基于Solidworks的繡花機(jī)凸輪曲線的推導(dǎo)及驗(yàn)證分析

壽飛鋒 季海彬 洪曉峰 徐松

摘要：通過(guò)運(yùn)用SolidWorks下的Motion模塊對(duì)繡花機(jī)中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)部件運(yùn)動(dòng)仿真后，得出對(duì)應(yīng)從動(dòng)件關(guān)于時(shí)間-位移運(yùn)動(dòng)曲線，并通過(guò)數(shù)據(jù)處理，優(yōu)化相關(guān)運(yùn)動(dòng)曲線。在新設(shè)計(jì)的機(jī)構(gòu)中導(dǎo)入優(yōu)化后的數(shù)據(jù)點(diǎn)反推出新外緣凸輪。最后運(yùn)用新的運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)再推導(dǎo)出運(yùn)動(dòng)曲線，兩者相對(duì)比驗(yàn)證曲線合理性。結(jié)果表明，試驗(yàn)架構(gòu)合理，數(shù)據(jù)分析及處理后所生成的外緣凸輪滿足實(shí)際所需，并且采用此種方法推導(dǎo)凸輪曲線更為簡(jiǎn)便，精度上也有很大提高。

關(guān)鍵詞：繡花機(jī)；外緣凸輪；運(yùn)動(dòng)仿真；數(shù)據(jù)處理；分析

中圖分類號(hào)：TH112.2 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A

1 引言

隨著我國(guó)人民物質(zhì)水平的不斷提高，對(duì)服裝的品質(zhì)追求也在不斷提升，因此傳統(tǒng)紡織領(lǐng)域里的繡花行業(yè)重新流行起來(lái)。這對(duì)電腦繡花機(jī)的工作效率與品質(zhì)需求也越來(lái)越高。從無(wú)到有，從有向優(yōu)，其核心部件外緣凸輪的設(shè)計(jì)顯得尤為重要。凸輪曲線的設(shè)計(jì)精細(xì)程度決定了機(jī)器工作上的準(zhǔn)確性與可靠性。

傳統(tǒng)的設(shè)計(jì)凸輪曲線是方法比較原始，是通過(guò)借助CAD工具轉(zhuǎn)動(dòng)各相關(guān)零件圖形，每5度1個(gè)數(shù)據(jù)點(diǎn)依次測(cè)繪得到，費(fèi)時(shí)費(fèi)力的同時(shí)精度無(wú)法得到保障。本文主要闡述了一種運(yùn)用SolidWorks下的Motion模塊對(duì)舊繡花機(jī)外緣凸輪對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)體位移曲線的推導(dǎo)并篩選數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行優(yōu)化，在設(shè)計(jì)新機(jī)型時(shí)反推新款運(yùn)動(dòng)凸輪輪廓并再次驗(yàn)證的方法。兩相對(duì)比，該方法方便簡(jiǎn)潔同時(shí)測(cè)繪精度也較高，同時(shí)由于測(cè)繪仿真過(guò)程可見(jiàn)，更能夠讓人直觀的理解其工作原理。

2.1 電腦繡花機(jī)機(jī)頭結(jié)構(gòu)組成與凸輪工作原理

毛巾繡，是繡花的一種，屬于立體繡花，因其繡花效果很像毛巾布料，故名毛巾繡。它主要由毛巾機(jī)頭部件，梭床部件及相關(guān)夾線部件組成。整臺(tái)毛巾繡機(jī)最核心的部件就是機(jī)頭部件。

毛巾繡機(jī)頭的關(guān)鍵傳動(dòng)部件有外緣凸輪1（有三個(gè)不同的凸輪，分別對(duì)應(yīng)針桿，針嘴及壓腳），驅(qū)動(dòng)連桿2（有三個(gè)不同的連桿，分別對(duì)應(yīng)針桿，針嘴及壓腳），驅(qū)動(dòng)體3（有三個(gè)不同的驅(qū)動(dòng)體，分別對(duì)應(yīng)針桿，針嘴及壓腳），偏心軸4等。如圖1所示

其工作原理是：通過(guò)伺服電機(jī)帶動(dòng)主軸驅(qū)動(dòng)外緣凸輪1，凸輪上三個(gè)曲面分別帶動(dòng)各自驅(qū)動(dòng)連桿2，經(jīng)小連桿過(guò)渡，最終分別通過(guò)對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)體將初始的旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為直線方向的往復(fù)運(yùn)動(dòng)。三個(gè)凸輪曲面上特定的位置關(guān)系確保機(jī)器能夠順利完成繡花動(dòng)作。

2.2 舊機(jī)型凸輪曲線仿真

由于在實(shí)踐中證明，原有舊機(jī)型的凸輪曲線符合實(shí)際需求。因此在新機(jī)型的設(shè)計(jì)中可知，在保證原有驅(qū)動(dòng)體位移與凸輪旋轉(zhuǎn)角度對(duì)應(yīng)關(guān)系不變后，當(dāng)其核心部件位置發(fā)生改變時(shí)，其繡花原理不變。為此，首先需要構(gòu)造模型將關(guān)鍵部件通過(guò)SolidWorks下的Motion模塊得出運(yùn)動(dòng)位移曲線。

在搭建仿真模型時(shí)，去除冗余零件，確保不受多余零件對(duì)分析結(jié)果的干擾，如圖2所示，即為常規(guī)毛巾繡機(jī)頭凸輪運(yùn)轉(zhuǎn)完成繡花動(dòng)作的關(guān)鍵部件。

設(shè)置馬達(dá)轉(zhuǎn)速，及旋轉(zhuǎn)時(shí)間（設(shè)置為兩個(gè)周期時(shí)間，確保能夠得到一個(gè)完整周期的曲線，同時(shí)可驗(yàn)證曲線的正確性），運(yùn)算后得到凸輪旋轉(zhuǎn)時(shí)相對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)體的時(shí)間位移曲線。如圖3所示

將運(yùn)算結(jié)果導(dǎo)入Excel表格中，在同一時(shí)間截取一個(gè)完整周期的運(yùn)動(dòng)曲線數(shù)據(jù)點(diǎn)。一個(gè)周期篩選360個(gè)點(diǎn)，并初定截取的起始點(diǎn)位置為凸輪轉(zhuǎn)角0度時(shí)。如圖4所示，即部分凸輪轉(zhuǎn)角與對(duì)應(yīng)驅(qū)動(dòng)體位移數(shù)據(jù)點(diǎn)表格。

對(duì)所得數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行處理，目的是消除位移曲線上存在的突兀的“凹點(diǎn)”與“凸點(diǎn)”。即保證凸輪基圓半徑始終大于接觸的滾子的半徑。

2.3 新機(jī)型凸輪曲線擬合推導(dǎo)

在新型毛巾繡花機(jī)設(shè)計(jì)過(guò)程中，將五眼連桿（針桿五眼連桿1-1，針嘴五眼連桿1-2，壓腳五眼連桿1-3），偏心軸3，殼體及相關(guān)驅(qū)動(dòng)體（針桿驅(qū)動(dòng)體5，壓腳驅(qū)動(dòng)體7，針嘴驅(qū)動(dòng)體8）設(shè)計(jì)完畢后，在SolidWorks軟件內(nèi)模擬裝配，如圖5所示，即為新型毛巾繡關(guān)鍵運(yùn)動(dòng)部件模型。再依次導(dǎo)入相關(guān)處理后的數(shù)據(jù)點(diǎn)。以虛線處為凸輪旋轉(zhuǎn)中心軸線，運(yùn)動(dòng)仿真處理后可初步得到針桿，針嘴及壓腳三個(gè)凸輪的對(duì)應(yīng)曲線。

初步運(yùn)動(dòng)仿真后得到凸輪設(shè)計(jì)原始曲線，如圖6所示。將運(yùn)動(dòng)曲線根據(jù)需要（考慮滾子半徑）創(chuàng)建凸輪三維模型，并重新將新建凸輪模型裝配到圖5的結(jié)構(gòu)中，重復(fù)上文所提的凸輪曲線運(yùn)動(dòng)仿真運(yùn)算。

此時(shí)需要在兩方面驗(yàn)證新設(shè)計(jì)凸輪的準(zhǔn)確性：

1、當(dāng)外緣凸輪曲面模型存在突兀的“凹凸點(diǎn)”時(shí)，即凸輪基圓半徑r0小于滾珠半徑r1。凸輪模擬配合會(huì)發(fā)生故障，直接報(bào)錯(cuò)，此時(shí)需要對(duì)數(shù)據(jù)點(diǎn)重新處理再仿真得出凸輪運(yùn)動(dòng)廓線；

2、將運(yùn)用新凸輪仿真生成的針桿，針嘴，壓腳的位移曲線與利用舊機(jī)型原有的位移曲線一一對(duì)比。理論上兩條對(duì)應(yīng)的位移曲線偏差不應(yīng)大于3%，如圖7所示，將縱坐標(biāo)放大10倍，可更直觀比較前后兩種位移曲線的差異性。

由圖可知，對(duì)應(yīng)的兩條凸輪曲線偏差不大于3%。即按照上述方法推導(dǎo)得出的外緣凸輪運(yùn)動(dòng)曲線滿足設(shè)計(jì)要求。

3-1 結(jié)論

本文主要論證了一種基于SolidWorks下的Motion模塊的關(guān)于外緣凸輪曲線的推導(dǎo)及驗(yàn)證。這為未來(lái)繡花機(jī)行業(yè)的關(guān)于外緣凸輪設(shè)計(jì)提供了一種切實(shí)有效的思路和方法。借助于成熟的設(shè)計(jì)工具，操作簡(jiǎn)單，精度也比較高。

但同時(shí)也存在局限性：本文論述的方法僅適用于外緣凸輪的曲線擬合，而在電腦繡花機(jī)領(lǐng)域還存在圓柱凸輪等類型，本文闡述的方法不足以滿足此類凸輪的設(shè)計(jì)需求。有待后續(xù)開(kāi)發(fā)研究。

參考文獻(xiàn)：

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[2]陳超祥，胡其登.SolidWorks？ Motion運(yùn)動(dòng)仿真教程[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2014.01.

作者簡(jiǎn)介：壽飛鋒（1990-）男，漢，浙江諸暨，研發(fā)工程師，研究方向：電腦繡花機(jī)領(lǐng)域.