繃縫機上多剛體動力學的減振建模與仿真

王志 談安定 鄭吉

摘 要：隨著服裝工藝對繃縫機性能要求的提高，又因繃縫機線跡成縫原理的限制，使得自身結構的振動大，出現用戶體驗感差等問題。本文中筆者主要是從多剛體動力學角度來研究繃縫機減振的問題。利用SolidWorks、Adams等仿真軟件，完善和提升繃縫機各機構的動平衡角度，使繃縫機在工作時能處于平穩的狀態。通過增加平衡塊產生的離心力來抵消整機慣性力與慣性力矩，從而實現減振的目的。提高了整機運動的穩定性，增強用戶的體驗感。

關鍵詞：減振；多剛體動力學；Adams軟件；優化設計

中圖分類號：O313.3 文獻標識碼：A 文章編號：2096-4706（2018）03-0064-06

Modeling and Simulation of Vibration Reduction for Multi rigid Body Dynamics on a Sewing Machine

WANG Zhi，TAN Anding，ZHENG Ji

（Jack Sewing Machine CO.，Ltd.，Taizhou 318000，China）

Abstract：With the improvement of the performance of the sewing machine and the restriction of the stitching principle of the stitching machine，the problem of the structure's vibration and user experience is uncomfortably exposed. This time is mainly from the angle of multi rigid body dynamics to study the vibration damping of the sewing machine. The simulation software such as SolidWorks and Adams is used to improve and improve the dynamic balance angle of each sewing machine，so that the sewing machine can be in a stable state at work. By increasing the centrifugal force produced by the balance block to counteract the inertia force and inertia moment of the whole machine，the purpose of vibration reduction is achieved. It improves the stability of the whole machine movement and enhances the sense of experience of the users.

Keywords：vibration damping；multi rigid body dynamics；Adams software；optimization design

0 引 言

繃縫機振動主要是由機殼承受刺布機構、挑線機構、喂針機構以及彎針機構等各機構的高速運動所產生的沖擊力而產生的。根據仿真數據分析各機構產生的沖擊力大小來初步選取平衡塊安裝位置，同時根據零件的尺寸及安裝空間來優化設計平衡塊質量、半徑及安裝角度，達到抵消沖擊力的效果，并通過實體驗證和耐久測試來驗證設計的合理性。本研究對象為8669B繃縫機，利用Adams軟件對各機構建立仿真模型及數據計算來優化設計方案。

1 平面四桿機構復數矢量法

繃縫機機構大多以平面四桿機構為主，機構位移分析是運動分析中最基本的問題。

1.1 速度分析

對時間求導：

1.2 加速度分析

此外，繃縫機還有少數的RSSR、RPSR空間四桿機構，運用復數矢量法可以較為便捷地分析機構運動，空間四桿機構的計算方式與平面四桿機構類似，引入變量為兩轉動副的相對位置與從動轉動方向角。機構動力學會在Adams軟件中做詳細的仿真介紹。

2 繃縫機的Adams建模與仿真

利用Adams軟件對整機建立仿真模型及運算，獲得整機在固定點的慣性力和慣性力矩，通過設置各方向慣性力與慣性力矩權重系數，對評價指標進行優化。

2.1 繃縫機振動評價指標

2.2 創建模型

因繃縫機機構復雜且零件多，本研究通過采用Solid Works模型導入Adams軟件的方式進行建模。

（1）模型結構劃分：用SolidWorks的裝配模型導入Adams時，相互獨立的零件，無法直接導入Adams軟件，為了確保建模的高效準確，對于整機建模采用分機構建模再組合的方式。下圖是部分拆分的機構刺布機構、上軸。見圖2。

（2）模型參數測量：是通過SolidWorks軟件的裝配體測量該機構中所有的鉸接點坐標，無相對運動零件的質心坐標及轉動慣量，以Excel格式記錄。見圖3。

（3）模型導入：是利用SolidWorks軟件組裝的裝配體，將除刺布機構中上軸構件以外的零件全部壓縮后另存為x_t格式，保存在無中文路徑位置。見圖4。

新建模型后以part方式導入以上保存的x_t格式文件，這樣導入Adams軟件中能夠成為一個構件，且同一構件之間零件的運動副就不會改變。

對于主軸則采用model的形式導入。除主軸外，軸上無相對運動的零件采用布爾運算的方式代替固定副，使主軸在后期便于替換為柔性體做剛柔耦合模型。構件建模完畢后運用表格編輯器來添加屬性。

（4）模型組合并校核：以上構件導入后合并兩個model。

合并即得到此機構的模型，在添加曲柄滑塊機構的相關約束與驅動后，驗證模型的準確性。并保存為cmd格式的文件。

其余機構以此類推，完成所有機構模型后，新建一個model，導入各機構的cmd文件，直接合成整機模型，并添加各機構間的運動副。見圖6。

2.3 額定工況下整機的響應

8669B繃縫機額定工況為轉速5000r/min，由Adams后處理模塊PostProcessor測量整機與地面固定點的慣性力和慣性力矩。見圖7、8、9。

從圖9可以看出整機在z方向慣性力最大，此數據也與實測數據一致。

2.4 各機構沖擊分析

對比各機構慣性力和慣性力矩，刺布機構及彎針機構對整機沖擊最大，且豎直方向慣性力相位基本一致，慣性力矩基本為相位對稱。故最優方案為降低刺布機構與彎針機構慣性力。見圖10、11、12、13。

從仿真數據中可以發現，對于整機結構模型在豎直方向Z方向的最大慣性力為1305N，軸向X方向最大慣性力為222N，前后方向及Y向最大慣性力矩為149N。且繞Z方向的最大慣性力矩為100Nm，繞X方向的最大慣性力矩為39.97Nm，繞Y方向的最大慣性力矩為8.45Nm。以上慣性力與慣性力矩直接導致整機在操作區間及針板處的振動較大，與實測數據一致。

3 繃縫機的優化設計

利用動平衡原理對整機進行多剛體動力學的優化分析及設計，繃縫機減振優化設計包括確定目標函數、定義設計變量及定義約束三個方面，分別確定優化設計方案。平衡塊的安裝位置角度、質量、半徑，為各變量添加可變范圍，提高優化效率。

3.1 設計變量

平衡塊優化設計以各平衡塊的質量（m）、半徑（r），安裝角度（θ）為設計變量，軸向位置（L）視安裝空間而定。

（1）新建point點：在刺布機構的針桿曲柄、彎針機構的下彎針擺動軸、下主軸的下前軸位置新建point點并修改名稱，作為平衡塊初始位置。

（2）新建bodies并添加約束：在各point點上新建body并分別與針桿曲柄、下前軸及下彎針連桿軸固定副連接。

（3）新建變量：從表格編輯器中選擇以上point點坐標單元格，在編輯欄新建變量并在模型樹設計變量中修改名稱。見表1。

新建三處平衡塊質量變量并修改名稱，再在表格編輯器中替代初始質量。見圖14。

圖14 新建變量參數

3.2 約束條件

確定各變量的約束條件，運用函數編輯器編輯約束函數。并運用“創建設計約束”來創建約束。見表2。

3.3 優化目標

（1）確定權重系數：依據實際測量機器各點的振動情況分析，其在額定轉速時整機以繞y方向轉動與z方向振動為主。而對z方向轉動與y方向振動均不敏感，故在確定權重系數時適當提高Fz與My系數。見表3。

（2）創建目標：選取“連接器”中測點右擊選取“測量”，新建整機固定點的xyz方向慣性力與慣性力矩的測量、在函數編輯器中編輯目標函數。并用“創建設計約束”來創建目標。

（3）優化模型：創建優化設計模型及將設計變量、目標及約束添加至優化設計模型中優化。

4 優化對比

經過迭代計算后，目標函數逐漸收斂最終求得一組解。

4.1 數據結果對比

方向慣性力數據結果對比如圖15、16、17、18、19、20所示。

4.2 方案實測對比

上述測試點為針板處，測試內容為振動位移，如圖21、22、23所示。工作轉速時，z方向振動位移下降至230μm，x方向振動位移下降100μm，y方向振動位移上升約20μm。用戶體驗感非常明顯。

5 結 論

通過增加平衡塊來平衡各機構運動時產生的沖擊力，能有效降低繃縫機刺料機構的振動，使體驗者舒適感更強。目前，使用多剛體動力學方法研究繃縫機振動特性的應用越來越多，據了解汽車行業對減振的應用非常廣泛。而關于繃縫機減振對隔振系統的研究相對較少，有限元的技術應用也較少。另外，從縫制性能的發展趨勢來看，影響用戶體驗的不僅是減振效果，尖銳的噪聲也是影響用戶體驗感的因素，如整車懸置技術的噪聲、振動與聲振粗糙度性能指標。

基于以上考慮，對下一步工作進行展望：

（1）對縫紉機隔振系統進行建模并有限元分析；

（2）對縫紉機降噪深入研究；

（3）嘗試運用新的研究方法比如混合傳遞路徑法來研究縫紉機減振降噪問題等。

參考文獻：

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作者簡介：王志（1983-），男，浙江臺州人，工程師，本科。研究方向：縫紉機產品開發及設計。