文章编号
-X()02--08
来源
《现代纺织技术》年第2期
作者
余为洲,周俊荣,胡晨星,刘光辉,钟永华
(五邑大学智能制造学部，广东江门)
作者简介
余为洲(-)，男，湖北十堰人，硕士研究生，主要从事智能装备设计方面的研究。
摘要为提高三金片绣花机的工作效率，针对三金片绣送片装置存在的实际问题，开发设计一种并排式三金片绣自动送片装置。通过设计出一种仿形换位机构和可控离合机构，实现三个送片槽并排式布置。利用Creo三维建模软件建立实体模型，将其导入ADAMS软件中建立虚拟样机模型进行仿真分析，获得了关键机构的运行参数，绘制出了机构的运动特性曲线。结果表明：该送片装置改进设计的机械结构合理及可行，达到了预期的效果。
关键词并排式；三金片绣花机；送片机构；改进设计；仿真分析
电脑金片绣花机(又称电脑亮片绣花机)是一种特种绣花机。它的出现扩展了服装行业传统的加工工艺，解决了绣花一直只能用线的限制，使服装的样式变得更加丰富多彩。五彩缤纷的金片因具有独特的装饰效果，使金片绣服饰广受追求个性时尚消费者的青睐。又因为只需操作人员简单地用手辅助操作，可以完成高质量的缝制品，所以电脑金片绣花机得到广泛应用[1]。
目前市场有许多种电脑金片绣花机，根据金片装置的安装位置和数量不同，分为单金片、左右双金亮片、叠加双金片、左双右单三金片、叠加三金片、左双右双四金片等6种不同的形式[2]，均能实现输送一种或多种规格金片进行刺绣。但仔细研究绣花机结构就会发现，都是基于单金片送片装置的简单衍生，即将单金片送片机构叠加n次，每一个送片机构输送不同规格型号的金片，这样就变成了一种n金片绣送片装置[3]。图1为传统三金片绣自动送片装置，结构上主要包括送片机座和安装其上的3个送片推脚装置、3个止回棘爪、3个金片入口和1个金片出口，以及换片装置和切片装置，其中送片推脚装置包括推臂及其铰接的推脚。3种规格不同的金片从大到小从底层往上叠置，然后从送片槽底板经同一个出口输出。
图1传统三金片绣自动送片装置
这种金片绣花机装置因结构设计存在缺陷，在工作过程中经常会出现各种问题，其可靠性有待进一步提高，金片最底部的送片槽较长，不同金片叠加在一起，导致金片在高速工作中容易堵塞送片槽，并且堵塞后清理麻烦，影响工作效率，另外装置结构体积也比较大。鉴于这种机构的设计缺陷，本文对该机构进行改进设计，采用送片槽并排式布置的方法，设计出一种新型的并排式三金片绣自动送片装置，解决了高速工作中的金片容易堵塞送片槽，并且堵塞后清理麻烦的问题，也缩小了装置体积。
并排式三金片绣装置结构分析
金片绣是在电脑平绣机的基础上加了金片装饰物以及金片送片装置[4]，从而可将金片刺绣在纺织品上形成美丽的图案。一般来说，金片绣装置由四大部分组成，分别是升降装置、针杆架、机座和送片装置。该并排式三金片绣装置也由这四大部分组成，如图2所示。
图2金片绣装置示意
其中，针杆架与绣花机机头相连，针杆架内的针杆与机座内的旋梭配合完成织线的刺绣工作，是绣花机的主体部分[5]。送片装置则根据针杆的运动状况，以适当的节拍将金片不断送入刺绣位置，从而完成金片的刺绣工作[6]。升降装置则用于送片装置的自动上升和下降，以便绣框的自由运动[7]。在这四部分当中，所有电脑刺绣机都有针杆架和机座这两部分，并且这些部分结构以及控制原理都有许多的研究[8]，故在这里不做讨论。
并排式三金片绣送片装置改进设计
2.1改进型机构结构与工作示意
图3为改进型三金片送片装置的结构示意图，它主要包括以下三大部分：a)仿形步距调整机构；b)曲柄滑块可控离合机构；c)送片槽。在这三部分中，a)、b)部分是该新型送片装置的改进之处和难点。送片槽的作用是输出3种不同规格的金片。
图3三金片送片机构结构
该装置设计难点一是要保证绣针与金片中心同心，二是在保证同心的同时能正确的切换工位，实现步距调整机构和曲柄滑块机构的联动。并列金片的排布方式如图4(a)所示，因为绣针是处于F不动的，要绣E(G)金片，装置的运行轨迹是从E(G)到F，这包含了步距e和滑块位移x两个分动作。这就要求仿形步距调整机构的靠模轮廓要设计的准确，曲柄滑块机构的曲柄和连杆要设计的合理。图4(b)是装置实行步距调整和切换工位的联动原理示意图，假设靠模在C点，曲柄在A1点，绣F金片为装置的初始位置，此时离合拨叉与离合接口M1相接，绣针与金片中心对齐。绣G金片时，靠模从C点转动到B点，步距已调整，与此同时曲柄转动到A2点，连杆带动滑块和送片槽，使离合拨叉与离合接口M2相接，绣针与金片中心对齐，实现了步距调整与切换工位的联动。同理可得绣E金片时的运动原理。
图4各工位步距换位联动工作示意
2.2仿形步距调整机构的设计
图5为仿形步距调整机构，它由切换电机驱动，作用是调整送片机构的位置以达到调整步距的目的，即保证切换金片后，金片中心仍然能够与绣针的针尖重合。
图5步距调整机构模型
切换电机驱动仿形靠模与靠轮接触，从而使送片机构根据仿形靠模轮廓调整步距，而仿形靠模的轮廓及其切换电机转动的角度θ决定了步距调整是否准确，故设计好转角便可以调整送片机构位置。为了保证金片步距调整和工位切换能完全同步，在设计金片步距调整机构时，仿形靠模和工位切换的动力源为同一个切换电机，共用其转子轴。
仿形靠模的轮廓曲线直接决定了送片机构的运动规律，靠轮与仿形靠模相切等同于一对凸轮机构[9]。而凸轮的轮廓设计过程通常是在其他零件结构尺寸确定的情况下，将运动件的运动规律代入到机械结构中进行反求[10]。因此，在设计仿形靠模轮廓时，借鉴设计滚子从动件凸轮机构时的反转法思想原理。
当仿形靠模以等角速度绕轴心逆(顺)时针转动时，靠轮在仿形靠模的推动下沿导路上、下往复移动实现预期的运动。现设想将仿形靠模和送片机构整体以公共角速度绕轴心顺(逆)时针旋转时，显然这时靠轮与仿形靠模之间的相对运动并不改变。假若仿形靠模此时固定不动了，而靠轮将一方面随着导路一起以等角速度绕仿形靠模轴心旋转，同时一方面又按已知的运动规律在导路中反复相对移动，这样即可用作图法绘制出仿形靠模的轮廓。
实际上，在该步距调整机构中，靠轮是固定不动的，当仿形靠模以等角速度绕其轴心旋转时，其自身会带着送片机构按已知的运动规律反复相对移动。鉴于仿形靠模的主要作用是为了限制三个固定的点位置，在此忽略靠轮的具体运动路径，只需保证到达的点位置准确即可。
不失一般性，假设进行刺绣的3种金片直径分别为3、5、7mm，如图6所示安装顺序为：左位7mm，中位3mm，右位5mm。当绣针从3mm金片中心到5mm金片中心时，步距为1mm；当绣针从3mm金片中心到7mm金片中心时，步距为2mm。
图6金片排列规格示意
根据其他结构的设计，在此选择的靠轮采用内径5mm、外径14mm的滚子轴承标准件。根据空间限制，仿形靠模的外形轮廓设计为16mm。仿形靠模的基圆半径为2倍的切换电机转子轴，即为5mm。假设绣针在中位(靠模与靠轮也处于中位)，此时靠轮中心轴与仿形靠模的中心距为12mm，设为i，如图7(a)；当仿形靠模顺时针转动45°，靠轮中心轴与仿形靠模的中心距为i+1，即13mm；当切换电机逆时针转动45°，靠轮中心轴与仿形靠模中心距为i+2，即14mm。以O点为圆心，分别画与OA成±45°的两条射线OB、OC。再以O点为圆心，以12、13、14mm为半径分别画圆交于射线OA、OB、OC于P点、M点、N点，再分别以P点、M点、N点为圆心画直径为14mm的圆，分别交射线OA、OB、OC于G、F、E点，这3点即是需要保障的3个限位点。然后再以O点为圆心，以16mm为直径画圆，将其仿形靠模表面设计为卡槽型，其余部位平滑连接即可，如图7(b)所示。
图7仿形靠模零件示意
2.3曲柄滑块可控离合机构的设计
图8为曲柄滑块可控离合机构，三维模型如图8(a)所示，因为不同偏距对曲柄滑块机构的滑块位移没有影响[11]。为了简便分析及计算，将偏置曲柄滑块机构(如图8(b))等价为对心曲柄滑块机构，如图8(c)所示。
图8曲柄滑块可控离合机构
该曲柄滑块可控离合机构由切换电机驱动，作用是实现3种不同工位的切换。如图8(c)所示，切换电机驱动曲柄连杆，连杆带动滑块继而带动离合接口。当滑块处于A位置时，离合接口A1与离合拨叉D相接触，此时工位处于中位；当曲柄滑块机构处于B位置时，离合接口C1与离合拨叉D相接触，此时工位处于左位；当曲柄滑块机构处于C位置时，离合接口B1与离合拨叉D相接触，此时工位处于右位。
通过分析，不难得出滑块运动位移x与偏心转角θ的关系为：
(1)
根据机构设计，已知偏心转角转过45°时，滑块运动位移为7.0mm，故取x=7.0，θ=45°，给定若干个L参考值，代入式(1)中，运用Matlab编程迭代计算，可得到连杆长度L与偏心轴长度d的关系曲线，如图9所示。
图9连杆长度L与偏心轴长度d的关系曲线
从图9可以看出，在位移和转角一定时，连杆L与偏心轴长度d几乎成线性正比关系，鉴于结构空间限制，在此取其连杆L的长度为19.5mm，可以得出偏心轴长度d的值为9mm。
并排式三金片绣送片装置工作原理
如图10所示，金片绣装置左、中、右3个送片槽安放的金片直径依次为7、3、5mm。
图10并排式三金片送片装置结构
假设金片绣装置处于中位3mm时为初始状态，此时中位离合接口与离合拨叉接触，靠轮与仿形靠模中位接触，绣针针尖与3mm金片中心对齐。送片电机带动输出轴顺时针(从右侧看向送片电机)旋转一定的角度，从而带动离合拨叉顺时针也旋转一定角度，离合拨叉带动离合接口一端的推进爪向后移动，连接在离合接口上的拉簧被拉伸；然后拉簧复位，离合接口逆时针旋转一定角度，将离合接口一端的推进爪向前推移，将3mm金片推出至绣针下停止，等待绣针将金片绣在纺织物上，与此同时缝纫杆下降，缝纫杆上的凸台压下切刀将金片切下；缝纫杆上升后，切刀通过切刀轴弹簧复位，至此完成一个金片的刺绣。循环往复进行这个工作状态，就能不断输送3mm金片到绣针下工作，直至不需要该中工位3mm金片时，切换电机切换到另一种工位进行工作。
同理，当金片绣装置右位5mm金片进行工作时，“切换电机”顺时针(从上向下垂直于切换电机看)旋转45°带动曲柄滑块和仿形换位步距调整机构工作。
当金片绣装置左位7mm金片进行工作时，仿形靠模首先进行复位到达中位，然后切换电机再逆(从上向下垂直于切换电机看)时针旋转45°带动曲柄滑块和仿形换位步距调整机构工作。
当指定图案的刺绣工作完成后，升降装置开始工作，将送片机构向上移动到安全位置。该并排式三金片绣自动送片装置3种金片切换的运动仿真如图11所示。
图11自动送片装置工位切换仿真
运动学仿真与分析
通过对装置建立运动学模型进行仿真分析，可以在设计阶段对产品进行性能测试，验证设计是否有缺陷并进行改进，从而使设计生产出来的产品最大可能地满足设计目标，也节省产品开发费用，缩短开发周期，提高开发效率。
采用Creo三维建模软件建立三金片绣送片装置三维模型后，将装配模型保存为ParaSolid(*.x_t)格式的文件，然后导入到ADAMS仿真环境中[12]进行ADAMS虚拟样机建模，在软件中对模型添加材料属性、约束关系和驱动函数，通过工具栏中的模型验证功能，验证模型建立是否正确。单击F8键进入后处理模块，选择所测对象后输出运动学特性曲线。
4.1仿形换位步距调整机构的位移曲线
图12是步距调整机构的时间-位移曲线，在0s时，处于中位，此时位移为0mm；在0～3s内，从中位切换到左位，此时位移为2mm，3～4s，在左位停止不动；然后在4～7s内，曲线缓缓上升，此时从左位返回到中位。然后在中位停留1s后，从8～11s，曲线平滑下降，此时从中位到右位，位移为1mm，在右位停留1s后，返回中位。曲线过渡平滑，在拐点处过渡稳定，没有波动，无突变，随着时间的变化而平缓变化。
图12步距调整机构Y轴方向位移曲线
图12位移曲线表明，步距调整机构的仿形靠模轮理论设计合理，与设计要求完全一致，切换工位时能保证步距调整准确，使金片的中心与绣针中心对齐，能按照预定要求工作，符合设计要求。
4.2曲柄滑块可控离合机构的位移、速度曲线
图13曲柄滑块可控离合机构运动规律
图13是金片绣送片装置切换各个工位时可控离合机构的位移和速度曲线图。在0s时，离合拨叉处于中位；在0～3s内，步距调整机构从中位切换到左位，此时离合拨叉向右移动7.1mm停留1s；在4～7s内，离合拨叉从右位返回到中位。在8～11s，离合拨叉从中位到右位，向右移动7.3mm，在右位停留1s后，返回中位。图13中数据变化平稳，位移绝对值在设计要求控制范围内，速度随时间成周期性变化，没有出现突变的情况，变化规律与位移规律相辅相成，证明了曲柄滑块可控离合机构理论设计的合理性，符合设计要求。
从仿真分析的曲线变化结果来看，金片绣送片装置的仿形换位步距调整机构和曲柄滑块可控离合机构设计合理，数据大小在控制范围内，满足设计要求。
改进型与传统型送片装置对比
改进型的实物样机(图14左)与传统三金片绣送片装置(图14右)相比，送片机构体积明显缩小，达到了减小体积的目的；改进型的并排式装置送片槽明显比传统型装置送片槽行程短很多，送片机构可以准确的将各种规格金片送达到位，且每种金片并列排布而不是多层叠加，不会因某金片堵塞送片槽而影响其他金片工作，解决了高速工作中金片堵塞送片槽的问题。该方案已经获得国家专利授权[13-14]，并且已经得到了生产实践证明，符合设计预想，在解决堵塞提高效率方面得到了良好的效果。
图14三金片绣送片装置实物样机
结论
a)通过仿形换位步距调整机构、曲柄滑块可控离合机构和送片推脚及送片槽并列排布的方式，设计了一种并排式三金片绣送片机构装置，解决了现有技术中三金片绣自动送片装置容易堵塞，堵塞后难以清理并且影响工作效率的痛点，提高了工作效率，缩小了装置的体积。
b)该装置可以根据要求绣作直径依次为7、3、5mm和9、5、7mm规格金片，具有机构结构简单，定位准确等特点。
c)通过ADAMS对金片绣送片装置进行仿真分析，获得送片装置的位移速度曲线图，直观准确地验证了机械结构设计的合理性。
d)该方案已经获得国家专利授权，并且已经得到了生产实践证明，符合设计预想，在解决堵塞提高效率方面得到了良好的效果。
参考文献
[1]刘成刚.在新形势下对自动缝制机械的理解及其未来的展望[J].机械管理开发,,32(1):-.
[2]阿里巴巴专栏网.电脑绣花金片绣的分类和绣法[EB/OL].
