基于双针的单面缝合机构设计.pdf

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1、第2 9 卷第1 1 期 2 0 0 8 年1 1 月 纺织学报 J o u r n a lo fT e x t i l eR e s e a r c h 、r 0 1 2 9N o 1 I N O V 2 0 0 8 文章编号：0 2 5 3 9 7 2 1 ( 2 0 0 8 ) 1 1 0 1 1 5 - 0 5 基于双针的单面缝合机构设计 杨旭，李亮玉，王天琪，李晓 ( 天津工业大学天津市现代机电装备技术重点实验室，天津3 0 0 1 6 0 ) 摘要为解决异形件缝合存在的空间限制问题，应用曲柄滑块机构和凸轮机构设计了一种双针单面缝合机构， 这种机构能实现从一个表面接近缝料并进行缝合。

2、详细介绍其工作原理以及设计方法；建立曲柄滑块机构的数学 模型；利用M a t L a b 对曲柄滑块机构进行运动学仿真；根据仿真得到的数据，利用反转法对凸轮机构进行设计。仿真 数据精确，设计尺寸可靠。 关键词单面缝合；曲柄滑块机构；凸轮机构；仿真 中图分类号：T H1 1 2文献标识码：A D e s i g no fo n es i d es t i t c h i n gm e c h a n i s mb a s e do nt w on e e d l e s Y A N GX u ，L IL i a n g y u ，W A N GT i a n q i ，L Ix i ( A d

3、v a n c e d 胁翩，l 如勖啦胁删T e c h n o l o g yT i a n j i nA r e a 脚L a b o r a t o r y ， 死峨枷P o l y t e c h 梳f 梳嘶，T a n f i n3 0 0 1 6 0 ，C h n a ) A b s t r a c tT os o l v et Kp r o b l e mo ft h es p a c el i m i tw h e nt h ea b n o r m i t yw o r kp i e c ei ss t i t c h e d ak i n do fo n e s i d

4、e - s t i t c h i n gm e c h a n i s mi sd e v e l o p e db a s e do nt w on e e d l e sw i t l I as l i d e r - c r a n km e c h a n i s ma n dac 锄g e a r m e c h a n i s m T h em e c h a n i s mc a na c c e s st ot h ew o r kp i e c ea n ds t i t c hf r o mo n l yo n es i d e T h ew o r k i n gp r

5、 i n c i p l e a n dt h em e t h o do fd e s i g na l ei n t r o d u c e da n dt h em a t h e m a t i c a lm o d e lo fs l i d e r - c r a n km e c h a n i s mi se s t a b l i s h e d T h ek i n e m a t i c ss i m u l a t i o no ft h es l i d e r - c r a n km e c h a n i s mi sd e v e l o p e dw i t

6、 hM a t L a b A c c o r d i n gt ot h er e s u l to f s i m u l a t i o n ，c a mg e a ri sd e s i g n e db yr e v e r s a lm e t h o d T h ed a t ao ft h es i m u l a t i o ni se x a c ta n dt h ed i m e n s i o ni s c r e d i b l e K e yw o r d so n es i d es t i t c h i n g ；s l i d e r - c r a n

7、km e c h a n i s m ；c s J ng e a rm e c h a n i s m ；s i m u l a t i o n 传统的缝纫机械是从缝料的两面进行缝合。随 着复合材料的应用越来越广，需要一种单面缝合技 术来实现复合材料的缝合。单面缝合技术由2 个缝 合针头来完成缝纫动作，2 个针头全部位于被缝件 的上表面，在被缝件的下表面无需设置任何缝合单 元。这种缝合方式具有很强的空间灵活性，将其应 用于复合材料领域具有很好的发展前景。 已有研究表明，采用单面缝合技术缝合的复合 材料具有优良的层间性能和冲击损伤容限。由于 机针工作空间的限制，传统的缝纫设备无法缝合复 杂的异形

8、件，单面缝合系统可解决这个问题。本文 设计出应用于复合材料领域的缝合机构，并进行了 新机构的相关计算与分析和结构尺寸设计。 1 缝合机构的组成和基本工作原理 1 1 缝合机构的组成 机构具有2 个针头。一个是引线针，类似于普 通平缝机的机针；另一个为钩线针，位于引线针的一 侧。钩线针的针杆沿着竖直方向，引线针的针杆与 之成一定的角度，如图1 所示。2 个机针安装在针 杆内。曲柄滑块机构和槽形凸轮机构带动针杆，使 其沿各自针杆的轴线方向往复运动。曲柄滑块机构 的曲柄盘与凸轮所在轴通过传动比为1 ：1 的齿轮和 同步齿形带传动，以相同的周期旋转，所以2 个机针 收稿日期：2 0 0 7 1 2 1

9、 1 修回日期：2 0 0 8 0 3 1 7 作者简介：杨旭( 1 9 8 4 一) ，男，硕士生。研究方向为三雏纺织复合材料机器人缝合系统与数字图像处理。李亮玉，通讯作者。 E - m a i l ：l i l i a n g y u t j p u e d u c n 。 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 1 1 6 纺织学报第2 9 卷 具有相同的运动周期。图2 为机构简图。 糟 曲柄 滑块 机构 图1 缝合机构简图 F i g 1 D r

10、a f to fs t i t c hm e c h a n i s m 图2 单面缝合机构简图 F i g 2 O n es i d es t i t c h i n gm e c h a n i s m 1 2 缝合机构的基本原理 当一个缝合周期开始后，曲柄滑块机构带着引 线针先行穿过缝料到达最低点。引线针从最低点向 上回升时，由于线与针及被缝件之间的阻力，出线受 阻，以致线在针孔底部积聚，逐渐形成线环。在引线 针回升2 2 5m n 时，线环形状比较理想o ，此时钩 线针刚好到达最低位置，并开始回升。回升过程中 钩线针钩住线环穿回缝料，再穿过上次形成的线圈 就形成了相互锁结的线圈，如图3

11、 所示。缝合后缝 料上表面具有2 排线迹，下表面有平行分布的线迹， 线迹分布如图4 所示。 2 缝合机构的设计 2 1曲柄滑块机构参数的设计 曲柄滑块机构的运动决定了将线引到缝料下方 的引线针的运动。曲柄滑块机构的向量图如图5 所 示。口。和口：分别代表曲柄与连杆转过的角度。根 据缝料的厚度，设引线针的行程为s 。( r a n l ) ，偏矩e 。 钩线针 引线针 一 j， 一形 图3 线迹的形成原理 F i g 3P r i n c i p l eo ft h ef o r m i n go fs e a m 图4 单面缝合机构的线迹 F i g 4 S e a mo fo r i es

12、i d es t i t c h i n gm e c h a n i s m 为0 ，曲柄的回转速度为，机构的传动角为y 。再 令针杆曲柄的长度为L ，针杆连杆的长度为：。因 为滑块的行程只与，、：的大小有关，根据以上参 数可以列出表达式 fs I = ( L 2 + 工1 ) 一( 2 一1 ) = 2 工I 1 如上 ( 1 ) 图5 曲柄滑块机构向量图 F i g 5 V e c t o r so ft h es l i d e r - c r a n km e c h a n i s m 已知参数s 、y ，报据式( 1 ) 、( 2 ) 就可以求出针 杆曲柄的长度L 。和针杆连杆的

13、长度厶：。 IL l = 詈 ( 2 ) 【L ：= 南 为设计槽型凸轮的理论轮廓曲线，必须根据已 知的曲柄滑块的参数计算出钩线针滞后引线针的这 段时间内凸轮轴转过的角度口。根据曲柄滑块机 构向量图，将各向量向髫轴和Y 轴方向分解可以得 到： + L l c o s o l + L 2 c o s 0 2 = L o( 3 ) L ls i n 0 1 + L 2 s i n 0 2 ：0( 4 ) 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 第1 1 期杨旭

14、等：基于双针的单面缝合机构设计 1 1 7 将式( 3 ) 、( 4 ) 对时间求导，设c c ，。= 台。，：= 口：， 得到 一。L ls i n 口，一L 2c 0 2 s i n 日：= 鲁 ( 5 ) L lO J l c o s O l + L 2 2 c o s 0 2 = 0 ( 6 ) 将式( 2 ) 的结果带人式( 5 ) 、( 6 ) ，并写成矩阵形 式，即可得到曲柄滑块机构的速度方程 熹s i n 0 21 2c o s y 2 一c 。8 目：0 一芝面鲫2 ： I 百J 一鲁。s i n 0 。 号叩。s 口。 ( 7 ) 根据式( 7 ) 的速度方程，以s 。、y

15、 、L 。为输入条 件，对曲柄滑块机构进行M a t L a b 仿真，以仿真时间 为横坐标，滑块的位移量为纵坐标可以得到曲柄滑 块机构位移曲线图( 见图6 ) 和1 组在不同时刻引线 针沿针筒方向的位移量的数值1 。设在任意一个周 期内，滑块到达最低极限位置的时间为，滑块到 达最低极限位置后再上行大约2 2 5r a i n ，时间为 t ：。经历了时间t ：后，在引线针靠近钩线针的一侧 形成形状良好的线环，此时钩线针到达最低极限位 置。因为凸轮的转速保持不变，所以钩线针到达最 低极限位置的时间比引线针滞后t ：一t 。，设滞后的 角度为口。，则 口o = ( 1 2 一t 1 ) ( 8

16、) 式中角度口。是确定凸轮理论轮廓曲线的重要参数。 量 饕 单 图6 曲柄滑块机构位移曲线图 F i g 6 C u r v eo ft h es l i d e r - c r a n km e c h a n i s m 8d i s p l a c e m e n t 2 2 槽型凸轮机构理论轮廓曲线的确定 已知凸轮机构沿顺时针方向旋转，旋转过的角 度与滚子在竖直方向的位移关系如图7 所示，即凸 轮所在的轴从起始位置旋转口，的范围内，滚子的位 移保持不变。随后做匀速运动，针杆匀速下降。当 到达最低位置时，转过的角度为口。在该时刻钩线 针到达最低极限位置。随后针杆再匀速上升，直至 完成1

17、个周期。 曼岛 a 0 a ( 。) 图7 凸轮位移曲线图 F i g 7 C u r v eo ft h ec a mg e a r sd i s p l a c e m e n t 设槽型凸轮的行程为s ：，某一时刻的位移为s ， 基圆半径为r ，偏距e 为0 ，根据凸轮反转设计法可 知1 ，凸轮理论轮廓上点A 的坐标如式( 9 ) 所示。 睁瞄C O S 一捌h ) 式( 9 ) 中s 通过以下方法确定：当0 9 口。时， s = s ：；当9 。 9 9 。时，凸轮在回程阶段，从动件 做匀速运动，从动件的行程为s ：，转过的角度为 伽一妒。，则从动件的运动规律表达形式为 设定边界条件：

18、在起点处，尹= 尹。，s = s ：；在终 点处，9 = 9 。，5 = 0 。由式( 1 0 ) 得 c 0 一z c l = 一石南 则从动件在这一角度范围内的运动方程为 一铲石南( 妒) 铋篇( 1 1 )”。2 一而妒一9 l 卜3 2 赫1 1 ， 当9 。 9 。3 6 0 。时，凸轮在推程阶段，从动件做 匀速运动，从动件的行程为s ：，则从动件运动方程 式的表达形式为 设定边界条件：在起点处，9 = 9 。，5 = 0 ；在终点 处，9 = 3 6 0 。，s = 一s 2 。 由式( 1 2 ) 得 。 c z - o ，c ，= 葡 Ol ，I 、， 尹 一 啼 q C O

19、+ = = G如一出如一出 = = = S F 口 尹啼 G G O = = Q如一出如一出 = = = 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark 1 1 8 纺织学报 第2 9 卷 s = 击( 9 一尹。) ( 1 3 ) 将式( 9 ) 、( 1 1 ) 和( 1 3 ) 合并，即为槽型凸轮理论 轮廓曲线的设计公式。 当0 9 a l 时， ( ；) = ( 。c i o n $ ：一s c i o n a 妒1f 。s ：+ ，) c ，4 ， 当尹

20、l 9 9 0 时， ：；剖 ：赫+ r ( 1 5 ， 当9 0 9 3 6 0 0 时， 霉一驯+ r 3 算例分析 因为单面缝合机构主要应用于复合材料领域， 缝料一般比较厚，为了能完成预定动作，缝合机构各 个参数选择如下：初定曲柄滑块机构的传动角为 4 5 0 ，取整后曲柄滑块机构中的针杆曲柄长L 。= 2 0m l n ，针杆连杆长三：= 2 8m m ，引线针的行程为 4 0m m ，钩线针的行程为3 0 姗，曲柄与凸轮的旋转 角速度相同( = 5 0 0r r a i n ) ，凸轮的基圆半径r 为 2 0m m ，口I _ 4 1 0 ，L o = 4 8m m ，则式( 7 )

21、 变为 4 0 d1 五虬删2 1 4 = O c o s 0 ，0 2 根据上式，对曲柄滑块机构进行M a t L a b 仿真， 设定仿真时间为0 1 5s ，得到位移与时间的关系曲 线，如图8 所示。根据仿真的数据得到引线针从最 低极限位置沿轴向上升2 2 5 96 呦到达位置A 时， 曲柄转过的弧度r = 0 3 6 64t a d ，则曲柄从起始位置 到位置A 转过的角度为 ( 耳+ r ) 1 8 0 0 口l 2 F 一5 l 至Q ：堑堡2 兰! 墨Q ：2 0 0 9 9 。 7 c 在误差允许范围内，取口。= 2 0 1 。2 针在同一 时刻开始运动，曲柄在旋转1 8 0

22、。时，引线针达到最低 00 0 20 0 4 0 0 60 0 80 1 00 1 20 1 40 1 6 时间s 极限位置。由于2 个轴的转速相同，- 7 以认为钩线 针比引线针到达最低极限位置滞后2 1 。 由式( 1 4 ) 一( 1 6 ) 得槽型凸轮的理论轮廓曲线表 ( ；) = ( 。c i o n s ；一c s i 。n 。垆P ，) 、0 ) 。) c 7 ， 茹一剐；。警锄 ( 1 8 ) = 一剐2 ”0 ( 1 9 ) 根据式( 1 7 ) 、( 1 8 ) 、( 1 9 ) 可以计算凸轮的理论轮 廓曲线。表1 为计算出的轮廓曲线上A 点的一系 列坐标值。由参数可知，曲

23、柄滑块机构实际传动角 为4 4 4 。，大于4 0 。，传力性能良好b 。凸轮机构的实 际压力角小于3 0 。，符合小于最小压力角的要求。 裹1 凸轮轮廓曲线各点坐标值( 取1 2 个点) T a b 1C o o r d i n a t eo fp o i n t so nt h eg a i ng e a r ( e o n t a i mt w e l v ep o i n t s ) 口，( 。) x n u n y n u n 口，( 。) x l m m y m m 00 3 0 2 0 l7 1 7一1 8 6 7 4 l1 9 6 82 2 6 42 3 l 1 9 9 41

24、6 1 5 8 l一4 1 9 86 6 52 6 1 3 0 9 44 9 0 1 1 13 4 4 31 3 2 12 9 1 3 4 5 21 3 2 5 1 4 11 9 6 72 4 2 93 2 12 6 8 4 3 3 1 4 1 7 18 9 52 6 0 03 5 17 5 6 4 7 7 1 ( 下转第1 2 3 页) 帖 柏 於 筋 ：2 m ， I、簿掣 六护 m S C 甜加加 一 = 、，、 些m ，。_ 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the w

25、atermark 第1 1 期张森林等：直线电机在电子提花机中的应用 1 2 3 量，简化了电机结构，有利于线圈的供电。通过外围 电路的设计，双向可逆的驱动电路获得了3 种工作 模式：正向、反向和制动。过程控制中，通过驱动电 流的研究，解决了自重对电机上下运动的影响，由高 位状态保持的方法产生了点动控制策略。调试电路 采用典型的P I D 设计，能确保快速排除系统出现的 故障。集中式的安装方式，既有利于控制，又利于节 省安装空间。 直线电机运用于电子提花机，可以改善提花龙 头的结构，简化驱动装置，减少设备损耗，提高系统 的运行效率。由于目前直线电机在电子提花机领域 的深入研究和大规模运用还未开

26、始，生产水平和成 本限制了该技术的发展，但是，随着电子技术和纺织 提花工艺的发展，上述问题会被逐渐解决，直线电机 控制的电子提花机具有广阔的发展前景。 参考文献： 张森林电子提花龙头的设计和实现 J 纺织学报， 2 0 0 1 ，2 2 ( 5 ) ：2 9 7 2 9 8 。 叶云岳直线电机原理与应用 M 北京：机械工业出 版社，2 0 0 0 叶云岳直线电机技术手册 M 北京：机械工业出版 社。2 0 0 3 谭建成新编电机控制专用集成电路与应用 M 北 京：机械工业出版社，2 0 0 5 谢经明，程立，艾武，等高响应直线电机控制系统的 研究 J 机械与电子，2 0 0 4 ( 5 ) ：

27、2 9 3 1 孙雷，卢建刚，孙优贤基于单片机的新型提花机控制 器 J 纺织学报，2 0 0 7 ，2 8 ( 7 ) ：1 1 2 1 1 5 张森林，陆洪斌基于A R M 的电子提花龙头检测器设 计E J 纺织学报，2 0 0 5 ，2 6 ( 4 ) ：6 5 6 7 ( 上接第1 1 8 页) 计算结果表明，式( 2 ) 、式( 1 4 ) 一( 1 6 ) 给出的设作性能。 计公式是正确的，可满足设计要求。 参考文献： 4结语 本文提出单面缝合机构的设计方法，从理论上 证明了它的有效性。从工艺要求出发进行机构的综 合设计，其结果符合实际要求。该机构的设计，可广 泛应用于复合材料领域，

28、也为打破该领域的国际技 术垄断寻求了一个突破口，目前根据理论计算得到 的相关参数已设计出单面缝合机构的结构图，有待 加工制造，进行组装调试，以检验单面缝合机构的工 1 艾涛，王汝敏K e v l a r 缝合复合材料的研究进展 J 材 料导报，2 0 0 5 ( 1 ) ：6 4 6 7 2 孙金阶服装机械原理 M 北京：中国纺织出版社， 2 0 0 0 3 宋兆基，徐流美M a t l a b6 5 在科学计算中的应 用 M 北京：清华大学出版社，2 0 0 5 4 郑甲红，朱建儒，刘喜平机械原理 M 北京：机械工 业出版社。2 0 0 6 5 E e k h a r d tH o m e rD K i n e m a t i cm 堪i 印o fM a c h i n e ea n d M e c h a n i s m M 北京：机械工业出版社，2 0 0 2 ：1 1 0 1 J 1i，j l 2 3 4 5 6 7 r L r L r；rL r L 万方数据 PDF Watermark Remover DEMO : Purchase from www.PDFWatermarkR to remove the watermark