基于單面縫合裝置挑線機構的改進及其線跡優化

中圖分類號：TS103.1 文獻標志碼：A 文章編號：1009-265X（2025）08-0035-09

單面縫合技術作為一種彌補傳統縫合工藝不足而開發的創新技術，其本質上是通過縫合手段增強復合材料在垂直于鋪層平面方向上的力學性能，從而提高材料層間的損傷容限。

德國于1997年首次申請了單面縫合工藝（OSS）的專利，隨后，KSL公司將纖維縫紉機構與工業機器人結合，開發出了用于生產復合材料預制體的單邊縫合機器人[1]。挑線機構作為縫合設備中最通用的組件之一，負責縫線的輸送、收回及拉緊。因此，挑線機構設計在很大程度上決定了線跡質量。姚福林等[2開發了一種單邊縫合機器人末端縫合設備，采用傳統縫紉機的挑線機構模型替代單邊縫合設備的供線機構，發現了單周期內供線量函數。MAHOUIEHKO等[3在研究1022型縫紉機的基礎上，對挑線機構進一步改進，在連桿關節處增設叉桿狀的搖臂，規劃了輸送線道，解決了面線過剩的問題。潘杰等4研究了單面縫合雙針夾角對線跡成型的影響，并通過實驗驗證了單面縫合裝備結構設計的合理性，為線跡優化提供了實驗依據。Dong等[5]基于現有OSS 縫合工藝存在的脫鉤和誤鉤問題，對原有工藝進行了改進，設計出具有軌跡疊加功能的拉線機構，為理想線跡的形成提供了參考。

單面縫合裝置直接影響線跡質量，而挑線機構在其中起到了關鍵銜接作用。本文在分析單面縫合裝置工作原理的基礎上，探究OSS工藝下的縫線供需平衡模型，設計與之適配的挑線機構和更為合理的線道布局。本文旨在實現高質量縫合效果，促進單面縫合裝置及其相關技術的發展。

1單邊縫合裝置設計及運動分析

1.1 縫合工藝描述及裝置結構介紹

OSS單邊縫合技術是由兩根傾斜的縫合針在縫料的一側配合完成周期性縫合動作的縫合方法[6]具體縫合流程如圖1所示：a.引線針刺入縫料并回退形成線環;b.鉤線針穿過縫料，勾住“最佳線環”；c.兩針回退過程，鉤線針勾出線環，縫料移動一個針距；d-f.引線針再次刺入縫料形成下一個線環，同時鉤線針下落，并且上個周期線環脫落至縫料表面。重復b動作，新形成的線環正好穿過上一個脫落線環的中心，如此環環相扣，形成鏈式縫合線跡。按照工藝要求，本文設計的單邊縫合裝置樣機結構如圖2所示。縫合機構主要包括引線機構、鉤針機構和挑線機構。其中引線機構采用曲柄導桿滑塊式設計，鉤針機構采用槽型凸輪導桿滑塊式設計，挑線機構采用對心齒輪五桿機構設計，三者通過傳動比為1：1 的同步帶輪進行傳動。絲杠升降機構連接主體縫合頭，驅動各機構升降，待壓緊框壓實放置臺上的縫料后開始縫合。

1. 2 縫合機構運動設計

實驗驗證引線針和鉤線針保持 45^° 夾角為最佳縫合角度（見圖3（b）），此時形成的線環最穩定[7]圖3（a）為最佳線環成形過程圖，引線針針在刺入縫料回退的過程，線環成型經歷三個階段：回退位移過大一最佳回退位移—回退位移過小。當引線針刺入縫料到達下極限位置并回退 3mm 距離時，形成了“最佳線環”，此時鉤線針勾中線環。圖3（c）為兩針運動階段 Y 方向配合階段圖，當引線和鉤針機構均在上極限位置時，主軸轉角為 0^° 。當主軸轉動 95.6^° 時，引線針刺入縫料，主軸轉動 213^° 時，勾中最佳線環（對應圖3中 D 點），由于鉤針機構采用凸輪機構，可以在明確引線針運動規律后，通過調整凸輪廓線函數實時配合引線機構運動規律[8] 。

圖1OSS單面縫合工藝流程圖

圖 2 縫合裝置樣機結構設計圖

圖3最佳線環成形過程及兩針運動配合階段圖

Fig.3Diagram of the optimal wire loop forming process and the stages of two-needle motion coordination

2 單面縫合線量分析

2. 1 單周期線量供需關系

在單邊縫合操作過程中，縫線需線量與供線量的關系很大程度地影響著縫合線跡質量，只有滿足需線量等于供線量時，縫線的輸送才能處于穩定狀態，從而形成理想的縫合線跡。供線平衡方程如式（1）所示：

式中： 為挑線機構輔助線筒供線總量;

為縫合過程總需線量。

單周期縫合線跡穩定成型條件包括三個階段：引線針穿刺縫料、鉤線針勾出線環以及針距間的移動。

式中： 為引線針穿刺縫料階段的需線量; 為鉤線針勾出線環階段的需線量； 為單周期縫合總需線量； X_move 為針距間的移動所消耗的線量。

單周期內線跡成型的縫線路徑的分析如圖4可知，總耗線量為：

式中： N 為單周期總耗線量； Z 為縫料的厚度； s 為縫合針距； T 為兩針在縫料表面距離； θ 為引線針與縫料豎直方向的夾角。

圖4單周期縫線總消耗量

2.2 縫合過程供需線量分析及挑線機構的改進

圖5中實際用線量是通過設備測量的，圖中紫色虛線框為裝置簡圖，具體方法如下：以引線針孔為基準，形成線環一側的線量記為需線量，針孔右邊的線量余值為供線量。測供線量時，把線一端栓結在針孔上，反向繞線，原本放紗線筒的一側栓一重物，起拉緊線作用。記下軸旋轉角度和砝碼位置，測量時將標尺的大示數向下。測量一周的值，然后將供線量減去需線量得到實際用線量，以引線針的上極限位置為相位零度，記錄單周期內放線筒的實際用線量。由實際用線量曲線顯示，當相位轉角為95.6^° 時，線量消耗顯著增加。引線針處于穿刺縫料階段（ θ=0～95.6^°， 時，實際用線量并未明顯增加的原因是上一周期末階段仍存有富余縫線。依據線跡穩定成型的條件可以得到理論需線量曲線，可以發現實際用線量與理論需線量前半程和后半程存在較大差異，但中程線量走勢接近。可以得出結論：理論模型推導出來的理論需線量曲線和實際測得的用線量并不相同。

圖5供線量定義與需線量關系圖 Fig.5Relationship between supply thread volumeanddemandthreadvolume

圖5中藍色曲線為本文設計的挑線供線量模型，轉角為 0～95.6^° 時供線量減少，挑線機構起到收緊縫線作用。在轉角為 180^° 時，引線針達到下極限位置，挑線供線量達到最大值。在轉角 180^°～255^° 時，線環尚未接觸縫料，由于上一個階段的富余線量，該過程不參與線量消耗，挑線供線量減少。轉角在 255^°～360^° 時，經歷了鉤線針勾出線環至縫料表面階段（ θ=255^°～310^°） 和針距間移動的需線量階段（ θ=310^°～360^° ），線量先增加后減少，而挑線供線量則增加。

圖6中的\"收線角 φ_s ”指挑線機構從開始收線到結束收線階段曲柄旋轉的角度差，傳統工業平縫機利用四連桿機構的急回特性，以實現更快的收線速度，一般保持收線角約為 95^°～120^° 。本文在改進前是使用傳統的四連桿式機構，其收線角為128.6^° ，改進后采用了齒輪五桿挑線機構，使收線角達到 180^° 。根據單周期線跡成型的需線量函數，挑線供線量模型可分為四個區間段， P₁-P₂ （0～95.6^° 和 P₀-P₃ （ 180^°～255^°） 為收緊區; P₂-P₀ 0 95.6^°～180^°） 和 P₃ 一 ?P₁ （ 255^°～360^°） 為放線區。顯然，本文中的單邊縫合供線規律與傳統工業平縫機四連桿式挑線機構所對應的兩段式“放線一收緊”存在顯著差異。

圖6挑線機構 y 方向位移及供線量模型圖 Fig.6Model diagram of y -direction displacement and wire supply volume of the thread pick-up mechanism

3優化縫合線跡

3.1 齒輪五桿機構數學模型

如圖7為齒輪五桿機構運動學分析簡圖，原動件是一對按定比運動的外嚙合齒輪，已知原動件是AB 或 DE，l₁?l₂?l₃?l₄ 和 分別代表機構的桿長，兩原動件初始相位角為 φ₁ 和 φ₄ ;角速度為 ω₁ 和 ω₄ ，取鉸鏈 A 點為絕對坐標系的坐標原點，求解機構輸出點 C 的位置 （x_c，y_c） 。由封閉矢量法，可得：

由各矢量在 x，y 軸上投影，可得 C 點位置方程：

將式移項后平方相加，消去 φ₃ 得：

A₀sinφ₂+B₀cosφ₂+C₀=0

式中： Ω_;A₀=2l₂（x_B-x_D） ; ; C₀=（x_B-

解得：

式中的“ 和“-”表示 C 點存在的兩種桿組擺放位置（即圖7中 C 和 C₁ 點兩種可能位置），其中 B 點：（χb，yB）=（sinφ1， l₁（cosφ₄） ， D 點： （x_D，y_D）= （ l₄sinφ₄ ， l₅-l₁cosφ₄） 將 φ₂ 值代入各式可求得 C 點坐標。

圖7齒輪五桿機構運動學分析簡圖Fig.7Sketch of kinematic analysis of gearedfive-barmechanism

3.2 優化線道布局

縫線是一種一維的撓性體，只有在特定的張力條件下才能形成預期的形狀。縫線的張力主要通過張力調節器和縫線道布局來控制。縫線道布局的設計對于維持縫線過程所需的張力和滿足挑線過程中線量供應至關重要9。圖8中展示了縫線線道布局，縫線從線筒拉出，依次經過張力調節器1、導線器N、挑線孔、導線器M、張力調節器2、導線器L及引線針孔。整個過程線程經歷四個階段， S₁-S₂ ：縫線供應階段線程（C到 G₁ ）； S₂-S₃ ：挑線機構作用階段（ G₁ 到 T₂ ）； S₃-S₄ ：縫合前縫線張力預緊階段（ T₂ 到B）; S₄-S₅ ：縫合后線程（B以后）。挑線機構的實際供線量，取決于挑線孔的運動軌跡和線道布局。結合圖6供線量模型可知，挑線孔在導線器M和N連線上，導紗器M和N間的線線量最小。ΔL₁ 是 P₁-P₂ 收緊區和放線區 P₃-P₁ 的線量差，ΔL₂ 是收緊區 P₀-P₃ 和放線區 P₂-P₀ 的線量差。推導出挑線機構的挑線孔從最高位置下降至最低位置再次回到最高位置的線量變化關系式：

本文挑線孔中心、導線孔M和導線孔N均位于同一平面，故轉換為平面公式：

圖8 線道布局圖

Fig.8Layout of the line channel

根據縫線線道布局，確定了導線器M和N的實際線道布局圖（見圖9（a）），在該布局中，水平方向上有三條直線匯交于同一點 P₂ ，分別是藍色的線段M₃₀N₃₀ 、紅色的線段 M₃₁N₃₁ 和青色的線段 M₃₂N₃₂ ，依次經過點 P₂P₃₀ 點 P₂P₃₁ 和點 P₂P₃₂ 。圖中深紅色的曲線呈現上下對稱的類“8”字，表示本文挑線機構的挑線孔運動軌跡。為了明確挑線孔運動規律，首先需要將機構運動到軌跡路徑的最低點 P₁ 作為初始 0^° 相位角，當主動齒輪逆時針轉動 95.6^° 時，曲線軌跡從最低點 P₁ 運動至點 P₂ ，繼續轉動角度至180^° 后，達到最高點 P₀ ，從點 P₀ 返回點 P₁ 的過程依次經過點 P₃₀、P₃₁ 和 P₃₂ ，經初始 0^° 相位角后，轉過的相位角差值依次為 250^°，255^° 和 260^° （見圖9（b））。由于各階段需線量需通過挑線機構的供線處理，并經過線跡收緊過程，因此實際供線量略大于理論需線量。為此，實現供需線量的平衡，引入了“富余系數\"8，此系數相當于增加了收緊區和放線區間的線量。然而，“富余系數”不宜過大，根據圖9（a）導線孔M和N的線道布局定位圖可知，“富余系數” δ 一般控制在 0～5mm 時，此時 M 點 Ω，N 點的位置相對于挑線路徑還在可控范圍內，若將系數接著變大，位置的距離變化也加劇抖增，一方面造成線量冗余，不匹配本文所對應的線量值，另一方面導致M 點、 N 點安裝位置過遠，不適宜加工。故本文將“富余系數” δ 選擇在 0～5mm 范圍內（見圖6）。

圖9（a）中三種顏色直線上的點 M 和點 N 分別連接軌跡路徑的最高點 P₀ 、最低點 P₁ ，形成了一個四邊形，將四邊形的上下部分用不同顏色標識以區分開。表1列出了在不同角度下，點 M 和點 N 在不同線量差值下的坐標，計算五組線量差值： ΔL₁= ΔL₁₀+δ ; ΔL₂=ΔL₂₀+δ ，包括（18，28）、（20，28）、（22，28）、（18，30）和（18，32），其中 ΔL₁₀ 和 ΔL₂₀ 表示理論線量。基于15組點 M 和點 N 的坐標，繪制了線道布局圖。其中，線量差值為（18，30）和（18，32）的組別用虛線表示，而（18，28）（20，28）和（22，28）的組別用實線表示。青色直線 M₃₂N₃₂ 經過點 P₃₂ 和點P₂ ，形成四邊形 P₀M₃₂N₃₂P₁ ，圖中顯示點 M 和點 N 距離軌跡路徑過近，導致選取青色直線上的點 M 和點 N 作為過線孔的位置不合適，原因在于一方面過線孔距離軌跡路徑太近，無實際安裝位置，另一方面過線孔與挑線孔距離接近影響縫線張力。相對而言，由紅色和藍色直線上的點 M 和 N 組成的四邊形P₀M₃₀N₃₀P₁ 和 P₀M₃₁N₃₁P₁ 能滿足過線孔的定位條件。在合理范圍內，實際過線孔的選擇還需參考裝置的尺寸大小和整體線道的空間布局范圍進行靈活調整。本文選擇了圖中箭頭標注的點 M 和點 N 作為過線孔安裝位置，具體坐標為：點M（18.12，44.86）和點N（47.96，13.57）。本文分析了合適的齒輪五桿機構的參數，以滿足供線需求，并結合線道布局，設計了符合“四段式”供線量模型的挑線機構。

圖9 線道布局定位圖

Fig.9Line road layout positioning plan

表1不同角度點 P₃ 在不同線量差值下 M 和 N 點的位置關系

實驗設計及驗證

本文利用實驗室自研的單面縫合裝置進行了縫合實驗，實驗分為三個部分，如圖10所示：無挑線機構組、增設挑線機構組和改進實驗組。無挑線機構組（見圖10（a））為縫線直接連接張力調節器，增設挑線機構組（見圖10（b））是在無挑線機構組基礎上增加四桿式挑線機構，改進實驗組（見圖10（c））則是在無挑線機構組基礎上增加齒輪五桿挑線機構和線道布局。控制縫線張力的關鍵在于張力調節器和線道布局。因此，在實驗開始前，將各實驗組的縫線張力保持一致，僅需通過調節張力調節器的螺母位置來改變彈簧預緊力。

在這三部分實驗中，依次縫紉10、20、30、40針和50針，共5組針數，每種針數各縫紉3次，取3次實驗的平均值作為最終結果[10]。實驗材料包括羊毛氈、碳纖維布、復合海綿、PVC皮革和玻璃纖維布，材料厚度約為 1.5mm ，其中碳纖維布和玻璃纖維布采用疊加方式，厚度約為 1.2～1.5mm^[11] 圖11中展示了縫合過程中出現的幾種線跡質量問題，包括脫鉤、浮線、線跡過緊及針距誤差過大等現象，優秀線跡評價的標準是針距均勻和收線松緊適宜。

表2中列出了各組實驗的線跡優秀率。圖12（a）中展示了在縫合20針數時五種材料的縫合情況，可以看出，改進實驗組在線跡質量上相較于無挑線機構組和增設挑線機構組有明顯改善。圖12（b）中則為各實驗組線跡優秀率柱狀圖，清晰顯示出改進后實驗組的表現最佳，且不同材料的縫合成功率存在顯著差異。

圖10 實驗圖

Fig.10Experimental diagram

表2多組實驗下的線跡優秀率

Tab.2 Stitch trace excellence rate under multi-group experiments

圖12三組實驗下縫合效果圖及優秀率柱狀圖

5 結論

為了探究挑線機構對單面縫合線跡質量的影響，本文通過分析縫合過程中線量供需平衡關系，改進了挑線機構的數學模型，結合了設計的線道布局，完善了單面縫合線跡的穩定成型條件。經過實驗和觀察得出的主要結論以下：

a）完善單周期縫合線跡穩定成型條件，解決了線跡松散或過緊的問題。b）設計采用齒輪五桿機構取代傳統的四連桿式挑線機構，使供線和收線過程更加平滑和同步，減少了線量不匹配導致的線跡缺陷，從而提升了整體縫合質量。c）優化了線道布局，結合挑線機構的運動軌跡，有效地控制了縫線的張力。通過精確調節線道中各個導線孔的位置，縫線在整個縫合過程中保持最佳的張力狀態，進一步提高了縫合的效率和線跡的一致性。

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Abstract：One-sided-stitching techniquescan enhance the mechanical propertiesof composites in the vertical direction，improvethe interlaminar damage tolerance，oferadvantages of flexible operating space andapplicability to a wide range of structural components.However，the one-sided stitching device is prone to several phenomena such as missng hook，slackness ofthe stitching，tightness ofthe stitching and inaccurate stitching distance，which results in poor stitch quality and low success rate of the stitching.On the basis of analyzing the working principle of the one-sided sewing device，the mathematical model of the thread take-up mechanism is improved based on the concept of balancing the supply and demand of the seam quantity，and the parameter analysis is conducted using the Matlab software to metthe synergy between the supply quantity of the stitching of the thread take-up mechanism and the seam quantity required for sewing. Combined with the designed layout of the thread path，the stable molding conditions of one-sided sewing stitches are improved.The experiment is divided into three groups，namely，no thread take-up mechanism group，aditional thread take-up mechanism group and improved experiment group.The position of the nut of the tension adjuster is controlled to change the spring preload force，so as to maintain the same stitch tension in each group before the start of the experiment，and to investigate the influence of the thread path layout onthe stitch.The experimental materials are woolen felt，carbon fiber fabric，composite sponge，PVC leather and glass fiber fabric，and the thickness of the materials is about1.5mm.Specifically，thecarbon fiberfabricand glassfiber fabric are stacked，the thickness is about 1.2-1.5 mm.In the three parts of the experiment，10 stitches，20 stitches，30 stitches，40 stitches and 50 stitches are sewn in order，with a total offive groups ofstitches，and each stitch is sewnthreetimesand the average value is taken as the experimental results.The experimental results show that the improved experimental group shows significant improvements in thread stitch compared to both the no thread take-up mechanism groupand the additional thread take-up mechanism group.There are significant differences in stitching succssrates under different experimental materials，with PVC leather having thebest stitching efect.The improved device significantly improves the seamqualityand verifies the rationality of the structural design of the unilateral sewing device.

Keywords：one-sided-stitching techniques；thread take-up mechanism; seam quality； thread path layout;balance of supply and demand; one-sided sewing device