孟凡強(qiáng)，張 莉

（臺(tái)州學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，浙江 臺(tái)州 318000）

1 前言

縫制設(shè)備屬于精密機(jī)械之一，要在一秒鐘內(nèi)完成100個(gè)左右的線跡［1］，該線跡的形成是一個(gè)復(fù)雜的過(guò)程，主要由送料機(jī)構(gòu)、勾線機(jī)構(gòu)、挑線機(jī)構(gòu)和刺料機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)配合來(lái)完成。在這4大機(jī)構(gòu)中，送料機(jī)構(gòu)是最重要、結(jié)構(gòu)最復(fù)雜的機(jī)構(gòu)，其作用是在完成線環(huán)形成過(guò)程的同時(shí)，周期性地遞送縫料，其送布運(yùn)動(dòng)軌跡對(duì)送料性能有較大的影響，不良的運(yùn)動(dòng)軌跡將出現(xiàn)送布錯(cuò)位、縫料起皺和溜針等現(xiàn)象，從而影響縫制效果［1-2］。

本文采用矩陣法對(duì)送料機(jī)構(gòu)進(jìn)行水平送布臺(tái)臂轉(zhuǎn)動(dòng)角度和送布牙前后運(yùn)動(dòng)量的理論計(jì)算，并采用動(dòng)力學(xué)仿真軟件ADAMS（Automatic Dynamic Analysis of Mechanical System）對(duì)送料機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)特性進(jìn)行了仿真分析，最后對(duì)前后數(shù)據(jù)進(jìn)行了分析比較，根據(jù)比較結(jié)果驗(yàn)證了送料機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡正確性，從而對(duì)送料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠性進(jìn)行了評(píng)判。

2 送料機(jī)構(gòu)工作原理

送料機(jī)構(gòu)由電機(jī)驅(qū)動(dòng)上軸，皮帶帶動(dòng)下軸5，通過(guò)送布大連桿1、送布偏心輪2及送布調(diào)整軸3驅(qū)動(dòng)送料軸4，然后由送料軸4的小幅擺動(dòng)及抬布偏心輪6的轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)送布牙7，進(jìn)行送布牙送料，結(jié)構(gòu)如圖1所示。

本文對(duì)送料機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)進(jìn)行分析，看其是否滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求，從而判斷送料機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)的可靠行。

3 送布牙運(yùn)動(dòng)的理論計(jì)算

根據(jù)送布牙所要實(shí)現(xiàn)的運(yùn)動(dòng)，提取對(duì)其運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生影響的相關(guān)零部件的裝配組合，得到如圖2所示的送布裝置。

圖1 送料機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)圖圖Fig.1 Structure of feed mechanism

圖2 送布裝置Fig.2 Feed device

3.1 計(jì)算水平送布臺(tái)臂轉(zhuǎn)動(dòng)角度

將此送布裝置簡(jiǎn)化之后得到一個(gè)四桿機(jī)構(gòu)，如圖3所示。根據(jù)簡(jiǎn)化的四桿機(jī)構(gòu)，進(jìn)行水平送布臺(tái)臂轉(zhuǎn)動(dòng)的角度分析。

圖3傳動(dòng)裝置簡(jiǎn)化圖Fig.3 Drive mechanism simplified diagram

采用矩陣法［3］，該四桿機(jī)構(gòu)構(gòu)成一個(gè)封閉矢量多邊形。在這個(gè)封閉矢量多邊形中，其各矢量之和必等于零。即

將式（1）向兩坐標(biāo)軸上投影，得

將 θ3=90°，θ4=0 代入式（2），得

將式（3）移項(xiàng)，得

式（4）兩邊平方，得

式（5）中兩式相加，得

令

則式（7）可簡(jiǎn)化為

解得

圖3中的相關(guān)尺寸為：l1=25mm，l2=20mm，l3=20.38mm，l4是滑塊組件到送布軸的水平距離，該組件有兩個(gè)極限位置，即滑塊組件在切換器中移動(dòng)最小值和最大值，兩者差值即為8mm，即l4=28.8mm或l4=20.79mm。

（1）將 l1=25，l2=20，l3=20.38，l4=28.8 代入式（7），得

（2）將 l1=25，l2=20，l3=20.38，l4=20.79 代入式（7），得

根據(jù)機(jī)構(gòu)的初始安裝情況和機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的連續(xù)性確定式中θ2選取負(fù)號(hào)，則桿l2轉(zhuǎn)動(dòng)的角度為α=13.26°-8.422°=4.818°.

因此，滑塊組件移動(dòng)8mm后，水平送布臺(tái)臂的運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)角為4.818°.

3.2 計(jì)算送布牙前后運(yùn)動(dòng)量

送布軸裝置主要有送布軸、水平送布臺(tái)臂、送布軸曲柄和送布牙等組成，如圖4所示。它的主要作用是完成帶動(dòng)送布牙前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)，并且與送布牙上下運(yùn)動(dòng)進(jìn)行精確的配合。

圖4 送布軸裝置Fig.4 Feed shaft mechanism

圖5 送布牙前后運(yùn)動(dòng)簡(jiǎn)化圖Fig.5 Motion simplified diagram of feed dog

將送布軸裝置進(jìn)行簡(jiǎn)化，如圖5所示。圖中，l5水平送布臺(tái)臂到送布軸兩中心孔的垂直距離，送料機(jī)構(gòu)中l(wèi)5=22.1mm。

由于α=4.818°，推得x=1.86mm，即送布牙前后運(yùn)動(dòng)量為1.86mm.

4 送布牙運(yùn)動(dòng)的ADAMS分析

由于機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)仿真分析技術(shù)是虛擬裝配中的剛體建模與仿真技術(shù)的重要組成部分之一。因此，基于多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析的方法完全能滿(mǎn)足虛擬現(xiàn)實(shí)系統(tǒng)的實(shí)時(shí)性要求［4］。

ADAMS軟件使用交互式圖形環(huán)境和零件庫(kù)、約束庫(kù)、力庫(kù)，創(chuàng)建完全參數(shù)化的機(jī)械系統(tǒng)幾何模型，其求解器采用多剛體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)理論中的拉格朗日方程方法，建立系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)方程，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行靜力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)和動(dòng)力學(xué)分析，輸出為位移、速度、加速度和反作用力曲線閉［5］。

本文采用多體系統(tǒng)動(dòng)力學(xué)進(jìn)行送料機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)學(xué)分析。首先在SolidWorks平臺(tái)下建立三維實(shí)體模型，基于Parasolid的數(shù)據(jù)交換，利用ADAMS的數(shù)據(jù)輸入接口將送料機(jī)構(gòu)三維實(shí)體模型導(dǎo)入ADAMS仿真分析環(huán)境中，并進(jìn)行如下操作步驟：

（1）實(shí)體模型導(dǎo)入之后，檢查模型在傳輸過(guò)程中是否出現(xiàn)數(shù)據(jù)丟失，圖形失真等，根據(jù)檢查結(jié)果，進(jìn)行適當(dāng)?shù)男薷摹?/p>

（2）為了便于計(jì)算，對(duì)該模型進(jìn)行了一些假設(shè)：各部件均視為剛體；相對(duì)固定不動(dòng)的構(gòu)件可視為一體；各構(gòu)件材料屬性均設(shè)置為steel。

（3）ADAMS/View模塊主工具箱的約束副選項(xiàng)組里包括多種約束副類(lèi)型，根據(jù)實(shí)際工作情況添加各構(gòu)件之間的約束副。在各構(gòu)件之間無(wú)相對(duì)運(yùn)動(dòng)的添加固定副或進(jìn)行布爾運(yùn)算中的合并操作，各構(gòu)件之間有相對(duì)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的用旋動(dòng)副連接，各構(gòu)件之間存在相對(duì)移動(dòng)關(guān)系的添加移動(dòng)副連接。

（4）添加旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。最終得到送料機(jī)構(gòu)的虛擬樣機(jī)模型，如圖6所示，整個(gè)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)包括：13個(gè)活動(dòng)構(gòu)件、6個(gè)固定副、8個(gè)旋轉(zhuǎn)副、2個(gè)移動(dòng)副和1個(gè)旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)。設(shè)置仿真參數(shù)：轉(zhuǎn)速為33r/s；End Time=50；Steps=100。仿真運(yùn)動(dòng)后，ADAMS/Solver模塊自動(dòng)形成送料機(jī)構(gòu)系統(tǒng)模型的動(dòng)力學(xué)、運(yùn)動(dòng)學(xué)的解算結(jié)果，通過(guò)后處理模塊，得到送布牙質(zhì)心的運(yùn)動(dòng)曲線，如圖7所示。

圖6 在ADAMS中的虛擬樣機(jī)模型 Fig.6 Virtual prototype model in ADAMS

圖7 送布牙運(yùn)動(dòng)曲線Fig.7 Motion trajectory of feed dog

5 數(shù)據(jù)分析比較

（1）送布軸裝置中的水平送布臺(tái)臂的運(yùn)動(dòng)角度曲線如圖8所示，由圖可知水平送布臺(tái)臂轉(zhuǎn)動(dòng)角度的仿真結(jié)果為4.843o，理論計(jì)算值是4.818o，相對(duì)誤差為0.338%。

圖8 水平送布臺(tái)臂的運(yùn)動(dòng)角度曲線Fig.8 Rotation angle of feed rocker base arm

圖9 送布牙Y方向運(yùn)動(dòng)量Fig.9 Y directional motion of feed dog

（2）送布牙的前后運(yùn)動(dòng)量的運(yùn)動(dòng)曲線如圖9所示，由圖可知送布牙的前后運(yùn)動(dòng)運(yùn)動(dòng)范圍為1.986mm，理論計(jì)算的前后運(yùn)動(dòng)量為1.86mm，相對(duì)誤差為6.774%。

通過(guò)兩者數(shù)據(jù)比較，驗(yàn)證了送料機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)軌跡正確性，表明該送料機(jī)構(gòu)是可靠的，能滿(mǎn)足設(shè)計(jì)要求。

6 結(jié)論

本文采用矩陣法進(jìn)行了水平送布抬臂的轉(zhuǎn)動(dòng)角度和送布牙的前后運(yùn)動(dòng)量的理論計(jì)算，并利用ADAMS對(duì)送料機(jī)構(gòu)進(jìn)行了運(yùn)動(dòng)學(xué)分析，最后兩者的分析計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，驗(yàn)證了送料機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)的正確性。

本文提出的方法有助于提高送料機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)可靠性和工作性能，此方法已應(yīng)用于59420三針平縫機(jī)的設(shè)計(jì)實(shí)踐中。

［1］張青，鄒慧君，郭為忠，等.閉合五桿縫紉機(jī)送料機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)仿真和軌跡優(yōu)化［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，2004，20（6）:25-28.

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