高子喬 董九志 陳云軍 蔣秀明

摘要：針對單邊雙針雙線縫合頭插刺機構無法縫制3 mm以上厚度預制體的問題，提出一種不對稱的8字形運動軌跡并對插刺機構的運動軌跡進行了設計。首先，基于單邊雙針雙線縫合工藝對插刺機構運動學進行分析，確定擺動插刺機構各構件的尺寸；其次，在ADAMS中構建機構模型并進行軌跡分析；最后，通過實驗樣機進行縫合實驗。實驗結果表明，設計的縫合機構可將實際縫合厚度不足3 mm提高到8 mm，并在縫合過程中形成穩(wěn)定線環(huán)，驗證了不對稱8字形縫合工藝及擺動插刺機構的可靠性。

關鍵詞：單邊雙針雙線縫合；軌跡設計；擺動插刺機構設計；實驗驗證

中圖分類號：TS103.1

DOI：10.3969/j.issn.1004132X.2024.01.010

Design and Experimental Verification of Unilateral Double-needle

Double-thread Oscillating Stitching Trajectories

GAO Ziqiao1，2 DONG Jiuzhi1，2 CHEN Yunjun3 JIANG Xiuming1，2

1.School of Mechanical Engineering，Tiangong University，Tianjin，300387

2.Advanced Mechatronics Equipment Technology Tianjin Area Major Laboratory，

Tiangong University，Tianjin，300387

3.School of Electrical Engineering and Automation，Tiangong University，Tianjin，300387

Abstract： Due to a thickness of more than 3 mm could not be sewed using the single-sided double-needle double-thread stitching head insertion mechanism， an asymmetrical 8-shaped motion trajectory was proposed and the motion trajectory of the needle insertion mechanisms was designed. Firstly， the dimensions of various components of the oscillating insertion mechanisms were determined based on the kinematic analysis of the single-sided double-needle double-thread stitching processes. Then， a mechanism model was constructed in ADAMS and a trajectory analysis was performed. Finally， stitching experiments were conducted using the prototype. The results show that the designed stitching mechanisms may increase the actual stitching thickness from less than 3 mm to 8 mm and form a stable loop during the stitching processes， confirming the reliability of the asymmetric 8-shaped stitching technique and the oscillating insertion mechanisms.

Key words： single-sided double-needle double-thread stitching; trajectory design; design of oscillating needle insertion mechanism; experimental verification

0 引言

隨著復合材料制造技術的發(fā)展，生產(chǎn)企業(yè)對復合材料制件形狀提出了更高的要求，傳統(tǒng)的雙邊縫合技術難以縫制尺寸大且曲率復雜的預制件，而單邊縫合工藝很好地解決了這個問題［1-2］。單邊縫合技術的主要特點是只在材料一側進行縫合且一次性完成縫合，從而降低了生產(chǎn)成本、減小了復合材料的質(zhì)量［3-4］。復合材料的密度小、強度高、耐磨性好、抗沖擊性強，同時還具有優(yōu)異的耐腐蝕性和耐高溫性能［5-6］，這些特性使得單邊縫合復合材料在航空航天、汽車、船舶、建筑等領域得到廣泛應用［7-9］。

單邊縫合技術主要有以下四種縫合方式：Tufting（簇絨）縫合、OSS（單邊雙針單線）縫合、Blind （盲縫）縫合、ITA（單邊雙針雙線）縫合［10-12］。目前國內(nèi)先后對Tufting（簇絨）縫合［13］、OSS（單邊）縫合［14-15］、Blind （盲縫）縫合［16］開展了研究工作，然而對基于單邊雙針雙線縫合工藝的縫合裝置研制尚未見公開報道。

單邊雙針雙線縫合工藝最初由德國亞琛工業(yè)大學ITA紡織研究中心提出并對其裝備進行研制，其樣機驗證了單邊雙針雙線縫合工藝的可行性，同時相比其他縫合工藝，單邊雙針雙線縫合工藝擁有更高效的縫合速度（可達1400針/min）、較低的縫線消耗、更強的抗切應力和優(yōu)良的線跡一致性［17］。然而基于單邊雙針雙線縫合工藝插刺機構的正8字形縫合軌跡僅在8字形軌跡上環(huán)實現(xiàn)縫制，導致縫合厚度難以達到3 mm，且過小的縫合厚度造成縫合針回退時難以形成標準線環(huán)，無法實現(xiàn)連續(xù)穩(wěn)定縫合［18-19］。對于實際產(chǎn)品，例如汽車底盤（厚度6～7 mm）、飛機蒙皮（厚度可達5 mm）等，ITA樣機縫制厚度難以達到生產(chǎn)需求，因此增大單邊雙針雙線縫合頭的縫合厚度是需要解決的首要問題［20］。

本文基于單邊雙針雙線縫合工藝和標準工業(yè)縫合針對插刺機構逆運動學進行分析，重新規(guī)劃插刺機構的縫合軌跡，提出一種不對稱的上大下小的8字形縫合軌跡；依據(jù)設計的縫合軌跡對擺動插刺機構運動學正問題進行分析，對縫合角度、縫合機構的尺寸進行推導驗證；基于ADAMS對擺動插刺機構運動進行仿真，驗證理論構建軌跡的正確性；最后對設計擺動插刺機構進行了實驗驗證。

1 單邊雙針雙線縫合工藝

單邊雙針雙線縫合是由兩根傾斜的縫合針（互為鉤線針、引線針）在縫料的一側相互配合完成縫合的，單邊雙針雙線縫合工藝縫合流程如圖1所示。主要縫合過程為：引線針率先刺入預制體并到達周期內(nèi)最低點（圖1a）；引線針改變方向進行退針形成線環(huán)，鉤線針快速刺穿預制體（圖1b）；鉤線針穿過引線針回退形成線環(huán)（圖1c）；引線針鉤取縫線并快速退至縫料上表面，鉤線針到達最低點（圖1d）；縫合頭移動，引線針變鉤線針、鉤線針變引線針再次刺入對應針形成的線環(huán)（圖1e～圖1g），如此周期循環(huán)交替實現(xiàn)連續(xù)縫合［21-22］。單邊雙針雙線縫合工藝通過在周期內(nèi)完成兩段速度變化來實現(xiàn)雙插刺機構的縫線線環(huán)交替，因此在對插刺機構軌跡設計時盡可能縮小其速度變化是保證縫合頭穩(wěn)定運動的關鍵點。

基于單邊雙針雙線縫合工藝和插刺機構縫合軌跡，提出一種不對稱的上大下小的8字形縫合軌跡曲線，用以實現(xiàn)更大的縫合厚度。設計擺動插刺機構不對稱的8字形運動軌跡曲線如圖2所示，上大下小的8字形縫合軌跡使有效縫合厚度增大。

2 擺動插刺機構的運動學分析

擺動插刺機構主要有上曲柄l1、下曲柄l2、連桿l3、滑塊和縫合針五部分組成，同步帶帶動上下曲柄等速且平行運動。擺動插刺機構及坐標系如圖3所示。上下曲柄帶動滑塊、連桿使縫合針針喉處形成8字形耦合運動軌跡。合理地規(guī)劃調(diào)整各構件的尺寸，可以實現(xiàn)不對稱的8字縫合運動軌跡變化。

為了確?？p合軌跡的生成，使縫合針針頭沿著一個不對稱的上大下小8字形軌跡曲線移動，擺動插刺機構安裝于側板上。根據(jù)現(xiàn)有的預制體縫合應用需求，對于飛機蒙皮的縫合和汽車底盤的縫合，縫合厚度都要確保有5 mm［10］，縫合預制體的厚度取決于縫合針的長度和擺動插刺機構的運動軌跡，其中縫合針長度受限于現(xiàn)有的通用型標準，工業(yè)縫合針難以改變，因此只能對縫合軌跡進行設計以求增大縫合厚度。

2.1 擺動插刺機構的運動學分析

擺動插刺機構簡圖見圖4，擺動插刺機構包括連接在A0，N、B0，N、AN和BN處的四個旋轉接頭，以及連桿2和連桿3之間的一個棱柱形接頭。該機構有兩個自由度，可以通過以下自由度計算公式確定：

F=3n－2Pl－Ph（1）

式中，n為活動構件數(shù)；Pl為低副數(shù)；Ph為高副數(shù)。

基于構建擺動插刺機構坐標系，縫合針的運動軌跡由桿1、桿2的旋轉運動推導出來。代入坐標系RNi（xNi，yNi，zNi）中描述時，同樣可以從旋轉運動中得出。進一步需要確定針尖Ni相對于原點A0，N和軸xN、yN和zN的位置和方向，可以通過指定針尖相對于RNi框架的旋轉和平移來完成。

為了描述縫合針運動軌跡Ni的位置和縫合針的方向角θ，為每個構件指定了一個坐標系Ri（ei，1，ei，2），其中i=1，2，3，分別附著在原點A0，N、B0，N和AN上。此外，用R0（e0，1，e0，2）表示原點在A0，N處的縫合針的坐標系。坐標點取值如下：

進一步將li指定為第i個連桿的長度，針尖的位置可以通過矢量rN（rN，x，rN，y）來描述。相應地，將θ指定為針在位置rN處的方向。

2.2 擺動插刺機構運動學逆問題

對于運動學逆問題，下面給出縫合針軌跡曲線rN（rN，x，rN，y）的位置，并求出活動關節(jié)角φ1和φ2。

據(jù)擺動插刺機構簡圖構建向量循環(huán)方程。

循環(huán)1（A0，N→AN→Ni）：

rN=l1e1，1+l3e3，1（3）

循環(huán)2（A0，N→B0，N→BN→Ni）：

rN=－l0e0，2+l2e2，1+（l3－‖lANBN‖）e3，1（4）

從式（3）中分離出單位向量e3，1和它的轉置向量進行點乘：

l23eT3，1·e3，1=l23=（rN－l1e1，1）T·（rN－l1e1，1）（5）

進一步將式（5）簡化為如下格式：

α1cos φ1+β1sin φ1+λ1=0（6）

α1=－2rN，xl1β1=－2rN，yl1

λ1=r2N，x+r2N，y+l21－l23

考慮閉環(huán)方程式（4），注意到‖lANBN‖大小是可變的，必須消去。因此，在式（4）的兩邊點乘單位向量e3，2，它顯然垂直于e3，1，得到

l2e2，1·e3，2－l0e0，2·e3，2－rN·e3，2=0（8）

進一步從式（3）推導出源于rN（rN，x，rN，y）和φ1的e3，1和e3，2的表達式，然后將其代入式（8）得到

α2cos φ2+β2sin φ2+λ2=0（9）

因此

α2=l2rN，y－l1l2sin φ1

β2=－l2rN，x－l1l2cos φ1

λ2=－l1rN，ycos φ1+l1rN，xsin φ1+l0rN，x－l0l1cos φ1

在這里強調(diào)α2、β2和λ2不僅與rN，x、rN，y相關，而且與φ1有關。

利用與循環(huán)1相同的方法得到

對于針尖位置，主動關節(jié)角φ1及其對應的第1個環(huán)位置存在兩個位置解。當式（6）有一個重根時，連桿A0，NAN和連桿ANNi處于拉伸或折疊狀態(tài)。當式（6）無實根時，指定的位置rN無法到達。對式（10）進行仔細分析發(fā)現(xiàn)，對于每個φ1的解，存在兩個可能的φ2解。因此，對于給定的針尖位置rN，有四種可能的機械姿態(tài)。因此接下來利用運動學正問題分析法進一步驗證求解。

2.3 擺動插刺機構運動學正問題

對于正運動學，給出活動關節(jié)角φ1和φ2，并確定縫合針軌跡耦合曲線的位置rN=（rN，x，rN，y）。

考慮循環(huán)1的矢量循環(huán)方程（式（3）），單位向量必須根據(jù)驅動角φ1和φ2來確定。因此將AN到BN的向量表示為

又因為

因此

確定活動關節(jié)角φ1和φ2的給定值的縫合針運動軌跡曲線rN的位置為

另外，用θ=φ3－π可計算出連桿的方向角θ。上下曲柄由同步帶實現(xiàn)同步驅動，每個擺動插刺機構只需要一個驅動器，因此，φ1和φ2相等，可用φ表示活動關節(jié)。當從動關節(jié)角φ為給定值時，根據(jù)式（13）得到針喉位置Ni：

由上述求解公式得出，縫合軌跡由曲柄間距l(xiāng)0、上曲柄l1、下曲柄l2、連桿l3確定。為實現(xiàn)雙曲柄轉動，需要保證下曲柄與滑塊連桿間距小于上曲柄與下曲柄間距；其次選用的標準工業(yè)縫合針與連桿組成為l3，l3設計為可調(diào)尺寸，由連桿沉頭孔實現(xiàn)可調(diào)；最后基于單邊雙針雙線縫合工藝與不對稱的8字形縫合軌跡速度變化，將周期內(nèi)最大縫合速度與最小縫合速度的比值設為小于3。在考慮實際加工條件與安裝條件下選定尺寸為l0=50 mm、l1=22 mm、l2=15 mm、l3=150 mm。

3 基于ADAMS軟件對擺動插刺機構運動仿真驗證

3.1 仿真模型建立

利用ADAMS仿真分析軟件對設計的擺動插刺機構的運動軌跡進行仿真驗證。依據(jù)上述尺寸將簡化后的機構導入ADAMS中，并為擺動插刺機構創(chuàng)建約束、添加驅動、建立模型，如圖5所示。

3.2 仿真結果分析

標準工業(yè)縫合針下，原插刺機構與設計的擺動插刺機構最大運動位移對比如圖6所示，可知原插刺機構運動位移和擺動插刺機構位移在相同速度驅動下變化一致，這表明標準工業(yè)縫合針對擺動插刺機構的最大位移限制在0～44 mm之間。

由擺動插刺機構運動位移圖（圖7）可知，不對稱的8字形軌跡曲線與預期的結果一致，表明運動學軌跡分析的準確性。在保證速度不變的情況下，擺動插刺機構帶動縫合針在針喉處形成不對稱的8字形縫合曲線，曲線連續(xù)且平滑。

對比分析擺動插刺機構運動位移圖（圖7）和原插刺機構運動位移圖（圖8），擺動插刺機構帶動縫合針增大了上環(huán)的Y方向位移，綜合考慮縫合工藝要求，在保證預制體底面與8字形縫合軌跡交點處不小于10 mm成環(huán)距離下，不對稱的8字形縫合軌跡將縫合厚度由6 mm提高到12 mm。

4 擺動插刺機構縫合厚度實驗驗證

為驗證擺動插刺機構縫合的實際厚度，將設計的擺動插刺機構安裝于工作臺架上，選擇碳纖維碳布作為縫合材料，疊加不同層數(shù)碳布來驗證擺動插刺機構的實際縫合厚度，以縫合針攜帶縫合線穿過碳布回退時產(chǎn)生的線環(huán)直徑不小于3 mm為最小標準。擺動插刺機構裝置樣機如圖9所示。

對疊加的厚度不同碳布生成的線環(huán)進行測量，演示過程如圖10所示。演示過程分別為最高點、刺入、最低點、回退（生成線環(huán)）。

根據(jù)疊加不同層數(shù)的碳布形成不同厚度的預制體，對縫合過程中回退生成的線環(huán)直徑大小進行測量，其中測得每層碳布厚度約為0.25 mm，圖11所示分別為測量工作臺厚度（10 mm）、工作臺與碳布厚度和生成的線環(huán)直徑的過程，其中疊加32層碳布（8 mm）時，測得線環(huán)直徑大小為3.56 mm。

工業(yè)縫合針在不同碳布厚度下回退時測得的生成線環(huán)直徑數(shù)值見表1?；趩芜呺p針雙線縫合工藝和單邊雙針雙線縫合裝置，縫合針穿過生成線環(huán)中心時誤差小于1 mm，選用縫合針為標準工業(yè)縫合針，針徑最大為2 mm，因此以線環(huán)最小直徑不小于3 mm為最低標準。由實驗結果可知，設計的單邊雙針雙線縫合頭擺動插刺機構在實驗中隨著縫合厚度的增大生成線環(huán)的直徑變小。以最低標準為限制，實現(xiàn)了縫合從3 mm到8 mm的預制體。

5 結論

（1）針對單邊雙針雙線縫合工藝無法縫制3 mm以上厚度預制體且難以形成標準線環(huán)的問題，本文提出了一種不對稱的上大下小的8字形縫合運動軌跡，采用運動學分析插刺機構各構件的尺寸，設計出一種擺動插刺機構。

（2）利用ADAMS仿真軟件仿真得出在理想情況下，基于優(yōu)化后的縫合軌跡縫合預制體厚度由6 mm提高到12 mm，驗證了擺動插刺機構運動學分析及運動軌跡曲線的準確性。

（3）對設計的擺動插刺機構進行實驗驗證，結果表明，設計的擺動插刺機構縫合厚度可達到8 mm，驗證了不對稱 8 字形縫合工藝及擺動插刺機構的可靠性。

參考文獻：

［1］ GNABA I，LEGAND X，WANG P，et al. Through-the-thickness Reinforcement for Composite Structure：a Review［J］. Journal of Industrial Textiles， 2019， 49（1）：71-96.

［2］ 王顯峰，高天成，肖軍.復合材料縫合技術的研究進展［J］. 紡織學報，2019，40（12）：169-177.

WANG Xianfeng，GAO Tiancheng，XIAO Jun. Research Progress of Stitching Technology of Composite Materials［J］. Journal of Textile Research， 2019， 40（12）：169-177.

［3］ BANNISTER M K. Developmentand Application of Advanced Textile Composites［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part L：Journal of Materials：Design and Applications， 2004， 218（3）：253-260.

［4］ DONG J， JI L， LA X， et al. Design and Study of the Action of the Yarn-pulling Mechanism of a Carbon-fiber One-sided Stitching Device Based on Improved Technology［J］. Textile Research Journal， 2020， 90（11/12）：1372-1384.

［5］ BIGAUD J， ABOURA Z， MARTINA T， et al. Analysis of the Mechanical Behavior of Composite T-joints Reinforced by One Side Stitching［J］. Composite Structures， 2018， 184（249/255）：0263-8223.

［6］ FRACOIS P R. Investigation of Vartm Resin Flow Through 3D Near Net-shape Aerospace Preforms［D］. Ottawa：University of Ottawa， 2017.

［7］ KRISTOPHER P， LI Tong. An Experimental Study on Mode Ⅰ and Ⅱ Fracture Toughness of Laminates Stitched with a One-sided Stitching Technique［J］.Composites Part A：Applied Science and Manufacturing， 2011;42（2）：203-210.

［8］ 劉華峰， 趙凱輝， 王佩艷，等. 縫合復合材料泡沫夾層結構的平壓和剪切性能研究［J］.中國機械工程， 2011， 22（10）：1213-1215.

LIU Huafeng，DIAO Kaihui，WANG Peiyan， et al. Study on Mechanical Behavior of Composites Stitched Foam Sandwich Panels under Flatwise Compression and Shear［J］. China Mechanical Engineering， 2011， 22（10）：1213-1215.

［9］ 吳剛， 趙龍， 高艷秋， 等. 縫合技術在復合材料液體成型預制體中的應用研究［J］. 航空制造技術， 2012， 55（1/2）：70-72.

WU Gang， ZHAO Long， GAO Yanqiu， et al. Application Research of Stitching Technology on Fabric Preform for Composites Liquid Forming［J］. Aeronautical Manufacturing Technology， 2012， 55（1/2）：70-72.

［10］ SONG Chenyang， WEI Fan， TAO Liu， et al. A Review on Three-dimensional Stitched Composites and Their Research Perspectives［J］. Composites Part A：Applied Science and Manufacturing， 2022，153， 106730.

［11］ LINKE M，GREB C，KLINGELE J. Automating Textile Preforming Technology for Mass Production of Fibre-reinforced Polymer （FRP） Composites［J］. The Global Textile and Clothing Industry， 2016， 9（1）：171-195.

［12］ 丁鋒， 田會方， 徐德帆， 等. 一種基于雙凸輪的單面縫合機構設計［J］. 機械研究與應用， 2016， 29（2）：155-157.

DING Feng， TIAN Huifang， XU Defan， et al. Design of a Single-side Stitching Mechanism Based on Double Cam［J］. Mechanical Research & Application， 2016， 29（2）：155-157.

［13］ 林東， 董九志， 陳云軍， 等. 硬質(zhì)夾層三明治結構復合材料預制體縫合頭參數(shù)化設計［J］.復合材料科學與工程，2021（6）：94-101.

LIN Dong， DONG Jiuzhi， CHEN Yunjun， et al. Parametric Design of Suture Head of Composite Material Preform with Rigid Sandwich Structure［J］. Composites Science and Engineering， 2021（6）：94-101.

［14］ 田會方， 蘇曉偉， 吳迎峰， 等. 玻璃纖維布單邊縫合裝置與實驗研究［J］. 復合材料科學與工程， 2020（9）：61-67.

TIAN Huifang， SU Xiaowei， WU Yingfeng， et al. One-sided Stitching Device and Experimental Research for Glass Fabric［J］. Composites Science and Engineering， 2020（9）：61-67.

［15］ 姚福林， 李亮玉， 岳建鋒， 等. 復合材料單邊縫合機械手線跡穩(wěn)定成型技術研究［J］. 機械工程學報， 2016， 52（13）：60-67.

YAO Fulin， LI Liangyu， YUE Jianfeng， et al. The Stitch Stable Forming Technology of Oneside Sewing Manipulator Applied in Composite Material［J］. Journal of Mechanical Engineering， 2016， 52（13）：60-67.

［16］ 封橋橋， 文立偉， 肖軍， 等. 復合材料預制體單邊彎針縫合裝備技術研究［J］. 玻璃鋼 / 復合材料， 2019（11）：86-94.

FENG Qiaoqiao， WEN Liwei， XIAO Jun， et al. Research on The Technology of Single-sided Curved Needle Stitching Equipment of the Composites Preform［J］. Composite Materials Science and Engineering， 2019（11）：86-94.

［17］ 董九志， 耿爭言， 王立文， 等. 復合材料預制體單邊縫合技術研究進展［J］. 航空制造技術， 2022， 65（16）：46-53.

DONG Jiuzhi，GENG Zhengyan，WANG Liwen，et al. Research Progress on One-sided Stitching Technology for Composite Preforms［J］. Aeronautical Manufacturing Technology， 2022， 65（16）：46-53.

［18］ MOLL K U. Method and Device for Producing Seams：DE 10255812.4［P］. 1999-03-20.

［19］ VANESSA S，CONOR J，ROBERT J. Wood Textile Technology for Soft Robotic and Autonomous Garments［J］. Advanced Functional Materials， 2021， 31（6）：2008278.

［20］ KRUSE F F， ECKERS V， Henkel F， et al. Modelling the Seam Architectures for Textile Preforming［J］. Materials Science， 2008：13566525.

［21］ LAOURINE E. Single-sided Sewing Technology for the Production of Three-dimensional Fibre Composite Components［D］. Aachen：RWTH Aachen University，2005.

［22］ KRISTOPHER P， TONG Liyong. Traction Law for Inclined Through-thickness Reinforcement Using a Geometrical Approach［J］. Composite Structures， 2009，4（88）：558-569.