電腦一體襪機縫合機構仿真研究

丁永達

（浙江偉盈智能科技股份有限公司，浙江 諸暨 311800）

0 引言

現階段，我國大部分織襪生產企業均采用傳統的二步成形法電腦襪機，此襪機需先進行襪身編織，再通過人工轉移至縫合機上進行襪口縫合加工，導致加工過程較為復雜，并且生產的織襪品種單一、產品生產效率和附加值較低，無法滿足日益增長的多元化織襪需求。針對此種情況，我國部分織襪生產企業開始引入電腦一體襪機，此襪機全織襪過程均可在同一臺設備上完成，有效提高織襪生產效率，并且在自動化、智能化技術的支持下，電腦一體襪機還可以通過調整編織程序實現織襪品種及樣式調整，更有利于增加織襪生產企業的生產效益和市場競爭能力[1]。然而現有研究缺乏對電腦一體襪機縫合機構的研究分析，使得后續縫合機構設計及優化調整中可參考成果不足，不利于我國電腦一體襪機的研究及發展。據此，采用有限元仿真分析方法，對電腦一體襪機縫合機構進行仿真分析，補充現有研究成果的同時，為后續研究和縫合機構設計提供支持。

1 電腦一體襪機縫合機構基本結構

1.1 電腦一體襪機的基本結構

電腦一體襪機是在傳統二步成型法電腦襪機基礎上，添加自動轉移機構和自動縫合機構后續形成的一種新型電腦襪機[2]。在具體運行中，電腦一體襪機可在織針、轉移針、沉降片等特殊零部件的支持下，將編制完成的襪身自動轉移到縫合機構上實施縫合處理，無須人工進行轉運操作，實現“一步成形”效果。角色電腦襪機基本結構如圖1 所示。

圖1 電腦一體襪機基本結構

1.2 縫合機構的基本結構

自動縫合機構作為電腦一體襪機的重要組成部分，其主要包括持線器、縫線剪刀、主要機件以及傳動機件共同組成。

持線器：設置于自動縫合機構的機架外側和輔助縫合針右側位置，主要作用為輔助主、輔縫合針完成線圈縫合工作。具體縫合作業中，持線器可隨著縫刺旋轉將縫合線跡脫落至襪身與襪口縫合線圈上，輔助完成襪口與襪身的對目縫合[3]。

縫線剪刀：設置于主縫合針座前側的自動縫合機構機架上。在主縫合針和輔縫合針完成襪身與襪口縫合后，縫線剪刀在頂桿的推動下向前移動，張開剪刀/閉合剪刀，剪斷縫合線，然后在彈簧的回彈作用下恢復至原位。

主要機件：主縫合針和輔縫合針。兩種縫合針均是針柄與針座相連，并通過針座向縫合針傳遞上下運動的動力。縫合針外側設置有一個用于容納縫合線的線槽，線槽設置方向與針孔方向保持一致[4]；為避免縫合針在縫合過程中出現針身與縫合線相互摩擦情況，縫合針上設置有長槽結構。缺口則設置在縫合針針孔前后兩側區域，針尖則設置于針身的最前端。具體縫合針結構如圖2 所示。

圖2 主要機件示意圖

傳動機件：主要包括平面曲柄搖桿和空間曲柄搖桿兩部分，均由連桿、曲柄、搖桿以及機架等共同組成。其中曲柄是傳動機件中的主動件，其在運行中會進行周期性圓周運動，并帶動其他傳動機件進行持續運動；連桿與曲柄相連，并隨著曲柄的圓周運動進行持續上下運動，帶動搖桿實施搖擺運動；機架則作為傳動機件的固定結構。在實際生產過程中，曲柄每旋轉1 周便會帶動連桿進行1 次上下運動，進而帶動搖桿完成1 次搖擺運動，最終帶動縫合針完成1 次縫合工作。

2 一體襪機縫合機構有限元仿真模型構建

常用的三維建模軟件種類較多，不同的三維建模軟件適用范圍也略有差異。如CATIA 等軟件適用于航空航天、飛機制造等大型機械裝置的三維建模分析；SolidWorks、Creo 等軟件則適用于醫療器械、機械設備等小型機械裝置的三維建模分析。相對來說，電腦一體襪機縫合機構的整體結構尺寸較小，所以應優先選擇小型機械裝置三維建模軟件[5]。同時，Solid-Works 三維建模軟件無法實現變截面掃描時的方程求解，適用范圍較小，因此,綜合分析后選用Creo 作為模型構建三維軟件。

基于電腦一體襪機縫合機構的基本結構，通過Creo 三維建模軟件構建各關鍵結構件二維模型圖，并為模型配置幾何參數、定義幾何約束。然后，為二維模型設置孔特征、殼特征等實體特征。最后，通過模型拉伸、旋轉、陣列等方式將二維模型轉變為三維幾何模型，根據由下及上的順序，將形成的各關鍵結構件三維幾何模型進行實體裝配處理，檢驗裝配后模型之間是否存在鑲嵌等干涉問題。

確認裝配后三維幾何模型無誤后，將模型導入到ANSYS 有限元仿真軟件中，忽略圓角、倒角等對模型結構性能影響較小的細微特征，保障模型仿真分析精度的同時，降低計算機仿真分析壓力，提高仿真分析效率。

根據縫合機構的材料屬性差異，將縫合機構的主要機件分為縫合針、縫合針座、傳動桿、同步帶、機架等，其中縫合針、縫合針座以及機架均采用Solid185單元和Rigid 材料，具體材料屬性包括材料密度、楊氏模量以及泊松比，分別為7820 kg/m3、2.19 × 1011Pa、0.28；傳動桿和同步帶分別采用Solid186 單元和Solid185 單元，材料采用Elastic 材料，對應的材料密度、楊氏模量以及泊松比分別為7840 kg/m3、2.17 × 1011Pa、0.28。設置材料屬性后，對模型進行網格劃分處理。其中，縫合針采用六邊形三維實體掃略網格劃分模式，網格密度設置為1；縫合針座采用六邊形三維實體掃略網格劃分模式，網格密度設置為6；傳動桿采用六邊形映射網格劃分模式，網格密度設置為6；機架采用四邊形自由網格劃分模式，網格密度設置為6。

3 一體襪機縫合機構動力學仿真分析

3.1 主縫合針動力學仿真分析

通過測量分析測得電腦一體機縫合機構的最大轉速為3600 r/min，對應加速度為754 rad/s。

通過ANSYS 軟件進行有限元仿真分析，得到以下縫合針隨縫合機構主軸轉角的位移、速度以及加速度關系圖。如圖3（a）所示，隨著縫合機構主軸轉角的持續增大，主縫合針位移曲線表現出先增加后下降，再增加再下降的周期性往復運動特征。其中在主軸轉角120°和270°時，主縫合針的位移曲線達到較大值，分別為14.96 mm 和14.73 mm。如圖3（b）所示，隨著縫合機構主軸轉角的持續增大，主縫合針的速度曲線表現出周期性持續波動下降的特征。其中最大主縫合針速度出現主軸60°時，其次為主軸240°時，對應的主縫合針速度值分別為2.48 mm/s 和0.51 mm/s。如圖3（c）所示，隨著縫合機構主軸轉角的持續增大，主縫合針的加速度曲線表現出先增加后下降，再增加再下降的周期性變化特征。其中在主軸轉角為30°和210°時，主縫合針加速度值相對較大，分別為1.12 mm/s2、0.28 mm/s2。

圖3 主縫合針運動仿真曲線圖

3.2 輔縫合針動力學仿真分析

通過ANSYS 軟件進行有限元仿真分析，得到以下縫合針隨縫合機構主軸轉角的位移、速度以及加速度關系圖。如圖4（a）所示，隨著縫合機構主軸轉角的持續增大，輔縫合針位移曲線表現出先增加后下降的周期性往復運動特征。其中在主軸轉角180°時，輔縫合針的位移曲線達到最大值，對應的位移變化值為12.73 mm。如圖4（b）所示，隨著縫合機構主軸轉角的持續增大，輔縫合針的速度曲線表現出先增加后下降的周期性持續波動變化的特征。其中最大輔縫合針速度出現主軸80°時，對應的輔縫合針速度值為1.27 mm/s。如圖4（c）所示，隨著縫合機構主軸轉角的持續增大，輔縫合針的加速度曲線表現出先突然增加再緩慢增加，后持續下降在快速增加的變化特征。其中在主軸轉角為45°和300°時，輔縫合針加速度值相對較大，分別為0.23 mm/s2、0.21 mm/s2。

4 仿真分析方法的應用與對比

為確認電腦一體襪機縫合機構的仿真分析精準性，分別對主縫合針和輔縫合針隨縫合機構主軸轉角變化情況進行理論計算分析，進而交換計算結果統計匯總層主縫合針和輔縫合針隨縫合機構主軸轉角位移變化曲線如圖5 所示。

圖5 主、輔縫合針位移變化曲線圖

由圖5 可知，主縫合針在主軸轉角120°和270°時位移曲線達到峰值，分別為14.96 mm 和14.73 mm；輔縫合針在主軸轉角180°時達到位移曲線峰值，對應的位移變化值為12.73 mm。對比圖5 和圖3（a）、圖4（a）可知，理論分析結果中主縫合針位移變化曲線、輔縫合針位移變化曲線與仿真分析結果中主縫合針位移變化曲線、輔縫合針位移變化曲線基本一致，初步確認仿真分析結果具有較高精準性。

5 結語

基于電腦一體襪機縫合機構的基本特征，結合Creo+ANSYS 軟件實施縫合機構動力學仿真分析，并在分析中得到以下研究結果：隨著縫合機構主軸轉角的持續增大，主縫合針位移曲線和加速度曲線均表現出先增加后下降，再增加再下降的特征，而速度曲線則表現出周期性持續波動下降的特征；隨著縫合機構主軸轉角的持續增大，輔縫合針位移曲線和速度曲線均表現出先增加后下降的周期性變化特征，而加速度曲線則表現出先突然增加再緩慢增加，后持續下降在快速增加的變化特征；通過對比理論分析結果與仿真分析結果，確認兩種分析結果直接變化趨勢基本一致，確認仿真分析結果具有較高精準性。