李曉濤，袁嫣紅，張　濤

(1.浙江理工大學浙江省現(xiàn)代紡織裝備技術重點實驗室，杭州 310018；2.中捷縫紉機股份有限公司，浙江臺州 317600)

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電腦刺繡機壓腳驅動機構的改進設計

李曉濤1，袁嫣紅1，張濤2

(1.浙江理工大學浙江省現(xiàn)代紡織裝備技術重點實驗室，杭州 310018；2.中捷縫紉機股份有限公司，浙江臺州 317600)

為解決現(xiàn)有電腦刺繡機機頭壓腳在工作時會與其他零件產(chǎn)生碰撞的問題，對現(xiàn)有電腦刺繡機壓腳的工作原理進行分析,找出碰撞產(chǎn)生的原因，運用復數(shù)矢量法和Matlab聯(lián)合求解壓腳運行規(guī)律。在保持壓腳運行規(guī)律不變的情況下提出了盤式凹槽凸輪和搖桿滑塊機構配合驅動壓腳的改進設計，利用反轉原理用解析法求解凸輪輪廓曲線。改進的壓腳驅動機構設計消除了機頭壓腳與其他零件的碰撞，降低了機架振動滿足高速化的技術要求。

電腦刺繡機；機頭；壓腳；驅動機構；改進設計；凸輪

0　引　言

電腦刺繡機工作時，機架的振動是影響刺繡機刺繡精度以及限制刺繡機高速化的主要因素，而刺繡機機頭是刺繡機機架振動的主要激振源。電腦刺繡機機頭在工作時，完成的動作分別是：挑線桿的挑線、針桿的刺布、壓腳的上下，其中壓腳的上下動作起到防止繡針抬起時布料被帶起的作用。目前常用機頭在實現(xiàn)壓腳上下動作時，由于壓腳驅動方式設計上的缺陷，壓腳在一個運行周期內會與針桿以及針桿箱各產(chǎn)生一次碰撞。兩次碰撞對機架以及驅動轉軸形成了沖擊載荷，多個機頭沖擊載荷的疊加加劇了機架的振動，同時也造成驅動轉軸載荷的周期性波動，影響刺繡機工作的穩(wěn)定性，降低刺繡精度，對驅動電機和機器壽命都造成了不利影響。同時，兩次碰撞也是電腦刺繡機工作中噪聲的主要來源之一。對壓腳的驅動方式加以改進，以消除沖擊載荷、降低噪音，這對提高機器性能非常重要。

目前，國內針對電腦刺繡機的研究工作主要圍繞提高刺繡機生產(chǎn)效率和提高刺繡機刺繡產(chǎn)品精度兩方面主題展開，研究內容包括：對刺繡機機架的振動分析及機架的改進設計[1-7]，對電腦刺繡機機頭刺布機構的運動學分析及優(yōu)化設計[8-10]，對刺繡機機頭挑線機構的運動學分析及創(chuàng)新設計[11-15]，但缺乏針對壓腳驅動方式的分析研究工作。壓腳作為機架沖擊載荷的產(chǎn)生源之一，它的研究及改進設計對實現(xiàn)刺繡機高速化以及提高產(chǎn)品精度有著不可或缺的作用。

本文通過對電腦刺繡機機頭工作原理的分析，分析現(xiàn)有電腦刺繡機壓腳驅動方式的工作原理以及碰撞形成原因，并運用復數(shù)矢量法和Matlab相結合的方法，對壓腳所需的運動規(guī)律進行分析計算，在此基礎上提出了壓腳驅動方式的改進設計，并對改進的機構進行了參數(shù)化設計。

1　電腦刺繡機機頭結構組成與壓腳工作原理分析

1.1電腦刺繡機機頭結構組成

電腦刺繡機的機架結構是大跨距橫梁結構。圖1為中捷大宇機械有限公司某型號40頭平繡機模型圖，刺繡機機頭安裝在橫梁的一側，并且由同一根驅動軸驅動。

圖1　40頭平繡機模型

電腦刺繡機機頭是刺繡機刺繡動作的主要執(zhí)行部件，也是刺繡機大梁的激振載荷的主要產(chǎn)生源，它主要由機頭驅動機構和針桿箱兩部分組成。圖2為中捷大宇機械有限公司六針平繡機頭模型的左視圖。機頭驅動機構用于驅動挑線桿挑線以及針桿的刺布，壓腳上下動作由針桿和針桿箱以及針桿箱中的彈簧配合實現(xiàn)。

1.機頭驅動機構　2.針桿箱　3.壓腳圖2　六針平繡機機頭模型左視圖

1.2電腦刺繡機機頭壓腳工作原理

在工作中，電腦刺繡機壓腳隨著針桿升起和下降，在壓腳上升時布料移動，壓腳下降時刺繡，保護線跡防止針桿抬起時布料被帶起。因此，電腦刺繡

機壓腳是實現(xiàn)刺繡工作、提高刺繡品質不可缺少的部件。刺繡機機頭內部機構組成模型如圖3所示。壓腳和針桿一起安裝針桿箱內，在機頭驅動機構中偏心輪1、偏心連2桿以及三眼連桿3形成曲柄搖桿機構，三眼連桿3、小連桿4以及在滑軸6上滑動的滑塊5組成搖桿滑塊機構，兩機構配合實現(xiàn)對針桿刺布動作的驅動。上彈簧8和下彈簧9對針桿7和壓腳10進行初始定位，下彈簧9與針桿7相互配合形成刺繡時壓腳的運動。

1.偏心輪　2.偏心輪連桿　3.三眼連桿　4.小連桿　5.滑塊　6.滑軸　7.針桿　8.上彈簧　9.下彈簧　10.壓腳　11.針桿箱圖3　電腦刺繡機機頭內部結構

在電腦刺繡機的一個工作周期內，針桿7從初始位置開始時向下運動，同時下彈簧9推動壓腳10向下運動，壓腳在向下運動的過程中與針桿箱11發(fā)生碰撞，然后停止不再移動，針桿7繼續(xù)向下完成刺布動作。針桿7回位時，針桿7與壓腳10發(fā)生碰撞，帶動壓腳10向上運動回到初始位置。針桿運動過程的機構簡圖如圖4所示，f點和g點為兩次碰撞發(fā)生位置，箭頭代表針桿運動方向。

1.針桿　2.上彈簧　3.下彈簧　4.壓腳　5.針桿箱　6.臺板圖4　壓腳運動示意

壓腳與臺板之間始終存在較大間隙，即使在生產(chǎn)中兩者之間存在布料的情況下布料對壓腳的作用力依然很小，因此在分析中忽略臺板對壓腳的作用力。在實際生產(chǎn)中，為了減小這一沖擊載荷對機架的影響，在兩個碰撞位置安裝有橡膠墊，但是這種改進措施可以減輕卻不能消除沖擊載荷。當刺繡機轉速提升或機頭數(shù)增多時，這一沖擊載荷對機架以及對驅動轉軸造成的影響更為嚴重，同時也加劇了碰撞產(chǎn)生的噪聲。

2　壓腳的運動學分析

本文以電腦刺繡機原始壓腳機構為研究對象，在保持原來壓腳運動規(guī)律的前提下，提出壓腳驅動機構的改進設計。壓腳在一個運動周期內的運動分為三部分：第一部分為壓腳發(fā)生第一次碰撞之前，此階段壓腳與針桿同步運動；第二部分是為第一次碰撞與第二次碰撞之間，壓腳保持靜止；第三部分為第二次碰撞之后，壓腳又與針桿同步運動。只要分析出針桿的運動學特性就可以得出壓腳在工作時的運動規(guī)律。

2.1復數(shù)矢量法分析壓腳運動

電腦刺繡機機頭內部各個機構的運動屬于平面運動范疇，根據(jù)機頭內部結構畫出刺繡機機頭的機構簡圖，如圖5所示，O1點為驅動轉軸旋轉中心，O2點為三眼連桿與機殼組成轉動副旋轉中心。

圖5　刺繡機機頭機構簡圖

在圖5中，首先對偏心輪、偏心連桿、三眼連桿組成的四連桿機構建立坐標系，坐標原點在O1點，方向如圖所示，該四連桿矢量方程式可表示為[16]：

l1+l2=l3+l4.

以復數(shù)形式可表示為：

l1eiφ1+l2eiφ2=l4+l3eiφ3.

規(guī)定角φ以x軸的正方向逆時針方向為正。根據(jù)歐拉公式可得：

=l4+l3(cosφ3+isinφ3),

(1)

其中：A=l4-l1cosφ1，B=-l1sinφ1，

再對三眼連桿、小連桿、滑塊組成的擺桿滑塊機構建立坐標系，坐標原點在O2點，方向如圖5所示，該擺桿滑塊的矢量方程可表示為：

l5+l6=l7，

即：

l5+l6=a+h，

可得出方程組：

其中：α為偏心輪旋轉中心和三眼連桿旋轉中心連線與y2負方向的夾角。得到滑塊的位移h與φ3的函數(shù)關系式h=f2(φ3)：

則壓腳在x2y2坐標系中位移h1為：

l5cos(α3+α)-H1

(2)

式(1)與式(2)結合可得出壓腳位移與主軸旋轉角度之間的關系。

2.2求解壓腳位移曲線

設滑塊處于最高位置時為機頭一個運轉周期的初始位置，此時l1與l2成180°角，即偏心輪與偏心連桿在一條直線上。通過實際尺寸計算可得，初始位置時φ1為-210.65°,φ1在一個周期內的變化范圍為-210.65°～149.35°。壓腳發(fā)生碰撞發(fā)生時轉軸的角度大小取決于壓腳的尺寸，通過實際測量得到第一次碰撞發(fā)生時φ1為-92°，第二次碰撞發(fā)生時φ1為37.5°。

運用Matlab軟件對壓腳位移曲線進行編程求解，其中φ1的變化范圍為-210.65°～149.35°，l1=9mm，l2=51mm，l3=25mm，l4=49.04mm，l5=56.33mm，l6=21mm，a=54.5mm，α=20.28°，H1=43.78mm。坐標系選取x2y2坐標，如圖5所示，求解得到的壓腳位移隨φ1變化的曲線如圖6所示。

圖6　基于Matlab求解的壓腳位移曲線

3　壓腳驅動機構的改進設計

通過對成本以及空間位置的綜合分析，采用了盤式凹槽凸輪機構和搖桿滑塊機構配合，以改進壓腳驅動機構設計。盤式凹槽凸輪輪廓線限定了壓腳的位移，避免兩次碰撞的發(fā)生，其中盤式凸輪與驅動轉軸同軸，畫出盤式凸輪驅動壓腳運動的機構簡圖如圖7所示，O1、O2點位置與圖5相同。

圖7　新型壓腳驅動機構機構簡圖

改進設計采用滾子擺動從動件，擺動從動件在繞O2點轉動，擺動從動件10的另一端9又作為搖桿和連桿8以及壓腳滑塊形成搖桿滑塊機構，壓腳滑塊帶動壓腳形成壓腳的運動。壓腳的運動規(guī)律已經(jīng)得出，在根據(jù)壓腳運動規(guī)律求解凸輪輪廓線的過程中，為防止尖點帶了的速度突變造成沖擊，用多項式對原始壓腳運動規(guī)律進行修正，得到的壓腳位移修正曲線如圖8所示。

圖8　修正壓腳位移曲線

在圖7中建立與圖5相同的坐標系x1y1，x2y2，規(guī)定以x軸的正方向逆時針方向為正。l8與x2軸正方向形成的角度為ε，l9與x2軸正方向形成的角度為δ，擺動從動件與x1的夾角為γ?？梢缘玫綇蛿?shù)向量方程為：

l9+l8=a+h′.

根據(jù)歐拉公式可得出：

得到δ與h′的函數(shù)關系式為：

Δδ=Δγ.

在以O1為坐標原點的坐標系內，設當壓腳處在最高位置時為初始狀態(tài)，此時φ1=-210.65°。如圖5所示，從動件滾子與凸輪最大半徑點接觸，此時γ角度為γ0，轉軸轉過的角度為φ=φ1+210.65，轉過φ角度后γ角的變化量為Δγ，凸輪基圓半徑和滾子半徑之和為r0，根據(jù)反轉原理求解凸輪輪廓線，則從動件滾子中心形成的凸輪軌跡線上的點在坐標系內的坐標為：

從動件初始角度γ0為：

根據(jù)機殼內部空間的大小，取一組機構尺寸，運用Matlab進行求解，取r0=12mm，l8=20mm，l9=50mm，l10=40mm得出凸輪輪廓曲線如圖9所示，O為旋轉中心。

圖9　壓腳凸輪輪廓曲線

4　結　論

本文對原來電腦刺繡機壓腳進行了運動分析，運用復數(shù)向量法和Matlab結合分析求解壓腳的運動規(guī)律。結合可行性成本，提出了利用盤式凹槽凸輪和搖桿滑塊機構配合驅動壓腳的改進設計方式。為了去除利用原始壓腳運行規(guī)律求解凸輪曲線存在的尖點，對原始壓腳運行規(guī)律進行了修正，采取了參數(shù)化的設計方法，提出了改進設計，該設計能夠滿足不同型號不同機構尺寸的機頭的設計要求，最后利用Matlab軟件分析求解出了凸輪輪廓線。

壓腳驅動的改進設計較原來的驅動機構相比，消除了兩次沖擊載荷的產(chǎn)生，減小了激振力引發(fā)的機架的振動，使得驅動轉軸的轉矩更加平穩(wěn)，提高了電腦刺繡機工作的穩(wěn)定性。同時降低了機器工作的噪聲，改善了機器工作的性能。該設計為電腦刺繡機高速、高精度、低噪聲的技術發(fā)展提供了新的思路。

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(責任編輯： 康鋒)

Design Improvements for Driving Mechanism of Presser Foot of Computerized Embroidery Machine

LIXiaotao1,YUANYanhong1,ZHANGTao2

(1.Zhejiang Provincial Key Laboratory of Modern Textile Machinery and Technology, Zhejiang Sci-Tech University, Hangzhou 310018, China;2. ZOJE Sewing Machine Co., Ltd., Taizhou 317600, China)

The presser foot of existing computerized embroidery machine collides with other parts when working. To solve the problem, firstly we analyzed the working principle of the presser foot of computer embroidery machine, and found the reason for collision. Then, based on complex-number vector method and the software of Matlab, operating law of the presser foot was obtained . The design improvements of drive presser foot by using disc groove cam and swinging block mechanism was put forward on the premise of keeping the operating law of presser foot unchanged. Then we got the profile curve of the cam by using analytical method based on the principle of reverse. The improved design of drive presser foot eliminates the collision of head presser foot and other parts, reduces the rack vibration, and satisfies the high-speed technical requirements.

computerized embroidery machine; heads of computerized embroidery machine; presser foot; driving mechanism; design improvements; cam

10.3969/j.issn.1673-3851.2016.03.013

2015-04-17

現(xiàn)代紡織設備技術創(chuàng)新團隊(2009R50018)

李曉濤(1989-)，男，河南林州人，碩士研究生，主要從事現(xiàn)代紡織設備方面的研究。

袁嫣紅，E-mail：yyh@zstu.edu.cn

TH112.2

A

1673- 3851 (2016) 02- 0232- 06 引用頁碼： 030501