一種步進(jìn)電機(jī)控制剪線抬壓腳機(jī)構(gòu)*

徐建勇，周永光，潘慧英

（1.臺(tái)州市產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測(cè)研究院，浙江 臺(tái)州 318000；2.臺(tái)州方圓質(zhì)檢有限公司，浙江 臺(tái)州 318000）

1 縫紉機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)開(kāi)發(fā)背景

目前，就縫紉機(jī)運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)而言，電機(jī)是驅(qū)動(dòng)源，帶動(dòng)整機(jī)運(yùn)動(dòng)進(jìn)行縫制品縫制，縫制結(jié)束后后踏腳踏控制器，控制電機(jī)停止，剪線電磁鐵驅(qū)動(dòng)剪線裝置完成剪線后，抬壓腳電磁鐵驅(qū)動(dòng)壓腳抬起來(lái)，完成縫紉過(guò)程。電磁鐵作為驅(qū)動(dòng)源被大量運(yùn)用在縫紉機(jī)產(chǎn)品上使縫紉機(jī)的自動(dòng)化程度大大提升，電磁鐵作為單一驅(qū)動(dòng)源，控制簡(jiǎn)單，常用電磁鐵為直線運(yùn)動(dòng)或旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。電磁鐵初始狀態(tài)、極限狀態(tài)、中間運(yùn)動(dòng)過(guò)程不可控是電磁鐵的一大缺陷，隨著社會(huì)發(fā)展，人們對(duì)工作環(huán)境越來(lái)越重視，電磁鐵的發(fā)熱和聲響也將影響操作人員的舒適感。傳統(tǒng)工業(yè)繃縫機(jī)，抬壓腳機(jī)構(gòu)與剪線機(jī)構(gòu)將各自的電磁鐵作為驅(qū)動(dòng)源，完成獨(dú)立的動(dòng)作，電磁鐵通過(guò)通電控制電磁鐵的運(yùn)動(dòng)，來(lái)完成剪線或抬壓腳動(dòng)作，由于電磁鐵中間運(yùn)動(dòng)過(guò)程不可控，電磁鐵發(fā)熱等缺陷，剪線后抬壓腳影響繃縫機(jī)的整機(jī)性能。故需要尋找驅(qū)動(dòng)源的替代方案，來(lái)提升機(jī)器的整體性能，使剪線后抬壓腳整體動(dòng)作時(shí)間進(jìn)行優(yōu)化，提升縫紉機(jī)操作員的效率。由于步進(jìn)電機(jī)可以通過(guò)控制來(lái)輕松實(shí)現(xiàn)對(duì)步進(jìn)電機(jī)的控制，步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)聲響小、輸出穩(wěn)定、電機(jī)發(fā)熱少等優(yōu)點(diǎn)是步進(jìn)電機(jī)作為新的驅(qū)動(dòng)源的首選。機(jī)械部分可以通過(guò)凸輪形狀來(lái)控制不同動(dòng)作的擺幅和動(dòng)作時(shí)間。通過(guò)仿真來(lái)優(yōu)化凸輪輪廓優(yōu)化降低驅(qū)動(dòng)源的力矩，實(shí)現(xiàn)傳動(dòng)效率的優(yōu)化。隨著機(jī)電一體技術(shù)的發(fā)展，步進(jìn)電機(jī)作為可控的驅(qū)動(dòng)源日益受到設(shè)計(jì)人員的青睞，步進(jìn)電機(jī)作為驅(qū)動(dòng)源配合凸輪機(jī)構(gòu)，可以通過(guò)控制依次完成不同的動(dòng)作，實(shí)現(xiàn)一個(gè)步進(jìn)電機(jī)代替2 個(gè)或多個(gè)電磁鐵，真正實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)過(guò)程可控，機(jī)械結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)化的目的。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)方案分析

結(jié)合繃縫機(jī)的UT 機(jī)型具有自動(dòng)剪線和自動(dòng)抬壓腳功能，此功能在車工準(zhǔn)備縫紉時(shí)首先使抬壓腳電磁鐵抬起壓腳，車工放好縫料，自動(dòng)放下壓腳，壓住布料機(jī)器運(yùn)轉(zhuǎn)，在布上形成需要的線跡，縫紉結(jié)束后，剪線電磁鐵驅(qū)動(dòng)剪線機(jī)構(gòu)動(dòng)作完成剪線過(guò)程，抬壓腳電磁鐵抬起壓腳，車工取出縫料，完成整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程。

根據(jù)抬壓腳與剪線動(dòng)作進(jìn)行分析，抬壓腳與剪線動(dòng)作必須獨(dú)立運(yùn)作，不能相互影響，因此選用凸輪機(jī)構(gòu)，通過(guò)凸輪的輪廓線將步進(jìn)電機(jī)的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為剪線機(jī)構(gòu)的擺動(dòng)或抬壓腳機(jī)構(gòu)的擺動(dòng)，只需采用雙凸輪設(shè)計(jì)適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞憧墒箯膭?dòng)件得到預(yù)期的剪線與抬壓腳運(yùn)動(dòng)，而且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、設(shè)計(jì)方便。

3 機(jī)械方案原理介紹

目前市場(chǎng)上的步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)雙凸輪機(jī)構(gòu)，通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)的擺動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)單獨(dú)剪線與抬壓腳動(dòng)作，因此實(shí)現(xiàn)剪線后抬壓腳整體動(dòng)作的邏輯是先電機(jī)正轉(zhuǎn)一定角度（120°）完成剪線刀出刀到極限位置，步進(jìn)電機(jī)反轉(zhuǎn)相同角度（120°）回到電機(jī)初始位置剪線刀回刀完成剪線動(dòng)作后電機(jī)繼續(xù)反轉(zhuǎn)一定角度（120°）完成壓腳抬起動(dòng)作取出縫料，此過(guò)程由于先完成整個(gè)剪線動(dòng)作后實(shí)現(xiàn)抬壓腳過(guò)程，整個(gè)動(dòng)作電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)360°，整體連貫動(dòng)作時(shí)間長(zhǎng)，影響縫紉效率，為了提升剪線后抬壓腳整體動(dòng)作時(shí)間，可以通過(guò)控制步進(jìn)電機(jī)速度來(lái)減少整體動(dòng)作時(shí)間。因?yàn)椴竭M(jìn)電機(jī)的廣泛應(yīng)用，對(duì)步進(jìn)電機(jī)控制的研究也越來(lái)越多，在啟動(dòng)或加速時(shí)如果步進(jìn)脈沖變化太快，轉(zhuǎn)子由于慣性跟隨不上電信號(hào)的變化，產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)或失步，在停止或減速時(shí)由于同樣原因則可能產(chǎn)生超步。為防止堵轉(zhuǎn)、失步和超步，提高工作頻率，要對(duì)步進(jìn)電機(jī)進(jìn)行降速控制。因此可以將剪線刀回刀過(guò)程與抬壓腳過(guò)程重疊，以減少整體動(dòng)作時(shí)間，這樣步進(jìn)電機(jī)只需旋轉(zhuǎn)240°來(lái)完成整個(gè)剪線抬壓腳的動(dòng)作。機(jī)械結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1

步進(jìn)電機(jī)是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的。當(dāng)步進(jìn)驅(qū)動(dòng)器接收到一個(gè)脈沖信號(hào)，它就驅(qū)動(dòng)步進(jìn)電機(jī)按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)固定的角度（稱為“步距角”），它的旋轉(zhuǎn)是以固定的步進(jìn)角度一步一步運(yùn)行的。可以通過(guò)控制脈沖個(gè)數(shù)來(lái)控制角位移量，從而達(dá)到準(zhǔn)確定位的目的；同時(shí)可以通過(guò)控制脈沖頻率來(lái)控制電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)的速度和加速度，從而達(dá)到調(diào)速的目的，步進(jìn)電機(jī)的相數(shù)和拍數(shù)越多，它的精度就越高，因此減少步進(jìn)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)角度，減少整體動(dòng)作時(shí)間。由于步進(jìn)電機(jī)的起動(dòng)頻率特性使步進(jìn)電機(jī)啟動(dòng)時(shí)不能直接達(dá)到運(yùn)行頻率，要有一個(gè)啟動(dòng)過(guò)程，即從一個(gè)低的轉(zhuǎn)速逐漸升速到運(yùn)行轉(zhuǎn)速。停止時(shí)運(yùn)行頻率不能立即降為零，要有一個(gè)由高速逐漸降速到零的過(guò)程。

步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩隨著脈沖頻率的上升而下降，啟動(dòng)頻率越高，啟動(dòng)力矩就越小，帶動(dòng)負(fù)載的能力越差，啟動(dòng)時(shí)會(huì)造成失步，而在停止時(shí)又會(huì)發(fā)生過(guò)沖。要使步進(jìn)電機(jī)快速達(dá)到所要求的速度又不失步或過(guò)沖，其關(guān)鍵在于使加速過(guò)程中，加速度所要求的力矩既能充分利用各個(gè)運(yùn)行頻率下步進(jìn)電機(jī)所提供的力矩，又不能超過(guò)這個(gè)力矩。因此，步進(jìn)電機(jī)的運(yùn)行一般要經(jīng)過(guò)加速、勻速、減速三個(gè)階段，要求加減速過(guò)程時(shí)間盡量短，恒速時(shí)間盡量長(zhǎng)。特別是在要求快速響應(yīng)的工作中，從起點(diǎn)到終點(diǎn)運(yùn)行的時(shí)間要最短，這就必須要求加速、減速的過(guò)程最短，而恒速時(shí)的速度最高，通過(guò)優(yōu)化機(jī)械結(jié)構(gòu)，如圖1 所示的機(jī)械結(jié)構(gòu)將步進(jìn)電機(jī)的擺動(dòng)控制更改為單方向驅(qū)動(dòng)，減少電機(jī)反轉(zhuǎn)的控制過(guò)程，同樣的機(jī)械結(jié)構(gòu)，電機(jī)的控制方式不同，整體時(shí)間至少比原先整體時(shí)間降低1/3，減少整體運(yùn)動(dòng)時(shí)間，提升車工縫紉效率。

4 凸輪零件設(shè)計(jì)及步進(jìn)電機(jī)型號(hào)確定

（1）首先采用SolidWorks 繪制大致的零件結(jié)構(gòu)，并根據(jù)機(jī)器空間結(jié)構(gòu)確認(rèn)零件的大致尺寸，由于壓腳機(jī)構(gòu)與剪線機(jī)構(gòu)傳動(dòng)方式采用已有結(jié)構(gòu)，可以確定壓腳擺板轉(zhuǎn)動(dòng)角度為12.3°，壓腳可提升7mm，剪線軸行程19mm，剪線機(jī)構(gòu)可以完成剪線過(guò)程。

（2）凸輪輪廓設(shè)計(jì)，在機(jī)械結(jié)構(gòu)空間允許的條件下，基圓越大，壓力角越小。可適當(dāng)?shù)貙⒒鶊A的半徑取大些，有利于改善機(jī)械的傳力性能，降低輪廓制造誤差，凸輪與傳動(dòng)件增加滾子與凸輪的接觸，采用滑動(dòng)摩擦來(lái)傳遞力，減少凸輪磨損。剪線凸輪與抬壓腳凸輪的輪廓如圖2 所示，剪線凸輪與抬壓腳凸輪基圓A 圓弧半徑取10mm。基圓是剪線凸輪與壓腳凸輪的保持時(shí)間，根據(jù)整軸傳動(dòng)過(guò)程，各凸輪的保持角度至少120°，剪線過(guò)程與抬壓腳過(guò)程不會(huì)互相影響。根據(jù)凸輪傳遞過(guò)程可知，抬壓腳凸輪與剪線凸輪可以做整周旋轉(zhuǎn)，各凸輪輪廓線之間采用光滑過(guò)渡，所以抬壓腳凸輪與剪線凸輪極限點(diǎn)圓弧C 與基圓的距離確定。在SolidWorks 中，可以根據(jù)剪線行程與壓腳擺動(dòng)板轉(zhuǎn)動(dòng)角度確定出壓腳滾輪與剪線滾輪的大致安裝位置。凸輪傳遞運(yùn)動(dòng)中間過(guò)程的凸輪輪廓，可以依據(jù)計(jì)算機(jī)輔助設(shè)計(jì)對(duì)凸輪輪廓圓弧B 及圓弧C 的半徑進(jìn)行優(yōu)化來(lái)降低步進(jìn)電機(jī)的輸出力矩實(shí)現(xiàn)，并最終確定步進(jìn)電機(jī)的選型。

圖2

（3）根據(jù)機(jī)械空間位置電機(jī)的大致尺寸選擇86 步進(jìn)電機(jī)。凸輪輪廓具體長(zhǎng)度尺寸根據(jù)計(jì)算機(jī)SolidWorks motion 模擬仿真，對(duì)凸輪輪廓進(jìn)行優(yōu)化，并確定步進(jìn)電機(jī)理論扭矩驅(qū)動(dòng)壓腳的電磁鐵為120N，驅(qū)動(dòng)剪線機(jī)構(gòu)的電磁鐵為60N，因此對(duì)仿真機(jī)構(gòu)進(jìn)行簡(jiǎn)化只針對(duì)抬壓腳凸輪仿真，并最終完成步進(jìn)電機(jī)扭矩的選型。

（4）SolidWorks motion 仿真對(duì)電機(jī)力矩進(jìn)行確認(rèn)；首先完成相關(guān)零件三維建模，并根據(jù)抬壓腳相關(guān)參數(shù)完成凸輪的基礎(chǔ)建模。并對(duì)抬壓腳機(jī)構(gòu)力學(xué)模型進(jìn)行簡(jiǎn)化，將抬壓腳機(jī)構(gòu)的變化力轉(zhuǎn)化為橫力（120N）加在如圖1 的壓腳扳手上代替原來(lái)電磁鐵的力，將仿真計(jì)算過(guò)程簡(jiǎn)化。由于圓弧C 的半徑不能過(guò)小（半徑小加工要求高，凸輪保持不好），對(duì)凸輪外型初步確認(rèn)半徑大致定為R=6，R=7，R=8，仿真得到圖3-5。

圖3 （R=6mm）電機(jī)扭矩

圖4 （R=7mm）電機(jī)扭矩

圖5 （R=8mm）電機(jī)扭矩

（5）最終選R=6 的凸輪，步進(jìn)電機(jī)扭矩選用4.5N.M 的86 步進(jìn)電機(jī)。完成步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)剪線抬壓腳機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)。