周俊榮， 江 勵

(五邑大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 廣東 江門 529020)

電腦繡花機(jī)是一種電腦控制系統(tǒng)與繡花機(jī)械的有機(jī)結(jié)合，可刺繡出各種美麗圖案的機(jī)電一體化紡織設(shè)備。我國繡花機(jī)生產(chǎn)是從20世紀(jì)90年代開始逐步發(fā)展起來的，到2016年底已占據(jù)市場總額的85%左右；但產(chǎn)品大多是參照國外機(jī)型而研制生產(chǎn)的普通平繡機(jī)器，產(chǎn)品精度、質(zhì)量以及可繡制的花色品種與國外先進(jìn)機(jī)型相比還有較大差距，特別是圖案具有很強(qiáng)立體感的鏈目毛巾繡，基本上被國外公司所壟斷[1]。對于高端特種繡花機(jī)的關(guān)健零部件，國外廠商均設(shè)有專利保護(hù)，很難進(jìn)行模仿制造。隨著社會的進(jìn)步和勞動力成本的提高，要求刺繡設(shè)備速度更快，精度更高，噪聲更低。目前國內(nèi)鏈目毛巾繡電腦繡花機(jī)的主軸速度只能達(dá)650 r/min左右，刺繡效率難以滿足當(dāng)前市場的需求。當(dāng)主軸速度提高到1 000 r/min以上時，會明顯出現(xiàn)斷線率上升、噪聲和振動變大等問題，甚至?xí)l(fā)生機(jī)構(gòu)卡死等事故[2]。實踐證明原機(jī)械結(jié)構(gòu)已不能適應(yīng)高速機(jī)的發(fā)展。

本文在分析傳統(tǒng)繡花機(jī)機(jī)頭機(jī)械結(jié)構(gòu)和運動特性的基礎(chǔ)上，對其機(jī)頭結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)設(shè)計，將槽型凸輪機(jī)構(gòu)改為帶預(yù)緊彈簧的盤形凸輪機(jī)構(gòu)，并對凸輪輪廓曲線進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計。然后在ADAMS環(huán)境下，對優(yōu)化前后針桿機(jī)構(gòu)的受力情況進(jìn)行仿真分析，并在主軸轉(zhuǎn)速超過1 000 r/min的情況下，對繡花機(jī)橫梁進(jìn)行了振動測試實驗以驗證機(jī)構(gòu)優(yōu)化后的效果。優(yōu)化后的機(jī)構(gòu)在繡花機(jī)高速刺繡的情況下，仍能保持較低的振動噪聲和斷線率。

1 現(xiàn)有電腦繡花機(jī)結(jié)構(gòu)分析

機(jī)頭部分是電腦繡花機(jī)最為核心的執(zhí)行機(jī)構(gòu)。研究發(fā)現(xiàn)，電腦繡花機(jī)的振動和噪聲主要來源于機(jī)頭。

分析電腦繡花機(jī)機(jī)頭機(jī)械結(jié)構(gòu)不難發(fā)現(xiàn)，其主要包括4部分，如圖1所示。1)針桿機(jī)構(gòu)。其主要作用是攜帶線料在布料間上下穿梭，以實現(xiàn)繡花工作，實現(xiàn)其上下往復(fù)運動的機(jī)械結(jié)構(gòu)是凸輪連桿機(jī)構(gòu)。2)機(jī)殼。其主要作用是固定和連接繡花機(jī)機(jī)頭。3)護(hù)嘴機(jī)構(gòu)。該機(jī)構(gòu)的執(zhí)行元件包裹住針桿，通過其與針桿相互配合的上下往復(fù)運動繡出具有立體質(zhì)感的花色品種，實現(xiàn)其上下往復(fù)運動的機(jī)械結(jié)構(gòu)也是凸輪連桿機(jī)構(gòu)。4)壓腳機(jī)構(gòu)。其主要作用是當(dāng)針桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行布料刺繡時壓住布料，使布料不能隨繡針一起向上移動，當(dāng)針桿完成一次布料刺繡時則向上抬起，以便布料可以前后移動進(jìn)行花樣刺繡，實現(xiàn)其上下往復(fù)運動的機(jī)械結(jié)構(gòu)仍是凸輪連桿機(jī)構(gòu)。

圖1 電腦繡花機(jī)機(jī)頭Fig.1 Head of computerized embroidery machine. (a) Object of embroidery machine head; (b) 3-D Model of head

從以上分析可知，電腦繡花機(jī)機(jī)頭主要作用是按照一定的時序?qū)崿F(xiàn)針桿機(jī)構(gòu)、護(hù)嘴機(jī)構(gòu)和壓腳機(jī)構(gòu)的上下運動[3-5]，而實現(xiàn)這些運動的主要機(jī)械結(jié)構(gòu)均為凸輪連桿機(jī)構(gòu)。本文選擇其中最為典型的針桿機(jī)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)的分析和研究，如圖2所示。

圖2 針桿機(jī)構(gòu)Fig.2 Needle bar mechanism. (a) Model of needle bar mechanism; (b) Sketch of needle-bar mechanism

如圖2所示，該機(jī)構(gòu)的運動原理是：槽型凸輪1轉(zhuǎn)動帶動滾子2在其槽內(nèi)運動并推動連桿3繞B點旋轉(zhuǎn)運動，而滑塊5則在連桿3的驅(qū)動下上下運動并帶動針桿6上下往復(fù)運動。設(shè)驅(qū)動連桿3與y軸的夾角為θ1，滑塊連桿4與y軸的夾角為θ2，OB與y軸的夾角為θ，由幾何關(guān)系可得出針桿上下運動位移的表達(dá)式

Y=LBCcosθ1+LCDcosθ2+c

(1)

當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)動時，∠OBA會跟隨凸輪的轉(zhuǎn)動發(fā)生變化，若用δ來表述凸輪轉(zhuǎn)動量，則ψ(δ)可描述凸輪輸入使得∠OBA的變化，則：

θ1=θ-(∠ABC-ψ(δ))

(2)

(3)

式中：a為凸輪中心O到B點距離在x軸上的投影；b為凸輪中心O到D點距離在x軸上的投影；c為滾子中心A到B點距離在y軸上約投影。將式(2)、(3)代入式(1)中便可得到凸輪輸入與針桿運動的關(guān)系。將該繡花機(jī)機(jī)頭尺寸參數(shù)代入式(1)中，最終可得凸輪轉(zhuǎn)角與針桿位移曲線關(guān)系。

將該曲線對時間求2次導(dǎo)數(shù)，可得凸輪轉(zhuǎn)速為1 000 r/min時，凸輪轉(zhuǎn)角與針桿加速度曲線關(guān)系圖，如圖3所示。

圖3 針桿機(jī)構(gòu)加速度曲線Fig.3 Acceleration curve of needle bar mechanism

通過上文對電腦繡花機(jī)機(jī)頭機(jī)械結(jié)構(gòu)和運動規(guī)律的研究發(fā)現(xiàn)，現(xiàn)有機(jī)器存在以下問題：

1)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計不合理。以針桿機(jī)構(gòu)為例，實現(xiàn)其上下運動的主要機(jī)構(gòu)為槽型凸輪連桿機(jī)構(gòu)，滾子被限制在槽內(nèi)以便和凸輪充分接觸。該機(jī)械結(jié)構(gòu)在理論上雖然沒有問題，但對加工和裝配精度要求很高。當(dāng)制造能力達(dá)不到要求時容易導(dǎo)致凸輪和滾子間有接觸間隙，而該間隙則是高速時產(chǎn)生過大噪聲和振動的主要原因之一。此外，即使制造精度足夠高，凸輪與滾子在長期運轉(zhuǎn)過程中也會產(chǎn)生磨損，使得接觸間隙逐漸變大，從而影響繡花機(jī)的高速性能[6-7]。

2)凸輪機(jī)構(gòu)運動曲線設(shè)計不合理。從圖3可看到，該凸輪機(jī)構(gòu)在凸輪轉(zhuǎn)角為90°和270°附近時針桿運動加速度出現(xiàn)明顯的突變。這種突變會帶來柔性沖擊力，在低速時此沖擊力的大小和頻率還不高，但在高速時，該沖擊力的大小和頻率會變得很大，成為另一個產(chǎn)生過大噪聲和振動的主要原因。

2 電腦繡花機(jī)優(yōu)化設(shè)計

針對現(xiàn)有電腦繡花機(jī)存在的問題，在進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計時應(yīng)滿足如下要求：1)優(yōu)化凸輪連桿機(jī)械結(jié)構(gòu)，解決凸輪與滾子之間的間隙問題，并能夠自動調(diào)節(jié)由于磨損而產(chǎn)生的間隙。2)優(yōu)化凸輪輪廓曲線，解決運動機(jī)構(gòu)加速度不連續(xù)的問題，減小柔性沖擊力所產(chǎn)生的噪聲和振動的影響。

2.1 機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化

根據(jù)上述第1點要求，首先需要改變凸輪機(jī)構(gòu)的傳動方式。采用帶預(yù)緊彈簧的盤形凸輪機(jī)構(gòu)是一個很好的選擇，如圖4所示。一方面該方案大大降低了制造和裝配精度的要求；另一方面彈簧所提供的預(yù)緊力可方便地自動調(diào)節(jié)磨損所帶來的接觸間隙。

圖4 優(yōu)化后的針桿機(jī)構(gòu)Fig.4 Optimized needle bar mechanism. (a) Model of optimized needle bar; (b) Sketch of optimized needle bar mechanism

在該優(yōu)化方案中，由凸輪1轉(zhuǎn)動推動滾子2和推桿3上下運動，再由推桿3、驅(qū)動連桿5和擺動連桿6組成的連桿結(jié)構(gòu)推動滑塊7和固定在其上的針桿8上下運動。彈簧4則保證滾子2始終壓緊在凸輪1上。其中，連桿結(jié)構(gòu)形成了一個增力杠桿，可以減小驅(qū)動力矩，并調(diào)節(jié)針桿上下運動的行程。設(shè)驅(qū)動連桿5與y軸夾角為θ1，擺動連桿上邊界DE與y軸夾角為θ2，擺動連桿下邊界EF與y軸夾角為θ3，連桿FG與y軸夾角為θ4，則由幾何關(guān)系可得出針桿上下運動位移的表達(dá)式

Y=a-LEFcosθ3+LFGcosθ4

(4)

當(dāng)凸輪轉(zhuǎn)動時，中心點O到推桿3的距離會隨之發(fā)生變化，若用L(δ)來描述凸輪轉(zhuǎn)動使得該距離的變化，則由幾何關(guān)系可得方程組

(5)

式中：a為凸輪中心O到E點的距離在y軸的投影；b為凸輪中心O到E點的距離在x軸的投影；c為凸輪中心O到針桿的距離在x軸的投影；d為凸輪中心O到C點的距離在x軸的投影。將方程組(5)結(jié)果代入到式(4)便可得到凸輪輸入與針桿運動的關(guān)系。

2.2 凸輪輪廓曲線優(yōu)化

凸輪的輪廓曲線直接決定了繡花機(jī)機(jī)頭的運動規(guī)律；而凸輪的輪廓設(shè)計過程通常是在其他零件結(jié)構(gòu)尺寸確定的情況下，將運動件的運動規(guī)律代入到機(jī)械結(jié)構(gòu)中進(jìn)行反求，故凸輪的輪廓曲線設(shè)計實質(zhì)上就是運動件運動規(guī)律的設(shè)計。本文將通過對針桿運動規(guī)律的分析來優(yōu)化針桿凸輪的輪廓曲線。

一般來說，運動件的運動規(guī)律包括等速運動規(guī)律、等加速度運動規(guī)律、簡諧運動規(guī)律、樣條曲線運動規(guī)律、擺線運動規(guī)律等。在進(jìn)行運動規(guī)律設(shè)計時主要關(guān)注以下幾個關(guān)鍵參數(shù)：

1)最大無量綱速度VM。VM值越小，凸輪的基圓半徑也就越小，從而可以實現(xiàn)減小凸輪機(jī)構(gòu)尺寸的目的；因此，在設(shè)計時，應(yīng)優(yōu)先選擇VM值較小的運動規(guī)律。

2)最大無量綱加速度AM。加速度越大，慣性力也就越大，慣性力過大會加劇構(gòu)件的磨損，因此，在中、高速凸輪機(jī)構(gòu)中，通常優(yōu)先選擇AM較小的運動規(guī)律。

3)最大無量綱躍度JM。減小躍度的幅值有利于機(jī)構(gòu)的工作平穩(wěn)性，因此，應(yīng)控制JM值不超過某一個值，并且值越小越好。

4)最大無量綱轉(zhuǎn)矩TM。在高速凸輪機(jī)構(gòu)中，慣性負(fù)荷決定了施加在凸輪上的輸入扭矩大小，因此，為了減小凸輪軸的轉(zhuǎn)矩、降低電動機(jī)的功率，應(yīng)選用TM值較小的從動件運動規(guī)律。

對于繡花機(jī)來說，它是一個典型的高速低載系統(tǒng)，高次樣條曲線運動規(guī)律和擺線運動規(guī)律都具備躍度連續(xù)、無沖擊的特點，符合系統(tǒng)的要求，但考慮到這2種運動規(guī)律在高速運動時速度波動較大，本文選用擺線運動和等加速運動的組合運動規(guī)律，采用5段銜接：1) 擺線加速段，δ∈[0,φ/8]；2) 等加速度段，δ∈[φ/8,3φ/8]；3) 擺線運動段，δ∈[3φ/8,5φ/8]；4) 等減速段，δ∈[5φ/8,7φ/8]；5) 擺線減速段，δ∈[7φ/8,φ]。式中φ為凸輪推桿行程的相位角。它能夠在速度沒有太大波動的前提下保證加速段連續(xù)，如式(6)～(10)所示。

1)擺線加速段：

(6)

2)等加速段：

(7)

3)擺線運動段：

(8)

4)等減速段：

(9)

5)擺線減速段：

(10)

式中：A,V,S分別描述針桿運動的加速度、速度和位置；Ca,C1,C2，…，C11均為待求參數(shù)。若用h代表針桿的行程，則該組合運動規(guī)律的邊界條件可總結(jié)為：δ=0時，A=0，V=0，S=0；δ=φ時，A=0，V=0，S=h；中間銜接點，A,V,S連續(xù)。

將上述邊界條件代入到式(6)～(10)中，便可求解Ca,C1,C2，…，C11，最終得出針桿的運動規(guī)律曲線。圖5示出優(yōu)化前后的針桿運動曲線。

圖5 針桿運動曲線優(yōu)化前后對比圖Fig.5 Comparison of motion curves of needle rod before and after optimization. (a) Displacement curves; b) Velocity curves; (c) Acceleration curves

對比圖5中的曲線可看到：優(yōu)化后的針桿運動速度曲線更加圓滑，最大無量綱速度VM顯著減??；而加速度曲線更為平緩，最大無量綱加速度AM顯著減??；在凸輪轉(zhuǎn)角為90°和270°附近時，加速度曲線連續(xù)，最大無量綱躍度JM幅值大為減小。這些均反映出優(yōu)化后針桿運動規(guī)律得到了改善。

3 仿真及實驗驗證

為對電腦繡花機(jī)優(yōu)化改進(jìn)后的效果進(jìn)行驗證，本文分別進(jìn)行了在ADAMS環(huán)境下的動力學(xué)仿真和真實工況下的振動測試實驗。

3.1 ADAMS環(huán)境下的動力學(xué)仿真驗證

老款繡花機(jī)在高速情況下產(chǎn)生過大振動和噪聲的主要原因可以歸結(jié)為機(jī)構(gòu)內(nèi)部在高速運轉(zhuǎn)時產(chǎn)生過大的沖擊力。通過ADAMS環(huán)境下的仿真，可以在高速運轉(zhuǎn)工況下對優(yōu)化前和優(yōu)化后的內(nèi)部受力情況進(jìn)行對比仿真，從而對電腦繡花機(jī)的優(yōu)化效果進(jìn)行驗證。圖6示出針桿機(jī)構(gòu)受力分析虛擬樣機(jī)。

圖6 針桿機(jī)構(gòu)虛擬樣機(jī)Fig.6 Virtual prototype of needle rod mechanism

對于高速運動的機(jī)械設(shè)備來說，易產(chǎn)生沖擊振動的地方無疑是發(fā)生在具有相對運動關(guān)系且相互作用力不斷變化的零件之間。對針桿機(jī)構(gòu)而言，驅(qū)動連桿5和擺動連桿6(對照圖4)的鉸接處是需要關(guān)注的地方。本文在凸輪高速(1 000 r/min)轉(zhuǎn)動時，對優(yōu)化前和優(yōu)化后此處的受力情況進(jìn)行仿真對比，如圖7所示。

圖7 優(yōu)化前后鉸鏈的受力對比圖Fig.7 Comparison force of hinge before and after optimization

從圖7可看出，通過對凸輪輪廓曲線的優(yōu)化，該處鉸鏈在豎直方向受力情況有了明顯的改善。首先其受力的最大值由43.8 N減小到18.1 N；其次，原本在0.012 s和0.047 s時會出現(xiàn)由43.8 N到-37.5 N的柔性沖擊，經(jīng)過優(yōu)化后，此處的沖擊力也大為減少。

3.2 高速繡花機(jī)振動測試驗證

由于電腦繡花機(jī)的機(jī)頭、線架都布置在橫梁上，因此，橫梁的振動大小可直接反映出繡花機(jī)機(jī)頭的振動大小。相關(guān)的計算和實驗結(jié)果也表明，電腦繡花機(jī)橫梁的振動是影響其斷線率和工作效率的最主要的原因，而且由于繡花機(jī)橫梁處的振動更加便于測量；故本文對優(yōu)化后繡花機(jī)的振動測試集中于其橫梁處[8-10]。實驗過程如圖8所示。

圖8 振動測試方法示意圖Fig.8 Schematic diagram of vibration test method

測試過程中，將主軸轉(zhuǎn)速分別開到1 100 r/min和1 200 r/min，測試點布置在20頭繡花機(jī)橫梁的中間位置，采樣頻率設(shè)置為2 500 Hz，采樣時間為2 s。最終，得到的測試數(shù)據(jù)如圖9所示。將實驗測得的波形數(shù)據(jù)輸入到MatLab中，并進(jìn)行2次積分，便可得到橫梁的振動位移曲線，如圖10所示。

圖9 振動測試實驗數(shù)據(jù)Fig.9 Experimental data of vibration test

圖10 橫梁振動位移曲線Fig.10 Displacement curves of crossbeam vibration

由圖10可看出，橫梁在主軸轉(zhuǎn)速分別為1 100、1 200 r/min時，其振動最大位移分別為0.0 022、0.013 mm。該振動范圍遠(yuǎn)遠(yuǎn)小于繡花機(jī)的誤差允許范圍[-0.1 mm，0.1 mm]，證明了優(yōu)化后的高速繡花機(jī)機(jī)頭在噪聲振動的降低上有著良好的效果。同時，將該改進(jìn)產(chǎn)品應(yīng)用于生產(chǎn)，在實際使用過程中，斷線率小于1次/2萬針，噪聲小于85 dB，得到了用戶的好評。

4 結(jié) 論

針對傳統(tǒng)繡花機(jī)在主軸轉(zhuǎn)速超過1 000 r/min時會產(chǎn)生過大的振動噪聲，并且斷線率過高的問題，對高速電腦繡花機(jī)機(jī)頭結(jié)構(gòu)部分進(jìn)行分析和優(yōu)化。首先通過對傳統(tǒng)繡花機(jī)機(jī)頭機(jī)械結(jié)構(gòu)和運動特性的分析，認(rèn)為導(dǎo)致振動和斷線率提高的主要原因是凸輪傳動結(jié)構(gòu)不合理。然后設(shè)計了一種帶預(yù)緊彈簧的盤形凸輪機(jī)構(gòu)取代了原有的槽型凸輪機(jī)構(gòu)，并對凸輪輪廓曲線進(jìn)行了優(yōu)化。最后分別通過在ADAMS環(huán)境下對針桿機(jī)構(gòu)的受力仿真和繡花機(jī)橫梁在高轉(zhuǎn)速下的振動測試實驗對優(yōu)化的效果進(jìn)行了驗證。結(jié)果表明，相較于傳統(tǒng)方案，優(yōu)化后的方案在高速情況下機(jī)器可保證較低的振動噪聲和斷線率。

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