(chǎn)效率。

碳纖維層疊布； 縫紉機(jī)改進(jìn)設(shè)計(jì)； 三維仿真； 構(gòu)件運(yùn)動(dòng)分析

近年來(lái)，研究者應(yīng)用不同的方法加固碳纖維層疊布，有非預(yù)應(yīng)力碳纖維布加固方式，但存在應(yīng)力滯后的問(wèn)題,不能很好發(fā)揮碳纖維高強(qiáng)性能；預(yù)應(yīng)力碳纖維加固有著獨(dú)特的優(yōu)勢(shì),但對(duì)碳纖維布進(jìn)行先張拉施加預(yù)應(yīng)力再進(jìn)行粘貼又不可避免地出現(xiàn)剝離的現(xiàn)象；通過(guò)錨固或者采用U形錨固、X形錨固、纖維鉚釘、改善膠黏劑的性能均可推遲碳纖維布剝離破壞的發(fā)生,提高碳纖維布的應(yīng)力發(fā)揮程度[1-2]。但是，這些加工方法費(fèi)用高,有些層間斷裂韌性差，抗沖擊損傷容限低[3]。通過(guò)縫紉技術(shù)，對(duì)碳纖維層疊布進(jìn)行加工，可降低成本，并有效解決層間斷裂。有關(guān)縫紉技術(shù)許多學(xué)者做了相關(guān)研究，如通過(guò)線跡關(guān)系提高縫紉質(zhì)量[4]，通過(guò)化學(xué)方法提高縫合線的拉伸強(qiáng)度[5],采用高強(qiáng)玻璃纖維縫合碳纖維層疊布[6]，但縫線的材質(zhì)與碳纖維層疊布的材質(zhì)不一致，后處理會(huì)影響碳纖維層疊布的整體質(zhì)量[7]。若采用碳纖維縫線，在縫紉過(guò)程中，由于碳纖維耐沖擊性較差，易損傷，單纖維非常脆弱，剪切強(qiáng)度低[2，8]，因此，碳纖維縫紉線在縫紉過(guò)程中極易折斷[9]，嚴(yán)重影響了生產(chǎn)效率。基于此，本文結(jié)合普通工業(yè)用縫紉機(jī)特點(diǎn)，設(shè)計(jì)了適合碳纖維縫紉的縫紉機(jī)改進(jìn)機(jī)構(gòu)，運(yùn)用運(yùn)動(dòng)仿真與分析[10]，協(xié)調(diào)改進(jìn)機(jī)構(gòu)各部件的配合，降低斷線率，進(jìn)而提升生產(chǎn)效率。

1 改進(jìn)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 設(shè)計(jì)方案確定與三維仿真

設(shè)計(jì)基本要求：使用碳纖維縫紉線縫紉時(shí)，縫紉線處于無(wú)張力或極小張力狀態(tài)；縫紉線跡3 mm，碳纖維層疊布厚16 mm。

為保證碳纖維縫紉線在縫紉時(shí)處于無(wú)張力或極小張力狀態(tài)，本文設(shè)計(jì)提出以下方案：以普通工業(yè)用縫紉機(jī)為基礎(chǔ)，改進(jìn)機(jī)構(gòu)由動(dòng)力部分、傳動(dòng)機(jī)構(gòu)以及執(zhí)行機(jī)構(gòu)組成，三維模型如圖1所示。其中動(dòng)力部分由原普通工業(yè)用縫紉機(jī)電動(dòng)機(jī)負(fù)責(zé)，經(jīng)縫紉機(jī)原帶輪傳遞給改進(jìn)機(jī)構(gòu)帶輪1，帶輪1帶動(dòng)軸6轉(zhuǎn)動(dòng)，一方面，軸6帶動(dòng)轉(zhuǎn)凸輪5推動(dòng)齒條齒輪4運(yùn)動(dòng)，完成執(zhí)行機(jī)構(gòu)中構(gòu)件之一撥線叉7的旋轉(zhuǎn)(撥線叉固定在齒輪上，并與齒輪軸線重合)；另一方面，軸6通過(guò)一對(duì)圓錐齒輪3將運(yùn)動(dòng)傳遞給軸14，通過(guò)一對(duì)直齒圓柱齒輪10將軸14的動(dòng)力傳給軸9，由此分為2路：一路，軸9通過(guò)右端的移凸輪2將動(dòng)力傳給撥線桿7，完成撥線桿的前后移動(dòng)(前移撥線叉旋轉(zhuǎn)繞線、放線，后移保證縫紉線形成線跡)；另一路，軸9通過(guò)1對(duì)圓錐齒輪8將動(dòng)力傳給左側(cè)的轉(zhuǎn)凸輪11、推動(dòng)齒條輪齒13運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而完成執(zhí)行機(jī)構(gòu)中構(gòu)件之一撥線叉15旋轉(zhuǎn)(圓固定在齒輪上，并與齒輪的軸線重合)。

此改進(jìn)機(jī)構(gòu)位于縫紉機(jī)機(jī)頭下面，撥線叉與撥線桿位于縫紉針的前后側(cè)，即撥線叉在線跡形成的一側(cè)，而撥線桿在縫紉針另一側(cè)，縫紉機(jī)的電動(dòng)機(jī)帶輪驅(qū)動(dòng)改進(jìn)機(jī)構(gòu)中的帶輪1，以使其縫針與撥線叉、撥線桿擁有同樣的周期。

1.2 改進(jìn)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)配合

撥線叉做往返旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)以及前后直線運(yùn)動(dòng)，撥線桿做往返旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，縫紉針做著垂直直線運(yùn)動(dòng)。它們以縫紉針為主體，先后進(jìn)行繞線放線，撥線叉和撥線桿周期性挑動(dòng)縫紉線使縫紉線放松，利用其配合，消除縫紉過(guò)程中的過(guò)大應(yīng)力，確保縫紉的連貫性，完成縫紉工作。

圖2示出機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖。縫紉周期分為4個(gè)部分，當(dāng)縫針位于最上端時(shí)，稱(chēng)為位置a；當(dāng)縫針將要接觸到縫料時(shí)，稱(chēng)為位置b；當(dāng)縫針位于最下端時(shí)，稱(chēng)為位置c；當(dāng)縫針即將離開(kāi)縫料時(shí)，稱(chēng)為位置d。 本文以1個(gè)周期為例來(lái)分析縫針、凸輪、撥線叉以及撥線桿的配合。縫針位于最上端(位置a)時(shí)，移凸輪遠(yuǎn)休，直至位置c，接著移凸輪依次完成回程運(yùn)動(dòng)角、近休止角以及推程運(yùn)動(dòng)角，以控制撥線叉的運(yùn)動(dòng)。移凸輪是配合縫針進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，這就意味著縫針在位置c至d時(shí)，叉回到初始位置，以免影響線跡的形成。

各個(gè)凸輪軸都是勻速運(yùn)動(dòng)的，并且轉(zhuǎn)速相同，因此在相同時(shí)間內(nèi)它們轉(zhuǎn)過(guò)的角度相同。移凸輪推程結(jié)束(即撥線叉前移結(jié)束處于靜止)，有利于轉(zhuǎn)凸輪(撥線叉)依次完成推程、遠(yuǎn)休、回程以及近休，控制叉完成繞線、放線運(yùn)動(dòng)。轉(zhuǎn)凸輪(撥線叉)推程結(jié)束(即撥線叉繞線結(jié)束開(kāi)始靜止)，有利于轉(zhuǎn)凸輪依次完成推程、回程以及近休，控制撥線叉完成繞線、放線運(yùn)動(dòng)。

a至b位置處轉(zhuǎn)凸輪運(yùn)動(dòng)，撥線叉和撥線桿依次進(jìn)行繞線，其中挑線機(jī)構(gòu)也回到原位；接著撥線叉和撥線桿開(kāi)始依次放線，以不斷滿足縫針的需線量，進(jìn)而避免斷線問(wèn)題。當(dāng)縫針位于d位置處，撥線叉和撥線桿完成送線轉(zhuǎn)動(dòng)。

1.3 繞線與放線量的控制

理論上講，通過(guò)3個(gè)方面可控制繞線、放線量：控制凸輪的推程；控制齒輪的分度圓直徑；控制撥線叉、撥線桿的尺寸大小。轉(zhuǎn)凸輪推動(dòng)齒條做左右直線運(yùn)動(dòng)。在送線階段，根據(jù)縫紉機(jī)的最大縫紉厚度和針步來(lái)調(diào)節(jié)撥線叉與撥線桿的轉(zhuǎn)動(dòng)角度，進(jìn)而使得改進(jìn)機(jī)構(gòu)的供線量與此時(shí)的面線需求量相一致。其次，轉(zhuǎn)凸輪的轉(zhuǎn)角是以最大縫料厚度和針步的最大需線量值作為設(shè)計(jì)參考，使設(shè)計(jì)行程與最大需線量值相同。在收線階段，改進(jìn)機(jī)構(gòu)配合縫紉機(jī)的挑線機(jī)構(gòu)開(kāi)始工作，此時(shí)應(yīng)以設(shè)計(jì)要求厚度需線量為設(shè)計(jì)參考，保證縫線能自然、圓滑地滑過(guò)旋梭梭心套。

在縫紉瞬時(shí)，線的需求量不止1個(gè)線跡，1個(gè)線跡長(zhǎng)度為3 mm，縫料厚度為16 mm，由于旋梭的存在，勾線機(jī)構(gòu)、引線機(jī)構(gòu)總瞬時(shí)需線量將達(dá)到45 mm，故撥線叉與撥線桿作用會(huì)提前拉伸出相同的縫線長(zhǎng)度，以避免縫紉過(guò)程中由于張力過(guò)大出現(xiàn)斷線問(wèn)題。其中，撥線叉與撥線桿的轉(zhuǎn)動(dòng)量為1周，撥線叉的移動(dòng)量為移凸輪的行程距離，即15 mm，撥線叉轉(zhuǎn)1周的收線量為24 mm，撥線桿轉(zhuǎn)1周的收線量為21 mm，這就意味著在進(jìn)針時(shí)將提供45 mm的放線量，滿足45 mm的縫線需求。

2 運(yùn)動(dòng)分析

2.1 撥線叉的分析

2.1.1 撥線叉的位移及速度與角速度

為改善機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能，應(yīng)盡量保證速度曲線光滑連續(xù)。因加速度特性對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的光滑性及連續(xù)性也有著重要影響，加速度決定慣性力大小、接觸應(yīng)力高低，其曲線的光滑性和連續(xù)性是保證機(jī)構(gòu)獲得良好特性的關(guān)鍵，因此移凸輪、轉(zhuǎn)凸輪運(yùn)動(dòng)規(guī)律選用正弦加速度運(yùn)動(dòng)規(guī)律，它保證了曲線具有良好的運(yùn)動(dòng)特性。

撥線叉的位移及速度與加速度曲線如圖3所示。

由撥線叉的運(yùn)動(dòng)曲線可知：其的運(yùn)動(dòng)周期為0.2 s，對(duì)應(yīng)運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖，撥線叉在0 s到0.117 s時(shí)，位移有最大值10 mm，說(shuō)明撥線叉遠(yuǎn)離線跡，接下來(lái)?yè)芫€叉完成前移、靜止、后退的運(yùn)動(dòng)；在0.133 s和0.183 s時(shí)，速度有最大值11.70 mm/s。在0.125、0.142、0.181、0.192 s時(shí)，撥線叉加速度有最大值24.67 mm/s2。

2.1.2 撥線叉的角速度與加速度分析

撥線叉的角速度、角加速度曲線如圖4所示。由其運(yùn)動(dòng)曲線可知：在0.013 s時(shí)，開(kāi)始繞線，角速度有最大值197.06 (°)/s；在0.006、0.019 s時(shí)，角加速度有最大值394.0 (°)/s2；在0.05 s時(shí)開(kāi)始放線，這時(shí)角速度與角加速度值都不是很大，有利于放線。

2.2 撥線桿的分析

撥線桿的角速度與角加速度曲線如圖5所示。由其曲線可知：在0.037 s時(shí)，撥線桿開(kāi)始繞線，有最大角速度183.36 (°)/s；在0.031 s和0.043 s時(shí)，最大角加速度375.62 (°)/s2；之后，開(kāi)始放線，平滑、低值的角速度、加速度有利于配合縫針的運(yùn)動(dòng)。根據(jù)圖3～5可知，由于曲線光滑、連續(xù)，撥線叉、撥線桿運(yùn)動(dòng)既無(wú)剛性沖擊，也無(wú)柔性沖擊，運(yùn)轉(zhuǎn)都平穩(wěn)，有利于繞線、放線運(yùn)動(dòng)。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于普通縫紉機(jī)的工作方式與原理，本文針對(duì)縫紉過(guò)程中的斷線問(wèn)題設(shè)計(jì)出縫紉機(jī)改進(jìn)機(jī)構(gòu)。

利用Pro/Engineer建立三維模型，通過(guò)在Pro/Engineer機(jī)構(gòu)單元模塊中進(jìn)行適合的參數(shù)設(shè)置以及運(yùn)動(dòng)動(dòng)態(tài)分析，配合縫紉機(jī)工作周期變化和撥線叉、撥線桿的位置曲線變化，通過(guò)分析對(duì)比，不斷改善凸輪輪廓曲線，使得凸輪曲線滿足對(duì)縫紉線的供線收線需求。通過(guò)三維運(yùn)動(dòng)仿真，改進(jìn)機(jī)構(gòu)運(yùn)行平穩(wěn)，滿足預(yù)期設(shè)計(jì)要求。但從速度及加速度曲線來(lái)看，由于放線、收線以及與原縫紉機(jī)運(yùn)動(dòng)配合等功能需求，所以推程運(yùn)動(dòng)角小，加速度最大值較大，因此還需進(jìn)一步研究。該改進(jìn)機(jī)構(gòu)的使用會(huì)給操作人員帶來(lái)一些不便，在滿足機(jī)構(gòu)性能的前提下，應(yīng)盡可能減小機(jī)構(gòu)尺寸，最大限度地降低不良影響。

FZXB

[1] 謝逸,宋鵬濤,王永寧,等.碳纖維材料的性能及應(yīng)用[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用,2013(18):51-52. XIE Yi,SONG Pengtao,WANG Yongning,et al.Performance and application of the carbon fiber material[J]. Science and Technology Innovation and Application,2013(18):51-52.

[2] 夏春紅,朱春明,王溥.提高碳纖維布應(yīng)力位的研究[J].工業(yè)建筑,2007,13(3):327-329. XIA Chunhong, ZHU Chunming, WANG Pu.Research on improving the CFRP sheet stresslevel[J]. Industrial Architecture,2007,13(3):327-329.

[3] 譚婷婷.高性能PAN基碳纖維微觀機(jī)構(gòu)與力學(xué)性能相關(guān)性研究[D].濟(jì)南:山東大學(xué),2013:25-37. TAN Tingting. Relationship between microstructure and mechanical property of high performance PAN-based carbon fibers[D]. Ji′nan: Shandong University,2013:25-37.

[4] 王利君, 袁觀洛.縫紉線物理機(jī)械性能與其線跡質(zhì)量的關(guān)系[J].紡織學(xué)報(bào),2007,28(9):89-91. WANG Lijun, YUAN Guanluo.Relationship between physical properties of the sewing thread and the seam quality[J]. Journal of Textile Research,2007,28(9):89-91.

[5] 張善莉,任冬云.碳纖維加固方法的錨固方式比較[J].低溫建筑技術(shù),2010(2):64-66. ZHANG Shanli, REN Dongyun.The comparison of the anchor way for the carbon fiber reinforcement method[J]. Low Temperature Architecture Technology, 2010(2):64-66.

[6] 焦亞男,李曉久,董孚允. 三維縫合復(fù)合材料性能研究[J]. 紡織學(xué)報(bào),2002, 23(2): 96-99. JIAO Yanan, LI Xiaojiu, DONG Fuyun.Investigation on 3D stitched composities behavour[J].Journal of Textile Research, 2002,23(2):96-99.

[7] 劉陽(yáng).碳纖維復(fù)合材料應(yīng)用進(jìn)展[J].新材料與應(yīng)用,2011(5): 76-78. LIU Yang.Application progress of carbon fiber compo-site[J]. New Materials and Application,2011(5):76-78.

[8] 繆元吉,方蕓.縫線張力原理及應(yīng)用[J].中外縫紉設(shè)備, 2004,9(2): 39-41. MOU Yuanji, FANG Yun. Principle and application of the tension suture[J]. China Sewing Equipment,2004,9(2):39-41.

[9] 王東.基于Pro/E關(guān)系式的凸輪輪廓曲線精確設(shè)計(jì)[J].機(jī)械設(shè)計(jì),2010,27(8):31-34. WANG Dong. Precise design of cam profile curve based on Pro/Erelation[J]. Machine Design,2010,27(8):31-34.

[10] 朱引引,曹巨江,馬金鋒.縫紉機(jī)挑線機(jī)構(gòu)的仿真分析[J]. 制造業(yè)自動(dòng)化,2013,35(20):81-82. ZHU Yinyin, CAO Jujiang, MA Jinfeng. Simulation analysis of sewing machine pick line mechanism [J]. Manufacturing Automation, 2013,35(20):81-82.

Modified design and three-dimensional simulation for sewing machinefor sewing laminated carbon cloth

FAN Xiaojian1, LI Jing1, LIU Hongwei2, WANG Shankai1, SUN Xiaopan1

(1.CollegeofMechanicalandElectricalEngineering,Xi′anPolytechnicUniversity,Xi′an,Shaanxi710048,China; 2.Xi′anKangBenoftheMaterialCo.,Ltd.,Xi′an,Shaanxi710089,China)

The modified mechanism for sewing machine for sewing carbon fiber cloth is designed to sew carbon fiber laminated fabric effectively and reduce the problem of disconnection in the sewing process. The key point in this design is to relax the sewing thread by periodic take-up via a fork and a circle. The fork and circle cooperate the sewing needle to reduce the shear stress in sewing thread, avoid the problem of disconnection and ensure the coherence of sewing and finish the sewing work. Three dimensional modeling and assembling are performed based on the Pro/Engineer software. And then a gear, cam, fork, circle and other key parts are designed, and the displacement, velocity and acceleration for the fork and circle in the Pro/Engineer′s mechanism module are analyzed. The result show that the modified mechanism can run smoothly and stably, and satisfy the demand of the expected design. It will reduce broken line rate and improve production efficiency by the modified mechanism.

laminated carbon fiber cloth; sewing machine mechanism modification; three-dimensional simulation; component kinematic analysis

2015-05-14

2016-02-17

中國(guó)紡織工業(yè)聯(lián)合會(huì)科技指導(dǎo)性項(xiàng)目(2016093)

范曉健(1989—)，男，碩士生。主要研究方向?yàn)闄C(jī)械設(shè)計(jì)。李晶，通信作者，E-mail：ljing62@126.com。

10.13475/j.fzxb.20150502604

TH 112； TS 186

A