工業縫紉機挑線機構的運動學研究

摘要：近年來，我國的綜合國力發展迅速，縫紉機挑線機構運動分析過程復雜，容易出錯。為了提高運動分析的精確性，減少錯誤，通過解析法對縫紉機針頭、挑線機構的運動進行求解;利用解析法，得到曲柄旋轉一周針頭在任一位置的運動參數，并做出相應的折線圖;使用Creo進行實體建模和運動分析，將運動分析結果與解析法結果進行對比，誤差小于0.43%。說明結果是正確的，這兩種方法的組合可以有效提高結果的精確性，減少錯誤。

關鍵詞：工業縫紉機;挑線機構;運動學研究

引言

挑線機構在整個縫制過程中起著非常重要的作用，挑線機構的好壞直接影響著縫制的質量與縫紉機的優良。目前挑線機構主要有凸輪和四連桿機構，由于四連桿機構磨損小、噪音低、壽命長、轉速高等優點，在高速縫制過程中被廣泛的應用。挑線機構與穿針機構、送料機構、旋梭機構有一定的運動關系，完成機針所需縫線和每個線跡所需的線量。所以，挑線機構必須以優質的運動軌跡來實現所需線量的提供。目前對挑線機構運動特性的研究主要通過圖解法、解析法和試驗法，但計算精度不高。本文分析了連桿式挑線機構的原理，推導了末端點坐標和不同時刻點的坐標與構件的角度、并對其參數進行計算，得到了挑線末端的坐標軌跡形狀，最后通過仿真分析了四連桿挑線機構的末點的軌跡、位移和速度。

1軟件設計

系統的各種縫制功能以及控制策略的實現，主要靠系統軟件來完成，因此，可靠的硬件設計是基礎，軟件設計才是核心。主程序只完成系統內核和外設的初始化任務，完成與操作面板的握手通訊，然后處于等待狀態，等待進入超級循環，等待腳踏板輸入的相應處理，并且當中斷到來時，進行相應的中斷服務子程序。其中主要的幾個中斷服務子程序主要包括PWM定時中斷、通訊中斷、零脈沖捕獲中斷以及模塊的功率中斷。完整的磁場定向控制控制算法用PWM定時中斷服務程序中實現。在定時器T3中斷周期內，從五路光電編碼信號即可計算轉子位置角和轉速，當完成所有反饋通道計算后，再調用正向通道中電壓超前角的計算模塊函數，完成PMSM的轉子位置定位算法。最后在PWM中斷定時器T1周期內，調用T3中斷中的位置計算結果，結合SVP-WM算法輸出三相逆變器的空間矢量PWM波信號，完成一次速度環和位置環的控制。通訊中斷程序主要用來接收并刷新控制參數，同時設置運行模式;光電編碼器零脈沖捕獲中斷程序可實現對編碼器反饋零脈沖精確地捕獲，從而得到交流永磁同步電機矢量變換定向角度的修正值;功率驅動保護中斷程序則用于檢測智能功率模塊的故障輸出，當出現故障時，DSP的PWM通道將被封鎖，從而使輸出變成高阻態。

2挑線機構運動學特征與計算

挑線機構在線跡形成過程中交替提供和收回適量的線，并使面線和底線在縫料中間抽緊。以杰克縫紉機股份有限公司的單針電腦平縫機A4為例，其挑線機構總體是一個四連桿機構。目前大部分平縫機都采用連桿式挑線機構，該結構由美國勝家公司發明，與凸輪式挑線機構相比，連桿式挑線機構的主要特點是摩擦、磨損小，結構簡單，壽命長，運轉時機器的噪聲低，尤其適用于高轉速工作，所以目前幾乎所有的工業高速平縫機都采用連桿式挑線機構。工作時，曲柄AB順時針勻速轉動，帶動連桿BC做平面運動、帶動搖桿CD做往復擺動。連桿BC的周期性平面運動帶動BC上的點E形成挑線軌跡。現給定AB轉速n=5 000r/min，方向與角速度ω相同，以A點為原點建立坐標系，以Z軸正方向為初始角度（順時針方向為正），初始時AB沿Z軸正向。挑線軌跡大致呈“柳葉狀”，挑線孔E點的運動軌跡需要根據實際縫紉機的供線和收線線量及不同時間段挑線速度和連桿BC受力要求來設計。而“柳葉狀”軌跡保證了挑線桿能夠迅速地放線收線，一方面能滿足縫紉機關鍵時段的挑線、供線量和相應的速度要求，另一方面，挑線桿快速擺動，會使縫紉線的張力瞬時增大，是引起張力變化的主因。通過分析各曲線變化范圍、快慢等信息來綜合評定機構是否滿足設計需求。同時可直接改變程序中控制參數的值，實現自動、快速更改曲線變化范圍和快慢，直至滿足使用要求，提高設計精度和效率。

3控制系統當中的硬件設計

工業縫紉機伺服節能電機的電機控制器是以單片機為基礎的設計，借助單片機和外圍電路充分、有機的結合，使得工業縫紉機在功能性上更有保證，同時單片機的升級使得硬件系統有了更好的發展支撐。單片機的應用給整個控制系統的發展注入了新的能量，使其電路更加的簡單，投入的成本更低，此外運行的可靠性也在這一過程中得到了顯著的提升。

在系統的設計當中，硬件電路是采用結構化系統設計的方式，這種方法一方面可以十分有效的確保設計電路能夠朝著標準化、模塊化的方向發展。在硬件電路設計的過程中，最為重要的一個內容就是科學合理的選擇單片機，同時還要選擇與之相配的外圍芯片，這樣也就使得所設計的系統一方面具有非常強的經濟性，另一方面又具有非常強的性能。

在單片機系統運行的過程中，系統復位一直都是一個非常重要的基礎性工作。在單片機應用的時候，界面一般有輸入和結果的顯示，在這一過程中采用LED顯示可以有效的延長其使用壽命，成本的投入也不是很高，和單片機接口連接具有非常高的便利性，LED數碼管按照連接方法的差異可以分為共陰和共陽兩種方式，一般來說，將若干LED的陰極連接在一起就是共陰式，將多只LED的陽極連接在一起就是共陽式。其在發光原理上具有非常明顯的相似性，如果某一個發光二極管的負極低電平的時候，其對應的二極管就會點亮。

顯示器一般情況下采用的是七段數碼顯示器的形式，LED數碼管動態顯示應用在多位LED顯示當中，為了對線路進行簡化處理，同時還要控制成本，我們需要將所有的段選位選線采用并聯的方式去連接，同時還要在這一過程中將所有的段位都連在一起，由一個8位的I/O接口進行控制，共陰極點或者是共陽極點分別由;另外的一組I/O接口進行控制。

由于所有的段選碼皆由一個I/O控制，因此，在每個瞬間，每個LED只能顯示相同的字符。要想每位顯示不同的字符，必須采用掃描顯示方式，即在每一瞬間只有某一位顯示相應字符，在此瞬間，段選碼控制I/O口輸出相應字符段碼，位選碼控制I/O口在該顯示位送入選通電平以保證該位顯示相應字符。如此輪流，使每位顯示該位顯示字符，并保持延時一定時間，以造成視覺暫留效果，不斷循環送出相應的段選取碼、位選碼，就可以獲得視覺穩定的顯示狀態。動態掃描的頻率有一定的要求，頻率太低，LED將出現閃爍現象。

結語

采用有限元分析方法將曲柄AB的一個循環周期均勻離散，然后進行參數化計算，通過直接修改連桿長度、鉸接點位置來實時、快速、精確控制曲線變化趨勢、范圍，為機構的設計、優化、評價提供理論參考依據，保證設計的可行性，最后通過仿真分析了四連桿挑線機構的末點的軌跡、位移和速度。

參考文獻

[1]孫桓，陳作模，葛文杰.機械原理[M].7版.北京：高等教育出版社，2011：30-47.

[2]吳青鳳.基于Matlab和實驗平臺的機構運動分析[J].實驗室研究與探索，2014，33（8）：140-142.

[3]左惟煒，鄧援超，魏兵.MATLAB的平面連桿機構運動分析與動態仿真[J].湖北工業大學學報，2011，26（4）：84-86.

[4]羅玉軍.VB環境下的雙曲柄滑塊機構運動分析[J].廣西工學院學報，2008，19（1）：51-54.

作者簡介：陳磊，陜西省西安市，身份證號：61012319830426****。