繃縫機送布機構(gòu)研究及三維建模

王志 李衛(wèi)超

摘 要：繃縫機的傳動機構(gòu)多采用四桿機構(gòu)進行運動關(guān)聯(lián)。本文主要對現(xiàn)有機構(gòu)零部件按照相互配合關(guān)系進行三維模型裝配，保障機構(gòu)傳動的正確；并通過Excel表的相關(guān)運算功能，對現(xiàn)有機構(gòu)進行參數(shù)化處理，以確定所需點的運動軌跡。

關(guān)鍵詞：模塊；參數(shù)化；采樣；Excel優(yōu)化

中圖分類號：TS941.5 文獻標識碼：A 文章編號：1003-5168（2018）08-0049-04

Research and 3D Modeling of the Distribution

Mechanism of the Sewing Machine

WANG Zhi LI Weichao

（Jack Sewing Machine Co.， Ltd.，Taizhou Zhejiang 318000）

Abstract： The transmission mechanism of the sewing machine adopts four bar mechanism to carry out motion correlation. In this paper， the main parts of the existing mechanism were assembled in accordance with the relationship of each other to ensure the correct transmission of the mechanism， and the existing mechanism was parameterized to determine the desired trajectory through the relevant operational functions of the Excel table.

Keywords： modules；parameterization；sampling；Excel optimization

1 數(shù)據(jù)采樣原理

繃縫機運動機構(gòu)多采用四桿機構(gòu)進行機構(gòu)的連接與傳動，電機作為驅(qū)動源帶動主軸轉(zhuǎn)動，定義電機每次采樣所轉(zhuǎn)過的相同角度，在Excel中進行公式編輯，求得驅(qū)動源的轉(zhuǎn)動角度與所需點坐標點關(guān)系。這種方法可稱之為機構(gòu)參數(shù)化處理，采樣完成后，對數(shù)據(jù)進行數(shù)據(jù)優(yōu)化處理產(chǎn)生最優(yōu)解，通過仿真軟件驗算，確保數(shù)據(jù)的準確性，這可以減少仿真軟件中間的煩瑣運算，提高產(chǎn)品開發(fā)效率[1-5]。

當(dāng)繃縫機機構(gòu)驅(qū)動源轉(zhuǎn)向一定時，機械機構(gòu)的運動是唯一確定的。在唯一運動中，對模型選取基本點，然后對需要點的坐標進行函數(shù)化表達，通過Excel表的運算作用自動提取出所需點的坐標變化，通過Excel表的函數(shù)功能使機構(gòu)的運動過程函數(shù)化。這樣，就完成了機構(gòu)的數(shù)學(xué)建模環(huán)節(jié)，后期可以對基本參數(shù)進行優(yōu)化，合理更改初始數(shù)據(jù)大小、各四桿機構(gòu)曲柄的初始相位角及連架桿相對位置的大小，從而求得不同的運動軌跡，最終得到優(yōu)化后期望的結(jié)果。這樣，就相當(dāng)于將機構(gòu)的初始參數(shù)進行調(diào)整，Excel表格自動進行運算，運算速度快，省去人為煩瑣的運算，結(jié)果一目了然。然后相關(guān)技術(shù)人員可以通過輕松地更改一些相關(guān)初始數(shù)據(jù)來生成合理需要的運動軌跡，優(yōu)化初始參數(shù)，得到理想的運動軌跡，縮短產(chǎn)品的開發(fā)過程。利用上述方法可以根據(jù)繃縫機的工作原理及外部需求探索合理高效的運動軌跡，提高縫紉的適應(yīng)性及整機的縫紉性能，達到高效研發(fā)、快速開發(fā)新產(chǎn)品的目的?？嚳p機送布的運動軌跡對針距的大小有較大影響，現(xiàn)在對繃縫機的送布機構(gòu)進行設(shè)計與優(yōu)化。

2 繃縫機送布機構(gòu)建模及原理

2.1 送布機構(gòu)簡介

繃縫機送布機構(gòu)包括抬牙機構(gòu)與送布機構(gòu)兩部分，其中，控制牙齒上下運動量的稱之為抬牙機構(gòu)，控制牙齒前后運動的稱之為送布機構(gòu)，具體反映為針距。當(dāng)前，繃縫機的送料軌跡是這兩部分運動合成的運動，最終形成類似橢圓形的軌跡。小方頭繃縫機抬牙機構(gòu)由主軸偏心滑塊和抬牙曲柄滑塊兩部分組成。抬牙機構(gòu)如圖1所示。

針距部分由兩個四桿機構(gòu)組合而成，圖2為針距調(diào)節(jié)機構(gòu)。在優(yōu)化該結(jié)構(gòu)的過程中，通過改變其中一根桿的初始角度來改變送布軸擺動角度，從而改變針距大小。為了增大繃縫機的送料行程，提高繃縫機的縫紉效果，首先要對原有針距機構(gòu)零件進行SolidWorks三維建模，提取現(xiàn)有送布機構(gòu)相關(guān)初始數(shù)據(jù)，并通過Excel表格運算得到運動軌跡。然后，設(shè)計人員對表格數(shù)據(jù)進行離散處理生成機構(gòu)運動軌跡，合理改變技術(shù)參數(shù)，得到目標運動軌跡。

2.2 四桿機構(gòu)分析

圖3為針距凸輪機構(gòu)。從圖3可以看出，針距機構(gòu)由兩個四連桿機構(gòu)組成，分別為AB、BC、CF、FA，組成曲柄四桿機構(gòu)，F(xiàn)A為連架桿，AB為曲柄，另一個四桿機構(gòu)為FC、CD、DE、EF?，F(xiàn)在以針距機構(gòu)為例，建立針距調(diào)節(jié)機構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，并利用Excel表格的計算能力與便捷的操作方式，對所需要的點的坐標進行大量取樣，通過光滑的曲線將所有取樣點進行連接，這樣所繪制的軌跡可以代表真實的運動軌跡。

3 數(shù)據(jù)采樣

3.1 數(shù)據(jù)采樣前期機構(gòu)的初始數(shù)據(jù)整理

數(shù)據(jù)采樣前期針距參數(shù)見表1。

3.2 封閉四桿機構(gòu)運動求解

B點坐標求解：

[ZB=ZA+AB*cos?] （1）

[YB=YA+AB*cos?] （2）

在上式中，[ZB]和[YB]是B點坐標，[ZA]和[YA]是A點坐標，[AB]代表凸輪長度，[cos?]代表AB與水平面夾角的余弦值。

C點坐標求解：

[Zc-ZB2+Yc-YB2=BC2]（3）

[Yc-YF2+Zc-ZF2=CF2] （4）

其中，[BC]代表B點到C點之間距離，[CF]代表C點到點F之間距離，[YF]和[ZF]是F點的坐標。

用式（3）減去式（4）得：

[2ZcZF-ZB-Z2F-Z2B+2YCYF-YB-Y2F-Y2B=BC2-CF2]（5）

繼續(xù)計算式（5）可得：

[Zc=BC2-CF2+Z2F-Z2B+Y2F-Y2B-2YF-YBYC2ZF-ZB]（6）

為了簡化運算過程設(shè)：

[b=BC2-CF2+Z2F-Z2B+Y2F-Y2B2ZF-ZB]

[K=-YF-YBZF-ZB]

（6）簡化為：

[ZC=kYC+b] （7）

將（7）代入（3）解得[YC]：

[YC=kZB+YB-bk±kZB+YB-bk2-1+k2Y2B+Z2B-2bZB+b2-CB21+k2]

4 Excel表格數(shù)據(jù)采樣與數(shù)據(jù)處理

根據(jù)上述公式，可以在Excel表格中通過函數(shù)運算對數(shù)據(jù)進行處理，前期進行基礎(chǔ)數(shù)據(jù)收集，初始數(shù)據(jù)在Excel函數(shù)中采用絕對引用，在選擇單元格后同時按下F4點，表示引用數(shù)據(jù)是固定的數(shù)值。在運算過程中，必須先把角度轉(zhuǎn)換為弧度，并采用Excel表中的ROUND函數(shù)對所求數(shù)據(jù)的有效數(shù)位進行規(guī)定，本次示例采用的是將運算結(jié)果的有效數(shù)位保證9位。具體操作如圖4所示。

以此類推，可以根據(jù)初始數(shù)據(jù)、各機構(gòu)的運動關(guān)系及約束條件在Excel表格中計算出優(yōu)化后的送布牙的運動軌跡。

5 參數(shù)化應(yīng)用

5.1 初始數(shù)據(jù)

通過三維繪圖軟件，對所需點的坐標進行測量，測量出初始數(shù)據(jù)，利用機械機構(gòu)本身的約束條件對未知點的坐標進行函數(shù)表示，搭建好平臺，后期設(shè)計可以直接更改這些初始參數(shù)，獲得不同的運動軌跡，實現(xiàn)快速設(shè)計的目的，這樣可以大大縮短設(shè)計周期。表2為四桿機構(gòu)的初始參數(shù)。

5.2 針距機構(gòu)分析

由針距機構(gòu)分析可知，曲柄、連桿的長度、位置以及調(diào)節(jié)曲柄與水平面的夾角都會影響針距大小。因此，要想改變針距的大小，需要改變的量較多。針距的大小直接由送布軸轉(zhuǎn)角決定，連桿DE的大小決定送布軸的擺幅，顯然，在其他條件不變的情況下，連桿DE越短，擺角越大。比如，只改變其中某單一變量來達到增大針距的目的，在這里首先嘗試改變DE的長度，測量相應(yīng)長度下的針距。通過建立送布機構(gòu)的數(shù)學(xué)模型，利用Excel軟件強大的數(shù)據(jù)運算能力，即可求得不同DE長度下主送布牙的軌跡。

對比3種不同長度的桿長DE，可得到不同的送布軌跡，桿長DE微量變化，可以大幅度增加針距大小。最后對不同條件下的針距進行分析，得出合理的技術(shù)參數(shù)。參數(shù)優(yōu)化設(shè)計是設(shè)計人員必須掌握的一項實用的辦公方法。

6 結(jié) 語

Excel軟件的數(shù)據(jù)處理，對機械傳動機構(gòu)的四桿機構(gòu)函數(shù)化處理，將機構(gòu)設(shè)計轉(zhuǎn)化為數(shù)學(xué)函數(shù)，縮短產(chǎn)品設(shè)計周期。提高自身設(shè)計能力。辦公軟件與專業(yè)的3維軟件仿真相結(jié)合使用，相互驗證，保證結(jié)果的準確性，縮短機構(gòu)的驗證周期，提升設(shè)自己計能力，對機械機構(gòu)有更加深刻理解。

參考文獻：

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