李 晶 楊茜寧 付 璋 石偉琪 戴 鑫

（西安工程大學(xué)，陜西西安，710048）

復(fù)合材料縫合技術(shù)是指采用縫合線(xiàn)使多層織物連接成準(zhǔn)三維立體織物或使分離的多塊織物連接成整體結(jié)構(gòu)的技術(shù)［1］?？p合技術(shù)主要具備以下特點(diǎn)：可設(shè)計(jì)性強(qiáng)；縫合對(duì)原有纖維分布影響較??；縫合線(xiàn)可承受大部分載荷，可以顯著提高復(fù)合材料層間性能；可高度自動(dòng)化；裝配工藝優(yōu)異［2］。縫合線(xiàn)不僅要求具有高強(qiáng)度、一定的可延伸性和耐磨損性，而且其性能不能受復(fù)合材料固化的影響。縫合常用的縫合線(xiàn)有碳纖維線(xiàn)，玻璃纖維和滌綸等。碳纖維具有比強(qiáng)度、比模量高，耐高溫、耐腐蝕、耐疲勞、抗蠕變、導(dǎo)電、傳熱和熱膨脹系數(shù)小等一系列優(yōu)異性能，但碳纖維本身耐磨性較差，絲束間的抱合力較弱［3］。以碳纖維織物為增強(qiáng)體的碳纖維增強(qiáng)復(fù)合材料作為21世紀(jì)新材料領(lǐng)域中先進(jìn)的高科技產(chǎn)品，廣泛應(yīng)用于航空航天、建筑材料、文化體育器材、交通及醫(yī)療等領(lǐng)域［4］。國(guó)產(chǎn)碳纖維的生產(chǎn)正處在起步階段，在質(zhì)量上同國(guó)外產(chǎn)品相比有一定的差異。由于國(guó)產(chǎn)碳纖維在織造過(guò)程中存在易起毛、易黏連、易斷頭等問(wèn)題，給國(guó)產(chǎn)碳纖維織造技術(shù)提出了新課題。為解決傳統(tǒng)工藝流程不適合碳纖維織布問(wèn)題，以及碳纖維在層疊碳布加工過(guò)程中出現(xiàn)的起毛、斷線(xiàn)問(wèn)題［5-6］，運(yùn)用機(jī)械設(shè)計(jì)理論設(shè)計(jì)一套適用于碳纖維層疊布縫制的輔助機(jī)構(gòu)，能配合縫針完成縫紉工作，保持縫紉的連貫性［7-8］?；谌S建模軟件對(duì)改進(jìn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行三維建模、裝配，利用其機(jī)構(gòu)模塊對(duì)改進(jìn)機(jī)構(gòu)進(jìn)行速度與加速度分析，以達(dá)到降低斷線(xiàn)率、提升層疊碳布生產(chǎn)效率的目的。

1 輔助機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)方案

機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)基本要求：設(shè)計(jì)輔助機(jī)構(gòu)解決線(xiàn)與布的摩擦斷線(xiàn)問(wèn)題以及縫紉線(xiàn)張力過(guò)大的問(wèn)題。當(dāng)使用碳纖維線(xiàn)縫紉時(shí)，縫紉線(xiàn)處于無(wú)張力或極小張力狀態(tài)；縫紉線(xiàn)跡3 mm，碳纖維層疊布厚度16 mm。本文設(shè)計(jì)提出以下方案：以工業(yè)縫紉機(jī)為基礎(chǔ)，改變縫紉機(jī)機(jī)針結(jié)構(gòu)和運(yùn)動(dòng)方式，即采用外針包圍內(nèi)針的雙針系統(tǒng)并配以松線(xiàn)輔助機(jī)構(gòu)。

雙針系統(tǒng)的三維模型如圖1所示。它以普通工業(yè)縫紉機(jī)為基礎(chǔ)，針對(duì)碳纖維線(xiàn)易斷的問(wèn)題，改良了現(xiàn)有的機(jī)針運(yùn)動(dòng)方式與送線(xiàn)方式，改良后的輔助機(jī)構(gòu)主要分為雙針裝置和送線(xiàn)裝置。其中，雙針裝置著力解決碳纖維縫紉機(jī)在縫制過(guò)程中縫紉線(xiàn)與縫料之間的摩擦并且易斷線(xiàn)的問(wèn)題，以及保證碳纖維縫紉線(xiàn)在縫制過(guò)程中處于無(wú)張力或極小張力狀態(tài)，外針負(fù)責(zé)刺布，內(nèi)針負(fù)責(zé)送線(xiàn)，兩者相互配合而互不影響，有效解決了線(xiàn)與布的摩擦。此碳纖維縫紉輔助機(jī)構(gòu)首先是改變機(jī)針，將機(jī)針變?yōu)橄嗷ヅ浜线\(yùn)動(dòng)內(nèi)外兩針。該機(jī)構(gòu)先由外針2刺破布層，再使內(nèi)針3刺出外針，將線(xiàn)送至鷹嘴擺梭1處，這便要求內(nèi)針運(yùn)動(dòng)晚于外針但加速度大于外針。為滿(mǎn)足該運(yùn)動(dòng)要求，此機(jī)構(gòu)應(yīng)含有兩套曲柄，但兩套曲柄在運(yùn)動(dòng)過(guò)程中會(huì)導(dǎo)致與其相連的兩個(gè)連桿運(yùn)動(dòng)發(fā)生干涉，因此，該機(jī)構(gòu)將兩套曲柄集合成一套經(jīng)優(yōu)化變形后的曲柄即曲柄10，再由其相對(duì)位置確定連桿長(zhǎng)度，使其滿(mǎn)足四桿機(jī)構(gòu)桿長(zhǎng)條件。其中，電機(jī)11與機(jī)架固定連接，上下曲軸均與機(jī)架固定相對(duì)位置，并使用軸承與之過(guò)度配合，保證其在電機(jī)帶動(dòng)下可自由轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)主軸與上曲軸12通過(guò)聯(lián)軸器同軸轉(zhuǎn)動(dòng)，曲軸連桿與上、下曲軸均使用銷(xiāo)釘連接，可實(shí)現(xiàn)上曲軸將動(dòng)力傳輸至下曲軸14，且上、下曲軸有規(guī)律配合運(yùn)動(dòng)，下曲軸14帶動(dòng)鷹嘴擺梭1運(yùn)動(dòng)，上曲軸與曲柄使用簡(jiǎn)單平鍵連接，實(shí)現(xiàn)其同軸轉(zhuǎn)動(dòng)。內(nèi)針連桿8、外針連桿5與曲柄10和內(nèi)針夾持器7、外針夾持器6均使用銷(xiāo)釘連接，使其連接處為自由度是1的轉(zhuǎn)動(dòng)副，連接處均可自由轉(zhuǎn)動(dòng)，內(nèi)針加持器7、外針夾持器6與內(nèi)針連桿8、外針連桿5均為相對(duì)固定連接，以實(shí)現(xiàn)將曲柄10的周轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)傳遞并轉(zhuǎn)化為兩針的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)。外針夾持器外滾子為一束縛縫紉線(xiàn)裝置，其軸與外針夾持器固定連接，其與軸可相對(duì)轉(zhuǎn)動(dòng)。

圖1 雙針系統(tǒng)的三維模型

為盡量防止碳纖維縫紉線(xiàn)縫紉時(shí)線(xiàn)的張力過(guò)大而導(dǎo)致斷線(xiàn)問(wèn)題，在原有工業(yè)縫紉機(jī)的基礎(chǔ)上增加碳纖維縫紉機(jī)輔助機(jī)構(gòu)，通過(guò)放松縫紉線(xiàn)來(lái)解決縫紉線(xiàn)因張力過(guò)大導(dǎo)致的斷線(xiàn)問(wèn)題。此松線(xiàn)輔助機(jī)構(gòu)分為兩部分配合工作，一部分為撥線(xiàn)部分，另一部分為夾線(xiàn)送線(xiàn)部分，如圖2所示。撥線(xiàn)裝置運(yùn)用電機(jī)提供動(dòng)力使皮帶輪17轉(zhuǎn)動(dòng)，皮帶輪17帶動(dòng)傳動(dòng)軸4轉(zhuǎn)動(dòng)，一方面?zhèn)鲃?dòng)軸4將動(dòng)力傳遞給齒輪9，齒輪9與齒輪8配合轉(zhuǎn)動(dòng)，從而帶動(dòng)圓柱凸輪7轉(zhuǎn)動(dòng)，使齒條6左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)，帶到撥線(xiàn)齒輪3，進(jìn)而完成撥線(xiàn)裝置2的旋轉(zhuǎn)。傳動(dòng)軸4將動(dòng)力傳遞給齒輪9的同時(shí)又可將動(dòng)力傳遞給凸輪5，凸輪5轉(zhuǎn)動(dòng)使得撥線(xiàn)裝置2前后往復(fù)移動(dòng)（前移撥線(xiàn)裝置旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)繞線(xiàn)、放線(xiàn)，后移保證碳纖維縫紉線(xiàn)的穩(wěn)定線(xiàn)跡）。另一方面齒輪9與齒輪8嚙合的同時(shí)還與齒輪10嚙合使凸輪13轉(zhuǎn)動(dòng)，凸輪13轉(zhuǎn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)夾線(xiàn)送線(xiàn)裝置11夾線(xiàn)部分前后往復(fù)移動(dòng)（前移夾緊縫紉線(xiàn)，后移松開(kāi)）。傳動(dòng)軸4轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)斜齒輪16使送線(xiàn)傳動(dòng)凸輪15轉(zhuǎn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)夾線(xiàn)送線(xiàn)裝置11送線(xiàn)部分的送線(xiàn)功能。

圖2 松線(xiàn)輔助機(jī)構(gòu)的三維模型

此輔助機(jī)構(gòu)位于縫紉機(jī)頭下，撥線(xiàn)裝置與夾線(xiàn)送線(xiàn)裝置位于縫針的前后兩側(cè)，即撥線(xiàn)裝置位于線(xiàn)跡形成一側(cè)，夾線(xiàn)送線(xiàn)裝置位于線(xiàn)跡形成另一側(cè)?？p紉機(jī)驅(qū)動(dòng)電機(jī)帶動(dòng)皮帶輪17，使縫針與兩個(gè)裝置擁有同樣的周期。兩個(gè)裝置互相配合工作放松碳纖維縫紉線(xiàn)，從而減小縫紉時(shí)的張力與剪切力，減小斷線(xiàn)率。

1.2 輔助機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)配合

改進(jìn)后的裝置，針桿機(jī)構(gòu)不同于普通工業(yè)縫紉機(jī)的單針，而是新型的雙針機(jī)構(gòu)，并配合輔助機(jī)構(gòu)工作?？p紉機(jī)工作時(shí)，首先外針會(huì)與縫料接觸，并刺破縫料，其后內(nèi)針穿過(guò)外針達(dá)到送線(xiàn)的目的。這樣可以有效地避免縫紉線(xiàn)與縫料之間的直接接觸，從而避免線(xiàn)與料之間的摩擦，解決縫制過(guò)程中的斷線(xiàn)問(wèn)題。輔助機(jī)構(gòu)中撥線(xiàn)裝置前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)與往復(fù)轉(zhuǎn)動(dòng)結(jié)合實(shí)現(xiàn)撥線(xiàn)-放線(xiàn)-撥線(xiàn)的過(guò)程。夾線(xiàn)送線(xiàn)裝置前后往復(fù)運(yùn)動(dòng)實(shí)現(xiàn)夾線(xiàn)功能，往復(fù)運(yùn)動(dòng)與夾線(xiàn)功能相互配合實(shí)現(xiàn)夾緊送線(xiàn)-松線(xiàn)回程-夾緊送線(xiàn)的過(guò)程，從而使縫針在進(jìn)針時(shí)碳纖維線(xiàn)處于松弛狀態(tài)，大大減少了針孔對(duì)線(xiàn)的剪切作用。

輔助機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖如圖3所示。當(dāng)內(nèi)外針位于最上端時(shí)，稱(chēng)為位置a；當(dāng)外針剛接觸到縫料時(shí)，稱(chēng)為位置b；當(dāng)外針剛刺穿縫料時(shí)，稱(chēng)為位置c；當(dāng)外針位于最下端時(shí)，稱(chēng)為位置d；當(dāng)內(nèi)針位于最下端時(shí)，稱(chēng)為位置e。內(nèi)外針由最上端位置a開(kāi)始工作，到達(dá)位置b時(shí)，外針與縫料剛好接觸。到達(dá)位置c時(shí)外針刺穿縫料但并未到達(dá)最下端，之后再進(jìn)針于位置d時(shí)外針到達(dá)最下端，外針并由此回針完成一個(gè)循環(huán)。外針工作的同時(shí)內(nèi)針持續(xù)進(jìn)針在位置e到達(dá)最下端，完成送線(xiàn)工作并由此回針?？p針由最上方位置b開(kāi)始工作，在位置c時(shí)與縫料剛好接觸，到達(dá)位置d時(shí)縫針處于最下端?？p針由最下端位置d開(kāi)始回針，到達(dá)位置f時(shí)縫料與縫針剛好分離。在此輔助機(jī)構(gòu)中，各凸輪以相同的速度運(yùn)動(dòng)?？p針由位置a到位置d移凸輪（凸輪5）處于遠(yuǎn)休狀態(tài)，圓柱凸輪依次完成推程、遠(yuǎn)休、回程使撥線(xiàn)裝置完成繞線(xiàn)、放線(xiàn)工作。在圓柱凸輪推程結(jié)束時(shí)，轉(zhuǎn)凸輪（凸輪15）繼續(xù)進(jìn)行推程，再完成遠(yuǎn)休、回程、近休，控制夾線(xiàn)送線(xiàn)裝置完成工作。縫針由位置b到位置c時(shí)，撥線(xiàn)裝置與夾線(xiàn)送線(xiàn)裝置分別完成工作；當(dāng)縫針到位置f時(shí)，撥線(xiàn)裝置與夾線(xiàn)送線(xiàn)裝置工作最終結(jié)束。雙針系統(tǒng)與輔助機(jī)構(gòu)互相配合從而實(shí)現(xiàn)并解決碳纖維縫紉線(xiàn)的斷裂問(wèn)題。

圖3 輔助機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)循環(huán)圖

1.3 輔助機(jī)構(gòu)放松線(xiàn)量控制

圖4 為輔助機(jī)構(gòu)對(duì)碳纖維縫紉線(xiàn)未放松和放松后的對(duì)比示意圖。

對(duì)輔助機(jī)構(gòu)放松線(xiàn)量控制時(shí)，理論上可以通過(guò)控制齒輪的分度圓直徑、凸輪的推程以及改變繞線(xiàn)裝置的尺寸大小這三個(gè)方面來(lái)進(jìn)行。在輔助機(jī)構(gòu)送線(xiàn)時(shí)，根據(jù)碳纖維疊層布的最大厚度和縫針的行針位置來(lái)調(diào)節(jié)繞線(xiàn)裝置的轉(zhuǎn)動(dòng)幅度以及夾線(xiàn)送線(xiàn)裝置的位移大小，使得供線(xiàn)量與此時(shí)的面線(xiàn)需求量達(dá)到一致，在整個(gè)過(guò)程中，輔助機(jī)構(gòu)配合雙針系統(tǒng)進(jìn)行工作。整個(gè)縫紉過(guò)程不僅避免了放松量不夠引起的斷線(xiàn)問(wèn)題，又可以防止放松線(xiàn)量過(guò)大造成縫紉不牢靠的問(wèn)題。

控制輔助機(jī)構(gòu)放松線(xiàn)量時(shí)，要考慮一個(gè)線(xiàn)跡所需的長(zhǎng)度（一個(gè)線(xiàn)跡長(zhǎng)度為3 mm）以及碳纖維疊層布厚度（16 mm），由于勾線(xiàn)、引線(xiàn)機(jī)構(gòu)及旋梭的存在，還需考慮這些裝置的需線(xiàn)量，即總的線(xiàn)量為45 mm。經(jīng)計(jì)算，送線(xiàn)裝置的位移量為24 mm，繞線(xiàn)裝置的幅度約為2π，繞線(xiàn)裝置轉(zhuǎn)動(dòng)一周的繞線(xiàn)量為21 mm，所以剛好滿(mǎn)足45 mm的供線(xiàn)量需求。

2 改進(jìn)針桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

2.1 雙針的速度及加速度分析

為確保改進(jìn)機(jī)構(gòu)的動(dòng)態(tài)性能，應(yīng)盡量保證速度曲線(xiàn)光滑連續(xù)。加速度特性對(duì)機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)的光滑性及連續(xù)性有著重要影響，加速度決定慣性力大小，其曲線(xiàn)的光滑性和連續(xù)性是保證機(jī)構(gòu)獲得良好特性的關(guān)鍵，因此建立縫針的物理模型如圖5所示。

圖5 縫針的物理模型

雙針的速度：

式中：v為雙針機(jī)構(gòu)內(nèi)外針?biāo)俣龋╩m/s）；φ1′為曲柄的角速度（rad/s）；φ1為雙針機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中曲柄與內(nèi)外針運(yùn)動(dòng)方向的夾角（°）；φ2為內(nèi)外針連桿與內(nèi)外針運(yùn)動(dòng)方向的夾角（°）；L1為雙針機(jī)構(gòu)中曲柄長(zhǎng)度（mm）。

雙針的加速度：

式中：a為雙針機(jī)構(gòu)內(nèi)外針加速度（mm/s2）；φ2′為連桿的角速度（rad/s）；φ1″為曲柄角加速度（rad/s2）；L2為雙針機(jī)構(gòu)中內(nèi)外針連桿長(zhǎng)度（mm）。

2.2 雙針運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線(xiàn)分析

利用MATLAB軟件對(duì)解析法編程處理后，得出雙針的運(yùn)動(dòng)規(guī)律曲線(xiàn)，雙針系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)循環(huán)一個(gè)周期的雙針位移、速度以及加速度大小的對(duì)比如圖6、圖7和圖8所示。

圖6 雙針位移圖

圖7 雙針?biāo)俣葓D

圖8 雙針加速度圖

本系統(tǒng)中縫紉機(jī)雙針模型模擬市場(chǎng)主流工業(yè)縫紉機(jī)在標(biāo)準(zhǔn)工況下縫針轉(zhuǎn)速3 000 r/min應(yīng)用場(chǎng)景，經(jīng)計(jì)算分析可得縫針運(yùn)動(dòng)周期為0.020 s。

由圖6～圖8可知，在系統(tǒng)運(yùn)動(dòng)周期開(kāi)始時(shí)，內(nèi)針的高度相較于外針高3 mm，由于內(nèi)針位置較高的原因，內(nèi)針的加速度大于外針，可以保證在0.004 5 s時(shí)外針刺破層疊布后內(nèi)針可以獲得更高速度。隨后，在0.005 5 s和0.006 0 s時(shí)內(nèi)針?lè)謩e突破層疊布和外針，并于0.010 s時(shí)完成勾線(xiàn)動(dòng)作。此時(shí)，內(nèi)、外針均處于最低位，且內(nèi)針的高度相較于外針低3 mm，速度均為0 mm/s，加速度均為最大值。

雙針在回程過(guò)程中與推程運(yùn)動(dòng)互為相反，擺梭勾線(xiàn)動(dòng)作完成后在0.014 0 s時(shí)內(nèi)針抽離層疊布、0.014 5 s時(shí)內(nèi)針重回外針內(nèi)部、0.015 5 s時(shí)外針抽離層疊布。最后，在0.020 s時(shí)內(nèi)針和外針重回最高位，且內(nèi)針的高度相較于外針高3 mm，速度均為0 mm/s。

機(jī)構(gòu)改進(jìn)前只有單針（相當(dāng)于雙針機(jī)構(gòu)的內(nèi)針）運(yùn)動(dòng)，在縫紉過(guò)程中碳纖維縫紉線(xiàn)直接與層疊碳布產(chǎn)生摩擦，造成起毛、斷線(xiàn)；機(jī)構(gòu)改進(jìn)后為雙針機(jī)構(gòu)，外針直徑大于內(nèi)針，外針先于內(nèi)針刺破層疊碳布，內(nèi)針運(yùn)動(dòng)晚于外針但加速度大于外針，外針保護(hù)內(nèi)針引領(lǐng)碳纖維縫紉線(xiàn)穿過(guò)縫料，這樣可以有效地避免縫紉線(xiàn)與縫料之間的直接接觸，再加上松線(xiàn)輔助機(jī)構(gòu)的配合，使縫紉線(xiàn)與縫料之間的摩擦大大減小，解決縫制過(guò)程中的斷線(xiàn)問(wèn)題。因此，雙針機(jī)構(gòu)在內(nèi)外針不斷交替的過(guò)程中縫紉變得更加平滑，縫紉效率提高了10%左右。

3 結(jié)束語(yǔ)

基于普通工業(yè)縫紉機(jī)的工作方式與原理，針對(duì)層疊碳布縫制工程中的斷線(xiàn)問(wèn)題設(shè)計(jì)出縫紉機(jī)改進(jìn)機(jī)構(gòu)——雙針機(jī)構(gòu)與松線(xiàn)輔助機(jī)構(gòu)，兩機(jī)構(gòu)與原機(jī)構(gòu)配合協(xié)調(diào)工作，此雙針機(jī)構(gòu)在縫紉機(jī)縫制過(guò)程中有效地避免了縫線(xiàn)與縫料之間的摩擦，松線(xiàn)輔助機(jī)構(gòu)通過(guò)對(duì)縫紉過(guò)程中縫線(xiàn)的放松，從而降低了碳纖維縫紉線(xiàn)在縫制過(guò)程中的斷線(xiàn)率。