并排式三金片繡自動送片裝置改進設(shè)計與仿真分析

余為洲 周俊榮 胡晨星 劉光輝 鐘永華

摘 要：為提高三金片繡花機的工作效率，針對三金片繡送片裝置存在的實際問題，開發(fā)設(shè)計一種并排式三金片繡自動送片裝置。通過設(shè)計出一種仿形換位機構(gòu)和可控離合機構(gòu)，實現(xiàn)三個送片槽并排式布置。利用Creo三維建模軟件建立實體模型，將其導(dǎo)入ADAMS軟件中建立虛擬樣機模型進行仿真分析，獲得了關(guān)鍵機構(gòu)的運行參數(shù)，繪制出了機構(gòu)的運動特性曲線。結(jié)果表明：該送片裝置改進設(shè)計的機械結(jié)構(gòu)合理及可行，達到了預(yù)期的效果。

關(guān)鍵詞：并排式;三金片繡花機;送片機構(gòu);改進設(shè)計;仿真分析

中圖分類號：TS941.56

文獻標(biāo)志碼：A

文章編號：1009-265X（2020）02-0089-08

Abstract：To improve the work efficiency of three-layered tinsel embroidery machine， an automatic feeding mechanism of side-by-side three-layered tinsel embroidery device was designed and developed on the consideration of overcoming the problems of existing three-layered tinsel embroidery feeding mechanism.Side-by-side arrangement of three feeding grooves was realized by designing a copying transposition mechanism and a controllable clutch mechanism.A solid model was built with Creo 3D modeling software， which was imported into ADAMS software to establish a model of virtual prototype for simulation analysis.The operating parameters of key components were obtained， and component motion characteristic curve was developed.Results show that the innovated mechanical structure of the mechanism is reasonable and feasible， and achieves the desired results.

Key words：side-by-side; three-layered tinsel embroidery machine; feeding mechanism; innovative design; simulation analysis

電腦金片繡花機（又稱電腦亮片繡花機）是一種特種繡花機。它的出現(xiàn)擴展了服裝行業(yè)傳統(tǒng)的加工工藝，解決了繡花一直只能用線的限制，使服裝的樣式變得更加豐富多彩。五彩繽紛的金片因具有獨特的裝飾效果，使金片繡服飾廣受追求個性時尚消費者的青睞。又因為只需操作人員簡單地用手輔助操作，可以完成高質(zhì)量的縫制品，所以電腦金片繡花機得到廣泛應(yīng)用[1]。

目前市場有許多種電腦金片繡花機，根據(jù)金片裝置的安裝位置和數(shù)量不同，分為單金片、左右雙金亮片、疊加雙金片、左雙右單三金片、疊加三金片、左雙右雙四金片等6種不同的形式[2]，均能實現(xiàn)輸送一種或多種規(guī)格金片進行刺繡。但仔細研究繡花機結(jié)構(gòu)就會發(fā)現(xiàn)，都是基于單金片送片裝置的簡單衍生，即將單金片送片機構(gòu)疊加n次，每一個送片機構(gòu)輸送不同規(guī)格型號的金片，這樣就變成了一種n金片繡送片裝置[3]。圖1為傳統(tǒng)三金片繡自動送片裝置，結(jié)構(gòu)上主要包括送片機座和安裝其上的3個送片推腳裝置、3個止回棘爪、3個金片入口和1個金片出口，以及換片裝置和切片裝置，其中送片推腳裝置包括推臂及其鉸接的推腳。3種規(guī)格不同的金片從大到小從底層往上疊置，然后從送片槽底板經(jīng)同一個出口輸出。

這種金片繡花機裝置因結(jié)構(gòu)設(shè)計存在缺陷，在工作過程中經(jīng)常會出現(xiàn)各種問題，其可靠性有待進一步提高，金片最底部的送片槽較長，不同金片疊加在一起，導(dǎo)致金片在高速工作中容易堵塞送片槽，并且堵塞后清理麻煩，影響工作效率，另外裝置結(jié)構(gòu)體積也比較大。鑒于這種機構(gòu)的設(shè)計缺陷，本文對該機構(gòu)進行改進設(shè)計，采用送片槽并排式布置的方法，設(shè)計出一種新型的并排式三金片繡自動送片裝置，解決了高速工作中的金片容易堵塞送片槽，并且堵塞后清理麻煩的問題，也縮小了裝置體積。

1 并排式三金片繡裝置結(jié)構(gòu)分析

金片繡是在電腦平繡機的基礎(chǔ)上加了金片裝飾物以及金片送片裝置[4]，從而可將金片刺繡在紡織品上形成美麗的圖案。一般來說，金片繡裝置由四大部分組成，分別是升降裝置、針桿架、機座和送片裝置。該并排式三金片繡裝置也由這四大部分組成，如圖2所示。

其中，針桿架與繡花機機頭相連，針桿架內(nèi)的針桿與機座內(nèi)的旋梭配合完成織線的刺繡工作，是繡花機的主體部分[5]。送片裝置則根據(jù)針桿的運動狀況，以適當(dāng)?shù)墓?jié)拍將金片不斷送入刺繡位置，從而完成金片的刺繡工作[6]。升降裝置則用于送片裝置的自動上升和下降，以便繡框的自由運動[7]。在這四部分當(dāng)中，所有電腦刺繡機都有針桿架和機座這兩部分，并且這些部分結(jié)構(gòu)以及控制原理都有許多的研究[8]，故在這里不做討論。

2 并排式三金片繡送片裝置改進設(shè)計

2.1 改進型機構(gòu)結(jié)構(gòu)與工作示意

圖3為改進型三金片送片裝置的結(jié)構(gòu)示意圖，它主要包括以下三大部分：a）仿形步距調(diào)整機構(gòu);b）曲柄滑塊可控離合機構(gòu);c）送片槽。在這三部分中，a）、b）部分是該新型送片裝置的改進之處和難點。送片槽的作用是輸出3種不同規(guī)格的金片。

該裝置設(shè)計難點一是要保證繡針與金片中心同心，二是在保證同心的同時能正確的切換工位，實現(xiàn)步距調(diào)整機構(gòu)和曲柄滑塊機構(gòu)的聯(lián)動。并列金片的排布方式如圖4（a）所示，因為繡針是處于F不動的，要繡E（G）金片，裝置的運行軌跡是從E（G）到F，這包含了步距e和滑塊位移x兩個分動作。這就要求仿形步距調(diào)整機構(gòu)的靠模輪廓要設(shè)計的準(zhǔn)確，曲柄滑塊機構(gòu)的曲柄和連桿要設(shè)計的合理。圖4（b）

是裝置實行步距調(diào)整和切換工位的聯(lián)動原理示意圖，假設(shè)靠模在C點，曲柄在A1點，繡F金片為裝置的初始位置，此時離合撥叉與離合接口M1相接，繡針與金片中心對齊。繡G金片時，靠模從C點轉(zhuǎn)動到B點，步距已調(diào)整，與此同時曲柄轉(zhuǎn)動到A2點，連桿帶動滑塊和送片槽，使離合撥叉與離合接口M2相接，繡針與金片中心對齊，實現(xiàn)了步距調(diào)整與切換工位的聯(lián)動。同理可得繡E金片時的運動原理。

2.2 仿形步距調(diào)整機構(gòu)的設(shè)計

圖5為仿形步距調(diào)整機構(gòu)，它由切換電機驅(qū)動，作用是調(diào)整送片機構(gòu)的位置以達到調(diào)整步距的目的，即保證切換金片后，金片中心仍然能夠與繡針的針尖重合。

切換電機驅(qū)動仿形靠模與靠輪接觸，從而使送片機構(gòu)根據(jù)仿形靠模輪廓調(diào)整步距，而仿形靠模的輪廓及其切換電機轉(zhuǎn)動的角度θ決定了步距調(diào)整是否準(zhǔn)確，故設(shè)計好轉(zhuǎn)角便可以調(diào)整送片機構(gòu)位置。為了保證金片步距調(diào)整和工位切換能完全同步，在設(shè)計金片步距調(diào)整機構(gòu)時，仿形靠模和工位切換的動力源為同一個切換電機，共用其轉(zhuǎn)子軸。

仿形靠模的輪廓曲線直接決定了送片機構(gòu)的運動規(guī)律，靠輪與仿形靠模相切等同于一對凸輪機構(gòu)[9]。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)律代入到機械結(jié)構(gòu)中進行反求[10]。因此，在設(shè)計仿形靠模輪廓時，借鑒設(shè)計滾子從動件凸輪機構(gòu)時的反轉(zhuǎn)法思想原理。

當(dāng)仿形靠模以等角速度繞軸心逆（順）時針轉(zhuǎn)動時，靠輪在仿形靠模的推動下沿導(dǎo)路上、下往復(fù)移動實現(xiàn)預(yù)期的運動。現(xiàn)設(shè)想將仿形靠模和送片機構(gòu)整體以公共角速度繞軸心順（逆）時針旋轉(zhuǎn)時，顯然這時靠輪與仿形靠模之間的相對運動并不改變。假若仿形靠模此時固定不動了，而靠輪將一方面隨著導(dǎo)路一起以等角速度繞仿形靠模軸心旋轉(zhuǎn)，同時一方面又按已知的運動規(guī)律在導(dǎo)路中反復(fù)相對移動，這樣即可用作圖法繪制出仿形靠模的輪廓。

實際上，在該步距調(diào)整機構(gòu)中，靠輪是固定不動的，當(dāng)仿形靠模以等角速度繞其軸心旋轉(zhuǎn)時，其自身會帶著送片機構(gòu)按已知的運動規(guī)律反復(fù)相對移動。鑒于仿形靠模的主要作用是為了限制三個固定的點位置，在此忽略靠輪的具體運動路徑，只需保證到達的點位置準(zhǔn)確即可。

不失一般性，假設(shè)進行刺繡的3種金片直徑分別為3、5、7 mm，如圖6所示安裝順序為：左位7 mm，中位3 mm，右位5 mm。當(dāng)繡針從3 mm金片中心到5 mm金片中心時，步距為1 mm;當(dāng)繡針從3 mm金片中心到7 mm金片中心時，步距為2 mm。

根據(jù)其他結(jié)構(gòu)的設(shè)計，在此選擇的靠輪采用內(nèi)徑5 mm、外徑14 mm的滾子軸承標(biāo)準(zhǔn)件。根據(jù)空間限制，仿形靠模的外形輪廓設(shè)計為16 mm。仿形靠模的基圓半徑為2倍的切換電機轉(zhuǎn)子軸，即為5 mm。假設(shè)繡針在中位（靠模與靠輪也處于中位），此時靠輪中心軸與仿形靠模的中心距為12 mm，設(shè)為i，如圖7（a）;當(dāng)仿形靠模順時針轉(zhuǎn)動45°，靠輪中心軸與仿形靠模的中心距為i+1，即13 mm;當(dāng)切換電機逆時針轉(zhuǎn)動45°，靠輪中心軸與仿形靠模中心距為i+2，即14 mm。以O(shè)點為圓心，分別畫與OA成±45°的兩條射線OB、OC。再以O(shè)點為圓心，以12、13、14 mm為半徑分別畫圓交于射線OA、OB、OC于P點、M點、N點，再分別以P點、M點、N點為圓心畫直徑為14 mm的圓，分別交射線OA、OB、OC于G、F、E點，這3點即是需要保障的3個限位點。然后再以O(shè)點為圓心，以16 mm為直徑畫圓，將其仿形靠模表面設(shè)計為卡槽型，其余部位平滑連接即可，如圖7（b）所示。

2.3 曲柄滑塊可控離合機構(gòu)的設(shè)計

圖8為曲柄滑塊可控離合機構(gòu)，三維模型如圖8（a）所示，因為不同偏距對曲柄滑塊機構(gòu)的滑塊位移沒有影響[11]。為了簡便分析及計算，將偏置曲柄滑塊機構(gòu)（如圖8（b））等價為對心曲柄滑塊機構(gòu)，如圖8（c）所示。

該曲柄滑塊可控離合機構(gòu)由切換電機驅(qū)動，作用是實現(xiàn)3種不同工位的切換。如圖8（c）所示，切換電機驅(qū)動曲柄連桿，連桿帶動滑塊繼而帶動離合接口。當(dāng)滑塊處于A位置時，離合接口A1與離合撥叉D相接觸，此時工位處于中位;當(dāng)曲柄滑塊機構(gòu)處于B位置時，離合接口C1與離合撥叉D相接觸，此時工位處于左位;當(dāng)曲柄滑塊機構(gòu)處于C位置時，離合接口B1與離合撥叉D相接觸，此時工位處于右位。

通過分析，不難得出滑塊運動位移x與偏心轉(zhuǎn)角θ的關(guān)系為：

x=L2-d2-L2-（dcosθ）2+dsinθ（1）

根據(jù)機構(gòu)設(shè)計，已知偏心轉(zhuǎn)角轉(zhuǎn)過45°時，滑塊運動位移為7.0 mm，故取x=7.0，θ=45°，給定若干個L參考值，代入式（1）中，運用Matlab編程迭代計算，可得到連桿長度L與偏心軸長度d的關(guān)系曲線，如圖9所示。

從圖9可以看出，在位移和轉(zhuǎn)角一定時，連桿L與偏心軸長度d幾乎成線性正比關(guān)系，鑒于結(jié)構(gòu)空間限制，在此取其連桿L的長度為19.5 mm，可以得出偏心軸長度d的值為9 mm。

3 并排式三金片繡送片裝置工作原理

如圖10所示，金片繡裝置左、中、右3個送片槽安放的金片直徑依次為7、3、5 mm。

假設(shè)金片繡裝置處于中位3 mm時為初始狀態(tài)，此時中位離合接口與離合撥叉接觸，靠輪與仿形靠模中位接觸，繡針針尖與3 mm金片中心對齊。送片電機帶動輸出軸順時針（從右側(cè)看向送片電機）旋轉(zhuǎn)一定的角度，從而帶動離合撥叉順時針也旋轉(zhuǎn)一定角度，離合撥叉帶動離合接口一端的推進爪向后移動，連接在離合接口上的拉簧被拉伸;然后拉簧復(fù)位，離合接口逆時針旋轉(zhuǎn)一定角度，將離合接口一端的推進爪向前推移，將3 mm金片推出至繡針下停止，等待繡針將金片繡在紡織物上，與此同時縫紉桿下降，縫紉桿上的凸臺壓下切刀將金片切下;縫紉桿上升后，切刀通過切刀軸彈簧復(fù)位，至此完成一個金片的刺繡。循環(huán)往復(fù)進行這個工作狀態(tài)，就能不斷輸送3 mm金片到繡針下工作，直至不需要該中工位3 mm金片時，切換電機切換到另一種工位進行工作。