一種步進電機控制剪線抬壓腳機構(gòu)*

徐建勇，周永光，潘慧英

（1.臺州市產(chǎn)品質(zhì)量安全檢測研究院，浙江 臺州 318000；2.臺州方圓質(zhì)檢有限公司，浙江 臺州 318000）

1 縫紉機機械結(jié)構(gòu)開發(fā)背景

目前，就縫紉機運動機構(gòu)而言，電機是驅(qū)動源，帶動整機運動進行縫制品縫制，縫制結(jié)束后后踏腳踏控制器，控制電機停止，剪線電磁鐵驅(qū)動剪線裝置完成剪線后，抬壓腳電磁鐵驅(qū)動壓腳抬起來，完成縫紉過程。電磁鐵作為驅(qū)動源被大量運用在縫紉機產(chǎn)品上使縫紉機的自動化程度大大提升，電磁鐵作為單一驅(qū)動源，控制簡單，常用電磁鐵為直線運動或旋轉(zhuǎn)運動。電磁鐵初始狀態(tài)、極限狀態(tài)、中間運動過程不可控是電磁鐵的一大缺陷，隨著社會發(fā)展，人們對工作環(huán)境越來越重視，電磁鐵的發(fā)熱和聲響也將影響操作人員的舒適感。傳統(tǒng)工業(yè)繃縫機，抬壓腳機構(gòu)與剪線機構(gòu)將各自的電磁鐵作為驅(qū)動源，完成獨立的動作，電磁鐵通過通電控制電磁鐵的運動，來完成剪線或抬壓腳動作，由于電磁鐵中間運動過程不可控，電磁鐵發(fā)熱等缺陷，剪線后抬壓腳影響繃縫機的整機性能。故需要尋找驅(qū)動源的替代方案，來提升機器的整體性能，使剪線后抬壓腳整體動作時間進行優(yōu)化，提升縫紉機操作員的效率。由于步進電機可以通過控制來輕松實現(xiàn)對步進電機的控制，步進電機轉(zhuǎn)動聲響小、輸出穩(wěn)定、電機發(fā)熱少等優(yōu)點是步進電機作為新的驅(qū)動源的首選。機械部分可以通過凸輪形狀來控制不同動作的擺幅和動作時間。通過仿真來優(yōu)化凸輪輪廓優(yōu)化降低驅(qū)動源的力矩，實現(xiàn)傳動效率的優(yōu)化。隨著機電一體技術(shù)的發(fā)展，步進電機作為可控的驅(qū)動源日益受到設(shè)計人員的青睞，步進電機作為驅(qū)動源配合凸輪機構(gòu)，可以通過控制依次完成不同的動作，實現(xiàn)一個步進電機代替2 個或多個電磁鐵，真正實現(xiàn)運動過程可控，機械結(jié)構(gòu)簡化的目的。

2 機械結(jié)構(gòu)方案分析

結(jié)合繃縫機的UT 機型具有自動剪線和自動抬壓腳功能，此功能在車工準(zhǔn)備縫紉時首先使抬壓腳電磁鐵抬起壓腳，車工放好縫料，自動放下壓腳，壓住布料機器運轉(zhuǎn)，在布上形成需要的線跡，縫紉結(jié)束后，剪線電磁鐵驅(qū)動剪線機構(gòu)動作完成剪線過程，抬壓腳電磁鐵抬起壓腳，車工取出縫料，完成整個運動過程。

根據(jù)抬壓腳與剪線動作進行分析，抬壓腳與剪線動作必須獨立運作，不能相互影響，因此選用凸輪機構(gòu)，通過凸輪的輪廓線將步進電機的旋轉(zhuǎn)運動轉(zhuǎn)化為剪線機構(gòu)的擺動或抬壓腳機構(gòu)的擺動，只需采用雙凸輪設(shè)計適當(dāng)?shù)耐馆嗇喞?，便可使從動件得到預(yù)期的剪線與抬壓腳運動，而且結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、設(shè)計方便。

3 機械方案原理介紹

目前市場上的步進電機驅(qū)動雙凸輪機構(gòu)，通過控制步進電機的擺動來實現(xiàn)單獨剪線與抬壓腳動作，因此實現(xiàn)剪線后抬壓腳整體動作的邏輯是先電機正轉(zhuǎn)一定角度（120°）完成剪線刀出刀到極限位置，步進電機反轉(zhuǎn)相同角度（120°）回到電機初始位置剪線刀回刀完成剪線動作后電機繼續(xù)反轉(zhuǎn)一定角度（120°）完成壓腳抬起動作取出縫料，此過程由于先完成整個剪線動作后實現(xiàn)抬壓腳過程，整個動作電機轉(zhuǎn)動360°，整體連貫動作時間長，影響縫紉效率，為了提升剪線后抬壓腳整體動作時間，可以通過控制步進電機速度來減少整體動作時間。因為步進電機的廣泛應(yīng)用，對步進電機控制的研究也越來越多，在啟動或加速時如果步進脈沖變化太快，轉(zhuǎn)子由于慣性跟隨不上電信號的變化，產(chǎn)生堵轉(zhuǎn)或失步，在停止或減速時由于同樣原因則可能產(chǎn)生超步。為防止堵轉(zhuǎn)、失步和超步，提高工作頻率，要對步進電機進行降速控制。因此可以將剪線刀回刀過程與抬壓腳過程重疊，以減少整體動作時間，這樣步進電機只需旋轉(zhuǎn)240°來完成整個剪線抬壓腳的動作。機械結(jié)構(gòu)如圖1 所示。

圖1

步進電機是將電脈沖轉(zhuǎn)化為角位移的。當(dāng)步進驅(qū)動器接收到一個脈沖信號，它就驅(qū)動步進電機按設(shè)定的方向轉(zhuǎn)動一個固定的角度（稱為“步距角”），它的旋轉(zhuǎn)是以固定的步進角度一步一步運行的?？梢酝ㄟ^控制脈沖個數(shù)來控制角位移量，從而達到準(zhǔn)確定位的目的；同時可以通過控制脈沖頻率來控制電機轉(zhuǎn)動的速度和加速度，從而達到調(diào)速的目的，步進電機的相數(shù)和拍數(shù)越多，它的精度就越高，因此減少步進電機轉(zhuǎn)動角度，減少整體動作時間。由于步進電機的起動頻率特性使步進電機啟動時不能直接達到運行頻率，要有一個啟動過程，即從一個低的轉(zhuǎn)速逐漸升速到運行轉(zhuǎn)速。停止時運行頻率不能立即降為零，要有一個由高速逐漸降速到零的過程。

步進電機的輸出力矩隨著脈沖頻率的上升而下降，啟動頻率越高，啟動力矩就越小，帶動負載的能力越差，啟動時會造成失步，而在停止時又會發(fā)生過沖。要使步進電機快速達到所要求的速度又不失步或過沖，其關(guān)鍵在于使加速過程中，加速度所要求的力矩既能充分利用各個運行頻率下步進電機所提供的力矩，又不能超過這個力矩。因此，步進電機的運行一般要經(jīng)過加速、勻速、減速三個階段，要求加減速過程時間盡量短，恒速時間盡量長。特別是在要求快速響應(yīng)的工作中，從起點到終點運行的時間要最短，這就必須要求加速、減速的過程最短，而恒速時的速度最高，通過優(yōu)化機械結(jié)構(gòu)，如圖1 所示的機械結(jié)構(gòu)將步進電機的擺動控制更改為單方向驅(qū)動，減少電機反轉(zhuǎn)的控制過程，同樣的機械結(jié)構(gòu)，電機的控制方式不同，整體時間至少比原先整體時間降低1/3，減少整體運動時間，提升車工縫紉效率。

4 凸輪零件設(shè)計及步進電機型號確定

（1）首先采用SolidWorks 繪制大致的零件結(jié)構(gòu)，并根據(jù)機器空間結(jié)構(gòu)確認零件的大致尺寸，由于壓腳機構(gòu)與剪線機構(gòu)傳動方式采用已有結(jié)構(gòu)，可以確定壓腳擺板轉(zhuǎn)動角度為12.3°，壓腳可提升7mm，剪線軸行程19mm，剪線機構(gòu)可以完成剪線過程。

（2）凸輪輪廓設(shè)計，在機械結(jié)構(gòu)空間允許的條件下，基圓越大，壓力角越小?？蛇m當(dāng)?shù)貙⒒鶊A的半徑取大些，有利于改善機械的傳力性能，降低輪廓制造誤差，凸輪與傳動件增加滾子與凸輪的接觸，采用滑動摩擦來傳遞力，減少凸輪磨損。剪線凸輪與抬壓腳凸輪的輪廓如圖2 所示，剪線凸輪與抬壓腳凸輪基圓A 圓弧半徑取10mm?；鶊A是剪線凸輪與壓腳凸輪的保持時間，根據(jù)整軸傳動過程，各凸輪的保持角度至少120°，剪線過程與抬壓腳過程不會互相影響。根據(jù)凸輪傳遞過程可知，抬壓腳凸輪與剪線凸輪可以做整周旋轉(zhuǎn)，各凸輪輪廓線之間采用光滑過渡，所以抬壓腳凸輪與剪線凸輪極限點圓弧C 與基圓的距離確定。在SolidWorks 中，可以根據(jù)剪線行程與壓腳擺動板轉(zhuǎn)動角度確定出壓腳滾輪與剪線滾輪的大致安裝位置。凸輪傳遞運動中間過程的凸輪輪廓，可以依據(jù)計算機輔助設(shè)計對凸輪輪廓圓弧B 及圓弧C 的半徑進行優(yōu)化來降低步進電機的輸出力矩實現(xiàn)，并最終確定步進電機的選型。

圖2

（3）根據(jù)機械空間位置電機的大致尺寸選擇86 步進電機。凸輪輪廓具體長度尺寸根據(jù)計算機SolidWorks motion 模擬仿真，對凸輪輪廓進行優(yōu)化，并確定步進電機理論扭矩驅(qū)動壓腳的電磁鐵為120N，驅(qū)動剪線機構(gòu)的電磁鐵為60N，因此對仿真機構(gòu)進行簡化只針對抬壓腳凸輪仿真，并最終完成步進電機扭矩的選型。

（4）SolidWorks motion 仿真對電機力矩進行確認；首先完成相關(guān)零件三維建模，并根據(jù)抬壓腳相關(guān)參數(shù)完成凸輪的基礎(chǔ)建模。并對抬壓腳機構(gòu)力學(xué)模型進行簡化，將抬壓腳機構(gòu)的變化力轉(zhuǎn)化為橫力（120N）加在如圖1 的壓腳扳手上代替原來電磁鐵的力，將仿真計算過程簡化。由于圓弧C 的半徑不能過小（半徑小加工要求高，凸輪保持不好），對凸輪外型初步確認半徑大致定為R=6，R=7，R=8，仿真得到圖3-5。

圖3 （R=6mm）電機扭矩

圖4 （R=7mm）電機扭矩

圖5 （R=8mm）電機扭矩

（5）最終選R=6 的凸輪，步進電機扭矩選用4.5N.M 的86 步進電機。完成步進電機驅(qū)動剪線抬壓腳機構(gòu)設(shè)計。