基于Solidworks的繡花機凸輪曲線的推導及驗證分析

壽飛鋒 季海彬 洪曉峰 徐松

摘要：通過運用SolidWorks下的Motion模塊對繡花機中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件運動仿真后，得出對應從動件關(guān)于時間-位移運動曲線，并通過數(shù)據(jù)處理，優(yōu)化相關(guān)運動曲線。在新設計的機構(gòu)中導入優(yōu)化后的數(shù)據(jù)點反推出新外緣凸輪。最后運用新的運動機構(gòu)再推導出運動曲線，兩者相對比驗證曲線合理性。結(jié)果表明，試驗架構(gòu)合理，數(shù)據(jù)分析及處理后所生成的外緣凸輪滿足實際所需，并且采用此種方法推導凸輪曲線更為簡便，精度上也有很大提高。

關(guān)鍵詞：繡花機；外緣凸輪；運動仿真；數(shù)據(jù)處理；分析

中圖分類號：TH112.2 文獻標識碼：A

1 引言

隨著我國人民物質(zhì)水平的不斷提高，對服裝的品質(zhì)追求也在不斷提升，因此傳統(tǒng)紡織領域里的繡花行業(yè)重新流行起來。這對電腦繡花機的工作效率與品質(zhì)需求也越來越高。從無到有，從有向優(yōu)，其核心部件外緣凸輪的設計顯得尤為重要。凸輪曲線的設計精細程度決定了機器工作上的準確性與可靠性。

傳統(tǒng)的設計凸輪曲線是方法比較原始，是通過借助CAD工具轉(zhuǎn)動各相關(guān)零件圖形，每5度1個數(shù)據(jù)點依次測繪得到，費時費力的同時精度無法得到保障。本文主要闡述了一種運用SolidWorks下的Motion模塊對舊繡花機外緣凸輪對應驅(qū)動體位移曲線的推導并篩選數(shù)據(jù)點進行優(yōu)化，在設計新機型時反推新款運動凸輪輪廓并再次驗證的方法。兩相對比，該方法方便簡潔同時測繪精度也較高，同時由于測繪仿真過程可見，更能夠讓人直觀的理解其工作原理。

2.1 電腦繡花機機頭結(jié)構(gòu)組成與凸輪工作原理

毛巾繡，是繡花的一種，屬于立體繡花，因其繡花效果很像毛巾布料，故名毛巾繡。它主要由毛巾機頭部件，梭床部件及相關(guān)夾線部件組成。整臺毛巾繡機最核心的部件就是機頭部件。

毛巾繡機頭的關(guān)鍵傳動部件有外緣凸輪1（有三個不同的凸輪，分別對應針桿，針嘴及壓腳），驅(qū)動連桿2（有三個不同的連桿，分別對應針桿，針嘴及壓腳），驅(qū)動體3（有三個不同的驅(qū)動體，分別對應針桿，針嘴及壓腳），偏心軸4等。如圖1所示

其工作原理是：通過伺服電機帶動主軸驅(qū)動外緣凸輪1，凸輪上三個曲面分別帶動各自驅(qū)動連桿2，經(jīng)小連桿過渡，最終分別通過對應驅(qū)動體將初始的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為直線方向的往復運動。三個凸輪曲面上特定的位置關(guān)系確保機器能夠順利完成繡花動作。

2.2 舊機型凸輪曲線仿真

由于在實踐中證明，原有舊機型的凸輪曲線符合實際需求。因此在新機型的設計中可知，在保證原有驅(qū)動體位移與凸輪旋轉(zhuǎn)角度對應關(guān)系不變后，當其核心部件位置發(fā)生改變時，其繡花原理不變。為此，首先需要構(gòu)造模型將關(guān)鍵部件通過SolidWorks下的Motion模塊得出運動位移曲線。

在搭建仿真模型時，去除冗余零件，確保不受多余零件對分析結(jié)果的干擾，如圖2所示，即為常規(guī)毛巾繡機頭凸輪運轉(zhuǎn)完成繡花動作的關(guān)鍵部件。

設置馬達轉(zhuǎn)速，及旋轉(zhuǎn)時間（設置為兩個周期時間，確保能夠得到一個完整周期的曲線，同時可驗證曲線的正確性），運算后得到凸輪旋轉(zhuǎn)時相對應驅(qū)動體的時間位移曲線。如圖3所示

將運算結(jié)果導入Excel表格中，在同一時間截取一個完整周期的運動曲線數(shù)據(jù)點。一個周期篩選360個點，并初定截取的起始點位置為凸輪轉(zhuǎn)角0度時。如圖4所示，即部分凸輪轉(zhuǎn)角與對應驅(qū)動體位移數(shù)據(jù)點表格。

對所得數(shù)據(jù)點進行處理，目的是消除位移曲線上存在的突兀的“凹點”與“凸點”。即保證凸輪基圓半徑始終大于接觸的滾子的半徑。

2.3 新機型凸輪曲線擬合推導

在新型毛巾繡花機設計過程中，將五眼連桿（針桿五眼連桿1-1，針嘴五眼連桿1-2，壓腳五眼連桿1-3），偏心軸3，殼體及相關(guān)驅(qū)動體（針桿驅(qū)動體5，壓腳驅(qū)動體7，針嘴驅(qū)動體8）設計完畢后，在SolidWorks軟件內(nèi)模擬裝配，如圖5所示，即為新型毛巾繡關(guān)鍵運動部件模型。再依次導入相關(guān)處理后的數(shù)據(jù)點。以虛線處為凸輪旋轉(zhuǎn)中心軸線，運動仿真處理后可初步得到針桿，針嘴及壓腳三個凸輪的對應曲線。

初步運動仿真后得到凸輪設計原始曲線，如圖6所示。將運動曲線根據(jù)需要（考慮滾子半徑）創(chuàng)建凸輪三維模型，并重新將新建凸輪模型裝配到圖5的結(jié)構(gòu)中，重復上文所提的凸輪曲線運動仿真運算。

此時需要在兩方面驗證新設計凸輪的準確性：

1、當外緣凸輪曲面模型存在突兀的“凹凸點”時，即凸輪基圓半徑r0小于滾珠半徑r1。凸輪模擬配合會發(fā)生故障，直接報錯，此時需要對數(shù)據(jù)點重新處理再仿真得出凸輪運動廓線；

2、將運用新凸輪仿真生成的針桿，針嘴，壓腳的位移曲線與利用舊機型原有的位移曲線一一對比。理論上兩條對應的位移曲線偏差不應大于3%，如圖7所示，將縱坐標放大10倍，可更直觀比較前后兩種位移曲線的差異性。

由圖可知，對應的兩條凸輪曲線偏差不大于3%。即按照上述方法推導得出的外緣凸輪運動曲線滿足設計要求。

3-1 結(jié)論

本文主要論證了一種基于SolidWorks下的Motion模塊的關(guān)于外緣凸輪曲線的推導及驗證。這為未來繡花機行業(yè)的關(guān)于外緣凸輪設計提供了一種切實有效的思路和方法。借助于成熟的設計工具，操作簡單，精度也比較高。

但同時也存在局限性：本文論述的方法僅適用于外緣凸輪的曲線擬合，而在電腦繡花機領域還存在圓柱凸輪等類型，本文闡述的方法不足以滿足此類凸輪的設計需求。有待后續(xù)開發(fā)研究。

參考文獻：

[1]張策，陳樹昌，孟彩芳.機械原理與機械設計[M].機械工業(yè)出版社，2010.04.

[2]陳超祥，胡其登.SolidWorks？ Motion運動仿真教程[M].機械工業(yè)出版社，2014.01.

作者簡介：壽飛鋒（1990-）男，漢，浙江諸暨，研發(fā)工程師，研究方向：電腦繡花機領域.