模塊式驅(qū)動(dòng)平縫機(jī)的虛擬樣機(jī)系統(tǒng)開發(fā)與設(shè)計(jì)

陸武慧

摘要：隨著“一帶一路”戰(zhàn)略實(shí)施，工業(yè)平縫機(jī)獲得了更大的應(yīng)用市場(chǎng)和前景，工業(yè)平縫機(jī)是縫制設(shè)備中常用的一種，也是常見的一種機(jī)電一體化產(chǎn)品，各機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)合理配合，共同實(shí)現(xiàn)縫料縫合動(dòng)作。本文基于虛擬樣機(jī)技術(shù)，從平縫機(jī)傳動(dòng)路線設(shè)計(jì)、 運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)和控制功能設(shè)計(jì)三個(gè)方面出發(fā)，提出了一種模塊式驅(qū)動(dòng)的工業(yè)平縫機(jī)方案， 并對(duì)平縫機(jī)進(jìn)行虛擬樣機(jī)系統(tǒng)開發(fā)，闡釋了模塊式驅(qū)動(dòng)平縫機(jī)的應(yīng)用，為工程設(shè)計(jì)實(shí)際物理樣機(jī)提供了依據(jù)和基礎(chǔ)。

Abstract： With the implementation of the "Belt and Road" strategy， industrial sewing machines have gained a greater application market and prospects. Industrial sewing machines are a common type of sewing equipment and a common type of mechatronics products. It cooperates reasonably to realize the sewing action. Based on the virtual prototype technology， this paper proposes a modular drive industrial lockstitch program from the three aspects of lockstitch machine，the three aspects are the? transmission route design， motion scheme design and control function design， also， this paper develops a virtual mockup system for the lockstitch machine to explains the application of the modular drive lockstitch machine， which provides the basis and basis for the engineering design of the actual physical prototype.

關(guān)鍵詞：平縫機(jī);模塊式驅(qū)動(dòng);虛擬樣機(jī)

Key words： lockstitch machine;modular drive;virtual prototyping

0? 引言

隨著“一帶一路”戰(zhàn)略的實(shí)施，我國縫制企業(yè)在不斷的拓寬 “一帶一路”沿線國家的市場(chǎng)，特別是越南市場(chǎng)。這樣的趨勢(shì)有效緩解了國內(nèi)勞動(dòng)力成本增長(zhǎng)等因素，順應(yīng)了相關(guān)包括紡織、染整、繡花等勞動(dòng)密集型產(chǎn)業(yè)的不斷發(fā)展，紡織機(jī)械設(shè)備伴隨著國家的產(chǎn)能升級(jí)可以實(shí)現(xiàn)快速增長(zhǎng)，對(duì)縫制設(shè)備的需求也在不斷的增強(qiáng)。

我國縫制機(jī)械行業(yè)作為服裝業(yè)的上游產(chǎn)業(yè)，通過自身積累和創(chuàng)新，已成為我國最具競(jìng)爭(zhēng)優(yōu)勢(shì)的產(chǎn)業(yè)之一。我國已成為世界上最大的縫制機(jī)械生產(chǎn)中心和銷售市場(chǎng)。國內(nèi)外市場(chǎng)日益增長(zhǎng)的需求量給縫制設(shè)備市場(chǎng)帶來了很大的延伸空間，特別是機(jī)電一體化的工業(yè)縫紉機(jī)的需求增長(zhǎng)更快，縫制機(jī)械行業(yè)充滿著頑強(qiáng)的生機(jī)和活力。在產(chǎn)品研發(fā)的過程中，企業(yè)必須以最短的產(chǎn)品開發(fā)時(shí)間、最優(yōu)的質(zhì)量、最低的成本、最佳的環(huán)保和最快的市場(chǎng)適應(yīng)性才能滿足市場(chǎng)對(duì)產(chǎn)品的需要[1-2]，傳統(tǒng)的產(chǎn)品設(shè)計(jì)周期長(zhǎng)，經(jīng)過設(shè)計(jì)、加工、制造完成一系列的工序后，才能將物理樣機(jī)完成，然而，制造的物理樣機(jī)是否滿足設(shè)計(jì)需求，還需進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，可能存在不斷的修改再制造的過程，這樣不僅增加生產(chǎn)成本，而且降低了生產(chǎn)效率[3-5]。目前工業(yè)平縫機(jī)多采用上下軸皮帶傳遞，存在自動(dòng)化程度較低，以及傳動(dòng)過程中能量損耗嚴(yán)重，影響傳動(dòng)效率等不足。

1? 虛擬樣機(jī)技術(shù)

虛擬樣機(jī)技術(shù)目前應(yīng)用于多個(gè)行業(yè)，涉及到汽車制造、航空航天、機(jī)械制造等多個(gè)領(lǐng)域。虛擬樣機(jī)技術(shù)是當(dāng)前設(shè)計(jì)制造領(lǐng)域的一項(xiàng)新技術(shù)，它利用計(jì)算機(jī)軟件建立機(jī)械系統(tǒng)的三維實(shí)體模型和運(yùn)動(dòng)學(xué)及動(dòng)力學(xué)模型，分析和評(píng)估機(jī)械系統(tǒng)的性能，從而為機(jī)械產(chǎn)品的設(shè)計(jì)和制造提供依據(jù)[6-8]。虛擬樣機(jī)產(chǎn)品從方案論證、經(jīng)驗(yàn)設(shè)計(jì)、詳細(xì)設(shè)計(jì)等多個(gè)環(huán)節(jié)出發(fā)直到產(chǎn)品定型生產(chǎn)，中間伴隨著分析原因、修改設(shè)計(jì)的反饋環(huán)節(jié)，整體構(gòu)成虛擬樣機(jī)產(chǎn)品開發(fā)過程，如圖1所示。

2? 模塊式驅(qū)動(dòng)平縫機(jī)方案設(shè)計(jì)

2.1 模塊式驅(qū)動(dòng)平縫機(jī)的傳動(dòng)路線設(shè)計(jì)

了解到現(xiàn)有縫制設(shè)備企業(yè)中工業(yè)平縫機(jī)的不足和缺點(diǎn)，模塊式驅(qū)動(dòng)的工業(yè)平縫機(jī)方案，取消了傳統(tǒng)平縫機(jī)上下軸皮帶傳遞的環(huán)節(jié)，改為模塊式直接驅(qū)動(dòng)方式，節(jié)省了空間，提高了傳動(dòng)效率，克服了傳統(tǒng)的工業(yè)平縫機(jī)存在自動(dòng)化程度較低，以及傳動(dòng)過程中能量損耗嚴(yán)重，影響傳動(dòng)效率等不足。通過將平縫機(jī)進(jìn)行模塊式劃分，將上軸的針桿機(jī)構(gòu)和挑線機(jī)構(gòu)采用一個(gè)電機(jī)來驅(qū)動(dòng)控制，在送料軸處安裝一個(gè)伺服電機(jī)，將傳統(tǒng)平縫機(jī)中兩個(gè)大連桿去掉，取消了送布的偏心部件的使用，使平縫機(jī)的運(yùn)動(dòng)更加平穩(wěn)，通過模塊式的驅(qū)動(dòng)方式實(shí)現(xiàn)了主要機(jī)構(gòu)的動(dòng)作控制，簡(jiǎn)化了結(jié)構(gòu)，節(jié)省了空間，為進(jìn)一步深層優(yōu)化提供了思路和方向，模塊式驅(qū)動(dòng)平縫機(jī)的具體傳動(dòng)路線圖如圖2所示。

2.2 模塊式驅(qū)動(dòng)平縫機(jī)的運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)

根據(jù)模塊化設(shè)計(jì)的思想，將平縫機(jī)的驅(qū)動(dòng)部分進(jìn)行模塊化設(shè)計(jì)，結(jié)合空間位置及機(jī)構(gòu)復(fù)雜性的角度，上軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)針桿機(jī)構(gòu)和挑線機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，下軸驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)旋梭機(jī)構(gòu)和送布機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)，改變傳統(tǒng)縫紉機(jī)一個(gè)電機(jī)驅(qū)動(dòng)刺布、挑線、旋梭、送布四大成縫機(jī)構(gòu)的方式，通過模塊式驅(qū)動(dòng)方式，可以減少機(jī)構(gòu)傳動(dòng)，增大空間利用率，取消了傳統(tǒng)上下軸之間的傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，根據(jù)下軸的旋梭機(jī)構(gòu)和送布機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特征，選擇與之對(duì)應(yīng)的電動(dòng)機(jī)類型進(jìn)行驅(qū)動(dòng)控制。

2.3 模塊式驅(qū)動(dòng)平縫機(jī)的控制功能設(shè)計(jì)

伺服控制系統(tǒng)將信號(hào)傳送給控制器，驅(qū)動(dòng)各個(gè)模塊電機(jī)對(duì)平縫機(jī)進(jìn)行對(duì)應(yīng)的控制方案，同時(shí)，平縫機(jī)上的同步器可以進(jìn)行檢測(cè)，檢查針位是否準(zhǔn)確，位置是否合適，然后將信號(hào)反饋給控制器，控制器根據(jù)位置檢測(cè)信號(hào)做出調(diào)整，形成閉環(huán)控制系統(tǒng)，控制器同時(shí)控制著切線電磁鐵、抬壓腳電磁鐵等幾個(gè)電磁鐵，通過電磁鐵開關(guān)的打開和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)切線、抬壓腳等功能。操作面板是操作者和平縫機(jī)之間的人機(jī)交互界面，提供相關(guān)參數(shù)設(shè)置、模式選擇等方面的操作，如圖3所示。

3? 平縫機(jī)虛擬樣機(jī)系統(tǒng)研發(fā)

平縫機(jī)的虛擬樣機(jī)系統(tǒng)的研發(fā)主要包括基礎(chǔ)模型建立、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真以及控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)三個(gè)部分。三個(gè)部分之間互相配合，共同構(gòu)成模塊式驅(qū)動(dòng)工業(yè)平縫機(jī)虛擬樣機(jī)系統(tǒng)。

3.1 平縫機(jī)的三維建模

通過產(chǎn)品的三維設(shè)計(jì)可以為機(jī)械工作人員提供直觀有效的視圖界面，并為其優(yōu)化設(shè)計(jì)提供了模型基礎(chǔ)和參照。產(chǎn)品的三維實(shí)體建模方式通常有三種：CAD造型設(shè)計(jì)、特征建模和參數(shù)化建模的方式。目前，三維實(shí)體建模的軟件有很多，例如SOLIDWORKS、PROE、UG、CATIA等三維建模軟件。在平縫機(jī)進(jìn)行三維建模前，對(duì)比多種三維建模軟件的優(yōu)缺點(diǎn)，以及與動(dòng)力學(xué)仿真軟件的兼容性等問題，可以選擇SOLIDWORKS軟件進(jìn)行建模。

對(duì)于模塊式驅(qū)動(dòng)工業(yè)平縫機(jī)的建模順序，首先，進(jìn)行刺布機(jī)構(gòu)、挑線機(jī)構(gòu)、旋梭機(jī)構(gòu)和送布機(jī)構(gòu)四大關(guān)鍵成縫機(jī)構(gòu)的建模，然后進(jìn)行繞線、壓料、落牙等輔助機(jī)構(gòu)的建模，進(jìn)行油壺、電機(jī)、電磁鐵等部件的建模，最后包括臺(tái)板和機(jī)箱的建模，完成平縫機(jī)的整機(jī)建模。由于模塊式驅(qū)動(dòng)平縫機(jī)的零件較多，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，給裝配過程中帶來了很大的難度。在裝配的過程中主要采取自上而下、由里及外的裝配過程，先將小零件進(jìn)行局部組裝成小模塊，然后將小模塊組裝為進(jìn)一步的機(jī)構(gòu)模塊，最后組裝成整機(jī)。

3.2 平縫機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)仿真

對(duì)產(chǎn)品進(jìn)行運(yùn)動(dòng)學(xué)分析計(jì)算時(shí)，可以將三維建模軟件與動(dòng)力學(xué)仿真軟件Adams進(jìn)行聯(lián)合仿真分析，在三維實(shí)體模型的基礎(chǔ)上添加對(duì)應(yīng)的約束，使其成為可以進(jìn)行分析計(jì)算的仿真模型，并與真實(shí)物理樣機(jī)模型相接近，考慮到模塊式驅(qū)動(dòng)平縫機(jī)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真和計(jì)算時(shí)，計(jì)算機(jī)和軟件的計(jì)算分析能力等因素，通常對(duì)設(shè)備進(jìn)行簡(jiǎn)化，去掉與機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)沒有直接聯(lián)系的元素，只留下主要運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，建立出對(duì)應(yīng)的樣機(jī)進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬和分析，從而得到相關(guān)機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)和動(dòng)力學(xué)曲線，圖4為刺布機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)仿真曲線。

3.3 平縫機(jī)的動(dòng)力學(xué)仿真

除了將三維建模軟件與動(dòng)力學(xué)仿真軟件進(jìn)行聯(lián)合仿真分析，來得到機(jī)械設(shè)備的動(dòng)力學(xué)仿真結(jié)果以外[9-10]，還可以利用MATLAB/Simulink模型進(jìn)行分析計(jì)算，首先，建立動(dòng)力學(xué)方程，編寫出相應(yīng)的M文件，然后建立出Simulink模型。在確定目標(biāo)動(dòng)作之后需要設(shè)計(jì)一個(gè)控制系統(tǒng)，明確系統(tǒng)的輸入、輸出、控制器件和程序，達(dá)到基于MATLAB的仿真結(jié)果。

4? 結(jié)論

通過基于虛擬樣機(jī)技術(shù)，從平縫機(jī)傳動(dòng)路線設(shè)計(jì)、運(yùn)動(dòng)方案設(shè)計(jì)和控制功能設(shè)計(jì)三個(gè)方面出發(fā)，提出了一種模塊式驅(qū)動(dòng)的工業(yè)平縫機(jī)方案，可以提高平縫機(jī)傳動(dòng)效率，簡(jiǎn)化機(jī)構(gòu)，提高空間利用率，并對(duì)平縫機(jī)進(jìn)行虛擬樣機(jī)系統(tǒng)開發(fā)，闡釋了模塊式驅(qū)動(dòng)平縫機(jī)的應(yīng)用，為工程設(shè)計(jì)實(shí)際物理樣機(jī)提供了依據(jù)和基礎(chǔ)，為平縫機(jī)的優(yōu)化設(shè)計(jì)奠定了基礎(chǔ)。

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