（机械设计及理论专业论文）基于simulink与recurdyn的智能缝制机械的联合仿真.pdf

摘要 摘要 近年来，随着国际缝纫机制造产业几次大的转移，我国成为目前仅有的几个缝 纫机主要生产基地之一。国内企业正从仿制向自主研发方向发展，机电一体化缝制 设备成为一个研究热点。 工业缝纫机是一种精密的机器，主要由刺布机构，送布机构，勾线机构，挑线 机构四部分组成，四个部分的运动要精确配合才能完成缝纫作业。通过建立缝纫机 整体系统的虚拟样机模型，实现了缝纫机机构的精确运动仿真。 在虚拟样机模型和运动仿真的基础上，对普通缝纫机的送布机构重新设计，完 成了缝纫机套结机的设计，并通过对套结机系统进行仿真分析，进一步分析了套结 机在运行时作用在主轴上的应力，并对其进行优化。 对主轴伺服电机采用位置控制算法，对两个送布步进电机进行直线插补控制， 提出了一种伺服电机主轴回零点的方法和改进了一种三轴协同控制算法，通过仿真 软件m a t l a b s i m u l i n k 实现这些运动控制算法，实现了对套结机的整体运动进行 精确控制。 对套结机多个运动机构的运动关系进行设计，根据其性能要求，确定驱动电机 和电磁铁。将电机参数及控制方法输入到控制部分，运用基于多领域的仿真建模技 术，将机械部分与控制部分联合起来，完成机电一体化建模，并在此模型上进行控 制算法的仿真优化。 关键词：套结机；虚拟样机；联合仿真；r e c u r d y n a b s t r a c t c h i n ah a sb e c o m eo n eo ft h ef e ws e w i n gm a c h i n ep r o d u c t i o nb a s e sa f t e rs e v e r a l i n d u s t r i a lt r a n s f e r si nt h e s ey e a r s t h ed e v e l o p m e n tm o d eo fd o m e s t i ce n t e r p r i s e sa r e t r a n s f o r m i n gf r o mi m i t a t i n gt oi n d e p e n d e n td e v e l o p m e n t ，a n dt h ee l e c t r o m e c h a n i c a l i n t e g r a t i o ns e w i n gm a c h i n eh a sb e c o m eo n eh o ti s s u e i n d u s t r i a ls e w i n gm a c h i n ei sak i n do fh i g hs p e e dp r e c i s i o nm a c h i n e ，i t sm a d eu po f f o u rm e c h a n i s m s ，t h en e e d l ep i e r c i n gm e c h a n i s m ，t h ef a b r i cf e e d i n gm e c h a n i s m ，t h e b o b b i n gm e c h a n i s ma n dt h et a k e u pm e c h a n i s m s e w i n gi s ac o m p l i c a t e dp r o c e s sb y s y n c h r o n i z e dm o t i o no ft h ef o u rp a r t s d y n a m i cs i m u l a t i o no ft h es e w i n gm a c h i n ew a s r e a l i z e db a s i n go nt h ev i r t u a lp r o t o t y p e f a b r i cf e e d i n gm e c h a n i s mo ft h es e w i n gm a c h i n ew a sr e d e s i g n e dt oc o m p l e t et h e d e s i g no f b a rt a c k i n gm a c h i n e t h e nt h es t r e s so fm a i ns h a f tw a sa n a l y z e da n do p t i m i z e d b a s i n go n t h ev i r t u a lp r o t o t y p e p o s i t i o nc o n t r o la l g o r i t h mo ft h em a i ns h a f tw a sd e s i g n e d ，a n dt h el i n e a r i n t e r p o l a t i o na l g o r i t h mw a sa p p l i e di nt h em o t o r so ff a b r i cf e e d i n gm e c h a n i s m m e t h o d s t om a k et h es e r v o - m o t o rr e t u r nt oz e r ow a sp r o p o s e da n da l g o r i t h mo ft h r e e a x i s e o u a b o r a t i o nw a si m p r o v e d t h e s ea l g o r i t h m sw e r er e a l i z e dt h r o u g ht h es o f t w a r e m a t l a b s i m u l i n k t h em o t i o nr e l a t i o n s h i po fe a c hp a r tw a s d e s i g n e d ，d r i v i n g m o t o r sa n d e l e c t r o m a g n e t sw a sc h o s e nt os a t i s f yp e r f o r m a n c er e q u i r e m e n t so ft h e b a rt a c k i n g m a c h i n e c o s i m u l a t i o nt e c h n o l o g yb a s e do nm u l t i - f i e l dw a su s e dt oc o n n e c tt h e m e c h a n i c a lp a r ta n dc o n t r o lp a r tt of i n i s hc o s i m u l a t i o no fb a rt a c k i n gm a c h i n e a f t e rt h e p a r a m e t e r so fm o t o r sa n de l e c t r o m a g n e t sw a si n p u t t e dt ot h ev i r t u a lp r o t o t y p e t h e n m o t i o nc o n t r o la l g o r i t h mw a so p t i m i z e db a s i n go nt h i sm o d e l k e y w o r d sb a rt a c k i n gm a c h i n e ；v i r t u a lp r o t o t y p e ；c o s i m u l a t i o n ；r e c u r d y n i i i 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下， 独立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论 文不包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本 文的研究做出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标 明。本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：3 婢 日期： 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校 保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文 被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段保 存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) ：切、豫翮秭况、日期：叫5 7 , 6 第1 章绪论 ! ! ! ! 竺! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 詈! ! ! ! ! il l = ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 皇皇! ! ! ! 鼍! ! ! ! ! 皇! ! ! ! ! ! ! 第1 章绪论 1 1 课题背景 随着制衣工业的规模化发展，工业缝纫机发展迅猛，世界上年产各种缝纫机约 1 8 0 0 万台。主要机型有单针平缝机、双针平缝机、包缝机、套结机、钉扣机、锁眼 机、绷缝机、缝包机和绣花机等【。从现有的情况看，除绣花机外，多数种类的缝 纫机仍然属于机械类产品，存在效率低、体积大、位置控制难、功能单一等特点， 已经远远不能满足规模化发展的制衣业的要求。为了提高缝纫效率和质量，必须发 展自动化缝制设备。国外在这些方面起步较早，德国、日本等都已有自己的自动化 产品。当前各主要公司集中于采用电脑技术实现缝制设备的控制，提高自动化程度。 缝纫机的自动化已不再局限于自动剪线、送料、抬压脚、停针位等方面，现在已经 扩展到自动控制缝线张力、压脚压力、送料路径、缝速等【2 1 。从8 0 年代开始，交流 伺服电机运用到各类工业缝纫机中，实现了缝制设备的电子化，并以每年1 2 的递 增速度替代原有的离合器电机等传统电机。 从国际产业的形势角度来看，国际缝纫机制造产业经过几次大的转移，发生了 国际产业结构的大变动。德国百福、美国胜家公司、日本胜家日钢，相继倒闭停产， 杜可普、重机等主要厂家裁减人员，使中国成为目前仅有的几个缝纫机主要生产基 地之一【3 1 。国有企业积极改革逐步走出困境，民营企业发展势头强劲，三资企业迅 速发展。行业内多次组织出国参展，每次都取得了很好的效果，国内企业在国际上 的知名度大大提高，很多国家缝纫机经销商对我国缝制设备越来越感兴趣。 1 2 国内外现状 经过2 0 多年的努力，我国已经成为世界缝纫机的生产大国，占全世界产量的 5 0 以上，但我们的缝制设备整体水平与德、美、日等发达国家还存在一定差距【4 】。 国外自动化缝制设备及其相关产业发展较早，上世纪8 0 年代开始研究用交流伺服 电机驱动工业缝纫机，并在此基础上完成一些自动化功能( 自动剪线、自动松线、 自动拨线和自动抬压脚等功能) ，形成了很多缝制专用设备制造商。1 9 8 6 年以来， 德国的杜克普阿德勒( d u l 0 0 p a l d e r ) 、日本的重机0 u k - i ) 、日本的三菱 ( m i t s u b i s h i ) 、日本的兄弟( b r o t h e r ) 等均已推出了其相应的自动化产品1 5 j 。特 别是日本兄弟公司最新推出的直接驱动式电脑平缝打结机( k e 4 3 0 d ) ，采用其自主 山尔人。7 ：硕十号： 市论文 研发的小型节能马达，具有目前最快的套结缝制速度( 3 2 0 0 r p m ) ，线迹优美，利用面 板即可实现压脚高度调整、速度调整、循环程序设置等操作，而且抬压脚和抓线动 作都通过步进电机实现，可以实时调节抬压脚的高度及抓线的深度。 国内在一些常规产品如平缝机、包缝机已基本达到国际同类产品先进水平，但 在中高端设备上发展缓慢，国内生产新型缝制设备的厂家主要是一些合资企业，而 且作为缝制设备的控制系统大部分仍在国外生产。随着国家自主研发的投入，这种 状况已有所改善，国内的上工、飞跃、宝石、标准等也都推出了一些智能化设备， 但相对国外设备还是存在一定差距。相关产品中，像宝石公司的g e m l 9 0 0 t j 型电 子套结机以及中捷缝纫机股份有限公司的z j l 9 0 0 直接驱动高速电子套结机，均是 j u k i 的1 9 0 0 机型仿制版，抬压脚和抓线是通过电磁铁实现的，不能实时调整抬压 脚的高度和抓线的深度，且主轴转速较低( 2 7 0 0 r p m ) 。 1 3 缝纫机的发展趋势 缝纫机的发展过程主要分为三个阶段：专用化阶段、提高化阶段和机电一体化 阶段1 6 1 。 缝纫机就其发展来看大多集中在机电液一体化的应用、无油或微油润滑系统的 采用、直驱式电动机的应用、电脑多程序控制方式的应用、个性化工业造型的设计 应用等等，这些将缝纫机的发展推至高峰【7 1 。对我国缝纫机械厂商来说，已有多家 推出自动开袋机、无油直驱缝纫机、双针转角综合送料缝纫机、单针侧切平缝机、 电控高速套结机、小方头系列绷缝机等等，实现了缝纫机新的跨越。 相对于机械式缝纫机而言，机电一体化缝纫机的优势在于： l 、可以完成机械式缝纫机无法完成的一些功能，例如：自动剪线、自动夹线、 线迹编制、自动加固缝、慢速启动、花样缩放、花样旋转、另设起缝原点、功能显 示等功能。 2 、自动化、智能化程度高，可以根据缝制过程中条件的变化，在检测和反馈 后自动进行设定的缝制工作。例如：自动缝边、厚薄缝料缝线张力自动调整、自动 变速、自动变转矩、自动剪线、自动补针。 3 、可以扩大单机使用性能，可以在一台机电一体化缝纫机上完成若干台机械 式缝纫机才能完成工作。例如工业套结机，一般一台机械式套结机缝机只能完成一 种花样的缝纫，而一台电脑套结机可完成多种甚至更多花纹的缝纫并且可以自己增 加自定义花样。 2 第1 章绪论 4 、减少机械零部件的应用 由于采用了电脑控制，原来需要由机械结构实施控制的许多零部件可以省却不 用，相应减少了机械加工内容。而这些省却的机械部件往往都是形状复杂、精度要 求高、加工费时、制造成本相对较高的零件。 5 、操作省力 由于自动化程度高，可以减少许多人工操作。仅需按压按钮或操作踏板即可进 行工作，甚至是全自动进行工作。 以上一些特点充分说明了机电一体化技术的优势，并且必将是缝制机械的一个 发展方向。 1 4 虚拟样机技术在机电设备中的应用 虚拟样机技术是上世纪8 0 年代逐渐兴起的基于计算机技术的一个新概 念。从国内外对虚拟样机技术( v i r t u a lp r o t o t y p i n g ，v p ) 的研究可以看出，虚拟 样机技术的概念还处于发展的阶段，在不同应用领域中存在不同定义。 美国国防部对虚拟样机技术有关概念的建设性意见为： ( 1 ) 虚拟样机定义，虚拟样机是建立在计算机上的原型系统或子系统模 型，它在一定程度上具有与物理样机相当的功能真实度。 ( 2 ) 虚拟样机设计，利用虚拟样机代替物理样机来对其设计的各种特性 进行测试和评价。 ( 3 ) 虚拟样机设计环境，是模型、仿真和仿真者的一个集合，它主要用 于引导产品从概念到样机的设计，强调子系统的优化与组合，而不是实际的硬 件系统。 一些学者给出虚拟样机的三个要素8 】：进行功能分析的仿真模型、表达几 何形状的c a d 模型、用于实现可视化与表达的虚拟环境模型。 随着计算机技术的普及和发展，利用软件进行辅助设计与分析已经成为产品设 计的一项重要工作，但这些软件通常彼此之间各自独立作业，缺乏整体协同交互， 设计中存在的隐患只有在物理样机上进行集成测试时才能得以发现，这导致设计效 率下降，常常造成巨大的人力物力浪费1 9 1 。 工业缝纫机是一种精密的机器。在其高速运行时，它的刺布机构、挑线机构、 勾线机构和送布机构必须精确地协调运行。中国是世界上最大的缝纫机制造国，然 而其产品大多性能较差，只能靠价格低廉来竞争。其原因之一是对缝纫机的运动学 3 i i i 东人。丫：硕十学何论文 暑i 詈詈詈詈皇詈曼詈詈詈詈詈詈詈詈詈詈詈鼍曼! 曼量鼍曼量量曼! ! 詈詈! 詈詈! 詈詈詈詈詈! 苎! 苎! ! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 皇! ! ! ! ! ! ! ! ! ! 鼍! ! ! 詈詈! ! ! 詈! ! ! 苎! ! ! ! ! ! ! ! 篡 未能彻底了解，所以也不能对设计进行优化。近十年来，国内外有不少学者对缝纫 机的运动进行了深入分析。例如张青、邹慧君等研究了一种工业缝纫机的送布机构， 并提出了优化方法【l o 】。z a j a 。c z k o w s k i 建立了缝纫机机构的数学模型，对其中的几个 参数的影响进行研究12 1 ，r o b a k 对送布机构建模并进行仿真【1 3 1 ，王文广、李莉敏 等用a d a m s 软件对缝纫机的进行了模态分析【1 4 l 。大家都认为采用虚拟样机技术中的 多体动力学方法对机构进行分析，可以准确地得到缝纫机的动态性能i l 五1 6 j 。 传统的机电控制系统设计中，机械模型和控制模型虽然共同服务于一个系统， 个目标，但是他们是各自独立的模型，即使采用虚拟样机技术，也是对机械和控 制模型分别采用功能不同的分析软件进行设计，然后分别建立物理样机，待机械系 统和控制系统分别达到要求后，最后建立一个统一的物理样机，进行机械系统和控 制系统的联合调试。如果发现问题，又要分别回到单独的模型中修改，然后再进行 物理样机调试，这需要较长的开发周期。 基于多领域协同建模与仿真的虚拟样机技术很好地解决了这个问题。各专业领 域的工程师在设计过程中可以共享一个产品虚拟样机，无需制作物理样机就能够随 时对虚拟样机的整体特性进行反复的仿真测试，直至获得满意的结果l l ”。 多领域建模在复杂机电一体化产品中具有重要的意义，目前在多领域建模方面 存在几种不同方式： g r i m mc 和w a i d s c h m i d tk 以图论表达混合信号系统；k a r n o p pd c 等【1 9 】研 究键合图建模守恒能量流系统；m c p h e ej j 等【2 0 】以线性图进行多刚体动力学建模； 李瑞琴【2 1 】提出以功率键合图与信息方块图混合建模机电一体化设计方案。p a h lg 和b e i t zw 1 2 2 】将虚拟产品表述为几何、任务和行为三方面。l y o n sk 和s h o o t e rs b 1 2 3 】 等认为设计就是信息交换过程，并提出了构建设计信息语义实现信息交换标准化的 一个框架，尝试实现跨领域建模的标准化。 英国l a n c a s t e r 大学的工程设计中心【2 4 2 5 t2 6 】在机电一体化系统概念设计的研究 工作中，采用键合图作为仿真技术的底层，通过能量守恒定律在各能量子系统间联 接起来。采用方框图作为信息处理系统的底层表达式，用面向功能模块的混合建模 方法，构建了机电一体化系统设计的s c h e m e b u i l d e r 虚拟开发平台，其中的 “s c h e m e b u i l d e rm e c h a t r o n i c ”知识库由机电一体化工作原理和方法以及实现这些原 理方法的物理元件组成，可实现机电一体化系统的方案设计、系统分析和仿真。但 该软件偏重于控制部分，对执行机构部分的建模分析还不够完善。 韩国的f u n c t i o n b a y 公司开发的多体动力学软件r e c u r d y n 软件提供了与机械建 4 第1 章绪论 模软件良好的接口，并且其c o n t r o l s 模块可以与美国的m a t h w o r k s 公司开发的 m a t l a b s i m u l i n k 软件结合，将机械系统仿真分析工具同控制设计软件有机结合起来， 将复杂的控制与机械系统样机模型相结合，然后对系统进行联合分析。对于机械系 统，直接利用r e c u r d y n 程序建立的机械系统仿真模型，而不需要使用数学公式建模， 简化了建模过程。 由于机械系统和控制系统共同享有同一样机模型，可以利用虚拟样机对机械系 统和控制系统进行反复调试，直至获得满意的设计效果，然后进行物理样机的建造 和调试，大大提高了设计效率，缩短了开发周期。 基于虚拟样机的产品开发技术用于机电一体化产品设计所获得的产品模型，其 内容已经超过了传统的利用各种辅助设计工具( 如机械c a d ，控制c a d ，电子c a d ) 建模得到的主要以产品几何形状、装配关系、元器件位置、传递函数关系等为主的 “静态 、单领域或某子系统模型。机电一体化产品虚拟样机建模的重点从原有的 几何建模、功能建模转变成集成的行为建模。图1 1 表达了机电一体化产品虚拟样 机的构成特点，其特点为：更加强调产品不同子系统集成的行为模型，模型具有层 次性，存在不同精度，不同版本等f 2 。 设定长型 冈 l 定卜 l 值i 控锚誊徭墅 控翻信号 ：定位 馕信号i 控翻信号 驱动嚣模型 晨控钥佰号 慧动信号 镶信号2 量控锯依号b 曩动信号b 馈信号3 舞作蕞篷 作文式j 舞作模式2 机镶袭翻 镁域茬口 检测传盛横星 际磊f l 壤域接口 执行机| 动力学模越 作参量l 运动参量l 作参量2 运动参量2 动力a 运动参量3 动力b 图1 1 基于机械一控制协同的机电产品虚拟样机的构成 虚拟样机技术作为一种崭新的产品开发方法，利用虚拟样机代替物理样机对产 品进行创新设计、测试、评估和人员训练，正成为各类制造企业缩短产品开发周期、 降低成本、改进产品设计质量、提高面向客户与市场需求能力的重要手段2 8 1 。 1 5 课题意义 5 山尔人7 ：7 面! t ：。7 ：1 市论文 面对缝纫机行业的激烈竞争，技术先进、高附加值的缝制设备需求量越来越大。 为了满足市场和企业发展的需求，本项目与企业合作研发一种机电一体化的高速电 子工业套结机。套结机是专用的自动型缝纫机，又称“打结机”，“扎结机 ，主 要用于对服装或其它服饰品( 箱包等) 的受力部位进行加固缝作业。对服装生产来 说，经常用到套结作业的部位是袋口、纽孔尾封合等处。高速电子工业套结机是一 种智能化缝制设备，目前此种设备只有日本等少数发达国家才能生产。 利用多学科仿真技术，将机械部分与控制部分通过不同的仿真软件结合到一个 仿真平台进行仿真分析，省去了将机械部分进行数学公式建模的复杂过程，利用建 立好的机电一体化虚拟样机模型来对整个系统的控制算法进行分析优化，将以前的 由物理样机调试转为通过软件调试，使工作效率大大提高，并且节约了大量成本。 目前我国所使用的工业缝纫机的控制器基本上由国外进口，针对这种情况，国 内许多兄弟院校也在进行这方面的研制，在导师的指导下，我们承担的这一科研项 目就是在这一背景下展开的。 “五轴驱动套结缝纫机的研发 项目的目的是找出与国外产品的差距，发展具 有自主知识产权的中高端机电一体化套结缝制设备，帮助提高企业出口产品的质量 和附加值，实现我国缝制设备产业由大变强的目标。 1 6 论文来源及主要研究内容 本课题是与深圳市大地利实业有限公司的合作项目。 首先建立了两台平缝机虚拟样机模型，对缝纫机理进行了分析，在深入了解缝 纫机理后，建立了套结机模型，并制定了套结机的总体控制方法，完成了驱动电机 的选择，并优化了三轴协调控制算法。最后将控制方法在虚拟样机模型上仿真验证。 本文的主要结构为： 1 介绍缝制机械产业背景以及虚拟样机技术的发展和本课题的意义。 2 建立两台不同品牌缝纫机的c a d 模型，分析缝制设备的原理。然后改变送布 机构，建立套结机的机械模型。 3 对整个套结机系统的控制方案进行设计，并完成驱动电机的选型。 4 分析了位置控制方法和几种常用的主轴伺服电机的控制方法，提出了一种新 的对主轴伺服电机的控制方法。 5 通过s i m u l i n k 软件建立机电仿真模型的控制部分，与机械系统结合，完成对 整个系统的机电一体化联合仿真。 6 第2 章缝纫原理分析及系统建模 开发新的缝制设备，首先要对缝纫原理有一个比较深入的了解，缝制设备的基 本任务是快速有效地把两层或多层的的缝料缝合在一起，或在缝料卜缝制装饰线 缝。线缝由连续的线迹构成，而线迹是由缝纫机针两次刺穿缝料形成。 2 1 缝纫原理分析 2 1 i 缝纫机结构 工业缝制设备外形各异，但主要都是由网个部分组成，分别是送料机构、刺布 机构、，厶j 线机构和挑线机构。为了对缝纫机的缝纫原理做一个比较好的理解，在项 目初始阶段，测绘了两台工业平缝机，对其用p r o e 软件进行精确的c a d 建模并用 r e c u r d y n 软件进行运动学仿真。通过对不同品牌的平缝机的对比分析，可以更加深 入的了解缝纫机理。 分别对两种平缝机进行精确的c a d 建模，图2 _ 1 为j u k l 的甲缝机冈2 2 为大地 利的平缝机。从图中可咀看出，两者的送料机构有一定差别，但其实质都由是连杆 机构组成的，为了提高转动平衡性，其中的两个连杆由凸轮代替。图2 - 1 所示的平缝 机中，在送布机构的右下角有一个平衡块，有利于提高平缝机在高速工作时的稳定 性。从这里可以看出，国内的缝纫机在细节方面，还是和日本的有一些差距。但这 个差别对缝纫原理的分析并没有影响，后面将用这两个模型分析缝制设备的工作原 理。 圈2 - 1j u k i 平缝机模型幽2 - 2 人地利平缝机模型 平缝机四个主要机构的作用分别为 ( 1 ) 刺布机构 山乐人学碗十，忙论文 刺布机构的作用足刺穿缝料并将针线引过缝料，形成针线环在针穿过面 料向l 回升时，针线由于缝料的阻力不会随针上升，从而形成一个针线环，以便勾 线机构勾住针线。本机构一般采用的是曲柄滑块式刺布机构，由滑块牵引针杆做上 下往复运动。 ( 2 ) 勾线机构 勾线机构的作用是勾住针线环，并将它扩大，使针线环绕过梭心，从而使针线 和梭线交织，形成线迹。勾线机构主要由梭壳和梭心组成，梭壳随轴转动，梭心固 定不动。在针的一个行程，运动由齿轮组从上轴传递下来，梭壳旋转两周。 ( 3 ) 挑线机构 挑线机构是卟四杆连杆机构，挑线机构在线迹形成过程中交替提供和收回适 量的线，并使针线和梭线交织的线结在缝料中央抽紧。 ( 4 ) 送布机构 送布机构的作用是配合刺布机构，适时送出一定量的布料，来完成缝合过程。 这两台平缝机的送料机构都是由两个凸轮带动两个连杆，两个凸轮间有一定的角 度，使凸轮带动的连杆做不同运动，从而使运动传递到下方的送料杆的时候能保证 在送料的时候接近水平直线运动。 2 1 2 缝纫机各机构运动美系 从缝纫机完成一个线迹的过程来看，四个机构都能完成自身的运动是远远不够 的，缝纫机的线迹由针线和梭线两部分组成，只有缝纫机的四个主要机构准确配 合，才能保证针线和梭线的交织结处于缝料的中央，如图2 - 3 所示。 圈2 - 3 缝纫线迹 对平缝机的工作原理进行分析： 平缝机工作部分的四个主要机构：刺布机构、挑线机构、勾线机构和送布机的 叁；茎譬型堡星坌丝墨鱼篓鏊堡 运动关系如圈2 _ 4 所示。 球 1 挑线孔运动速度，2 针尖运动速度，3 针尖z 方向位移，4 送布点y 方向位移，5 挑线孔y 方向位移 图2 4 平缝机各机拘运动芙系 以主轴的转动角度为参考，取机针在摄上方时主轴的角度为旷，转动一圈为 3 6 0 ，肚1 8 0 时，机针向下运动1 8 0 3 6 0 。时机针向上运动。 线迹的形成可以分成三个阶段如图2 - 4 所示，九个过程来加以描述口9 1 。 第一阶段：针线引过缝料并形成针线环 此阶段从机针针尖接触缝料上表面丌始，到机针向下运动到下极限位置后再向 上回升1 8 至2 7 毫米，在机针短槽侧形成最佳针线环为止。这个阶段又可以分成三 个过程，印刺料过程、引线过程和针线环形成过程。 1 刺料过程 从机针针尖下行接触到缝料上表面起，至机针针尖到达针扳上表面止。如图2 5 所示，左图为理论模型有图为仿真模型。 图2 - 5 刺布过程 托妒油 d ，琴蠹 ，移吝 山东人。学硕f ：学何论文 2 引线过程 从机针尖到达针板上表面起，至机针下行到下极限位置止。在这个过程中各机 构的运动关系为： 刺料机构：机针刺穿缝料后，针孔带着针线穿过缝料下行到最低位黄，机针运 行速度递减至零。 勾线机构：旋梭此时还没转动到它的上极限位置。 挑线机构：挑线杆穿线孔继续下行，松弛针线从而逐步供应机针在形成线结过 程中所需的针线。机针下行到极限位置时，机针需线量达到最大值( 在此阶段中， 挑线杆穿线孔所供应的针线量大致为机针位移量的两倍。) 送料机构：送料牙在针板下方继续下降，到最低点后，开始向z 轴正方向。 3 针线环的形成 机针从下极限位置回升起，至旋梭勾线尖运动到与机针轴心重合位置止，这一 过程称为针线环的形成过程。在此期间，机针向上升起，由于缝料、机针对针线的 摩擦力不等，在机针的短槽侧( x 轴负方向) 的针线受到摩擦力较大，出线受阻力 以致在机针针孔附近逐渐形成了较机针长槽侧为大的针线环，为下阶段的勾线准备 了条件，如图2 6 所示。至此，第一阶段工作结束。 图2 - 6 线环形成过程 形成线环的距离 第二阶段：针线环绕过旋梭与梭线交织 此阶段又可分为三个过程：勾线、分线过程；过线、脱线过程和针线环与梭线 交织过程。 1 勾线、分线过程 当机针从下极限位置上升1 8 2 7 m m ，而在机针短槽侧形成最佳线环时，旋梭 勾尖勾入线一环后，将针线环在旋梭的前后两侧分开，并使针线环滑过旋梭梭壳与 梭芯之间的间隙而完成此过程，如图2 7 所示。 1 0 第2 章缝纫原理分析及系统建模 图2 7 勾线、分线过程 2 针线环的过线和脱线过程 旋梭带着分于前后两侧的的针线环转动，直到线环完全绕过旋梭并从旋松脱出 而完成此过程，如图2 8 所示。 圈2 - 8 脱线过程 3 针线与梭线交织过程 针线环从旋梭脱出后，挑线杆穿线孔从最低位置迅速上升，协助针线环从旋梭 梭心与梭壳之间的空隙中很快脱出，并与梭线形成交织结而完成此过程。 第三阶段：收紧针线，使之与梭线交织成结。 这一阶段又可以分为三个过程：底、针线交织线结抽入缝料的过程；从线团经 夹线器抽出针线的过程和拉紧面线使交织线结处于缝料中央的过程，如图2 - 9 所示。 1 底、针线的交织线结抽入缝料的过程 随着针线环绕过旋梭前后两侧扩展并脱出，挑线杆穿线孔带着针线加速向上提 升，针线环收起，针线与梭线的交织线结从针板上的针孔边缘处脱出而进入缝料。 图2 - 9 线结形成过程 2 针线从线团经夹线器抽出的过程 挑线杆穿线孔的上升运动把针线环抽八缝料的同时张紧了针线，克服夹线器的 弹簧压力，从放置于线架上的线团中抽出针线，为形成f 一个线迹抽出必需的线量。 3 收紧交织线结于缝料中央形成线迹 挑线杆穿线孔卜行到最高位置后，r 始缓慢下降，针线松弛，旋棱一方面继续 张紧针线，把针线，梭线的交织结拉回至缝料中央，另一方面，继续从梭芯中抽出 梭线为形成下一线迹准各梭线。 2 i 3 分析与讨论 将缝纫机各机构的运动关系表示在x y t 三维空间中，图中比较明显的反映了 两台平缝机各机构的运动关系。图2 1 0 为j u k i 平缝机各机构的运动关系，箭头从 上到下依次为机针，送布和勾线机构的位置，图2 - 1 i 为大地利平缝机各机构的运动 关系。由图中可以看出，勾线机构一直在做旋转运动，一个刺针周期，勾线机构旋 转两周，机针抬起面板后送布动作丌始。 圈2 - 1 0 j u k i 平缝机运动关系图酗2 - i i 大地利平缝机运动关系凹 第2 章缝纫原理分析及系统建模 为了准确的观察各机构的相位关系，将各机构的运动轨迹放到二维平面，横坐 标为时间，纵坐标为z 方向位移，图2 1 2 与2 1 3 是j u k i 和大地利平缝机各机构 的运动轨迹。 1 挑线孔y 方向位移，2 送布机构z 方向位移，3 竦0 布机构y 方向位移4 勾线机构， 5 送布机 构y 方向位移 图2 1 2j u k i 平缝机各机构幅值相位关系图 1 挑线孔y 方向位移，2 送布机构z 方向位移，3 刺布机构y 方向位移4 勾线机构， 5 送布机 构y 方向位移 图2 13 大地利平缝机各机构幅值相位关系图 1 3 山尔人学硕十学位论文 选取刺布机构为参考，设刺布机构中机针的最高位置为0 0 ，分析各机构在达到 其最高点时对应的刺布机构的相位，各机构的相位关系如表l ，l 所示。 表卜l 两种机型各个机构的相位和幅值比较 刺布送料挑线勾线 机型 相位( 度) o o1 3 02 0 2 5 02 5 0 1 幅值( r a m ) 3 5 05 06 4 。6 。3 5 。 机型 相位( 度) o o 1 8 02 3 4 01 8 0 2 幅值( r a m ) 3 2 0 7 0 6 0 4 03 4 0 由以上分析可以看出两种机型的运动规律上虽然有一些区别，但区别很小，可 以判断是由于设计误差引起的，而其所依据的缝纫原理都是一样的。在现实中，工 业平缝机的速度已经可以达到5 0 0 0 甚至1 0 0 0 0 r m i n 。 套结机的大部分结构与平缝机相同，而套结机的最高转速要求是3 2 0 0 f f m i n ， 因此套结机的主要结构可以按平缝机设计，完全可以满足要求。 2 2 套结机建模 套结机和平缝机的缝纫原理是一样的，各机构的运动关系基本相同，因此，在 设计套结机的时候，很多数据是根据技术已经比较成熟的平缝机获得，主要机构由 平缝机转化而来。考虑到安装要求，勾线机构由旋梭改成了摆梭，另外套结机与平 缝机最大的不同之处在送料机构，平缝机的送料轨迹完全由机械结构实现，但单纯 靠机械结构，不可能实现套结机需要的各种轨迹。 2 2 1 套结机送布机构建模 套结机的送料结构改成由两步进电机控制的结构。 送布系统的运动原理为：送布机构由两步进电机控制，步进电机根据主轴伺服 电机转动的角度发送相应脉冲实现。送布机构的原理如图2 1 4 所示。 y 向由一步进电机通过齿轮齿条机构，控制厶垂直运动。x 向运动由另一步进 电机通过齿轮传动，控制轴厶摆动，实现水平方向运动。以0 点为原点( 同时也为 缝纫原点) 建立坐标系，以l 轴与直角坐标系中的y 轴重合且滑块l 到针孔的距离等 于l 轴的轴长时，x ，y 向步进电机的位置为各自的转动起始位置。设已知x ，y 向 步进电机由起始位置分别转动见，9 ，时厶轴与厶轴控制缝制原点( 即缝制框中心) 1 4 由原点0 移动至( x ，y ) ，从而产生下一个缝制点，此时滑块l 、滑块2 的坐标分 ( 一，乃) ，( x 2 y 2 ) 。 ( o o 1 x 送布齿轮，2 传动齿轮，3 y 送布齿轮，4 送布齿条，5 滑块，6 滑块 图2 1 4 送布机构原理图 点( 而y ) 由( x l ，乃) ， f x = x i + 厶s i n c t y ：乃一厶c 。s c 其中： f 五= 0 1 乃= r 巳+ 厶 点( 叠，y 2 ) 由轴厶， f x z = 厶s i n b 【奶= 上：一厶c o sb 厶以及厶转过的角度c 表示为： 厶的转角b 以及厶的起点坐标( 0 ，) 表示： 将角度b ，c 用一，砭，y l ，y 2 以及g 表示，得到： fb = k 吼 【c = a r e t a n ( x 2 一葺) ( y 2 一m ) 将式2 2 ，2 3 ，2 4 代a 2 1 ，求解得到： ( 2 1 ) ( 2 2 ) ( 2 3 ) ( 2 4 ) 1 5 j j j 尔人学硕十学位论文 卜。sin防咖一lz。sin(k-0 x)， 泣5 ， l 一 厶，c o s a r t 蜊器】 由式2 5 可以看出，点( x ，y ) 的位置，可以由变量见，g 求得。 在实际的花样设计中，点( x ，y ) 是知道的，要通过点( x ，y ) 的坐标，求解 出色，巳，其中厶，厶( x ，y ) ，r 为已知量。 c ：a r c s i n 兰立 厶 将= o 代入式2 - 6 ，得到 c ：a r c s i n 三 厶 由几何关系可以得出： y 、：y + 压j 由公式2 2 推出： 0 = 丛生 求解p ， 由公式2 3 得到 + ( 奶一z ) 2 = 葺 由于x 2 = t a n c ( y 2 一m ) 代入式2 1 0 得 ( 1 + t a n 2c ) y ；一2 ( mt a n 2c + l ) y 2 + 2 + 订t a n 2c = 最 解关于咒的方程得： 奶= 生堕型等景 型 对上式中的正负号进行分析： 如果取正号，则： 1 6 ( 2 6 ) ( 2 7 ) ( 2 8 ) ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 1 2 ) 虬z 锵 此时若上h 则儿f 反z ，若y 则儿h 在该缝纫机的机械结构中，这两种情况是不可能出现的，因此上式中取负号。 公式汇总如下： c ：m s i i l 三 厶 h = y + 卒一，2 ( 2 1 3 ) 良：y l - 一：! ：匠二5 。 rr 如= t a n c ( 儿一y 1 ) 儿= y + ( - y o - 4 l 1 + 磊t a n c _ l ；- t 一- y , ) q 1 b ：m s i n 兰 上2 k 晏 送布机构如图2 1 2 所示 ( 2 1 4 ) 1x 向送布电机齿轮，2 送料齿轮，3 连杆，4 送料臂， 5 滑块，6 y 向送稚l u 机齿轮7 送布齿条，8 销 图2 - 1 5 送布机构模型图 图2 i5 是送布机构的整体装配图。x 向送布电机齿轮( i ) 转动，通过与其啮合 山东a 学硕十学位论文 的送料齿轮带动转杆摆动，然后通过销( 5 ) 控制送料臂( 4 ) 摆动到相应位置。实 现x 向送布。 齿条( 7 ) 通过销( 8 ) | t 动送料臂( 4 ) ，实现y 方向送布运动。 2 2 2 模型导入仿真软件r e c u r l ) y n 套结机的c a d 模型要比平缝机复杂很多，除主要缝纫部分以外还有剪线机构， 扫线机构，抓线机构，抬压脚机构，整个系统的零件有几百个，而且为了保证以后 自动控制的准确性，建模一定要准确，但通过p r o e 转化成x - t 格式再导a r e c u r d y n 中，会丢失一部分特征，比如孔、不规则几何体的中心等。这会对在r e c u r d y n q n 添 加约束造成很大麻烦。因此，在p r 0 ，e 中创建装配体的时候，考虑到以后需要加约束 的位置提前加一个小圆柱定位，待模型建屯好之后再将辅助圆柱删除，如图2 1 6 所，下。 凹2 1 6 辅助圆柱 1 添加运动副 模型导入r e c u r d y n 后，就要添加各种运动副，如转动副、移动副、齿轮副 弹簧等。如图 图2 - 1 7 运动副及其设置 容。 薹；茎尘垒堡堡垒茎望堑垒星堡! 一： ： 由于运动机构中有凸轮机构，还要在凸轮机构中添加接触关系。在接触关系中， 需要设置的参数值主要有阻尼系数，动摩擦系数和穿透量等。如图1 1 8 所示 幽2 - 1 8 接触关系及其设置 2 去除冗余约柬 在建模时，应该谨慎选择约束和定义模型，避免模型出现过约束。在物理模型 中，由于考虑到构件和铰接处的变形，用两个运动副来限定一个自由度是必要的： 而在理想的数学模型中，刚性构件和运动副均不允许有任何松动。因此，由于约束 的考虑不当，使机构不能运动的情况时有发生，在物理模型中很容易误认为是一 转动副，但在实际运动过程中，由于零件中有间隙，这时就要考虑用一个球副来代 替转动副，如图2 - 1 9 所示， 图2 1 9 改变运动副实例 图2 1 6 中，第一个和第三个为建模图，第二个和第四个为实际机构中浚运动副 所处位置，可以看出，在实际机构中，这两个机构很像由一个销子连接起来的两个 连杆机构，但在这两个机构中，这两个连杆的连接是有间隙的，也就是它们不仅可 以转动，而且可以垂直于转动平面摆。因此，在建模过程中，用球副代替这两个转 动副。 3 模型植验 在上述步骤完成后，在需要驱动的运动副加 一个运动( m o t i o n ) ，检验机械模 型是否有错误，如连杆机构的死点等情况。 在该模型中，大多部件是采用的已经验证准确性的平缝机的结构，只有送布系 统是新设计的，而且送布系统建模的准确性直接关系到送布花样能否实现。因此， 设x 送布方向位移是一个f 弦函数，y 送布方向位移是一个余弦函数，经过公式 ( 2 - 1 3 ) 和( 2 1 4 ) 换算后，生成x ，y 方向送布电机的角度，在m o t i o n 中选择驱 动对象为位移，将生成的两个电机的转动角度输入到模型。如果建模准确，送布机 构所运行轨迹应该是一个圆形。按此方法，模型送布机构的运行轨迹如图2 - 2 0 所示。 2 2 0 送布机构运行轨迹 存确定机械模型没有错误后，套结机机械系统的建模就完成了，系统总结构如 图2 - 2 l 所示。 2 3 动力学分析及优化 幽2 2 l 套结机总体结构图 缝纫机在运动过程中的震动主要由主轴转动时的不平衡力引起，由图2 2 l 可以 看出，刺布机构会产生一定偏心力，并且加上了平衡块。由主轴向勾线机构传递力 的连轩机构体积很大，会引起一定的偏心力，图2 - 2 2 为曲轴在最高点和最低点对应 的轴上的反作用应力。 幽2 2 2 主轴上的应力 在主轴静止时，由于重力原因，作用在主轴上的支撑力为1 2 6 n ，主轴以1 0 m d 居 的速度转动时，应力的波动范围是1 1 7 - 1 4 4 n 。 在主轴上加入平衡块后，虽然由于重力产生的作用在主轴上的应力增大，但应 力波动范围改变为1 4 4 n 1 54 n ，比之前明显减小，如图2 - 2 3 所示。 2 4 本章小结 幽2 - 2 3 优化后主轴上的应力 本章通过对两台技术比较成熟的平缝机进行建模仿真，详细的分析了在缝制过 程中，各机构的运动关系。 在了解缝制设备的缝纫原理后，本套结机大部分机构采用和平缝机相同的结 构，并根据缝制任务的要求选取了一个适合本套结机的送布机构，完成了整个系统